بخشی از مقاله
بررسي رفتار ستون هاي فولادي پرشده با بتن و تقويت شده با مقاطع فولادي (SR-CFT) تحت بارگذاري محوري خارج از مرکز
خلاصه
نوع جديدي از ستون هاي مرکب فولادي - بتني ، ستون هاي فولادي پر شده با بتن و تقويت شده با مقطع فولادي مي باشند که به اختصار SR-CFT ناميده مي شوند. در اين مقاله با استفاده از روش عناصر محدود به بررسي رفتار اين نوع جديد از مقاطع مرکب تحت بارگذاري محوري خارج از مرکز پرداخته شده است . از نتايج بدست آمده روابطي براي تخمين منحني اندرکنش بار محوري - لنگر اين ستون ها ارايه شده و توصيه هايي براي طراحي اين مقاطع تحت بارگذاري محوري خارج از مرکز پيشنهاد گرديده است .
کلمات کليدي : ستون هاي مرکب ، ستون هاي CFT، بارگذاري محوري خارج از مرکز، ستون هاي SR-CFT
مقدمه
ستون هاي مرکب عمدتاً به دو روش متداول ساخته مي شوند. در روش اول ستون هاي فولادي با بتن پر مي شوند(CFT) و در روش دوم ستون هاي فولادي در بتن مدفون مي گردند(SRC). در حالت ستون هاي فولادي مدفون در بتن ، هسته فولادي مي تواند مقاومت برشي ستون را بهبود بخشد.
پوشش بتني، هسته فولادي را در مقابل هر دو کمانش موضعي و کلي مقاوم تر مي سازد[ ]. پوشش بتني همچنين حفاظي در مقابل خوردگي در برابر مواد شيميائي و يک عايق در برابر افزايش سريع دما در حضور آتش را تامين مي نمايد. عيب اصلي ستون هاي فولادي مدفون در بتن اين است که يک قفسه تقويتي به منظور جلوگيري از پوسته شدن پوشش بتني در سطوح پايين بار لازم است . بنابراين ، ستون هاي فولادي مدفون در بتن به يک قالب بندي گسترده در حين ساخت ، بويژه در اتصالات تير به ستون ، احتياج دارند. از طرف ديگر، ستون هاي CFT احتياجي به قفسه تقويتي و قالب بندي ندارند. بتن داخل لوله فولادي در پايداري لوله فولادي شرکت داشته ، و لوله فولادي به نوبه خود محدود کنندگي جانبي موثري را بر روي بتن دارد. اين نوع محبوس شدگي پيوسته مي تواند شکل پذيري و مقاومت بتن با مقاومت عادي و بالا را بهبود بخشد[٢ ٣]. اساسي ترين عيب ستون هاي CFT اين است که لوله فولادي بدون پوشش بوده ، بنابراين منجر به يک مقاومت پايينتر در برابر آتش در مقايسه با ستون هاي فولادي مدفون در بتن مي شود.
با ايجاد يک مقطع جديد که ترکيبي از هر دو مقطع مي باشد، يعني قراردادن يک مقطع فولادي تقويتي در داخل يک ستون (CFT)، ميتوان تا حدودي معايب هر دو نوع مقطع را رفع نمود و در عين حال از مزاياي هر دو بهره گرفت . اين ستون ها به ستون هاي فولادي پرشده با بتن و تقويت شده با مقطع فولادي (SR-CFT) مشهور هستند.
در شکل (١) نحوه ترکيب و شکل گيري اين نوع جديد ستون ها نشان داده شده است .
مدلسازي عناصر محدود و بررسي صحت آن
براي مطالعه رفتار يک عضو يا يک سازه مي توان از دو روش آزمايشگاهي يا مدلسازي عناصر محدود استفاده نمود. بديهي است که مطلوب ترين روش بررسي رفتار سازه ها، مطالعات تجربي آزمايشگاهي مي باشد. ولي در صورت کمبود امکانات مي توان از مدلسازي عناصر محدود استفاده نمود به شرط اينکه مدلسازي مذکور صحت سنجي شود. در اين مطالعه نيز براي مدلسازي عناصرمحدود از نرم افزار ٩.٠ ANSYS استفاده شده است . بدين منظور براي مدلسازي ستون هاي CFT و SR-CFT از المان هاي زير استفاده شده است :
- براي مدل کردن پوسته فولادي و مقطع فولادي ساختماني از المان ٤٥ SOLID استفاده شده است . اين المان شش وجهيِ هشت گرهي با سه درجه آزادي انتقالي در هر گره تعريف مي شود و داراي قابليت هاي اعمال تغييرشکل هاي پلاستيک ، خزش ، تورم ، سخت شدگي تنش ، تغييرشکلها و کرنش هاي بزرگ بوده و همخواني مناسبي با ساير المان هاي بکار رفته در مدل کردن ستون هاي CFT وSR-CFT دارد[٤].
