طراحي اتصال گيردار جوشي تيرورق به ستون

براي يك سازه با شكل پذيري متوسط (طبق ويرايش سال 92 مبحث دهم):

محاسبه لنگر پلاستيك محتمل تير( Mpr ) 

مطابق بند 10-3-8-2 مقدار Mpr به صورت زير محاسبه مي شود:

Zb اساس پلاستيك مقطع مي باشد (بر حسب mm3). در نرم افزار ETABS ، پس از تعريف مقطع تير ورق، در قسمت  ^{Section properties}، مقدار ^{Plastic modoulus about 3axis} همان اساس پلاستيك مقطع مي باشد.

مقدار Ry با توجه به جدول ارائه شده در بند 10-3-2-3 براي تيرورقها برابر1.15=Ry مي باشد:

مقاومتهای مورد نیاز و طراحی مقطع تیر

Cpr= ضریبی است که دربرگیرنده آثار عواملی از قبیل سخت شدگی قیدهای موضعی و ملحقات موجود در اتصال تیر به ستون است و برای محاسبه حداکثر نیروی ایجاد شده در اعضا و وسایل اتصال به کار گرفته می.شود به جز در موردی که در بخش ۱۰-۳-۱۳-۶ برای Cpr عدد خاصی پیش بینی شده است مقدار آن باید از رابطه زیر تعیین شود:

محاسبه برش محتمل در محل مفصل(Vpr)

برش كل موجود در محل تشكيل مفصل (به فاصله Sh از بر ستون) را محاسبه مي كنيم:

محاسبه برش طراحی در بر ستون (Vu)

نکته: طبق بند ۱۰-۳-۱۳-۵ مقدار Sh برابر طول ورق زیرسری یا روسری (هر کدام بزرگتر) می باشد:

اتصال گیردار جوشی به کمک ورقهای روسری و زیرسری (WFP)

(۳) محل تشکیل مفصل پلاستیک (Sh) در روی تیر باید در محل انتهای ورقهای روسری و زیرسری (هر کدام که بزرگتر است) در نظر گرفته شود.

در شروع طراحي هنوز طول ورقهاي روسري و زيرسري مشخص نيست و براي شروع طراحي به عنوان يك تقريب اوليه مي توان آنرا برابر عمق مقطع تيرورق درنظر گرفت.

مقدار  برش طراحي در بر ستون (Vu) بر حسب kN مطابق  بند 10-3-8-1-2-2 برابر است با:

محاسبه لنگر طراحي در بر ستون(Mu)

مطابق بند 10-3-8-1-3-2 مقدار Mu در بر ستون بر حسبkN.m بدست مي آيد:

پس از محاسبه Mu و Vu در بر ستون (گامهاي و3  4) بايد ورقهاي روسري و زير سري را بر اساس اين نيروها طراحي مي كنيم.

ضخامت ورق زير سري

عرض ورق زير سري (bpb) بر اساس عرض بال تير ( bbf) تعيين مي شود  به طوريكه فضاي كافي براي جوش داشته باشيم:

در اين صورت در هر طرف ورق 25mm فضاي جوش خواهيم داشت.

ضخامت ورق زير سري  (tbp)  براساس نيروي كششي ناشي از  لنگر  Mu كه در گامهاي قبل محاسبه شد، بدست مي آيد:

اتصال گیردار جوشی به کمک ورقهای روسری و زیرسری (WFP)

ابعاد و ضخامت ورقهای روسری و زیرسری و نیز مشخصات جوشهای آنها به بالهای تیر باید بر اساس مقاومت خمشی مورد نیاز اتصال تیر به ستون مطابق (الزامات بند -۱۰-۳-۸-۳-پ) تعیین شود. در تعیین مقاومت های طراحی بر اساس الزامات فصل ۲-۱۰ ضریب کاهش مقاومت را برای تعیین مشخصات جوش میتوان برابر 0.9 و برای تعیین ضخامت ورق های روسری و زیرسری برابر یک در نظر گرفت.

بعد جوش ورق زيرسري به بال تير

در تعيين بعد جوش بايد حداقل و حداكثر مقادير را بر اساس بند 10-2-9-2-2 مبحث دهم كنترل نماييد.

