بخشی از مقاله
چکیده
در دهه های اخیر برای جبران سرعت ساخت پایین تر سازه های بتنی در مقایسه با سازه های فولادی، اجرای سازه بتنی به صورت پیش ساخته مد نظر قرار گرفته است. اجرای سازه های بتن پیش ساخته در کارخانه علاوه بر افزایش سرعت اجرا به بهبود کنترل کیفیت آن نیز کمک می کند. یکی از مسائل چالش برانگیز در سازه های بتنی پیش ساخته نحوه اجرای اتصالات صلب می باشد. هدف اصلی در این مقاله، شبیه سازی اتصال پیش ساخته تیر به ستون بتنی با جزئیات پیچیده در نرم افزار اجزای محدود می باشد.
روش اجزای محدود یکی از متداول ترین روش های حل مسائل مهندسی است. هزینه کمتر نسبت به روش های آزمایشگاهی، دقت بالا در تحلیل و امکان اعمال شرایط مرزی به صورت دقیق، باعث تمایز این روش با دیگر روش ها شده است. با این حال در کنار مزایا، میتوان به معایبی از جمله عدم تطابق شرایط آزمایشگاهی و نرم افزاری، تأثیر نوع و اندازه مشهای انتخابی بر دقت حل مسأله و عدم امکان تعریف مشخصات مصالح مطابق با شرایط آزمایشگاهی اشاره کرد. حضور مصالح مختلف با مدلهای رفتاری متفاوت در کنار یکدیگر و نحوه مدلسازی اندرکنش بین مصالح باعث پیچیدگی هر چه بیشتر مدلسازی اتصال بتنی پیش ساخته میشود.
اصلی ترین مسأله در روند شبیه سازی اتصال انتخابی، تعریف صحیح قیود در نرم افزار به منظور تأمین هر چه بیشتر شرایط آزمایشگاهی میباشد. در فعالیت پژوهشی انجام شده برای معرفی یک اتصال بتنی پیش ساخته، بخش قابل توجهی از زمان و انرژی صرف مدلسازی صحیح و صحت سنجی اطمینان بخشی از نمونههای آزمایشگاهی شده است. در این مقاله روش حل چالشهای پیش روی مدلسازی اتصال بتنی پیش ساخته مورد بررسی قرار گرفته است.
-1 مقدمه
با توجه به رفتار غیر خطی و نسبتاً پیچیده مصالح بتنی، دستیابی به یک راه حل تحلیلی که دربرگیرنده عامل های متعدد باشد، مشکل و در برخی موارد غیر ممکن است. این موضوع به ویژه در سازه های بتن آرمه که در آن ها علاوه بر مرکب بودن مقاطع، مسائلی مانند اندرکنش بتن و فولاد نیز وجود دارد، بیش تر نمایان خواهد شد. به همین علت بیشتر مطالعات موجود در زمینه ی سازه های بتن آرمه به صورت آزمایشگاهی بوده و بررسی های تحلیلی در مقایسه با آن ها بسیار اندک است.
توسعه نرم افزارهای اجزاء محدود و افزایس توانایی آن ها در سال های اخیر موجب شده است تا کاربرد بیشتری در زمینه های تحلیلی سازه های بتنی پیدا کنند. به کمک این نرم افزار ها می توان علاوه بر دستیابی به سرعت و دقت بیش تر، در زمان و هزینه نیز صرفه جویی نمود. هم چنین در صورتی که نرم افزار مورد استفاده دارای قابلیت تحلیلی مناسب در زمینه مطالعاتی مورد نظر بوده و مدل سازه ای به طور صحیح تعریف شود، می توان اثر عامل های گوناگون که انجام آزمایش در آن ها زمان بر و پر هزینه می شود را به صورت تحلیلی مورد بررسی قرار داد
تحقیات آزمایشگاهی و تئوری روی سازههای پیشساخته از اواخر قرن 19 آغاز شد با پیشرفت تجهیزات آزمایشگاهی و نرمافزارهای رایانهای امکان آزمایش با دقتهای بالاتر و همچنین مدلسازیهای تقریبا واقعی فراهم شد. در ادامه خلاصهای از سوابق آزمایشگاهی و مدلسازی های نرمافزاری سازههای پیشساخته توسط محققان اشاره میشود.
