بررسی عددی رفتار لرزه‌ای اتصالات تیر به ستون بتن مسلح با استفاده از کامپوزیت‌های سیمانی مسلح الیافی توانمند در تیر و ستون

چکیده

کامپوزیت‌های سیمانی مسلح با الیاف توانمند HPFRCC به مصالحی شامل ملات سیمانی با سنگدانه‌های ریزدانه و الیاف اطلاق می‌شود. ویژگی شاخص این مصالح آن است که تحت بارگذاری کششی، رفتار سخت شوندگی کرنش از خود بروز می‌دهند. این مصالح توانمند در بسیاری مواد نظیر سازه‌های مقاوم در برابر زلزله، بهسازی لرزه‌ای اعضای ساختمانی به کار روند. در این نوشتار، پس از معرفی مختصر این مصالح توانمند، اتصال تیر به ستون مورد صحت سنجی قرار گرفت. در این بررسی طول‌های متفاوت از ستون و تیر از مصالح کامپوزیت‌های سیمانی مسلح با الیاف توانمند استفاده گردیده است و تأثیر طول‌های مختلف کامپوزیت‌های سیمانی مسلح با الیاف توانمند در تسون و تیر بر عملکرد اتصال و همچنین با اتصال تیر به ستون بتن مسلح معمولی مقایسه گردیده است. در این بررسی نشان داده می‌شود که با استفاده از کامپوزیت‌های سیمانی مسلح با الیاف توانمند در طول‌های 400 میلی‌متر، 800 میلی‌متر و 1200 میلی‌متر در ستون و طول ثابت کامپوزیت‌های سیمانی مسلح با الیاف توانمند در تیر 800 میلیمتر، باعث افزایش شکل‌پذیری اتصال به میزان 109، 149 و 112 درصد مقاومت تسلیم اتصال به میزان 76، 186 و 244 درصد نسبت به حالتی که اتصال تیر به ستون از بتن مسلح معمولی، شده است.

کلمات کلیدی: HPFRCC، بتن مسلح، اتصال تیر به ستون، شکل‌پذیری، روش اجزای محدود

مقدمه

بتن یکی از مهم‌ترین مصالح ساختمانی است که به دلیل در دسترس بودن مصالح ساخت بتن و ارزانی نسبی آن‌ها، استفاده از بتن در همه کشورهای دنیا، رو به افزایش است. تقریباً در دهه 1980 میلادی، مفهوم بتن توانمند مطرح شده است. این مصالح نوین، بتنی است که خصوصیات و ویژگی‌های ویژه‌ای، شامل مقاومت، دوام، سخت شوندگی کرنشی و مقاومت در برابر عوامل مهاجم خارجی را دارد. مهم‌ترین عیب بتن، مقاومت کششی پایین، ترک خوردگی و شکنندگی آن در برابر بارهای وارده می‌باشد. به همین دلیل، از سالیان خیلی دور، مصالح ساختمانی نظیر خشت‌های رسی، با الیاف طبیعی نظیر موی اسب و کاه، مسلح شده‌اند.

نمان و رینهارت در چهارمین کارگاه جهانی رایلم در سال 2003 میلادی، مصالحی را که دارای یک بخش سخت‌شوندگی کرنش کششی در منحنی تنش- کرنش کششی خود بوده‌اند را به عنوان کامپوزیت‌های سیمانی مسلح الیافی توانمند HPFRCC معرفی کردند. مصالح HPFRCC جدای از بتن‌های الیافی FRC دسته‌بندی شده‌اند.

مقایسه رفتار کششی بتن معمولی، بتن الیافی و HPFRCC، در شکل 1 با یکدیگر مقایسه شده‌اند.

