دانشگاه آزاد اسلامی
واحد تهران جنوب
دانشکده فنی و مهندسی
سمینار برای دریافت درجه کارشناسی ارشد ” M.Sc ”
مهندسی(عمران- سازه)
عنوان:
رفتار لرزه‌ای ستون‌های فلزی باکسی پرشده با بتن تحت نیروهای زلزله
چکیده
ستون‌های باکسی پرشده با بتن (CFT)[1] در بسیاری از ساختمان‌ها در جهان استفاده شده‌اند. این سازه‌هابا ارتفاعها و وضعیتهای گوناگون در دو موقعیت بدون نیروهای لرزه‌ای ودر مناطقی که خطر لرزه‌ای بالایی دارند اجرا گردیده اند. این بازبینی کوتاه رفتار ستون‌های پرشده از بتن بامقطع دایره و مربع مستطیل به همراه بادبندها، و خصوصاً متمرکزشده بر رفتار آنها در زمان اعمال بارها به طور لرزه‌ای رفت و برگشتی درنظر گرفته است. این بحث با رفتار ستون‌های پرشده با بتن تحت بارهای محوری و خمش و پیچشی شروع می‌شود و چکیده‌ای از اثرات خزش، جمع‌شدگی و عکس‌العمل کلی ستون‌های پرشده با بتن برای تنش‌های پسماند را نشان خواهد داد. مختصری از رفتار یکنواخت براساس بحث‌های متعاقب تحقیق شده بر روی رفتارسیکلی این ستون‌ها دیده می‌شود. این مقاله از چندین مقاله که در زمین‌های نیروی غیرلرزه‌ای برای محاسبه و طراحی این ستون‌ها کارشده برگرفته شده است
1-1مقدمه
ستون باکسی مرکب ، پر شده با بتن (CFT) به طور روزافزون بعنوان یک ستون یا تیر ستون در سازه‌های بادبندی شده ویا قاب‌های خمشیمورد استفاده قرار میگیرد. با استفاده از مقاطع سرد نوردشده دایره‌ای یا مستطیلی مربعی در ساختمان‌های مختلف با بتنهای پیش تنیده یا درجا ریخته شده در سراسر جهان مرسوم گردیده است، این سازه‌ها با مقاطعی با ابعاد بالا و درجا ریخته شده در ستون‌های اصلی که باید در برابر نیروهای لرزه‌ای مقاوم باشد در ساختمان‌های چند طبقه بادبندی شده و قاب‌های خمشی استفاده شده است. ستون‌های باکسی پرشده با بتن از پلیت جوش شده به هم درست شده‌اند و در ساختمان‌های بلند جهان با ستون‌های دایره‌ای از لوله‌ها استفاده شده است. در مجموع در ژاپن از این روش برای ستون‌های پل به طور معمول استفاده می‌شود. ]3[
اعضای پرشده با بتن در سازه‌ها یکسری نتایج خوب با مقاطع متعادل ازفولاد، بتن مسلح، و یا فولاد مسلح شده با بتن دارد. وقتی از قاب‌های مرکب از فولاد و بتن شامل مقاطع I شکل در تیرهای اصلی که به صورت مربعی مسطتیلی یا دایره‌ای قاب شده‌اند که این قاب‌ها به طور کامل یا بخشی از آن یا اتصالات آنها گیردار شده‌اند،CFTها باعث یکنواختی عالی و مقاومت زیاد در برابر لرزه در جهت عمود برهم و تناسب خوب برای مقاومت برابر خمش یکطرفه به همراه بار محوری می‌شود.برای طراحی لرزه‌ایCFTها دربخش مقاوم در خمش قاب‌ها نسبت (مقاومت بر وزن) را بسیار بالا می‌برد وبدلیل محبوس‌بودن بتن و بادبندی ممتد، باکس‌های نواری با نسیت بالای (مقاومت بر وزن) از ستون‌های باکسی، باعث تأخیر در کمانش موضعی در آن می‌شود، رفتار استهلاکی تصحیح شده، در مقایسه با قاب‌های فولادی معمولی مشهود می‌باشد و افزایش شکل‌پذیری و سختی فولاد در بیرون محیطی که بطور مؤثر در مقاومت خمشی به خوبی کشش و فشار محوری بطوراجرای عمل می‌کند، قرار میگیرد در حالی که فرم‌های‌های بتنی بعنوان یک هسته کمکی بسیار عالی به مقاومت در برابر بارهای فشاری خواهد کرد.
