بخشی از مقاله
بررسي رفتار ستون هاي دوجدارة فولاديِ پر شده با بتن (CFDST)
چکيده :
ستون هاي دوجدارة فولادي که با بتن پر مي شوند (Concrete Filled Double Skin Tubular) از خانوادة ستونهايCFT بشمارمي روندکه از دوجدارة فولادي با مقطع دايره اي يا مربعي تشکيل شده و بصورت هم مرکز مونتاژ مي شوند و بين دوجدارة آن با بتن پر مي گردد. اين ستونها (CFDST) داراي مزايايي از قبيل عدم نياز به قالب بندي براي بتن ريزي، حمل و مونتاژ سريع وحفاظت سطح بتن از آسيب مي باشند.اين ستونها در سازه هاي فراساحلي، پايۀ پلهاي با دهانه هاي بزرگ ، مجراهاي هسته اي در نيروگاهها مورد استفاده قرارگرفته و اخيرًا نيز در اسکلت سازه هاي بلند مرتبه در ژاپن بکار رفته است .در مطالعۀ حاضر رفتار اين نوع جديد ازستونها بااستفاده از روش عناصر محدود وبه کمک نرم افزار ٨.ANSYS V بررسي شده است . جهت اطمينان ازصحت مدلسازي عناصرمحدود، نتايج تحليل هاي عددي ستون هاي (CFDST) با نتايج آزمايشگاهي موجود مقايسه شده و از درستي مدلسازي، اطمينان حاصل شده است . همچنين اثر پارامترهاي مختلف موثر از جمله لاغري ستون ، مشخصه هاي هندسي مقطع ، مشخصه هاي مقاومتي مصالح بکار رفته مورد بررسي قرارگرفته است . نتايج تحقيق حاضر نشان مي دهندکه اين ستونها نسبت به ستونهاي CFT داراي شکل پذيري و ظرفيت تحمل بار بيشتري بوده و نسبت به ستونهاي CFT سبکتر ونسبت به ستونهاي فولادي و بتني اقتصادي تر مي باشند.
کليد واژه : ستون دوجداره پرشده با بتن (CFDST)، بتن ، عناصر محدود، CFT، شکل پذيري، مقاومت .
١- مقدمه
رواج استفاده از ستون هاي مرکب (Composite Column) به سال هاي خيلي دور بر ميگردد.بسته به نحوة ترکيب دو ماده فولاد و بتن ، ستون هاي مرکب به دو دسته تقسيم مي شوند،(١) ستون هاي فولادي محبوس شده در بتن ، (٢)ستون هاي فولادي پر شده با بتن (CFT).[١] ستون هاي CFDST نيز از خانوادة ستون هاي CFT بوده که در اين زمينه مطالعاتي توسط محققيني از جمله Elchalakani،Wei و همکارانش ، Yagishita،Zhao و همکارانش انجام شده است که تمام آزمايش هاي انجام شده بر روي ستون هاي CFDST محدود به نمونه ها با مشخصات هندسي با ابعاد کوچک بوده و به علت سختي کار، بررسي تجربي و آزمايشگاهي تمام پارامترهاي تأثيرگذار بر روي رفتار اين ستون ها مقرون به صرفه نبوده است از طرفي بررسي دقيق تر اثر پارامترهاي مختلف بر روي رفتار اين نوع ستون ها با ابعاد واقعي جهت درک بهتر رفتار کمانشي، پس کمانشي و رفتار ناپايداري آنها ضروري بوده و هدف اصلي مطالعۀ حاضر مي باشد. لذا در اين تحقيق نمونه هايي با ابعاد واقعي و بزرگ مقياس و تحت تأثير پارامترهاي مختلف از جمله مشخصات هندسي نظير قطر و ضخامت جداره ها، مشخصه هاي مقاومتي نظير تنش تسليم جداره ها و مقاومت فشاري بتن پرکننده مورد بررسي قرار گرفته است . شکل ١ مقطع و مشخصات هندسي که براي تعريف اين مقطع بکار مي رود نشان داده شده است .
شکل ١ : مقطع ومشخصات هندسي نمونه با مقطع دايره اي در خارج و در داخل
٢- مدل سازي عناصر محدود و بررسي صحت آن
مطالعۀ رفتار سازه ها با روشهاي مختلفي از قبيل روش هاي تجربي و نظري امکان پذير است .
