سمینار: رفتار ستون‌های پر شده با بتن(CFT)

فایل زیر شامل

۱- عدد فایل ورد(قابل ویرایش) سمینار پایان نامه به همراه فایل پی دی اف به تعداد ۵۲ صفحه است

(نوشته دارای نظم نگارشی و  فرمبندی کامل همچنین رفرنس نویس کامل است )

(این فایل میتواند به عنوان تحقیق درسی یا سمینار مناسب باشد )

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.

فصل اول

 

مقدمه و مفاهیم کلی رفتار ستون‌های پر شده با بتن(CFT)

 

-۱مقدمه

ستون باكسي مركب ، پر شده با بتن (CFT) به طور روزافزون بعنوان يك ستون یا تير ستون در سازه‌هاي بادبندي شده ویا قاب‌های خمشیمورد استفاده قرار مي‌گيرد. با استفاده از مقاطع سرد نوردشده دايره‌اي يا مستطيلي مربعي در ساختمان‌هاي مختلف با بتنهاي پيش تنيده يا درجا ريخته شده در سراسر جهان مرسوم گرديده است، اين سازه‌ها با مقاطعي با ابعاد بالا و درجا ريخته شده در ستون‌هاي اصلي كه بايد در برابر نيروهاي تنش حرارتی مقاوم باشد در ساختمان‌هاي چند طبقه بادبندي شده و قاب‌هاي خمشي استفاده شده است. ستون‌هاي باكسي پرشده با بتن از پليت جوش شده به هم درست شده‌اند و در ساختمان‌هاي بلند جهان با ستون‌هاي دايره‌اي از لوله‌ها استفاده شده است. در مجموع در ژاپن از اين روش براي ستون‌هاي پل به طور معمول استفاده مي‌شود. ]۳[

اعضاي پرشده با بتن در سازه‌ها يكسري نتايج خوب با مقاطع متعادل ازفولاد، بتن مسلح، و يا فولاد مسلح شده با بتن دارد. وقتي از قاب‌هاي مركب از فولاد و بتن شامل مقاطع I شكل در تيرهاي اصلي كه به صورت مربعي مسطتيلي يا دايره‌اي قاب شده‌اند كه اين قاب‌ها به طور كامل يا بخشي از آن يا اتصالات آنها گيردار شده‌اند،CFTها باعث يكنواختي عالي و مقاومت زياد در برابر لرزه در جهت عمود برهم و تناسب خوب براي مقاومت برابر خمش يكطرفه به همراه بار محوري مي‌شود.براي طراحي تنش حرارتیCFTها دربخش مقاوم در خمش قاب‌ها نسبت (مقاومت بر وزن) را بسيار بالا مي‌برد وبدليل محبوس‌بودن بتن و بادبندي ممتد، باكس‌هاي نواري با نسيت بالاي (مقاومت بر وزن) از ستون‌هاي باكسي، باعث تأخير در كمانش موضعي در آن مي‌شود، رفتار استهلاكی تصحيح شده، در مقايسه با قاب‌هاي فولادي معمولي مشهود مي‌باشد و افزايش شكل‌پذيري و سختي فولاد در بيرون محيطي كه بطور مؤثر در مقاومت خمشي به خوبي كشش و فشار محوري بطوراجراي عمل مي‌كند، قرار مي‌گيرد در حالي كه فرم‌های‌هاي بتني بعنوان يك هسته كمكی بسیار عالی به مقاومت در برابر بارهاي فشاري خواهد کرد.

باكس‌های فولادی همچون قاب در سازه عمل مي‌كنند و اجراي آنها مي‌تواند براي سازه‌هاي چندطبقه ارجع باشد چون در آنها هزينه كارگري و مصالح را کاهش خواهد داد. هزینه تمام شده اعضا كمتر از هزینه فولاد و به سختي با بتن مسلح بر پايه (مقاومت برهزینه)برابری می‌كند.

تحقيقات اخير استفاده از بتن مقاومت بالا و يا فولاد با بتن مقاومت بالا رابا موفقیت بيشتري ا نشان داده است]۸-۱۲[. با استفاده از بتن مقاومت بالا، CFTها در هر فوت مربع قويتر از ستون‌هاي بتني مسلح معمولي هستند. با اين روش قاب‌هايي كوچكتر و سبكتر روي فونداسيون ساخته خواهد شد.