باکس‌های فولادی همچون قاب در سازه عمل می‌کنند و اجرای آنها می‌تواند برای سازه‌های چندطبقه ارجع باشد چون در آنها هزینه کارگری و مصالح را کاهش خواهد داد. هزینه تمام شده اعضا کمتر از هزینه فولاد و به سختی با بتن مسلح بر پایه (مقاومت برهزینه)برابری می‌کند.
تحقیقات اخیر استفاده از بتن مقاومت بالا و یا فولاد با بتن مقاومت بالا رابا موفقیت بیشتری ا نشان داده است]8-12[. با استفاده از بتن مقاومت بالا، CFTها در هر فوت مربع قویتر از ستون‌های بتنی مسلح معمولی هستند. با این روش قاب‌هایی کوچکتر و سبکتر روی فونداسیون ساخته خواهد شد.
در نیروهای لرزه‌ای، پاسخ سیکلی ستون‌های CFT و اتصالات بوجود آمده در آنها یک منحنی هیسترزیس کامل با جذب انرژی قابل توجه را نشان می‌دهد]4-6-13-14[. کاهش قدرت و سختی در این مرحله خصوصاً برای ستون‌های CFT که در آن بتن حکمفرما است، اتفاق می‌افتد]6-15-16[. ترجیح داده می‌شود که این کاهش بصورت تدریجی و متوسط باشد، خصوصاً برای مصالح نرمال این مهم است. به دلیل سودمندی آن، مقداری از پروژه‌های تحقیقی در حال پیشرفت در سراسر جهان شامل رفتار لرزه‌ای ستون‌های CFT در شروع آن از آمریکا و ژاپن در بخش علوم پایه ملی آمریکا و برنامه‌‌های همکاری تحقیقاتی ژاپن، بر روی ساختمان‌های چندگانه و مرکب بوده است. شکل (1-1) پلان یک ساختمان که با قاب‌های CFT در این برنامه تحقیقاتی مرتب شده است. استفاده از ستون‌های CFT در چند دهانه در تمام جهت‌های اصلی از کم به زیاد در سازه باعث افزایش ظرفیت ستون‌های CFT در حین لرزه برای هر دو جهت قاب‌ها می‌شود.
خرابی CFTها بستگی به نسبت و مقاومت کم یا متوسط بتنی ندارد وبطور عادی در ترکیبی ازجاری‌شدن و کمانش محلی فولاد، شکست بتن، و کمانش خمشی اعضاء همچون یک کمانش کلی اتفاق می‌افتد و این به اندازه کافی مهم است چرا که رفتار شکل‌‌پذیر بطور کلی از آن منتج می‌شود، صرفنظر از آنچه مصالح فلزی یا بتنی در ابتدا بصورت غیرالاستیک باشد.
خرابی ستون‌های باکسی جداره نازک (CFTها با باکس و داشتن جداره ای که آن بزرگتر از 60 باشد) یا CFTهایی با بتنی مقاومت بالا ترجیح به کمانش محلی باکس فولادی ترکیب شده با یک تخریب برشی بتن دارد]8[. در حالیکه باکس فولادی کمک می‌کند خرابی برشی در بتن تأخیر بیافتد]10[، این مد خرابی ترد تر ازبقیه می‌باشد. براساس ضوابط[1]SSRC،[2]AISC ]21[، و برای طراحی لرزه‌ای،]21[ [3]NEHRP، برای CFTها در سراسر جهان، اخیراً محدوده جاری‌شدن بالای فولاد، حدود380 مگا پاسکال پیشنهاد شده وبتن بامحدوده مقاومت55 مگا پاسکال و محدوده باکس نواری، بطوری که مطمئن باشیم به جاری‌شدن کلی نمی‌رسیم و در ابتداخرابی بصورت کمانش محلی یا خوردشدن بتن صورت بگیرد.
