پایان نامه بسیار ارزشمند کار شده در دانشگاه تهران با موضوع فولاد پر مقاومت که به مدلسازی اتصالات سازه ای در نرم افزار انسیس می پردازد. متن ورد word این پایان نامه ارزشمند آماده دانلود می باشد.
تولید فولادهای پرمقاومت با خواص مناسب مانند شکلپذیری و مقاومت بالا در طی 50 سال اخیر شدیداً توسعه یافته است. ولی به علت عدم شناخت مهندسین، استفاده از آنها در صنعت ساخت و ساز رشد قابلتوجهی نیافته است. تا زمانی که مشخصات این فولادها به طور کامل ارزیابی نشود و عملکرد آنها در بارگذاریهای لرزهای مورد تحقیق و بررسی قرار نگیرد، استفاده از این فولادها که موجب اقتصادی شدن پروژههای ساخت و ساز میشوند، توسعه نخواهد یافت. از این رو در این پایاننامه سعی میشود تا با مدلسازی و تحلیل عددی اتصالات صلب ساخته شده از فولادهای پرمقاومت تحت بارگذاریهای شبهدینامیکی، کفایت لرزهای و شکلپذیری این نوع اتصالات مورد بررسی قرار گیرد.
فهرست مطالب
1- تاریخچه و کاربردهای فولادهای پرمقاومت در صنعت مهندسی ساختمان.. 1
1-2- روند تولید فولادهای پرمقاومت... 1
1-3- مزیتهای استفاده از فولاد پرمقاومت میکروآلیاژی.. 5
1-4- قابلیت جوشکاری در فولادهای پرمقاومت... 7
1-5- کاهش وزن، کلید افزایش ارزش اقتصادی فولادهای میکروآلیاژی.. 8
2- فلسفه شکلپذیری و طراحی لرزهای اتصالات... 10
2-2- ماهیت زلزله و لزوم انجام طراحی لرزه ای.. 10
2-3- انواع اتصالات و قابهای سازه ای.. 12
2-3-2- اتصالات کاملاً صلب (گیردار) 13
2-3-3- اتصالات نیمه صلب (پاره گیردار) 13
2-4- تعیین میزان گیرداری یک اتصال.. 14
2-5- ارزیابی اتصالات صلب جوشی و منحنی لنگر – دوران اتصالات ................... 14
2-6- ملزومات چرخشی برای اتصالات خمشی.. 16
2-7- کفایت عملکرد ثقلی اتصالات تیر به ستون.. 17
2-8- اتصالات در زلزله نورتریج.. 21
2-8-1- بررسی اتصالات متعارف آسیب دیده در زلزله نورتریج.. 22
2-8-2- خلاصه فعالیت های انجام شده پس از زلزله نورتریج.. 24
2-8-3- اشکالات ایجاد کننده شکست ترد در اتصال متعارف... 25
2-8-4- نتیجه حاصل از تحقیقات – ضعف موجود در بر اتصالات متعارف... 27
2-9- نگرش جدید در طراحی لرزهای قابهای خمشی فولادی.. 30
2-10- تعریف مفاهیم ضریب رفتار R و ضریب افزایش مقاومت ........ 30
2-11- بررسی کفایت عملکرد لرزه ای اتصالات... 35
2-12- الزامات لرزهای قاب های خمشی فولادی.. 42
2-12-1- ضوابط ویژه تناسبات اجزای مقطع.. 42
2-12-3- شرط ستون قوی – تیر ضعیف... 46
2-12-5- مهاربندی جانبی تیرها 49
3- مطالعات انجام شده بر روی اتصالات ساخته شده از فولاد پرمقاومت... 50
3-2- رفتار چرخهای اتصالات جوشی ساخته شده از فولاد پرمقاومت در ساختمانهای مقاوم در برابر خرابی.. 51
3-2-2- بارگذاری کششی یکنواخت... 53
3-2-3 نمودار چرخهای نیروی محوری و کرنش متوسط... 53
3-2-4 توزیع کرنش در راستای محور نمونهها 54
3-2-5 کارآئی اتصالات جوشی.. 55
