X
تبلیغات
پخش زنده جام جهانی

کارشناسی رسمی دادگستری

رشته راه و ساختمان

پایان نامه کارشناسی ارشد سازه


فروش فایل word پایان نامه کارشناسی ارشد سازه، با مشخصات زیر
(پرداخت آنلاین و دانلود آنی فایل word پایان نامه- 99000 تومان)








دانشگاه آزاد اسلامی

واحد

دانشکده فنی و مهندسی عمران

 

ارزیابی نتایج طراحی سازه های فولادی به روش AISC-LRFD

با استفاده از شیوه های تحلیل غیرارتجاعی مرتبه دوم

 

 

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد (M.Sc) در رشته مهندسی عمران- گرایش سازه

 

استاد راهنما : 

استادیار و مدیرگروه پژوهشی فناوری های نوین دانشگاه سمنان

 

استاد مشاور: دکتر

عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی دریا دانشگاه  صنعتی امیر کبیر

 

نگارش : 

 

 

تابستان 1390



چکیده:

        ارزیابی روش های مختلف تحلیل و طراحی قاب های فولادی از قبیل، روش های حالات حدی، تحلیل مستقیم و تحلیل غیرارتجاعی مرتبه دوم مورد بررسی و مقایسه قرار می گیرد و مشکلات و مزایای هر روش با استفاده از تحلیل چهار مثال عددی (قاب های یک، شش، ده و بیست طبقه) به وسیله این سه روش توضیح داده می شود.

        روش حالات حدی آیین نامه AISC-LRFD ، شیوه مرسوم طراحی قاب های فولادی است. در این روش یک تحلیل ارتجاعی مرتبه ی اول تحت شرایط مختلف بارگذاری با ضرایب تشدید انجام، نیروهای داخلی تمام اعضا تحت این شرایط بارگذاری محاسبه و بعد از تعیین ضرایب طول موثر همه اعضا، مقاومت محوری و خمشی هر عضو به طور مجزا توسط روابط اندرکنش پیشنهادی این آیین نامه کنترل می شود. شیوه بعدی، تحلیل مستقیم است که شامل تحلیل ارتجاعی مرتبه ی دوم بدون نیاز به تعیین ضرایب طول موثر می باشد. در هر دو روش حالات حدی و تحلیل مستقیم، سازه به طور کامل تحلیل می شود، اما مقاومت محوری و خمشی هر عضو به طور مجزا آزموده می گردد. توزیع مجدد غیرارتجاعی نیروهای داخلی در سیستم سازه در نظر گرفته نمی شود. در نتیجه، نیروهای تعیین شده ی اعضا، دقیق نیستند و ابعاد مقاطع بیشتر اعضا، محافظه کارانه بدست می آید. علاوه بر این، روش های مذکور مبتنی بر عضو هستند و رفتار سازه، همچون مد گسیختگی را توسط آن ها نمی توان پیش بینی نمود.

        روش تحلیل غیرارتجاعی مرتبه دوم ناحیه خمیری، مبتنی بر دیدگاه اجزای محدود اصلاح شده می باشد. در این روش گسترش خمیری شدن در حجم سازه به طور مستقیم و صریح مدل سازی می گردد. این روش مبتنی بر سازه است و اثرهایی مانند کمانش جانبی و موضعی، نقص های هندسی، تنش های پسماند، جاری شدن تدریجی سطح مقطع، گسترش خمیری شدن در طول عضوها، ترکیب تنش های محوری و برشی، ناپایداری های غیرخطی، رفتار اتصال و اندرکنش سازه با پی و خاک زیر آن را می توان به دقت توسط آن مدل سازی کرد. در این شیوه، ماتریس سختی، مقاومت مقطع و مقاومت عضو با تابع انتگرال گیری عددی به دست می آید. در این تحقیق یک روش تحلیل پیشرفته غیرارتجاعی مرتبه دوم ناحیه خمیری با استفاده از نرم افزار ANSYS مورد مطالعه قرار می گیرد. این روش وقت گیر و گران است و برای استفاده ی روزمره در دفاتر مهندسی ساختمان، مناسب نمی باشد.

