چکیده از ستون های CFT
ستون های CFT – مقاطع فولادی حاوی بتن (CFT) بعلت عملکرد مناسب در برابر بارهای لرزه ای و اقتصادی بود نشان. دامنه کاربرد وسیعی را در سازههای عمرانی به خود اختصاص دادند. در این نوع ستونها عوامل مختلفی بر ظرفیت باربری و شکلپذیری موثر هستند. از مهمترین این عوامل میتوان به مشخصه مقاومتی مصالح مصرفی، ابعاد، سن، ضخامت جداره فولادی، انقباض(افت) و غیره اشاره کرد. به همین منظور در آئین نامه های مختلف از جمله AISC ، A.I.J ، EURO CODE و غیره برای برخی از عوامل فوق محدودیتهایی قرار دارند.
در تحقیق حاضر تاثیر برخی از این پارامترها از قبیل مشخصه مقاومتی فولاد مصرفی، مشخصه مقاومتی بتن پر کننده. و ضخامت جداره فولادی در این نوع ستونها با بهره گیری از قابلیتهای نرم افزار اجزاء محدود Ansys مورد بررسی قرار دارد. نتایج این تحقیق نشان می دهد. که این ستون ها نسبت به ستونهای صرفاً فولادی یا بتنی دارای شکلپذیری و ظرفیت باربری بیشتری هستند.
مقدمه
رواج استفاده از ستونهای مرکب به سالهای خیلی دور برمیگردد. یکی از دلایل گسترش استفاده از ستونهای مختلط بتن- فولاد در صنعت ساختمان سازی، حفاظت ساختمانهای فولادی در مقابل آتش سوزی بوده است. از آنجا که مقاطع فولادی در حرارت شدید بسیار آسیب پذیر و در مواجه با آتش به سرعت خواص مکانیکی-مقاومتی خود را از دست میدهند. به این منظور برای بهبود این خواص ستونهای فولادی را داخل بتن قرار می دادند یا به نحوی با بتن ترکیب می کردند.
از مزایای ستون های مختلط فولاد و بتن نسبت به ستونهای صرفاً بتنی یا فولادی میتوان به موارد زیر اشاره کرد
- استفاده از خود مقطع فولادی بعنوان قالب برای هسته بتنی.
- حفاظت سطح بتن از آسیب.
- اقتصادی بودن نسبت به ستون های صرفاً بتنی یا فولادی.
- زمان ساخت کمتر.
- حمل و نقل آسانتر.
در مقابل این مزایا، ستونهای مختلط فولاد-بتن معایبی نیز دارند که میتوان به موارد زیر اشاره کرد
- بدلیل قرارگیری فولاد در سطح خارجی ستون موضوع حفاظت در مقابل آتش سوزی مطرح می گردد. و باید تمهیدات خاصی را برای آن پیش بینی کرد.
- اجرای اتصالات در این نوع ستونها مشکل بوده و رفتار اتصالات بطور دقیق مشخص نیست و تحقیقات کمی در مورد آن انجام گرفته یا در حال انجام است.
بسته به نحوه ترکیب دو ماده فولاد و بتن، ستونهای مرکب به دو دسته تقسیم می شوند
- ستونهای فولادی محبوس شده در بتن.
- ستون های فولادی پر شده با بتن (CFT).
که دسته دوم رواج بیشتری دارند. کاربرد ستون های لوله ای پر شده با بتن (CFT) به اوایل سال 1900 بازمیگردد. هنگامیکه شماری از پلها و ساختمانها با بکار بردن ستون های CFT ساخته شدند. تعدادی از آنها عبارتند از: تقاطع جهت دهنده بزرگراه آلموند بری (Almund bury) انگلستان، خطوط راه آهن چارلروی (Charleroi) بلژیک، اتحادیه کارگری بین المللی در ژنو و یک ورزشگاه در مارتینی-بوری (Martigny-Boury) در سوئیس.
