لوگوسازه فضایی
شرکت فضاسازه نقش جهان
سقفی به اندازه یک جهان
 ایران پرچم
پرچم
پرچم

بهبود رفتار خرابی پیشرونده شبکه های دو لایه فضاکار

بهبود رفتار خرابی شبکه های دو لایه فضاکار توسط ابزار محدود کننده نیرو

چکیده

خرابی پیشرونده انتشار زنجیروار خرابی بدنبال خرابی موضعی بخش کوچکی از سازه می باشد.خطر وقوع خرابی پیشرونده در شبکه های دو لایه فضاکار به دلایلی مانند کمانش اعضای فشاری،اتصالات نامناسب بین اعضا وقوع بارهای غیرعادی زیاد است.

استفاده از ابزار محدود کننده نیرو(force limiting device)برای جلوگیری از کمانش عضو فشاری روش بسیار موثری برای مقاوم سازی شبکه های دو لایه فضاکار در برابر خطر خرابی پیشرونده می باشد.در این تحقیق روش فوق در مورد مدل های شبکه های دو لایه فضاکار با شرایط مختلف تکیه گاهی،ناکاملی هندسی،ارتفاع و شکل هندسی بکار رفته است و موثر بودن این روش در افزایش شکل پذیری و مقاومت شبکه های دو لایه فضاکار نشان داده شده و پارامترهای بهینه طراحی در محدوده نمونه های تحت بررسی معرفی شده اند.

واژه های کلیدی:خرابی پیشرونده،ابزار محدود کننده نیرو،فرو جهش

1-      مقدمه

در سال های اخیر استفاده از شبکه های دو لایه فضاکار به طرز چشمگیری افزایش یافته است.با استفاده از شبکه های فضاکار می توان دهانه های وسیع را تحت پوشش قرار داد.این سازه هامعمولا درجه نامعینی بالایی را دارا هستند و این موضوع باعث شده است تا چنین تصور شود که این سازه ها با خراب شدن عضو یا بخشی از سازه بتوانند کماکان به تحمل بارهای وارده ادامه دهند و خراب نشوند.اما مشاهدات عملی در مورد خرابی این نوع سازه ها مانندخرابی سقف ورزشگاه هارتفورد در سال 1978و همچنین نتایج آزمایش های متعدی که در این زمینه انجام گرفته است.صحت این ادعا را مورد تردید قرار داده است.این تحقیقات نشان داده اند که در پاره ای از موارد حتی خرابی یک عضو سازه می تواند باعث خرابی کل سازه می شود.عوامل مهمی که در رفتار خرابی این سازه ها تاثیر گذارند عبارتند از :

  • مشخصات هندسی و فیزیکی اعضا،نوع اتصالات(مفصلی،صلب و …..)
  • وجود عوامل غیرخطی هندسی و غیرخطی فیزیکی
  • کمانش ترد اعضای فشاری
  • گسیختگی ترد عضو یا پیوند
  • ناپایداری دورانی گره ها(ناشی ازبرون محوری و سختی کم عضو در محل گره)

کمانش ترد اعضای فشاری یکی از عوامل مهمی است که می تواند موجب وقوع خرابی پیشرونده در شبکه های دو لایه فضاکار شود.هنگامی که در یک عضو فشاری کمانش رخ می دهد ،پس از کمانش عضو قادر به تحمل بار بیشتری نمی باشد،بنابراین بار خود را در بین اعضای مجاور خود پخش می کند.اگر سازه بتواند با این باز توزیع نیروها مقابله کند سازه خراب نخواهد شد،در غیر اینصورت خرابی به اعضای دیگر سازه سرایت کرده و کل سازه یا بخشی از آن خراب خواهد شد و به اصطلاح در سازه پدیده خرابی پیشرونده اتفاق خواهد افتاد.در حقیقت خرابی پیشرونده،انتشار زنجیروار خرابی بدنبال خرابی موضعی بخشی کوچکی از سازه می باشد.

حداکثر ظرفیت باربری شبکه های دو لایه فضاکار تابعی از بار کمانش و رفتار پس کمانشی اعضای تشکیل دهنده آن می باشد.بررسی های عملی و آزمایشگاهی نشان داده اند که نقطه حدی واقعی سازه در حدود ده تا چهل درصد،کمتر از مقادیر بدست آمده از آنالیز غیرخطی هستند. این پدیده ناشی از عواملی مانند وجود پراکندگی آماری در محدوده بار کمانشی اعضای فشاری،اعمال تنش های اولیه به اعضا در اثر وجود ناکاملی های هندسی بویژه لقی(اتصال نامناسب)اعضا و وجود ناپایداری ذاتی در گره های مفصلی می باشد.

با توجه به حساسیت شدید رفتار خرابی شبکه های دو لایه به رفتار کمانشی اعضای فشاری سازه،به نظر می رسد یک راهکار عملی و موثر در این زمینه اتخاذ روش هایی است که در آنها با بهبود روند خرابی اعضای فشاری بتوان مقاومت سازه را در برابر خرابی پیشرونده افزایش داد که روش استفاده از ابزار محدود کننده نیرو برای جلوگیری از کمانش عضو فشاری یکی ازآن ها می باشد.

