بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي تأثير فشردگي جداره بر استفاده از سخت کننده طولي در ستون هاي CFT تحت بار چرخه اي جانبي
خلاصه
استفاده از سخت کننده در ستون هاي فولادي پر شده با بتن (CFT) با جلوگيري از کمانش موضعي جداره ستون در محل هاي بحراني باعث افزايش مقاومت جانبي اين ستون ها در مقابل بارهاي جانبي ميشود. با توجه به اينکه بار بحراني ورق جداره ستون تابعي از ميزان فشردگي جداره است ، ميزان اثر بخشي استفاده از اين سخت کننده ها در افزايش بار بحراني کمانشي و متناظر آن بار جانبي ستون ، به نسبت عرض به ضخامت جداره وابسته ميباشد. در اين تحقيق ميزان اين تأثير بر رفتار جانبي ستون هاي CFT با استفاده از شبيه سازي به روش اجزاء محدود مورد بررسي قرار گرفته شده است . با افزايش نسبت عرض به ضخامت جداره فولادي در اين ستون ها تأثير استفاده از سخت کننده در بهبود خصوصيات رفتاري ستون به ميزان قابل ملاحظه اي افزايش مييابد. بر اساس اين بررسي محدوده فشردگي ورق جداره که در آن استفاده از سخت کننده موثر ميباشد، تعيين شده است .
کلمات کليدي: ستون هاي CFT، نسبت عرض به ضخامت ورق ، روش اجزاء محدود.
١. مقدمه
ستون هاي فولادي پر شده با بتن (CFT)، در دو دهه ي گذشته در ساختمان هاي بلند و صنعتي، پل ها، اسکله ها و نيز شمع ها رواج زيادي پيدا کرده است .
دليل اين مطلب را ميتوان در مواردي از قبيل مقاومت خوب در مقابل آتش سوزي، کاهش هزينه هاي ساخت از طريق ترکيب مناسب مقطع فولادي و بتني، کاهش حجم بتن ريزي، استفاده از فولاد به عنوان قالب براي بتن ، مقاومت خوب و مناسب در انواع بارگذاري خصوصاً بارگذاري لرزه اي، شکل - پذيري بالا، قابليت جذب انرژي، کاهش وزن سازه به دليل کاهش در ابعاد مقطع ، زمان ساخت کمتر و موارد گوناگون ديگر جستجو کرد [١-٣].
از زماني که استفاده از اين ستون ها آغاز شد، يکي از دغدغه هاي محققين بررسي انواع روش هاي تقويت اين نوع ستون ها بوده است و روش هاي مختلفي نيز براي اين منظور به کار برده شده است . استفاده از الياف فولادي در بتن مورد استفاده در اين ستون ها باعث افزايش شکل پذيري و بهبود مقاومت خمشي اين ستون ها ميشود ولي تأثير اندکي بر مقاومت کششي و فشاري آن ها دارد [٤-٦]. استفاده از بتن با مقاومت بالا با وجود اينکه مقاومت نهايي مقطع را افزايش ميدهد ولي به شدت شکل پذيري و جذب انرژي را کاهش ميدهد و استفاده از آن در مناطق لرزه خيز به هيچ وجه توصيه نميشود[٧]. به منظور بهبود خاصيت محصور کنندگي فولاد بر روي بتن و جبران اثرات گوشه در ستون هاي مربعي استفاده از سخت کننده هاي طولي، گل ميخ هاي برشي و ميلگردهاي گوشه و کلاف بيشترين تأثير را دارند. همچنين براي جلوگيري از کمانش جداره ، سه روش نصب سخت کننده هاي طولي، نصب صفحات CFRP و ميلگردهاي کلاف توصيه ميشوند [٦, ٨-١١]. در اين ميان استفاده از سخت کننده طولي به دليل مزاياي آن از جمله به تعويق انداختن کمانش موضعي جداره فولادي و افزايش محصور شدگي که منجر به افزايش جذب انرژي و شکل پذيري در برابر بارهاي جانبي ميشود، روش مطلوبي به حساب مي آيد.