        با مقایسه روش ها، نتیجه گردید که، روش مورد مطالعه با استفاده از نرم افزار ANSYS ضریب بار نهایی قاب "وگل" را با خطای حداکثر 0/3 درصد نسبت به روش های تحلیل ناحیه خمیری "وگل" و تحلیل مفصل خمیری "کیم و همکاران" برآورد می نماید. در هردو روش LRFD و روش تحلیل مستقیم، مواد سازه در خلال روند تحلیل، ارتجاعی باقی می مانند و سختی سیستم سازه و اعضای آن تاثیری در جاری شدن تدریجی فولاد ندارند. بنابراین نمودار نیرو- تغییرمکان سازه همواره خطی بوده و هیچگاه مقاومت نهایی سازه را با استفاده از این روش ها نمی توان تعیین نمود و مجبور به استفاده از روابط طراحی می باشد. ضمنا در روش حالات حدی AISC-LRFD حد ارتجاعی بوسیله ی برآورده شدن احتیاجات روابط اندرکنش مقطع بحرانی تعیین شده است، درحالی که حد ارتجاعی روش تحلیل غیرارتجاعی مرتبه دوم ناحیه خمیری به لحظه ی شکل گیری ناحیه خمیری اول ارتباط دارد. همچنین، به علت اینکه در روش AISC-LRFD به اثر توزیع مجدد نیروها بعد از تشکیل نواحی خمیری با استفاده از روش تقریبی روابط طراحی اندرکنش توجه می شود، هرچه درجه نامعینی سازه بیشتر گردد، خطای روش AISC-LRFD بیشتر و نتایج غیراقتصادی تری به دست می آید.

 

 

 

 

کلمات کلیدی: تحلیل ارتجاعی مرتبه اول، AISC-LRFD ، تحلیل ارتجاعی مرتبه دوم، تحلیل مستقیم، تحلیل غیرارتجاعی مرتبه دوم، تحلیل پیشرفته، ANSYS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست مطالب

فصل اول: کلیات                                                                                        شماره صفحه

1-1- پیش گفتار...................................................................................................................... 10

1-2- نمودار تنش- کرنش فولاد........................................................................................... 10

1-3- گرایش های طراحی سازه های فولادی..................................................................... 11

1-4- انگیزش.......................................................................................................................... 13

1-5- اهداف و نوآوری ها....................................................................................................  14

1-6- فرض ها و فرضیه های تحقیق..................................................................................  14

1-7- ساماندهی پایان نامه...................................................................................................  15

1-7-1- نمودار مراحل انجام کار در این تحقیق................................................................  16

فصل دوم: معرفی روش های سنتی و نوین تحلیل/ طراحی سازه های فولادی و برخی عوامل بوجود آورنده رفتار غیرخطی سازه ها

2-1- مقدمه............................................................................................................................  21

2-2- تحلیل/ طراحی ارتجاعی مرتبه ی اول سازه، با ضرایب K...................................  21

2-3-  تحلیل/طراحی ارتجاعی مرتبه ی دوم سازه بدون ضرایب K..............................  23

2-4- روش های گوناگون تحلیل پیشرفته.........................................................................  24

2-4-1- روش مفصل ارتجاعی- خمیری...........................................................................  25

2-4-2- روش مفصل خمیری اصلاح شده........................................................................  26

2-4-3- روش تحلیل ناحیه ی خمیری (روش تحلیل غیرارتجاعی مرتبه دوم ناحیه

خمیری)...................................................................................................................................  26

2-5- روش تحلیل غیرارتجاعی مرتبه دوم کاربردی (روش تحلیل پیشرفته کاربردی)................................................................................................................................  27

2-5-1- عامل های بوجود آورنده اثرهای غیرخطی در قابهای فولادی........................  37

2-5-1-1- جاری شدن مواد...............................................................................................  37

2-5-1-2- اثرهای مرتبه ی دوم........................................................................................  38

2-5-1- 3- توزیع مجدد نیروهای داخلی به سبب شکل گیری مفاصل خمیری...........  43

2-5-1-4- تنش های پسماند..................................................................................................  44

