ستونهای مرکب بایست افقی در اغلب ساختمانهای با سازه فولادی در کشور مورد استفاده قرار می گیرند. از آنجا که این ستونها در سازه های مقاوم در برابر زلزله برخلاف فرض آیین نامه های موجود، به هنگام زلزله تحت لنگرهای خمشی حول محور توخالی خود قرار می گیرند و همچننی مشاهده رفتار سازه های دارای این ستونها در زلزله های گذشته، انتظار وقوع مودهای شکست و رفتار متفاوتی در ستونهای مرکب نسبت به ستونهای توپر وجود دارد. از طرف دیگر، بدلیل عدم رواج استفاده از این ستونها در مناطق لرزه خیز جهان، تحقیقات کافی در مورد رفتار این ستونها در زلزله انجام نشده و در حال حاضر در آیین نامه های ساختمانی موجود، طراحی این ستونها بر مبنای رفتار استاتیکی آنها تحت بارهای محوری (ظرفیت محوری فشاری) انجام می شود. از این رو، شناخت رفتار لرزه ای و مودهای شکست ستونهای مرکب و میزان شکل پذیری آنها، تحت زلزله برای طراحی سازه های جدید یا بهسازی لرزه ای سازه های موجود دارای این ستونها، مورد نیاز می باشد. پایان نامه حاضر از دو بخش عمده تشکیل شده که در بخش نخست، رفتار ستونهای مرکب تحت بار محوری (رفتار کمانشی) و در بخش دوم رفتار لرزه ای آنها مورد مطالعه قرار گرفته است. بخش اول تحقیق حاضر به رفتار کمانشی ستونهای مرکب پرداخت است. در رابطه مورد استفاده برای محاسبه ظرفیت فشاری ستونها در مبحث دهم مقررات ملی ساختمانی ایران (که مقتبس از آیین نامه AISC-ASD)، اثر نقص هندسی اولیه بر ظرفیت فشاری ستون، مستقیماً لحاظ نشده و با این فرض که حداکثر میزان نقص اولیه از مقدار معینی تجاوز نکند، در ضریب اطمینان مستتر شده است. با توجه به ساخت ستونهای مرکب در کارگاههای ساختمانی و انجام عملیات ساخت (نظیر برشکاری، جوشکاری و …) و امکان ایجاد نقصهای هندسی خارج از محدوده مفروضات آیین نامه ها، لازم است که ظرفیت فشاری این ستونها با استفاده از روشهایی که اثر نقص هندسی در آنها بطور مستقیم لحاظ شده و صحت و اعتبار این روشها نیز با استفاده از روشهای قابل اعتماد، (مانند آزمایش) مورد تایید قرار گرفته، برآورد گردد. جهت ارزیابی اعتبار روشهای تحلیلی (و همچنین روابط آیین نامه ای) محاسبه ظرفیت فشاری ستونها، می بایست نتایج حاصل از آنها با نتایج حاصل از آزمایش برای ستونهایی که میزان نقص هندسی :آنها دقیقا تعیین شده، مقایسه گردد که در اولین بخش از پایان نامه، به این موضوع پرداخته شده است. بدین منظور، نمونه هایی از ستونهای مرکب با بست افقی با استفاده از پروفیلهای ناودانی ساخته شده و در دستگاه بارگذاری محوری ROEL AMSLER، تا حد رسیدن به ظرفیت فشاری خود، تحت بارگذاری فشاری قرار گرفته اند. سپس ظرفیت فشاری هر نمونه یکبار با استفاده از رابطه آیرتن- پری و یکبار نیز با استفاده از منحنیهای ظرفیت نهایی ستون (که در هر دو روش اثر نقص اولیه مستقیما در نظر گرفته می شود. محاسبه شده و با مقادیر حاصل از آزمایش مقایسه شده و میزان اعتبار این دو روش، ارزیابی شده