کامپوزیت فولاد-بتن مجهز به اتصالات هیسترتیک

شبیه سازی ترکیبی قاب نسبتا مقاوم کامپوزیت فولاد-بتن مجهز به اتصالات تیر قابل تعویض هیسترتیک

این مقاله به ارزیابی پاسخ لرزه ای قاب فولاد-بتن با مقاومت گشتاور (MRF) مجهز به اجزای قابل تعویض اتلاف کننده ویژه (DRCs): اتصالات تیر قابل تعویض اتلافی (DRBeS) می پردازد که اتلاف انرژی زیاد را با سهولت در جایگزینی ترکیب می کند. ارزیابی پتانسیل کامل DRBeS به بررسی سطح سیستم نیاز دارد؛ یعنی MRF شش طبقه که اثرات اتصالات هیسترتیک تیر با استحکام جزئی به هم متصل می کند، در پاسخ کلی سیستم ساختاری در نظر گرفته می شوند. بنابراین، یک مدل قاب المان محدود (FE) OpenSees بر اساس کمپین های آزمایش قبلی با جابجایی های چرخه ای روی اتصالات با استحکام جزئی و مدل تایید شده Matlab براساس OpenSees در آزمایشات پیچیده‌تر ازطریق شبیه سازی ترکیبی (HS) استفاده شد. هدف از شبیه سازی دو مورد بود:

الف) افزایش دانش رفتار غیر خطی کامپوزیت فولاد-بتن MRF با قدرت جزئی

ب) مطالعه اثربخشی ترکیبات DRBeS برای افزایش بازیابی عملکرد پس از یک رویداد بزرگ لرزه ای.

با این حال، برای بیان عملکرد MRF با استحکام جزئی در آسیب محدود (DL)، آسیب زیاد (SD) و نزدیک به فروپاشی (NC) در عملکرد مبتنی بر رویکرد مهندسی زلزله (PBEE) از HS استفاده شد. در چنین مواردی، لایه زیرین به صورت فیزیکی در مقیاس کامل لابراتوار آزمایش شد و مابقی سازه به صورت عددی شبیه سازی شد. نتایج مربوطه نشان داد که DRBeS قادر به از بین بردن مقداری از انرژی هیسترتیک و محافظت از بخش های غیر اتلافی اتصالات با استحکام جزئی و ساختار کلی با سهولت جایگزینی بود.

زمینه و انگیزه

عملکرد سازه های کامپوزیتی فولادی و فولاد-بتن تحت بارگذاری لرزه ای مدت هاست که با توجه به شکل پذیری مواد، وزن سبک و تطبیق پذیری سیستم های ساختاری بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با رونمایی و عملی شدن نوآوری هایی مانند قطعات قابل تعویض، سیستم های خود محور، سهولت در تکمیل میرایی، دستگاه های ایزوله و کنترل زیان اقتصادی انتظار می رود این سازه ها راه حل های ایمن فزاینده ای را به ارمغان آورند. با این حال، طراحی اتصالات نقش عمده ای در جزئیات سازه ایفا دارد و به طور سیستماتیک بر رفتار سیستم تأثیر می گذارد به طوری که اعضا و طراحی مشترک باید به طور همزمان و تکرار شونده انجام شوند. چنین پیچیدگی معمولاً یک مانع برای طراحان است؛ به ویژه تحت محدودیت های قانونی فراگیر تحمیل شده توسط استانداردهای طراحی. به عنوان مثال، اتصالات دارای استحکام جزئی را نمی توان در سازه های فلزی لرزه ای یا کامپوزیتی فولاد-بتن در ایتالیا استفاده کرد. برعکس، در استانداردهای اروپایی کاربرد دارند. در استانداردهای ایالات متحده، قاب های خمشی با مقاومت گشتاور (C-PRMF) مهار شده مجاز هستند؛ جایی که اتصالات تیر به ستون می توانند تسلیم را در مناطق شکل پذیر، با حداقل ظرفیت چرخشی 20mrad تجربه کنند. با این وجود، چندین الزام تحلیلی/طراحی در استاندارد AISC وجود دارد که شامل الزامات پیش صلاحیت بر اساس آزمون های تجربی می شود. رویکرد مشابهی در استانداردهای ژاپنی وجود دارد؛ قانون استاندارد ساختمان و موسسه معماری ژاپن قوانین، اطلاعیه ها و توصیه هایی را برای طراحی پلاستیکی سازه ها و اتصالاتی که کاربرد اتصالات با استحکام جزئی در ژاپن را کمرنگ می کنند صادر کردند. به طور دقیق تر و متفاوت از استانداردهای اروپایی، استفاده گسترده اتصالات جوشکاری با استحکام کامل در نقاط اتلاف کننده در انتهای تیرها است.

