بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي رفتار ستون هاي دوجداره فولادي پرشده با بتن تحت بارگذاري جانبي
چکيده
استفاده از لوله هاي فولادي پرشده از بتن (CFT) در چند دهه اخير گسترش پيدا کرده است ؛ امروزه نسل تکامل يافته اي از انواع CFT به نام لوله هاي دوجداره فولادي پر شده از بتن (CFDST) به دليل وجود مزايايي که در مقايسه با CFT هاي اوليه دارند، مورد توجه قرار گرفته اند. اين مزايا که در آزمايش هاي متنوع به اثبات رسيده اند، عبارتند از: افزايش مدول مقطع ، افزايش پايداري، وزن کمتر، مقاومت در برابر آتش سوزي و ... عليرغم تمامي تلاش ها، هنوز اطلاعات کم و محدودي درباره رفتار ستون هاي CFDST که تحت بارگذاري جانبي قرار دارند، موجود مي باشد.
در اين تحقيق رفتار سه گروه از ستون ها به طول ٣ متر با استفاده از نرم افزار المان محدود ANSYS مورد بررسي قرار گرفته است . گروه اول شامل سه مقطع متفاوت CFDST (هردو جداره داخلي و خارجي مربع شکل هستند)، CFT و قوطي توخالي فولادي مي باشند؛ که عملکرد آنها تحت بارگذاري جانبي چرخه اي(بارگذاري لرزه اي) مقايسه شده است . نتايج نشان مي دهد که ستون هاي CFDST به خاطر تحمل چرخه هاي بارگذاري بيشتر، رفتار لرزه اي بهتري نسبت به دو ستون ديگر دارند. گروه دوم شامل هفت ستون CFDST با ضخامت هاي مختلف جداره داخلي و خارجي و گروه سوم نيز شامل پنج ستون با مقاومت فشاري بتن متفاومت براي بررسي دقيق تر رفتار اين نوع از ستون ها درنظر گرفته شده است . در نهايت اين نتيجه حاصل مي گردد که استفاده از فولاد با ضخامت بيشتر در جداره خارجي و ضخامت کمتر در جداره داخلي و همچنين کاربرد بتن با مقاومت فشاري متوسط در حدود٤٠ مگاپاسکال ، عملکرد بهينه اين نوع ستون را نتيجه مي دهد.
واژه هاي کليدي : لوله فولادي دوجداره پر شده با بتن ، لوله فولادي پرشده با بتن ، مقاومت ، بار جانبي چرخه اي ، ضخامت جداره
١)مقدمه
ستون هاي مختلط (مرکب ) ترکيبي است از بتن و فولاد، اين ستون ها عموماً به سه روش متداول ساخته مي شوند که عبارتند از ستون هاي بتني حاوي مقطع فولادي(SRC)١، ستون هاي فولادي پر شده با بتن (CFT)٢ و ستون هاي فولادي پر شده با بتن و تقويت شده با مقاطع فولادي(SR-CFT)
شکل ١-١) (الف ) مقطع SRC (ب ) مقطع CFT (پ ) مقطع SR-CFT [١]
ستون فولادي پرشده از بتن (CFT)، نيازي به قالب بندي ندارد، بتن داخل لوله فولادي در پايداري ستون شرکت داشته و لوله فولادي نيز به نوبه خود محصور کنندگي جانبي مؤثري را بر روي بتن دارد که سبب افزايش شکل پذيري و مقاومت ستون مي شود.[١]
در ميان خانواده CFT ستون هاي CFDST٤ داراي مزاياي ديگري علاوه بر موارد فوق مي باشند که از جمله آنها مي توان به وزن سبکتر، سختي خمشي بالاتر، عملکرد چرخه اي بهتر، افزايش مدول مقطع ، افزايش پايداري و مقاومت بالاتر در برابر آتش به خاطر وجود لوله داخلي که توسط بتن محفوظ مي ماند، اشاره کرد. [٢]در شکل ١-٢ نمونه هايي از مقاطع اين نوع ستون ها به نمايش در آمده است .[١]
