رفتار ستون‌ های بتن مسلح تقویت‌ شده (مقاله ترجمه شده)

چکیده

ستون‌های بتن مسلح اغلب برای افزایش ظرفیت، جهت تحمل بار اعمال‌شده نیاز به تقویت دارند. این تحقیق رفتار ستون‌های بتن مسلح تقویت‌شده توسط تکنیک ژاکت فولادی را بررسی می‌کند. سه متغیر در نظر گرفته شد؛ شکل سیستم تقویت‌کننده اصلی (با استفاده از نبشی، صفحات و مقاطع C)، اندازه و تعداد قیدهای افقی. رفتار و بار شکست ستون‌های تقویت‌شده به‌صورت آزمایشگاهی بر روی هفت نمونه شامل دو نمونه تقویت نشده و پنج نمونه تقویت‌شده موردبررسی قرار گرفت. یک مدل اجزاء محدود برای مطالعه رفتار این ستون‌ها طراحی شد. مدل با استفاده از نتایج آزمایشگاهی وریفای شد. این تحقیق نشان داد که طرح‌های تقویتی مختلف تأثیر عمده‌ای بر روی ظرفیت ستون‌دارند. اندازه قیدهای افقی زیادی بر بار شکست برای نمونه‌هایی تقویت‌شده با نبشی‌ها داشت، درحالی‌که تعداد قیدهای افقی برای نمونه‌هایی تقویت‌شده با ناودان‌های C بودند مؤثرتر بود. سپس با استفاده از برنامه اجزاء محدود ANSYS 12.0 [1] (F.E) رفتار آن‌ها موردبررسی و تحلیل قرار گرفت و وریفای شد. نتایج آزمایش تطابق خوبی بین تست های آزمایشگاهی و مدل‌های اجزاء محدود نشان داد.

مقدمه

سازه‌های بتن مسلح اغلب برای افزایش ظرفیت، جهت تحمل بار اعمال‌شده نیاز به تقویت دارند. این تقویت ممکن است به علت تغییر در کاربری باشد که منجر به بارهای زنده اضافی (مانند تغییر در کاربری تأسیسات از مسکونی به محل اجتماع یا محل ذخیره‌)، خرابی عناصر حمل بار، اشتباهات طراحی، مشکلات ساخت‌وساز در هنگام نصب، فرسوده‌شدن خود سازه می‌شود و یا بعلت ارتقاء برای تطابق با الزامات استاندارد فعلی (به‌عنوان‌مثال لرزه‌ای) باشد. این شرایط ممکن است نیاز به عناصر بتنی اضافی داشته باشد یا لازم شود کل سازه بتنی تقویت و تعمیر شود و یا ارتقاء داده شود. روش‌های متداول تقویت ستون‌ها عبارت‌اند از: ژاکت بتنی، FRP و ژاکت‌های فولادی. تمام این روش‌ها به‌طور مؤثر افزایش ظرفیت بارمحوری ستون‌ها را نشان می‌دهند.

Julio Garzo´n-Rocaetو همکاران [2]نتایج حاصل از یک سری تست‌های آزمایشگاهی روی نمونه‌های تمام‌مقیاس تقویت‌شده با قفسه آرماتور فولادی شامل شبیه‌سازی اتصال تیر-ستون تحت ترکیب بارمحوری و خمشی را ارائه دادند. سرستون‌هایی به تمام نمونه‌ها برای اتصال قفسه آرماتور بااتصال تیر-ستون توسط مهارهای شیمیایی و یا میله‌های فولادی اعمال شد .مشاهده شد که قفسه فولادی هم بار شکست و هم انعطاف‌پذیری ستون‌های تقویت‌شده را افزایش می‌دهد.