حداقل بعد جوش بر اساس جدول فوق و با توجه به اينكه ضخامت بال تير نازك تر از ضخامت ورق روسري خواهد بود، بر اساس ضخامت بال تير تعيين مي شود. البته بايد توجه داشت كه در اتصالات لرزه اي بعد جوش نبايد كمتر از 5mm باشد.

حداكثر بعد جوش نيز بر اساس ضخامت بال تير (tbf)تعيين مي شود:

براي كاهش طول ورق زير سري مي توان مقدار حداكثر را انتخاب كرد.

تعيين طول ورق زير سري (Lpb)

a بعد جوش مي باشد.

20mm كه در انتها اضافه شده است، فاصله بادخور تير مي باشد.

عدد 120MPa در رابطه فوق تنش مقاوم طراحي جوش است كه بر اساس بند 10-2-9-2-4 و با فرض استفاده از الكترود E60 و بازرسي چشمي وجوش در محل بدست آمده است:

طبق بند زير در صورتي كه ضخامت ورق ها بيش از 15mmباشد، بايد از الكترود E70 استفاده كرد كه در اين صورت تنش مقاوم طراحي جوش نيز افزايش يافته و طول ورق لازم كاهش مي يابد:

ضخامت ورق روسري

عرض (قسمت باريك تر) ورق رو سري (bpt) بر اساس عرض بال تير ( bpf)  تعيین مي شود به طوريكه فضاي كافي براي جوش داشته باشيم:

عرض انتهايي(قسمت عريض تر) ورق رو سري

ضريب بازرسي جوش مطابق بند 10-2-9-2-4 مي باشد. در صورتي كه جوش نفوذي اتصال بال به ستون توسط آزمايش غير مخرب مانند راديوگرافي و يا التراسونيك آزمايش شود، مي توان مقدار را برابر يك در نظر گرفت. در اين حالت مي توان به جاي شكل كله گاوي براي ورق روسري، همانند ورق زيرسري، از شكل مستطيلي استفاده نمود. البته به دليل كيفيت پايين اجرا و كنترل جوش توصيه مي شود كه حتي در صورت انجام تست جوش، از شكل كله گاوي استفاده شود.

ابعاد ارائه شده براي ورق روسري در شكل زير از مبحث دهم بايد رعايت شوند:

بعد جوش ورق روسري به تير

در تعيين بعد جوش بايد حداقل و حداكثر مقادير را بر اساس بند 10-2-9-2-2 كنترل نماييم.

حداقل بعد جوش بر اساس جدول فوق و با توجه به اينكه ضخامت بال تير نازك تر از ضخامت ورق روسري خواهد بود، بر اساس ضخامت بال تير تعيين مي شود.

البته بايد توجه داشت كه در اتصالات لرزه اي بعد جوش نبايد كمتر از 5mm باشد.

حداكثر بعد جوش نيز بر اساس ضخامت ورق روسري( tpt ) تعيين مي شود:
البته بعد جوش نبايد بهتر است از ضخامت قطعه نازكتر فراتر نرود و از آنجا كه ضخامت بال تير (tbf) كمتر از ضخامت ورق روسري (tbt) خواهد بود، توصيه مي شود بعد جوش ورق روسري برابر ضخامت بال تير منظور شود:

تعيين طول ورق رو سري (  Lpt ) 

• در صورتي كه از الكترود ^E70 استفاده شود، به جاي ¹²⁰ در رابطه فوق بايد از ¹⁴⁰استفاده شود.
• ^aبعد جوش مي باشد.
• ^L’ در شكل نشان داده شده است و بر اساس توصيه هاي مبحث دهم كه در شكل صفحه قبل آمده است، تعيين مي شود.
• ^dفاصله مركز تامركز ورقهاي روسري و زيرسري مي باشد.

