بخشی از مقاله
خلاصه
برشگیر ها برای انتقال نیروی برشی در سیستم های مختلط بتن و فولاد استفاده می شوند. در تحقیق حاضر به مطالعه رفتار برشگیرهای ناودانی و گلمیخ پرداخته شده است، برای این منظور برشگیرها با روش المان های محدود در بلوک بتنی مدل شده و تحت بارگذاری کنترل جابجایی در سطح مقطع بیرونی قرار می گیرند و ظرفیت باربری آنها تحت مقاومت های فشاری مختلف بتن و همچنین تحت اثر جهت اعمال بار بررسی شده است. همچنین اثر فاصله ناودانی ها بر باربری آنها بررسی گشته است. در مرحله بعدی ظرفیت برشی برشگیرهای گلمیخ با مقادیر آیین نامه مبحث 10 مقایسه شده اند. نتایج حاصله مشخص نمود با افزایش مقاومت فشاری بتن باربری برشگیرهای ناودانی افزایش قابل توجهی می یابد. همچنین جهت اعمال بار و میزان فاصله بین برشگیرها بر باربری برشگیرهای ناودانی موثر است. همچنین مشخص گشت که مقادیر باربری برشی برشگیر های گلمیخ در آیین نامه مبحث 10 ایران تا حد بالایی محافظه کارانه می باشند.
کلمات کلیدی: برشگیر، المانهای محدود، کنترل جابجایی، ظرفیت برشی.
1. مقدمه
تیرهای مختلط فولادی – بتنی سالیان درازی است که درساختمان سازی و پلسازی مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع تیرهای مختلط شامل یک مقطع فولادی و دال بتن آرمه می باشد که توسط برشگیرهایی به هم متصل شده، عمل یکپارچه ی آن ها تأمین می گردد. همانطور که می دانیم بتن مقاومت فشاری بسیاری بالاتری نسبت به مقاومت کششی دارد، در حالیکه فولاد در کشش قوی بوده ولی در صورت لاغر بودن در فشار مشکل کمانش خواهد داشت . بنابراین استفاده از تیرهای مختلط که در آنها ازمزایای مواد بتنی وفولادی در جای صحیح خویش استفاده می شود، بسیار اقتصادی و بهینه می باشد. در مورد گل میخ تحقیقات انجام شده در کشورهای دیگر بسیار گسترده است ولی تحقیقات انجام شده در مورد برشگیر ناودانی بسیار محدود بوده، جنبه هایی از موضوع مانند رفتار برشگیر ناودانی در بارگذاری های رفت و برگشتی و یا استفاده از انواع بتن های الیافتی یا شکل پذیر تا کنون مورد توجه قرار نگرفته است. لذا بخشی از این تحقیق به بررسی و تحلیل برشگیرهای ناودانی در حالت های مختلف اختصاص دارد.
از اواسط قرن گذشته تا کنون مطالعات زیادی برای درک دقیق تر رفتار تیرهای مختلف بتنی – فولادی انجام گردیده است.مطالعات اولیه در این مورد از سال 1920 الی 1958 و ازسال 1960 تا 1970 به ترتیب توسطViest[1] و [ 2] Johnsonگرد آوری و گزارش شده است.
اولین مطالعات آزمایشگاهی قابل توجه و کاربردی در مورد گلمیخ توسط Viest در سال [3] 1956و Ollgard در سال [4] 1971در اصل به بررسی تاثیر پارامترهایی نظیر قطر گلمیخ، مقاومت بتن و تعداد و فاصله ی گلمیخ ها در ظرفیت نهایی باربری می پرداخت .
