بخشی از مقاله
بررسی آنالیز غیر خطی ستون CFT با استفاده از بتن سبک سازه ای
چکیده
در این مقاله بار کمانش ستونهای CFT ساخته شده از بتن سبک و ورق فولادی تحت بار محوری و خمشی مورد تحلیل قرار می گیرد.. تحلیل عددی به کمک نرم المان محدود Abaqus انجام گرفت. تاثیر پارامترهای هندسی سازه مورد نظر در بارکمانش مورد بررسی قرار می گیرند. نتیجه گرفته شد که ستونهای CFT مربعی بار کمانش بسیار کمتری را نسبت به ستونهای دایره ای هم وزن خود تحمل می کنند. تاثیر استفاده از ستون های CFT در کاهش وزن و افزایش طول نیز مورد بررسی قرار گرفت و نتیجه گرفته شد که در حالت بار گذاری محوری، ستونهای CFT نسبت به ستونهای بتنی هم وزن و هم طول خود که بار کمانش یکسانی را تحمل می کنند سنگین تر می باشند و همچنین جهت طویلتر کردن ستون بتنی نمی توان از ستون CFT استفاده کرد. تاثیر استفاده از برشگیر ها نیز مورد تحلیل قرار گرفت و نشان داد با افزودن برش گیر بار کمانش افزایش قابل توجهی دارد. تحلیل های خمشی انجام شده نیز نشان داد که در حالت بار گذاری خمشی، ستونهای CFT نسبت به ستونهای بتنی هم وزن و هم طول خود که بار کمانش یکسانی را تحمل می کنند سبکتر می باشند و همچنین ستونهای CFT مربعی بار کمانش بسیار کمتری را نسبت به ستونهای دایره ای هم وزن خود در بار گذاری خمشی تحمل می کنند. و در آخر اینکه در حالت بار گذاری خمشی، ستونهای CFT نسبت به ستونهای بتنی هم وزن که بار کمانش یکسانی را تحمل می کنند طویل ترند.
واژههای کلیدی: ستون های CFT، نرم افزار Abaqus، یتن سبک، بار کمانش، نیروی محوری، نیروی خمشی
-1 مقدمه
ستون های مرکب بتنی – فولادی کاربرد بسیاری در مقاوم سازی لرزه ای ساختمان ها یافته اند. به منظور جلوگیری از شکست برشی ستون های بتن آرمه در هنگام فروپاشی یک طبقه از ساختمان، نیاز است که شکل پذیری آنها به اندازه چشمگیری افزایش یابد. بهره گیری از ستون CFT یک گزینه مناسب برای دست یابی به این اهداف می باشد . پوشاندن بتن بوسیله یک لوله ی فولادی سبب می شود لوله ی فولادی به عنوان تقویت کننده ی طولی،عرضی و برشی عمل می کند. بتن درون لوله نیز کمانش موضعی لوله ی فولادی را به تاخیر می اندازد. زیرا محصور شدگی بتن را افزایش می دهد.