روشی که برای تعریف کامپوزیت سیمانی مسلح الیافی در رده‌ی مصالح توانمند به کار می‌رود، بر مبنای شکل منحنی تنش-کرنش کششی آن قرار دارد (شکل 1). اگر منحنی تنش کرنش نشان دهنده رفتار سخت شوندگی کرنش بعد از مرحله ترک‌خوردگی اولیه باشد، در رده‌ی مصالح توانمند قرار می‌گیرد. در غیر این صورت، برای یک کامپوزیت FRC معمولی، منحنی تنش- کرنش دارای رفتار نرم شوندگی کرنش بلافاصله پس از نخستین ترک خوردگی است. لذا می‌توان گفت که کامپوزیت‌های سیمانی مسلح الیافی توانمند یک نوع خاص از کامپوزیت‌های FRC هستند که علامت مشخصه‌ی آن‌ها رفتار سخت شوندگی کرنش در کشش پس از اولین ترک‌خوردگی است که با ترک‌های چندگانه تا رسیدن به کرنش‌های نسبتاً زیاد همراه می‌شود.

گروه‌های اصلی الیاف مورد استفاده در بتن‌های سازه‌ای عبارتند از: الیاف فولادی در شکل‌ها و ابعاد مختلف و نیز ریز الیاف‌ها، الیاف شیشه‌ای که در ملات‌های سیمانی فقط با عنوان الیاف مقاوم در برابر محیط قلیایی به کار می‌روند، الیاف مصنوعی شامل پلی پروپیلن، پلی‌اتیلن، پلی‌الفین، پلی وینیل الکل و الیاف کربنی. الیاف طبیعی گیاهی برای بتن‌های توانمند مناسب نیستند. الیاف پشم شیشه نیز به علت اثرات مخرب بر سلامتی انسان و محیط زیست به طور کلی ممنوع و توسط سایر الیاف پلی مری جایگزین گشته‌اند. مطمئناً مهم‌ترین بخش در بتن سازه‌ای، الیاف فولادی هستند که با قلاهای انتهایی و تغییرات مختلف انجام شده بر روی شکل این الیاف، سبب افزایش پیوستگی بین الیاف و ملات و افزایش تأثیر الیاف می‌شوند.

در سال‌های اخیر، 2 نوع از مصالح HPFRCC ظهور یافته‌اند که دوکتل و کامپوزیت‌های سیمانی مهندسی نامیده می‌شوند.

دوکتال نتیجه تحقیقات اولیه در سال 1981 می‌باشد. در این کامپوزیت، به منظور افزایش مقاومت کششی و فشاری، از یک ملات متراکم و سفت، همراه با الیاف با مقاومت بالا استفاده می‌شود. قدرت ملات باعث ایجاد نیروی پیوستگی قوی بین الیاف و ملات می‌شود و لذا مقاومت زیادی پس از ترک‌خوردگی حاصل می‌شود. در صورت کاربرد الیاف با مقاومت بالا، این مصالح برای کاربردای کشسان طرح می‌شوند و عملکرد الیاف در زمان وقوع حالت‌های حدی نهایی موثر است و در آن زمان وارد کار می‌شوند. تحقیقات انجام شده در سال 2003 بر روی این کامپوزیت، مقاومت کششی برابر با 12 مگاپاسکال و شکل‌پذیری 0/02 تا 0/06 درصد را برای این مصالح، نشان داده است.

کامپوزیت‌های سیمانی مهندسی ECC در دانشگاه میشیگان توسعه یافته است و به علت شکل‌گیری و گسترش ترک‌های ریز چندگانه، شکل‌پذیری کششی آن افزایش یافته است. درحالی که مقدار الیاف به کمتر از 2% کاهش یافته است. این مصالح برای کاربردهای کشسان و خمیری طرح می‌شوند و وجود الیاف تحت بارهای سرویس و بهره‌برداری نیز موثر بوده است و در آن زمان نیز وارد کار می‌شوند. طبق تحقیقات انجام شده در سال‌های 1993 و نیز 2003 مقاومت کششی 4 تا 6 مگاپاسکال و شکل‌پذیری کششی 3 تا 5 درصد را نتیجه داده است. ECC می‌تواند دارای کاربردهای مختلفی باشد:

EC خود تراکم در بتن‌ریزی‌های با مقیاس وسیع و بتن‌ریزی در نواحی با آرماتورگذاری فشرده، ECC سبک به منظور کاهش بار مرده سازه‌ها، ECC سبز برای کاهش اثرات زیست محیطی و توسعه پایدار، ECC خود ترمیم شونده برای بهبود بازیابی خوصصیات مکانیکی مصالح پس از تحمل خسارت به کار می‌روند.

