19434

۱۹۴۳۴

ارزيابي عملكرد اتصالات فولادي تحت اثر آتش

كارشناسي ارشد

سازه

۹۵-۱

۱۳۹۷/۶/۲۶

دكتر وحيد بروجرديان

عمران

چكيده اتصالات فولادي نقش سازه اي كليدي و حياتي را در حفظ پايداري و تاب آوري (قدرتمندي) سازه هاي قابي فولادي چه در دماهاي معمولي و چه تحت اثر آتش (در دماهاي بالا) بر عهده دارند و بررسي هاي صورت گرفته توسط مراكز تحقيقاتي و صنعتي در مورد حوادث تخريب پيش رونده سازه هاي فولادي تحت اثر آتش سوزي در سال هاي اخير مانند تخريب برج هاي تجارت جهاني در 11 سپتامبر 2001 در شهر نيويورك، تاثير سازه اي بسيار مهم و حياتي اتصالات فولادي تحت اثر آتش را بيش از پيش روشن ساختند. در اين پايان نامه عملكرد 5 نوع اتصال فولادي متعارف كه در يك قاب فولادي يك طبقه و يك دهنه تحت اثر آتش (در دماهاي بالا) مي باشند مورد ارزيابي قرار گرفته است. اتصالات مورد بررسي در اين تحقيق شامل اتصالات: Extended Endplate (اتصال خمشي با ورق انتهايي افزايش يافته)، Flush Endplate (اتصال خمشي با ورق انتهايي)، Web Cleat (اتصال مفصلي با دو نبشي پيچ شده از دو طرف به جان تير و بال ستون)، Flexible Endplate (اتصال مفصلي نيمه خمشي با ورق انتهايي جوش شده به قسمتي از جان تير و پيچ شده به بال ستون)، Fin Plate (اتصال مفصلي چرخشي با ورق انتهايي پيچ شده به جان تير و جوش شده به بال ستون) مي باشند. مدل سازي قاب فولادي مهارشده با اين اتصالات با كمك نرم افزار تحليلي اجزاء محدود ABAQUS صورت گرفت و سپس اين مدل هاي شبيه سازي شده با داده هاي تجربي بدست آمده از آزمايشات تجربي صورت گرفته بر روي اين نوع اتصالات صحت سنجي شدند. سازگاري بسيار خوب اين مدل ها با نتايج تجربي و همچنين مقايسه رفتار سازه اي مدل هاي ساخته شده با مدل هاي آزمايشگاهي اعتبار و صحت مدل سازي ها را تاييد كردند. پس از اطمينان از مدل سازي هاي صورت گرفته، ارزيابي بر روي عملكرد رفتار سازه اي اتصالات و اجزاي اصلي قاب فولادي تحت اثر آتش صورت گرفت، تغيير شكل ها و مدهاي شكست هر نوع اتصال در دماهاي بالا بررسي شدند و تاب آوري قاب فولادي مهار شده با هريك از اين اتصالات نسبت به زمان و با درنظرگيري يك معيار تخريب مورد ارزيابي قرار گرفت. معيار تخريب در نظر گرفته شده در اين ارزيابي، رسيدن خيز مياني تير به حد مجاز مي باشد. پس از تحليل سازه اي صورت گرفته، جهت ارائه استراتژي هايي براي افزايش تاب آوري (قدرتمندي) اتصال نسبت به زمان و با درنظرگيري معيار تخريب، يك سري مطالعات پارامتريك جهت بررسي تاثير اجزاي مختلف قاب فولادي بر روي تاب آوري آن نسبت به زمان صورت گرفت. اين مطالعات پارامتريك به دو دسته تقسيم شدند: مطالعه پارامتريك اول شامل حالت هايي با افزايش قطر و مقاومت پيچ ها و افزايش ضخامت اجزاء قاب فولادي به صورت افزودن ورقه هاي 5 ميلي متري بود ولي در مطالعه پارامتريك دوم يك سري اجزاي اضافي شامل سخت كننده، ورق هاي پيوستگي و ورق هاي تقويت كننده به اتصالات افزوده گرديد. در هر كدام از مطالعات پارامتريك صورت گرفته، يك حالت به عنوان حالت كلي فرض گرديد كه در اين حالت كليه تغييرات يكجا اعمال شدند. نتايج اين مطالعات حاكي از آن بودند كه افزايش ضخامت جان و بال تير قاب فولادي بيشترين تاثير را بر روي عملكرد اتصال و در نتيجه تاب آوري (قدرتمندي) قاب فولادي نسبت به زمان دارند و ديگر حالت هاي بررسي شده در مطالعات پارامتريك تاثير كم و در حالاتي هيچگونه تاثيري نداشتند اما در حالت كلي براي هر اتصال كه در آن همگي استراتژي ها اعمال شدند نتايج بسيار جالبي در جهت افزايش مقاومت قاب فولادي نسبت به زمان تا پيش از رسيدن به حد تخريب مشاهده و ثبت گرديد به صورتي كه بطور ميانگين در هر حالت كلي براي هر مجموعه قاب فولادي مهارشده با اتصالات مورد بررسي، حدود 31-29 كيلوگرم فولاد بصورت افزايش ضخامت اجزاء، افزايش ضخامت ورق ها و افزايش قطر پيچ ها صرف گرديد كه اين حالت كلي بطور ميانگين براي قاب فولادي مهارشده با اتصالات مورد بررسي، حدود 25-30 دقيقه زمان رسيدن خيز مياني تير به حد خيز مجاز (معيار تخريب در نظر گرفته شده) را به تاخير انداخت، كه اين زمان مي تواند در سناريو هاي مختلف آتش سوزي در سازه هاي فولادي در مواجه با شرايط تخليه سازه و خاموش سازي آتش بسيار حياتي و مهم باشد همچنانكه وقايع تاريخي تخريب پيش رونده در اثر آتش سوزي در سازه هاي فولادي اهميت زمان تاب آوري (مقاومت در برابر آتش) و مقاومت سازه در برابر تخريب را به خوبي مشخص كردند. در آخر، اين تحقيق با بررسي عملكرد اتصالات فولادي در يك قاب فولادي تحت آثر آتش، رفتار سازه اي اين اتصالات را بررسي كرده است و با ارزيابي مشخصات رفتاري هر يك بر آن شده است تا كه يك سري استراتژي هاي افزايش تاب آوري (قدرتمندي) را براي قاب هاي فولادي مهار شده با اتصالات مورد بررسي ارائه دهد. واژه‌هاي كليدي: قاب فولادي، اتصالات فولادي، آتش، تاب آوري(قدرتمندي)