ميزان تأثير سخت کننده طولي بر رفتار ورق جداره فولادي ستون هاي CFT تابعي از ميزان فشردگي ورق جداره آن است . به اين معني که تغيير نسبت عرض به ضخامت ورق جداره باعث تغيير بار کمانشي آن ميشود که عامل مهمي در تعيين مقاومت جانبي اين ستون ها است . اين موضوع باعث تغيير ميزان اثرگذاري سخت کننده بر رفتار جانبي اين ستون ها، به خصوص تحت بارهاي چرخه اي ميشود. اين عامل در بسياري از تحقيقات مغفول مانده است . در اين تحقيق به بررسي اثر اين عامل بر ميزان اثربخشي نسبت فشردگي ورق جداره در استفاده از سخت کننده در اين ستون ها تحت بار جانبي چرخه اي پرداخته شده است .
٢. مدل سازي عددي به روش اجزاء محدود و صحت سنجي نتايج
ستون هاي مورد بررسي در اين تحقيق نسبت به صفحه اعمال بار داراي تقارن ميباشند. به منظور کاهش در زمان تحليل ها، با در نظر گرفتن شرايط مرزي مناسب و استفاده از اين تقارن ، تنها نصف مقطع ستون ها در مدل سازي اجزاء محدود در نظر گرفته شده است . در مدل سازي هسته بتني و جداره فولادي از المان هاي شش وجهي با انتگرال گيري کامل (CD٣٨) که در هر گره داراي سه درجه آزادي انتقالي ميباشد، استفاده شده است . در محل تماس بين پوسته فولادي و هسته بتني رفتار مماسي اصطکاکي کلمب با ضريب اصطکاک برابر ٠.٢ (بر اساس تحقيقات گذشته ) [١٢]. در کتابخانه مصالح از پيش تعريف شده ي نرم افزار، مدل رفتاري بتن آسيب ديده خميري ١ جهت مدل سازي بتن پرکننده داخل مقطع مورد استفاده قرار گرفته است . همچنين براي تعيين پارامترهاي فشاري و کششي بتن از منحني تنش -کرنش بتن مطابق شکل (١) استفاده شده است [١٣]. مصالح فولادي در بارگذاري چرخه اي با منحني دو خطي مطابق شکل (١) با رفتار سينماتيک در نظر گرفته شده است [١٤].
براي آنکه ارزيابي درستي از صحت مدل سازي انتخابي داشته باشيم ، نتايج حاصل از تحليل با نتايج نمونه هاي آزمايشگاهي مورد مقايسه قرار داده شده است . در جدول (١)، ابعاد نمونه ها جهت بررسي صحت سنجي مدل سازي با مطالعات آزمايشگاهي Han و همکاران ارائه شده است [١٥]. در شکل (٢) جزئيات شماتيک مقاطع نشان داده شده است . نمونه ها تحت بار محوري ثابت و جابجايي چرخه اي جانبي طبق الگوي موجود در شکل (٣) قرار دارند. تفاوت دو نمونه با يکديگر در مقدار نيروي محوري ثابت ميباشد. شرايط مرزي به صورت ستون با دو انتهاي مفصلي بوده که جابجايي جانبي توسط جکي در طول ١٥٠ ميلي متر وسط ستون اعمال ميشود و طول نمونه ها ١,٥ متر ميباشد.
در شکل (٤) منحنيهاي بار جانبي- تغيير مکان جانبي در وسط نمونه هاي ٣-S١٢٠ و٤-S١٢٠ نشان داده شده است . همان طور که در شکل (٤) مشخص است ، نتايج حاصل از مدل سازي عددي با استفاده از نرم افزار ABAQUS، نتايج آزمايشگاه ، همراه با حل تحليلي آن [١٥]، مورد مقايسه قرار گرفته است . همچنين در شکل (٥) مد خرابي نمونه ها براي فولاد در حالت آزمايشگاهي و مدل سازي نشان داده شده است . با مشاهده نتايج بر اساس مطالعات آزمايشگاهي، نتايج تحليلي و مدل سازي المان محدود ميتوان دريافت که نتايج مدل سازي المان محدود انطباق خوبي با نتايج آزمايشگاهي دارد.