تعيين ارتفاع، عرض و ضخامت ورق اتصال جان

ارتفاع ورق اتصال جان مسلما بايد كمتر از ارتفاع كل جان تيرورق باشد. در اتصالات مفصلي، جهت ايجاد امكان دوران بيشتر، ارتفاع ورق جان تقريبا برابر 0.75 ارتفاع جان تيرورق درنظر گرفته مي شود. در اتصال گيردار مي توان ارتفاع ورق جان را بيشتر در نظر گرفت. ضخامت ورق هاي اتصال جان بر اساس برش نهايي تير تعيين مي شود. با توجه به بندهاي زير از مبحث 10، مقاومت برشي طراحي ورق اتصال بايد پاسخگوي برش نهايي  در بر ستون باشد:

اتصال باید پاسخگوی برش نهایی Vu در بر ستون باشد:

•  اتصال گیردار جوشی به کمک ورقهای روسری و زیرسری (WFP)
  ابعاد و ضخامت ورق یا ورقهای (جان و نیز جوش آن یا آنها به بال ستون و جان تیر باید بر اساس مقاومت برشی مورد نیاز اتصال تیر به ستون (مطابق الزامات بند -۱۰-۳-۸-۳-پ) تعیین شود. مقاومتهای اسمی و ضریب کاهش مقاومت ورق یا ورق های جان و جوش های آن یا آنها باید بر اساس الزامات فصل ۱۰-۲ تعیین شود.
•  اتصال تیر به ستون
  مقاومت خمشی مورد نیاز (Mu) و مقاومت برشی مورد نیاز (Vu) اتصال باید با در نظر گرفتن تعادل استاتیکی بارهای ثقلی ضریبداری که با نیروی زلزله ترکیب می شوند و اثرات لرزه ای ناشی از لنگر خمشی  در محل های تشکیل مفصل پلاستیک، تعیین شوند (شکل ۱۰-۳-۸-۱) که در آن مطابق تعاریف بند ۱۰-۳-۸-۲ می باشد.
  از رابطه زیر ضخامت لازم برای ورق اتصال جان بدست می آید.

• twp ضخامت ورق اتصال جان مي باشد و در صورتي كه براي اتصال جان از ورق دوبل استفاده شود، مقدار twp برابر مجموع ضخامت دو ورق خواهد بود.
• عرض ورق اتصال ( bwp) بر حسب ابعاد تيرورق، معمولا 8cm, 10cm,12cm نظر گرفته مي شود.

تعیین بعد جوش اتصال ورق به جان تیر ورق

جوش اتصال ورق به جان تير به صورت دورتادور درنظر گرفته مي شود. در اين جوش تركيب برش و پيچش خواهيم داشت.

طبق جدول ^5–18–1 كتاب سالمون- فصل جوش (اين كتاب را مي توانيد از سايت اينجانب دانلود نماييد)، مقادير مركز سطح جوش، ممان قطبي جوش، برش و پيچش در اتصال ورقها به جان تير برابر است با:

• عدد 100 100 در رابطه فوق تنش مقاوم طراحي جوش است كه با فرض استفاده از الكترود E60 و بازرسي چشمي و جوش در محل بدست آمده است. a1 بعد جوش مي باشد:

• در صورتي كه از ورق دوبل استفاده شود، مقدار بدست آمده براي a1 را نصف مي كنيم.
• در مواقعي كه بعد جوش نسبت به جان تير نسبتا بزرگ باشد، در صورت استفاده از ورق دوبل و اجراي جوش در دو سوي جان، ممكن است جان تير آسيب ببيند. بنابراين بهتر است كه عرض bwp براي ورق هاي دوبل به صورت متفاوت طرح شوند تا جوشهاي دو طرف جان روي هم نيفتند. مانند شكل زير:

تعيين بعد جوش اتصال ورق جان به ستون

در اين جوش تركيب برش و خمش خواهيم داشت كه مقدار خمش آن برابر و ممان اينرسي جوش برابر خواهد بود. بعد جوش اتصال ورق جان به ستون،a2 از رابطه زير بدست مي آيد:

ضريب 2 در سمت راست رابطه به جهت بند زير است كه در آن استفاده از جوش دوطرفه در ورق جان براي اتصال اجبار شده است:

 اتصال گیردار جوشی به کمک ورقهای روسری و زیرسری (WFP)

اتصال ورق یا ورق های جان به بال ستون باید از نوع جوش نفوذی با نفوذ کامل یا جوش گوشه باشد. در صورت استفاده از ورق تکی جان، جوش گوشه باید دو طرفه باشد.