مطالعات فرنچ و همکارانش - 2001 - با هدف یافتن اتصالات بتنی پیشساختهای که دارای توانایی قابل توجهی در تحمل بارهای سیکلی باشند، انجام شد. این تحقیق، جزئیات یک اتصال امیدوار دهنده را که شامل اتصال آرماتورها و مقطع کامپوزیتی در دو نوع پیشساخته و یکپارچه می باشد، ارائه داد
لو و یائو بررسیهای آزمایشگاهی روی مدلهای اتصال داخلی با مقیاس هیجده و نیم انجام دادند تا خواص مقاومت و شکل پذیری آنها را تحت بار استاتیکی و مکرر ارزیابی کنند. نتیجه گرفتند که تحت بار استاتیکی مکرر اتصالات پیش ساخته به مقاومت خمشی بالا و ظرفیت جذب انرژی بالاتری نسبت به اتصالات یکپارچه دست مییابند
آلکاسر و همکارن - 2002 - دو اتصال تمام مقیاس را در یک قاب پیشساخته بتنی تحت بارگذاریهای یک جهته و دو جهته چرخهای مورد آزمایش قرار دادند. آنها از آرماتورهای فولادی همراه با پیشتنیدگی برای ایجاد پیوستگی در تیر استفاده کردند. به این نتیجه مهم رسیدند که جهت بهبود رفتار بایستی چرخش تیر در داخل اتصال حداقل شود. برای این کار یک راه حل این است که خمش از ناحیه اتصال دور نگهداشته شود و راه حل دیگر قرار دادن کابل-های پسکشیدگی مهارنشده در ناحیه اتصال است
خالو و پرستش - 2003 - در فاز اول تحقیق، اتصالات ساده خمشی تیر به ستون بتنی پیشساخته برای مناطق با لرزهخیزی زیاد را مورد بررسی قرار دادند. نمونهها در فاز اول، تحت بار ثابت نیروی محوری ستون و بارگذاری دورهای بر طبق تاریخچه تغییرمکانهایی معین قرار گرفتند. نتایج این آزمایشها نشان میدهند که تغییرمکان جانبی نسبی در نمونههای پیشساخته بیشتر از نمونههای یکپارچه است و کاهش طول اتصال باعث کاهش مقاومت، شکلپذیری و اتلاف انرژی میگردد، همچنین حضور میلگرد عرضی در طول اتصال باعث افزایش و بهبود عملکرد اتصال پیشساخته می-گردد
کلکرونی و همکارانش - 2007 - تحلیل غیرخطی اجزای محدود را روی یک اتصال ترکیبی فولاد و بتن انجام دادند. پارامترهای متغیر در این تحلیل ها بار محوری ستون، ضخامت ورق اتصال و امتدادیافتگی یا نیافتگی آرماتورهای تحتانی تیر می باشد. آنها به این نتیجه رسیدند که افزایش ضخامت ورق تا حدی، باعث افزایش استهلاک انرژی میشود. همچنین با امتداد یافتن آرماتورهای تحتانی تیر مشاهده شد که رفتار اتصال بهتر میشود. برای یک اتصال مستطیلی شکل کشیده مانند اتصال دیوار برشی نیروی محوری 0/4 f"c Ag است اما برای اتصال های عمیق تر مانند اتصال تیر به ستون نیروی محوری بین 0 تا 0/2 f"c Ag مفید خواهد بود
هاشمی - 2008 - به بررسی ضریب رفتار سازه های ساخته شده با پانلهای بزرگ پیشساخته پرداخت و اثرات تغییر مقاومت بتن، تغییر تعداد دهانهها، طبقات و همچنین اثرات بارگذاری جانبی را بر ضریب رفتار مورد بررسی قرار داد. نتایج نشان دادند که مقاومت بتن تأثیر ناچیزی بر ضریب-رفتار دارد. در حالت کلی با افزایش تعداد دهانهها و طبقات، شکلپذیری کاهش مییابد و به تبع آن ضریب کاهش نیرو 5 نیز کاهش مییابد؛ ولی با توجه به افزایش ضریب اضافه مقاومت - - ضریبرفتار افزایش مییابد
ارتاس و همکاران - 2006 - چهار نوع اتصال شکلپذیر و مقاوم خمشی به صورت پیشساخته و یک اتصال یکپارچه را مورد مقایسه قرار دادند. سپس آنها به ارزیابی مقاومت، کاهش سختی و اتلاف انرژی نمونهها پرداختند. نتایج نشان داد کاهش سختی نمونههای یکپارچه پیشساخته با اتصال داخل ستون و پیشساخته با اتصال داخل تیر شبیه به هم است؛ ولی سختی نمونه پیشساخته با اتصال مرکب کمتر از سایر نمونهها است. همچنین میرایی ویسکوز با افزایش تغییرمکان جانبی نسبی افزایش پیدا میکند
چین یو و همکاران - 2008 - یک نوع از سیستمهای سازهای پیشساخته بتنی با تیرها و دالهای پیشساخته بتنی را مورد بررسی قرار دادند. سپس عملکرد لرزهای سیستم تحت بارهای دورهای روی گرههای تیر به ستون و تحلیل بارافزون نمونه با نرم افزار تحلیل سازهای Opensees انجام شد . آنها نتیجه گرفتند که این سیستمهای سازهای رفتار لرزهای خوبی از خود نشان میدهند.
