بخشی از مقاله
چکیده
تحلیل اجزا محدود غیرخطی یک اتصال خارجی تیر به ستون قاب خمشی بتن مسلح تحت بارگذاری استاتیکی و بمنظور بررسی زوال برشی هسته اتصال در قالب مقاومت نهایی، تغییرشکلها و الگوی ترک خوردگی به انجام رسیده است. اتصالات تیر به ستون بتن مسلح میتواند رفتار بسیار ترد و شکنندهای را بهنگام تمرکز خرابیهای زیاد در هسته اتصال از خود نمایش دهند، رفتاری که فلسفه طراحی شکلپذیر و عملکرد سازه تحت بارهای لرزهای را دچار نقص اساسی میکند، با توجه به اهمیت بررسی رفتار هسته اتصالات تیر به ستون در ساختمانهای بتنی و تأثیر آنها بر مقاومت، شکلپذیری و پایداری قابهای خمشی بتنی، در این مقاله یک مدل اجزا محدود با تمرکز بر رفتار برشی هسته اتصال ارائه شده است.
تحلیل اجزا محدود به صورت سه بعدی با مدلسازی مناسب رفتار تنش-کرنش بتن، المانها و شرایط مرزی صورت گرفتهاست. مدل آسیب پلاستیک بتن به صورت یک مدل پلاستیسیته گسترده برای تعریف رفتار غیرخطی بتن مسلح، مورد استفاده قرار گرفته و نتایج مدل عددی به وسیله نتایج آزمایشگاهی یک اتصال تیر به ستون خارجی تیپ ساختمانهای بتن مسلح قدیمی - غیر شکلپذیر - و مستعد زوال برشی هسته اتصال، تحت بارهای شبه استاتیکی لرزهای راستآزمایی شده است. مقایسه بین نتایج آزمایشگاهی و مدل عددی نشان میدهد که این مدل به طور مناسبی قابلیت پیشبینی زوال برشی در هسته اتصال تیر به ستون قاب خمشی بتن مسلح را دارا میباشد.
کلمات کلیدی: تحلیل اجزا محدود سه بعدی، مدل خرابی پلاستیک بتن، اتصال تیر-ستون بتن مسلح، زوال برشی هسته، مدل عددی
مقدمه
زوال برشی هسته اتصال تیر به ستون تحت بارهای لرزهای به علت ایجاد تلاشهای خمشی در انتهای اعضای متصل به هر سمت هسته اتصال - تیرها - و در نهایت ایجاد تنش های برشی قابل توجه در هسته اتصال به وجود میآید. زوال ترد هسته اتصال میتواند تبعات جدی و حتی فروریزش کلی قاب خمشی را در پی داشته باشد. این موضوع بهویژه در ساختمانهایی که قبل از کاربرد ضوابط لرزهای آییننامههای کنونی نظیر [1-4] طرح شدهاند، تحت بارهای لرزهای مشاهده شده است.
از میانه دهه 1960 مطالعات تحلیلی و آزمایشگاهی قابلتوجهی بر روی اتصالات تیر به ستون بتن مسلح بهمنظور درک عملکرد آنها تحت بارهای جانبی زلزله به انجام رسیده است. هانسن و کانر در سال 1967 تعریف کمی از برش در هسته اتصال را پیشنهاد دادند، در تعریف آنها برش هسته اتصال از نمودار جسم آزاد در وسط پانل هسته اتصال به دست میآید. پائولی و پریسلی در سال 1978 مکانیزمهای کیفی برش در هسته اتصال بتنی را معرفی نمودند.
این مکانیزمهای مقاومت در برابر برش شامل-1 عملکرد نوارهای فشاری بتن ناشی از انتقال نیرو به هسته اتصال توسط باربری نواحی فشاری بتن اعضای تیر و ستون مجاور و-2 عملکردخرپایی ناشی از پیوستگی بین میلگردها و بتن در هسته اتصال میباشد. پساز این مطالعات پایه در خصوص برش در هسته اتصال تیر به ستون بتن مسلح، پژوهشگران به انجام مطالعات آزمایشگاهی و تجربی بر روی نمونههای اتصال تیر به ستون درمقیاسهای ابعادی مختلف پرداخته، پایگاهی از دادههای تجربی را جمعآوری نموده و پارامترهای محتمل مؤثر بر مقاومت برشی هسته اتصال را مورد پژوهش قرار دادند.
اخیراً مطالعات قابل توجهی بر روی توسعه روابط طراحی تحلیلی یا تجربی بهمنظور پیشبینی مقاومت برشی هسته اتصال تیر به ستون قابهای خمشی با یا بدون وجود میلگرد عرضی در هسته اتصال، انجام شده است. پژوهشهای انجام شده را به طور کلی میتوان به دو دسته تقسیم نمود، گروه اول شامل پژوهشهایی میشود که به ارائه مدلهای تجربی برای تخمین ظرفیت برشی هسته اتصال بر اساس نتایج آزمایشهای تجربی سایر پژوهشگران، پرداختهاند.
کلاید و همکارانش در سال 2000 و پنتلایدز و همکارانش در سال 2002 آزمایش هایی را بر روی تعدادی از نمونههای اتصال تیر به ستون بتنی بهمنظور تعیین سطوح ارزیابی بر اساس عملکرد را طبق ضوابط به انجام رساندند. کیم و لافاو در سال 2007 نتایج آزمایشهای با بارگذاری شبه استاتیکی - رفت و برگشتی - انجام شده توسط پژوهشگران مختلف بر روی انواع مختلف هسته اتصال - داخلی، خارجی و گوشه - که دارای حداقل میزان محصورشدگی هسته اتصال بودند را جمعآوری نمودند. هدف اصلی پژوهش آنها بررسی مؤثرترین پارامترها بر روی رفتار تنش کرنش برشی هسته اتصال تیر به ستون بتن مسلح بوده است.