در طراحی بهینه سازه ها ، وزن اعضا حائز اهمیت است در مواردی که وزن اعضا خود بخش قابل ملاحظه ای از کل بار وارده بر سازه را تشکیل دهد ، این موضوع باز هم بیشتراهمیت خواهد داشت . در تیرهای با دهانه بلند کاهش وزن تیرها و دال ها عمدتا باعث می شود که نه تنها در هزینه مصالح بلکه در هزینه ساخت نیز صرفه جویی شود. بدین منظور استفاده از بتن سبک در حال افزایش می باشد .]3-1[
1
بتن سبک سازه ای یک مصالح بسیار تطبیق پذیر برای ساخت و ساز می باشد که محدوده تکنیکی، اقتصادی و محیط زیستی و مزیت های نگهدارنده را ارائه داده و در مسیر تبدیل شدن به مصالح غالب در هزاره جدید می باشد ؟تنها محدودیت این نوع بتن ، نیازمندی آن به تولید سنگدانه های سبک می باشد ؟همچنین برای بالا بردن مقاومت این نوع بتن ها از الیاف فولادی نیز می توان استفاده کرد .[4]
Murtuza. و همکارانش [5] در سال 2000 یک تحقیق تجربی بر روی ستونهای فولادی توخالی پر شده با بتن سبک تحت بارهای رفت و برگشتی انجام دادند. آنها از سه درجه مختلف بتن سبک برای آزمایش استفاده کردند و نمونه ها را هم با پوشش فایبر گلاس و هم بدون آن مورد بررسی قرار دادند. ظرفیت باربری نهایی ستون ها و میزان کاهش طول آنها از جمله پارامترهایی بود که بررسی شدند. همچنین ارتفاع ، سطح مقطع و ضخامت های گوناگون ستون CFT ارزیابی شدند. براساس نتایج این تحقیق،مساحت سطح مقطع بیشترین تأثیر را در ظرفیت بابری نهایی ستون CFT داراست و همچنین افزایش طول ستون، موجب کاهش ظرفیت باربری آن می شود.Ghannam در سال [6] 2009 آزمایش هایی را بر روی ستون های CFT با بتن سبک و بتن معمولی انجام داد. هشت نمونه آزمایش با مقطع مستطیلی و مقیاس کامل که چهار تا با بتن سبک و چهار تا نیز با بتن معمولی بود برای بررسی رفتار واقعی و ظرفیت باربری این ستون هایCFT آزمایش شدند. نتایج این آزمایش مشخص کرد ستون های CFT عملکرد قابل قبولی داشته و بار گسیختگی همه ی نمونه ها بیشتر از بار نهایی طراحی بدست آمد. براساس این آزمایش ، ستونهای CFT با بتن معمولی ، 1/24 برابر، بار بیشتری را می توانند تحمل کتتد. در مقابل ستونهای CFT با بتن سبک ، 20 تا 26 درصد وزن کمتر دارند. همچنین رفتار ستون های با بتن سبک و ستون های با بتن معمولی بسیار مشابه یکدیگر است. ستون های CFT با بتن معمولی به دلیل کمانش کلی در وسط دهنه دچار گسیختگی شدند حال آنکه در ستون های CFT با بتن سبک ابتدا کمانش موضعی رخ داد و سپس کمانش کلی به وقوع پیوست.
در این مقاله بار کمانش ستونهای CFT ساخته شده از بتن سبک و ورق فولادی تحت بار محوری و خمشی مورد تحلیل قرار می گیرد. تحلیل عددی به کمک نرم المان محدود Abaqus انجام گرفته و مقایسه این تحلیل ها با آزمایشات تجربی انجام شده توسط دیگر محققین، دقت تحلیل های عددی را نشان می دهد. در تحلیل عددی برای مدل کردن بتن از روش " مدل پلا ستیک آسیب دیده" استفاده می شود. در این مقاله تاثیر پارامترهای هندسی سازه مورد نظر ازجمله ضخامت، ارتفاع و اندازه سطح مقطع در بارکمانش مورد بررسی قرار می گیرند. سپس به بررسی تفاوت ستونهای مربعی و دایره ای پرداخته می شود.
-2 تحلیل عددی
تحلیل های عددی این مقاله توسط نرم افزار Abaqus انجام می گیرد.روش نحلیل از نوع غیر خطی می باشد. پارامترهای قطر سطح مقطع دایروی D ، ارتفاع ستون ,h عرض سطح مقطع ستون مربعی f و ضخامت ورق t به عنوان متغیر در نظر گرفته می شوند و تاثیر این پارامترها بر نیروی ماکزیمم کمانش بررسی می شود.