مخلوط بتن و قالب گیری

مخلوط بتن مورداستفاده برای گرید 34 Mpa در جدول 3 نشان داده‌شده است. مخلوط بتن مورداستفاده از سیمان پرتلند معمولی، ماسه طبیعی و سنگ دولومیت طبیعی شکسته شده با حداکثر اندازه اسمی 10 میلی‌متر تهیه شد. نمونه‌های آزمایش به‌صورت عمودی در قالب‌های چوبی که توسط مهارها برای حفظ فرم و شکل دادن به آن‌ها تثبیت‌شده‌اند ریخته شده است.

روش تست

نمونه‌ها در دستگاه تست بین سر جک و قاب فولادی قرار گرفتند. کرنش‌سنج‌ها، بارسنج‌ها و مبدل جابجایی ولتاژ خطی (LVDT) همه به سیستم جمع‌آوری داده‌ها که به کامپیوتر وصل بود، متصل می‌شدند. بار توسط یک بارسنج با ظرفیت kN 5000 تحت کنترل قرار گرفت و از طریق صفحات فولادی، برای تأمین سطوح اتکا یکنواخت، به ستون‌های بتن مسلح منتقل شد. شکل 3 یک نمای کلی از برپایی آزمایش را نشان می‌دهد. یک سیستم سنجش داده کنترل‌شده برای ثبت مداوم مقادیر بارسنج الکتریکی استفاده شد، دو عدد سنجشگر مدرج با دقت 0.01 میلی‌متر(LVDT) که تغییر شکل افقی ستون در دو جهت عمود، کرنش‌سنج‌های آرماتور و همچنین کرنش‌سنج‌های ژاکت فولادی را اندازه می‌گیرد.

کار تحلیلی با استفاده از مدل اجزاء محدود

برنامه اجزاء محدود ANSYS 12.0 [1] برای شبیه‌سازی تست آزمایشگاهی با معرفی مدل عددی مورداستفاده قرار گرفت. ستون‌های آزمایش‌شده در کار آزمایشگاهی برای تعیین بارها و کرنش‌های شکست در هر نمونه مدل‌سازی شدند. مقايسه ای بین نتايج آزمايش و F.E صورت گرفت.

تعریف خواص مواد

رابطه تنش-کرنش بتن

بتن تعریف‌کننده المان Solid 65 نیاز به خواص مواد ایزوتروپیک خطی و ایزوتروپیک چندخطی دارد تا بتن به‌درستی مدل شود [6, 7] مواد ایزوتروپیک چندخطی از معادلات زیر برای محاسبه منحنی تنش-کرنش ایزوتروپیک چندخطی استفاده می‌کنند.

پیاده‌سازی مدل ماده

پیاده‌سازی مدل مواد نیاز به تعریف ثابت‌های مختلف دارد. ضریب انتقال برشی استاندارد از 0.0 تا 1.0، با 0.0 نشان‌دهنده ترک‌خوردگی (از دست دادن کامل انتقال برش) و 1.0 نشان‌دهنده یک ترک عمیق (بدون از دست دادن انتقال برش) است. ضرایب انتقال برش برای ترک های باز و بسته به‌عنوان اساس توسط Kachlakev و همکاران [8] تعیین شد. مشکلات همگرایی درزمانی رخ می‌دهد که ضریب انتقال برش برای ترک باز به کمتر از 0.20 کاسته شد.[8] تنش ترک‌خوردگی غیرمحوری بر اساس مدول گسیختگی محاسبه شد. این مقدار با استفاده از معادله 4 تعیین می‌شود.

ساخت مدل

شکل 6-11 هندسه مدل ها را پس از ساخت مدل نشان می‌دهد. در هنگام ایجاد مدل نصف ارتفاع ستون در نظر گرفته می‌شود برای همه نمونه‌ها از تقارن ستون بهره گرفته می‌شود شبیه‌سازی صحیح شرایط مرزی و بارها لحاظ می‌شود.

نتایج آزمایشگاهی

حالت‌های شکست و بارهای شکست

مودهای شکست و بارهای شکست بسته به تنظیمات ژاکت فولادی و همچنین آرایش آن متفاوت است.

