بخشی از مقاله
بررسی رفتار ستونهای دوجداره فولادی پر شده با بتن (CFDST) تحت فشاری محوری
چکیده
ستونهای لولهای فولادی دو جداره پر شده با بتن (CFDST) در سازههایی مانند پلها، ساختمانهای بلند و دکلهای انتقال برق مورد استفاده قرار
میگیرند. در تحقیق حاضر، با استفاده از نرمافزار عناصر محدود ABAQUS، رفتار این نوع ستونها با مقطع دایره و مربع با تغییر نسبتهای توخالی و ضخامت صفحه انتهایی بالایی و تاثیر آنها بر شکلپذیری، ظرفیت باربری و تغییر شکل پلاستیک ستونهای CFDST تحت بار محوری فشاری مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بررسی نشان داد، ظرفیت باربری و شکلپذیری ستونهای CFDST تحت فشار محوری، با افزایش ضخامت صفحه انتهایی بالایی و کاهش نسبت توخالی افزایش مییابند. همچنین هر چه صفحه انتهایی بالایی ضخیمتر و نسبت توخالی کوچکتر
باشد، محدوده تغییرشکل پلاستیک لولههای فولادی بزرگتر میشود و با افزایش پارامترهای مورد نظر نقطه ماکزیمم تغییرشکل پلاستیک بزرگتر
میشود.
کلمات کلیدی: ستونهای دو جداره پر شده با بتن (CFDST)، فشار محوری، نسبت توخالی، صفحه انتهایی، تحلیل عناصر محدود
-1 مقدمه
اعضای لوله ای فولادی دو جداره پر شده با بتن (CFDST) اعضای مرکبی شامل لوله های فولادی داخلی و بیرونی با بتن پر شده مابین آنها
هستند. این نوع مقاطع داری مزایای بهتری نسبت به فولاد بدون بتن یا بتن مسلح بدون پوشش می باشند. مقطع فولادی توخالی هم به عنوان قالب
برای بتن و هم مانند فولاد در بتن مسلح، عملکرد سازهای دارد و بتن نیز کمانش موضعی مقطع فولادی را از بین میبرد و یا اینکه به تاخیر می-
اندازد و به صورت قابل ملاحظهای شکلپذیری را افزایش میدهد. ستونهای لولهای فولادی دو جداره پر شده با بتن (CFDST) در مقایسه با ستونهای لولهای فولادی پر شده با بتن (CFST) متداول، مزیتهای بسیاری مانند وزن مخصوص سبکتر، ظرفیت باربری بیشتر و شکلپذیری
بهتری دارند. همچنین به اثبات رسیده است که اجرای این نوع از ستونها هم از لحاظ مصالح مصرفی اقتصادی بوده و هم اینکه سرعت اجرای
آن بالا است؛ بنابراین میتوان در هزینهها صرفه جویی کرد .]1[
مقاطع CFDST به عنوان یک عضو سازهای توسط بسیاری از محققین در سالهای اخیر مانند Yagishita و همکاران ]2[، Uenaka و
همکاران ]3[، رفتار ستونهای CFDST با مقطع دایرهای در جداره داخلی و خارجی توسط Tao و همکاران ]4[، تحت شرایط بارگذاری پایدار
بلند مدت توسط Han و همکاران ]5[، مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج بررسی نشان داده است که لوله فولاد داخلی مقاطع CFDST می-تواند قبل از رسیدن به مقاومت نهایی خود از بتن پر شده محافظت کند. برای نسبت قطر لوله به ضخامت مقطع عرضی، محدودیت مقطع فولادی
پر شده با بتن را می توان به لوله بیرونی اعمال کرد، در حالی که این نوع مقاطع شامل لوله فولاد توخالی می باشد. اعضائ CFDST رفتاری مشابه
لوله های فولادی پر شده با بتن((CFST دارند. با توجه به اینکه در ستونهای CFDST لوله داخلی توسط بتن محبوس شده در برابر آتش
محافظت شده است، از مقاومت مناسبی در برابر آتش برخوردار هستند .]6[ نمایش شماتیک از کاربردهای ستونهای CFDST در پلها و ساختمانهای با ارتفاع بلند به ترتیب در شکل 1(a) و 1(b) نشان داده شده است.