در نيروهاي تنش حرارتی، پاسخ سیکلی ستون‌هاي CFT و اتصالات بوجود آمده در آنها يك منحنی هيسترزيس كامل با جذب انرژي قابل توجه را نشان مي‌دهد]۴-۶-۱۳-۱۴[. كاهش قدرت و سختي در اين مرحله خصوصاً براي ستون‌های CFT كه در آن بتن حكمفرما است، اتفاق مي‌افتد]۶-۱۵-۱۶[. ترجيح داده مي‌شود كه اين كاهش بصورت تدريجي و متوسط باشد، خصوصاً براي مصالح نرمال اين مهم است. به دليل سودمندي آن، مقداري از پروژه‌هاي تحقيقي در حال پيشرفت در سراسر جهان شامل رفتار تنش حرارتی ستون‌هاي CFT در شروع آن از آمريكا و ژاپن در بخش علوم پايه ملي آمريكا و برنامه‌‌هاي همكاري تحقيقاتي ژاپن، بر روي ساختمان‌هاي چندگانه و مركب بوده است. شكل (۱-۱) پلان يك ساختمان كه با قاب‌هاي CFT در اين برنامه تحقيقاتي مرتب شده است. استفاده از ستون‌هاي CFT در چند دهانه در تمام جهت‌هاي اصلي از كم به زياد در سازه باعث افزايش ظرفيت ستون‌هاي CFT در حين لرزه براي هر دو جهت قاب‌ها مي‌شود.

شکل ۱-۱ پلان سازه سه بعدی بادبندی نشده(شماتیک دیاگرام یک سازه باسیستم قاب خمشی مرکب پر شده با بتن)]۱۷[

 

 

بیان مسئله

اين تحقيقات بخش كوچكي از مبحث ستون‌هاي پرشده با بتن در پاسخ تنش حرارتی ساختمان‌ها مي‌باشد. پيشرفت در فهم رفتار CFTها به نسبت ساختمان‌هاي با مقاطع توخالي در طول ۴۰ سال گذشته و تعداد زياد تحقيقات مرتبط بر روي رفتار مقاطع توخالي در سازه‌ها كامل‌كننده اين تحقيقات براي ستون‌هاي CFT مي‌باشد. هر چند فقط در دو دهه گذشته مقدار قابل توجهي تحقيقات روي پاسخ  لرزه‌ای سیکلی بر روي CFTها انجام شده كه در مناطق زلزله‌خيز مورد استفاده قرار گرفته شد.

مباحث بسيار دقيق بر روي لوله‌هاي دايره‌اي سرد نوردشده و مقاطع مربعي يا باكس‌هاي چهاروجهي، با داشتن خط جوش ممتد كه در كارخانه انجام شده است. در این تحقیق هدف محدود به ستون‌هاي CFT كه به طور كامل با بتن پرشده‌ و تيرهاي طولي يا متصل‌كننده‌هاي برشي در آن تعبيه شده‌اند، مي‌باشد. رفتار ستون‌هاي پرشده به بتن و يا ستون‌هاي دايره با قطر بزرگ، لوله‌هاي دايره‌اي ساخته شده به ورقهاي نازك پرشده با بتن که در اينجا به طور كامل تحقیق نشده‌اند، خواننده مي‌تواند براي بحث در اين زمينه به مراجع ديگری مراجعه كند]۲-۳-۱۹[. تحقيق بر روي تيرهاي با پروفیل I شكل متصل شده به ستون‌هاي CFT به طور مختصر توضيح داده شده است.

امروزه اکثر سازه ها بر دو نوع بتنی و فولادی تقسیم میشوند.اغلب سازه های مرتفع جنسشان به دلیل داشتن ویژگیهایی خاصی که در فولاد وجود دارد از این جنس است.

احتمال حریق در هر دو سازه وجود دارد اما در سازه فولادی به دلیل اینکه حرارت به صورت مستقیم یا غیر مستقیم به آن وارد میگردد و امکان ذوب و نرم شدن فلز وجود دارد و باعث کاهش مقاومت در مقابل حرارت  فولاد چه در کشش و چه در خمش میگردد. با توجه به این که سازه های فولادی از تیر و ستون تشکیل میشوند دانستن این میزان تغییر مقاومت در مقابل حرارت (کشش و خمش)بسیار مهم است که آیا پس از اتفاق افتادن حریق سازه مجددا میتواند مورد استفاده قرار گیرد یا خیر.

در این تحقیق عملکرد خمشی تیرهای فولادی (قوطی)در معرض حرارت و مقاوم سازی آن ها توسط cfrp  و پر کردن آن با بتن مورد بررسی قرار میدهیم.

