بخشی از مقاله
چکیده:
استفاده از ستونهای فولادی پرشده با بتن در سازههای مختلف از جمله ساختمانهای بلند مورد توجه است. دلیل این امر آن است که استفاده از این ستونها سبب عملکرد مناسب تر سازه در برابر بارهای لرزهای میشود. طراحی مناسب این ستونها نیازمند تخمین دقیقی از رفتار این اعضا تحت بارهای وارده میباشد.در این مقاله، رفتار ستونهای فولادی پرشده با بتن تحت اثر بارهای فشاری با استفاده از روش اجزا محدود پیشبینی می-شود. ستونهای مورد مطالعه دارای مقطعهای عرضی بصورت دایروی و مستطیلی میباشد. نتایج پیشبینی شده توسط شبیهسازی اجزا محدود با دادههای آزمایشگاهی موجود از ستونهای فولادی پرشده با بتن مقایسه می-شوند. مقایسهها نشان میدهد تطابق مناسبی میان نتایج مدل پیشنهادی و دادههای آزمایشگاهی وجود دارد.
-1 مقدمه
بتن یکی از گستردهترین مصالح ساخت و ساز در جهان امروز میباشد. استفاده گسترده از بتن در صنعت ساخت و ساز از در دسترس بودن و ارزانیاش در مقایسه با سایر مصالح میباشد. برای استفاده بهینه از این ماده در سازهها، مطالعات فراوانی به منظور بهبود رفتار بتن و همچنین اعضای ساخته شده با آن انجام شده است که در این زمینه میتوان به ابداع و ساخت ستونهای فولادی پرشده با بتن اشاره کرد. استفاده از ستونهای فولادی پرشده با بتن، موجب عملکرد مناسب سازه در برابر بارهای لرزهای میشود. این ستونها در سازههای مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند و استفاده از آنها در ساختمانهای بلند مورد توجه است. بدیهی است برای استفاده از این ستونها در سازهها به تخمین دقیق و مورد قبولی از رفتار این اعضا تحت بارهای وارده خصوصا بارهای فشاری نیاز میباشد. به همین منظور برای شناخت ستونهای فولادی پرشده با بتن تحقیقات گستردهای انجام شده و نیز در حال انجام است. تاکنون اکثر مطالعات بر روی این ستونها به ارزیابی رفتار این اعضا بوسیله روشهای آزمایشگاهی متمرکز شده است .[1-2] این در حالی است که انجام این آزمایشها مستلزم هزینه و زمان زیاد می باشد و تنها میتوان از نتایج آن در شرایط خاص آن آزمایش بهره برد. لازم بذکر است که مطالعات محدودی نیز با استفاده از روشهای عددی - شبیهسازی توسط روش اجزا محدود - انجام شده است .[3] البته باید ذکر کرد تحلیل رفتار این ستونها توسط روشهای عددی با استفاده از روشهای ارائه شده توسط محققین ذکر شده بدلیل پیچیدگیها در تعیین مدلهای مشخصه مواد و پیش زمینه تئوری مشکل، کاملا توسعه نیافته است و همچنین به زمان و هزینه زیادی نیاز دارد. لذا استفاده از این روشها برای مهندسین در پروژههای موجود کارآمد نمیباشد و مهندسان در این زمینه نیازمند روشهای ساده، عملی ودر عین حال دقیق میباشند. برای نیل به این هدف، در این مقاله رفتار ستونهای فولادی پرشده با بتن تحت بارهای فشاری با استفاده از روش اجزا محدود پیشبینی میشود. ستونهای مورد مطالعه دارای مقطعهای عرضی بصورت دایروی و مستطیلی میباشد. علاوه بر این، نتایج پیشبینی شده توسط شبیهسازی اجزا محدود با دادههای آزمایشگاهی موجود از ستونهای فولادی پرشده با بتن مقایسه میشوند.
-1 مدلسازی اجزا محدود
برای مدلسازی ستونهای مورد مطالعه در این پژوهش از برنامه اجزا محدودی OpenSees استفاده شده است. مراحل تحلیل در نرمافزار OpenSees در شکل 1 نشان داده شده است. در این مطالعه جهت کاهش حجم و زمان محاسبات، المان تیر-ستون با رفتار غیر خطی گسترده برای تشریح رفتار بتن و فولاد مورد استفاده قرار میگیرد. المان تیر -ستون، یک المان دو بعدی -دو گرهای و منشوری میباشد. این المان بر پایه این فرض می باشد که سطح مقطع به صورت صفحه ای و عمود بر محور طولی عضو در طول عمل تغییر شکل باقی میماند که این فرض منجر به رابطه هندسی ساده بین انحنا مقطع و کرنش محوری میشود.
-2 مدلهای مشخصه بتن و فولاد
دقت و اعتبار تحلیلهای اجزا محدود غیر خطی سازههای بتنمسلح وابسته به روابط مشخصهای میباشد که در هر دامنه اجزا محدود به کار رفتهاند. از آنجا که از اثرات لغزش بین مواد مختلف در مدل مورد مطالعه در این پژوهش چشمپوشی شده است، برای شبیهسازی رفتار ستونهای فولادی پرشده با بتن فقط دو مدل ماده مورد نیاز است که شامل مدلی برای بتن و مدلی نیز برای فولادهای محصورکننده میباشد. بدین منظور همان طور که در شکل 2 نشان داده شده است برای بیان رفتار بتن در فشار از مدل اصلاح شده کنت-پارک استفاده میشود. این مدل از سه بخش تشکیل شده است: بخش افزاینده سهموی که تا مقاومت فشاری حداکثر ادامه مییابد در ادامه بخش کاهنده خطی و در انتها بخشی که دارای تنش ثابت میباشد.
شکل - 2 مدل مشخصه بتن در فشار
رفتار کششی مدل بتن همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است تا قبل از رسیدن به مقاومت ماکزیمم خطی میباشد و پس از آن با افزایش کرنش، تنش کششی بصورت خطی کاهش مییابد.
شکل -2 مدل بتن در کشش
به منظور مدلسازی رفتار فولاد، این ماده بصورتی که دارای سختشوندگی ایزوتروپیک باشد، در نظر گرفته شده است که نمودار تنش-کرنش آن در شکل 4 بصورت شماتیک نشان داده شده است.