شکل:1 ستونهای CFDST استفاده شده در پلها و ساختمانها (a) پایههای پل (b) ستون در ساختمانهای بلند مرتبه
در کارهای پژوهشی گذشته، بررسیهای متعدد FEA بر روی ستونهای کامپوزیت انجام شده است. Han و همکاران ]7[ مدلهای عددی را
برای رفتار استاتیکی و چرخهای ستونهای CFDST انجام دادند و اندرکنش بین بتن و لولههای فولادی را بررسی نمودند. Huang و همکاران
]8[ مدل FEA جهت شبیهسازی عملکرد فشاری محوری انجام دادند.
در مقاله حاضر بررسی عددی انجام شده بر روی ستونهای لوله فولادی دو جداره پر شده با بتن )CFDST( تحت بارگذاری فشاری محوری با نسبت سطح فشار یکسان ارائه شده است. هدف از بررسی حاضر سه مورد میباشد: اول، بررسی عددی رفتار ستونهای CFDST با بارگذاری فشار محوری، دوم، مقایسه رفتار بین ستونهای CFDST با مقاطع دایره و مربع، و سرانجام، تاثیر تغییر نسبت توخالی و ضخامت صفحه انتهایی
بالایی بر شکلپذیری و ظرفیت باربری ستونهای .CFDST
-2 مدل تحلیلی المان محدود
شکی نیست که مطالعه آزمایشگاهی می تواند اطلاعات بیشتری در مورد رفتار سازه ای ارائه دهد. با وجود این، گاهی اوقات انجام آزمایش
بر روی نمونه های CFDST از نظر اقتصادی پرهزینه و زمان بر است. خوشبختانه، روش المان محدود بـه سـرعت توسـعه یافتـه کـه یـک ابـزار
قدرتمند برای محققان مهندسی فراهم کرده است.
مدلسازی المان محدود سه بعدی غیرخطی با استفاده از نرمافزار المان محدود ABAQUS برای شبیهسازی ستونهای CFDST انجام شده است. ستونهای آزمایشگاهی انجام شده توسط Han و همکاران ]9[ برای مدلسازی المان محدود غیرخطی در مقاله حاضر انتخاب شده که در
شکل 2 مشاهده میشود.
شکل :2 ستونهای CFDST دایره و مربع شکل
مشخصات مقاطع مورد استفاده توخالی دایره در لوله داخلی و بیرونی (CHS) و توخالی مربع در لوله داخلی و بیرونی (SHS) در جدول 1 داده
شده است که در آن:
، به ترتیب قطر (عرض) و ضخامت لوله فولادی بیرونی، ، به ترتیب قطر (عرض) و ضخامت لوله فولادی داخلی،
، به ترتیب قطر(عرض) بیرونی صفحه بارگذاری و ضخامت آن 80 میلیمتر، ضخامت صفحه انتهایی بالایی و ضخامت صفحه
انتهایی پایینی 12 میلیمتر بوده و طول مقاطع 1380 میلیمتر میباشد.
جدول :1 مشخصات مقاطع دایره و مربع
به منظور صحت شبیهسازی رفتار واقعی ستونها، پارامترهای مهم از قبیل نوع المان محدود، مش، اندرکنش بتن-فولاد، شرایط مرزی و اعمال
بار مورد نیاز در شبیهسازی ستون قرار داده شده است. در همین حال، مدلهای سازهای جداره فولاد، صفحه انتهایی فولاد و بتن مهم هستند که به طور مناسب در مدلسازی در نظر گرفته شدهاند.
-2,1 نوع المان محدود، مش، اندرکنش بتن-فولاد، شرایط مرزی و اعمال بار
کتابخانه المان نرمافزار المان محدود ABAQUS جهت انتخاب نوع المانهای جداره فولاد و هسته بتن ستون در ایـن مطالعـه مـورد اسـتفاده قرار گرفت. برای مدلسازی جدارههای فولادی از المان Conventional Shell چهار گرهی خطی با انتگرالگیری کامل )S4(، دارای شش درجـه آزادی انتقالی و دورانی در هر گره میباشد، استفاده شده است .]11[ برای مدلسازی هسته بتنی در نرمافزار، از المان Continuum یا Solid شش وجهی هشت گرهی، دارای سه درجه آزادی انتقالی در هر گره با روش انتگرال گیری کامل خطی که در نرمافزار ABAQUS با C3D8 نشان داده میشود.
