بخشی از مقاله
خلاصه:
امروزه بتن مسلح یکی از پرمصرفترین مصالح مورد استفاده درساخت ساختمانها در ایران و بسیاری از کشورهای دنیا است. کارخانجات بسیاری درجهان و از جمله ایران رو به تولید میلگردهای با مقاومت تسلیم بیش از 420 مگاپاسکال که از زیر مجموعه فولادهای پرمقاومت میباشند، آورده اند که کاربرد آنها در اعضای بتن مسلح میتواند مزایای اقتصادی و اجرایی فراوانی داشته باشد. به همین دلیل محققان بسیاری در جهان به بررسی کاربرد این دسته از فولادها در سازه ها به ویژه قابها و دیوارهای برشی با شکل پذیری آورده اند. در این مقاله مروری بر الزمات مربوط به کاربرد فولاد مقاومت بالا در قابهای با شکل پذیری ویژه میشود.
.1 مقدمه
امروزه بتن مسلح یکی از پرمصرفترین مصالح مورد استفاده درساخت ساختمانها در ایران و بسیاری از کشورهای دنیا است. این گونه از مصالح به علت مقاومت در برابر آتش، هزینه پایین تر و نحوه پرداخت بهتر هزینه ها و.... روز به روز با اقبال گسترده تری رو به رو میشوند. با این وجود، یکی از معایب این دسته از مصالح زمان بر بودن فرایند ساخت سازه های بتنی در قیاس با سازه های فلزی و ابعاد بزرگتر اعضای سازه ای میباشد. همانگونه که در سطرهای پیش رو خواهیم دید استفاده از فولادهای با مقاومت تسلیم بالاتر در رفع این مشکلات میتواند نقش بسزایی دارد.
در عین حال ایران و بسیاری از کشورهای دنیا در معرض خطر زلزله های طبیعی قرار دارند لذا در طراحی سازه های بتنی باید ملاحظات لرزه خیزی و تامین شکل پذیری کافی در نظر گرفته شود. امروزه استفاده از فولاد با گرید 80 - مقاومت 560 مگاپاسکال - در آیین نامه بتن آمریکا ACI برای قابهای خمشی با شکل پذیری متوسط مجاز است اما برای قابها ودیوارهای برشی با شکل پذیری ویژه ممنوع شده است.
هر چند تحقیقات جدیدی برای بررسی امکان کاربرد این دسته از فولادها برای قابها و دیوارهای برشی با شکل پذیری ویژه انجام شده و در حال انجام است که امکان استفاده از این میلگردها را در آنها بررسی کرده اند.این محققان متوجه امکان استفاده از این میلگردها با رعایت ملاحظات خاصی به عنوان فولاد طولی و عرضی در اعضای تیر و ستون در آنها شده اند. حتی در گزارش NEHRP سال 2014 توصیه هایی در این زمینه ارایه شده است.
نکته مهم آن است که روز به روز استفاده از قابها و دیوارهای برشی با شکل پذیری متوسط با محدودیت بیشتری در آیین نامه های طراحی لرزه ای مواجه شده و به نظر میاید که در آینده به تدریج این دسته از سازه ها کلا حذف شده و جای خود را به قابهای خمشی و دیوارهای برشی با شکل پذیری ویژه خواهند داد. همانگونه که در سطور فوقانی اشاره شد استفاده از فولاد پرمقاومت به علت کاهش شکل پذیری در این دسته از سازه ها مجاز نیست. بنا براین بررسی امکان و ضروریات استفاده از فولاد پرمقاومت در آنها اهمیت بسیاری دارد.
