بخشی از مقاله
چکیده
اتصالات تیر-ستون بتن آرمه نقاط حساس و کلیدی قاب های خمشی بتن آرمه هستند که نقش انتقال بارهای ثقلی و جانبی را از تیر به ستون بر عهده داشته و در صورت آسیب دیدن در برابر بارهای زلزله موجب تخریب اعضاء و حتی تخریب کلی سازه می شود.
این مقاله به بررسی تاثیر کاهش ارتفاع تیر و مقاومت بتن اتصالات تیر-ستون بتن آرمه بر رفتار چرخه ایی آن در برابر بارهای رفت و برگشتی می پردازد. در این راستا دو اتصال تیر-ستون بتن آرمه -T شکل خارجی با مقیاس 1/2، اتصال مرجع با ارتفاع تیر و مقاومت بتن استاندارد و نمونه اتصال معیوب با ارتفاع تیر کاهش یافته و بتن ضعیف کم مقاومت، ساخته شده و تحت آزمایش بارگذاری رفت و برگشتی در نوک تیر خود قرار گرفتند.
نتایج و مشاهدات آزمایشگاهی نشان دادند کاهش همزمان %25 ارتفاع تیر اتصال و کاهش %45 مقاومت بتن، موجب کاهش شدید 45 درصدی سختی متوسط اتصال و افزایش جابجایی نوک تیر اتصال می شود و به ازای یک نیروی معین وارده بر نوک تیر، آسیب های بتن ناحیه چشمه اتصال تحت بارگذاری چرخه ایی در اتصال بتن آرمه معیوب نسبت به اتصال استاندارد به شدت افزایش می یابد. همچنین نتایج آزمایشگاهی حاکی از آن است که حداکثر ظرفیت باربری و جذب انرژی اتصال بتن آرمه معیوب نسبت به اتصال بتن آرمه مرجع به ترتیب حدود 30 و 67 درصد کاهش می یابند.
-1 مقدمه
هنگامی که قاب های خمشی بتن آرمه - - RC تحت بارهای لرزه ای قرار می گیرند، اتصالات تیر-ستون در آن ها از اجزای کلیدی به شمار می روند که یکپارچگی و پایداری کلی سازه را تضمین می کنند2]، .[1 بازرسی های زلزله های گذشته قاب های خمشی بتن RC آسیب دیده، نشان داده که در بعضی از موارد تمرکز آسیب ها و خرابی ها در اتصالات تیر-ستون، منجر به ناپایداری جزیی و یا کلی ساختمان می شود.[7-3] در این میان اتصالات تیر-ستون RC خارجی بدلیل عدم پیوستگی هندسی سازه ای و شرایط محصور شدگی کمتر نسبت به اتصالات تیر-ستون داخلی آسیب پذیرتر عمل کرده اند.
تاکنون در کشور ساختمان های بسیاری با سیستم مقاوم جانبی قاب خمشی RC ساخته شده یا می شوند. بعضی از سازه های قاب خمشی RC موجود، ممکن است با آیین نامه های قدیمی، طراحی و اجرا شده باشند و نیاز به مقاوم سازی داشته باشند اما در عین حال، ممکن است بعضی از این نوع سازه ها صحیح طراحی شده باشند اما در روند اجرا با نواقصی همراه باشند. اجرای ناقص قاب های خمشی RC در گذشته با تیرهای با ارتفاع کاهش یافته - حذف آویز کششی تیر - و یا احیانا بتن ریزی ضعیف سازه به علت سهل انگاری پیمانکاران و مهندسین ناظر ساختمان، دو معضلی است که منجر به ناکارآمدی سیستم در برابر بارهای جانبی و ثقلی می شود.
علت اصلی این که بعضی از پیمانکاران ساختمان تمایل به کاهش ارتفاع تیر یا حذف آویز تیر دارند به دلیل مسایل معماری و یکنواخت کردن ضخامت تیر با سقف بوده و احیانا سهولت اجرای سازه می باشد. باید دقت نمود که کاهش ارتفاع تیرهای قاب های خمشی RC، ضمن منجر شدن به کاهش ظرفیت باربری سازه، باعث کاهش شدید ممان اینرسی مقطع تیرها و سختی قاب ها می گردد و مطابقتا تمایل سازه به تغییر مکان های قایم و جانبی سازه در برابر بارهای ثقلی و لرزه ای افزایش می یابد. افزایش خیز قایم تیرهای قاب RC باعث ترک خوردگی نازک کاری ها در ساختمان شده و همچنین افزایش بیش از حد تغییر مکان جانبی سازه در برابر بارهای زلزله منجر به پدیده برخورد ساختمان با ساختمان های مجاور می گردد.
اجرای سازه با بتن ریزی ضعیف و کاهش مقاومت بتن نیز منجر به کاهش دوام بتن سازه در برابر عوامل محیطی و کاهش مدول الاستیسیته بتن Ec ، و افزایش انتشار ترک خوردگی بتن سازه در برابر بارهای لرزه ای شده که در نهایت می توان گفت تمام این عوامل منجر به کاهش مقاومت پیوستگی و لغزش بین بتن و آرماتورها، مخصوصا در اتصالات تیر-ستون خارجی می شود. به همین دلیل آیین نامه های طراحی سازه های بتن آرمه از جمله آیین نامه [ 8] ACI 318 -14 پیشنهاد می دهند که حداقل مقاومت فشاری بتن Iʼc برای قاب های بتن آرمه ویژه نباید از 21 مگاپاسکال کمتر باشند. همچنین آیین نامه های امروزی لازم می دانند که آرماتورهای تیر در محل اتصال طوری مهار شوند که تنش در میلگردهای تیر تا حد 1/25 fy برسند.