اندازههای مختلف مش المان محدود برای پیدا کردن یک اندازه مش معقول که بتواند نتایج دقیق فراهم کند، بررسی شدند. در نتیجه، مشخص
شد که اندازه مش مربوط به 11008 المان برای مقطع دایره و 8624 المان برای مقطع مربع می تواند نتایج دقیق به دست آورند. بنابراین، این اندازه مش برای صحتسنجی پیشبینی رفتار ستونها در تحلیل المان محدود غیرخطی استفاده شد. شکل 3 مشبندی المان محدود استفاده شده در
مقاطع را نشان میدهد.
شکل:3 مشبندی المان محدود مدلسازی شده
برای مدل کردن تماس بین هسته بتنی و پوسته فولادی میتوان از المان سطح به سطح CONTACT برای تماس سطوح و المان Tie برای مدلسازی اتصال ورق انتهایی به فولادی داخلی و بیرونی در نرمافزار ABAQUS بهره گرفت. المان اصطکاکی سطح به سطح CONTACT، میان دو گره مجاور پوسته فولادی و هسته بتنی قرار داده شده و قادر است جدایش، لغزش و تماس بین دو گره را در طول بارگذاری مدل نماید. وقتی دو سطح در تماس با یکدیگر قرار گرفتند، تنش اصطکاکی در جهت مماسی در سطح تماس اتفاق میافتد که این رفتار اصطکاکی توسط مدل اصطکاکی کلمب تعیین میگردد. سطوح در تماس قادر به تحمل تنش برشی حاصل تا تنش برشی بحرانی قبل از لغزش میباشد. تنش برشی
بحرانی متناسب با فشار تماسی )P( توسط رابطه زیر بیان میگردد :]11[
که در آن μ ضریب اصطکاک کلمب بین فولاد و بتن بوده و طبق توصیه Lam و همکاران ]12[ برابر 1.3 در نظر گرفته شده است. همچنین
با در نظر گرفتن تماس سخت )hard contact( در جهت نرمال، اجازه داده میشود هر مقدار فشاری بین دو سطح هنگام تماس با یکدیگر انتقال
یابد و زمانی که دو سطح در تماس با یکدیگر نیستند، هیچ فشاری ما بین آن دو انتقال نیابد.
مقاطع مورد بررسی تحت بار محوری واقع بر مرکز ستون قرار گرفته و با رسیدن به %71 بار بیشینه باربرداری انجام شده است. شرایط مرزی به صورت یک سرگیردار و انتهای دیگر مفصلی مدلسازی شده که انطباق قابل قبولی با شرایط واقعی دارد.
در تحقیق حاضر به منظور بررسی رفتار واقعی ستونهای CFDST پس از ترکخوردگی، شکست بتن و نیز کمانش جداره که همراه با
تغییرشکلها و کرنشهای بزرگ میباشند، انجام تحلیلهای غیرخطی که شامل غیرخطیهای هندسی و مصالح هستند، یک امر اجتنابناپذیر می
باشد. بنابراین از تحلیل استاتیکی غیرخطی با روش کنترل تغییر مکان جهت بررسی مقاطع استفاده شده است.
-2-2 مدلهای سازهای
مصالح مورد استفاده در تحلیل عددی از جداره فولاد، صفحه انتهایی فولادی و بتن تشکیل شده است. مدلهای سازنده مصالح نقش مهمی در
رفتار ستون ایفا میکنند که در زیر ارائه شده است:
-2,2,1 جداره فولاد
در تحقیق حاضر، جهت تعیین رفتار مصالح فولادی در بارگذاری محوری از حالت غیرخطی سینماتیک که اثر بوشینگر را لحاظ میکند[13]، استفاده شده است. نمودار تنش-کرنش این نوع مدل رفتاری برای فولاد در شکل 4 مشاهده می شود. از این نمودار برای رفتار فولاد در تحقیقات مختلف و اینکه جواب خوبی در تحلیلها به دست میدهد، استفاده شده است. ضریب پواسون مناسب مطابق با مقاطع بیرونی و داخلی در نظر
گرفته شده است.
