بخشی از مقاله
بررسی تأثیر پارامترهای مختلف بر رفتار سازه ای ستونهای CFT
چکیده:
مقاطع فولادی پر شده با بتن (CFT) بعلت عملکرد مناسب در برابر بارهای لرزه ای و اقتصادی بودنشان دامنه کاربرد وسیعی را در سازه های عمرانی به خود اختصاص داده اند.در این نوع ستونها عوامل مختلفی بر ظرفیت باربری
و شکل پذیری موثر هستند. از مهمترین این عوامل می توان به مشخصه مقاومتی مصالح مصرفی، ابعاد، سن، ضخامت جداره فولادی، جمع شدگی بتن و نظایر آن اشاره کرد. به همین منظور در آئین نامه های مختلف برای برخی از عوامل ذکر شده محدودیتهایی قرار داده شده است. در پژوهش حاضر تاثیر مقادیر مشخصه های مقاومتی مصالح مصرفی ( و ) به ازای نسبت قطر به ضخامت و ارتفاع مختلف در این نوع ستونها مورد بررسی قرار گرفته است.
برای این منظور از تحلیل های عددی با استفاده از نرم افزار ANSYS بهره گرفته شده است. نتایج این پژوهش نشان
می دهد که ظرفیت باربری این نوع ستون ها بطور قابل ملاحظه ای به پارامترهای فوق الذکر وابسته می باشد.
واژه های کلیدی: ستونهای CFT، مشخصه مقاومتی مصالح مصرفی، اجزاء محدود، ظرفیت باربری.
مقدمه:
با وجودی که تحقیق در مورد عملکرد ستونهای مختلط از زمان اولین آزمایشات روی مقاطع فولادی محصور شده در بتن توسط بور (Burr) در سال 1908 در جریان بوده است، اما تا نیمه دوم قرن بیستم پیشرفت کمی حاصل شده است. تا قبل از سال 1967 عملکرد ستونهای مختلط تحت محوری شامل افزایش مقاومت در اثر محصور شدگی و
کاربرد یک راه حل مدول مماسی، توسط محققان متعددی مورد مطالعه واقع شده بود. با این وجود اغلب مطالعات
محدود به مقاطع دایره ای بودند و همچنین مطالعات روی رفتار ستونهای مختلط با بارگذاریهای مختلف و مشخصات مختلف هندسی و مقاومتی مصالح انجام نشده بود.[1]
از مزایای ستونهای مختلط فولاد و بتن نسبت به ستونهای صرفاً بتنی یا فولادی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- استفاده از خود مقطع فولادی بعنوان قالب برای هسته بتنی.
- حفاظت سطح بتن از آسیب.
- اقتصادی بودن نسبت بهستونهای صرفاً بتنی یا فولادی.
- زمان ساخت کمتر.
- حمل و نقل آسانتر.
در مقابل این مزایا، ستونهای مختلط فولاد-بتن معایبی نیز دارند که میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- بدلیل قرارگیری فولاد در سطح خارجی ستون موضوع حفاظت در مقابل آتش سوزی مطرح می گردد و باید
تمهیدات خاصی را برای آن پیش بینی کرد.
- اجرای اتصالات در این نوع ستونها مشکل بوده و رفتار اتصالات بطور دقیق مشخص نیست و تحقیقات
کمی در مورد آن انجام گرفته یا در حال انجام است.[2]
بسته به نحوه ترکیب دو ماده فولاد و بتن، ستونهای مرکب به دو دسته تقسیم می شوند:
- ستونهای فولادی محبوس شده در بتن.
- ستونهای فولادی پر شده با بتن .(CFT)
که دسته دوم رواج بیشتری دارند. کاربرد ستونهای لوله ای پر شده با بتن (CFT) به اوایل سال 1900 بازمیگردد، که در بسیاری از سازه ها از ستونهای CFT استفاده شد. تعدادی از آنها عبارتند از: تقاطع جهت دهنده بزرگراه آلموند بری (Almund bury) انگلستان، خطوط راه آهن چارلروی (Charleroi) بلژیک، اتحادیه کارگری بین المللی در ژنو و یک ورزشگاه در مارتینی-بوری (Martigny-Boury) در سوئیس.[3]
از انواع مقاطع فولادی پر شده با بتن میتوان به مقاطع دایره ای، مستطیلی و مربعی اشاره نمود، که در شکل (1)
نمونه هایی از این ستونها را می بینید.