شکل ١-٢) نمون هايي از مقاطع ستون CFDST [١]
کشور عزيز ما ايران ، بر روي کمربند زلزله آلپ -هيماليا قرار دارد و در طي ساليان گذشته همواره در معرض زلزله هاي ويران کننده قرار داشته است ، که به علت عدم رعايت استانداردهاي ساخت و ساز و کيفيت پايين مصالح به کار رفته ، موجبات تحميل خرابي هاي فراوان و خسارات جاني و مالي قابل توجهي را فراهم نموده است . از اين رو توجه به نسل جديد ستون هاي مرکب در ساخت و سازهاي موجود در ايران داراي اهميت ويژه اي است . مشکل اساسي که در اينجا مطرح است ، اندک بودن مطالعات انجام شده روي ستونهاي CFDST مي باشد. به طور ويژه مطالعات تجربي روي رفتار اين ستونها زماني که در معرض بارگذاري جانبي سيکلي هستند بسيار ناچيز بوده و نيازمند بررسي هاي عميق و وسيعي مي باشد، که هدف اصلي مطالعه حاضر است . در اين بررسي از مدلسازي با نرم افزار ANSYS جهت مطالعه چند پارامتر در ستونهاي CFDST استفاده شده است .
٢)تعيين صحت مدل اجزا محدود
به منظور اطمينان از صحت مدل سازي عناصر محدود، ناگزير از ارزيابي دقت نتايج تحليلي نسبت به آزمايشـگاهي مـيباشـيم . ازاينـرو نتـايج تحليل عددي ستون هاي CFT و CFDST با نتايج آزمايشگاهي موجود مقايسه شده و از درستي مدلسازي، اطمينان حاصل شده است . براي تعيين صحت مدل ستون CFT از نتايج آزمايشگاهي ارائه شده توسط اشنايدر١ و استفن ٢[٣]و بـراي سـتون CFDST از نتـايج آزمايشـگاهي لينگ زائو٣ و رافل جرزب ٤, استفاده شده است [٤].
شکل ٢-١) شرايط تکيه گاهي و الما بندي ستون CFDST در صحت سنجي ANSYS
٣) مفروضات مدلسازي
مواردي که در کليه مدلسازي هاي انجام شده در اين فصل وجود دارد بدين شرح م باشد:
براي درنظرگرفتن اثر بوشينگر و سخت شدگي در بارگذاري سيکلي، در معرفي مصالح از گزينه سخت شوندگي سينماتيک ٥ اسـتفاده شده است . علت استفاده نکردن از مدل چندخطي ايزوتروپيک در اين قسمت به اين علت است که معمولاً اسـتفاده از ايـن مـدل در شرايطي که بار به دفعات بسيار زياد اعمال نميشود، پيشنهاد ميگردد که شامل نمونه هاي ما که تحت بارگـذاري سـيکلي هسـتند نميشود.
منحني تنش -کرنش به کار رفته براي فولاد به صورت الاستو-پلاستيک کامل با شيب قسمت سخت شوندگي برابـر بـا صـفر درنظـر گرفته مي شود.
شرايط تکيه گاهي ستون ها در دو انتها بصورت گيردار بوده و تنها درجه آزادي آن در بالاي ستون و در راستاي X ميباشد.
کليه نمونه ها ابتدا تحت بار محوري ثابتي برابر با ٠.٢ ظرفيت فشاري ستون قـرار گرفتـه انـد و پـس از آن بـار بـه صـورت کنتـرل جابجايي(DISPLACEMENT CONTROL) به گره هاي واقع در راس ستون اعمال شده است . روند بارگذاري تـا زمانيکـه نتايج همگرا باشد ادامه مي يابد و به محض غيرهمگرا شدن نتايج (تلورانس ٠.٥% براي نيرو)، نرم افزار پيام خطا داده و آناليز به پايان مي رسد.