مشخصات مدل‌های تحلیلی

نرم افزار مورد استفاده

در این نوشتار، از نرم‌افزار ABAQUS که یک نرم‌افزار غیر خطی المان محدود است، استفاده می‌شود. این نرم افزار به علت داشتن المان‌های متعدد، قابلیت مدل‌سازی بتن، میلگردهای فولادی، بتن مسلح، FRP و کامپوزیت‌های سیمانی را دارا است. برای مدل‌سازی بتن، شیوه‌ها و گزینه‌های مختلفی در این نرم‌افزار موجود است.

برای مدل‌سازی رفتار غیرخطی بتن در نرم‌افزار آباکوس، سه روش یا سه مدل ساختاری برای بتن، پیشنهاد شده است. سه مدل پیشنهادی عبارتند از:

مدل ترک پخشی بتن، مدل ترک‌خوردگی شکننده بتن، مدل پلاستیسیته آسیب‌دیده بتن

مدل ترک‌پخشی بتن در مواردی استفاده می‌شود که سازه بتنی تحت بار یکنواخت قرار داشته باشد. در این مدل، ترک‌خوردگی کششی بتن و یا خُردشدگی فشاری آن در نظر گرفته شده است.

مدل پلاستیسیته آسیب‌دیده بتن، براساس فرضیات آسیب‌دیدگی همسان استوار است و برای سازه‌های بتنی تحت بارهای مختلف و از جمله بار چرخه‌ای کاربرد دارد. در این مدل، اثر کاهش سختی الاستیک ناشی از کرنش‌های پلاستیک در کشش و فشار، در نظر گرفته شده است. همچنین در این مدل، تأثیر بهبود سختی در حالت بارگذاری چرخه‌ای، لحاظ شده است. با عنایت به رفتار کششی ویژه‌ی کامپوزیت HPFRCC از گزینه Concrete Damage Plasticity استفاده می‌شود. در این گزینه امکان وارد کردن نقاط مختلف منحنی تنش- کرنش بتن و کامپوزیت در کشش و فشار وجود دارد. در مدل پلاستیسیته آسیب‌دیده بتن، دو مکانیزم برای انهدام بتن پیش‌بینی شده است. مکانیزم اول، ترک‌خوردگی بتن تحت کشش است و مکانیزم دوم، خُردشدگی بتن تحت فشار می‌باشد.

در شکل 2، منحنی تنش- کرنش بتن تحت کشش نشان داده شده است. رابطه تنش کرنش کششی بتن تا رسیدن تنش به مقدار تنش گسیختگی بتن، به صورت خطی می‌باشد. رسیدن به تنش گسیختگی با تشکیل مجموعه‌ای از ریزترک‌ها در بتن همراه است. پس از آن، به دلیل ترک‌خوردگی بتن به صورت ماکروسکوپی، شاخه نرم‌شدگی بتن آغاز می‌شود که با موضعی شدن تنش‌ها و افزایش عرض ترک‌خرودگی همراه است.

با توجه به شکل3، منحنی تنش- کرنش بتن در فشار تا تنش تسلیم اولیه، به صورت خطی تغییر می‌کند. سپس ناحیه غیرخطی و افزاینده منحنی شروع می‌شود و تا نقطه مربوط به تنش نهایی، که همان نقطه مقاومت فشاری بتن است، ادامه می‌یابد. پس از آن، شاخه نرم‌شونده منحنی تنش کرنش آغاز می‌گردد و بتن تحت فشار، خرد می‌شود.

همانطور که در شکل 2 و 3 ملاحظه می‌شود، در حالت باربرداری در قسمت نرم‌شوندگی منحنی تنش- کرنش، شیب منحنی باربرداری از شیب منحنی الاستیک کمتر است که این موضوع، نشان‌دهنده در نظر گرفته شدن آسیب در مدل می‌باشد. کاهش سختی بتن بر اثر باربرداری در شاخه نرم شونده، به وسیله پارامترهای d_{c و} d_t در نظر گرفته شده است. این کاهش سختی می‌تواند بر اثر ترک‌خوردگی بتن در کشش یا انهدام بخشی از بتن در فشار رخ دهد. پارامترها، نشان دهنده بتن بدون آسیب و مقدار یک برای آن‌ها، بیانگر از بین رفتن همه مقاومت بتن می‌باشد.