بنابراین، به دلیل توسعه امیدوارکننده و راهکارهایی از جمله حضور PBEE، طراحی و پذیرش اتصالات کامپوزیتی فولاد-بتن ابتکاری با استحکام جزئی یک شکاف تحقیقاتی را نیز برای چارچوب های عملکردی ایجاد می کند. با توجه به فعالیت های آزمایشی انجام شده در اروپا، ایالات متحده امریکا و ژاپن، آزمایشات متمرکزی بر اتصالات کامپوزیتی فولاد و فولاد-بتن با استحکام جزئی که تحت آزمایشات چرخه‌ای قرار گرفتند، انجام شد. اتصالات آزمایش شده در ژاپن از استانداردهای شرکت های ساختمانی برخوردار بود که هدف اصلی آن تایید جزئیات خاص اتصالات بود. بنابراین، آزمون‌های محدود و عمدتاً داده‌های از پیش تائید شده در دسترس هستند اما چندان قابل تعمیم نیستند. همچنین استفاده از رویکرد PBEE مستلزم دو پیامد عمده در طراحی سازه است. اول، هم سازه ها و هم اتصالات باید با حالت های حدی مختلف و ورودی های لرزه ای مربوطه مقابله کنند. بنابراین در راستای استاندارد لرزه‌ای اروپا، از این پس به حالت های آسیب محدود (DL)، آسیب زیاد (SD) و نزدیک به فروپاشی (NC) طبقه بندی می شوند. دوم، قابلیت بومی‌سازی و محدود کردن لرزه ‌های ناشی از آسیب در کنترل منفعل است.

این مقاله به طور جامع نتایج حاصل از بررسی HS را بر روی قاب های کامپوزیت فولاد-بتن با مقاومت گشتاور (MRF) مجهز به DRBeS را بیان می کند. در رویکرد PBEE، سه حالت محدود برای ورودی های لرزه ای در نظر گرفته شده است: DL، SD و NC. به طور خاص تر و جدیدتر در رویکرد PBEE، سهولت جایگزینی قطعات پس از حالت SD ارزیابی شد. در اینجا نتایج اصلی تحقیق به طور خلاصه خلاصه شده است:

- در حالت DL، MRF بدون هیچ آسیبی توسط اجزای اتلاف کننده به صورت الاستیک رفتار کرد و رانش باقیمانده عملاً صفر بود.

- در حالت SD، اتلاف انرژی در اتصالات تیرهای تشکیل دهنده DRBeS بدون هیچ آسیبی در اجزای غیر قابل تعویض مشاهده شد. DRBeS رفتار غیرکشسانی مطلوبی را بدون از دست دادن سفتی و استحکام از خود نشان داد. کمانش صفحه قابل مشاهده نبود و فقط آسیب جزئی مشاهده شد. پیاده سازی صفحات آسیب دیده و جایگزینی آنها با صفحات جدید به راحتی انجام شد.

- در حالت NC، DRBeS با کمانش آشکار صفحه به دلیل لحظات خمشی شدیدا آسیب دید. رفتار هیسترتیک اجزا با چرخه های بزرگ و یک شاخه نرم کننده در کل چرخش ها مشخص شد. از آنجایی که سازه با هدف مقابله با حالت SD طراحی شده است، برخی آسیب ها در بخش های غیر اتلاف پذیر همچون کرکینگ در دال بتنی و مقداری تسلیم در پایه ستون مشاهده شد. با این حال، رفتار کلی با رانش های کوچک پسماند بین طبقاتی و قابلیت خود محوری مطلوب بود.

- HS با استفاده از الگوریتم G-ɑ و سنتز حالت گریی-بامپتون با موفقیت اجرا شد. در واقع، HS ها قادر به بازتولید کامل پاسخ لرزه‌ای قاب MRF شش طبقه بودند. علاوه براین، منحنی های پوش اور به دست آمده از مدل مرجع به خوبی با مقادیر کلی بازخورد نیرو و جابجایی‌های محرک مطابقت دارد. همچنین کمیت‌های محلی ازنظر گشتاورها و چرخش‌ها با پیش‌بینی مدل‌های عددی همخوانی داشتند، اگرچه پیش‌بینی رفتار مؤلفه‌ها از مقیاس کامل تست‌ها همچنان یک مسئله پیش پا افتاده است.

به طور کلی، مشاهده شد که خواص مطلوب MRF های کامپوزیت فولاد-بتن با مقاومت جزئی به DRBeS مجهز شده است. اگرچه تقویت کننده های اسلب و کامپوزیت مربوطه فراتر از حالت SD است، جزئیات اتصالات تیر به ستون با مقاومت جزئی پیشنهادی نیازمند مطالعات بیشتر است. اشتعال پذیری سازه های چند طبقه به طور معمول تقسیم بندی خوبی بین طبقات نشان می دهد؛ همچنین برای قاب های فولادی طراحی شده در مناطق زلزله خیز کاربرد دارد. برای به حداقل رساندن گسترش احتمالی آتش سوزی در بین طبقاتی که ممکن است باعث آسیب شدید شوند و برای پایداری سازه حیاتی باشند، حداقل در سازه مجهز به DRBeS به دلیل برش ازطریق اسلب باید به دقت مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد.