آنالیز ابعادی و مقایسه رفتار اتصالات بتن آرمه تحت اثر بارگذاری یک سویه و بارگذاری چرخه ای

آنالیز ابعادي و مقایسه رفتار اتصالات بتن آرمه تحت اثر بارگذاري یک سویه و بارگذاري چرخه اي

چکیده

در بسیاري از تحقیقات آزمایشگاهی در زمینه ي سازه هاي بتنی، با توجه به مشکلات موجود در مراحل ساخت و آزمایش نمونه هاي مطالعاتی، ابعاد نمونه ها کوچکتر از
اندازه ي واقعی هستند. تغییر ابعاد سازه ها می تواند بر نوع رفتار آنها و نرخ تغییرات یک یا چند پارامتر از سازه نسبت به بارهاي وارده موثر باشد. با توجه به تحقیقات
موجود در زمینه اتصالات تیر ستون بتنی، معیار مناسبی براي پیش بینی رفتار یک اتصال با ابعاد معین، بر اساس نتایج موجود در نمونه هاي با ابعاد متفاوت وجود ندارد. از
طرفی مطالعاتی که تاکنون بر رفتار اتصالات بتن آرمه صورت گرفته است رفتار آن ها را یا تحت اثر بارگذاري یک طرفه مورد مطالعه قرار داده و یا تحت اثر بارگذاري
چرخه اي و مقایسه اي بین رفتار اتصالات در این دو حالت صورت نپذیرفته است. در این تحقیق، تعدادي اتصال خارجی تیر- ستون بتنی با ابعاد مختلف و با درصد
آرماتور یکسان، طراحی و با استفاده از نرم افزار Abaqus تحلیل شده و اثر تغییر ابعاد اتصالات بر مقاومت نهایی و شکل پذیري آنها مورد بررسی قرار گرفته است.
نمونه هاي مورد نظر به صورت دوبعدي مدل سازي شده و تحلیل غیر خطی آنها انجام می گیرد.

کلمات کلیدي: اتصال خارجی تیر- ستون بتنی، مقاومت نهایی، شکل پذیري، بتن مسلح

1 -مقدمه

پس از رخ دادن زلزله هایی در کوبا(1995 ،(تایوان(1999 ،(ترکیه(1999 (و اندونزي(2004 (مردم در نقاط مختلف دنیا نسبت به پیامدهاي این پدیده
طبیعی آگاه تر شده اند [1 .[در گذشته این موضوع فقط در مناطق لرزه خیز مورد توجه قرار می گرفت تا اینکه در سال 1991 زلزله اي در استرالیا با
شدت نسبتا کم(حدود 6,5 ریشتر) رخ داد و حدود 5,2 بیلیون دلار ایجاد خسارت کرد. از آن پس توجهات به خطرهاي ناشی از زلزله در مناطقی که
حتی از نظر خطرپذیري در حد متوسط بودند جلب شد. این زلزله نشان داد که حتی اگر شدت زلزله خیلی بالا نباشد، در صورتیکه طرح لرزه اي سازه ها
به شکل مناسب انجام نشده باشد می تواند خسارات جانی و مالی زیادي را بر جاي بگذارد [2 .[به همین دلیل است که وجود یک درك صریح و روشن
از رفتار لرزه اي سازه ها کاملا ضروري است و باید تاثیر پارامترهاي مختلف در رفتار لرزه اي سازه ها، از جمله اتصالات که در زمره بحرانی ترین
قسمت هاي سازه در جذب و استهلاك انرژي می باشند مورد بررسی قرار گیرد [3 .[
اولین مطالعات رفتاري سازه ها توسط هانسن و کونر در آزمایشگاه هاي سیمان پرتلند PCA انجام گرفته است.از آن به بعد این موضوع توسط
محققینی در کشورهاي کانادا، ژاپن و نیوزلند مورد بررسی قرار گرفت. اگرچه رفتار این تحقیقات متناوب بودند، اما تاکید اصلی آن ها ایجاد رفتار
شکل پذیر و عملکرد مناسب در بارگذاري هاي متناوب بود. نتیجه این تحقیقات منجر به تدوین اولین آیین نامه براي طراحی اتصالات بتن آرمه شد.
کمیته ASCE352-ACI] 4 [اولین توصیه هاي طراحی را در سال 1976 انتشار داد. همزمان توصیه هاي متعددي توسط آیین نامه هاي مختلف
انتشار یافت. تحقیقات بیشتر محققین منجر به اصلاح توصیه نامه کمیته ASCE352-ACI شد و در سال هاي 1985 و 2000 ویرایش هاي بعدي آن
انتشار یافت [4 .[
بین سال هاي 1986 تا 1996 تحقیقات متعددي بر رفتار اتصالات خارجی انجام گرفته است، اما اکثر این تحقیقات تنها محدود به چند مطالعه
آزمایشگاهی است که هر کدام تعداد محدودي اتصال را مورد بررسی قرار داده اند. از طرفی به دلیل بروز مشکلات خاص در زمینه تحلیل هاي
غیرخطی اجزا محدود خصوصا در زمینه مسائل بتن مسلح از قبیل مدل کردن معیار شکست بتن، مدل لغزش میلگردها و هم چنین طولانی بودن زمان
تحلیل ، کمتر مطالعه جامع و فراگیري در زمینه رفتار اتصالات بتن آرمه به صورت تحلیلی با اجزاء محدود به چشم می خورد [5 .[
پارامتري که در این تحقیق براي بررسی رفتار اتصال در نظر گرفته شده است، ابعاد اتصال و نوع بارگذاري وارد بر اتصال می باشد. به این منظور، ده
گروه اتصال که هر گروه شامل چهار نمونه بامقیاس هاي 5/0 ،75/0 ،1 ،25/1 است مدل شده و تحت اثر بارگذاري یکسویه و چرخه اي قرار گرفته اند.
به این ترتیب، اثر تغییر ابعاد اتصال و نوع بارگذاري بر لنگر مقاوم نهایی و شکل پذیري اتصال در هر دو حالت بارگذاري مورد بررسی قرار می گیرد. در
ρc ،(درصد میلگردهاي عرضی براي
کلیۀ نمونه هاي مورد بررسی در یک گروه، درصد میلگردهاي طولی تیر (ρb ،(درصد میلگردهاي طولی ستون (
تیرها B)S/Av(و هم چنین درصد میلگرد عرضی براي ستون ها C)S/Av (عددي ثابت است.