كنترل خمش موضعي در بال ستون در مقابل بال كششي (بند 10-2-9-10-1 مبحث10)

علت كنترل: اگر ضخامت بال ستون كم باشد، صلبيت خمشي آن كاهش يافته و د راثر خمش موضعي بال ستون، جوش نفوذي ورق هاي روسري و زيرسري به ستون آسيب مي بيند.

 الزامات تکمیلی طراحی لرزه ای قابهای خمشی متوسط

ورق های پیوستگی

(الف) در ستونهای H شکل در صورتی که ضخامت بال ستون بزرگتر از مقادیر تعیین شده توسط روابط ۱۰-۳-۸-۲ و ۱۰-۳-۸-۳ باشد تعبیه ورقهای پیوستگی در چشمه اتصال الزامی نیست. در غیر اینصورت تعبیه یک جفت سخت کننده ورق های (پیوستگی در داخل ستون و با رعایت شرایط (پ) تا (ح) همین بند الزامی است.

(ب) در ستون های جعبه ای (قوطی شکل) در صورتی که ضخامت بال ستون بزرگتر از مقادیر تعیین شده توسط روابط ۱۰-۳-۸-۴ و ۱۰-۳-۸-۵ ،باشد تعبیه ورقهای پیوستگی در چشمه اتصال الزامی نیست در غیر اینصورت تعبیه یک جفت سخت کننده ورق های پیوستگی در داخل ستون و با رعایت شرایط (پ) تا (ح) همین بند الزامی است.

(پ) طول ورق های پیوستگی باید برابر با فاصله خالص دو بال ستون باشد.
(ت) پهنای ورق های پیوستگی در ستون های با مقطع قوطی شکل باید برابر فاصله خالص دو جان مقطع ستون بوده و در ستونهای با مقطع H شکل مجموع پهنای ورقهای پیوستگی در هر طرف جان مقطع ستون نباید از پهنای بال تیر یا پهنای ورق پوششی اتصال کمتر باشد.

ت) ضخامت ورقهای پیوستگی نباید از نصف ضخامت بال تیر یا ضخامت ورقهای پوششی اتصال (ورق های روسری و زیرسری) در اتصالات گیرداری که در امتداد مورد نظر فقط به یک وجه ستون متصل هستند و از ضخامت بال تیر یا ضخامت ورق های پوششی اتصال (ورقهای روسری و زیرسری) در اتصالات گیرداری که در امتداد مورد نظر به هر دو وجه ستون متصل هستند کمتر در نظر گرفته شود.

(ج) جوش ورق های پیوستگی به بال ستون باید از نوع جوش شیاری با نفوذ کامل باشد. در صورتی که ضخامت ورق پیوستگی کوچکتر یا مساوی ۱۰ میلیمتر باشد استفاده از جوش گوشه دو طرفه نیز مجاز است.
(چ) جوش ورق های پیوستگی به جان ستون باید از نوع جوش شیاری با نفوذ کامل یا جوش گوشه دو طرفه باشد.
(ح) نسبت پهنا به ضخامت در ورق های پیوستگی با یک لبه ،متکی نظیر ورق های پیوستگی ستونهای H شکل، نباید از و در ورقهای پیوستگی با دو لبه متکی، نظیر ورق های پیوستگی ستونهای با مقطع قوطی شکل، نباید از کوچکتر باشد. در این روابط E مدول الاستیسیته فولاد و Fy تنش تسلیم فولاد ورق پیوستگی می باشد.

• توصيه مي شود حتي در صورت ارضاي ضوابط فوق، از ورق هاي پيوستگي استفاده شود. در اين صورت نيازي به كنترل ادامه بندها (بندهاي 15، 16 و 17) نخواهد بود.
• در صورتي كه روابط فوق ارضا شوند و نخواهيم از ورق پيوستگي استفاده كنيم، ضوابط بند هاي 15، 16 و 17 كه در ادامه اين گزارش آمده است نيز بايد كنترل شود.

