بخشی از مقاله
بررسی عوامل موثر بر افزایش مقاومت برش پانچ در اتصالات دالهای تخت بتن مسلح
چکیده
مزایای دالهای دوطرفه مخصوصاً دالهای تخت سبب کاربرد زیاد این نوع سازه شده است؛ ولی این سیستم ها با مشکلاتی نظیر خیز زیاد و برش پانچ مواجه هستند. در این مقاله عوامل موثر بر افزایش مقاومت برش پانچ مورد مطالعه قرار گرفت. برای این منظور ابتدا مدل اجزا محدود دال در نرم افزار ABAQUS توسعه داده شد و خصوصیات غیرخطی مصالح منظور گردید. پس از کالیبره کردن نرم افزار، تاثیر نسبت آرماتور دال، مقاومت فشاری بتن و وجود آرماتور در ناحیه فشاری مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این بررسی نشان داد که مقدار آرماتور اتصال در تعیین مد شکست اتصال نقش اساسی بازی میکند. همچنین با افزایش مقاومت فشاری بتن، ظرفیت باربری و تغییرمکان نهایی اتصال افزایش خواهد یافت.
واژههای کلیدی: دال تخت، برش پانچ، نسبت آرماتور، مقاومت فشاری، .ABAQUS
1
-1 مقدمه
دال تخت بتن مسلح یکی از سیستمهای مرسوم سازهای است. عدم وجود تیر در این دالها، موجب سهولت اجرا، افزایش سرعت ساخت و ساز، افزایش ارتفاع خالص طبقه و کاهش ارتفاع کلی ساختمان میگردد. با این وجود، خطر شکست ترد پانچ در اتصالات دال ستون باعث میشود که این سـیستمها مستعد خرابی پیش روندهای باشند که با بروز گسیختگی در یک اتصال همراه خواهد بود. مکانیزم انتقال بار از دال به ستون با پیچیدگیهایی همراه است و عوامل زیادی بر آن تاثیر میگذارد. در این نوع اتصالات، با اندرکنش دو نوع متفاوت از شکست مواجه هستیم: شکست خمشی و شکست برشی. شکست خمشی شکستی نرم است که با تسلیم شدن آرماتورهای دال در محل اتصال و تغییرشکلهای زیاد همراه است. این نوع شکست به لحاظ ماهیت رفتاری خود، شکستی مطلوب به حساب میآیدشکست. برشی برخلاف شکست خمشی لزوماً با تسلیم آرماتورها همراه نیست و شکست با زاویه-ای در حدود 45درجه رخ میدهد. به دلیل ماهیت رفتاری ترد بتن، این نوع شکست با تغییرشکلهای کم همراه است و به این دلیل شکست مطلوبی نمی باشد .[1]
عوامل زیادی بر مکانیزم شکست اتصالات موثر است که بعنوان مهمترین عامل، میتوان از میزان فولاد اتصال نام برد. در این زمینه میتوان به تحقیقات و نمودارهایی که توسط منتری [2] ارائه شده است، اشاره نمود. در این نمودارها تفاوت در رفتار اتصال تحت تاثیر میزان آرماتور به خوبی دیده میشود. اگرچه بارنهایی اتصال در شـکسـت خمشی، کمتر از شکست برشی میباشد؛ ولی میزان تغییرشکل بعد از بارنهایی در این نوع شکست بیشتر بوده و بعبارت بهتر، شکل پذیری اتصال در این نوع شکست بیشتر خواهد بود. عوامل دیگری از جمله مقاومت بتن و وجود آرماتور در وجه فشاری اتصال نیز بر ماهیت رفتاری اتصال تاثیر گذار است .[3]
شکست برشی اتصال که با نام شکست پانچ شناخته میشود، تمایل به ترک خوردگی مورب و برش دال تخت را در اطراف یک سـتون بیان میکند. در حقیقت انتقال بارهای قائم از دال تخت به سـتون، در اطراف سـتون نیروی برشی محیطی ایجاد میکند، که این نیرو تمایل دارد یک ترک قطری پیرامونی به شکل یک مخروط ناقص برای ستون دایروی و به شکل یک هرم ناقص برای ستون با مقطع مستطیل ایجاد کند. زاویه تورب ترک در برش پانچ نسبت به افق، بین 25 تا 45درجه متغیر است که معمولاً برابر با 45 درجه فرض میشود. بنابراین میتوان فرض کرد مقطع بحرانی در برش پانچ، یک مقطع قائم است که به فاصله از بر ستون قرار گرفته است. این ساده سازی معمولاً توسط آئین نامهها مورد استفاده قرار میگیرد.