2 -مشخصات نمونه هاي مورد بررسی
به دلیل محدودیت امکانات آزمایشگاهی که در بررسی هاي تجربی اتصالات وجود دارد، معمولا از مقیاس هاي کوچک تري براي انجام تحقیقات
استفاده می گردد، اما به دلیل عدم محدودیت در تحلیل هاي کامپیوتري ابعادي که براي ابعاد اتصال انتخاب می شود می تواند در حد و اندازه اتصالات
واقعی باشد که به طور معمول در سازه ها کاربرد دارند.
چنانکه گفته شد، نمونه هاي مورد بررسی در این تحقیق شامل ده گروه اتصال است که در هر گروه چهار نمونه با مقیاس هاي متفاوت وجود
دارد.این ده گروه به صورت C1 تا C10 نامگذاري شده اند که در هر گروه، ابعاد نمونه ها مطابق جدول 1 انتخاب شده اند.
به دلیل محدودیت امکانات آزمایشگاهی که در بررسی هاي تجربی اتصالات وجود دارد، معمولا از مقیاس هاي کوچک تري براي انجام تحقیقات
استفاده می گردد، اما به دلیل عدم محدودیت در تحلیل هاي کامپیوتري ابعادي که براي ابعاد اتصال انتخاب می شود می تواند در حد و اندازه اتصالات

واقعی باشد که به طور معمول در سازه ها کاربرد دارند.
چنانکه گفته شد، نمونه هاي مورد بررسی در این تحقیق شامل ده گروه اتصال است که در هر گروه چهار نمونه با مقیاس هاي متفاوت وجود
دارد.این ده گروه به صورت C1 تا C10 نامگذاري شده اند که در هر گروه، ابعاد نمونه ها مطابق جدول 1 انتخاب شده اند.

 

به دلیل محدودیت امکانات آزمایشگاهی که در بررسی هاي تجربی اتصالات وجود دارد، معمولا از مقیاس هاي کوچک تري براي انجام تحقیقات
استفاده می گردد، اما به دلیل عدم محدودیت در تحلیل هاي کامپیوتري ابعادي که براي ابعاد اتصال انتخاب می شود می تواند در حد و اندازه اتصالات
واقعی باشد که به طور معمول در سازه ها کاربرد دارند.
چنانکه گفته شد، نمونه هاي مورد بررسی در این تحقیق شامل ده گروه اتصال است که در هر گروه چهار نمونه با مقیاس هاي متفاوت وجود
دارد.این ده گروه به صورت C1 تا C10 نامگذاري شده اند که در هر گروه، ابعاد نمونه ها مطابق جدول 1 انتخاب شده اند.