نمونه ایی که به صورت D300-t1-h250 نامگذاری می شود به این صورت تفسیر می شود که ارتفاع سطح مقطع نمونه برابر 250،قطر سطح مقطع نمونه برابر 300 ، ضخامت ورق برابر 1 میلیمتر می باشد .همچنین اگر در نامگذاری به جای D از Sاستفاده شودنشان دهنده آن است که ستون مربعی است و عرض آن برابر با عدد مقابل آن می باشد.
ورقهای مورد استفاده در این مطالعه از فولاد نرم تهیه شده است. نمودار تنش- کرنش،خواص الاستیک، پلاستیک و مقادیر عددی آن در شکل 1 نشان داده شده است.[7]
2
شکل -1 نمودار تنش- کرنش ورق مورد بررسی
به کمک بخش خطی نمودار تنش_ کرنش مدول الاستیک E=170 GPa محاسبه شده و تنش تسلیم =220 MPa بدست آمده است. ضریب پواسون نیز برابر 0.33 در نظر گرفته شده است.
در این پروژه از بتن معرفی شده توسط Koh و همکاران [8] استفاده می گردد.چگالی بتن مربوطه برابر 800 کیلو گرم بر متر مکعب می باشد. مدول یانگ و ضریب پواسون نیزبه ترتیب برابر 29,4گیگا پاسکال و19 می باشد. مقاومت فشاری و کششی نیز به ترتیب برابر 72,4 و6,7 مگا پاسکال است. در این مقاله برای تحلیل بتن از روش " مدل پلا ستیک آسیب دیده" استفاده می شود.مدل پلاستیک آسیب دیده بتن مدل توانمندی است که برای بار گذاری های مختلف کاربرد داشته و با بیان رفتار مجزای بتن در فشار و کشش رفتار این ماده را بصورت واقعی تر بیان می کند.
برای اعمال بار محوری، یک ورق صلب در زیر ستون قرار داده شده است سپس نمونه ها توسط یک صفحه صلب تحت نیروی محوری عمودی قرار می گیرند. به علاوه، همه درجات آزادی صفحه پائینی مقید شده است و صفحه بالایی تنها در جهت محوری آزادی حرکت دارد. در این تحلیل ا لمان غیر خطی S8R5، که دارای هشت گره و شش درجه آزادی برای هر گره می باشد، برای تحلیل لوله فولادی مناسب است، استفاده شده است و از المان C3D8R که یک المان خطی مستطیلی با هشت گره می باشد برای مدل کردن بتن استفاده شده است.
در نرم افزار ABAQUS از یک تحلیل غیر خطی برای بدست آوردن نمودار نیرو– جابجایی استفاده می شود. مقدار ماکزیمم نیرو در این نمودار، نشان دهنده بار کمانش است. این مرحله (Dynamic explicit) نامیده می شود. در این مرحله خواص غیر خطی و پلاستیک ماده در نظر گرفته می شود .[9]
-3 مقایسه نتایج عددی و تجربی
منحنی های بار- جابجایی ، حاصل از تحلیلهای عددی و تجربی، برای برخی نمونه های آزمایش [10] در شکلهای 2 و 3 ارائه شده است. همچنین تغییر شکل نمونه ها برای هر دو روش تجربی و عددی نیز مقایسه شده اند. از مقایسه منحنی های عددی با تجربی نتیجه می شود که مقدار نیروی ماکزیمم کمانش در منحنی های عددی و تجربی مطابقت بسیار خوبی دارند.
4- تحلیل عددی
-1-4 مقایسه بارکمانش ستونهای مربعی و دایره ای تحت بار فشاری
در این بخش به مقایسه نیروی ماکزیمم کمانش در ستونهای مربعی و دایره ای می پردازیم. به منظور مقایسه بین ستونهای دایروی و مربعی، نمودارستونهای دایره ای و مربعی را بررسی می کنیم که دارای بتن و فولاد برابر (هم وزن)باشد.