2
شکل :1 منطقه مستعد شکست پانچ [4]
گسیختگی برش پانچ به صورت گسیختگی موضعی و ترد اتصال دال ستون که در آن ستون به همراه بخشی از دال به داخل دال فشار وارد میکند تعریف میشود. تعدادی ساختمان با سیستم دال تخت در زلزله های گذشته فرو ریختند از آن جمله می توان به گسیختگی پانچ در 44 ساختمان با دال قارچی در زلزله سال 1985 مکزیکوسیتی [5]، ساختمان بورس بای بریج در سال 1989 لوماپرتیا [6]، فروشگاه بالاکز در زلزله 1994 نورتریج اشاره کرد .[7] آمار بالای تلفات جانی و مالی ناشی از این نوع شکست در زلزلههای اخیر، طراحان را بر آن میدارد تا از وقوع این نوع شکست در دال جلوگیری کرده و اتصال را به سمت شکست نرمتری مانند شکست خمشی سوق دهند. در بررسی صورت گرفته، عوامل موثر بر ظرفیت برش پانچ اتصال بررسی شده و در نهایت تاثیر این عوامل با یکدیگر مقایسه میشود تا بتوان به طرحی بهینه برای طراحی این نوع اتصالات دست یافت.
-2 مدلسازی و مشخصات مدلها
برای مدلسازی دالها، از برنامه اجزا محدود ABAQUS 6.10 استفاده شد. در این برنامه از المان 8 گرهای C3D8R برای مدلسازی بتن، تکیه گاه صلب و صفحه فشاری، و از المان دو گره ای میله ای T3D2 برای مدلسازی آرماتورها بهره برده شد. خواص غیرخطی فولاد و بتن نیز در برنامه اعمال گردید. پس از مدلسازی تمامی اجزا براساس اندازههای ساخته شده در آزمایشگاه، تمامی اجزا مونتاژ شده و قیدهای درگیرکننده این عناصر به نرم افزار معرفی شد.
نرم افزار ABAQUS امکان معرفی رفتار بتن تحت مدلهای مختلف را داراست. در مدلسازی دالها از مدل پلاستیک آسیب دیده بتن (Concrete Dameged Plasticity) استفاده شد. مدل پلاستیک آسیب دیده بتن مدل توانمندی است که برای بارگذاریهای مختلف کاربرد داشته و با بیان رفتار مجزای بتن در فشار و کشش، رفتار این ماده را به صورت واقعیتر بیان میکند. در این مدل با استفاده از مفاهیم الاستیک آسیب دیده ایزوتروپیک و پلاستیک کششی و فشاری، رفتار غیر خطی بتن بیان میشود .[8]
برای بررسی صحت مدلسازی، چندین نمونه آزمایشگاهی در برنامه مدل شدند. با تغیـیـر پـارامـتـرهایی مانند شـرایط تکیه گاهی، سخت شدگی کششی بتن، زاویه اتساع و غیره، سعی شد یک مدل واقع بینانه از نمونه در برنامه توسعه داده شود و نرم افزار
3
کالیبره گردد. به منظور دستیابی به این هدف، یک نمونه دال بتن آرمه که در سال 2008 توسط آگبوسو و همکاران[7] در لابراتواری در فرانسه آزمایش شده بود، مدلسازی شد. ابعاد و مشخصات دال در جدول 1 آورده شده است.