 

f= تنش نظیر ترك خوردگی بتن در کشش تک محوري
= کرنش نظیر ترك خوردگی بتن در کشش cr
cr u 
= کرنش متناظر با تنش کششی صفر است که به علت باز شدن بیش از حد دهانۀ ترك حاصل می گردد.

مقادیر این پارامترها را می توان از روابط زیر تعیین کرد [7

مقدار ضریب پواسون و مدول الاستیسیتھ بتن در مدل سازی ھای این تحقیق بھ شرح زیر است:

 

رفتار میلگردهاي فولادي به صورت خطی و با سخت شوندگی در نظر گرفته می شود. این رفتار در فشار و در کشش یکسان بوده و مدول
الاستیسیته مصالح در باربرداري برابر با مدول الاستیسیته اولیه فرض می شود. در تعریف مشخصات الاستیک مصالح مقادیر ضریب پواسون و مدول
الاستیسیته برابر است با :
در این تحقیق فقط یک نوع فولاد براي کلیه میلگردهاي طولی و عرضی با مقاومت تسلیم 400مگاپاسکال استفاده شده است.

براي صفحات تکیه گاهی و ناحیۀ انتقال بار از خواص صلب استفاده شده است. براي مصالح صلب به کار رفته در این مدل، فقط خواص
الاستیک به صورت زیر تعریف می گردد:

به منظور شبیه سازي نیروي زلزله در نمونه ها از بارگذاري رفت و برگشتی مطابق شکل 3 استفاده شده است. چرخه هاي اول و دوم بارگذاري بر
اساس کنترل نیرو انجام شده است و مقدار آن ها به ترتیب برابر 5Py,0 و Py است که Py بارنظیر تسلیم میلگردهاي طولی مقطع است. همچنین چرخه
هاي بعدي بر اساس کنترل تغییر مکان انجام شده اند و مقدار آن ها به ترتیب y ، ∆y∆٢،y∆٣،y∆ ٤،y∆ ٦،y∆ ٨ است کھ y ∆تغییر مکان نظیر تسلیم
میلگردهاي طولی می باشد.

 

4 -بررسی رفتار اتصالات خارجی:

در بررسی هایی که در این تحقیق انجام گرفته است از دوپارامتر لنگر مقاوم نهایی اتصال و شکل پذیري اتصال براي مقایسه رفتار اتصالات استفاده شده
است.
منظور از لنگر مقاوم نهایی اتصال بیشترین لنگري است که توسط مجموعه اتصال تحمل می گردد [5 .[با بررسی نمودارهاي ترسیم شده در شکل 5
که تغییرات لنگر مقاوم نهایی را با تغییر ابعاد اتصال در حالات بارگذاري یک سویه و بارگذاري چرخه اي نشان می دهد، نکات زیر قابل استنباط می
باشد:
در حالت بارگذاري یک سویه با افزایش ابعاد اتصال در یک درصد ثابت میلگرد طولی و عرضی، لنگر مقاوم نهایی اتصال افزایش پیدا میکند.کم
ترین مقدار افزایش مربوط به اتصال C8 با 4206,15 برابرافزایش و بیش ترین مقدار افزایش مربوط به اتصال C2 با 0102,19 برابر افزایش می باشد.
در حالت بارگذاري چرخه اي با افزایش ابعاد اتصال در یک درصد ثابت میلگرد طولی و عرضی، لنگر مقاوم نهایی اتصال افزایش پیدا میکند. کم
ترین مقدار افزایش مربوط به اتصال C8 با 0109,16 برابرافزایش و بیش ترین مقدار افزایش مربوط به اتصال C5 با 4664,17 برابر افزایش می باشد.
با انجام مقایسه اي بین بارگذاري یک سویه و بارگذاري چرخه اي مشاهده می گردد لنگر مقاوم نهایی اتصال در حالت بارگذاري چرخه اي نسبت
به بارگذاري یک طرفه بیش تر است. کم ترین افزایش مربوط به اتصالات گروه G2 با حدود 13,86 %افزایش و بیش ترین افزایش مربوط به اتصالات
گروه G8 با حدود 126 %افزایش می باشد.