2-      روش استفاده از ابزار محدود کننده نیرو برای جلوگیری از کمانش عضو فشاری

یکی از روش هایی که برای مقاوم سازی شبکه های دو لایه فضاکار مورد استفاده قرار می گیرد روش استفاده از ابزار محدود کننده نیرو برای جلوگیر ی از کمانش عضو فشاری می باشد.در این روش با واکنشی شکل پذیر به عضو فشاری از کمانش عضو جلوگیری به عمل می آید.ابزار محدود کننده نیرو دارای مشخصه رفتاری صلب-پلاستیک بوده و بر روی عضو فشاری از نصب می شوند.وقتی که نیروی عضو فشاری به نیروی حدی ابزار مزبور(که اندکی کمتر از نیروی کمانش عضو فشاری است)می رسد این ابزار فعال شده و رفتاری الاستوپلاستیک را بر عضو تحمیل می نماید.این عمل در نهایت باعث بوجود آمدن رفتار شکل پذیر در سازه خواهد شد.

3-مطالعه پارامتریک خرابی پیشرونده

3-1 معرفی و طراحی مدل های شبکه های دو لایه فضاکار

برای بررسی این روش پنج مدل شبکه های دو لایه فضاکار نمونه مورد بررسی قرار گرفته است.این شبکه های دو لایه فضاکار از نوع شبکه های انحراف دار offset بوده و مشخصات آنها در جدول 1 نشان داده شده است.

مشخصات شبکه دو لایه فضاکار

در مدل های مورد مطالعه تاثیر عوامل مختلفی مانند تغییر در شرایط تکیه گاهی،ناکاملی اعضا،ارتفاع سازه و شکل پلان سازه(از مربعی به مستطیلی)در نظر گرفته شده است.مدل GI به عنوان مدل پایه درنظر گرفته شده(شکل 1)و سایر مدل ها با اعمال تغییراتی بر روی این مدل بوجود آمده اند.مدل GI یک شبکه دو لایه فضاکار با پلان مربعی و دارای هشت چشمه مربعی در امتداد طولی و هشت چشمه مربعی در امتداد عرضی هر یک به طول ضلع 2/1 متر و ارتفاع 75 سانتی متر می باشد.این سازه در محل چهار گره گوشه ای لایه تحتانی دارای تکیه گاه مفصلی می باشد.

پس از طراحی ارتجاعی سازه ها بر مبنای آیین نامه فولاد ایران،اعضای هر مدل به صورت مندرج در جدول 2 بدست آمده است.

اعضای خرابی پیشرونده

3-2 تحلیل رفتار خرابی مدل ها

برای تحلیل رفتار خرابی مدل ها مراحل زیر به ترتیب انجام شده است:

1-      تعیین رفتار بار محوری-تغییر مکان محوری اعضاء

2-      تحلیل استاتیکی مدل ها با در نظر گرفتن هر دوعامل غیرخطی هندسی و غیرخطی مصالح

3-      تحلیل دینامیکی فروجهش در صورت لزوم

برای انجام تحلیل خرابی بر روی شبکه های دو لایه فضاکار،ابتدا باید رفتاراعضای سازه تعیین شود. در تحقیق حاضر،رفتار بار محوری-تغییر مکان محوری اعضاء در کشش بصورت الاستو پلاستیک کامل در نظر گرفته شده است.برای تعیین رفتار بار محوری تغییر مکان محوری اعضاء در فشار،از روش عناصر محدود به شرح مندرج در مرجع [1]استفاده شده است.نتایج واکنش بار محوری-تغییر مکان محوری اعضای فشاری مورد استفاده در شبکه های دو لایه فضاکار مورد مطالعه ،در شکل 2 نشان داده شده است.

تعییر مکان محوری

شکل 2 واکنش بار-تغییر مکان محوری اعضای فشاری مورد استفاده در مدل های مورد مطالعه

براساس واکنش بار-تغییر مکان محوری عضو فشاری،و به کمک روش خطی سازی قطعه به قطعه می توان رابطه ایده آلی تنش-کرنش محوری هر عضو را تعیین کرده و درتحلیل خرابی سازه مورد استفاده قرار داد.رابطه ایده آلی تنش-کرنش محوری اعضاء در شکل 3 نشان داده شده است.

برای تحلیل استاتیکی مدل ها،هر دو عامل غیرخطی هندسی و غیرخطی مصالح در نظر گرفته شده اند.هریک از اعضا سازه به صورت یک عنصر میله ای با مدل رفتار ایده آلی درنظر گرفته شده است. منحنی بار-تغییر مکان قائم گره مرکزی مدل های مورد مطالعه که از تحلیل استاتیکی آنها بدست آمده است در شکل 4 نشان داده شده است.

خلاصه نتایج تحلیل استاتیکی خرابی در جدول 3 آورده شده است.