از انواع مقاطع فولادی که پر هستند. با بتن میتوان به مقاطع دایره ای، مستطیلی و مربعی اشاره نمود. که در شکل (1) نمونه هایی از این ستونها را می بینید.
از میان مقاطع رایج مورد اشاره. مقطع دایره ای (ستونهای لوله ای) رواج بیشتری دارد. که مقاومت این شکل مقطع بدلیل هندسه آن به تغییرات ضخامت جداره فولادی وابستگی بیشتری دارد. که تحقیقات کمی در این باره وجود دارد.
رفتار سازه ای ستون های CFT
استفاده از ستونهای لوله ای پر شده با بتن (CFT) بصورت فزاینده ای در کارهای ساختمانی متداول است. این امر تا حدودی بعلت خواص عالی مقاومت آنها در برابر زلزله مانند: مقاومت بالا، شکلپذیری زیاد و ظرفیت جذب انرژی بالا میباشد.
حدود ایجادی توسط قالب فلزی، خواص بتن را با قرار دادن تحت یک حالت سه محوری بهبود می بخشد. و از طرفی از کمانش داخلی لوله فولادی، توسط بتن جلوگیری میشود.
مطالعات و آزمایشات بر تعیین نسبت پواسون
در سال 1967 مطالعات تئوریک انجام گرفته توسط Gardner و Jacob Sen نشان داد که در کرنشهای کم، مقدار نسبت پواسون بتن در محدوده 15/0 تا 25/0 است. اما برای کرنشهای بزرگتر نسبت پواسون بتن حتی تقریباً به مقدار 6/0 نیز میرسد. در نتیجه در مراحل اولیه بارگذاری نسبت پواسون برای بتن کمتر از فولاد است.
بنابراین، لوله فولادی هیچ اثر محدود کننده ای بر روی هسته بتنی ندارد هنگامیکه کرنش طولی افزایش می یابد. گسترش جانبی بتن کم کم بیشتر از فولاد میشود. در نتیجه یک فشار شعاعی در سطح تماس فولاد و بتن پدید می آید.
در این حالت، هسته بتنی تحت تنش سه محوری و لوله فولادی تحت تنش دو محوری قرار دارند. بدلیل وجود کشش حلقوی، (یعنی حالت تنش دو محوره) لوله فولادی نمیتواند تنش تسلیم معمولی را تحمل کند. بنابراین یک انتقال بار از لوله فولادی به هسته بتنی وجود دارد. بار متناسب با این شکل خرابی میتواند بطور قابل ملاحظه ای بزرگتر از جمع بارهای خرابی بتن و فولاد تنها باشد. میزان افزایش بار توسط اثر محدود کنندگی فولاد روی هسته بتنی به عوامل متعددی بستگی دارد.
ضخامت لوله فولادی، نسبت لاغری
خروج از مرکزیت بار و شکل سطح مقطع مثال خوبی در این مورد است. در ستون های CFT با مقطع دایره ای اثر محدود کننده بیشتری نسبت به ستونهای مربعی (تمایل دایره ای شدن مقطع مربعی) دارد. مرکز و گوشه های مقاطع مربعی تحت یک فشار محدود کننده بزرگتری نسبت به اضلاع قرار می گیرند. اما در ستونهای دایره ای یک پخش یکنواخت برای فشار محدود کننده اتفاق می افتد.
مدلسازی اجزاء محدود ستونهای CFT
مطالعه رفتار سازه با روشهای مختلفی از قبیل روشهای تجربی و نظری امکانپذیر است. یکی از روشهای مناسب که بدلیل سرعت و دقت بالا و هزینه کم، نسبت به سایر روشها رواج بیشتری دارد، روش اجزاء محدود است.
برای بررسی رفتار خرابی ستونهای CFT داشتن یک مدل ریاضی مناسب مورد نیاز است. با توجه به قابلیتهایی که روش اجزاء محدود در حل مسائل پیچیده مهندسی دارد. از این روش و از نرم افزار Ansys که مبتنی بر روش اجزاء محدود است، استفاده میشود.