است. همچنین ظرفیت فشاری نمونه ها با استفاده از روابط ارائه شده در آیین نامه های AISC-ASD و AISC-LRFD محاسبه شده و نتایج حاصله با ظرفیت های حاصل از آزمایش مقایسه شده اند. با توجه به تعیین بار بحرانی واقعی نمونه های آزمایشی با استفاده از نمودارهای Southwell، صحت روشهای تحلیلی موجود برای محاسبه بار بحرانی ستونها مرکب نیز مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج حاصل از تحقیق، نشان می دهد در صورت برآورد صحیح مقادیر بار بحرانی و دامنه نقص هندسی ستون، کران پایین ظرفیت فشاری آن را می توان با دقت مناسبی (با متوسط خطای ۱۲ درصد) با استفاده از رابطه آیرتن – پری محاسبه نمود. همچنین مقدار نقص هندسی نسبی اندازه گیری شده در ۳۸ درصد از نمونه ها بزرگتر از حداکثر نقص نسبی مجاز مشخص شده در آیین نامه AISC (0.001) بود. با این وجود هر دو آیین نامه AISC-ASD و AISC-LRFD ظرفیت فشاری ستونها را بطور محافظه کارانه (بطور متوسط ۳۳ درصد کوچکتر از مقادیر آزمایشی) برآورد نمودند. همچنین بر اساس مقایسه نتایج حاصله از آزمایش با مقادیر تحلیلی مشخص شد که دقیقترین روش برای محاسبه بار بحرانی ستونهای مشبک (در میان روشهای مورد بررسی) روش ارائه شده توسط Paul با میانگین خطای ۹٫۹ درصد و بعد از آن روش ارائه شده در راهنمای SSRC با میانگین خطای ۱۰٫۲ درصد و نادقیقترین روش، روش لاغری معادل با استفاده از معادله Engesser با میانگین خطای ۱۹٫۳ درصد می باشد.
در بخش دوم، با استفاده از آزمایشهای چرخه ای تحت بار محوری ثابت و با رجانبی چرخه ای بصورت کنترل شده با تغییر مکان، رفتار چرخه ای ستون مرکب مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از این آزمایشها، شامل منحنیهای چرخه ای نیرو-تغییر مکان جانبی ستون، منحنیهای رفتاری ستون (جهت استفاده در تحلیلهای استاتیکی غیر خطی)، مشاهده حالات شکست ستون تحت بار جانبی چرخه ای و بررسی عوامل مختلف موثر در رفتار چرخه ای و (شکل پذیری) ستون می باشد. با استفاده از منحنیهای چرخه ای، رفتار کیفی ستون از قبیل افت مقاومت و سختی، جذب انرژی و … قابل مشاهده است. همچننی منحنیهای رفتاری نیز با استفاده از منحنیهای چرخه ای تهیه می شوند. نتایج بدست آمده از آزمایشها بطور کلی نشان دهنده شکل پذیری پایین و رفتار چرخه ای نامطلوب ستونهای مرکب می باشد. افت مقاومت ستونها در بار جانبی قابل توجه بوده ولی افت سختی به نسبت افت مقاومت، زیاد نیست. منحنیهای رفتاری ستونهای مرکب دارای تفاوتهای اساسی نسبت به ستونهای توپر بوده و در اغلب حالات از نوع نیمه شکل پذیر و بدون مقاومت باقیمانده می باشد. مقدار شکل پذیری در بیشترین حالت برابر ۴ بوده و با ازدیاد نیروی محوری ستون از مقدار آن کاسته شده و به حدود ۲ می رسد. میانگین شکل پذیری آزمایشی ستونها در حالت نیروی محوری کم برابر ۲٫۳ و در حالت نیروی محوری متوسط برابر ۱۹٫۲ و در حالت نیروی محوری زیاد برابر ۱۸٫۲ می باشد. حالت شکست ستون