سوالات تحقیق

-حرارت چه مقدار میتواند سبب تغییر در مقاومت خمشی تیر فولادی گردد؟

-آیا تقویت تیر فولادی حرارت دیده با CFRPمیتواند در مقاومت خمشی تیر تغییر ایجاد کند؟

-حرارت چه میزان میتواند باعث تغییر در عملکرد خمشی تیر فولادی پر شده با بتن گردد؟

 

اهداف تحقیق

-بررسی عملکرد خمشی تیر فولادی در دو حالت : در معرض حرارت و بدون حرارت.

-بررسی عملکرد خمشی تیر فولادی پر شده با بتن در دو حالت : در معرض حرارت و بدون حرارت.

-بررسی عملکرد خمشی تیر فولادی تقویت شده باCFRP.

 

فصل دوم

 ۱-۲رفتار يكنواخت ستون‌هاي باكسي پرشده با بتن (CFT)(مقاومت محوري و سختي)

طول

عمق

عرض

ضخامت

رفتار يكنواخت CFTها به طور وسيعي مطالعه شده است، که هم به صورت تجربي و هم عددي مقاومت محوري فشاري CFT از تركيب جاري شدن فولاد و شكست بتني نشئت مي‌گيرد، در حاليكه فقط فولاد باكس براي بارهاي كششي موثراست. CFT با نسبت  با تقريبي كمتر از(۱۰ الی۱۵) بصورت معمول و تيپ نزديك به طراحي مقاومت در مقابل حرارت  مقاطع خودشان هستند، طول متوسط يا بلند (باريك) CFT‌ها توسط خمش بطور ناپايدار مي‌باشد، معمولاً درگيري حداقل اوليه به شكست بتن و جاري‌شدن فولاد براي كمانش اوليه مي‌باشد.

خرابي CFT‌ها بستگي به نسبت و مقاومت در مقابل حرارت  كم یا متوسط بتني ندارد وبطور عادي در تركيبی ازجاري‌شدن و كمانش محلي فولاد، شكست بتن، و كمانش خمشي اعضاء همچون يك كمانش كلي اتفاق مي‌افتد و این به اندازه کافی مهم است چرا که رفتار شكل‌‌پذير بطور كلي از آن منتج مي‌شود، صرفنظر از آنچه مصالح فلزي يا بتني در ابتدا بصورت غيرالاستيك باشد.

خرابي ستون‌هاي باكسي جداره نازك (CFTها با باكس و داشتن جداره ای كه  آن بزرگتر از ۶۰ باشد) يا CFT‌هايي با بتني مقاومت بالا ترجيح به كمانش محلي باكس فولادي تركيب شده با يك تخريب برشي بتن دارد]۸[. در حاليكه باكس فولادي كمك مي‌كند خرابي برشي در بتن تأخير بيافتد]۱۰[، اين مد خرابي ترد تر ازبقیه مي‌باشد. براساس ضوابط[۱]SSRC،[۲]AISC ]21[، و براي طراحي تنش حرارتی،]۲۱[ [۳]NEHRP، براي CFT‌ها در سراسر جهان، اخيراً محدوده جاري‌شدن بالای فولاد، حدود۳۸۰ مگا پاسکال پيشنهاد شده وبتن بامحدوده مقاومت در مقابل حرارت ۵۵ مگا پاسکال و محدوده  باكس نواري، بطوري كه مطمئن باشیم به جاري‌شدن کلی نمی‌رسیم و در ابتداخرابی بصورت كمانش محلي يا خوردشدن بتن صورت بگيرد.

نسبت پواسون اوليه بتن (تقريباً ۱۵/۰ تا ۲۵/۰) كمتر از فولاد (۳/۰ تقريبي) مي‌باشد]۲۳[. بنابراين در ابتدا بتن در ستون CFT محبوس مي‌باشد. گسترش خورد شده گی بتن سريعتر از باكس فولادي خواهد بودودر تراز بارگذاري بالاتر بطور بهتري با هم منسجم مي‌شوند. مقاطع دايره‌اي به طور مؤثري مي‌تواند تنش پيراموني را به فشارهاي جانبي اعمال شده روي بتن را پخش کنند]۲۴[، اما طرف صاف مقطع مربع مستطيل، باعث فشار نفوذي كمتري مي‌شود تا بتن بطور مجدد گسترش كرنشی داشته باشد. در كناره باكس‌هاي مربع مستطيل پخش بار اصلي باعث محبوس‌بودن بتن می‌شود، و تأثير آن روي مقاومت در مقابل حرارت  ناچيز است، اگرچه CFT شكل‌پذيري بالاتري دارد. رفتار CFT بارگذاري شده اغلب متأثر از همين محبوس‌شدگي است ]۷[، بارگذاري بتن تنها ترجيحا از بارگذاري با فولاد بتن با هم،تراز بار كمتری دارد.برعكس آن، بارگذاري فولاد، به تنهايي، با اتصال تيرهاي اصلي بطور ساده منجر به اصطكاك موضعی شود. اما بتن محصور تا زمانی که بارهاي اصلي اعمال شود وارد عمل نمي‌گردد. در يكي از مراجع در همين زمينه‌ كه كاركرد يا عملكرد فقط يكي از مصالح، از بارگذاري بحث شده است]۸-۱۰-۲۳[.