در مدلسازی اجزاء محدود ستونهای فولادی پر میشوند. با بتن از المانهای زیر استفاده میگردند
- هسته بتنی بوسیله المان شش وجهی و هشت گره ای SOLID65 و با سه درجه آزادی انتقالی در هر گره تعریف میشود. مصالح از نوع بتن با قابلیت ترک خوردگی در سه امتداد متعامد در اثر کشش و شکست تحت اثر تنشهای فشاری و نیز تغییر شکلهای پلاستیک است.
- جداره فلزی توسط المان SOLID45 تعریف شده است که همچون المان SOLID65، با هشت گره و سه درجه آزادی در هر گره تعریف میشود. و همخوانی مناسبی با سایر المانهای بکار رفته در مدلسازی ستون های CFT دارد.
- اصطکاک و لغزش بین فولاد و هسته بتنی توسط المان تماسی گره به گره CONTACT178 مدل می شود. این المان قادر است فشار در جهت نرمال و برش را در امتداد مماسی سطوح مورد نظر انتقال دهد.
- رفتار غیرخطی هندسی در همه تحلیل ها مورد لحاظ است.
- تظریف مش بندی برای هر مدل تا جایی انجام گردید است. که در نتایج بهبود قابل توجهی بوجود نیاید.
- رفتار غیرخطی مصالح برای فولاد طبق نمودار تنش-کرنش خطی سازی و در تصویر (2) برای بتن مطابق با نمودار تنش-کرنش خطی سازی، در شکل (3) مورد اعمال است.
- معیار تسلیم Von-Mises بعنوان معیاری مناسب برای مصالح استفاده میشود. و از آنجا که بارگذاری استاتیکی بوده، بنابراین از قانون سخت شوندگی ایزوتروپیک برای مدلسازی رفتار مصالح استفاده میکنند.
- شرایط تکیه گاهی در دو انتهای نمونه ها گیردار است و برای جلوگیری از اتلاف زمان و به دلیل داشتن تقارن محوری در نمونه ها (تقارن هندسی و بارگذاری) نیمی از ستون در مقطع مدلسازی و تحلیل می شود.
ارزیابی نتایج
با توجه به آنچه در مورد نحوه مدلسازی اجزاء محدود برای ستون های CFT ذکر شد. در این قسمت، رفتار خرابی ستونها بر اساس عوامل تاثیرگذار و تحت بار محوری مورد بررسی است. و سپس میزان باربری و شکلپذیری مقاطع مقایسه شده اند. با توجه به اینکه رفتار مقاطع CFT، بستگی زیادی به مشخصات مکانیکی مصالح فولادی و بتنی، ابعاد مقطع و نحوه توزیع بار بین بتن و فولاد در شرایط انتهایی دارد، ارزیابی نتایج در محدوده مشخصات مقاطع انتخابی است. در این تحقیق، نمونه هایی با مقطع هندسی دایره ای مورد بررسی و تحلیل است. در اولین شکل روبرو مقطع و مشخصات هندسی که برای تعریف این مقطع بکار می رود قابل رویت است.
در ابتدا برای همه نمونه ها یک تحلیل غیرخطی هندسی، غیرخطی مصالح و بارگذاری افزایش یابنده به کمک روش Frontal برای حل معادلات استفاده میگردد. که یک روش حل با دقت مناسب است. و نسبت به روشهای حل تکراری این مزیت را دارد. که نقاط حدی را مشخص می کند.
الف) اثر مشخصه مقاومتی فولاد مصرفی
یکی از عوامل مهم در بررسی رفتار سازه ای ستون های CFT، اثر مشخصه های مقاومتی مصالح مصرفی نظیر تنش تسلیم در جداره فولادی و مقاومت فشاری بتن پر کننده است.
بدین منظور تنش تسلیم در جداره فولادی در محدوده 240 MPa≤f_y≤400 MPa انتخاب می شود. تا هم فولاد پر مقاومت و هم فولاد معمولی را شامل شود.