٣. نمونه هاي مورد بررسي
اثر ضريب فشردگي ورق ها با شرايط مرزي مختلف بر روي مقاومت فشاري مقاطع ساخته شده با ورق در آيين نامه هاي فولاد با دسته بندي آن ها به صورت مقاطع غير فشرده ، فشرده ، و فشرده لرزه اي در نظر گرفته شده است . اين مرزهاي تعيين شده براي نسبت عرض به ضخامت با شرايط مرزي مختلف در واقع تعيين کننده وضعيت تنش و کرنش در مقطع در لحظه کمانش اوليه ميباشند. به اين معني که مرز غير فشرده در واقع مرز بين کمانش موضعي الاستيک و غير الاستيک ورق ميباشد و ساير حالات نيز محدوده کرنش غير الاستيک در لحظه کمانش را نشان ميدهد. مقاطع فشرده لرزه اي قبل از رخ دادن کمانش موضعي در ورق ، کرنش هاي غير الاستيک قابل توجهي را تحمل مينمايند. اين موضوع از اينجا داري اهميت است که در ستون هاي فولادي پر شده با بتن تحت بارهاي جانبي نيز عموماً کمانش موضعي ورق جداره حاکم بر رفتار اين ستون ها ميباشد. اضافه نمودن سخت کننده به جداره فولادي اين ستون ها بروز کمانش موضعي در جداره را به تعويق مياندازد و در واقع باعث تغيير مود کمانش ورق جداره ميشود. افزايش ضخامت جداره فولادي و در واقع کاهش نسبت عرض به ضخامت ورق به دليل به تعويق افتادن کمانش ، باعث کاهش تأثير سخت کننده بر رفتار جانبي اين ستون ها ميشود.
براي بررسي اين موضوع در اين مقاله دو دسته ستون CFT با ابعاد مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است . هندسه و مقطع نمونه هاي مورد مطالعه در شکل (٦) نشان داده شده است . نمونه هاي مورد مطالعه همگي تحت بار محوري به ميزان ٣٠% ظرفيت محوري ستون در حالت بدون سخت کننده قرار دارند. ظرفيت محوري ستون طبق رابطه ي ارائه شده توسط محاسبه شده است . در اين رابطه سطح مقطع فولاد مصرفي در جداره ، تنش تسليم فولاد، سطح مقطع بتن و′ مقاومت نمونه استاندارد استوانه اي بتن مصرفي ميباشد. اين نمونه ها همزمان تحت بارگذاري چرخه اي جانبي به صورت کنترل تغيير مکان در انتهاي ستون بر اساس ATC٢٤ مطابق شکل (٧)، قرار گرفته است [١٦].
مشخصات نمونه هاي مختلف و ابعاد سخت کننده مورد استفاده ، در دو دسته ستون مورد مطالعه در جدول (٢) نشان داده شده است . دسته اول با بعد خارجي ٣٠٠ ميلي متر و ارتفاع ٣ متر و دسته دوم با بعد خارجي ٤٠٠ ميلي متر و ارتفاع ٤ متر ميباشد. همچنين در جدول (٣) نسبت عرض به ضخامت در هر مدل و نسبت هاي عرض به ضخامت جداره تعيين شده براي مرزهاي مختلف فشردگي توسط آيين نامه AISC نشان داده شده است .
روابط (١) تا (٣) حداکثر نسبت پهنا به ضخامت به ترتيب مرزهاي غير فشرده ، فشرده ، و فشرده لرزه اي را نشان ميدهد.
در اين روابط fy و E به ترتيب تنش تسليم و مدول الاستيسيته جداره فولادي و سخت کننده است . همچنين B و t بعد خارجي مقطع و ضخامت جداره ميباشد. در جدول (٢)، Ec مدول الاستيسيته بتن ، H ارتفاع نمونه ، B عرض سخت کننده و ts ضخامت سخت کننده ، n نسبت بار محوري اعمالي به ظرفيت محوري ستون ميباشد. ساير پارامترها قبلاً توضيح داده شده است . در نام گذاري نمونه هاي جدول (٢)، U و S اول نام نمونه ها به ترتيب نشان دهنده بدون سخت کننده و با سخت کننده بودن نمونه ها را نشان ميدهد و عدد انتهاي نام نمونه نشان دهنده ضخامت جداره ميباشد.
٤. بررسي و تفسير نتايج
نمونه هاي ذکر شده در قسمت قبل با استفاده از شبيه سازي در نرم افزار ABAQUS تحت بارهاي چرخه اي مورد تحليل قرار داده شدند. منحني بار-تغيير مکان جانبي انتهاي اين نمونه ها و پوش آن ها در اشکال (٨) و (٩) نشان داده شده است . معيار توقف در نظر گرفته شده براي پايان تحليل ، افت مقاومت جانبي به ميزان ٢٥% حداکثر مقاومت جانبي ستون در نظر گرفته شده است و در واقع رفتار ستون تحت بار جانبي فراتر از اين نقطه از نظر سازه اي ارزشمند نميباشد. در شکل (١٠) نحوه المان بندي و شکل تغييرشکل يافته نمونه مدل سازي شده ، نشان داده شده است .