2-5-1-5- نقص های هندسی.................................................................................................  46

2-5-1-6- اتصالات نیمه صلب..............................................................................................  48

2-6- خلاصه فصل...................................................................................................................  49

فصل سوم: تشریح و ارزیابی روش های مختلف تحلیل/ طراحی سازه های فولادی

3-1- مقدمه................................................................................................................................  50

3-2- روش تحلیل/ طراحی ارتجاعی مرتبه اول توصیه شده توسط AISC- LRFD (روش حالات حدی)................................................................................................................................  50

3-2-1- مرور روش AISC-LRFD .....................................................................................  51

3-2-1-1- روابط اندرکنش....................................................................................................... 51

3-2-1-2- ضریب طول موثرK...............................................................................................  51

3-2-1-3- مقاومت خمشی مورد نیاز Mr..............................................................................  53

3-2-1-4- مقاومت ستون Pn...................................................................................................  55

3-2-1-5- مقاومت خمشی Mn................................................................................................  56

3-2-2- مثال قاب فولادی یک طبقه بدون مهاربندی..............................................................  58

3-2-2-1- شکلبندی سازه........................................................................................................  58

3-2-2-2- تحلیل........................................................................................................................  59

3-2-2-3- کنترل کفایت اعضا.................................................................................................  60

3-2-3- مشکلات استفاده از روش AISC-LRFD.............................................................  64

3-2-3-1- ضرایب طول موثر.................................................................................................  64

3-2-3-2- کنترل ظرفیت عضو منفرد....................................................................................  65

3-3- روش تحلیل/ طراحی ارتجاعی مرتبه دوم توصیه شده توسط AISC-LRFD

(روش تحلیل مستقیم)................................................................................................................  67

3-3-1- طراحی تیر- ستون با طول مهار نشده ی عضو، توسط روش AISC-LRFD. 68

3-3-2- روش تحلیل مستقیم با بار مجازی (DAM-NL Method)................................. 69

3-3-2-1- کاربرد روش DAM-NL برای تحلیل قاب فولادی...........................................  69

3-3-2-2- رهنمودهای طراحی................................................................................................  70

3-3-2-3- مثال قاب مهاربندی نشده......................................................................................  71

3-3-3- روش تحلیل مستقیم با سختی اصلاح شده(روشDAM-MS)............................  73

3-3-3-1- کاربرد روش DAM-MS در تحلیل قاب های فولادی......................................  73

3-3-3-2- رهنمود های طراحی...............................................................................................  74

3-3-3-3- مثال قاب مهاربندی نشده یک طبقه.......................................................................  75

3-3-4- مشکلات استفاده از روش تحلیل مستقیم.................................................................  77

3-3-4-1- تعیین راستای بارهای مجازی..............................................................................  77

3-3-4-2- اثرهای ستون ضعیف............................................................................................  77

3-4- روش تحلیل غیرارتجاعی مرتبه دوم ناحیه خمیری....................................................  78

3-4-1- تئوری حاکم بر روش تحلیل ناحیه خمیری.............................................................  79

3-4-2- روش های عددی برای تحلیل غیرخطی سازه ها...................................................  80

3-4-3- مثال قاب فولادی یک طبقه بدون مهاربندی.............................................................  84

3-4-3-1- مدل سازی سازه در ANSYS...........................................................................  84

3-4-3-2- حل مدل و تفسیر نتایج خروجی..........................................................................  87

3-4-4- مشکلات استفاده از تحلیل ناحیه خمیری.................................................................  91

3-4-5- اصول تحلیل/ طراحی با استفاده از شیوه های تحلیل غیرارتجاعی مرتبه دوم..  92

3-4-5-1- شرایط بارگذاری....................................................................................................  94

3-4-5-2- ابعاد اولیه مقاطع اعضا..........................................................................................  94

3-4-5-3- مدل سازی جزء ها.................................................................................................  94

3-4-5-4- کنترل برای حالت حدی بهره برداری...................................................................  95