مشخصات نمونه ها برای بررسی اثر تنش تسلیم جداره در جدول (1) مورد لحاظ است. همچنین برای در نظر گرفتن هر دو حالت ستون کوتاه و بلند، دو نسبت L⁄D با مشخصات زیر موجود است:
L⁄D=3 ,12 → L=750 ,3000 mm
اثر تغییرات تنش تسلیم جداره بر ظرفیت باربری نمونه های کوتاه در شکل (6) وجود دارد. که نشان می دهد با افزایش تنش تسلیم جداره ظرفیت باربری نیز بیشتر میشود.
چگومگی محاسبه ضریب شکلپذیری محوری فشاری
از آنجا که شکلپذیری در رفتار لرزه ای اهمیت ویژه ای دارد. اغلب در مورد قابها و نیروی جانبی مورد استفاده قرار میگرد. اما می تواند برای سازه هایی که مولفه قائم زلزله اهمیت ویژه ای دارد. بر اساس رفتار سازه در برابر مولفه های قائم نیز بکار رود. بهمین ترتیب، ضریب شکلپذیری می تواند برای رفتار سازه ها و یا عناصر سازه ای در مورد نیروهای محوری کششی، محوری فشاری، لنگرهای خمشی و پیچشی نیز مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین در مطاله حاضر منظور از ضریب شکلپذیری، «ضریب شکلپذیری محوری فشاری» است که در این تحقیق طبق رابطه زیر تعریف می شود:
[5]μ=∆_u/∆_y
∆_u=نمونه نهایی محوری شکل تغییر.
∆_y=نمونه در ارتجاعی بار ازاء به محوری شکل تغییر.
در شکل (7) اثر افزایش تنش تسلیم جداره فولادی بر روی مقدار شکلپذیری قابل مشاهده است.
شکل (7) نشان میدهد. که با افزایش تنش تسلیم در جداره شکلپذیری محوری نمونه ها افزایش می یابد.
در شکل (8) یک تحلیل رفتاری از اثر تنش تسلیم جداره بر روی نمودار بار-تغییر مکان محوری نمونه MSI 240 قابل رویت است.
بررسی عملکرد متقابل جداره و بتن پر کننده
در تصویر (8) مشاهده میشود که نمونه MSI 240 بعد از عبور از نقطه کمانش، هنوز قادر به تحمل بار است. و بار بیشتری را متحمل می شود. برای درک بهتر عملکرد متقابل جداره و بتن پر کننده. نمونه MSI 240 مورد تحلیل رفتاری قرار دادیم. و تنشهای مربوط به هر نقطه با شماره مشخص در نمودار بار-تغییر مکان قائم مربوط به شکل (8) قابل رویت است.
همانطور که در شکل (8) مشاهده می شود. در تراز بار 1 تنش در جداره و بتن برحسب توان باربری خود بالا می رود. و تا تراز 2 تنش در جداره و بتن بصورت خطی و الاستیک افزایش می یابد. که بیانگر شرایط قید و بند میان جداره و بتن پر کننده است. با توجه به شکل (8) مشخص است. که در تراز بار 3 شیب ناحیه الاستیک کاهش می یابد و تنش در جداره به تنش تسلیم نزدیک می شود.
تحلیل بیشتر با افزایش بار در تراز 5 تنش در بتن
با ادامه بارگذاری از ناحیه الاستیک خارج شده تا اینکه تا تراز بار 4 تنش در جداره به تسلیم می رسد. ولی بدلیل کوتاه بودن ستون، تنش در جداره و بتن افزایش می یابد.
با افزایش بار در تراز 5 تنش در بتن به حد نهایی میرسد. و سبب ایجاد ترکهایی در بتن می شود .که در این حین موجب کمانش موضعی در ستون و همچنین کاهش ظرفیت باربری تا تراز 6 باشد. و تا تراز بار 7 بدون تغییرات زیاد تنش در جداره، باربری فقط توسط بتن پر کننده انجام پذیرد. و تنش در بتن بالا میرود.