1397/07/10

performance assessment of steel connections under fire condition

10/2/2018 12:00:00 AM

Abstract: This thesis represents performance assessment of 5 typical steel connections under fire condition. Finite element simulations of steel frame assembly restrained with typical steel connections (fin plate, web cleat, flexible endplate, flush endplate, extended endplate) were carried out by the commercial finite element analysis package ABAQUS, and then results of finite element simulations were verified against experimental results. Simulated models proved to be very consistent with experimental results, although the process of FE simulation tend to be very complex and time consuming for reaching numerical convergence. Based on the observations from deformed shape of the FE models, a structural assessment was performed in order to investigate the robustness of the steel frame assembly and following this analysis, a series of parametric studies was performed to assess the effect of various cases including increasing the thickness of flange and web of the beam and column of the steel frame assembly, increasing the thickness of endplates and increasing the strength plus size of bolts and also, the addition of ribs and extra plates (strengthening plate, doubler plate, continuity plate and seat plate) to the steel frame assembly. Results achieved from parametric studies showed that cases like increasing the thickness of beam flange and web, tend to increase the survivability time of the steel frame so that it resists for a longer time before reaching the excessive deflection of the beam mid-span. Other cases proved to be ineffective or having slight influence on the survival time of the steel frame resisting against fire before reaching the beam’s excessive deflection. The ideal or total case in the first parametric study which combines all the cases into one proved to be the best-case scenario by increasing the resisting time of the steel frame for more than 25 min before reaching the beam’s excessive deflection. The maximum amount of steel used in the total case was about 30 kg which despite the economic considerations, proved to be very effective in case of the resisting time it provided. At the end, this thesis intends to present survivability solutions for increasing the robustness of steel frames restrained with typical steel connections based on the survival time it takes to reach the excessive deflection of the beam mid-span. Keywords: Steel Frame, Steel Connections, Fire, Survivability, Robustness