در آزمایشها بصورت کمانش کلی و موضعی در تک پایه ها (ستونکها) مشاهده شد. همچنین مشاهده شد که تغییر در مشخصات هندسی ستون بدلیل عدم تاثیر در حالت شکست آن، تاثیر قابل توجهی در شکل پذیری آن ندارد. در نهایت رفتار چرخه ای نمونه های ستون مرکب با استفاده از تحلیل اجزاء محدود غیر خطی نیز مورد بررسی قرار گرفت. در تحلیلها، از مدل پلاستیک با لحاظ تغییر شکلها و کرنشهای بزرگ برای مصالح استفاده شد. نتایج تحلیلها از نظر حالت شکست و شکل منحنیهای چرخه ای تطابق مناسب با نتایج آزمایشها دارند. در اغلب نمونه های تحت نیروی محوری کم و متوسط، مقاومت تحلیلی و آزمایشی نمونه ها کمتر از ۱۰ درصد اختلاف دارند. در نمونه های تحت نیروی محوری زیاد، اختلاف بیشتری میان مقاومتهای تحلیلی و آزمایشی دیده می شود. همچنین سختی تحلیلی در کلیه مدلها بزرگتر از مقدار آزمایشی می باشد. منحنیهای رفتاری حاصل از تحلیل از نظر شکل ظاهری و نوع مشابه منحنیهای آزمایشی می باشند؛ ولی در اغلب حالات، شکل پذیری تحلیلی نمونه، بیشتر و شیب قسمت سخت شونده تحلیلی، کمتر از مقادیر آزمایشی است. در حالاتیکه خرابی ستون بصورت تسلیم بستهای افقی باشد (حالت بست ضعیف) شکل پذیری ستون افزایش می یابد اما از ظرفیت محوری آن کاسته می شود. همچننی وجود ورق در انتهای ستون، حالت شکست و شکل پذیری آن را تغییر نمی دهد.
مطالعه آزمایشگاهی رفتار لرزه ای ستونهای مرکب با بست افقی/جعفری صحنه سرایی محمدعلی
/توسط Arash Eslamiستونهای مرکب بایست افقی در اغلب ساختمانهای با سازه فولادی در کشور مورد استفاده قرار می گیرند. از آنجا که این ستونها در سازه های مقاوم در برابر زلزله برخلاف فرض آیین نامه های موجود، به هنگام زلزله تحت لنگرهای خمشی حول محور توخالی خود قرار می گیرند و همچننی مشاهده رفتار سازه های دارای این ستونها در زلزله های گذشته، انتظار وقوع مودهای شکست و رفتار متفاوتی در ستونهای مرکب نسبت به ستونهای توپر وجود دارد. از طرف دیگر، بدلیل عدم رواج استفاده از این ستونها در مناطق لرزه خیز جهان، تحقیقات کافی در مورد رفتار این ستونها در زلزله انجام نشده و در حال حاضر در آیین نامه های ساختمانی موجود، طراحی این ستونها بر مبنای رفتار استاتیکی آنها تحت بارهای محوری (ظرفیت محوری فشاری) انجام می شود. از این رو، شناخت رفتار لرزه ای و مودهای شکست ستونهای مرکب و میزان شکل پذیری آنها، تحت زلزله برای طراحی سازه های جدید یا بهسازی لرزه ای سازه های موجود دارای این ستونها، مورد نیاز می باشد. پایان نامه حاضر از دو بخش عمده تشکیل شده که در بخش نخست، رفتار ستونهای مرکب تحت بار محوری (رفتار کمانشی) و در بخش دوم رفتار لرزه ای آنها مورد مطالعه قرار گرفته است. بخش اول تحقیق حاضر به رفتار کمانشی ستونهای مرکب پرداخت است. در رابطه مورد استفاده برای محاسبه ظرفیت فشاری ستونها در مبحث دهم مقررات ملی ساختمانی ایران (که مقتبس از آیین نامه AISC-ASD)، اثر نقص هندسی اولیه بر