در طول چند دهه گذشته ساخت بتن مسلح در ایالات متحده آمریکا از فولاد با مقاومت تسلیم 60 - ksi - برای بیشتر تیرها، شاه تیرها، ستونها و کمتر از فولاد 75 - ksi - برای ستونهایی که قسمتی از قابهای با شکل پذیری ویژه نیستند استفاده کرده اند . مطالعات اولیه بر روی اعضای بتنی مسلح شده با فولاد پر مقاومت به تحقیقات گسترده در مورد ستونهای ریچارد و بران در سال 1934 بر میگردد .2 در این تحقیق تاثیر فولاد پر مقاومت با مقاومت تسلیم حداکثر 665 مگاپاسکال بررسی شده است.
آنها نشان دادند که میلگردهای طولی با مقاومت تسلیم 72 - ksi - و 96 کاملا تحت فشار محوری موثر هستند. در سال 1964 تدچینی و همکاران3 نتایج آزمایشات بر روی ستونهایی که با خروج از مرکزیت بارگذاری شده اند را منتشر کردند و مانند ریچارد وبراون نتیجه گرفتند که تنش تسلیم کاملا در مقابله با بار در میلگردهای با پله تسلیم حداکثر - 90 - ksi موثر بوده است. بعدا یک مطالعه گسترده آزمایشی در آزمایشگاههای PCA در دهه 1960 مرتبط با اعضای بتنی مسلح شده با فولاد پر مقاومت با مقاومت تسلیم حداکثر 828 مگاپاسکال انجام شده است
این تحقیقات بر روی اعضای تحت بار فشاری با یا بدون خروج از مرکزیت در جاییکه میلگردهای طولی کاملا درفشار هستند انجام شده است. این آزمایش مقاومت خمشی،کنترل ترک خمشی،وصله های فشاری در ستونها و خستگی را پوشش میدادند. مقاومتهای میلگردها بین 550 - ksi - تا 120 بودند. در همان زمان توماس و سوزن5 نتایج ازمایشات تیرهای مسلح با فولادهای پیش تنیدگی با مقاومت تسلیم 230 - ksi - را منتشر کردند.
این آزمایشات اولیه در ACI 318 ویرایش سال 1971 در نظر گرفته شدند در حالیکه حد بالایی مقاومت تسلیم در آن به 80 - ksi - افزایش داده شد. در حالیکه در انجمن امریکایی مصالح و آزمایش6 هیچ مشخصاتی برای فولادهای با مقاومت تسلیم بیش از 75 - ksi - وجود نداشت. با این وجود حد بالای مقاومت تسلیم فولادهای طولی در قابها ودیوارهای برشی 60 - ksi - در نظر گرفته میشد.
آزمایشات اولیه المانها با فولاد پرمقاومت شامل آزمایشات رفت وبرگشتی نبود. آزمایشات رفت وبرگشتی ابتدا در دهه 1960 توسط برنز و سیس7 انجام شد تا به مطالعه عملکرد المانهای در معرض زلزله بپردازند مانند نیروها و تغییرشکلها. در اوایل دهه 1970 کمیته لرزه شناسی انجمن مهندسان سازه کالیفرنیا8 متوجه نیاز به فولادهای با محدودیتهای شدیدتری بر ویژگیهای کششی خود نسبت به آنچه در آن زمان برای قابهای بتنی شکل پذیر شدند. این محدودیتهای مقاومت کششی و تسلیم به دنبال بهبود قابلیت اطمینان رفتار تیر ضعیف-ستون قوی بودند.
این روند نهایتا ادامه یافت تا اینکه در انجمن بتن آمریکا ACI کمیته 318 ویژگیهای فولادهای پر مقاومت گرید 80 را که در ASTM معرفی شده بود را پذیرفت بدون هیچ محدودیتی بر ای آن در متن اصلی ACI 318-11 چون فولاد گرید 80 برای محصورشدگی مجاز بود. با این وجود فولاد گرید 80 برای استفاده در قابهای با شکل پذیری ویژه و دیوارهای برشی ویژه مجاز نبودند به خاطر کمبود اطلاعات آزمایشگاهی درباره اعضای بارگذاری شده به صورت رفت و برگشتی که در آنها از فولاد با گرید بیشتر از 80 استفاده شده است.
