بخشی از مقاله
چکیده
ستون های فولادی مدور پر شده با بتن ، سیستمی متشکل از بتن مسلح به عنوان هسته داخلی و فولاد به عنوان جداره خارجی است. ستونهای فولادی پر شده با بتن نوعی از ستونهای مرکب میباشند، که به دلیل مزایای فراوانی که نسبت به ستونهای بتن آرمه و فولادی دارند، استفاده از آنها، مخصوصاً در ساختمانهای بلند در سالهای اخیر رواج زیادی پیدا کرده است. از جمله این مزایا میتوان به سادگی نصب و اجرا، مسائل اقتصادی، حذف هزینههای قالببندی، عملکرد خوب در مقابل نیروهای لرزهای، مقاومت بیشتر با حجم کمتر و شکلپذیری بالا اشاره نمود.
مدل اجزای محدود سه بعدی با استفاده از نرمافزار ABAQUS توسعه داده شده تا عملکرد حرارتی ستونهای فولادی پر شده با بتن مورد مطالعه قرار گیرد. آنالیز در دو مرحله تحلیل انتقال حرارت و مکانیکی انجام شده است. مدلسازی عناصر محدود برای یافتن تاثیر پارامترهای کلیدی بر ظرفیت باربری ستون، در معرض حرارت استاندارد ISO-834 قرار گرفته است. پارامترهای مورد نظر شامل زمان حرارت، مقاومت فشاری بتن، ضخامت جداره فولادی، قطر مقطع ستون و شکل مقطع میباشد و مهمترین نتایج بدست آمده، ظرفیت باربری ستون با افزایش زمان اعمال حرارت، کاهش مییابد.
کاهش قطر مقطع ستون به اندازهی 50 میلیمتر، موجب کاهش ظرفیت باربری ستون در معرض حرارت حدود 22/5 درصد میگردد. با کاهش قطر مقطع، سختی ستون نیز کاهش مییابد. کاهش ضخامت جدارهی فولادی به اندازهی 0/44 میلیمتر، ظرفیت باربری ستون در حدود 3 درصد کاهش مییابد و کاهش ضخامت جداره بر سختی ستون تاثیری ندارد. با تغییر شکل مقطع ستون، نتیجه میگیریم که ستون با مقطع دایرهای مقاومت بیشتری نسبت به ستون با مقطع مربعی در معرض حرارت دارد.
.1 مقدمه
در سالهای اخیر ستونهای مدور فولادی پر شده با بتن در ساختمانها و پلها استفاده فراوانی میشوند. این ستونها شکلپذیری و سختی قابل قبولی به واسطه فولاد مصرفی دارند و بتن محصور شده در فولاد مقاومت فشاری خوبی را فراهم میکند. برتری این ستونها نسبت به دیگر سیستم های کامپوزیت یا ترکیبی، این است که بتن داخلی مانع از کمانش موضعی ستون شده است و محصورشدگی بتن توسط فولاد باعث افزایش کرنش نهایی بتن میشود. این ستونها میتوانند به عنوان یک المان عمودی در قابهای خمشی در مناطق با لرزهخیزی بالا مورد استفاده قرار گیرند، زیرا به نسبت وزن خود دارای مقاومت بالایی هم هستند.
ستون فولادی پر شده با بتن - 1 - CFST، سیستمی است متشکل از بتن به عنوان هسته داخلی و فولاد به عنوان جداره خارجی، یکی از مهمترین عوامل در رفتار این ستونها، اثر محصورکنندگی جداره فولادی میباشد. ستونهای CFST یکی از انواع ستونهای مرکب میباشد که امروزه با توجه به دارا بودن مزایای بیشمار رواج پیدا کردهاند. از جمله این مزایا میتوان به اثر متقابل فولاد و بتن و به تاخیر افتادن کمانش موضعی در برابر آتش، پلاستیک شدن جداره فولادی خارجی، صرفهجویی در هزینه به دلیل حذف قالببندی موقت در سازه، قابلیت استفاده و نصب در انواع آب و هوا و تحمل بار بحرانی بیشتر نسبت به ستونهای معمولی اشاره کرد. نمایی از ستون CFST در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل - : - 1 نمایی از ستون .[1] CFST
از سال 1970 تحقیقات زیادی نشان داده که سیستم قاببندی لوله فولادی پر شده با بتن، مزایای زیادی نسبت به سیستمهای فولادی و بتنی معمولی دارد. به این علت این سیستم به مقدار زیاد در ساختمانهای نیمه بلند و بلند استفاده میشود. بررسیهای تحلیلی قابل توجهی به منظور پیشبینی رفتار ستونهای CFST در برابر حرارت صورت پذیرفته است. به عنوان نمونه میتوان به تحقیقات هن و همکارانش2 در سال 2002، اشاره نمود.[2] دراین مقاله رفتار ستونهای CFST، مربعی شکل 3 - SHS - و مستطیلی شکل 4 - RHS - با اعمال لایه محافظ یا بدون لایه محافظ تحت اثر بارهای محوری و خروج از محور، تحت اثر بار حرارتی مورد ارزیابی قرار گرفته است.
