رفتار لرزه‌ای ستون‌های فلزی باكسی پرشده با بتن تحت نیروهای زلزله

 

ستون‌های باكسی 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 كه خطر لرزه‌ای بالایی دارند اجرا گردیده اند. این بازبینی كوتاه رفتار ستون‌های پرشده از بتن بامقطع دایره و مربع مستطیل به همراه بادبندها، و خصوصاً متمركزشده 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 چكیده‌ای از اثرات خزش، جمع‌شدگی و عكس‌العمل كلی ستون‌های پرشده با بتن برای تنش‌های پسماند را نشان خواهد داد. مختصری از رفتار یكنواخت براساس بحث‌های متعاقب تحقیق شده بر روی رفتارسیکلی این ستون‌ها دیده می‌شود. این مقاله از چندین مقاله كه در زمین‌های نیروی غیرلرزه‌ای برای محاسبه و طراحی این ستون‌ها كارشده برگرفته شده است.

 

فهرست مطالب

 

چکیده ................................................................................................. 1

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

1- 1 مقدمه .......................................................................................... 3

1-2 رفتار یكنواخت ستون‌های باكسی پرشده با بتن (CFT) (مقاومت محوری و سختی) 5

1-3 مقاومت خمشی و سختی ..................................................................... 7

1-4 مقاومت تیر ستون ............................................................................ 8

1-5 مقاومت پیچشی و سختی .................................................................... 9

1-6 خزش و جمع شدگی در CFTها ............................................................ 10

1-7 تنش پسماند در CFTها ...................................................................... 10

1-8 رفتار چرخه‌ای باكس‌های فولادی پرشده با بتن .......................................... 10

1-9 طراحی ستون‌های باکسی فلزی پر شده با بتن ............................................ 14

 فصل دوم: آزمایشات اعضای CFT و نتایج

2-1 بررسی آزمایشات بر روی ستون‌های CFT و نتایج ..................................... 18

2-2 نوع المان و مش بندی در محاسبه ......................................................... 19

2-3 آماده سازی نمونه‌ها .......................................................................... 20

2-4 تجهیزات اعمال بار سیکلی ................................................................. 22

2-5 مدهای خرابی ................................................................................. 22

2-6 نتایج این آزمایشات .......................................................................... 30

 فصل سوم: اثرات پیش بارگذاری روی اعضای CFT

3-1 نگاهی به پیش بارگذاری بر ستون‌های فلزی پر شده با بتن ............................ 33

3-2 مطالعات انجام شده بر روی ستون‌های فلزی پرشده بابتن بر اثر پیش بارگذاری ... 33

3-3 تحلیل تئوریک ................................................................................ 37

3-4 تحقیقات آزمایشگاهی ........................................................................ 43

3-5 جزئیات نمونه‌های آزمایش ................................................................. 43

3-6 نتایج آزمایش و مشاهدات ................................................................... 46

3-7 بررسی نتایج دیگر آزمایشات منتشر شده ................................................. 56

3-8 تحلیل المان محدود ........................................................................... 57

3-9 کالیبره کردن و مدلسازی عددی ............................................................ 57

3-10 نتایج عددی .................................................................................. 60

3-11 یک روند گام به گام طراحی .............................................................. 61

3-12 نتیجه‌گیری .................................................................................. 62

 فصل چهارم: نکات آیین‌نامه‌ای در طراحی اعضای CFT

4-1 نکات آیین‌نامه‌ای در ستون‌های مختلط .................................................... 65

 فصل پنجم: نتیجه گیری

5-1 نتیجه‌گیری .................................................................................... 72

مراجع ................................................................................................ 74

 فهرست اشکال

 عنوان صفحه

شکل 1-1 پلان سازه سه بعدی بادبندی نشده ................................................... 4

شکل 1-2 دتایل اتصال گیردار تیر ستون ...................................................... 14

شکل 2-1 دتایل قاب‌های تحت آزمایش در نرم افزار آباکوس ............................... 19

شکل 2-2 قرارگیری و مهاربندی قاب‌ها در حین آزمایش ................................... 20

شکل 2-3 دتایل قاب مورد آزمایش .............................................................. 21

شکل 2-4 مدهای خرابی در قاب ................................................................ 22

شکل 2-5تمام نمونه‌های قاب ..................................................................... 23

شکل 2-6 منحنی‌های هیسترزیس بار جانبی – تغییر مکان ................................. 23

شکل 2-7 پوش منحنی‌های بارجانبی – تغییر مکان .......................................... 24

شکل 2-8 منحنی بار جانبی-تغییر مکان قاب SF-22.......................................... 25

شکل 2-9 منحنی ایده آل بار-تغییر مکان ...................................................... 26