3-2-6 نسبت تغییر شکل پلاستیک تجمعی.. 56
3-3 مطالعه آزمایشگاهی بر روی مقاطع RBS ساخته شده با فولاد پرمقاومت... 56
3-4 بررسی آزمایشگاهی اتصالات با ورق انتهایی ساخته شده از فولاد پرمقاومت... 59
3-4-1 نحوه انجام آزمایشات... 60
3-4-2 نتایج آزمایشات ( نمودارهای ) 61
3-4-3- بررسی شکلپذیری آزمایشگاهی.. 62
3-5- اثر فولادهای پرمقاومت و مشخصات هندسی آن در رفتار غیرخطی خمشی.. 63
3-5-2- معیارهای فشردگی حال حاضر. 65
3-5-6- ظرفیت دوران تیرهای ساخته شده از فولاد پرمقاومت... 69
3-5-8- رفتار چرخهای تیر ستونها 78
4- طراحی و مدلسازی اتصالات گیردار با نرمافزار Ansys.. 81
4-1- محاسبات اولیه طراحی اتصال.. 81
4-2- طرح لرزهای چند اتصال صلب جهت مقایسه. 86
4-2-1- اتصال تیر با مقطع کاهش یافته. 86
4-2-2- اتصال تیر با ورق میانگذر 88
4-2-3- اتصال تیر با ماهیچه از پایین جوشی.. 90
4-3- روش ارزیابی عملکرد لرزه ای اتصالات پیشنهادی.. 92
4-4- معرفی خصوصیات و قابلیت های نرم افزار Ansys. 92
4-4-1- تحلیل غیر خطی مادی.. 92
4-4-2- رفتار خمیری مستقل از زمان.. 93
4-5- المان های مورد استفاده 95
4-5-1- معرفی المان های متناسب با فیزیک مساله. 96
4-6- مدلسازی اتصال پیشنهادی.. 97
4-7- معرفی مدلهای اجزاء محدود اتصالات... 99
4-7-1 مدل اتصالات تیر I شکل به ستون H شکل.. 100
4-8 بررسی نتایج تحلیلهای اجزاء محدود. 100
4-8-2 ستون ( خارج از چشمه اتصال) 107
4-9- بررسی رفتار کلی اتصال.. 115
4-10- مقایسه از نظر شکل پذیری.. 120
4-11- نسبت میرایی ویسکوز معادل هر یک از نمونهها 126
بیش از یک قرن است که فولاد بعنوان مصالح ساختمانی تثبیت شده است. واژه فولاد ساختمانی (Structural Steel) عموماً به فولادهای کربن- منگنز اطلاق میشود که ساختاری فریتی– پرلیتی دارند و در تناژ بالا برای مصارف ساختمانی و شیمیایی تولید میشوند. فولاد کمکربن نورد گرم، از جمله پرکاربردترین مصالح در صنعت ساختمانی میباشد. پیشرفت تکنولوژی جوشکاری و تسهیل در عملیات جوشکاری به عنوان یکی از تکنیکهای اتصال قطعات فولادی، باعث پیشرفت سریع سازههای فولادی گردیده است. گذشته از این، استفاده از فولادهای پرمقاومت، صرفهجویی اقتصادی، مقاومسازی و جذابیت فولادهای ساختمانی را به خوبی تامین میکند.
طی سالیان اخیر، با پیشرفت تکنولوژی، نیاز صنایع به محصولات با کیفیتی بالا، باعث افزایش تقاضا برای تولید فولادهای پرمقاومت، همراه با شکلپذیری بیشتر و چقرمگی کافی گردیده است[39]. در این راستا تحقیقات گستردهای توسط محققین علوم متالورژی بر روی بهبود خواص فولادها انجام شده است. اولین هدف در این تحقیقات آن بوده که بتوانند فولادهایی با مقاومت بالاتر، شکلپذیری بیشتر و و قابلیت جوشکاری بهتر تولید نمایند. همچنین در تحقیقات اخیر بر روی این نکته متمرکز شدهاند که بتوانند مقدار فولاد مصرفی را با توجه به مقاومت و شکلپذیری مورد نیاز کاهش دهند[37].
