بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی ضریب رفتار قاب خمشی فولادی با ستون CFT
خلاصه
ستونهای لوله ای پر شده با بتن (Concrete-filled Tube) که به CFT موسوم هستند، به دلیل بهره مندی از خواص سودمند مصالح فولاد و بتن از قابلیت و کارایی قابل ملاحظه ای برخوردار می باشند. فولاد، بتن را محصور می کند و به طور قابل توجهی سختی و مقاومت را افزایش می دهد و همچنین بتن پر شده شکل پذیری را افزایش می دهد. ستونهای CFT به طور گسترده در سازه های قاب خمشی فولادی واقع در مناطق غیر لرزه ای و یا مناطق لرزه ای با خطر پذیری بالا مورد استفاده قرار می گیرند. باید توجه داشت که رفتار و عملکرد قاب های خمشی با ستونهای CFT با رفتار یک سیستم قاب خمشی معمولی متفاوت است، برای این منظور نیاز به مطالعه رفتار لرزه ای و تحلیل پارامترهای مورد نیاز طراحان در بهره گیری از سیستم ترکیبی مذکور می باشند. در تحقیق حاضر با استفاده از مبانی تحلیل استاتیکی غیر خطی به ارزیابی شکل پذیری در سازه های قاب خمشی فولادی با ستون CFT پرداخته شده است و ضریب رفتار مربوطه تعیین و پیشنهاد شده است.
کلمات کلیدی: قاب خمشی مرکب، ستون CFT، ضریب شکل پذیری، ضریب رفتار، تحلیل استاتیکی غیر خطی
. 1مقدمه
ستونهای لوله ای پر شده با بتن (CFT) نوعی از ستونهای مرکب می باشند(شکل .(1 ستون CFT به ستونی که با مقطع لوله یا قوطی که به طور معمول در سرتاسر آن با بتن پر شده است گفته می شود. ستونهای CFT مزایای زیادی برای طراحی تقویت لرزه ای ارائه کرده است. فولاد، بتن را محصور می کند و به طور قابل توجهی سختی و مقاومت را افزایش می دهد. همچنین بتن پر شده کمانش موضعی در لوله را تقویت می کند و شکل پذیری عضو را افزایش می دهد. مقاومت، جذب انرژی، مقاومت برشی بالاتر، نقش قالب جداره فولادی برای هسته بتنی، اقتصادی بودن نسبت به ستونهای فولادی و بتنی، زمان ساخت کمتر، حمل و نقل آسانتر از دیگر مزایای این نوع سیستم مرکب می باشند. همچنین ستون CFT دارای ظرفیت برجسته ای در تغییرشکل پلاستیک می باشد. این دلیلی است که قاب های خمشی فولادی مرکب با ستون CFT بصورت گسترده در ساختمانهای میان مرتبه و بلند مرتبه مورد استفاده قرار گرفته اند. در سالهای اخیر مطالعات پژوهشی زیادی بر روی رفتار لرزه ای ستونهای CFT انجام شده است. از طرفی آئین نامه ASCE-7-05 عدد 3 را برای قابهای خمشی مرکب معمولی، عدد 5 را برای قابهای خمشی مرکب متوسط و عدد 8 را برای قابهای خمشی مرکب ویژه ارائه کرده استHan .[1] و همکاران تحقیقاتی در مورد رفتار قاب مرکب با ستون CFT و تیر فولادی انجام داده اند و مدل اجزاء محدود را برای نشان دادن رفتار قاب های مرکب تحت بار ثابت محوری و بار جانبی چرخه ای توسعه داده اند و به بررسی شکل پذیری این نوع قابها پرداخته اند.[2] در تحقیقات انجام شده، معیارهایی برای ضریب شکل پذیری ستونهای تک CFT توسط Lee و همکارانش و Varma و همکارانش پیشنهاد شده است3]وGartner .[4 و Hajjar در تحقیقاتی که بر روی قابهای خمشی فولادی با ستون CFT انجام داده اند به بررسی و نحوه بدست آوردن ضریب اضافه مقاومت در این نوع قابها پرداخته اند .[5]
1
شکل -1 ستون CFT
در حال حاضر و بخصوص در ایران ستونهای CFT بیشتر در سیستم ساختمانی قاب ساده به کار گرفته می شوند. و باید توجه داشت که رفتار و عملکرد قابهای خمشی با ستون CFT با رفتار یک سیستم قاب خمشی معمولی متفاوت است. بنابراین سیستم قاب خمشی فولادی با ستون CFT به عنوان سیستمی نسبتاً جدید نیازمند مطالعه بیشتر و استخراج ضریب رفتار می باشند تا به کمک این مطالعات بتوان آئین نامه های موجود را بروز و تکمیل تر نمود. بدین منظور چندین قاب خمشی فولادی با ستون CFT به صورت دو بعدی به کمک نرم افزار SAP2000 مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است. قابهای مورد بررسی در گام نخست بر مبنای آیین نامه بارگذاری ایران و مبحث دهم مقررات ملی ساختمان مورد طراحی قرار گرفته اندبه. منظور ارزیابی کمّی
نتایج، شکل پذیری و ضریب رفتار سازه ها محاسبه شده است.