تشریح کامل با افزایش بار از تراز 7
از تراز بار 7 تا تراز بار 8 لهیدگی جداره کامل شده و بدلیل درگیری و قفل شدگی بین جداره و بتن پر کننده در نتیجه باعث ایجاد سخت شدگی و تحمل بار مجدد می شود. که درصدی از بار تحملی از بتن به جداره انتقال می یابد و سبب بالا رفتن شکلپذیری و ظرفیت باربری می شود. در این تراز تنش بتن در نزدیکی جداره بیشتر از مرکز ستون می باشد. بطوریکه با نزدیک شدن به سمت مرکز ستون از مقدار تنش کاسته می شود.
در نهایت، در تراز بار 8 ستون بطور کامل تخریب میشود و دیگر قادر به تحمل بار نیست. و ظرفیت باربری خود را از دست می دهد.
اثر تغییرات تنش تسلیم جداره روی ظرفیت باربری نمونه های بلند در شکل (9) قابل مشاهده است. که همانند نمونه های کوتاه با افزایش تنش تسلیم در جداره ظرفیت باربری نمونه ها بالا می رود.
اثر تغییرات تنش تسلیم جداره بر شکلپذیری در نمونه های بلند در شکل (10) قابل مشاهده است.
تحلیل و بررسی آزمایش افزایش تنش در جداره فولادی
همانطور که انتظار می رود با افزایش تنش تسلیم در جداره فولادی شکلپذیری نمونه های بلند بدلیل کمانش کلی ستون، افزایش می یابد. که از محاسن ستونهای بلند، جذب انرژی با شکلپذیری بالاست.
ملاحظه میشود که بر خلاف ستونهای معمولی که در آنها بعد از رسیدن به بار حداکثر، ظرفیت باربری به شدت کاهش می یابد. و تحمل تغییر شکلهای بزرگ را در ترازهای بار نزدیک به بار حداکثر ندارند. ستونهای CFT بعد از رسیدن به بار حداکثر، کاهش بسیار کمی در ظرفیت باربری دارند. و به خوبی تغییر شکلهای بزرگ را در ترازهای بار نزدیک به بار حداکثر تحمل می کنند.
ب) اثر مشخصه مقاومتی بتن پر کننده
مشخصات نمونه ها برای بررسی اثر مقاومت فشاری بتن پر کننده در جدول (2) قابل مشاهده است. محدوده مقاومت فشاری بتن هم بتن معمولی و هم بتن پر مقاومت را شامل می شود. که بین 20 Mpa≤f_c≤60 MPa مورد اعمال است.
اثر تغییرات مقاومت فشاری بتن بر ظرفیت باربری نمونه ها در شکل (11) و تصویر (12) قابل مشاهده است.
همانطور که انتظار می رود. و در شکلهای (11) و (12) مشاهده میکنید. با افزایش مقاومت فشاری بتن ظرفیت باربری هر دو نوع نمونه (بلند و کوتاه) بالا می رود. بطوریکه 5/1 برابر کردن مقاومت فشاری بتن هر دو نوع نمونه، سبب افزایش 20 درصدی ظرفیت باربری نسبت به حالت اولیه می گردد.
اثر مقاومت فشاری بتن بر شکلپذیری ستونهای کوتاه در شکل (13) و برای ستونهای بلند در شکل (14) می توانید ببینید.
همانطور که در شکل (13) ملاحظه میکنید. در نمونه ها، با افزایش مقاومت فشاری تا مقدار 30MPa برای بتن از شکلپذیری کاسته می شود.
ایجاد محدودیت مقاومت فشاری بتن
با افزایش مقاومت فشاری بتن تا مقدار 50MPa شکلپذیری نمونه ها افزایش می یابد. و بار دیگر با افزایش مقاومت فشاری بتن از 50MPa شکلپذیری نمونه ها کاهش می یابد.