شکل: 4 منحنی تنش-کرنش تک محوره فولاد برای بارگذاری محوری
هنگامی که لوله فولادی تحت تش چند محوره قرار میگیرد، معیار تسلیم فونمایزس F برای تعریف محدوده الاستیک به کار گرفته میشود که به
صورت زیر بیان میگردد :]14[
که در رابطه فوق، تنش نامتغیر ثانویه تانشور تنش انحرافی، ، و تنشهای اصلی و تنش تسلیم لوله فولادی است.
مشخصات مصالح مصرفی جداره فولادی در جدول 2 آورده شده است.
جدول:2 مشخصات مصالح فولادی
2,2,2 صفحه انتهایی فولادی
رفتار صفحه انتهایی فولادی شبیه به جداره فولادی است. بنابراین، می توان آن را با استفاده از مدل مصالح الاستیککاملاً پلاستیکی شبیه سازی نمود. در مقاله حاضر تنش و مدول الاستیسیته صفحه انتهایی مانند جداره فولادی داخلی در نظر گرفته شده است.
2,2,3 مشخصات بتن
در کتابخانه مصالح از پیش تعریف شده در نرمافزار ABAQUS سه نوع مدل رفتاری بتن ترکدار، مدل رفتاری ترکخوردگی تـرد بـتن و مـدل رفتاری آسیب دیده خمیری برای بتن ارائه شده است .[10] در این نرمافزار برای محلهایی که بتن تحت بارگـذاری رفـت و برگشـتی قـرار دارد، مدل رفتاری بتن آسیب دیده خمیری مورد بررسی قرار میگیرد. در تحقیق حاضر از این خصوصیت رفتاری برای مصالح بتن استفاده شـده اسـت. در مدل رفتاری بتن آسیب دیده خمیری با استفاده از مفاهیم الاستیک آسیب دیده ایزوتروپیک و پلاستیک کششی و فشاری، رفتـار غیرخطـی بـتن بیان میشود. این مدل قابلیت استفاده در محاسبات استاتیکی و دینامیکی و همچنین استفاده از ویسکوالاستیسیته در معادلات اساسی بـرای رسـیدن به همگرائی بهتر در بخش نرمشوندگی را داراست.
در تحقیق حاضر برای هر دو مقطع دایره و مربع از بتن با مشخصات، 50 مگاپاسکال، 30222 نیوتن بر میلـیمتـر مربـع و 0,2 بـه ترتیـب بـرای مقاومت فشاری استوانهای، مدول الاستیسیته و نسبت پواسون بتن استفاده شده است. برای تعیین پارامترهای فشاری و کششی بتن از منحنی تنش-کرنش مقاله [15] استفاده شده است. در شکل 5 منحنی تنش-کرنش برای بتن در حالت فشاری مشاهده میشود.
شکل:5 منحنی تنش-کرنش بتن در حالت فشاری
-3 صحتسنجی مدلسازی
به منظور بررسی صحت مدلهای ارائه شده، ابتدا نتایج حاصل از تحلیل ستون CFDST تحت بار محوری با نتایج آزمایشگاهی مـدلهـای
مشابه که توسط Han و همکاران [9] انجام شده، مقایسه شده است. در شکل 6 نمودار نیرو-تغییر مکان محوری نمونه هـای آزمایشـگاهی و
مدلسازی عددی ستون CHS1 و SHS1 نشان داده شده است. در جدول 3 مقادیر ظرفیت بار نهایی به دست آمده از نتایج آزمایشـگاهی و
عددی آورده شده است. با توجه اختلاف %0,7 و %3,3 نتایج المان محدود ( ) و آزمایشگاهی ظرفیـت بـار نهـایی ( ) بـه ترتیـب برای نمونههای SHS1 وCHS1 و همچنین مقایسه رفتار نمونه های عددی و آزمایشگاهی که در شکل 6 آورده شـده اسـت، ملاحظـه مـی گردد مدل عددی از دقت خوبی برخوردار میباشد و به عنوان یک نتیجه، مدل المان محدود سه بعدی پیشنهادی با دقت قابل قبولی میتوانـد برای پیش بینی رفتار ستون های دو جداره فولادی پر شده با بتن مورد استفاده قرار گیرد.