معادلات تنش- کرنش بتن در کشش و فشار، به ترتیب، در روابط 1 و 2، ارائه شده است:

منحنی تنش- کرنش HPFRCC تحت کشش از یک رابطه‌ی خطی تا رسیدن به σcc پیروی می‌کند. سپس منحنی رفتار افزاینده پی را شروع می‌کند تا به تنش σpc برسد. از این نقطه به بعد با گسترش ترک خوردگی‌ها در کامپوزیت، شاخه نرم‌شونده منحنی آغاز می‌شود که با موضعی شدن تنش‌ها و افزایش عرض ترک در یک صفحه همراه است شکل 4. منحنی تنش- کرنش HPFRCC در فشار مشابه با بتن معمولی است.

منحنی تنش- کرنش استفاده شده برای میلگردها نیز به صورت دو خطی مطابق شکل 5 وارد می‌شود. برای مدل‌سازی بتن و کامپوزیت‌های سیمان از المان Solid و برای مدل‌سازی فولاد از المان Truss استفاده می‌شود. در این تحقیق از المان مکعبی 20 گرهی Solid که در شکل 6 نیز نشان داده شده است، استفاده می‌شود. هر گره در این المان دارای 6 درجه آزادی شامل 3 درجه آزادی انتقالی و 3 درجه آزادی دورانی است. برای مدل‌سازی میلگردهای فولادی، المان دو بعدی Truss که در شکل 7 نشان داده شده است، به کار می‌رود. این المان دو گرهی قابلیت مدل‌سازی رفتار غیرخطی فولادی را دارا می‌باشد. همچنین سطح اتصال بتن با HPFRCC (بتن کامپوزیتی، مطابق روش مرسوم در نرم‌افزار ABAQUS از اتصال Tie استفاده شده است.

مدل‌های مورد بررسی و نحوه مدل‌سازی

در این مقاله، یک اتصال خارجی تیر به ستون، بتن مسلح معمولی که توسط فرناندس در آزمایشگاه تست شده، مورد صحت سنجی قرار گرفته است. مشخصات میلگرد مورد استفاده در این اتصال در جدول 1 آورده شده است. ابعاد این اتصال و جزئیات بارگذاری و آرماتورگذاری آن نیز در شکل‌های 8 و 9 نشان داده شده است. برای در نظر گرفتن اثر نیروی محوری ستون در رفتار اتصال، در حین انجام آزمایش، نیروی محوری برابر با ده درصد ظرفیت باربری محوری ستون 220 کیلونیوتن به ستون وارد شده است. در انتهای تیر، از تکیه‌گاه غلطکی و در پایین ستون، از تکیه‌گاه ثابت مفصلی استفاده شده است. بالای ستون در مقابل حرکت در صفحه عمود بر اتصال، مهار شده است. جک هیدرولیکی 500 کیلونیوتنی به صورت رفت و برگشتنی در صفحه اتصال جابجا می‌گردد.

سه مدل تحلیلی با مش‌بندی‌های مختلف برای کالیبره نمودن نتایج تحلیل به کار رفت. ابعاد المان‌ها و نتایج حاصل از تحلیل غیر خطی این اتصال‌ها منحنی‌های نیرو- تغییر مکان جانبی این سه اتصال نیز در شکل 10 ارائه شده است.

در تحلیل غیر خطی بتن با افزایش بیش از حد المان‌ها، تعداد ترک‌ها نیز بیشتر شده است و در نتیجه سختی و بارنهایی عضو کاهش می‌یابد. این پدیده، وابستگی مش نامیده می‌شود. به همین دلیل است که در برخی از تحقیقات پیشنهاد شده است که اندازه‌ی المان با توجه به کرنش نهایی بتن انتخاب شود.

همانطور که در شکل 10 ملاحظه می‌شود و همچنین با توجه به مطالب فوق‌الذکر از بین مدل‌های با مش‌بندی 50 در 50، 60 در 60، 70 در 70 میلی‌متر، مدل با مش‌بندی متوسط و به ابعاد 60 در 60 میلی‌متر بیشترین تطابق را با کار آزمایشگاهی داشته و لذا به عنوان مدل مورد بررسی انتخاب می‌گردد.