نسبت پواسون اولیه بتن (تقریباً 15/0 تا 25/0) کمتر از فولاد (3/0 تقریبی) می‌باشد]23[. بنابراین در ابتدا بتن در ستون CFT محبوس می‌باشد. گسترش خورد شده گی بتن سریعتر از باکس فولادی خواهد بودودر تراز بارگذاری بالاتر بطور بهتری با هم منسجم می‌شوند. مقاطع دایره‌ای به طور مؤثری می‌تواند تنش پیرامونی را به فشارهای جانبی اعمال شده روی بتن را پخش کنند]24[، اما طرف صاف مقطع مربع مستطیل، باعث فشار نفوذی کمتری می‌شود تا بتن بطور مجدد گسترش کرنشی داشته باشد. در کناره باکس‌های مربع مستطیل پخش بار اصلی باعث محبوس‌بودن بتن می‌شود، و تأثیر آن روی مقاومت ناچیز است، اگرچه CFT شکل‌پذیری بالاتری دارد. رفتار CFT بارگذاری شده اغلب متأثر از همین محبوس‌شدگی است ]7[، بارگذاری بتن تنها ترجیحا از بارگذاری با فولاد بتن با هم،تراز بار کمتری دارد.برعکس آن، بارگذاری فولاد، به تنهایی، با اتصال تیرهای اصلی بطور ساده منجر به اصطکاک موضعی شود. اما بتن محصور تا زمانی که بارهای اصلی اعمال شود وارد عمل نمی‌گردد. در یکی از مراجع در همین زمینه که کارکرد یا عملکرد فقط یکی از مصالح، از بارگذاری بحث شده است]8-10-23[.
سختی اولیه ستون باکسی فلزی پرشده با بتن تحت بار فشاری محوری توسط هسته بتنی کاملاً پیچیده شده است و به واکنش بین دو مصالح بستگی دارد. ضوابط ]21 SSRC [یک مدول الاستیک تعریف شده را پیشنهاد می‌کند که مجموعی از مدول الاستیسیته برای فولاد بتن می‌باشد. روی مدولاولیه بتنجهتبه حساب‌آوردن خزش و شکست کششی یک فاکتور کاهش‌دهنده 4/ 0 اعمال می‌کنیم.این پیشنهاد طراحی تنظیم شده است از طرف مراجعی مانند،]21 AISC [می‌باشد اما بعضی از محققین پیشنهاد جمع مجزا سختی هر مصالح را دارندکه بطور کلی با تجربیات بهتر همخوانی دارد و بنابراین برای سختی محوری اولیه در یک آنالیز خطی به غیرخطی مناسب‌تر است]25[،این رفتار پایدار CFTها در این مرجع بطور مختصر آمده است]26[.
تحقیقات تجربی قابل توضیح بر روی مقاومت محوری CFTها انجام شدهکه در آن از نسبت و مقاومت مصالح و های زیادی استفاده شده است. یک نمونه از تست یکنواختی روی CFTهای دایره‌ای ممکن است درپیدا شود. مقاومت محوری مقاطع مربعی CFTها در مرجع بحث شده است]7-11-23-27-30[.
1-3مقاومت خمشی و سختی
برای ستون باکسی پرشده از بتن تحت خمش و برش، بخش بزرگی از سختی و مقاومت توسط فولاد پیرامون مقطع پخش می‌شود، که در کل این مصالح بیشترین تأثیر را می گذارند. تیرهای CFT وقتی در خمش یکنواخت بارگذاری شده باشد بطور عالی نشان‌دهنده شکل‌پذیری اولیه به خرابی می‌باشند.تیرها با ظرفیت نرمال مقاومت مصالح و بطور نسبی باکسی قوی بطور معمولی در یک ترکیب از جاری‌شدن فولاد در کشش، کمانش باکس فولاد در فشار، خوردشدن بتنی در فشار و سرانجام پارگی فولاد باکس در کشش به خرابی می‌رسند. تعداد محدود تستهای انجام شده روی CFTها در زیر بار خالص خمشی به عنوان یک ستون بوده است.
-5مقاومت پیچشی و سختی
تعداد کمی تست تحت بارگذاری پیچشی انجام شده است. در آزمایشات محدود شده به ستون‌هایی که تحت بار یکنواخت پیچشی بخوبی انجام گرفته شد. تویب فلزی بتنهایی رفتار نسبتا خوبی در برابر پیچش دارد. خرابی پیچشی در ستون‌های CFTبصورت مشخص و ناگهانی نمی‌باشد، اما توسط یک افزایش بزرگ درچرخش پیچشی طی یکلنگر نسبتا ثابت مشخص گردیده است.
خرابی بدلیل ترکیبی از ترک‌های مارپیچی در بتن و جاری شدن کششی فولاد صورت میگیرد.