نمودار خرابی پیشرونده

تحلیل استاتیکی خرابی مدل

با مطالعه نتایج جدول 3 معلوم می شود که در مدل های G1,G3,G4,G5 مکانیسم خرابی سازه از نوع خرابی کلی و در مدل G2 از نوع خرابی موضعی با فرو جهش دینامیکی است.با توجه به اینکه اثرات دینامیکی ناشی از پدیده فروجهش،خود می تواند باعث باز توزیع بیشتر نیروها و بروز خرابی بیشتر در سازه و وقوع پدیده خرابی پیشرونده شوند برای ارزیابی واقع بینانه رفتار خرابی مدل G2 لازم است علاوه بر تحلیل استاتیکی خرابی،تحلیل دینامیکی فروجهش نیز انجام گیرد.برای این منظور تحلیل دینامیکی غیرخطی خرابی به روش مبتنی بر انرژی انجام گرفته و تاریخچه زمانی تغییر مکان گره مرکزی لایه پائینی سازه G2 به صورت نشان داده شده در شکل 5 بدست آمده است که نشان دهنده وقوع پدیده خرابی پیشرونده در سازه است.

نمودار سازه

وقوع خرابی پیشرونده در این سازه نشان دهنده این است که بار نهائی سازه(بار خرابی کلی)عملا برابر 4782 است که این مقدار 3/9 درصد کمتر از بار نهایی پیش بینی شده توسط تحلیل استاتیکی خرابی است.

3-3 اعمال روش استفاده از ابزار محدود کننده نیرو برای جلوگیری از کمانش عضو فشاری و بررسی نتایج

برای بررسی اثر این ابزار بر افزایش مقاومت و شکل پذیری شبکه های دو لایه فضا کار،بایستی برای هر کدام از مدل های G1 تا G5 با توجه به بار کمانش اعضای آنها یک ابزارمحدود کننده نیرو (FLD) تعریف شود.در این تحقیق ،ابزار های محدود کننده نیرو در باری برابر با 85 درصد بار کمانش اعضای تشکیل دهنده هر مدل فعال شود. این ابزار بر روی اعضای بحرانی مدل های سازه ای نصب می شود.البته لازم به توضیح است که برای مشخص شدن اعضای بحرانی سازه ابتدا این ابزار بر روی کل اعضای لایه فشاری(لایه فوقانی)نصب شده و تحلیل خرابی انجام می شود.پس از انجام تحلیل خرابی مشخص می شود که ابزار محدود کننده نیرو در کدامیک از اعضا فعال شده اند و کافیست این ابزار فقط بر روی این اعضا نصب شوند. در شکل های 6 تا 10 نمودار بار-تغییر مکان سازه اصلی با نتایج بدست آمده از تحلیل غیرخطی مدل های مورد مطالعه که ابزار محدود کننده نیرو بر روی اعضای بحرانی آن ها نصب شده است،مقایسه شده است و نتایج بدست آمده از نمودارها در جدول 4 خلاصه شده است.

نمودار خرابی پیشرونده

نمودار سازه

نمودار

جدول سازه

از جدول 4 مشاهده می شود که با استفاده از ابزار محدود کننده نیرو شاهد 20 تا42 د رصد افزایش ظرفیت باربری همراه با شکل پذیر شدن رفتار خرابی در مدل های مورد مطالعه هستیم که حاکی ازتوانایی قابل ملاحظه این روش در افزایش شکل پذیری و ظرفیت باربری شبکه های دو لایه فضاکار می باشد.

3-نتیجه گیری

روش استفاده از ابزار محدود کننده نیرو برای جلوگیری از کمانش عضو فشاری یکی از روش های موثر مقاوم سازی شبکه های دولایه فضاکار می باشد در این روش با اعمال واکنشی شکل پذیر به عضو فشاری از کمانش یک عضو و درنتیجه کاهش ناگهانی ظرفیت آن جلوگیری به عمل می آید و این عمل باعث بهبود رفتار خرابی سازه و شکل پذیر شدن رفتارآن خواهد شد.با استفاده از این روش شاهد 20 تا 42 درصد افزایش در ظرفیت باربری و بهبود قابل ملاحظه رفتار خرابی مدل های مورد مطالعه به یک رفتار شکل پذیر بوده ایم.لازم به ذکر است که هر چند روش استفاده از ابزار محدود کننده نیرو برای جلوگیری از کمانش عضو فشاری مقادیر بسیار خوبی را برای افزایش شکل پذیری و مقاومت سازه نتیجه می دهد اما باید به این نکته نیز توجه نمود که اولا ابزار محدود کننده نیرو گرانقیمت و پرهزینه هستند ثانیا برای استفاده از این ابزار باید ابتدا یک تحلیل خرابی برای سازه بدون ابزار محدود کننده نیرو به منظور شناسایی اعضای بحرانی سازه انجام گیرد زیرا به دلیل گران قیمت بودن،این ابزار فقط بر روی اعضای بحرانی سازه نصب می شوند.

نویسنده:سامان رشیدیان،محمدرضا شیدایی

مراجع

تمامی حقوق سایت محفوظ می باشد