ظرفیت مقاومت و تغییر شکل اتصال تیر-ستون به سلسه مراتب مقاومت داخلی آن بستگی داشته که معمولا در چارچوب طراحی ظرفیت سازه های RC ارزیابی می گردند.
از آنجا که اتصالات تیر- ستون در قاب های RC از نقاط حساس و کلیدی سازه هستند و نقش مهمی را در انتقال بارهای قایم و لرزه ای ایفا می کنند توجه بیشتری را در بحث طراحی نسبت به نقاط دیگر در این نوع سازه ها می طلبند. در شکل 1 نیروهای وارد بر اتصالات تیر- ستون خارجی نشان داده شده است.
دو مکانیزمی که در انتقال برش در این اتصالات نقش ایفا می کنند، مکانیزم استرات فشاری بتن2 و دیگری عملکرد خرپایی3 خاموت ها و آرماتورهای افقی تیر در چشمه اتصال4 هستند - شکل . - 1 عملکرد هر یک از این دو مکانیزم درانتقال برش اتصال بستگی به شرایط خرابی و آسیب دیدگی اتصال و اعضای مجاور آن دارد.
بر اساس رابطه آورده شده در [10] ACI 352R، برای یک ممان خمشی معین در تیر شکل 1، با کاهش ارتفاع تیر در اتصال تیر-ستون RC، بازوی نیروهای کششی و فشاری در تیر بتن آرمه کاهش یافته و نیروهای افقی Vjh و تنش برشی در ناحیه چشمه اتصال افزایش می یابد
شکل -1 نمایش نیروها و تنش های وارده بر اتصال کناری
T1، نیروی کششی در آرماتور تیر و Vcol نیروی برشی در ستون که هر دو بر حسب کیلو نیوتن هستند . همچنین Mb، ممان خمشی وارد بر تیر در نزدیکی بر اتصال و Zb، فاصله بازوهای نیروهای داخلی تیر در وجه ستون می باشد.
مطابق [10] ACI 352R، مقاومت برشی اتصال،Vn، با بتن با وزن مخصوص معمولی به مقاومت فشاری بتن، ابعاد اتصال و چگونگی محصور شدگی اعضای قاب بستگی داشته و مطابق رابطه 2 محاسبه می گردد:
که k برای اتصال محدود شده از هر چهار طرف، سه طرف یا دو طرف مخالف هم و حالات دیگر به ترتیب 1/7، 1/2 و 1/0 می باشد. fc مقاومت فشاری استوانه ای بتن بر حسب مگاپاسکال و Aj مساحت موثر اتصال بر حسب میلی متر مربع است. از سوی دیگر مطابق رابطه 2، با کاهش مقاومت فشاری بتنfc، مقاومت برشی چشمه اتصال،Vn کاهش می یابد. و در صورتی که نیروی برشی اتصال Vjh از مقدار مقاومت برشی اتصالVn بیشتر گردد بتن ناحیه اتصال ترک خورده و ناحیه اتصال خسارت می بیند.
نیاز عملکردی یک اتصال در این است که در ناحیه تقاطع تیرها و ستونها قادر باشد اعضاء متصل را تا رسیدن به حد ظرفیت نهایی تحمل و توسعه دهد. نیازهای نیرویی بر روی این المان با اندازه محدود - اتصال - علیالخصوص تحت بارهای لرزهای، بسیار شدید میباشد. اتصالات میبایست مقاومت و سختی کافی جهت مقابله با نیروهای داخلی که از اعضاء قاب منتج میشوند را داشته باشند.
در این راستا جهت بررسی موارد فوق، دو اتصال تیر-ستون RC، که یکی با تیر با ارتفاع کاهش یافته و بتن ضعیف و دیگری بصورت یک اتصال تیر-ستون استاندارد در آزمایشگاه سازه دانشگاه سمنان ساخته شده و مورد آزمایش قرار گرفته است که در ادامه به معرفی برنامه آزمایشگاهی و نتایج آن پرداخته می شود.
-2 برنامه آزمایشگاهی
-1-2جزییات نمونه ها
دو اتصال تیر- ستون بتن آرمه با مقیاس 1/2 با نام های SC1 و SC2 بتن ریزی و ساخته شده اند. مطابق شکل 2، اتصالات بتن آرمه متشکل از ستونی با طول 1900mm و تیری با طول 1400 mm است که یک اتصال کناری را در طبقات میانی یک قاب دو بعدی با چرخش 90 درجه را شبیه سازی می کنند. نمونه SC1 به عنوان نمونه ضعیف دارای تیری با مقطع با عرض 250mm و ارتفاع کاهش یافته 150mm و نمونه SC2 نیز به عنوان نمونه کنترلی دارای مقطع تیر با عرض برابر 250mm و ارتفاع استاندارد 200mm می باشد. ستون ها در هر دو نمونه با مقطع عرضی 250×250 mm هستند.