يکي از روشهاي مناسب که به دليل سرعت و دقت بالا و هزينه کم ، نسبت به ساير روشها رواج بيشتري دارد، روش عناصر محدود مي باشد. لکن صحت مدل سازي عناصر محدود مورد استفاده بايد در مقايسه با مدلهاي آزمايشگاهي و نيزمدلهاي نظري تأييد شود تا بتوان از آن در جهت بررسي سازه هاي مورد نظر بهره گرفت . در مدل سازي عناصر محدود رفتار خرابي ستون هاي دوجدارة فولادي پر شده با بتن از عناصر زير استفاده شده است :
- هسته بتني بوسيله المان شش وجهي هشت گرهي ٦٥ SOLID و با سه درجه آزادي انتقالي در هر گره تعريف مي شود. مصالح از نوع بتن با قابليت ترک خوردگي در سه امتداد متعامد در اثر کشش و شکست تحت اثر تنشهاي فشاري و نيز تغيير شکلهاي پلاستيک ميباشد.
- جدارة فلزي توسط المان ٤٥ SOLID تعريف شده است ، که همچون المان ٦٥ SOLID، بـا هشت گره و سه درجه آزادي در هر گره تعريف مي شود و همخواني مناسبي با سـاير المانهاي بکار رفته در مدل کردن ستون هاي CFDST دارد.
- اصطکاک و لغزش بين فولاد و هسته بتني توسط المان تماسي گره به گره ٥٢ CONTACT مدل مي گردد. اين المان قابليت انتقال برش در دو جهت متعامد و فشار را دارد.[٢]
به منظور اطمينان از صحت مدل سازي عناصر محدود، ناگزير از ارزيابي دقت نتايج تحليلي نسبت به نتايج آزمايشـگاهي مي باشيم . از اينرو نتايج تحليل هاي عددي ستون هاي (CFDST) با نتايج آزمايشـگاهي موجود مقايسـه شده وازدرستـي مدل سازي، اطمينان حاصل شده است . مشخصـات ابعاد و مصالح بکار رفته توسط Zhao و همکارانش براي ساخت نمونه ها درجدول ١ آورده شده است .
نمـودار بار- تغيير مکان براي نمونه هاي آزمايشـگاهي ذکر شده در جدول ١ به همـراه نتايج تحليلي در شکل ٢ و شکل ٣ نشان داده شده است .
نمودارهاي مذکور در دو مدل نشان مي دهد که با توجه به خطاهاي آزمايشگاهي و ميزان دقت وسايل اندازه گيري، مدل عناصر محدود از دقت مناسبي برخوردار است . بنابراين از مدل ساخته شده مي توان در مطالعات پارامتريک رفتار خرابي ستون هاي CFDST بهره جست .کمانش پوستۀ خارجي از نوع دندانه اي و بسوي خارج مي باشد که در قسمت (a) از شکل ٤ شکل کمانش کردة جدارة خارجي نمونۀ آزمايشگاهي و در قسمت (b) شکل کمانش کردة جدارة خارجي از نمونۀ تحليلي نشان داده شده است .
در شکل ٥ کمانش موضعي پوستۀ داخلي در نمونۀ cca٢ بعد از برداشتن قسمت بتني در نمونۀ آزمايشگاهي و تحليلي نشان داده شده است ، که از نوع دندانه اي و بسوي داخل مي باشد. شکل هاي ٤و ٥ نشان دهندة صحت کمانش هاي موضعي دوجدارة فولادي درتحليل با نرم فزار و دقت مناسب آن ميباشد.
٣- بررسي نتايج تحليلي
١.٣- اثر مشخصه هاي مقاومتي فولاد مصرفي
يکي از پارامترهاي مهم در بررسي رفتار سازه اي ستون هاي CFDST اثر مشخصه هاي مقاومتي مصالح مصرفي نظير تنش تسليم در جداره هاي فولادي و مقاومت فشاري بتن پرکننده مي باشد.
مشخصات نمونه ها جهت بررسي اثر تنش تسليم جداره ها در جدول ٢ آورده شده است . لازم به ذکر است که نمونه هاي مشابهي با همان مشخصات هندسي با نام MSO نيز تعريف شده است که ، تنش تسليم در جدارة داخلي و خارجي برعکس نمونه هاي MSI مي باشد.
اثر تنش تسليم جداره ها بر روي شکل پذيري و ظرفيت باربري در ستون هاي کوتاه با ارتفاع mm ٧٥٠ در شکل ٥و در ستون هاي بلند با ارتفاع mm ٣٠٠٠ در شکل ٦ نشان داده شده است . با توجه به نتايج مشخص است که با افزايش تنش تسليم در