سختي اوليه ستون باكسي فلزي پرشده با بتن تحت بار فشاري محوري توسط هسته بتني كاملاً پيچيده شده است و به واكنش بين دو مصالح بستگي دارد. ضوابط ]۲۱ SSRC [يك مدول الاستيك تعريف شده را پيشنهاد مي‌كند كه مجموعی از مدول الاستيسيته براي فولاد بتن مي‌باشد. روي مدولاوليه بتن جهت به حساب‌آوردن خزش و شكست كششي يك فاكتور كاهش‌دهنده ۴/ ۰ اعمال مي‌كنيم.اين پيشنهاد طراحي تنظيم شده است از طرف مراجعی مانند،]۲۱ AISC [می‌باشد اما بعضی از محققین پيشنهاد جمع مجزا سختي هر مصالح را دارندکه بطور كلي با تجربيات بهتر همخوانی دارد و بنابراين براي سختي محوري اوليه در يك آناليز خطي به غيرخطي مناسب‌تر است]۲۵[،این رفتار پايدار CFT‌ها در این مرجع بطور مختصر آمده است]۲۶[.

تحقيقات تجربي قابل توضيح بر روي مقاومت محوري CFTها انجام شدهکه در آن از نسبت  و مقاومت مصالح و  های زیادی استفاده شده است. يك نمونه از تست يكنواختي روي CFTهاي دايره‌اي ممكن است درپيدا شود. مقاومت محوري مقاطع مربعي CFTها در مرجع بحث شده است]۷-۱۱-۲۳-۲۷-۳۰[.

 

۱-۳مقاومت خمشي و سختي

براي ستون باكسي پرشده از بتن تحت خمش و برش، بخش بزرگي از سختي و مقاومت در مقابل حرارت  توسط فولاد پيرامون مقطع پخش می‌شود، كه در كل این مصالح بيشترين تأثير را می گذارند. تیرهای CFT وقتي در خمش يكنواخت بارگذاري شده باشد بطور عالي نشان‌دهنده شكل‌پذيري اوليه به خرابي می‌باشند.تيرها با ظرفيت نرمال مقاومت در مقابل حرارت  مصالح و بطور نسبي باكسي قوي بطور معمولی در يك تركيب از جاري‌شدن فولاد در كشش، كمانش باكس فولاد در فشار، خوردشدن بتني در فشار و سرانجام پارگي فولاد باكس در كشش به خرابی می‌رسند. تعداد محدود تست‌هاي انجام شده روي CFTها در زير بار خالص خمشي به عنوان يك ستون بوده است. اين تست‌ها توسط بريج]۳۳[ بر روي ستون‌هاي مربع مستطيل CFT با خم يك طرفه و دوطرفه به طوري كه بتن هسته فقط ۵/۷% از ظرفيت اعضا در خمش خالص را تحمل كند. لو و كندي]۳۴[ افزايش مقاومت در مقابل حرارت  ۱۰ تا ۳۰% باكس‌هاي مربع مستطيلي گزارش دادند، و آنها شكل‌پذيري مد خرابي را نمايش دادند.

دهانه

عمق

هر دو آزمايش انجام شده بودند تا از مقاومت در مقابل حرارت  بتن معمولي استفاده كنند. بطور مشابه CFTهاي دايره‌اي تيرها كه توسط پريون و بوهم ]۸[تست‌هاي آن انجام شد نشان داد رفتار شكل‌پذيری حتي وقتي مقاومت بتن بالاي ۷۰مگا پاسکال بود مورد استفاده قرار گرفت. ظرفيت چرخشي يا دوران از هر دو ستون چه دايره‌اي چه مربع مستطيل از يك رنج گسترده از آزمايشات انجام شده درژاپن كه توسط توشياكي]۳۵[ كه فرمولهايي براي پيش‌بيني ظرفيت چرخش ستون‌هاي CFT بارگذاري شده در خمش يكنواخت را پيشنهاد داده بود بطور خلاصه توضيح داده شده است.