اخیرا محققان شروع به مطالعه بر روی عملکرد لرزه ای اعضای بتنی مسلح با فولاد پر مقاومت کرده اند. اوتانی وهمکاران 9 و ایشیکاوا و همکاران10 تعداد گسترده ای اعضای بتنی را با فولاد با مقاومت 600 مگاپاسکال آزمایش کرده - گونه ای از فولاد پر مقاومت پذیرفته شده در ژاپن - که تحت تغییر مکانهای رفت و برگشتی قرار دارند و در نهایت استفاده از فولاد پر مقاومت به عنوان میلگرد در ژاپن پیشنهاد شد. در ایالات متحده آمریکا رفتار فولاد MMFX ، یک فولاد ابداعی جدید با مقاومت بالا که به مقاومت کششی بالا و مقاومت خوردگی بالا و بهبود یافته با تمرکز بر عملکرد لرزه ای، رفتار برشی و ویژگیهای پیوستگی بررسی شدند.11 این تحقیقات نشان دادند که اعضای بتنی مسلح با فولاد پر مقاومت میتوانند به مقاومت مشابه و ویژگیهای تغییر شکلی با اعضای مسلح فولاد معمولی برسند اگر درست طراحی شوند.
.2 موانع استفاده از فولاد پرمقاومت
موانع متعددی در مقابل استفاده گسترده از این نوع فولاد وجود دارد:
اولا عرض ترک تحت بارهای سرویس: علیرغم مقاومت بالای مصالح اما مدول الاستیسیته میلگرد پر مقاومت تقریبا برابر با میلگرد با مقاومت معمولی است. بنا براین ترک های بزرگ شاید به خاطر تنش نسبتا بالای فولاد که تهدیدی برای قابلیت سرویس دهی سازه است رخ دهند.
ثانیا تهدید شکست ترد : بتن در فشار اساسا شکست نمونه های با فولاد پر مقاومت را کنترل میکند . اگر بتن قبل از تسلیم فولاد خرد شود شکست ترد رخ داده است که سبب کمتر استفاده کردن از میلگردها میشود. روش معمول برای جلوگیری از این مشکل اعمال محدودیتهایی است بر تنش تسلیم میلگردهای فولادی در استاندارد طراحی - ACI - 318-11, 2011 که محافظه کارانه به نظر میرسد.
ثالثا عملکرد لرزه ای: کمبود داده های آزمایشگاهی درباره رفتار لرره ای بتنی مسلح شده با این دسته از میلگردها مانع از آن میشود که مهندسان طراح از مقاومت کامل مصالح استفاده کنند.
میلگردهای پر مقاومت به عنوان میلگردهایی تعریف میشوند که مقاومت تسلیم آنها بیش از 500 مگاپاسکال یا 72 - ksi - باشد. استفاده از فولاد پر مقاومت به عنوان میلگرد طولی در سازه ها سبب کاهش تعداد میلگردها و زمان اجرای سازه بتنی و کاهش هزینه اسکلت ساختمان میشود.
.3 مزایای فولاد پرمقاومت
ملاحضات مربوط به ساخت و هزینه ها هزینه میلگردها مولفه مهمی در هزینه ساخت ساختمانهای بلند بتنی هستند و عموما %30 هزینه کلی سازه که معادل 15تا%20 هزینه کلی یک پروژه ساختمان بلند بتنی بسته به شرایط معماری را شامل میشوند. بنابراین کاهش هزینه مصرف میلگردها میتواند بر کاهش هزینه کلی ساختمانها داشته باشد. ساخت یک ساختمان بتنی شامل قراردهی مقادیری از میلگردها وبتنها به یک شکل مشخص است. کاهش مقدار - توناژ - میلگردها در یک پروژه هزینه های ساختمان کامل شده را کاهش میدهد و سادگی اجرا سبب کاهش زمان لازم برای ساخت میشود.
