در این پایان نامه تاریخچه استفاده از فولاد پرمقاومت و مطالعات انجام شده بر روی شکل پذیری و خمش اتصالات آن مورد بررسی قرار می گیرد
دانلود پایان نامه مهندسی عمران
تاریخچه استفاده از فولاد پرمقاومت و مطالعات انجام شده بر روی شکل پذیری و خمش اتصالات آن
مقدمه
در سالهای اخیر، سازندگان ساختمان های فولادی بر استفاده از فولادهای پرمقاومت در اعضا و اتصالات ساختمانها تاکید ویژه ای داشتند. پیشرفتهای اخیر در فولاد سازی موجب پیدایش نسل جدیدی از فولادهای پر مقاومت شده است که مشخصات تنش–کرنش آنها با فولادهای سنتی بسیار متفاوت است. فولادهای پر مقاومت کارائی بیشتری در کشش، جوش پذیری، نورد سرد، سختی و مقاومت در برابر پوسیدگی بیشتری نسبت به فولادهای نرمه دارند. این ویژگی ها موجب شده است که فولادهای پر مقاومت در صنایع سازه ای بسیار جذاب جلوه کند. تولید این نوع جدید از فولاد در صنایع فولادسازی، دستاورد موفق علمی در فناوری فولاد سازی بود، علی الخصوص که فرآیند کنترل ترمومکانیکی، مراحل نورد گرم و خنک کردن فولادها را کنترل می کند تا ساختار مصالح فولادی بسیار مرغوبتری بدست آید.
استفاده از فولادهای پرمقاومت مانند هر مصالح دیگری معایب و مزایایی به همراه دارد. از جمله مزایای آنها می توان به کاهش وزن ساختمان، صرفه جویی در تولید، سهولت نصب و انتقال به محل اجرای ساختمان و فونداسیون کوچکتر اشاره کرد. همچنین المان های سبک و نازک برای ویژگی های معماری ساختمان، طراحی زیبای اعضا و سازه ها بسیار مطلوب می باشند. کاهش مقاطع اعضا منجر به صرفه جویی در استفاده از فولاد در ساختمان شده و در نتیجه می تواند مزایای زیست محیطی را به همراه داشته باشد. از نقطه نظر سازه ای، فولادهای پر مقاومت، مقاومت خطی بزرگتری دارند. اما افزایش تنش تسلیم باعث افزایش مدول یانگ نمی شود، و این عامل ممکن است مشکلاتی در خدمت پذیری سازه به وجود آورد. در حال حاضر طراحی سازه های فولادی بر اساس سختی و در قالب محدودیت های تغییرشکل و Dr ft کنترل می شود تا محدودیتهای شکل پذیری و سرویس دهی سازه را تامین کند.
در این مورد به نظر نمی آید که استفاده از فولادهای پرمقاومت چندان مفید باشد. به علاوه هر چقدر مقاومت فولاد بیشتر شود، ویژگی های کمانشی فولاد بیشتر حکم فرما می شوند و در نتیجه مشکلات شکل پذیری فولاد افزایش می-باید. همچنین محدودیت در لاغری اعضا که توسط تنش تسلیم بالا و نسبت تنش تسلیم، به سازه تحمیل می شود، ممکن است که باعث طراحی غیر اقتصادی و عدم حصول مقاطع فشرده موثر شود. کارایی فولادهای پرمقاومت هنگامی بیشتر است که به آن اجازه تسلیم کامل داده می شود؛ برای مثال هنگامی که اتصالات و اعضای ساخته شده از این فولاد به گونه ای طراحی شوند که تنها در اثر عامل مقاومتی گسیخته شوند، طراحی به گونه ی مناسبی انجام شده است. در این حالت باید پدیده های کمانشی کلی و موضعی در طراحی سازه ای حذف شود. همچنین نسبت تنش تسلیم بالای فولاد پرمقاومت موجب کاهش پایداری غیرخطی مقاطع و ظرفیت دوران اعضا و اتصالات می شود و این پایداری به شدت به خصوصیات سخت شدگی کرنشی مصالح مربوط است.