ظرفیت فشاری ستون، مستقیماً لحاظ نشده و با این فرض که حداکثر میزان نقص اولیه از مقدار معینی تجاوز نکند، در ضریب اطمینان مستتر شده است. با توجه به ساخت ستونهای مرکب در کارگاههای ساختمانی و انجام عملیات ساخت (نظیر برشکاری، جوشکاری و …) و امکان ایجاد نقصهای هندسی خارج از محدوده مفروضات آیین نامه ها، لازم است که ظرفیت فشاری این ستونها با استفاده از روشهایی که اثر نقص هندسی در آنها بطور مستقیم لحاظ شده و صحت و اعتبار این روشها نیز با استفاده از روشهای قابل اعتماد، (مانند آزمایش) مورد تایید قرار گرفته، برآورد گردد. جهت ارزیابی اعتبار روشهای تحلیلی (و همچنین روابط آیین نامه ای) محاسبه ظرفیت فشاری ستونها، می بایست نتایج حاصل از آنها با نتایج حاصل از آزمایش برای ستونهایی که میزان نقص هندسی :آنها دقیقا تعیین شده، مقایسه گردد که در اولین بخش از پایان نامه، به این موضوع پرداخته شده است. بدین منظور، نمونه هایی از ستونهای مرکب با بست افقی با استفاده از پروفیلهای ناودانی ساخته شده و در دستگاه بارگذاری محوری ROEL AMSLER، تا حد رسیدن به ظرفیت فشاری خود، تحت بارگذاری فشاری قرار گرفته اند. سپس ظرفیت فشاری هر نمونه یکبار با استفاده از رابطه آیرتن- پری و یکبار نیز با استفاده از منحنیهای ظرفیت نهایی ستون (که در هر دو روش اثر نقص اولیه مستقیما در نظر گرفته می شود. محاسبه شده و با مقادیر حاصل از آزمایش مقایسه شده و میزان اعتبار این دو روش، ارزیابی شده است. همچنین ظرفیت فشاری نمونه ها با استفاده از روابط ارائه شده در آیین نامه های AISC-ASD و AISC-LRFD محاسبه شده و نتایج حاصله با ظرفیت های حاصل از آزمایش مقایسه شده اند. با توجه به تعیین بار بحرانی واقعی نمونه های آزمایشی با استفاده از نمودارهای Southwell، صحت روشهای تحلیلی موجود برای محاسبه بار بحرانی ستونها مرکب نیز مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج حاصل از تحقیق، نشان می دهد در صورت برآورد صحیح مقادیر بار بحرانی و دامنه نقص هندسی ستون، کران پایین ظرفیت فشاری آن را می توان با دقت مناسبی (با متوسط خطای ۱۲ درصد) با استفاده از رابطه آیرتن – پری محاسبه نمود. همچنین مقدار نقص هندسی نسبی اندازه گیری شده در ۳۸ درصد از نمونه ها بزرگتر از حداکثر نقص نسبی مجاز مشخص شده در آیین نامه AISC (0.001) بود. با این وجود هر دو آیین نامه AISC-ASD و AISC-LRFD ظرفیت فشاری ستونها را بطور محافظه کارانه (بطور متوسط ۳۳ درصد کوچکتر از مقادیر آزمایشی) برآورد نمودند. همچنین بر اساس مقایسه نتایج حاصله از آزمایش با مقادیر تحلیلی مشخص شد که دقیقترین روش برای محاسبه بار بحرانی ستونهای مشبک (در میان روشهای مورد بررسی) روش ارائه شده توسط Paul با میانگین خطای ۹٫۹ درصد و بعد از آن روش ارائه شده در راهنمای SSRC با میانگین خطای ۱۰٫۲ درصد و نادقیقترین روش، روش لاغری معادل با استفاده از معادله Engesser با میانگین خطای ۱۹٫۳ درصد می باشد.
