دانلود مقاله رفتار لرزه‌ای ستون‌هاي فلزی باكسي پرشده با بتن تحت نيروهاي زلزله با فرمت ورد ودر 90 صفحه قابل ویرایش
قسمتی از متن مقاله

فهرست مطالب

عنوان صفحه

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

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

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

1-2 رفتار يكنواخت ستون‌هاي باكسي پرشده با بتن (CFT) (مقاومت محوري و سختي) .. 5

1-3 مقاومت خمشي و سختي ...................................................................... 7

1-4 مقاومت تير 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 چرخه‌اي باكس‌هاي فولادي 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 نتايج اين آزمايشات ............................................................................ 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 نتيجه‌گيري ................................................................................... 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

پیوست‌ها ............................................................................................. 84

 

 

 

 

 

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

 

 

 

چكيده

ستون‌هاي باكسي پرشده با بتن (CFT)[1] در بسياري از ساختمان‌ها در جهان استفاده شده‌اند. اين سازه‌هابا ارتفاعها و وضعيتهاي گوناگون در دو موقعيت بدون نيروهاي لرزه‌اي ودر مناطقي كه خطر لرزه‌اي بالايي دارند اجرا گردیده اند. اين بازبيني كوتاه رفتار ستون‌هاي پرشده از بتن بامقطع دايره و مربع مستطيل به همراه بادبندها، و خصوصاً متمركزشده بر رفتار آنها در زمان اعمال بارها به طور لرزه‌اي رفت و برگشتي درنظر گرفته است. اين بحث با رفتار ستون‌هاي پرشده با بتن تحت بارهاي محوري و خمش و پيچشي شروع مي‌شود و چكيده‌اي از اثرات خزش، جمع‌شدگي و عكس‌العمل كلي ستون‌هاي پرشده با بتن براي تنش‌هاي پسماند را نشان خواهد داد. مختصري از رفتار يكنواخت براساس بحث‌هاي متعاقب تحقيق شده بر روي رفتارسیکلی اين ستون‌ها ديده مي‌شود. اين مقاله از چندين مقاله كه در زمين‌هاي نيروي غيرلرزه‌اي براي محاسبه و طراحي اين ستون‌ها كارشده برگرفته شده است.

 

فصل اول

 

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

 

  

1-1مقدمه

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 لرزه‌اي 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. ]3[

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 لرزه‌ايCFTها 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]8-12[. 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 لرزه‌اي، پاسخ سیکلی ستون‌هاي CFT و اتصالات بوجود آمده در آنها يك منحنی هيسترزيس كامل با جذب انرژي قابل توجه را نشان مي‌دهد]4-6-13-14[. كاهش قدرت و سختي در اين مرحله خصوصاً براي ستون‌های CFT كه در آن بتن حكمفرما است، اتفاق مي‌افتد]6-15-16[. 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 لرزه‌اي 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 (1-1) 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 1-1 پلان سازه سه بعدی بادبندی نشده(شماتیک دیاگرام یک سازه باسیستم قاب خمشی مرکب پر شده با بتن)]17[

اين تحقيقات بخش كوچكي از مبحث ستون‌هاي پرشده با بتن در پاسخ لرزه‌اي ساختمان‌ها مي‌باشد. پيشرفت در فهم رفتار CFTها به نسبت ساختمان‌هاي با مقاطع توخالي در طول 40 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]2-3-19[. تحقيق بر روي تيرهاي با پروفیل I شكل متصل شده به ستون‌هاي CFT به طور مختصر توضيح داده شده است.

1-2رفتار 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(10 الی15) بصورت معمول و تيپ نزديك به طراحي مقاومت 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 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.