شکل 2-10 برآورد ماکزیمم بار حدی جاری شدن قاب ....................................... 26

شکل 2-11 منحنی ضریب استهلاک هم ارزانباشتگی به تناسب تغییر مکان به تغییر مکان جاری شدن 27

شکل 2-12 مقایسه پیش‌بینی و نتایج عددی منحنی بار-تغییرمکان ......................... 28

شکل 2-13مقایسه منحنی بار جانبی-تغییر مکان پیش‌بینی و نتایج عددی ................. 29

شکل 3-1 یک ساختمان چند طبقه تیپ با یک هسته دیوارهای داخلی ..................... 34

شکل 3-2 نشان‌دهنده ستون‌های فولادی لوله ای در اطراف سازه ........................... 34

شکل 3-3 سازه چند طبقه عمومی‌را که بتن در داخل لوله‌های فولادی توخالی آن ........ 35

شکل 3-4 یک ستون مرکب متشکل از لوله مربع شکل فولادی ........................... 40

شکل 3-5 فاکتورکاهش پیش باردرمقابل ضریب لاغری بدون بعد را برای ستون‌های مرکب41

شکل 3-6 تست فشاری بر اساس طول موثر ستون و دتایل‌های اندازه گیری ............. 44

شکل 3-7 نمودار تغییرمکان تحت بار محوری برای CFT-S-40-30P و CFT-S-100-30P46

شکل 3-8 یک تورم ذاتی جداره فولادی در ستون ............................................. 47

شکل 3-9 منحنی بار تغییرمکان برای CFT-S-100-0P و CFT-S-100-30P............... 47

شکل 3-10 منحنی بار تغییرمکان برای CFT-I-40-30P و CFT-I-100-30P.............. 48

شکل 3-11 مود خرابی را نشان می‌دهد ........................................................ 49

شکل 3-12 مود خرابی را نشان می‌دهد ........................................................ 49

شکل 3-13 منحنی بار تغییرمکان برای CFT-I-100-0P و CFT-I-100-30P.............. 50

شکل 3-14 منحنی بار تغییرمکان برای CFT-I-130-40P.................................... 50

شکل 3-15 خرابی در اثر خورد شدن بتن نه بدلیل کمانش کلی معمول ................... 51

شکل 3-16 منحنی بار تغییرمکان برای CFT-L-40-30P و CFT-L-100-30P............ 52

شکل 3-17 منحنی بار تغییرمکان را برای CFT-L-100-0P و CFT-L-100-30P وCFT-L-130-52

شکل 3-18 منحنی بار تغییرمکان را برای CFT-L-100-0P و CFT-L-100-30P وCFT-L-130-53

شکل 3-19 ستون CFT-L-40-30P قبل و بعداز خرابی ...................................... 53

شکل 3-20 مقایسه نتایج آزمایشات و تحلیل المان محدود ................................... 54

شکل 3-21 مقایسه نتایج آزمایشات و تحلیل المان محدود ................................... 55

شکل 3-22 منحنی‌های ارتباط تنش – کرنش تک محوری برای بتن و فولاد ............ 57

شکل 3-23 منحنی‌های ارتباط تنش – کرنش تک محوری برای بتن و فولاد ............ 57

شکل 3-24 مش بندی کلی المان محدود برای بتن و فولاد ................................... 58

شکل 3-25 کاهش ظرفیت محوری ............................................................. 59

شکل 3-26 بار نهایی از شبیه سازی عددی در مقایسه با اعداد بدست آمده ............... 60

 فهرست نمودار

 عنوان صفحه

نمودار 1-1 مقاومت مقطع ستون پر شده با بتن نرمال شده .................................. 8

نمودار 1-2 منحنی رفتار هیسترزیس بار –تغییر مکان ستون cft.......................... 11

نمودار 1-3 مقایسه طراحی مقاوم اندرکنش برای مقاطع دایره‌ای ومربعی وپر شده با بتن 16

نمودار 2-1 تمام نتایج بارهای جانبی به تغییر مکان ......................................... 24

نمودار 3-1 لوله دایره ای پر شده با بتن و بخش رنج لاغری ستون ........................ 43

نمودار 3-2 نسبت اختلاط بتن .................................................................... 43

نمودار 3-3 مقایسه نتایج آزمایشات و تحلیل المان محدود ................................... 54

نمودار 3-4 مقایسه نتایج آزمایشات و نتایج پیش بینی شده .................................. 55

نمودار 3-5 مقایسه نتایج آزمایشات یکسان سازی.............................................. 56

نمودار 3-6 مقایسه نتایج آزمایشات.............................................................. 60

نمودار 3-7 یکسان سازی نتایج آزمایشات...................................................... 61