بخشی از مقاله
تقويت ستون هاي فولادي با استفاده از مقاطع CFT
خلاصه
يک ستون فولادي ممکن است به دلايل مختلف نياز به تقويت و افزايش باربري داشته باشد که تا کنون روشهاي مختلفي از جمله جوش دادن ورقهاي فولادي و يا قرار دادن آن در يک مقطع بتني براي اين منظور ارائه گرديد است . در اين مقاله در يک روش جديد با بهره گيري از مقاطع CFT مقاله با استفاده از روش عناصر محدود به بررسي اثر تقويتي ستون هاي CFT در تقويت و ميزان افزايش باربري ستون هاي فولادي پرداخته شده است . همچنين جهت اطمينان از صحت مدلسازي، نتايج تحليل هاي عددي يک ستون فولادي تقويت شده با مقاطع CFT، با نتايج آزمايشگاهي موجود مقايسه شده و از درستي مدلسازي اطمينان حاصل شده است .
کلمات کليدي : تقويت ستون هاي فولادي ، ستون هاي CFT، ستون هاي SR- CFT
١. مقدمه
ميزان باربري يک ستون فولادي مي تواند به مرور زمان بر اثر عوامل محيطي (خوردگي )، خسارات اتفاقي (تصادم وسايط نقليه ، زلزله ، سيل و باد) کاهش يافته يا ستون دچار آسيب عملکردي گردد. همچنين بدلايل ديگر از جمله اشتباه در طراحي، تغييرکاربري، و يا تغييرات در آيين نامه هاي جديد که موجب افزايش مقادير بار طراحي ستون مي گردد، لزوم تقويت ستون هاي فولادي آشکار مي شود. به منظور تقويت اين ستون هاي فولادي ، علاوه بر جوش دادن ورق هاي فولادي که داراي محدوديت هايي مي باشد مي توان به روش هاي ديگري که مبتني بر مقاطع مرکب مي باشد، عمل نمود.
در يک روش ، ستون هاي فولادي ، با ايجاد يک قفسه ميلگرد به دور ستون و قالب بندي و بتن ريزي، در بتن مدفون مي شوندکه مقطع نهايي اين ستون ها به SRC معروف مي باشند. پوشش بتني، هسته فولادي را در مقابل هر دو کمانش موضعي و کلي مقاوم تر مي سازد[١]. پوشش بتني همچنين حفاظي در مقابل خوردگي در برابر مواد شيميائي و يک عايق در برابرافزايش سريع دما در حضور آتش را تامين مي نمايد. عيب اصلي ستون هاي فولادي مدفون در بتن اين است که يک قفسه تقويتي به منظور جلوگيري از پوسته شدن پوشش بتني در سطوح پايين بار لازم است . بنابراين ، ستون هاي فولادي مدفون در بتن به يک قالب بندي گسترده در حين ساخت ، بويژه در اتصالات تير به ستون ، احتياج دارند [۲و۳]. لذا به منظور مرتفع ساختن اين مشکل در روشي جديد مي توان از مقاطع مرکب CFT استفاده نمود، بدين صورت که با ايجاد يک تيوب فولادي دور ستون و بتن ريزي مابين آنها علاوه بر حذف قفسه فولادي و قالب بندي مي توان از اثر محدود کنندگي لوله فولادي بر افزايش شکل پذيري و مقاومت بتن استفاده نمود.
نمونه اي از مقاطع فولادي تقويت شده با مقطع CFT که به مقاطع SR-CFT نيز مشهور مي باشند در شکل (١) نشان داده شده است .
هدف اصلي اين مطالعه بررسي اثر تقويتي مقاطع CFT بر ظرفيت باربري ستون هاي فولادي تحت اثربار محوري فشاري مي باشد.
٢. مدلسازي عناصر محدود و بررسي صحت آن
براي مطالعه رفتار يک عضو يا يک سازه مي توان از دو روش آزمايشگاهي يا مدلسازي عناصر محدود استفاده نمود. بديهي است که مطلوب ترين روش بررسي رفتار سازه ها، مطالعات تجربي آزمايشگاهي مي باشد. ولي در صورت کمبود امکانات مي توان از مدلسازي عناصر محدود استفاده نمود به شرط اينکه مدلسازي مذکور صحت سنجي شود. در اين مطالعه نيز براي مدلسازي عناصرمحدود از نرم افزار ٩.٠ ANSYS استفاده شده است . بدين منظور براي مدل سازي ستون هاي SR-CFT از المان هاي زير استفاده شده است :
براي مدل کردن پوسته فولادي و مقطع فولادي ساختماني از المان ٤٥ SOLID استفاده شده است . اين المان شش وجهيِ هشت گرهي با سه درجه آزادي انتقالي در هر گره تعريف مي شود و داراي قابليت هاي اعمال تغييرشکل هاي پلاستيک ، خزش ، تورم ، سخت شدگي تنش ، تغيير شکلهاي و کرنش هاي بزرگ بوده و همخواني مناسبي با ساير المان هاي بکار رفته در مدل کردن ستون هاي SR-CFT دارد[٤].
بـراي مدل کردن تماس بين پـوسته فـولادي و بتن هسته ، از الـمان اصطکاکي سه بعدي گره به گره ٥٢ CONTACT استفاده شده است [٤].
براي مدل کردن هستۀ ب ني از المان سه بعدي ايزوپارامتريک ٦٥ SOLID استفاده شده است . اين المان شش وجهيِ هشت گرهي با سه درجه آزادي انتقالي در هر گره تعريف مي شود. مصالح اعمالي از جنس بتن با قابليت ترک در تنشهاي کششي و شکست در تنشهاي فشاري در سه جهت متعامد و نيز تغيير شکلهاي پلاستيک مي باشد[٤].
در جدول (١) مشخصات هندسي و مصالح ستون SR-CFT تعيين صحت شده با نرم افزار ANSYS ارايه شده است . همچنين در شکل (٢) سطح مقطع ستون فولادي تقويت شده با مقطع CFT نشان داده شده است .
جدول ١ - مشخصات هندسي و مصالح ستون هاي SR-CFT تعيين صحت شده با ANSYS [٥]