شکل-1 انواع مقاطع مختلط بتن و فولاد[4]
از میان مقاطع رایج گفته شده مقطع دایره ای (ستونهای لوله ای) رواج بیشتری دارد، که مقاومت این شکل مقطع بدلیل هندسه آن به تغییرات ضخامت جداره فولادی وابستگی بیشتری دارد.[5]
رفتار سازه ای ستونهای CFT
استفاده از ستونهای لوله ای پر شده با بتن (CFT)بصورت فزاینده ای در کارهای ساختمانی متداول شده است. این امر تا حدودی بعلت خواص عالی مقاومت آنها در برابر زلزله مانند: مقاومت بالا، شکلپذیری زیاد و ظرفیت جذب انرژی بالا می باشد. حدود ایجاد شده توسط قالب فلزی، خواص بتن را با قرار دادن تحت یک حالت سه محوری بهبود می بخشد و از طرفی از کمانش داخلی لوله فولادی، توسط بتن جلوگیری می شود.[1]
در سال 1967 مطالعات تئوریک انجام گرفته توسط Gardner و Jacob Sen نشان داد که در کرنشهای کم،
مقدار نسبت پواسون بتن در محدوده 0/15 تا 0/25است اما برای کرنشهای بزرگتر نسبت پواسون بتن حتی تقریباً به
مقدار 0/6 نیز می رسد. در نتیجه در مراحل اولیه بارگذاری نسبت پواسون برای بتن کمتر از فولاد است. بنابراین لوله فولادی هیچ اثر محدود کننده ای بر روی هسته بتنی ندارد هنگامیکه کرنش طولی افزایش می یابد، گسترش جانبی بتن کم کم بیشتر از فولاد می شود. در نتیجه یک فشار شعاعی در سطح تماس فولاد و بتن پدید می آید. در این
حالت هسته بتنی تحت تنش سه محوری و لوله فولادی تحت تنش دو محوری قرار دارند. بدلیل وجود کشش
حلقوی، (یعنی حالت تنش دو محوره) لوله فولادی نمیتواند تنش تسلیم معمولی را تحمل کند. بنابراین یک انتقال بار
از لوله فولادی به هسته بتنی وجود دارد. بار متناسب با این شکل خرابی میتواند بطور قابل ملاحظه ای بزرگتر از جمع بارهای خرابی بتن و فولاد تنها باشد. میزان افزایش بار توسط اثر محدود کنندگی فولاد روی هسته بتنی به عوامل
متعددی بستگی دارد مانند: ضخامت لوله فولادی، نسبت لاغری، خروج از مرکزیت بار و شکل سطح مقطع. در
ستونهای CFT با مقطع دایره ای اثر محدود کننده بیشتری نسبت به ستونهای مربعی (علت: تمایل به دایره ای شدن مقطع مربعی) دارد. مرکز و گوشه های مقاطع مربعی تحت یک فشار محدود کننده بزرگتری نسبت به اضلاع قرار می گیرند، اما در ستونهای دایره ای یک پخش یکنواخت برای فشار محدود کننده اتفاق می افتد.[1]
مدلسازی اجزاء محدود ستونهای CFT
مطالعه رفتار سازه با روشهای مختلفی از قبیل روشهای تجربی و نظری امکانپذیر است. یکی از روشهای مناسب
که بدلیل سرعت و دقت بالا و هزینه کم، نسبت به سایر روشها رواج بیشتری دارد، روش اجزاء محدود است. برای
بررسی رفتار خرابی ستونهای CFT داشتن یک مدل ریاضی مناسب مورد نیاز است. با توجه به قابلیتهایی که روش اجزاء محدود در حل مسائل پیچیده مهندسی دارد، از این روش و از نرم افزار ANSYS که مبتنی بر روش اجزاء
محدود است، استفاده شده است. در مدلسازی اجزاء محدود ستونهای فولادی پر شده با بتن موارد زیر لحاظ شده
است:
- هسته بتنی بوسیله المان شش وجهی و هشت گره ای SOLID65 و با سه درجه آزادی انتقالی در هر گره تعریف
می شود. مصالح از نوع بتن با قابلیت ترک خوردگی در سه امتداد متعامد در اثر کشش و شکست تحت اثر
تنشهای فشاری و نیز تغییر شکلهای پلاستیک است.
- جداره فلزی توسط المان SOLID45 تعریف شده است که همچون المان SOLID65، با هشت گره و سه
درجه آزادی در هر گره تعریف می شود و همخوانی مناسبی با سایر المانهای بکار رفته در مدلسازی ستونهای CFT دارد.
- اصطکاک و لغزش بین فولاد و هسته بتنی توسط المان تماسی گره به گره CONTACT178 مدل می شود. این المان قادر است فشار در جهت نرمال و برش را در امتداد مماسی سطوح مورد نظر انتقال دهد.
- تظریف مش بندی برای هر مدل تا جایی انجام گرفته است که در نتایج بهبود قابل توجهی بوجود نیاید.
- رفتار غیرخطی هندسی در همه تحلیل ها در نظر گرفته شده است.
- معیار تسلیم Von-Mises بعنوان معیاری مناسب برای مصالح استفاده شده است و از قانون سخت شوندگی ایزوتروپیک برای مدلسازی رفتار مصالح استفاده شده است.
- شرایط تکیه گاهی در یک انتهای نمونه ها گیردار و در انتهای دیگر آزاد در نظر گرفته شده است.
- مشخصات مقاومتی فولاد و بتن بکار رفته در مدلها با توجه به محدودیتهای آئین نامه AISC در جدول (1) نشان داده شده است