پارامترهایی نظیر خواص مصالح، هندسه هسته اتصال، محصورشدگی از طریق میلگردها، شرایط پیوستگی میلگردها و نیروی محوری ستون. گروه دوم شامل مدلهای تحلیلی میگردد که بر مبنای رویه های ساده تحلیلی اعمال شده بر روی هسته اتصال تیر به ستون بتن مسلح پایهریزی شدهاند. این مدلها به وسیله نتایج آزمایشگاهی موجود کالیبره و راستیآزمایی گردیدهاند. برای نمونه کاتساوو و مازاکیس یک روش طراحی برای هسته اتصال تیر به ستون بتن مسلح ارائه کردند. فرض اساسی در مدل آنها این بود که بار انتقال یافته از المانهای خطی در نظرگرفته شده در مدل به هسته اتصال، به طور عمده توسط مکانیزم نوارهای فشاری قطری بتن مقاومت میشود.
لیما و همکارانش در سال 2012 تعدادی از مدلهای تحلیلی معرفی شده در دو دهه اخیر را بهمنظور پیشبینی مقاومت برشی هسته اتصال تیر به ستون بتن مسلح مرور کردند. پارک و مسلم در سال 2012 به انجام مطالعات تجربی و تحلیلی بر روی ساختمانهای بتن مسلح با اتصالات تیر به ستون آسیبپذیر در برابر بارهای لرزهای پرداختند. در مطالعات آنها تستهای آزمایشگاهی بر روی اتصالات تیر به ستون همراه با اجرای بخشی از دال در محل اتصال صورت گرفت و پارامترهایی نظیر نسبت ارتفاع تیر به عمق ستون و درصد میلگردهای طولی تیر مورد بررسی قرار گرفت.
نیرومندی، نجفقلیپور و رونق در سال 2014 به بررسی عددی و مطالعات پارامتری بر روی زوال برشی در هسته اتصالات خارجی پرداختند، مدل عددی آنها قابلیت پیشبینی نوع زوال برشی هسته اتصال را با دقت مناسبی دارا بوده است. نتایج تحقیق آنها نشان داد که دو پارامتر مهم نسبت ابعاد تیر به ستون و درصد میلگردهای طولی تیر،تأثیر بسزایی در زوال برشی در هسته اتصال تیر به ستون بتنی دارد.
تقریباً در اکثر مدلسازی های موجود برای اتصالات تیر به ستون بتنی به شبیهسازی رفتار خمشی تیر و یا ستون منتهی به گره اتصال توجه شدهاست. در حالیکه در بسیاری موارد رفتار و مقاومت برشی در هسته اتصالات است که پاسخ نهایی اتصال را کنترل میکند. بنابراین با انتخاب یک آزمایش انجام شده بر روی یک اتصال خارجی تیر به ستون بتنی که در نهایت شکست برشی هسته اتصال برای آنها گزارش شده است و مدلسازی آن در نرم افزار اجزا محدود مدل پیشنهادی راستآزمایی شده است. مقایسه نتایج حاصل از آزمایش و مدل سازی عددی نشان از توانایی روش ارائه شده در شبیه سازی رفتار هسته اتصال حتی در ناحیه پس از مقاومت نهایی دارد.
نمونه آزمایشگاهی مورد مطالعه جهت راستآزمایی مدل
یک هسته اتصال تیر به ستون خارجی رایج در ساختمانهای با سیستم قاب خمشی بتن مسلح قدیمی مربوط به پژوهش کلاید و همکارانش به عنوان مدل اصلی در این پژوهش مورد راستآزمایی قرار گرفته است. ابعاد هندسه کلی اتصال به مقیاس نصف کاهش یافته است. بهمنظور جلوگیری از زوال زودهنگام تیر و بررسی رفتار هسته اتصال، درصد میلگردهای طولی تیر میزان بالاتری درنظر گرفته شده است. در پانل هسته اتصال هیچگونه میلگردگذاری عرضی در نظر گرفته نشده است.
طول گیرایی میلگردهای طولی تیر که به صورت خم 90 درجه اجرا شده است، معادل %86 میزان طول گیرایی مورد نیاز برای یک اتصال نوع I و %103 طول گیرایی مورد نیاز برای اتصال نوع مطابق ضوابط لرزهای آیین نامه ACI352R-02 میباشد. نسبت مجموع مقاومت خمشی اسمی ستونها در محل اتصال به هسته به مقاومت خمشی اسمی تیر برابر با 1/23 بوده که در محدوده مقدار توصیه شده 1/2، طبق ضوابط آیین نامه مذکور میباشد.
ابعاد و جزئیات اتصال
عرض تیر و عمق آن که به صورت متقارن با 4 میلگرد 9 معادل با 28 برای هر دو قسمت میلگردهای مثبت و منفی تیر مسلح شده است. درصد میلگردها در این حالت %2/47 میباشد. هر یک از میلگردهای طولی تیر دارای 19 میلیمتر طول گیرایی با خم 90 درجه بوده که % 55 میزان طول گیرایی موردنیاز طبق استانداردهای کنونی را تأمین کرده است. میلگردگذاری عرضی تیر و ستون به وسیله خاموتهای اجرا شده با میلگرد 3 معادل 10 و درخارج از پانل هسته اتصال اجرا شده است.ابعاد ستون شامل عرض 305 mm و عمق 457 mm بوده که به وسیله 8 میلگرد 7 معادل 22 پیرامون ستون مطابق جزئیات مسلح شده است. نسبت فولاد ستون در این حالت برابر با % 2/54 میباشد.
