بخشی از مقاله
چکیده
ضوابط تیرهای مرکب فولادی-بتنی از دیرباز در ساخت پلها وسازههای ساختمانی برای اقتصادیتر شدن طرحها و کاهش وزن سازهها وارد آیین نامهها گردید. یکی از عوامل مهمی که در تعیین ظرفیت تیرهای مرکب نقش مهمی ایفا میکند، عرض مؤثر آنها است.
از عوامل تأثیرگذار بر عرض مؤثر میتوان به نسبت عرض دال به طول دهانه ، تعداد و صلبیت گلمیخها و نیز مقاومت مصالح بهکار گرفتهشده در تیر اشاره کرد. علیرغم مطالعات فراوانی که درباره رفتار تیرچههای مرکب و عوامل مختلف تاثیرگذار بر روی رفتار آنها صورت گرفتهاست اما شاهتیرها غالبا" در عمل بنا به دلایلی به صورت غیرمرکب و بدون در نظر گرفتن عملکرد مختلط طراحی میشوند و هنوز عرض مؤثر در شاهتیرها با در نظر گرفتن رفتار مرکب و اثرات تیرچههای فرعی مرکب روی آن مورد بررسی قرار نگرفتهاست.
در این مقاله عرض مؤثر شاهتیرهای مرکب تحت بار متمرکز با فرض رفتار الاستیک- خطی از طریق روش اجزای محدود به کمک نرمافزار آباکوس مورد بررسی قرار گرفتهاست. در آخر مقایسهای بین نتایج حاصل شده و مقادیر عرض موثر پیشنهادی مبحث دهم از مقررات ملی ساختمان ایران ارائه شدهاست.
-1 مقدمه
خواص منحصر به فردی که هر یک از مصالح فولاد و بتن دارا میباشند باعث شده است که در یک مقایسه کلی نتوان سازههای فولادی را به سازههای بتنی یا بلعکس برتری داد. به منظور استفاده همزمان از مزایای مصالح فولادی و بتنی در کنار هم، مقاطع مرکب فولادی-بتنی از حدود سال 1900 میلادی در ساخت و سازها مدنظر مهندسان قرار گرفت
لزوم عملکرد همزمان هر دو مصالح در تعیین ظرفیت باربری عضو از نکات مهمی است که باید به آن اشاره کرد به طوریکه بتوان از ظرفیت فشاری بتن و ظرفیت کششی فولاد به طور همزمان و در کنار هم استفاده کرد. برای حصول این مورد باید اتصال مناسب بین تیر فولادی و دال بتنی برقرار باشد تا از لغزش آنها روی یکدیگر جلوگیری شود. برای طراحی تیرچههای مرکب لازم است تا مقاومت قسمتی از دال بتنی طبق آییننامههای مختلف در محاسبه مقطع مرکب سهیم گردد، به عبارتی لنگر خمشی که توسط تیر مرکب تحمل میشود توسط مجموعه تیر فولادی و بخشی از بتن متکی بر آن تحمل میشود که به آن عرض مؤثر میگویند.
پژوهشهای متعددی هم به صورت آزمایشگاهی و هم به صورت مدلسازی عددی و تحلیل کامپیوتری روی تیرهای مرکب و مفهوم عرض مؤثر انجام شدهاست. چاپمن و بالاکریشنان در سال 1964 از طریق مدل سازی آزمایشگاهی تیرچههای مرکب به بررسی کفایت قطر و طول اتصالات برشی به منظور ایجاد عملکرد مرکب آنها در سقفهای کامپوزیت فولادی-بتنی پرداخت و حدود این مقادیر را پیشنهاد داد.
آمادیو و فراجیاکومو نیز در سال 2002 با استفاده از مدلسازی اجزا محدود با نرم افزار ABAQUS به بررسی عرض مؤثر در تیرهای کنسول و دو سر مفصل پرداختند و نشان دادند که عرض مؤثر در طول تیرهای کنسول ثابت نیست و در حالت الاستیک با نزدیک شدن به وسط تیر عرض مؤثر زیاد میشود و مقدار آن تقریباً در وسط تیر بیشینه است. برای تیر های دو سر مفصل نیز این رابطه برقرار است و عرض مؤثر در وسط تیر بیشترین مقدار را دارد. در حالت تحلیل غیر خطی هر چه که به بار نهایی نزدیک میشویم، عرض مؤثر در هر دو حالت تیر کنسول و دو سر مفصل افزایش پیدا می کند تا در نزدیکی شکست برابر کل عرض دال می شود.