- براي مدل کردن تماس بين پوسته فولادي و بتن هسته ، از المان اصطکاکي سه بعدي گره به گره ٥٢ CONTACT استفاده شده است [٤ .
- براي مدل کردن هستۀ بتني از المان سه بعدي ايزوپارامتريک ٦٥ SOLID استفاده شده است . اين المان شش وجهيِ هشت گرهي با سه درجه آزادي انتقالي در هر گره تعريف مي شود. مصالح اعمالي از جنس بتن با قابليت ترک در تنشهاي کششي و شکست در تنشهاي فشاري در سه جهت متعامد و نيز تغييرشکلهاي پلاستيک مي باشد[٤].
در جدول (١) مشخصات هندسي و مصالح ستون CFT تعيين صحت شده با ANSYS ارايه شده است .
درجدول (٢) نيز مشخصات هندسي و مصالح ستون SR- CFT تعيين صحت شده با ANSYS ارايه شده است . همچنين در شکل (٢) سطح مقطع ستون SR-CFT نشان داده شده است .
جدول ٢- مشخصات هندسي و مصالح ستون هاي SR-CFT تعيين صحت شده با ANSYS [٥].
نمودارهاي مقايسه اي نتايج تحليلي و آزمايشگاهي در اشکال (٣ ٤) ارائه شده است . چنانکه مشاهده مي شود مدل انتخاب شده از دقت کاربردي برخوردار بوده و قابل تعميم به ساير اشکال و خصوصيات مقطع مي باشد. اختلاف جزئي که در بين نمودارهاي هر يک از نمونه ها ملاحظه مي شود از خصوصيات يک مسئله با تقريب سازي عددي است . همچنين اختلاف در مقاومت و رفتار بتن و فولاد در عمل ، محدود کردن تغييرشکل ها به منظور دست يابي به همگرائي و نيز وجود ناکاملي هاي جزئي در نمونه هاي واقعي مي توانند باعث ايجاد اين اختلاف شوند
بررسي رفتار ستون هاي فولادي پر شده با بتن و تقويت شده با مقطع فولادي(SR-CFT) تحت بارگذاري خارج از مرکز با استفاده از مدلسازي عناصر محدود با توجه به صحت سنجي صورت گرفته ، اکنون مي توان با استفاده از مدلسازي عناصر محدود به بررسي رفتار ستون هاي فولادي پر شده با بتن و تقويت شده با مقطع فولادي تحت بارگذاري خارج از مرکز پرداخت . بدين منظور چهار نوع ستون دايره اي با مشخصات ارايه شده در جدول ٣) مورد بررسي قرار گرفتند. در ابتدا ستون C-CFT مورد تحليل قرار گرفت . سپس سه نوع ستون SR-CFT با مقاطع mi ٢٠٠ CB،mj ٢٠٠ CB و C-Cross مورد تحليل قرار گرفتند. شايان ذکر است که مقطع mi ٢٠٠ CB بيانگر ستون CFT دايره اي تقويت شده با ٢٠٠ IPB بوده که حول محور ضعيف ١ِ مقطع فولادي تقويتي تحت خمش قرار مي گيرد و مقطع mj CB٢٠٠ نشانگر ستون CFT دايره اي تقويت شده با ٢٠٠ IPB مي باشد که حول محور قوي٢ِ مقطع فولادي تقويتي تحت خمش قرار دارد، و هدف از انتخاب آنها بررسي اثر ممان اينرسي سطح مقطع فولادي تقويتي، تحت بارگذاري محوري خارج از مرکز مي باشد. فرضياتي که در انتخاب اين مقاطع و تحليل آنها مورد نظر بوده است بدين شرح مي باشد:
- سطح مقطع پوسته فولادي و بتن و نيز مشخصات مصالح براي هر چهار نوع ستون يکسان مي باشد.
- مقاطع فولادي تقويتي ٢٠٠ IPB و مقطع صليبي طوري انتخاب گرديده اند که مساحت سطح مقطع آنها برابر باشد.
- شرايط تکيه گاهي يا انتهايي ستون ها بصورت دو سر مفصل مي باشد که با مدل کردن دو صفحه صلب در بالا و پايين ستون صورت گرفته است .
- خروج از مرکزيت هاي اعمال شده به دو انتهاي ستون در جدول (٤) ارائه گرديده است .
- خروج از مرکزيت هاي دو انتها بصورتي اعمال شده اند که تغييرشکل ستون بصورت تک انحناء باشد.
مقايسه ستون هاي SR-CFT با ستون CFT