بعبارتی بدلیل عملکرد و اندرکنش متقابل جداره و بتن پر کنندگی همواره بالا بردن مقاومت فشاری مطلوب نیست. بنابراین برای داشتن مقاومت فشاری بهینه برای بتن که هم جنبه اقتصادی داشته باشد. و هم شکلپذیری مطلوبی حاصل شود. باید مقاومت فشاری بتن را به 45MPa تا 55MPa محدود کرد.
بعبارتی افزایش مقاومت فشاری بتن در محدوده مشخصی سبب بالا رفتن شکلپذیری نمونه ها میشود. و در خارج آن محدوده به دلیل خاصیت ترد و شکنندگی ناگهانی بتن، شکلپذیری نمونه ها کاهش می یابد.
پ) اثر تغییرات ضخامت در جداره فولادی
مشخصات نمونه های مورد بررسی برای درک رفتار ستونها تحت تاثیر ضخامت در جداره، در جدول (3) آورده شده است.
در این تحلیل ها بمنظور بررسی هر دو حالت ستون کوتاه و ستون بلند دو ارتفاع برای ستون با نسبت های زیر در نظر گرفته شده است:
L⁄D=3 ,10 → L=900 ,3000 mm
نمودار بار-تغییر مکان محوری بازای تغییرات ضخامت در جداره در دو حالت ستون کوتاه و ستون بلند مشابه بوده و برای نمونه های بلند در شکل (15) نشان داده شده است.
همانطور که مشاهده می شود، افزایش ضخامت در جداره سبب می شود. هم ظرفیت باربری افزایش یابد و هم اینکه شیب قسمت الاستیک و خطی نمونه ها افزایش یابد. مقدار افزایش ظرفیت باربری بازای افزایش در سطح مقطع جداره برای نمونه های کوتاه و بلند در تصویر (16) و شکل (17) قابل رویت است.
نتایج شکل (17) نشان می دهند. اگر سطح مقطع جداره به اندازه حدود 5/2 برابر افزایش یابد. ظرفیت باربری نمونه به اندازه 42 درصد نسبت به حالت قبلی افزایش می یابد. که دلیل آن بالا رفتن فشار محصور کنندگی است.
نتیجه گیری
در تحقیق حاضر، اگرچه نتایجی که در زیر ارائه می شوند، محدود به حالات مختلف برای تحلیل ها است. اما احتمال می رود که این نتایج حوزه تاثیر و کاربرد جامع تری داشته باشند. نتایج حاصل از این تحقیق عبارتند از :
- پر کردن مقاطع فولادی توخالی با بتن موجب افزایش ظرفیت باربری، سختی و شکلپذیری می گردد.
- برای ساخت ستونهای مرکب از نوع CFT، در صورت وجود دو نوع فولاد با تنش تسلیم متفاوت برای استفاده بهینه و عملکرد بهتر از لحاظ ظرفیت تحمل بار و شکلپذیری بهتر، باید فولاد با تنش تسلیم بیشتر در جداره قرار گیرد.
- در ستونهای CFT افزایش مقاومت فشاری بتن به هر اندازه برای بالا بردن ظرفیت باربری و شکلپذیری مناسب نیست و دلیل آن خاصیت ترد شکنی ناگهانی بتن در مقاومت های بالا است که موجب کاهش شکلپذیری نمونه میشود.
- تاثیر تغییرات ضخامت در جداره فولادی به گونه ای است که افزایش ضخامت در جداره باعث بالا رفتن ظرفیت و بیشتر شدن شکلپذیری نمونه ها میشود.
- با بررسی نتایج مشخص شد استفاده از مقطع هندسی مربعی در ساخت ستونهای CFT، سبب کاهش شکلپذیری و ظرفیت باربری نمونه ها میشود و بیشترین ظرفیت باربری به نمونه ای با مقطع هندسی دایره ای می باشد.