در گذشته تهیه فولادهای پرمقاومت تنها از طریق عملیات استحکام رسوبی و یا افزودن عناصر آلیاژی نظیر نیکل، کروم ، مولیبدن و ... با درصد بالا امکان پذیر بود. استحکام رسوبی اگر چه مقاومت را افزایش میدهد ولی سبب تردی نیز میشود. مضافا بر اینکه بعلت حضور عناصر آلیاژی، طبیعی است که این فولادها قیمت زیادی نیز داشته باشند[40].
در این راستا با توجه به اهمیت پایین نگه داشتن قیمت تمام شده تولید فولاد و جوشپذیری، از مکانیزمهای چندگانهای برای افزایش مقاومت استفاده میشود. همان طوری که در شکل 1-1 دیده میشود، مکانیزم های عمده افزایش مقاومت فولاد شامل تشکیل محلول جامد، ریز کردن دانه ها و ایجاد رسوبات با عناصر میکروآلیاژی است[36].
شکل 1-1 : نحوه تاثیر مکانیزمهای افزایش مقاومت در فولاد [36]
افزایش مقاومت ناشی از تشکیل محلول جامد چندان زیاد نیست. زیرا کربن در فریت حلالیت اندکی دارد ( این اثر در شکل1-1 به صورت نوار سیاه رنگی به مقاومت زمینه اضافه شده است). تحقیقات دههی 1950 نشان داد که ریز کردن دانه های فریت توسط مقادیر اندک آلومینیوم منجر به افزایش مقاومت تسلیم و چقرمگی فولاد میشود و استحکام رسوبی را نیز بی اثر می کند[39]. به این ترتیب فولادهای ساختمانی با تنش تسلیم همراه با شکلپذیری خوب و قابلیت جوشکاری مناسب تولید شد[36]. رابطهی 1-1 که ارتباط اندازه دانه را با مقاومت تسلیم نشان میدهد (Hall-Petch equation) از مهمترین روابط متالورژیکی میباشد[36]:
(1-1)
که در این رابطه :
= مقاومت تسلیم = تنش اصطکاکی
= ثابت = اندازه دانههای فریت
نوع دیگر افزایش مقاومت که در شکل1-1 با نشان داده شده است، مکانیزم استحکام رسوبی است. در این مکانیزم میتوان با افزودن مقادیر کمی عناصر کاربیدزا یا کاربونیتریدزا مانند نیوبیم (Nb)، وانادیم (V)، تیتانیم (Ti) و نیکل (Ni) به فولادهای ساختمانی مقاومت تسلیم را تا حوالی بالا برد (مقدار کل این عناصر معمولاً کمتر از 25/0 % است)؛ این عناصر تحت نام عناصر میکروآلیاژی شناخته میشوند و فولادهای حاصل را که دارای مقاومت بالا و چقرمگی مناسب میباشند، فولادهای کم آلیاژ پرمقاومت (High Strength Low Alloy or HSLA) مینامند. حذف عناصر آلیاژی با درصدهای بالا تاثیر بهسزایی بر کاهش قیمت نهایی تولید این نوع فولاد دارد[36].
شکل 1-2 : فرآیندهای تولید ( الف– نورد و نرمال کردن ، ب– فرآیند ترمودینامیکی ) [36]
در تحقیقات بعدی فرآیند « نورد کنترل شده» به عنوان مکمل ترکیب شیمیایی برای دستیابی به مقاومت بالاتر در فولادهای HSLA مورد توجه قرار گرفت. در این مرحله ساختار درشت دانه ورق های فولادی، توسط حرارت دادن این ورقها در محدودهی دمای بحرانی (بالاتر از دمای ) و خنک شدن در هوا، ریز میگردد. بعبارت دیگر جهت ایجاد تعادل بین مقاومت و چقرمگی مناسب و برای ریز کردن ساختار فولاد، دماهای نورد پایانی را کاهش میدهند. این مرحله، فرآیند مکانیکی-گرمایی کنترل شده (Thermo-Mechanical Control proccessing) نامیده می شود. این تکنیک باعث میشود خواص ورقهای فولادی در کل طول ورق یکنواختتر گردد و با ایجاد دانههای بسیار ریزتر، دستیابی به مقاومت بالا را میسر میسازد [36]. به این ترتیب دیگر نیازی به عملیات هزینهبر نرمالیزه کردن (عملیات حرارتی پس از نورد گرم برای بهبود خواص فولاد) در تولید فولاد نمیباشد (شکل 1-2).
