در این مقاله به بررسی رفتار اتصال صلب فولادی تیر I شکل به ستون CFT شامل مقاطع فولادی سرد شکل‌دهی شده (HSS)، با ورق پیوستگی خارجی (دیافراگم خارجی) تحت بارگذاری رفت و برگشتی می‌پردازیم. مزیت‌های اتصال با دیافراگم خارجی شامل سهولت اجرا، جوشکاری اندک بر روی بدنه‌ی ستون، دسترسی به ورق و جوش آن پس از اجرا، استفاده در پروژه‌های مقاوم سازی و سهولت پر کردن بتن در ستون می‌شود.
در نتیجه استفاده از اتصال با دیافراگم خارجی بسیار مقرون به صرفه‌تر و مناسب‌تر می‌باشد. با این حال، به‌دلیل نبود جزئیات اجرایی و طراحی کامل و شفاف، استفاده از این اتصال برای ستون‌های CFT به‌خصوص در ایران، اندک انجام می‌پذیرد.
برنامه آزمایشگاهی اتصال صلب تیر به ستون CFT
چیدمان آزمایش جهت شبیه‌سازی اتصال داخلی در یک ساختمان با طول دهانه 5.2 متر و ارتفاع طبقه 3.55 متر مطابق شکل زیر درنظر گرفته‌شده‌است.
نمای شماتیک اتصال داخلی و خارجی
با لحاظ نمودن نقاط عطف در وسط ارتفاع ستون و طول دهانه تیر، هندسه کلي آزمایش به صورت اتصال دو تیر با طول 2.6 متر از دو طرف به وسط ستوني با ارتفاع 3.55 متر مطابق شکل زیر تنظیم خواهد شد. بارگذاری چرخه‌ای با استفاده از یک جک در قسمت فوقاني ستون انجام مي‌گیرد. به منظور پرهیز از تمرکز تنش در محل اعمال نیرو به ستون، از دو صفحه در دو طرف ستون مطابق شکل زیر استفاده گردیده که توسط پیچ‌های با طول 500 میليمتر به یکدیگر متصل می‌شوند.
هندسه کلی آزمایش
در این آزمایش از دو نمونه اتصال داخلی تیر به ستون پرشده با بتن توسط دیافراگم پیرامونی مورد آزمایش قرار خواهد گرفت. تنها تفاوت این دو نمونه در ضخامت بال تیرها و ضخامت دیافراگم پیرامونی می‌باشد. شکل شماتیک این دو نمونه در شکل‌های 4 و 5 قابل مشاهده می‌باشد.
لازم به ذکر است که تیرها و ورق‌های پیرامونی از فولاد S235 و ستون قوطی شکل از فولاد S335 ساخته شده‌اند.
تاریخچه بارگذاری
تاریخچه بارگذاری مطابق الزامات لرزه‌ای انجمن سازههای فولادی آمریکا (AISC)، برای اتصال صلب قاب خمشی ویژه اعمال می‌گردد. بارگذاری بر روی نقطه فوقانی ستون به‌صورت رفت و برگشتی اعمال خواهد شد. جزئیات این بارگذاری در جدول زیر قرار دارد.
مشاهدات آزمایشگاهی اتصال تیر به ستون CFT
نمونه شماره 1
برای نمونه شماره1 با آغاز سیکل 4%، ریزش آهک به تدریج در محل انتهای دیافراگم، روی بال فوقانی تیر در بخش غربی نمونه صورت پذیرفت. در ادامه پس از طی نمودن سیکل 5% ریزش آهک بر روی جان تیر تقریبا تا میانه‌ها ادامه یافت و خمشدگی بال تیر در محل انتهای دیافراگم به‌خصوص در بال فوقانی تیر غربی کاملا مشهود بود. با نزدیک شدن به انتهای سیکل 6%، ورق دیافراگم به وضوح از بال تیر فاصله گرفت و ریزش آهک دقیقا در امتداد عمودی محل انتهایی دیافراگم‌های فوقانی و تحتانی بر روی جان تیرها در حال گسترش بود.
در نهایت در انتهای سیکل 7%، جان هر دو تیر به میزان کمی کمانش خارج از صفحه را در محل انتهای دیافارگم‌ها تجربه کردند. از سوی دیگر تغییر شکل‌ها در بال تیر به میزانی افزایش یافته بود که جداشدگی بال تیر از روی دیافراگم تا محل آخرین ردیف پیچ ادامه پیدا کرد.
نکته قابل توجه عدم وقوع هیچگونه تغییر شکل در چشمه اتصال از جمله ورق دیافراگم، ستون و تیر در محدوده‌ی بین دو دیافراگم، پیچ‌ها و ورق‌های اتصال جان تیر به ستون بود.