بر اساس تحقیقات صورت گرفته، معیارهای فشردگی مقاطع فولاد پرمقاومت باعث می شوند که ظرفیت شکل پذیری خمشی بیش اندازه تخمین زده شود. بعلاوه نسبت مقاومت نهائی به مقاومت تسلیم مصالح اثر قابل ملاحظه ای بر شکل پذیری و ظرفیت جذب انرژی تحت بارگذاری چرخه ای دارد، که باعث می شود به منظور اطمینان از رفتار قابل قبول لرزه-ای، مقادیر محدود کننده ای برای این پارامتر انتخاب شود. بنابراین رفتار سازه هایی که توسط این فولادها ساخته می شوند، احتیاج به بررسی بیشتری دارد تا طراحی آنها با اطمینان بیشتری صورت بگیرد. مقاومت و سختی در اعضای ساخته شده از فولاد پرمقاومت به راحتی بدست می آید ولی از طرف دیگر ارزیابی شکل پذیری آنها چندان آسان نیست. شکل پذیری اعضا و اتصالات براساس مقدار تغییرشکل پلاستیکی تعریف می شود که می تواند توسط درصدی از مقاومت نهایی عضو بدست آید. در زیر به بررسی چند مورد از مطالعاتی که بر روی اعضای ساخته شده از فولاد پرمقاومت انجام شده است، می پردازیم.
کلمات کلیدی:
فولادهای پرمقاومت
شکل پذیری و خمش اتصالات
تاریخچه استفاده از فولاد پرمقاومت
مطالعات انجام شده بر روی فولادهای پرمقاومت
فهرست مطالب
تاریخچه استفاده از فولاد پرمقاومت و مطالعات انجام شده بر روی شکل پذیری و خمش اتصالات آن
1-تاریخچه کاربرد فولادهای پرمقاومت در صنعت ساختمان5
1-1- مقدمه6
1-2- روند تولید فولادهای پرمقاومت6
.شکل 1-1 : نحوه تاثیر مکانیزمهای افزایش مقاومت در فولاد [36]8
.شکل 1-2 : فرآیندهای تولید ( الف– نورد و نرمال کردن ، ب– فرآیند ترمودینامیکی ) [36]9
.جدول 1-1 : روند توسعه فولادهای HS A [36]10
1-2- مزیتهای استفاده از فولاد پرمقاومت میکروآلیاژی12
شکل 1-3 : منحنی باربری و تنش مجاز [35]13
جدول 1-2 : مقایسه آنالیز شیمیایی فولادهای ST 37.2 و ST 52.3 شرکت فولاد مبارکه [36]15
.جدول 1-3 : مقایسه خواص مکانیکی فولادهای ST37.2 و فولاد پر مقاومت و ST 52.3 شرکت فولاد مبارکه [36]15
1-4- قابلیت جوشکاری در فولادهای پرمقاومت15
1-5- کاهش وزن، کلید افزایش ارزش اقتصادی فولادهای میکروآلیاژی18
.شکل 1-4 : تاثیر نوع بارگذاری بر میزان صرفهجویی ناشی از فولادهای پرمقاومت [36]19
2- مطالعات انجام شده بر روی اتصالات ساخته شده از فولاد پرمقاومت20
2-1- مقدمه20
2-2- رفتار چرخهای اتصالات جوشی ساخته شده از فولاد پرمقاومت در ساختمانهای مقاوم در برابر خرابی23
.شکل 2-1 : توزیع لنگر و انحنای خمشی در سازههای واقعی [7]24
2-2-1- طرح کلی آزمایشات24
.جدول 2- 1 : نمونههای آزمایش شده24
.شکل 2-2 : جزئیات اتصالات آزمایش شده[7]25
.شکل 2-3 : سیکلهای بارگذاری اعمال شده25
2-2-2- بارگذاری کششی یکنواخت25
2-2-3 نمودار چرخهای نیروی محوری و کرنش متوسط26
.شکل 2-4 : نمودارهای نیرو جابهجایی برای نمونههای آزمایش شده [7]27
2-2-4 توزیع کرنش در راستای محور نمونهها27
.شکل 2-5 : توزیع کرنش برای نمونههای آزمایش شده [7]28
2-2-5 کارآئی اتصالات جوشی28
شکل 2-6 : کارآیی اتصالات جوشی [7]28
2-2-6 نسبت تغییر شکل پلاستیک تجمعی28
SECT ON 14.01شکل 2-7 : نسبت تغییرشکلهای پلاستیک تجمعی برای انواع فولاد با اتصال جوشی [7]29