3-4-5-5-  تعیین بارهای نموی..............................................................................................  95

3-4-5-6- کنترل های کمانش موضعی..................................................................................  96

3-4-5-7- اصلاح و تعدیل ابعاد مقاطع اعضا........................................................................  96

3- 5- خلاصه.............................................................................................................................  96

فصل چهارم: مطالعات عددی انجام شده

4-1- مقدمه..................................................................................................................................  98

4-2- قاب شش طبقه ی "وگل".................................................................................................  99

4-2-1- روش AISC-LRFD.................................................................................................  101

4-2-2- روش تحلیل مستقیم....................................................................................................  103

4-2-2-1- روش بار مجازی (DAM-NL)...........................................................................  103

4-2-2-2- روش سختی اصلاح شده (DAM-MS)............................................................  105

4-2-3- روش تحلیل غیرارتجاعی مرتبه دوم........................................................................  106

4-2-4- مقایسه نتایج تحلیل/طراحی سه روش در قاب وگل...............................................  110

4-3- قاب خمشی بیست طبقه..................................................................................................  110

4-3-1- روش AISC-LRFD................................................................................................  112

4-3-2- روش تحلیل غیرارتجاعی مرتبه دوم........................................................................  114

4-3-4- مقایسه نتایج تحلیل/طراحی دو روش در قاب خمشی بیست طبقه.......................  117

4-4- قاب خمشی- بادبندی ده طبقه.......................................................................................  118

4-4-1- روش AISC-LRFD...............................................................................................  118

4-4-2- روش تحلیل غیرارتجاعی مرتبه دوم......................................................................  122

4-4-3- مقایسه نتایج تحلیل/طراحی دو روش در قاب خمشی- بادبندی ده طبقه..........  124

فصل پنجم: نتیجه گیری.....................................................................................................  125

مراجع......................................................................................................................................  128

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست اشکال

شکل1-1- الگوی تنش- کرنش فولاد

شکل2-1- اندرکنش بین سیستم سازه و اعضای تشکیل دهنده آن

شکل2-2- انواع تحلیل اصلی برای طراحی سازه های فولادی

شکل2-3- روش های تحلیل و طراحی: تحلیل/ طراحی متداول و پیشرفته

شکل2-4- عضو تیر- ستون با گره متحرک

شکل2-5- قاب دوطبقه فولادی تحلیل شده توسط کیم، هو و لی

شکل2-6- تغییرمکان های بام قاب فولادی دوطبقه، برای بررسی اثرات غیرارتجاعی:  (a)زلزله السنترو  (b) زلزله لوما پریتو (c) زلزله نورتریچ و (d) زلزله سن فرناند

شکل2-7- بخش بندی مقطع عرضی بوسیله رشته ها

شکل 2- 8- قطعه بندی نمودن مقاطع عرضی مرکب توسط رشته ها

شکل2-9- صفحه گرافیکی برنامه NIDA

شکل2-10- نمونه ای از یک سازه مدل شده در نرم افزار NIDA

شکل 2- 11- مدلسازی سازه های واقعی در نرم افزار NIDA

شکل 2- 12- تغییر تنش در ارتفاع مقطع تیر- ستون

شکل2-13- اثر P-δ بر ستون های مهاربندی شده

شکل2-14- اثر P-Δ بر ستون های مهار بندی نشده

شکل 2- 15- عضو تیر- ستون با تغییر مکان جانبی

شکل2- 16- روند تشکیل مفاصل خمیری در تیر با انتهای گیردار

شکل2- 17- الگوهای تنش پسماند، نیمرخ های I شکل

شکل2- 18- الگوی نقص های هندسی عضو

شکل 2- 19- تغییرشکل دورانی اتصال نیمه صلب

شکل 3-1- قاب فولادی مهاربندی نشده ی یک طبقه

شکل 3-2- روش AISC-LRFD برای قاب مهاربندی نشده ی یک طبقه

شکل 3-3- نیروها و لنگرهای اعضای قاب، تعیین شده توسط یک تحلیل مرتبه ی اول

شکل 3-4- قاب با ستون های ضعیف

شکل 3- 5- تیر- ستون طره

شکل 3- 6- نمودار مقاومت محوری و خمشی موردنیاز (تشدید یافته) اعضای قاب مهاربندی نشده یک طبقه، تعیین شده از یک تحلیل ارتجاعی مرتبه ی دوم