نمونه شماره 2
برای نمونه شماره2 با آغاز سیکل 4% ریزش آهک به تدریج در محل انتهای دیافراگم، روی بال فوقانی تیر در بخش غربی نمونه صورت پذیرفت. اما این تغییر شکل به جان تیر غربی سرایت نکرد. در انتهای سیکل 4% ریزش آهک بال فوقانی و تحتانی تیر غربی و تا حدی تیر شرقی به وضوح قابل مشاهده بود اما هیچ تغییری در جان تیر و دیافراگم‌ها به‌وجود نیامده بود. پس از طی نمودن سیکل 5% ریزش آهک بر روی جان تیر آغاز شد و به میزان خیلی کم روی تیر غربی پیشرفت کرد، درحالیکه خبری از کمانش خارج کمانش خارج از صفحه جان تیر نبود. همچنین خمشدگی بال تیر در محل انتهای دیافراگم به‌خصوص در بال فوقانی تیر غربی آغاز گردید.
در پایان سیکل 6%، خمشدگی بال تیر به وضوح قابل مشاهده بود. همچنین ریزش آهک دقیقا در امتداد عمود محل انتهایی دیافراگم‌های فوقانی و تحتانی بر روی جان تیرها در حال گسترش بود. با این حال کماکان کمانش خارج از صفحه برای جان تیر رخ نداده بود. در نهایت در انتهای سیکل 7%، تغییر شکل‌ها در بال تیر به‌میزانی افزایش یافته‌بود که به صورت چشمی قابل رویت بود اما این مقدار نسبت به نمونه شماره1 خیلی کمتر بود.
نکته قابل توجه عدم وقوع هیچگونه تغییر شکل در چشمه اتصال از جمله ورق دیافراگم، ستون و تیر در محدوده‌ی بین دو دیافراگم، پیچ‌ها و ورق‌های اتصال جان تیر به ستون بود. علاوه‌براین ریزش آهک هم در آن به میزان قابل توجه صورت نگرفت.
مقایسه نتایج آزمایشگاهی و تحلیل المان محدود اتصال صلب تیر به ستون CFT
نمونه شماره 1 را که با درنظر گرفتن تمامی ضوابط طراحی شده بود، در مجموع عملکرد بسیار مناسبی از خود نشان داد.
نمونه شماره 2 که با هدف ارزیابی تاثیر افزایش ضخامت دیافراگم و همچنین تقاضای مقاومت بر روی رفتار اتصال در نظر گرفته شده بود، در مجموع عملکرد بسیار مناسبی از خود نشان داد.
در هر دو نمونه، پارامترهای حداکثر نیرو، حداکثر لنگر، حداکثر زاویه جابجایی و انرژی جذب شده در نمونه آزمایشگاهی و مدل المان محدود مقایسه شدند. مقادیر به‌دست‌آمده از آزمایش هر دو نمونه بسیار نزدیک به نتایج مدل المان محدود آنها بوده است. در نهایت تغییر شکل‌های به‌دست‌آمده از مدل المان محدود، بسیار نزدیک به مدل آزمایشگاهی بوده است.
این پژوهش با هدف بررسی رفتار لرزه‌ای اتصال صلب تیر به ستون CFT صورت پذیرفت. هدف، طراحی اتصال صلب با استفاده از دیافراگم پیرامونی جهت استفاده در قاب خمشی ویژه بود. ساختار کلی پژوهش شامل دو بخش مطالعات المان محدود و برنامه آزمایشگاهی بود. سپس با استفاده از مدل صحت سنجی شده، مطالعات پارامتریک یا هدف شناسایی پارامترهای تاثیر گذار صورت پذیرفت.
در بخش آزمایشگاهی طراحی و ساخت دو نمونه تمام مقیاس از اتصال میانی تیر به ستون با استفاده از دیافراگم پیرامونی انجام شد. در این مرحله بر روی دو نمونه آزمایش شد و نتایج آن ثبت گردید. نهایتا نتایج برنامه آزمایشگاهی و مطالعات المان محدود با یکدیگر مقایسه و مورد ارزیابی قرار گرفتند که صحت مدل المان محدود بار دیگر اثبات شد.
خلاصه
با توجه به مجموع نتایج به‌دست آمده از مطالعات المان محدود و برنامه آزمایشگاهی، می‌توان اتصال صلب تیر به ستون CFT توسط دیافراگم پیرامونی را اتصالی با رفتار لرزه‌ای بسیار مناسب به‌شمار آورد. این اتصال ویژگی‌هایی فراتر از معیارهای مورد نظر جهت اتصالات صلب مورد استفاده در قاب خمشی ویژه دارد، از سوی دیگر به خوبی در جهت دور نمودن مفصل پلاستیک از ستون، عمل می‌نماید. اوج این عملکرد در نمونه شماره 2 مشاهده گردید که با وجود برابری ظرفیت پلاستیک تیر و ستون، مفصل پلاستیک در فاصله مناسبی از ستون شکل گرفت.
همچنین افزایش سختی چشمه اتصال و عدم تغییر شکل پلاستیک در ناحیه اتصال از ویژگی‌های مناسب آن است. از سوی دیگر برخی روابط آیین‌نامه در خصوص طراحی این نوع اتصالات محافظه‌کارانه بوده و می‌توان ظرفیت بالاتری برای این نوع اتصالات درنظر گرفت. یکی از مهم‌ترین این روابط محدودیت حداکثر نسبت ضخامت دیافراگم به ضخامت ستون است که بر اساس نتایج این پژوهش قابل افزایش است.