2-3 مطالعه آزمایشگاهی بر روی مقاطع RBS ساخته شده با فولاد پرمقاومت30
جدول 2-2 : مشخصات مصالح به کار رفته در اتصال [8]31
.جدول 2-3 : نتایج ( حداکثر مقاومت تیر بر اساس مصالح واقعی ، حداکثر مقاومت اسمی تیر ) [8]32
.شکل 2-8 : رفتار چرخهای نمونه ها [8]33
.شکل 2-9 : الگوی مناطق تسلیم در مقاطع ( الف : تسلیم در جان ، ب: تسلیم در بال) [8]34
2-4 بررسی آزمایشگاهی اتصالات با ورق انتهایی ساخته شده از فولاد پرمقاومت34
2-4-1 نحوه انجام آزمایشات35
.شکل 2-10 : ترکیب بندی اتصالات [9]35
.جدول 2-4 : مشخصات نمونهها [9]35
2-4-2 نتایج آزمایشات ( نمودارهای )36
.شکل 2-13: مقایسه نتایج نمونههای یکسان با ورق انتهایی متفاوت [9]37
.جدول 2-5 : مشخصات اصلی نمودارهای لنگر – دوران [9]37
.شکل 2-14 : منحنی چندخطی اتصال با ورق انتهایی [9]38
2-4-2- بررسی شکلپذیری آزمایشگاهی38
2-5- اثر فولادهای پرمقاومت و مشخصات هندسی آن در رفتار غیرخطی خمشی40
شکل 2-15 : نمودار تنش-کرنش برای انواع فولادهای ساختمانی [10]41
SECT ON 24.01شکل 2-16 : نمودار نسبت تنش تسلیم به مقاومت کششی[10]42
2-5-1- رفتار خمشی42
شکل 2-17 : منحنی لنگر دوران تیر تحت خمش[10]42
2-5-2- معیارهای فشردگی حال حاضر43
2-5-2- کمانش موضعی بال43
.شکل 2-18 : اثر لاغری بال تیر بر روی ظرفیت چرخشی تیر ( فولاد نرمه معمولی) [10]44
2-5-4- کمانش موضعی جان45
.شکل 2-19 : اثر لاغری جان تیر بر روی ظرفیت چرخشی تیر ( فولاد نرمه معمولی) [10]46
.شکل 2-20 : ظرفیت دوران تیرهای ساخته شده از فولاد معمولی، اثر لاغری بال و جان47
2-5-5- گرادیان لنگر47
.شکل 2-21 : منحنی لنگر انحنا برای تیرهای ساخته شده از فولاد معمولی [10]48
.شکل 2-22 : مطالعه پارامتریک ظرفیت دوران تیرهای ساخته شده از فولاد معمولی تحت گرادیان لنگر [10]48
2-5-6- ظرفیت دوران تیرهای ساخته شده از فولاد پرمقاومت48
.جدول 2-8 : مشخصات تیرهای ساخته شده از فولاد A514 [10]49
.شکل 2-23 : نتایج منحنی لنگر دروان برای نمونه های 3 تا 7 [10]50
.شکل 2-24 : نمودار لنگر دوران برای تیرهای ساخته شده از فولاد پرمقاومت تحت گرادیان لنگر [10]51
شکل 2-25 : اثر لاغری جان بر روی ظرفیت دوران (فولاد معمولی و پرمقاومت) [10]52
شکل 2-26 : ظرفیت دوران تیرهای ساخته شده از فولاد پرمقاومت ( اثر لاغری بال و جان ) [10]53
.شکل 2-30 : اثر لاغری جان بر روی ظرفیت شکلپذیری مقطع ساخته شده از HS A-8054
.شکل 2-31 : اثر لاغری بال بر روی ظرفیت شکل پذیری مقطع ساخته شده از HS A8055
.شکل 2-32 : انرژی مکمل نمودار تنش کرنش برای مطالعه پارامتریک ظرفیت دوران [10]57
.شکل 2-33 : اثر مشخصات تنش کرنش مصالح بر روی ظرفیت دوران خمشی58
.شکل 2-34 : (الف) نمودار تنش کرنش فولادها (ب) نمودار نیرو تغییرمکان تیرهای بال پهن فولادهای مربوطه59
.شکل 2-35 : مشخصات تنش کرنش مصالح برای مطالعات پارامتریک FEA59
.شکل 2-36 : نمودارهای لنگر دوران برای مطالعات پارامتریک FEA60
2-5-7- تیر – ستونها60
.شکل 2-38 : رابطه ظرفیت دوران به نسبت نیروی محوری تیرستونها [10]62
2-5-8- رفتار چرخهای تیر ستونها62
شکل 2-41 : رابطه استهلاک انرژی نسبت تنش برای بارگذاری چرخهای تیر-ستونها [10]64
فهرست مراجع و منابع65