کنترل تسليم موضعي جان ستون در مقابل بال فشاري و يا كششي(بند 10-2 -9-10 -2 مبحث 10)

براي ستونهاي ^H داريم:

كه در آن tp ضخامت ورق متصل شونده (روسري يا زير سري) به ستون مي باشد.

سوال: اگر رابطه فوق ارضا نشد (يعني اگر ضخامت جان ستون كمتر از مقدار داده شده بود) چه بايد كرد؟

پاسخ: يا بايد ضخامت جان ستون را افزايش داد و يا از ورقهاي پيوستگي استفاده نمود.

مساحت لازم براي ورقهاي پيوستگي، بسته به اينكه تحت فشار باشند يا كشش، به ترتيب زير تعيين مي شود:

اگر ورق هاي پيوستگي تحت كشش باشند:

ورق هاي پيوستگي بايد بتوانند در برابر اضافه باري كه جان ستون به تنهايي نتوانسته تحمل كند، مقاومت كنند بنابراين نيرو در ورق پيوستگي برابر خواهد بود با:

بدين ترتيب مساحت مقطع مورد نياز براي ورق هاي پيوستگي بدست مي آيد:

اگر ورق هاي پيوستگي تحت فشار باشند طبق ضوابط (بند 10-2 -9-10 -2 مبحث 10):

ورق هاي پيوستگي همراه با جان ستون به صورت يك ستون فرضي با بار محوري برابر با  عمل مي كنند. ارتفاع موثر اين ستون فرضي برابر با ^0.75h در نظر گرفته مي شود كه ^h  فاصله خالص جان ستون مي باشد. سطح مقطع ستون فرضي عبارت است از سطح مقطع ورق هاي پيوستگي به اضافه نواري از جان ستون كه پهناي آن در اتصال مياني برابر ^25tcw و در اتصال بام برابر ^12tcw در نظر گرفته مي شود.

براي ستون هاي باكس با توجه به اينكه دو تا جان داريم رابطه (19) به صورت زير كنترل مي شود:

كنترل لهيدگي (چروكيدگي) در جان ستون در مقابل بال فشاري(بند 10-2 -9-10 -2 مبحث 10):

براي جلوگيري از چروكيدگي جان ضخامت جان ستون در “طبقات” بايد به گونه اي باشد كه رابطه زير ارضا شود:

براي اتصالات مربوط به طبقه “بام” كه در آنها ستون ادامه ندارد، بار متركز ناشي از ورق روسري در فاصله اي كمتر از  از انتهاي ستون وارد مي شود و بنابراين براي تيرهاي طبقه بام، به جاي رابطه (22) رو ابط زير بايد كنترل گردد:

در صورتي كه ستون باكس داشته باشيم در روابط (22) تا (23) بايد به جاي  tcw از 2tcw استفاده نماييم.

سوال: اگر روابط فوق ارضا نشد  چه بايد كرد؟

پاسخ: يا بايد ضخامت جان ستون را افزايش داد و يا از ورقهاي پيوستگي استفاده نمود.

ورق پيوستگي مانع از لهيدگي جان ستون مي شود و در صورت استفاده از آن، ديگر نيازي به كنترل روابط فوق نيست.

ورق هاي پيوستگي همراه با جان ستون به صورت يك ستون فرضي با بار محوري برابر با عمل مي كنند. ارتفاع موثر اين ستون فرضي برابر با ^0.75h در نظر گرفته مي شود كه ^h فاصله خالص جان ستون مي باشد. سطح مقطع ستون فرضي عبارت است از سطح مقطع ورقهاي پيوستگي به اضافه نواري از جان ستون كه پهناي آن در اتصال مياني برابر ^25tcw و در اتصال بام برابر ^12tcw در نظر گرفته مي شود.

كمانش فشاري در جان ستون در مقابل بال فشاري(بند 10 -2-9 -10-5 مبحث 10)

در صورتي كه ستون باكس داشته باشيم در رابطه فوق  بايد به جاي tcw از 2tcw استفاده نماييم.