شکل4 نمودار ستون دایره ای با مشخصات D150-t1-H750 با نمودار ستون مربعی با مشخصات S132.9-t0.886-H750 با یکدیگر مقایسه می شوند. این دو ستون دارای سطح مقطع بتن برابر و فولاد برابر می باشد.به عبارت دیگر، وزن بتن و فولاد مصرفی در آنها برابر می باشد. شکل 4 نشان می دهد که ستون دایره ای نیروی بیشتری را تحمل می کند. شکل فوق نشان می دهد که بار کمانش ستون دایره ای برایر با 500 و ستون مربعی برایر با 290 کیلو نیوتن است. به عبارت دیگر بار کمانش ستون مربعی از ستون دایره ای هم وزن و هم طول خود حدود42 درصد کمتر می باشد.
شکل5 نمودار ستون دایره ای با مشخصات D150-t1-H250 با نمودار ستون مربعی با مشخصات S132.9-t0.886-H250 با یکدیگر مقایسه می شوند. نمودار فوق نشان می دهد که بار کمانش ستون دایره ای برایر با 585 و ستون مربعی برایر با 420 کیلو نیوتن است. به عبارت دیگر بار کمانش ستون مربعی از ستون دایره ای هم وزن و هم طول خود حدود 28 درصد کمتر می باشد.
بررسی تاثیر ستون های CFT در کاهش وزن ستون بتنی در بار گذاری محوری
درنمودار خط نقطه چین نیروی ماکزیمم کمانش ستونی بتنی به طول 1 متر و قطر 300میلیمنر را نشان می دهد. مقدار نیروی کمانش آن 2100 کیلو نیوتن است .سه ستون CFT با قطر های 225 ، 250 و 275 میلیمتر و ضخامتهای مختلف ورق فولادی نیز تحلیل شده اند. در شکل 9-5 محل تقاطع تیروی کمانش ستونهای CFT با خط چین به خوبی مشخص می باشد. این نقاط تقاطع نشان دهنده نسبت D/t می باشد که بار کمانش آن ستونهای CFT برابر با ستون بتنی است.
شکل6 نمودار این ستونهای CFT و بتنی را نشان می دهد. همانطور که از شکل6 مشخص است هر چه قطر ستون کمتر می شود ضخامت ستون فولادی بیشتر می شودبه طوریکه برای ستون با قطر 275 میلیمنر ضخامت ستون3,2 میلیمتر، قطر 250 میلیمنر ضخامت ستون 6 میلیمتر و قطر 200 میلیمنر ضخامت ستون 11 میلیمتر می باشد.
نکته حائز اهمیت این است که در ستونهای CFT اگر چه حجم بتن آن کمتر شده است ولی وزن کلی ستون با توجه به افزایش ضخامت ستون فولادی بیشتر می شود. جدول2 وزن ستونهای CFT و بتنی تحلیل شده در نمودار های 6 را نشان می دهد. همانطور که مشخص است با کاهش قطر ستون وزن کلی ستون بیشتر افزایش می یابد. یابه عبارت دیگر با استفاده از ستون های CFT با بتن سبک ، نمی توان به ستونی با مقاومتی برابر ولی با وزن کمتر از ستون یتنی دست پیدا کنیم.
جدول 3 و 4 نتایج را برای ستونهای بتنی با نسبت D/L کم (لاغر) و زیاد (چاق ) می دهد. همانطور که از جدول 3مشخص است با کاهش قطرستون ضخامت ستون فولادی بیشتر می شود و نتایج آن شبیه به ستونهای با نسبت D/L=300 می باشد. جدول 4 نیز برای ستون های بتنی با نسبت D/L کم (لاغر) تشکیل شده است. همانظور که مشخص است رفتار آن مانند جداول قبل می باشد. با مشاهده رفتار ستون های CFT برای ستونهای با نسبت D/L=150,300,600 می توان نتیجه گرفت که نمی توان با استفاده از ستونهای CFT، ستون های سبکتری نسبت به ستونهای بتنی تولید کرد. که دلیل اصلی آن هم به دلیل تفاوت زیاد چگالی فولاد و بتن می باشد.