نتیجه گرفتن که از دست دادن مقاومت در برابر حرارت در ستونهای بدون اعمال لایه محافظ، به طور چشمگیری بیشتر از ستونهای با لایه محافظ بوده است. زا5 در سال 2003، با استفاده از مدل اجزاء محدود و اعمال حرارت، مقاومت ستونهای فولادی پر شده با بتن را مورد ارزیابی قرار دادند، برای مدلسازی توزیع حرارت در مقطع عرضی از نرمافزار غیرخطی - 6 - FIRES-T استفاده شده است. به این نتیجه رسید که افزایش ابعاد مقطع، کاهش ضخامت جدار فولادی و استفاده از بتن مسطح، مقاومت ستون را در برابر حرارت افزایش میدهد
ین و همکارانش7 در سال 2006، رفتار ستونهای CFST، مربعی و دایرهای شکل را با اعمال حرارت مورد ارزیابی قرار دادند، نتیجه گرفتند که ستونهای با مقطع مدور، مقاومت بالاتری در مقایسه با مقطع مربع در مقابل آتش از خود نشان میدهند.
توا و همکارانش1 در سال 2007، ستون CFST مقاومسازی شده با ورق-های کربنی را تحت حرارت قرار داده و سختی، مقاومت و شکلپذیری نمونهها را مورد بررسی قرار دادهاند. آنها نتیجه گرفتند که ظرفیت باربری و سختی محوری ستونهای CFST با افزایش تعداد لایههای کربنی افزایش مییابد، در حالی که شکلپذیری با افزایش تعداد لایههای کربنی کاهش مییابد. تاثیر افزایش ظرفیت باربری در ستونهای دایرهای بیشتر از ستونهای مربعی میباشد و همچنین ظرفیت باربری و سختی در تیرها نیز با پوشش توسط ورقهای کربنی افزایش می-یابد
چانگ و همکاران2 در سال 2008، در یک مطالعه آزمایشگاهی و عددی، ستونهای CFST را مورد بررسی قرار دادند و آنها برای مطالعهی عددی از تحلیل انتقال حررات و تحلیل تنش حرارتی غیرخطی استفاده کردهاند و نتیجهگیری نمودند که بهبود مصالح بتن و فولاد، مقاومت آن را در برابر آتش بالا میبرد، ولی تأثیر بهبود مصالح بتن بر مقاومت در برابر آتش به مراتب بیشتر از فولاد است.
با استفاده از یک مدل عددی، سانگ و همکاران3 در سال 2010، ستونهای مربع و مدور CFST را در معرض ترکیب بارهای حرارتی و محوری قرار دادند و نتیجه گرفتند که ستونهای مدور قادر به کسب تنش طولی بالاتر و در نتیجه بار بیشتر میباشد. با افزایش دما، ظرفیت باربری ستون مدور نسبت به دمای محیط بالاتر میرود
در سال 2014 فاگی و همکاران4، رفتار ستونهای بتنی محصور شده با لولههای فولادی، در معرض حرارت استاندارد را مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج آزمایشات نشان داد که با افزایش زمان حرارت، ظرفیت باقیمانده و سختی محوری کاهش یافته و با افزایش مقاومت مصالح ظرفیت باقی مانده و سختی محوری افزایش مییابد
.2 بارگذاری حرارتی
به منظور اعمال بارگذاری حرارتی، از نمودار زمان-حرارت آییننامه ISO-834 استفاده شده است. سانگ در سال 2010 و یانگ5 در سال 2008 نیز این منحنی را روی مدلهای خود اعمال کردهاند.[9] نحوهی اعمال حرارت روی این منحنی این مدل آزمایشگاهی، منطبق بر منحنی ISO-834 میباشد - شکل . - 2 مرحله گرمایش این نمودار در رابطه - - 1، آورده شده است.
شکل - : - 2 منحنی استاندارد حرارت .[10] ISO-834