امروزه انواع متعددی از محصولات فولاد میکروآلیاژی پرمقاومت به صورت ورق، تسمه، میلگرد، چهارگوش و نیمرخهای مختلف در کارخانجات فولاد تولید میشوند[40]. خواص مطلوب این گروه فولادها مانند مقاومت کششی بالا و چقرمگی زیاد (حتی در دماهای 50 تا 60 درجه سانتی گراد)، باعث شده است استفاده از آنها در ساخت سازههایی مانند سکوهای حفاری نفت علیالخصوص در شرایط سخت قطبی، خطوط لوله انتقال نفت وگاز، پلها، پستهای انتقال برق، مخازن تحت فشار، کشتیها و اخیراً در صنعت ساختمان به منظور مقاوم سازی در مقابل نیروهای زلزله گسترش یابد[37]. همچنین همزمان با بروز بحران انرژی، فولادهای HSLA جهت کاهش وزن اتومبیل و کامیون نیز به کار گرفته میشوند [36]. این فولادها به علت نسبت بالای مقاومت به وزن، جایگزین خوبی برای فولادهای ساختمانی محسوب میشوند[40]. مراحل پیشرفت و توسعه تکنولوژی ساخت فولادهای HSLA را از دهه 40 میلادی تاکنون، می توان در جدول 1-1 ملاحظه کرد.
بسته به شرایط هر منطقه و کشور نوع استفاده از فولادهای HSLA متفاوت است. برای مثال در ژاپن بیشترین سهم استفاده از این فولاد در ساخت خطوط لوله است. در حالی که اروپا، پیشرو استفاده از این فولادها در ساخت تجهیزات و سازههای دریایی به شمار می آید.
جدول 1-1 : روند توسعه فولادهای HSLA [36]
محدوده زمانی
نقطه عطف
پیشرفت در فن آوری
1960-1939
کشف متالورژیکی
عناصر میکرو آلیاژی به صورت جزئی در مقاطع ساختمانی استفاده شد تا مقاومت لازم بدست آید.
1965-1960
تحقیق و آزمایش در مورد مکانیزمهای مقاومتدهی
توسعه متالورژی فیزیکی، فولادهای نیمه آرام و آرام ، تاکید بر جایگزینی با فولادهای عملیات حرارتی شده
1976-1970
جوشپذیری و شکلپذیری
تاکید بر کاهش درصد کربن و کربن معادل، کاهش درصد گوگرد، کنترل شکل ناخالصیها، توسعه شکلپذیری
1972 تاکنون
خواص ثانویه و فولاد سازی
کاهش دمای DBTT ،افزایش مقاومت در برابر خوردگی ، توسعه ریختهگری مداوم
1979 تاکنون
فرمولبندی تازه و نوآوری
تغییراتی در امکان استفاده از عناصر آلیاژی
نظیر مولیبدن و توسعه در فولادسازی
1980 تاکنون
گسترش تکنولوژی
توسعه فرآیندهای تولید
علیرغم بهبودهای ایجاد شده در طراحی فولاد میکروآلیاژی، طرز تهیه و کاربردهای آن در صنعت، بعلت عدم آشنایی جامعه مهندسین با این نوع فولاد، در حال حاضر مصرف آنها تنها 15-10 درصد تولید فولاد جهان (یعنی سالیانه 80 تا 120 میلیون تن) را در بر میگیرد، که این تناژ تنها مربوط به محصولات تخت و طویل میباشد. علیرغم گسترش چشمگیر فولادهای پر مقاومت میکروآلیاژی در ممالک توسعه یافته، این فولادها در کشور ما هنوز به خوبی معرفی نشدهاند و به دلیل عدم آشنایی کافی مصرف کنندگان و مهندسین طراح با خواص آنها، جایگاه مناسبی ندارند. این در حالی است که استفاده از فولادهای پرمقاومت کمآلیاژ به جای فولادهای ساختمانی معمولی در صنعت سازه از نظر اقتصادی اهمیت فوقالعادهای دارد. با توجه به این واقعیت و در نظر گرفتن اینکه گروهی از فولادهای پرمقاومت با کیفیت بالا در کارخانجات ذوبآهن داخلی (مانند مجتمع فولاد مبارکه ) تولید میشود، در این پایان نامه سعی میگردد که ابعاد مختلف تاثیر این نوع فولاد بر رفتار ساختمانهای فولادی علیالخصوص قابهای خمشی مورد نقد و بررسی قرار بگیرد.