اولین کار قابل توجه و کاربردی در مورد برشگیر ناودانی در سال 1952 توسط Viest و همکاران در دانشگاه ایلینویز انجـام شـد.[5] ایـن مطالعه ی مقدماتی به منظور درک رفتار برشگیر ناودانی و عملی نمودن کاربرد ناودانی به عنوان برشگیر بـود . سـال 2006 یـک برنامـه ی تحقیقـاتی آزمایشگاهی در کانادا برای بررسی دقت فرمول های آیین نامه ای آمریکای شمالی که بر مبنای آزمـایش هـای قـدیمی Slutter و Driscoll در سال 1965 می باشد، انجام گرفته است که شامل آزمایش های برون رانی بر روی برشگیر ناودانی با اندازه های متفـاوت تحـت بارگـذاری تـک سـو می باشد.[6] در سال 2008 شروین ملکی و سامان باقری[7]و[8] در دو مقاله خود به تحقیق آزمایشگاهی و مدل سازی 3 بعـدی بـرش گیـر هـای ناودانی پرداختند که خود آنها را مورد آزمایش قرار داده بودند و به این ترتیب به بررسی باربری برشی این برشگیر ها در حـالات مختلـف مقاومـت بتن پرداختند. در سال Martins2010 و همکـارانش [9] در دانشـگاه Coimbra پرتقـال بـه بررسـی آزمایشـگاهی پاسـخ سـاختمانهایی بـا انـواع مختلف برشگیرها پرداختند. ایشان از 8 نمونه آزمایشگاهی مختلف ایجاد شده تحت استاندارد Eurocode 4 (2005)اسـتفاده نمودنـد. در سـال 2012 مهدی شریعتی و دو نفر از همکارانش [10]در دانشگاه Malaya در مالزی به بررسی آزمایشگاهی برشگیرهای مدفون در بتن با مقاومت بـالا تحت بارهای یکنواخت و سیکلیک پرداختند. ایشان دو سری بار یکنواخت و سیکلیک برون رانی را به برشگیرهای مدفون در دال ساخته شده با بتن مقاوم وارد آوردند.
2. مدل سازی المان محدود و صحت سنجی مدل
1,2 ابعاد و مشخصات ظاهری مدل
جهت مدل سازی برشگیر های مدفون در این تحقیق از ابعاد استفاده شده در یک تحقیق آزمایشگاهی که توسط ملکی و باقری]7[ در سال 2008 در دانشگاه صنعتی شریف صورت گرفته بود استفاده شده است.
نمای گرافیکی این تحقیق آزمایشگاهی به شکل زیر می باشد.در نماهای گرافیکی زیر تمامی واحد ها سانتی متر می باشند.
با توجه به وجود تقارن کامل در مدل آزمایشگاهی به منظور صرف جویی در زمان و هزینه تحلیل تنها یک از دال های بتنی و برش گیر موجود در آن مدل گشته است و همچنین به علت تقارن موجود در هندسه و بارگذاری هر کدام از این دال ها تنها به مدل سازی نصف دال و برش گیر آن نیاز است و برای محاسبه نهایی باربری هر برش گیر باید جوابها را در 2 ضرب نماییم. در شکل زیر قسمت مدل شده مشخص شده است.
به این ترتیب مدل ایجاد شده دارای ابعاد است .
شرایط مرزی و اندر کنش های موجود
در مورد اعمال شرایط مرزی باید دقت بالاتری نمود با توجه به اینکه ما به دلیل تقارن هندسی و تقارن بارگذاری موجود یک چهارم سیستم برش گیر را مدل نموده ایم باید شرایط مرزی زیر را اعمال نماییم.
-1 تمام گره های دال بتنی در جهت مقابل بارگذاری در مقابل حرکت در جهت x بسته شده اند.این سطح همان سطح پایین بلوک بتنی در آزمایش می باشد. (سطح(1
-2 تمام گره های بلوک بتنی و بال تحتانی ناودانی و گلمیخ ها که در مجاورت بال تیر آهن می باشند در مقابل حرکت در جهت y بسته شده اند.(سطح(2
-3 تمام گره های بلوک بتنی و جان و بال برشگیر در صفحه تقارن یعنی سطح 3 در مقابل حرکت در جهت z بسته شده اند.
4. مدل سازی رفتار مصالح و المان های آنها
برای مدل سازی هر دو فاز مصالح موجود (بتن و فولاد ) از المان های 8 گره ای با انتگرال گیری کاهش یافته استفاده شده است.
.1,4 مدل سازی مصالح بتن
مصالح بتنی در حالات فشار و کشش رفتار متفاوتی دارد و نمودار تنش کرنش یکسان ندارد. لذا در مدل سازی رفتار این مصالح باید رفتار های متفاوتی را متناسب با نمودار تنش-کرنش آن برای حالت فشار و کشش مدل نمود. نمودار تنش کرنش در نظر گرفته شده برای مصالح بتنی مطابق شکل زیر می باشد.