 

 

شکل پذیري نسبت تغییر مکان نهایی اتصال به تغییر مکان اتصال در حالت تسلیم بوده و به کمک رابطه زیر قابل محاسبه است [8 :[
µ=(∆ u)/(∆y) (٣)

با بررسی نمودارهاي ترسیم شده در شکل 6 که تغییرات شکل پذیري را با تغییر ابعاد اتصال در حالات بارگذاري یک سویه و بارگذاري چرخه اي
نشان می دهد، نکات زیر قابل استنباط می باشد:
در حالت بارگذاري یک سویه با افزایش ابعاد اتصال در یک درصد ثابت میلگرد طولی و عرضی، شکل پذیري اتصال کاهش می یابد.کم ترین
مقدار کاهش مربوط به اتصال C6 با 6159,0 کاهش و بیش ترین مقدار کاهش مربوط به اتصال C9 با 3410,2 کاهش می باشد.
در حالت بارگذاري چرخه اي با افزایش ابعاد اتصال در یک درصد ثابت میلگرد طولی و عرض شکل پذیري اتصال کاهش می یابد.کم ترین
مقدار کاهش مربوط به اتصال C3 با 6919,0 کاهش و بیش ترین مقدار کاهش مربوط به اتصال C9 با 0788,3 کاهش می باشد
با انجام مقایسه اي بین بارگذاري یک سویه و بارگذاري چرخه اي مشاهده می گردد شکل پذیري در حالت بارگذاري چرخه اي نسبت به
بارگذاري یک طرفه بیش تر است. کم ترین افزایش مربوط به اتصال C9 با 2870,33 %افزایش و بیش ترین افزایش مربوط به اتصال C6 با 55,163 %
افزایش می باشد.

 

 

5 -نتیجه گیري:

در بررسی هایی که براي مقایسه رفتاري اتصالات بتن آرمه انجام شد، دو معیار لنگر مقاوم نهایی اتصال و هم چنین میزان شکل پذیري اتصال مورد توجه
قرار گرفت. این بررسی ها نشان می دهند که:
1 -با افزایش ابعاد اتصال در یک درصد ثابت میلگرد طولی و عرضی، در هر دو حالت بارگذاري یک سویه و بارگذاري چرخه اي، لنگر مقاوم
نهایی اتصال افزایش پیدا میکند.
2 -مقدار لنگر مقاوم نهایی اتصال تحت اثر بارگذاري چرخه اي بیش تر از مقدار لنگر مقاوم نهایی تحت اثر بارگذاري یک سویه است.
3 -با افزایش ابعاد اتصال در یک درصد ثابت میلگرد طولی و عرضی، در هر دو حالت بارگذاري یک سویه و بارگذاري چرخه اي، شکل پذیري
اتصال کاهش پیدا میکند.
4 -شکل پذیري اتصال تحت اثر بارگذاري چرخه اي بیش تر از شکل پذیري تحت اثر بارگذاري یک سویه است.

6 -مراجع:

Wong. (٢٠٠٥), ” Shear strength and seismic performance of non-seismically designed reinforced Ho Fai١)
concrete beam-column joints.” Hong Kong University of Science and Technology (Hong Kong), ٣٤١ pages.

2) Hatem Hassan Ali Ibrahim. (2011), “Stud reinforcement in beam-column joints under seismic loads.”
Department Of Civil Engineering Calgary, Alberta, 358 pages.
3) Hassan KhalifaandEslam Mohamed Alnaji. (٢٠٠٨),” Investigating shear capacity of RC beam-column
joints using artificial intelligence techniques. “University of Nevada, Las Vegas, ١٢٦ pages.
٤) ACI-ASCE Committee ٣٥٢. (١٩٨٥), ” Recommendation for designe of beam-column joints in monolithic
reinforced concrete structure.” ACI Journal, Proceeding, Vol. ٨٢, No. ٣, PP. ٢٦٦-٢٨٣
٥)Mostofinezhad,D. and Sobhani,J. (٢٠٠٣). ” behavioral study and classification of exterior reinforced
concrete beam-column joints under ultimate load” .Journal of faculty of engineering(university of Tehran) ;
٣٧(٢ (٨٠)):٢٩٥-٣١٠.
٦) ACI ٣١٨-٠٥, Building Code requirement for Structural Concrete (ACI٣١٨-٠٥) and Commentary (ACI
٣١٨R-٠٥)
٧) ACI ٣١٨-٩٥, Building Code requirement for Structural Concrete (ACI٣١٨-٩٥) and Commentary (ACI
٣١٨R-٩٥)
8 (فلاح زیارانی، مرتضی. (1380″ ،(رفتار اتصالات نوین در قاب هاي بتن مسلح تحت بار لرزه اي”، پایان نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه تربیت مدرس،
تهران

تماس فوری