آمادیو و همکاران در سال 2004 با استفاده از آرمایشات تجربی، روند تغییرات عرض مؤثر را در هنگام افزایش بار بررسی کردند و نشان دادند که با افزایش بار در حالت لنگر منفی عرض مؤثر ابتدا به خاطر وجود ترک کاهش مییابد و بعد با شروع تسلیم شدگی میلگردها افزایش پیدا میکند و در هنگام گسیختگی برابر کل عرض دال میشود اما در حالت لنگر مثبت عرض مؤثر از همان ابتدا بدون هیچگونه کاهشی افزایش مییابد تا در هنگام شکست برابر کل عرض دال میشود.
بروسنان و مینگ یوانگ در سال 1995 شش تیر با نسبت های S/L ، بین 0/25 تا 0/5 را برای بررسی چگونگی تغییرات عرض مؤثر در تیرهای -Lشکل با استفاده از مدلسازی آنها با نرم افزار ANSYS در نظر گرفتند و به این نتیجه رسیدند که با افزایش نسبت S/L عرض مؤثر نیز افزایش مییابد.
پراکاش و همکاران نیز در سال 2011 به بررسی تأثیر رفتار غیرخطی اتصالات برشی با استفاده از نرم افزار ABAQUS پرداختند. از ویژگیهای این تحلیل اجزا محدودی تطبیق آن با رفتار واقعی تیر مرکب در مطالعات آزمایشگاهی نظیر محل کمانش موضعی بال فشاری پروفیل فولادی و نیز مقدار تنش فشاری خردشدگی بتن بود. این مدل توزیع تنشهای کششی و فشاری پیرامون اتصالات برشی را نشان داد که منجر به درک بهتر از چگونگی آسیب بتن اطراف اتصالات برشی شد.
علیرغم مطالعات فراوانی که درباره رفتار تیرهای مرکب و عوامل مختلف تاثیرگذار بر روی رفتار آنها صورت گرفتهاست ولی تا کنون در خصوص رفتار شاهتیرهای مرکب فولادی - بتنی در قابهای ساختمانی ساده - قاب با تیرهای دو سر مفصل - و نحوه تغییرات عرضمؤثر در طول عضو با نسبت S/L >0/7 ، هیچ بررسی صورت نگرفتهاست. لذا با توجه به کاربرد فراوان شاهتیرهای مرکب در قابهای ساختمانی اسکلت فلزی به عنوان سیستم باربر ثقلی در ساختمانهای متداول و ناشناخته بودن اثرات تیرهای مرکب فرعی روی ظرفیت نهایی شاهتیرهای مرکب، انجام مطالعات دقیق با هدف اقتصادی نمودن طراحی آنها ضروری مینماید.
همان طور که ذکر شد لنگر خمشی که توسط تیر مرکب تحمل میشود توسط مجموعه تیر فولادی و بخشی از بتن متکی بر آن تحمل میشود که به آن عرض مؤثر میگویند. اگر مساحت زیر نمودار تنش طولی موجود در دال بتنی مقطع عرضی را معادل با مستطیلی به ارتفاع تنش طولی بیشینه موجود در دال بتنی قرار دهیم، عرض این مستطیل همان عرض مؤثر برای تیرهای مرکب با رفتار الاستیک خطی است. این مفهوم با استفاده از شکل 1 و روابط زیر قابل بیان است:
شکل: 1 مفهوم عرض مؤثر.
که در این روابط Co طول اتصال برشی، تنش طولی موجود در دال مقطع مرکب، max بیشینه تنش طولی موجود در دال مقطع مرکب، bi عرض دال بتنی در هرطرف تیر فولادی و beff عرض مؤثر دال بتنی است.
همچنین مبحث دهم از مقررات ملی ساختمان ایران[8] عرض مؤثر در هر طرف تیرچههای مرکب را برابر با کوچکترین مقادیر زیر لحاظ میکند:
که در روابط فوق L طول دهانه، S1 فاصله محور تا محور تیرچهها از هم، c فاصله محور تیرچه از لبه دال - برای تیرهای مرکب واقع در لبهی دال - است. در ادامه، دقت این مقادیر در برآورد عرض موثر شاهتیرهای مرکب بررسی خواهدشد.
-2 مدلسازی و مطالعه پارامتری
-1-2 نحوه مدلسازی عددی
این پژوهش با استفاده از تحلیل General-Static موجود در نرمافزار ABAQUS روی شاهتیرهای دو سر مفصل مرکب به طول 6/4 متر تحت بار متمرکز در وسط دهانه انجام شدهاست. به علت متفاوت بودن عرض دال بتنی در هر یک از مدلهای مورد بررسی، مقطع شاهتیر و نیز مقطع تیرچههای فولادی برای هر یک از مدلها طراحی شدهاند و در جدول1 به نمایش درآمدهاند. به منظور لحاظ نمودن تأثیرات تیرچههای مرکب فرعی روی عرض مؤثر شاهتیر مرکب، این تیرچهها هم مدلسازی شدهاند.