جرم واحد حجم بتن 2400 کیلوگرم بر متر مکعب و ضریب پواسان آن 0/167 در نظر گرفته شده است. در این تحقیق از بتن هایی با مقاومت هایفشاری 20 ، 25 ، 30 ، 35 ، 36,8 و40 مگاپاسکالاستفادهشدهاست. مدولالاستیکبتنمیباشدکهازرابطه قابلمحاسبهمیباشد. دراینرابطه مقاومتفشاریاستوانهبتنیمیباشد. درکششرفتاربتنبهصورتخطیوباشیب تامقاومتکششینهایبتنیعنی کهبرابراستبا درنظرگرفتهشدهاست.
.2,4 مدل سازی مصالح فولاد
برای مدل سازی رفتار خطی و غیر خطی فولاد در سیستم برش گیر مدفون ، مصالح فولاد بعنوان یک ماده الاستو پلاستیک در نظر گرفته شده است. رفتار مصالح فولاد در کشش و فشار به یک شکل در نظر گرفته شده است. در این تحقیق از دو نوع فولاد استفاده شده است. مورد اول فولاد ST37 می باشد که برای صحت سنجی مدل برشگیر ناودانی و همچنین برای بررسی باربری مدل برشگیر های گلمیخ استفاده شده است. مورد دوم فولاد ST52 است که در محاسبه ظرفیت باربری برشگیر های ناودانی از آن استفاده شده است.
درشکلفوق، تنشتسلیمفولادو کرنشتسلیمفولادمیباشد . همچنین تنشنهاییو کرنشنهاییفولادمیباشدکهازاینکرنشبهبعدفولادافزایشتنشیراتجربهنخواهدنمود.
مشخصاتمصالحفولادیدرجدولیکقابلمشاهدهاست.
درجدولفوق مدولالاستیکفولاد جرمواحدحجمو ضریبپواسانمصالحفولادمیباشد.
5. بارگذاری
بارگذاری به نحوی انجام گردیده که به طور معمول در آزمایشات برون رانی صورت می گیرد یعنی بارگذاری به صورت کنترل جابجایی. در تمام مراحل این تحقیق بارگذاری به این صورت اعمال جابجایی یکنواخت 1 سانتی متری به سطح زیرین ناودانی و سطح زیر گلمیخ که به تیر آهنی جوش داده شده بوده می باشد و مقادیر نیرویی اعمالی متناسب با جابجایی ثبت شده است.در این تحقیق روش تحلیل روش دینامیکی صریح1 می باشد. با توجه به اینکه ماهیت مسئله برون رانی برش گیر استاتیکی می باشد باید سرعت بارگذاری را تا حد ممکن کاهش دهیم تا بارگذاری به صورت استاتیکی اعمال گردد.
6. صحت سنجی مدل
به منظور بررسی صحت مدل سازی و فرضیات آن نتایج حاصل از تحلیل یک مدل خاص که کاملا از روی یک نمونه آزمایشگاهی مدل شده است با نتایج آزمایش موجود در مقاله ملکی و باقری[7] مقایسه شده است . ابعاد بلوک بتنی می باشد. مقطع ناودانی دارای ارتفاع 10 سانتی متر ، ضخامت جان 6 میلیمتر و ضخامت بال 8/5 میلیمتر در هر دو بال است.طول ناودانی 5 سانتی متر است .مقاومت فشاری بتن مورد آزمایش 36/8 مگاپاسکال و نوع فولاد از ST37 می باشد.
در اشکال زیر نمودار نیرو جابجای حاصل از آزمایش و حاصل از مدل المان محدود بر روی یکدیگر رسم شده اند. البته باید به این نکته مهم توجه نمود که نتایج المان محدود تا آنجایی معتبر است که فولاد به حد کرنش نهایی خود نرسیده باشد لذا باید نمودار تنش -جابجایی حاصل از تحلیل را نیز رسم نموده و مشخص نمود کرنش نهایی متناظر با تنش نهایی در چه مقداری از جابجایی ایجاد می شود.
شکل- 6 مقایسه مقادیر بار بری برشگیر ناودانی در آزمایشگاه و در مدل المان محدود
شکل -7 نمودار تنش – جابجایی مدل المان محدود نمونه آزمایشگاهی