در بخش دوم، با استفاده از آزمایشهای چرخه ای تحت بار محوری ثابت و با رجانبی چرخه ای بصورت کنترل شده با تغییر مکان، رفتار چرخه ای ستون مرکب مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاصل از این آزمایشها، شامل منحنیهای چرخه ای نیرو-تغییر مکان جانبی ستون، منحنیهای رفتاری ستون (جهت استفاده در تحلیلهای استاتیکی غیر خطی)، مشاهده حالات شکست ستون تحت بار جانبی چرخه ای و بررسی عوامل مختلف موثر در رفتار چرخه ای و (شکل پذیری) ستون می باشد. با استفاده از منحنیهای چرخه ای، رفتار کیفی ستون از قبیل افت مقاومت و سختی، جذب انرژی و … قابل مشاهده است. همچننی منحنیهای رفتاری نیز با استفاده از منحنیهای چرخه ای تهیه می شوند. نتایج بدست آمده از آزمایشها بطور کلی نشان دهنده شکل پذیری پایین و رفتار چرخه ای نامطلوب ستونهای مرکب می باشد. افت مقاومت ستونها در بار جانبی قابل توجه بوده ولی افت سختی به نسبت افت مقاومت، زیاد نیست. منحنیهای رفتاری ستونهای مرکب دارای تفاوتهای اساسی نسبت به ستونهای توپر بوده و در اغلب حالات از نوع نیمه شکل پذیر و بدون مقاومت باقیمانده می باشد. مقدار شکل پذیری در بیشترین حالت برابر ۴ بوده و با ازدیاد نیروی محوری ستون از مقدار آن کاسته شده و به حدود ۲ می رسد. میانگین شکل پذیری آزمایشی ستونها در حالت نیروی محوری کم برابر ۲٫۳ و در حالت نیروی محوری متوسط برابر ۱۹٫۲ و در حالت نیروی محوری زیاد برابر ۱۸٫۲ می باشد. حالت شکست ستون در آزمایشها بصورت کمانش کلی و موضعی در تک پایه ها (ستونکها) مشاهده شد. همچنین مشاهده شد که تغییر در مشخصات هندسی ستون بدلیل عدم تاثیر در حالت شکست آن، تاثیر قابل توجهی در شکل پذیری آن ندارد. در نهایت رفتار چرخه ای نمونه های ستون مرکب با استفاده از تحلیل اجزاء محدود غیر خطی نیز مورد بررسی قرار گرفت. در تحلیلها، از مدل پلاستیک با لحاظ تغییر شکلها و کرنشهای بزرگ برای مصالح استفاده شد. نتایج تحلیلها از نظر حالت شکست و شکل منحنیهای چرخه ای تطابق مناسب با نتایج آزمایشها دارند. در اغلب نمونه های تحت نیروی محوری کم و متوسط، مقاومت تحلیلی و آزمایشی نمونه ها کمتر از ۱۰ درصد اختلاف دارند. در نمونه های تحت نیروی محوری زیاد، اختلاف بیشتری میان مقاومتهای تحلیلی و آزمایشی دیده می شود. همچنین سختی تحلیلی در کلیه مدلها بزرگتر از مقدار آزمایشی می باشد. منحنیهای رفتاری حاصل از تحلیل از نظر شکل ظاهری و نوع مشابه منحنیهای آزمایشی می باشند؛ ولی در اغلب حالات، شکل پذیری تحلیلی نمونه، بیشتر و شیب قسمت سخت شونده تحلیلی، کمتر از مقادیر آزمایشی است. در حالاتیکه خرابی ستون بصورت تسلیم بستهای افقی باشد (حالت بست ضعیف) شکل پذیری ستون افزایش می یابد اما از ظرفیت محوری آن کاسته می شود. همچننی وجود ورق در انتهای ستون، حالت شکست و شکل پذیری آن را تغییر نمی دهد.