سوال: اگر روابط فوق ارضا نشد چه بايد كرد؟

پاسخ: يا بايد ضخامت جان ستون را افزايش داد و يا از ورقهاي پيوستگي استفاده نمود.

ورق پيوستگي مانع از كمانش فشاري جان ستون مي شود و در صورت استفاده از آن، ديگر نيازي به كنترل رابطه (25) نيست.

ورقهاي پيوستگي همراه با جان ستون به صورت يك ستون فرضي با بار محوري برابر باعمل مي كنند.

مثال:

1- اتصال گيردار تير ^PG-1 به ستون كه در شكل زير نشان داده شده است را طراحي كنيد ( ابعاد كامل ورقهاي روسري و زيرسري؟ ابعاد كامل ورق اتصال جان؟ ابعاد كليه جوش هاي اتصال؟).

فرضيات مسئله:

سازه در يك منطقه لرزه خيز بنا شده و داراي شكل پذيري متوسط مي باشد. وزن مرده كف برابر 5.7kN/m2 و وزن زنده آن برابر 6kN/m2 مي باشد. ستون هاي سازه به صورت باكس به ابعاد ^{400 × 400 × 20  mm} مي باشند.

 محاسبه لنگر پلاستيك محتمل تير

محاسبه برش طراحي در بر ستون

محاسبه لنگر طراحي در بر ستون

طراحي ورق زير سري

طراحي ورق روسري

همانطور كه مشاهده مي شود، با مبحث دهم جديد ضخامت ورق هاي روسري و زيرسري براي تيرهاي با ابعاد بزرگ اندكي افزايش يافته و بنابراين توصيه مي شود براي تيرهاي با سايز بالا از انواع ديگر اتصالات گيردار (مثلا اتصال پيچي از نوع درختي) استفاده شود.

طراحي ابعاد ورق اتصال جان

با توجه به اينكه ارتفاع جان تير 50cm مي باشد، مي توان ارتفاع ورق اتصال جان را برابر Lwp=40cm در نظر گرفت.

ضخامت ورق اتصال از رابطه زير بدست مي آيد:

ضخامت فوق با فرض استفاده از ورق تك بدست آمد. در ادامه خواهيم ديد كه مجبور به استفاده از ورق دوبل خواهيم بود و در نتيجه ضخامت ورق نيز تغيير خواهد كرد.

عرض ورق جان ( bwp) نيز برابر100mm در نظر گرفته مي شود.

تعيين بعد جوش ورق به جان تير( با فرض استفاده از ورق جان تك)

• عدد ¹⁰⁰ در رابطه فوق تنش مقاوم طراحي جوش است كه با فرض استفاده از الكترود ^E60 و بازرسي چشمي و جوش در محل بدست آمده است. بعد جوش مي باشد. در صورتي كه از ورق دوبل استفاده شود، مقدار بدست آمده براي  را نصف مي كنيم.
• حداكثر مقدار مجاز براي جوش ورق به جان تير برابرمي باشد و مقدار ^a1=16mm غير قابل قبول است. بنابراين بايد از ورق دوبل استفاده كنيم  و يا اينكه ضخامت ورق جان را افزايش دهيم.

• در صورت استفاده از دو ورق جان در دو طرف، جوش لازم و ضخامت ورقهاي اتصال جان به صورت زير محاسبه مي شود:

تعيين بعد جوش اتصال ورق جان به بال ستون

ضريب ² به جهت استفاده از دو ورق جان منظور شده است.

بعد جوش بدست آمده براي اتصال به ستون^(a2=14mm) بيش از ضخامت ورق اتصال جان ^(10mm) مي باشد. بنابراين مجبور هستيم ضخامت ورق جان را به جاي ^10mm برابر ^15mm انتخاب كنيم.

البته در اتصالاتي كه تيرورق قوي (مانند همين مثال) دارند، علاوه بر ورق اتصال جان، از نبشي نشيمين همراه با سخت كننده استفاده مي كنند و قسمتي از برش توسط نبشي نشيمن با سخت كننده منتقل مي شود و درنتيجه ابعاد جوش در ورق اتصال جان كاهش مي يابد.