1-3- مزیتهای استفاده از فولاد پرمقاومت میکروآلیاژی
خواص مکانیکی خوب و نسبت مقاومت تسلیم به مقاومت نهایی کششی بالا، یکی از ویژگیهای مهم فولادهای کمآلیاژ پرمقاومت (HSLA) است که حتی هنگام حصول مقاومت تسلیم بیشتر به واسطه اصلاح دانههای فولاد نیز به دست می آید[37]. اگر نسبت مقاومت تسلیم به مقاومت نهایی کششی بالاتر باشد، سختی افزایش مییابد و ازدیاد طول یکنواخت کاهش پیدا میکند. بهمین دلیل استاندارد اروپا مقرر میدارد که نسبت مذکور کمتر از 91 % باشد ، تا انجام طراحی خمیری (Plastic) میسر گردد. برای مثال در مورد سازههای مقاوم به زلزله تعیین نسبت مقاومت تسلیم به مقاومت نهایی میتواند مفید باشد. [37]
همانطوری که مشخص است ملاک اولیه محاسبات و طراحی، مقاومت یکه یا مشخصه میباشد. بنابراین چه در سازههای بتنی و چه در سازههای فولادی، اعلاء بودن فولاد مورد توجه قرار گرفته است. کارایی این استفاده در کشش، بیشتر از فشار میباشد. حال چه کشش، به صورت مستقیم و یا ناشی از خمش باشد. طبیعی است که قطعات طراحی شده با فولاد اعلاء ظریفتر هستند. در فشار مسائل شعاع ژیراسیون و کمانش کلی یا موضعی مطرح میباشد و بنابراین ممکن است به علت کمانش، نتوان از تمام ظرفیت باربری قطعه (به علت لاغری) استفاده کرد. در حالی که در کشش چنین نیست و از تمام ظرفیت قطعه میتوان استفاده نمود. دلیل این امر آن است که بالاترین لاغری مربوط به کمانش غیر ارتجاعی یا بالاترین تنش مربوط به کمانش ارتجاعی ، مرزی است که در بالاتر از آن، تنش مجاز فشاری تابع مدول الاستیک میباشد و در پایینتر از این حد تنش مجاز فشاری تابع تنش تسلیم میباشد (شکل 1-3). بنابراین استفاده از فولاد اعلا، در فشار وقتی مناسب است که باشد و در بالاتر از این حد عملاً نوع فولاد تاثیری در افزایش مقاومت فشاری نخواهد داشت؛ چرا که تنش مجاز فشاری تابع نبوده و فقط تابع است، که برای انواع فولادها، یکسان میباشد[35].
شکل 1-3 : منحنی باربری و تنش مجاز [35]
برای جلوگیری از کمانش، میتوان با کاهش طول عضو فشاری (L)، لاغری را کاهش داده و در تنشهای فشاری نیز از فولاد اعلا استفاده کرد. در کشش نیز چون مسائل کمانشی مطرح نمیباشد، از تمامی ظرفیت فولاد اعلاء استفاده میگردد. محاسبات نشان میدهد که با استفاده از این نوع فولادها، بهای فولاد مصرفی برای یک تیر (با دهانه زیاد) حدود 25% و برای ستون ها حدود 10 تا 15 درصد کاهش خواهد داشت. نکته بسیار مهم در طراحی فولادهای اعلاء آن است که فولاد دارای نرمی متعادل برای جذب انرژی باشد. فولادهایی که با زیاد کردن کربن و یا منگنز سخت می شوند، خاصیت شکل پذیری (ductility) خود را از دست داده و به نوع تردشکن (brittle) تبدیل میشوند. مشکل این گونه مصالح آن است که خاصیت جذب انرژی خود را از دست داده و بعضاً نمیتوانند با تغییر شکل زیاد، ساکنین را از خرابی خود مطلع کنند و در مقابل ضربه نیز حساس میباشند. انواع حاضر فولاد اعلاء تولید کارخانجات داخلی از Elongation بالا برخوردار بوده و حدود آن از استاندارد های جهانی (حدود 20% ) بیشتر میباشد. جوشپذیری این فولاد کمآلیاژ، نیز تامین گشته است [35].