. 2پارامترهای موثر در تعیین ضریب رفتار
اصلی ترین پارامتر تاثیر گذار بر ضریب رفتار، ضریب شکل پذیری است. در واقع قابلیت سازه در تحمل تغییر شکل های الاستیک و پلاستیک بدون اینکه سازه دچار فرو ریزش شود، ضریب شکل پذیری سازه است. با ایده آل کردن منحنی رفتار سازه به منحنی دو خطی (شکل (2، مطابق رابطه (1)
ضریب شکل پذیری به صورت خارج قسمت تغییر مکان جانبی نهایی به تغییر مکان جانبی تسلیم تعریف می شود.[6]
از طرفی سازه ها بر اثر وجود شکل پذیری، مقدار قابل توجهی از انرژی زلزله را مستهلک می کنند. میزان استهلاک انرژی، متناسب با ضریب شکل پذیری سازه است. برای تاثیر این پارامتر ضریبی به نام ضریب کاهش ناشی از شکل پذیری معرفی شده است .[7]
شکل -2 رفتار کلی یک سازه و منحنی ایده آل آن
2
در این پژوهش این ضریب با استفاده از روش پیشنهادی نیومارک و هال محاسبه گردیده است.[7] نیومارک و هال پیشنهاد دادند که ضریب کاهش ناشی از شکل پذیری از رابطه (2) بدست آید.
ضریب اضافه مقاومت Ω مقاومت اضافه ای است که سازه بیش از مقاومت طراحی تحمل می کند و این مقدار برابر است با نسبت حد تسلیم کلی سازه به هنگام تشکیل مکانیزم خرابی (Vy) به نیروی متناظر با تشکیل اولین مفصل خمیری .(Vs)
در نهایت با توجه به سهیم بودن عوامل فوق در ضریب رفتار، یوانگ پیشنهاد داد که ضریب رفتار سازه از ضرب این پارامترهای محاسبه شده برای حالت حدی بصورت رابطه (3) بدست می آید .[6]
. 3مشخصات سازه
در تحقیق حاضر 12 مدل متنوع قاب خمشی فولادی با ستون CFT بصورت دو بعدی مدلسازی شده و نمودار ظرفیت این سازه ها توسط تحلیل استاتیکی غیر خطی بدست آمده است. همه قاب های مدلسازی شده دارای 5 طبقه بوده و ارتفاع هر طبقه 3 متر می باشد. مدلهای متنوعی به ازای نسبت طول دهانه به ارتفاع طبقه 1، 1/5، 2 و نسبت تنش تسلیم فولاد به مقاومت فشاری بتن 11/4، 9/6، 6/8، 5 مورد بررسی قرار گرفته اند. مفاصل پلاستیک معرفی شده در این سازه ها از نوع مفاصل اندرکنشی فایبر است که رفتار کلی مفاصل با استفاده از رفتار تنش کرنش هر فایبر بتنی یا فولادی بدست آورده می شود. در شکل (3) پلان و نمای جانبی مدل های مورد مطالعه مشاهده می شود.
شکل -3 پلان سازه های مورد مطالعه
نامگذاری مدلها بدینصورت است که عدد5 بیانگر تعداد طبقات، CMRF مخفف Composite Moment Resisting Frame و عدد دوم بیانگر نسبت طول دهانه به ارتفاع طبقه و عدد آخر بیانگر نسبت تنش تسلیم فولاد به مقاومت فشاری بتن است. جهت تحلیل استاتیکی غیر خطی مطابق نشریه شماره [8] 360 از ترکیب بار ثقلی1.1QD+1.1QL از نوع کنترل شونده توسط نیرو با شرایط اولیه صفر و الگوی بارگذاری جانبی مثلثی با شرایط اولیه
3
ترکیب بار ثقلی ذکر شده در بالا و از نوع کنترل شونده توسط تغییر مکان استفاده شده است. در این حالت سازه تحت اثر بار جانبی تغییر شکل جانبی بر سازه اعمال می شود تا زمانی که سازه به حداکثر تغییر مکان ممکن برسد، بعد از این تغییر مکان سازه یا ناپایدار می شود یا فرو می ریزد.
مفاصل فایبر، مفاصلی که سطح مقطع عضو را به اجزای کوچکتری تقسیم کرده که هر قسمت دارای طولی برابر با طول مفصل و رفتار غیر خطی و بارگذاری جداگانه می باشد گفته می شوند. رفتار کلی عضو بر اساس رفتار مجموع اجزا تعیین می شود. هر فایبر فقط می تواند تحت تنش های طولی قرار گیرد، بنابراین تنها رفتار غیر خطی اعضا تحت خمش و بار محوری را می توان با این مفاصل بررسی نمود. نیروی وارد بر هر فایبر برابر مجموع تنشهای روی سطح اختصاص داده شده به آن، از مقطع اصلی می باشد. می توان نتیجه گرفت که هر فایبر به عنوان یک میله تحت بار محوری عمل می-نماید. برای مدلسازی ستونهای CFT به روش مفاصل اندرکنشی فایبر، Hu و همکاران رابطه تنش و کرنش بتن محصور شده برای ستونهای CFT با مقطع مستطیل شکل را بصورت شکل (4) و روابط (4) معرفی کردند.[9]
که مقاومت فشاری بتن محصور شده ، کرنش بتن محصور شده، K1=4.1 وK2=5K1 ، fl تنش فشاری جانبی لوله فولادی وc کرنش بتن نامحصور که برابر مقاومت فشاری بتن نامحصور می باشند. همچنین مقدارfl و K3 با توجه به شکل (3) از روابط بدست می آیند.
شکل -4 نمودار تنش کرنش بتن محصور شده
B بعد ستون وtضخامت باکس فولادی، همچنین در شکل (4) پارامتر r برابر 1 و مقدارEcc از رابطه (7) بدست می آید.
که Ecc مدول الاسیسیته بتن محصور شده می باشد.
مقاطع استفاده شده در مدل های قاب خمشی فولادی با ستون CFT در جدول (1) آمده است. مشخصات مصالح مصرفی مدلها در جدول (2) ذکر شده است.