رژيم بار جانبي وارده براي کليه نمونه ها مطابق با ٩٧ SAC [٥] يکسان بوده و در شکل ٣-١ نشان داده شده است . [١]
در مسائلي که بارگذاري متناوب به بتن اعمال ميشود، با قـراردادن ١- بـراي مقاومـت خردشـدگي بـتن از عـدم همگرايـي مسـاله جلوگيري مي شود.. در اينجا نيز در بخش خصوصيات تعريف مصالح براي بتن مقدار اين مقاومت برابر با ١- گذاشته شده است ، در واقع با قراردادن عدد ١- به عنوان ضريب مقاومت خردشدگي تک محوري بتن از قابليت خردشدگي بتن صرفنظر مـيشـود و تنهـا قابليت ترکخوردگي در بتن لحاظ خواهد شد.
شکل ٣-١) تاريخچه تغيير مکان وارد شده به نمونه ها در ANSYS و نماي شماتيک ستون [١]
شک ٣-٢) شرايط تکيه گاهي اعمال شده به نمون ها در ANSYS
٤) مقايسه عملکرد ستون هاي CFDST ،CFT و STEEL BOX تحت بارگذاري جانبي سيکلي
خصوصيات مصالح و ابعاد خارجي در هر سه ستون يکسان بوده و تفاوت آنها در اسـتفاده از بـتن در سـتون هـاي CFT و CFDST و وجـود تيوپ داخلي در ستون CFDST ميباشد. در اين نمونه ها به دليل کوچکتر بودن نسبت عرض به ضـخامت قـوطي فـولادي از خطر کمانش موضعي وجود ندارد.[٦]
نمودار ٤-١) مقايسه مقاومت فشاري سه ستون CFDST ،CFT و STEEL BOX
٤-١) مقايسه جذب انرژي
در نتيجه اين بارگذاري نمونه CFDST هشت سيکل (٤٥ کيلو نيوتن -متر)، نمونه CFT هفت سيکل (٢٩ کيلو نيوتن -متـر) و سـتون قـوطي فولادي پنج سيکل (٩ کيلونيوتن -متر) را تحمل کرد، که اين نشان دهنده عملکـرد خـوب سـتون CFDST تحـت بارگـذاري جـانبي سـيکلي ميباشد.
٤-٢) مقايسه مقاومت تسليم و مقاومت ماکزيمم جانبي
مقادير نيروي ماکزيمم جانبي و نيروي تسليم سه ستون محاسبه شده است . در ستون هاي CFDST مقاومت ماکزيمم ٥١% و مقاومت تسليم ٤١% نسبت به قوطي توخالي افزايش يافته است و اين در حالي است که اين افزايش در ستون CFT به ترتيب ٣٤% و ١٨% ميباشد.
٤-٣) مقايسه شک پذيري
جزئيات پارامتر هاي مورد نياز براي محاسبه ضـريب شـکل پـذيري سـه سـتون مـورد مطالعـه در جـدول ٤-١ آورده شـده اسـت . [٧]ضـريب شکل پذيري قابـل تـوجهي بـوده و نشان دهنده قدرت شکل پذیری زیاد ستون های مرکب در مواجهه با بارگذاری جانبی میباشد .
٥) بررسي تاثیر تغییر ضخامت جداره فولادی روی رفتار ستون های CFDST
براي بررسي اين پارامتر هفت ستون مورد آناليز قرار گرفتند، از اين ٧ نمونه ، سه نمونه براي بررسي تغيير ضخامت جداره ها بـا مقـدار يکسـان مساحت فولاد کل (با رنگ زرد)، مدلسازي شد. به دليل يکسان کردن مساحت سه نمونه آخر، در دو نمونه از ايـن سـه نمونـه ضـخامت جـداره داخلی ، 12.6 و 3.96 میلیمتر استفاده شده است . مشخصات هندسی و خصوصیات مصالح به کار رفته برای این نمونه ها در جدول 5-1 امده است . در نمونه ها به دلیل کوچکتر بودن نسبت عرض به ضخامت قوطی فولادی از خطر کمانش موضعی ورق فولادی وجود ندارد .
٥-١ ) مقايسه جذب انرژي و منحني پسماند