به طور کلی دلایل استفاده از فولاد پرمقاومت میکروآلیاژی به صورت زیر خلاصه میشوند :
- نسبت مقاومت به وزن و نسبت مقاومت به قیمت تمام شده زیاد فولادهای میکرو آلیاژی در مقایسه با فولادهای ساده کربنی ساختمانی انگیزه بسیار مناسبی برای جایگزینی این فولادها به جای فولادهای ساده کربنی است[40].
- ویژگی ممتاز فولادهای میکرو آلیاژی بعد از خواص مکانیکی، مقاومت بالا همراه با چقرمگی خوب آنها می باشد[40].
- شکلپذیری قطعات ساخته شده از این نوع فولادها بهبود زیادی یافته است.
- قابلیت جوشکاری در این فولادها بیشتر شده است.
- کاهش هزینههای تولید.
- کاهش وزن.
آنالیز شیمیایی فولاد ST52-3 و ST37-2 بر اساس استاندارد DIN 17100 در جداول 1-2 و 1-3 نشان داده شده است. آنالیز مزبور در تولید فولاد میکروآلیاژی با درجه فوق و برای ضخامت به منظور ساخت سوله استفاده شده است [37].
جدول 1-2 : مقایسه آنالیز شیمیایی فولادهای ST 37.2 و ST 52.3 شرکت فولاد مبارکه [36]
نوع فولاد
%c
%Mn
%Si
%P Max
%Smax
%A Max
%Nb
NPPM
Ce
(کربن معادل)
- 2
- 012-0.017
- 4-0.9
- 3
- 025
- 023
- 08
---
120
- 187-0.32
- 3
- 13-0.17
- 75-1.05
- 15-0.35
- 025
- 011
- 035
- 015-0.05
70
- 255-0.345
جدول 1-3 : مقایسه خواص مکانیکی فولادهای St37.2 و فولاد پر مقاومت و st 52.3 شرکت فولاد مبارکه [36]
نوع فولاد
Yield Point (N/mm2)
Tensile Strength (N/mm2)
Elongation %
- 2
240-380
350-470
27-40
- 3
364-480
490-590
21-41
1-4- قابلیت جوشکاری در فولادهای پرمقاومت
از ویژگیهای صنعت سازههای فولادی، استفاده زیاد از فرآیندهای جوشکاری است که برای ایجاد اتصالات مطمئن به کار میرود. جوشکاری که از دهه 1940 به تدریج جایگزین روشهای دیگر اتصال سازههای فولادی شد، در ابتدا با مشکل ترک خوردگی قطعات مواجه بود، زیرا فولادهای ساختمانی درصد کربن نسبتاً بالایی داشتند. تولید انواع فولادهای کمکربن به خصوص در خلال جنگ جهانی دوم برای ساخت کشتیهای تجاری ضرورت یافت تا سازه آنها یکپارچه جوشکاری شود [36].
تعریف کلی جوشپذیری آلیاژ یا فلز عبارتست از قابلیت آن برای ایجاد جوشکاری سالم با خواص مورد نظر. جوشپذیری فولاد در حالت کلی با افزایش سختی کم میشود، زیرا ایجاد ساختارهای سخت، حساسیت فولاد را به ترک خوردن افزایش میدهد. برای بررسی جوشپذیری فولادهای کربنی و آلیاژی تاثیر عناصر موجود را بر اساس رابطه 1-2 به صورت عددی به کربن معادل تبدیل میکنند [36].
بررسی شکل پذیری اتصالات فولاد پر مقاومت