ازآنجایی‌که المان های تقویت بیشتر بدنه نمونه را پوشش می‌داد، امکان مشاهده ترک‌های اولیه یا بار ترک‌خوردگی نمونه‌ها نبود؛ بنابراین فقط بار خرابی ثبت شد. بار شکست حداکثر بار ثبت‌شده در طول آزمایش در نظر گرفته می‌شود که در آن نمونه نمی‌تواند هیچ بار اضافی تحمل کند. جدول 6 بارهای شکست برای همه نمونه‌ها و درصد افزایش نسبت به نمونه مرجع(Col.00) را نشان می‌دهد درحالی‌که شکل 14 بر آسیب مشاهده‌شده در هر نمونه در شکست متمرکز است.

عوامل موثر بر بار شکست

شکل ژاکت فولادی

تمام نمونه های تقویت شده دارای یک سطح مقطع عرضی یکسان بوده و این مقایسه بهتر ظرفیت تحمل بار را نسبت به نمونه مرجع فراهم می کند. نمونه های Col.04.C.6P و Col.01 L.3P به ترتیب بالاترین بار شکست kN 1841 و kN 1821 با افزایش 47٪ و 45٪ در مقایسه با نمونه مرجع دارند. نمونه Col.02.L.6P تنها 1649 kN با افزایش بیش از 31٪ و نمونه Col.03.C.3P تنها 1545 kN (23٪ افزایش) ثبت شد، در حالی که نمونه Col.05.PL کمترین مقدار را برای تقویت کننده با 1489 kN (تنها 19 درصد افزایش) به دست آورد. همانطور که گفته شد، نمونه با نام 'PL' دارای ضخامت ورق نازک تر از نمونه های تقویت شده دیگر ( سری 4L و C2 ( است، در نتیجه تغییرشکل و کمانش بزرگی در آن ها رخ داد. رفتار مشابهی در نمونه Col.03.C.3P دیده شد که دارای تغییر شکل بزرگ در انتهای بالایی نمونه است.

عوامل موثر بر رابطه بار-جابجایی

رابطه بار-جابجایی برای هر نمونه در طی آزمایش ترسیم شد. شکل 15، منحنی های بار در مقابل جابجایی آزمایشگاهی برای تمام نمونه های آزمایش شده را نشان می دهد. جدول 7 بارهای شکست متناظر با جابجایی اندازه گیری شده را ارائه می دهد. همچنین نسبت بین جابجایی نمونه تقویت شده به نمونه مرجع (Col.00) درست قبل از شکست را ارائه می دهد.

شکل ژاکت فولادی

برای بحث در مورد اثر هر پارامتر در جابجایی جانبی، بهتر است نمونه ها را در یک مقدار بار خاص و جابجایی مربوطه مقایسه کنیم. همانطور که در شکل 15 دیده می شود، هنگام مقایسه بین نمونه ها در مقدار بار kN 1255 (بار شکست نمونه مرجع( Col.00، جابجایی برای نمونه Col.01.L.3P، Col.02.L.6P، Col. 03.C.3P، Col.04.C.6P و Col.01.Pl به ترتیب 0.18، 1.00، 0.70، 0.36 و 1.37 میلی متر است. همانطور که مشاهده می شود، متوسط جابجایی نمونه های تقویت شده با 4 نبشی 0.59 میلی متر است درحالی که جابجایی نمونه های تقویت شده با ناودانی 0.53 میلی متر است که بدین معنی است که تقویت نبشی ها یا ناودانی ها تاثیر جزئی بر جابجایی جانبی دارد. با این حال، استفاده از تنها صفحات فولادی برای تقویت توصیه نمی شود زیرا باعث افزایش جابه جایی حدود 246٪ جابجایی نمونه های تقویت شده با استفاده از نبشی یا ناودانی می شود.