شکل3-7- نمودار نیروهای محوری اعضای قاب مهاربندی نشده ی یک طبقهتعیین شده از تحلیل ارتجاعی مرتبه ی اول

شکل 3- 8- مدل سازی قاب در روش تحلیل ناحیه خمیری

شکل 3-9- روش نیوتون- رفسون- مرحله اول

شکل 3-10- روش نیوتون- رفسون- مرحله دوم

شکل3-11- روش نیتون- رفسون افزایشی

شکل3-12- روش نیوتن- رفسون با سختی اولیه

شکل 3- 13- الف الی ه مقادیر بارگذاری در گام های مختلف، ر- مش بندی سازه در ANSYS

شکل 3- 14- مش بندی و مشخصات مقاطع، در نرم افزار  ANSYS

شکل3- 15- الگوی فرض شده برای نمودار تنش- کرنش فولاد در نرم افزار ANSYS

شکل 3- 16- نمودار ضریب بار- تغییرمکان جانبی، در قاب یک طبقه مهاربندی نشده

شکل 3- 17- نمودار ضریب بار- تغییرمکان، در قاب یک طبقه ی مهاربندی نشده

شکل 3- 18- تنش در جزءهای سازه در گام های مختلف (نواحی خمیری با رنگ روشنتر مشخص می باشند)

شکل 3- 19- روند تحلیل و طراحی در روش های تحلیل پیشرفته

شکل 4-1-  قاب شش طبقه وگل

شکل 4-2- لنگر داخلی اعضای قاب وگل

شکل 4-3- نسبت روابط اندرکنش برای اعضای قاب وگل در روش AISC-LRFD

شکل4- 4- نسبت روابط اندرکنش برای اعضای قاب وگل در روش DAM-NL

شکل 4- 5- نسبت روابط اندرکنش برای اعضای قاب وگل در روش DAM-MS

شکل4-6- مدل سازی و بارگذاری سازه در نرم افزار ANSYS

شکل4- 7- نمودار ضریب بار- تغییرمکان جانبی گره A

شکل 4- 8- تنش های قائم در اعضای قاب وگل در گام های مختلف

شکل 4- 9- قاب خمشی بییست طبقه فولادی با بارگذاری فرضی

شکل 4- 10- نمودار لنگر داخلی اعضای قاب خمشی بیست طبقه مهاربندی نشده

شکل 4- 11- نسبت روابط اندرکنش در اعضای قاب خمشی بیست طبقه با ضریب بار یک (AISC-LRFD)

شکل 4- 12- نسبت روابط اندرکنش در اعضای قاب خمشی بیست طبقه با ضریب بار 841/0

                   (AISC-LRFD)

شکل 4-13- مدل سازی قاب خمشی بیست طبقه در نرم افزار ANSYS

شکل 4- 14- نمودار ضریب بار- تغییرمکان جانبی گره 1

شکل 4- 15- تنش های قائم در اعضای قاب خمشی بیست طبقه در گام های مختلف

شکل 4- 16- تغییرمکان جانبی قاب خمشی بیست طبقه در ضریب بار واحد

شکل 4- 17- بارگذاری، مشخصات ابعادی و نوع مقاطع قاب خمشی- بادبندی ده طبقه

شکل 4- 18- نمودار لنگر داخلی اعضای قاب خمشی- بادبندی ده طبقه

شکل 4- 19- نسبت روابط اندرکنش در اعضای قاب خمشی-بادبندی ده طبقه در روش AISC-LRFD

شکل 4- 20- مدلسازی سازه در ANSYS

شکل 4- 21- نمودار ضریب بار- تغییرمکان جانبی گره A

شکل 4- 22- تنش های قائم در اعضای قاب خمشی-بادبندی ده طبقه در گام های مختلف