تأثیر بار محوری بر پیچش بیشترین بخش خسارت به ستون را دارد، اگرچه در صورت افزایش بار محوری به اندازه 1. 5 برابر بار حدی محوری افزایش کوچکی در مقاومت پیچشی عضو ایجاد می‌شود. سختی پیچشی اولیه ستون‌های CFTبطور معمول از تیوب فلزی نشئت میگیرد. ]47[
1-6خزش و جمع شدگی در CFTها
تستهای قبلی انجام شده توسط فور لانگ نشان می‌دهد که خزش دارای تأثیر بر رفتار طولانی مدت ستون‌های CFTمی‌باشد، اگرچه این تأثیر مختصر توسط باکس فلزی محبوس کننده قابل گذشت می‌باشد. ناکی ضرایب بدست آمده از خزش (نسبت کرنش نهایی به کرنش الاستیک اولیه) را در حدود نصف مقدار بدست آمده از بتن مسطح اعلام کرده است. فورلانگ فهمید که بارگذاری بطور آرام می‌تواند افزایش قدرت را 15% کاهش دهد و جمع‌شدگی در ستون‌ها باعث مقید شدگی مجدد در آن شود هرچند تأثیر آن بر رفتار نهایی ستون‌های CFT تغییر شکل بعمل آمده است. تری در آزمایشات خود با این موضوع مواجه شد که خزش و جمع شدگی بر مقاومت ستون‌های CFTتأثیر مخالفی ندارد. هرچند خزش ممکن است باعث تأثیر بر بارگذاری به فولاد و موارد کمانش محلی شود و جمع شدگی باعث ترک‌های اولیه در بتن شود. ]50[
1-7تنش پسماند در CFTها
مقدار تراز تنش پسماند در باکس‌های فلزی به مقدار زیادی بستگی به مراحل کارخانه‌ای و شکل مقطع دارد. به منظور کلی مقاطع سرد فرم داده شده و مراحل جوش شده، باکس‌های سرد فرم داده شده جوش شده ظرفیت بالاتری ازباکس‌های بدون درز برای تنش پسماند دارند و باکس‌های مربعی مستطیلی سرد فرم داده شده تنش پسماند بیشتری نسبت به مقطع دایره‌ای دارند. تنش پسماند طولی در باکس‌های فلزی سرد فرم داده شده بوجود می‌آید در ضخامت‌های متفاوت بطور تأثیرگذاری منحنی سختی کرنش را گردمی‌کند. ]16-59[
1-8 رفتار چرخه‌ای باکس‌های فولادی پرشده با بتن
این تحقیق در رفتار یکنواخت یک CFT در یک چهارچوب برای یک مقدمه تحقیقات تهیه شده است که رفتار چرخه‌ای یا سیکلی یک ستون توپر، بتنی فولادی را تحقیق می‌کند. این تحقیقات توسط لیو، گوول]60[ و کاوایو، ماتسنی]61[ (Gool & Liu؛ و (Matsni & Kawaivوبرای مطالعه بر روی چند نمونه ستون تست‌هایی انجام شده با نیروهای محوری و مقایسه کردن آنها،انجام شده است. مهمترین نکاتی که در تستها معلوم شده مقایسه این ستون‌های تو خالی بادبندی شده مربع مستطیلی و پرشده با بتنی بود، آنها نشان دادند که اضافه‌کردن بتن کمانشی محلی را به تأخیر می‌اندازد و تعداد چرخه‌های سیکل برای خرابی را افزایش می دهد و مقدار جذب انرژی افزایش می‌یابد. نیروی کمانش در بتن از طرف تیوپ بیرونی می‌باشد که دو منفعت دارد.
- وقتی کمانش رخ می دهد، فاصله بین بال بالایی و پایینی از قوطی فلزی بیشتر می‌شود تا کمتر شود (که باعث می‌شود مقدار زیادی از مدول مقطع کاسته شود).
- بتن مایل به جداسازی کمانش محلی از یک منطقه بزرگ می‌باشد، و کرنش‌های شدید متمرکز را کم می‌کند که باعث ترک‌خوردگی می‌شود. البته در کشش، فقط فولاد بطورمؤثر در برابر نیروی محوری مقاومت می‌کند.
برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید
نظرات شما عزیزان:
تبادل لینک هوشمند