بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به بررسی عددی رفتار برشی تیرهای بتن مسلح با استفاده از یک مجموعه روابط ساختاری جدید پرداخته شده است. ویژگی برجسته روابط ساختاری مورد اشاره لحاظ تأثیرات متقابل رفتار بتن و فولاد مدفون در بتن در آن با یک رویکرد ترک پخشی است. بدین ترتیب، روشی برای تحلیل غیرخطی اعضای سازهای بتن مسلح با رفتار صفحهای مانند تیر و دیوار برشی فراهم شده است که قادر به پیشبینی منحنی کامل بار تغییرشکل اینگونه المانها است.
در مدل پیشنهادی، به ظرفیت قفلشدگی سنگدانهها روی سطوح ترک توجه ویژه شده است. مقایسه نتایج روش حاضر با دادههای آزمایشگاهی موجود در خصوص آزمایشات تیرهای بحرانی در برش نشان دهنده دقت بسیار خوب مدل ارائه شده است. بعلاوه، یک مقایسه با نتایج حاصل از روش مشهور تئوری میدان فشاری اصلاح شده نیز انجام شده است که مؤید برتری روش پیشنهادی است.
-1 مقدمه
بیش از صد سال است که رفتار بتن مسلح در برش مورد مطالعه قرار دارد. با این حال، مساله تعیین مقاومت برشی اعضای بتن مسلح هنوز مورد چالش محققین است
مقاومت برشی که برای یک عضو مشخص بر اساس آیین نامههای طراحی مختلف بدست میآید میتواند تا بیش از صد درصد متفاوت باشد در مقابل، مقدار مقاومت خمشی که با همین آییننامهها بدست میآید بیش از ده درصد اختلاف ندارد. اگر یک تیر یا ستون بدون تسلیح برشی کافی تا حد گسیختگی بارگذاری شود، گسیختگی برشی به صورت ناگهانی و بدون پیش آگاهی رخ میدهد. این رفتار با آنچه که در مورد گسیختگی خمشی اتفاق میافتد متفاوت است.
مرور تحقیقات انجام شده نشان میدهد که پارامترهای زیادی در رفتار برشی اعضای بتن مسلح دخیلاند. تعدد این پارامترها تکیه بر مطالعات صرفاً تجربی را همراه با مشکل ساخته است. از طرف دیگر، مدلهای رفتاری به کار گرفته شده در نرمافزارهای رایج مهندسی بسیار سادهتر از آن هستند که بتوانند پیچیدگی رفتار برشی بتن مسلح را شبیه سازی کنند. از اینرو، نیاز به توسعه مدلهای رفتاری دقیقتر است که بتوان با شیوههای عددی مناسب از آنها برای پیشبینی پاسخ اعضای بتن مسلح در برش استفاده کرد. در این ارتباط اگرچه در سالهای اخیر روشهای تحلیلی خاصی نیز تدوین شده است ولی هنوز آنها با ابهامات و مشکلات زیادی همراه هستند.
بر اساس تحقیقات گستردهای که در سه دهه اخیر در دانشگاه تورنتو انجام شده است، تئوری اصلاح شده میدان فشاری برای توصیف رفتار غیرخطی بتن توسعه یافته است
این تئوری بتن ترک خورده را به عنوان یک ماده جدید تلقی میکند که خواص تنش -کرنش مخصوص به خود را دارد. تعادل، سازگاری و روابط تنش - کرنش بر حسب تنش میانگین و کرنش میانگین نوشته میشوند. اثرات کشش موجود در بتن در فاصله بین ترکها به حساب آورده میشود. متغیر بودن امتداد ترکها و کرنش نرم شدگی لحاظ شده و به شرایط تنش محلی در لبه ترکها نیز توجه شده است. علیرغم توفیقات این نظریه در پیشبینی پاسخ المانهای غشایی بتن مسلح به برش درون صفحه و بارهای محوری، دقت آن در برخی شرایط از جمله نبود تسلیح برشی و یا تسلیح سنگین در هر دو راستای طولی و عرضی به صورت توأم، ضعیف است
در یک تحقیق اخیر، با هدف ارتقاء تئوری مزبور، اصلاحاتی در روابط ساختاری بتن انجام شد .[14] ویژگی برجسته روابط ساختاری مورد اشاره لحاظ تأثیرات متقابل رفتار بتن و فولاد مدفون در بتن است. روابط ساختاری مورد استفاده در پژوهش حاضر مبتنی بر تحقیق مزبور است.