اثر تعداد و اندازه صفحات مهاری

می توان از شکل 15 و جدول 7 مشاهده کرد که اثر تعداد صفحات مهاری بر روابط بار-جابجایی بستگی به شکل المان فولادی طولی اصلی دارد. برای سری C2 جابجایی نمونه Col.04.C.6P حدود 36٪کمتر از جابجایی نمونه Col.03.C.3P است. برای سری L4 جابجایی نمونه Col.02.L.6P، در حدود 11٪ بیشتر از جابجایی نمونه Col.01.L.3P است. این موضوع نیاز به آزمایش بیشتری دارد تا بدرستی اثر صفحات مهاری بررسی شود.

نتایج تحلیلی

حالت شکست

رفتار مدل های عددی برای همه نمونه ها شامل ترک ها، شکل های تغییر شکل داده شده و بارهای شکست ثبت شد. مشاهده شد که المان های بتنی ترک خورده / خرد شده در ناحیه نزدیک سر ستون قرار گرفته اند، در حالی که تمرکز ترک ها نزدیک وسط ارتفاع ستون کمتر است. شکل 16 تغییر شکل تمام مدل ها را در بار شکست نشان می دهد.

مقايسه نتایج آزمايشگاهي و اجزاء محدود تحليلي

جدول 9 بارهای شکست و جابجایی متناظر برای هر دو نتایج تجربی و تحلیلی با نسبت بین آنها را نشان می دهد. شکل18a تا 18fمنحنی بار جابجایی را برای همه نمونه های آزمایشی و مدل تحلیلی متناظر نشان می دهد.

از جدول 9 می توان متوجه شد که تمام مدل های F.E نسبت به همتایان خود در تست آزمایشگاهی، بجز مدل Col.00 (نمونه مرجع)، بار شکست بیشتر دارند. می توان مشاهده کرد که درصد اختلاف بار شکست، بین 95٪ تا 103٪ با میانگین 98٪ و انحراف استاندارد 2.65٪ تغییر می کند. با مقایسه مقادیر جابجایی در بارهای شکست، یک حداکثر تفاوت حدود 25٪ بین نتایج آزمایشگاهی و تحلیلی با میانه 89٪ و انحراف استاندارد در حدود 13.5٪ مشاهده شد.

نتایج

بر اساس نتایج آزمایشگاهی و تحلیلی، می توان نتیجه گیری های زیر را انجام داد:

- استفاده از تکنیک های ژاکت فولادی برای تقویت ستون های RC اثبات شده است، زیرا ظرفیت ستون را تا حداقل 20٪ افزایش می دهد.

- مود شکست در ستون بتن مسلح تقویت شده شکننده بود، در حالی که تقویت با ژاکت فولادی مود شکست را به مود شکل پذیر تر تغییر داد.

- نمونه ای که با مقاطع نبشی یا ناودانی همراه با مهار ، تقویت شده بار شکست بیشتری از نمونه تقویت شده با صفحات، ثبت کرده است.

- افزایش تعداد صفحات مهاری در سری L4 باعث افزایش بار شکست نشد، در حالیکه بار شکست در سری C 2 را افزایش داد.

- در استفاده از مقاطع C با صفحات مهاری یا فقط صفحات در تقویت ستون های بتنی، به علت ملاحظات کمانش ضخامت نازک آنها، باید احتیاط شود.

- تغییر شکل سری L4 کمتر از نمونه های دیگر است.

- هرچقدرکه سطح پوشش بتن پوشیده شده با ژاکت فولادی افزایش یابد، اثر محصور شدگی افزایش می یابد.

- شبیه سازی ستون های RC تقویت شده با استفاده از تحلیل F.E در برنامه ANSYS 12.0 [1] بسیار مناسب است، زیرا حالت شکست، بارهای شکست و جابجایی پیش بینی شده بسیار نزدیک به مقادیری است که در تست-های آزمایشگاهی اندازه گیری شدند.

- برای مدل های تقویت شده، برنامه اجزاء محدود ANSYS 12.0 [1] بارهای شکست را در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی دست بالا تخمین زد.

این مقاله ISI در سال 2019 در نشریه تیلور و فرانسیس و در مجله (Hbrc)، توسط دانشکده مهندسی منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله رفتار ستون‌ های بتن مسلح تقویت‌ شده در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.