با ملاحظه اينكه رفتار CFT در برش، براي يك برش كوچك ، ، نسبت (۸/۰ تا ۱) و برش مورب شكست، اشاره به خرابي برشي اتفاق افتاده در نمونه‌هايي كه اغلب تحت بارهاي محوري بودند، دارد. براي دهانه‌هاي برشي با نسبت ۲ به ۳ ستون‌ها شروع به نشان‌دادن يك نوع خرابي خمشي با مفاصل پلاستيك كه بطور بزرگي در انتهاي نمونه‌ها فرم گرفته بودند، كرد. تمامي مقاومت‌هاي برشي با يك افزايش در  يا يك افزايش در بار محوري، كاهش مي‌يافت. ]۶-۳۶[

در سختي اوليه ستون‌ها در خمش مربوط به بعضي درجات روي مرز پيوستگي بدون هیچ اختیاری در بين دو ماده مصالح و انتهاي CFTها بوجود آمده بود. آزمايشات توسط فودلانگ نشان داد كه نمونه‌‌ها يك سختي كمتر از آنچه محاسبه شده بود در مقاطع نشان دادند كه در خمش در ضخامت باقي مانده بود (در مرزبين مواد مصالح). اگرچه نتايج سختي در آزمايشات پريون و بوهم و لود كندي با تحليل ها همخواني داشت كه نشان دهنده يك پيوستگي كامل بوده است. ]۱۵[

 

 ۱-۴ مقاومت حرارتی تيرستون

چندين پارامتر كليدي مؤثر بر رفتار CFT تير- ستون، شامل و  اعضا بطوري كه در بالا بحث شد، به نسبت بارهاي محوري فشاري ( كه  مقاومت محوري CFT مي‌باشد)که نسبت بار و محوري بر پيك مقاومت در مقابل حرارت  لنگر تأثير مي‌گذارد. بطوري كه توسط دياگرام‌هاي اندركنش CFT نشان داده شده كه براي اعضا كوتاه افزايش مقاومت در مقابل حرارت  لنگري براي تراز پاييني فشار محوري معلوم شده، به طوري كه لنگر ماكزيمم از مقاومت لنگري اسمي تجاوز كرده است. در شكل (۱-۲) نشان داده شده براي دو مصالح متفاوت دياگرام سطح مقطع نرمال شده CFT ترسيم شده است. ]۳۸[

نمودار۱-۱ مقاومت در مقابل حرارت  مقطع ستون پر شده با بتن نرمال شده]۳۸[

 

CFTهانشان‌دهنده یک حدود گسترده از مقاطع نرمال شده مقاوم همچون عملکرد مقاومت در مقابل حرارت  مصالح و نسبت  بودند.

نسبت بار محوری اغلب تأثیر مخالف بر شکل‌پذیری دارد. مقادیر بزرگ باعث خرابی سریع در مقاومت های خمشی می‌شود و ممکن است باعث خرابی ترد بیشتری گردد. ]۳۵-۳۹-۴۰[

مشخصات تجربی رفتار CFTهاتوسط تعدادی از محققین حاصل شده است]۱۸-۴۱[، که به عنوان مثال می‌توان به تحقیقات فورلانگ اشاره کرد، که اولین آزمایشات بر رویCFT با مقطع مربع و دایره را انجام داد]۲۴-۳۷[؛ بریدج]۳۳[؛ که در تست‌های خود خمش دومحوره و یک محوره را در مقاطع مربعی با نسبت کوتاه بهمراه مصالح متوسط منظور نمود ؛ شاکر خلیل و همکارانش]۴۲-۴۴[ که بر ستون‌های نسبتاً لاغر مربع مستطیل ؛ CFTهاحول هر دو محورخمشی ضعیف و قوی، تستهایی را انجام دادند؛ سدراول]۹[، که تستهایی بر ستون‌های CFTبا مقطع مربع بهمراه مصالح مقاومت بالا و نسبت بالای  انجام داده است. این آزمایشات بر ستون‌هایی با بارهای خارج از مرکزیت انجام شد. بارهای نامتناسب در آزمایشات سودو روی ستون‌های طره ای صورت گرفت.

 

۱-۵مقاومت 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 ۱٫ ۵ برابر بار حدی محوری افزایش کوچکی در مقاومت پیچشی عضو ایجاد می‌شود. سختی پیچشی اولیه ستون‌های CFTبطور معمول از تیوب فلزی نشئت می‌گیرد. ]۴۷[

 

[۱]Structural Stability Research Council

[۲]American Institute of Steel Construction

[۳]National Earthquake Hazard Reduction Program

برچسبها
محصولات مرتبط

دیدگاهی بنویسید.

0