-1-2 توصیف هندسه دال
آزمایش روی دالهای مربعی با ابعاد 1200 در 1200 میلیمتر انجام شد. دالها روی چهار تکیه گاه ساده خطی به طول 1/2 متر قرار داشتند. بارگذاری با استفاده از جکی هیدرولیکی به صورت موضعی در سطحی به ابعاد 10 در 10 سانتیمتر اعمال گردید. بتن مصرفی در کلاس C30 تهیه شده و جهت ایجاد برش پانچ در دالها، از نسبت فولاد به بتن بالایی استفاده شد. آرماتورهای فولادی از نوع ST65 به صورت شبکه جوش شده مربعی برای وجه تحتانی و فولاد ST35 به صورت شبکه جوش شده مربعی برای وجه فوقانی استفاده شد.
شکل : 2 نمونه آزمایشگاهی دال آزمایش شده توسط آگباسو و همکاران [9]
4
نمودار تغییرمکان وسط دال در برابر بار اعمالی، رسم شد که در این مورد نتایج حاصل از نرم افزار با نتایج آزمایشگاهی تطابق خوبی داشت.
-3 تشریح نمونههای تحلیل شده
در ابتدا و بعنوان مهمترین عامل، نقش میزان آرماتور اتصال در رفتار دال مورد بررسی قرار گرفت. سپس 4 نمونه دال برای بررسی تاثیر مقاومت فشاری بتن بر ظرفیت اتصال مدلسازی و تحلیل شد. در انتها نیز تاثیر وجود یا عدم وجود آرماتور در ناحیه فشاری بررسی میشود.
1-3 تاثیر میزان فولاد اتصال بر مقاومت پانچ
به منظور بررسی تاثیر میزان فولاد بر مقاومت پانچ، 4 نمونه دال مدلسازی شد. نمونه کنترلی دارای درصد فولاد %0/7 بود. سه نمونه دیگر با نسبت آرماتورهای %0/41، %1 و %1/4 مدلسازی و نتایج آنها استخراج گردید. تنها تفاوت نمونهها در قطر میلگردهای تعریف شده بود. نتایج حاکی از تغییر در رفتار دال با تغییر در میزان آرماتور بود به نحوی که با افزایش میزان نسبت آرماتور مقطع، بار نهایی و سختی پس از ترک خوردگی افزایش یافته و تغییرمکان نهایی کاهش مییابد.
جدول :2 نتایج ظرفیت نهایی باربری و تغییرمکان و درصد افزایش هریک به همراه انرژی جذب شده
نمونه بار نهایی ( ) تغییرمکان نهایی ( ) انرژی جذب
5
نمودار تاثیر فولاد اتصال بر ظرفیت باربری و تغییرمکان نهایی دال، که در تعیین نوع شکست برشی و یا خمشی مهم است، در اشکال زیر آورده شده است.
با توجه به اشکال 5 و 6 نتیجه میشود، افزایش مقدار آرماتور باعث افزایش ظرفیت باربری و کاهش ظرفیت تغییرمکان نمونه-ها شده است. میتوان گفت با افزایش مقدار آرماتور شکل پذیری اتصال کاهش خواهد یافت زیرا مقاومت خمشی افزایش پیدا کرده و شکست خمشی به تعویق میافتد و این امر سبب شکست برشی خواهد شد و درنتیجه مقطع در باری کمتر از مقاومت خمشی نهایی دچار شکست می گردد؛ یعنی که مقاومت واقعی مقطع Mfو مقاومت خمشی نهایی است. با بروز زود هنگام شکست برش پانچ، مقطع قادر به جذب انرژی مطلوب نخواهد بود (شکل .(7