اوسالم و همکاران - 2008 - به بررسی آزمایشگاهی سیستم اتصال تیر بتنی پیشساخته عبوری از میان ستونها پرداختند. هدف از این تحقیق، بررسی وقوع شکست برشی نابهنگام در اتصال تیر به ستون بتنی پیشساخته تحت مقادیر بزرگ نیروهای محوری و بارهای جانبی ناشی از باد و زلزله بود. این شرایط در طبقات پایین سازههای بلند مرتبه که تحت نیروهای جانبی قرار دارند، به وجود میآید. نتایج حاصل از آزمایشها نشان دادند، عملکرد اتصال از نظر مقاومت، جذب انرژی و پاسخ دینامیکی در محدوده جابجایی نسبی 3% رضایتبخش بوده است
هایله و همکارانش - 2009 - آنالیز اجزاء محدود غیرخطی را برای بررسی رفتار اتصال تیر ستون ترکیبی1 پیشساخته بکار بردند. برای این کار از نرمافزار ANSYS استفاده شده است قابهای ترکیبی از اعضای پیشساخته، کابلهای بدون مهار پیشکشیده و آرماتورهای مهارشده تشکیل شده است. مقایسهی نتایج تحلیل اجزاء محدود و نتایج آزمایشگاهی نشان می دهد که رفتار دو مورد تا رسیدن به زاویه تغییر مکان نسبی 1%تقریباً مشابه بوده است. در زاویه تغییر مکان نسبیهای بالاتر از %1، نمونه تحلیلی رفتار نرمتر از نمونه آزمایشگاهی از خود نشان داد. علت این امر میتواند ریزتر کردن ابعاد شبکه، ایدهآل سازی شرایط تکیه گاهی در مدل تحلیلی، غیرخطی شدن رفتار مواد و پارامترهای اصطکاکی تعریف شده در نرمافزار میباشد
لازم به توضیح است که نگارندگان این مقاله، با تعریف منطقی و علمی قیود که نیازمند تلاش و پشتکار فراوانی است، موفق به دستیابی خروجی نزدیک به نتایج آزمایشگاهی شدهاند، به گونهای که تحقیق حاضر بخشی از پژوهش آنها به حساب میآید.
در این مطالعه ابتدا به توضیح مدل رفتاری بتن و فولاد پرداخته شده است. سپس به تفصیل، نحوه مدلسازی و تعریف قیود مختلفی را که در طی روند شبیه سازی همراه با چالش بوده است، بررسی شده است.
-2 نمونه آزمایشگاهی
به منظور شبیهسازی، از بین پنج نمونه MR، P1، PR1، P2، PR2 نمونه PR2 انتخاب شد. لازم به توضیح است که هر نمونه با یک یا دو حرف به همراه شماره گذاری مشخص میشود. حرف اول معرف نوع ساخت نمونه میباشد که M برای نمونههای یکپارچه و P برای نمونههای پیشساخته استفاده شده است. حرف R نشان دهنده این موضوع است که مفصل پلاستیک از نزدیکی ستون به داخل تیر منتقل شده باشد. اعداد 1و 2 به دو نوع جزئیات متفاوتی که برای اتصالات پیشساخته استفاده شده است، اشاره می کند
در پژوهش آزمایشگاهی ذکر شده، هدف اصلی ارائه اتصال صلب شکل پذیر و اقتصادی برای اعضای بتنی پیش ساخته و بررسی و مطالعه اثرات انتقال مفصل پلاستیک به ناحیه ای دورتر از اتصال تیر به ستون می باشد. علت انتخاب این کار پژوهشی به عنوان اساس کار، نزدیک بودن جزئیات اتصال ارائه شده در مقاله و اتصال پیشنهادی توسط نویسندگان - که ادامه کار پژوهشی آنان میباشد - بوده است. جزئیات اتصال همان طور که در شکل - 1 - مشاهده می شود شامل تیر بتنی و ستون بتنی است که توسط مصالح گروت، ورق ها و نبشی های به کار گرفته شده، به یکدیگر متصل شدهاند.
در واقع ستون شامل ورق گسترش یافته در پایین چشمه اتصال و ورق T شکلی در بالای چشمه اتصال است که 4 عدد نبشی در بیرون از سطح خارجی ستون به آن جوش داده شده اند. از طرفی تیر، علاوه بر آرماتورها و خاموتهای کافی شامل ورقی است که به آرماتورهای طولی پایینی تیر جوش داده شده و بر روی ورق گسترش یافته ستون قرار داده می شود. نهایتا دور تا دور ورق ها به یکدیگر جوش داده می شوند. آرماتورهای طولی بالای تیر نیز داخل نبشی ها قرار گرفته و جوشکاری انجام می شود. در انتها فضای خالی بین تیر و ستون توسط گروت پر می شود و بدین ترتیب اتصال تأمین خواهد شد.