هدف پژوهش حاضر اعمال برخی اصلاحات در روابط مربوط به محاسبه ظرفیت برشی قفلشدگی سنگدانهها است، که تأثیر به سزایی در برآورد پاسخ سازههای بتنی دارد. با پیادهسازی مجموعه روابط سازگاری، ساختاری و تعادل در یک الگوریتم تحلیل غیرخطی عناصر محدود، مدلی برای پیشبینی رفتار بار تغییرشکل اعضای بتن مسلح غشایی ارائه میشود. به منظور اعتبار سنجی مدل پیشنهادی، رفتار تیرهای بتن مسلح آزمایشگاهی موجود شبیهسازی میشود.
-2 روابط ساختاری
اطلاعات پایهای مورد نیاز برای تحلیل المانهای بتن مسلح غشایی روابط تنش کرنش هستند که رفتار میانگین مصالح اعم از فولاد و بتن را تحت شرایط مختلف بارگذاری نشان میدهند. از آن جایی که روش مورد استفاده در این تحقیق مبتنی بر مفهوم ترک پخشی بوده و مقادیر میانگین تنش و کرنش مد نظر قرار دارند، لغزش محلی میلگردها و لغزش سطوح ترکهای به صورت ضمنی لحاظ شده وصرفاً روابط ساختاری معادل برای بتن و فولاد مورد نیاز است. روابط ساختاری مورد استفاده در این پژوهش برگرفته از یک تحقیق اخیر است [14] که در محاسبه ظرفیت انتقال برش روی سطح ترک اصلاح شده است.
-1-2 رابطه تنش - کرنش میانگین فولاد
برای رفتار میانگین فولادها یک منحنی سه خطی در نظر گرفته شده است .[14] شکل 1 تصویر کیفی مدل پیشنهادی را نشان میدهد. بخش آغازین این منحنی یک خط مستقیم با شیب Es مدول الاستیسیته فولاد است که تا یک نقطه بحرانی قبل از نقطه تسلیم فولاد محض پیش میرود.
ادامه مسیر با شیبی کمتر از Es پیش رفته نهایتاً به خط تسلیم افقی مربوط به فولاد محض میرسیم.
شکل :1 مدل شماتیک رفتار کششی میلگردهای فولادی مدفون در بتن
-2-2 رابطه تنش - کرنش فشاری میانگین بتن
منحنی کهغالباً برای بخش صعودی رابطه تنش کرنش فشاری بتن مورد استفاده قرار میگیرد یک سهمی درجه دوم معروف به منحنی هوگنستاد است. در تحقیق حاضر نیز از همین منحنی استفاده شده است. منحنی مورد استفاده برای بخش نزولی منحنی پایه نیز یک سهمی درجه دوم است که با کرنش انتهایی مشخص میشود - شکل . - 2 مقدار این کرنش بر اساس به صورت زیر بدست میآید :
که در آن ′ مقاومت فشاری تک محوره بتن بر حسب MPa و ′ کرنش سیلندر در فشار ماکزیمم ′ است ′ - یک عدد منفی است - . منحنی پیشنهادی برای شاخه نزولی منعکس کننده این واقعیت است که با کاهش مقاومت فشاری بتن شیب شاخه نزولی منحنی فشاری کاهش پیدا میکند.
شکل :2 مدل تنش - کرنش میانگین فشاری برای بتن ترک خورده
با بررسی نتایج دادههای حاصل از آزمایشات انجام شده روی تعداد زیادی از پانلهای بتن مسلح این نتیجه حاصل شد که نسبت میل گردهای متعامد به کار رفته در المان بتن مسلحتأثیر کاملاً محسوسی بر منحنی تنش- کرنش میانگین فشاری بتن ترک خورده دارند.