نتایج و نمودارها

نحوه نام‌گذاری مدل‌ها و توضیحات مربوط به آن در جدول 2 ارائه شده است. نامگذاری مدل‌های اجزای محدود، طوری انجام شده است که بتوان از روی نام مدل، به نوع تغییرات انجام شده در مدل، نسبت به مدل آزمایشگاهی مبنا پی برد. نام مدل آزمایشگاهی مبنا، REF انتخاب شد. عبارت HC در مدل‌ها نشان‌دهنده آن که مدل، از ترکیب بتن معمولی و مصالح HPFRCC تشکیل شده است.

مقاومت فشاری بتن معمولی و مصالح HPFRCC، مگاپاسکال 25 می‌باشد.

در شکل 11، نتایج پوش منحنی‌های هیسترزیس برای چهارنوع طول ناحیه HPFRCC در ستون با طول ثابت 800 میلیمتر از HPFRCC در تیز، نشان داده شده است. بیانگر این موضوع است که با افزایش طول HPFRCC در ستون باعث افزایش شکل‌پذیری می‌گردد. همچنین در جدول 3، مقادیر مثاومت و تغییر شکل تسلیم و نهایی مدل‌ها داده شده است. در جدول 4 نیز درصد تغییرات پارامترهای مختلف مدل‌های اجزای محدود، نسبت به اتصال مبنا، محاسبه شده است.

شکل 11 و جداول 4 و 5 نشان می‌دهد که استفاده از مصالح HPFRCC در تیر و ستون، باعث افزایش مقاومت تسلیم، مقاومت حداکثر، مقاومت نهایی و شکل‌پذیری اتصال، نسبت به اتصال مبنا شده است؛ به نحوی که در مدل‌های HC-B80-C40، HC-B80-C120، HC-B80-C80 به ترتیب 76، 186 و 244 درصد افزایش در مقاومت تسلیم و همچنین 14، 20 و 26 درصد افزایش در مقاومت حداکثر 14،20 و 26 درصد افزایش در مقاومت نهایی نسبت به مدل مبنا ایجاد شده است.

در خصوص نسبت شکل‌پذیری نیز با افزایش طول HPFRCC در ستون، این نسبت نیز افزایش می‌یابد در مدل‌های HC-B80-C120 ،HC-B80-C80 ،HC-B80-C40 به ترتیب 109، 149 و 112 درصد نسبت به مدل مبنا افزایش یافته است. همچنین درصد جذب انرژی در مدل‌های اتصال با افزایش طول HPFRCC در ستون، روند افزایشی دارد به نحوی که در مدل‌های HC-B80-C80 ،HC-B80-C40 و HC-B80-C120 به ترتیب 59، 84 و 98 درصد نسبت به مدل مبنا افزایش یافته است.

بنابراین می‌توان نتیجه گرفت در حالتی که در تیز، از مصالح HPFRCC استفاده شده است، استفاده از مصالح HPFRCC در ستون، تأثیر قابل توجهی بر مقاومت و نسبت شکل‌پذیری اتصال داشته است. لذا تقویت تیز به تنهایی منطقی نمی‌باشد و پس از تقویت تیر الزاماً باید ستون‌های تکیه‌گاهی نیز تقویت گردند. اما از سوی دیگر شکل‌پذیری اتصال C120-B80-H نسبت به اتصال C80-B80-H، درصد 35 کاهش داشته است. لذا افزایش طول HPFRCC در ستون بیشتر از 800 میلی‌متر منطقی نمی‌باشد. با استفاده توام از مصالح HPFRCC در تیز و ستون، مفصل پلاستیک به تیر منتقل شده است ولی با استفاده از مصالح HPFRCC فقط در تیر، مفصل پلاستیک در ستون تشکیل شده است.

نتیجه‌گیری

با گسترش بتن‌های توانمند، نوع خاصی از مصالح برتر تحت عنوان HPFRCC برای ساخت و ساز ایجاد شده است. این مصالح توانمند می‌تواند در بسیاری موارد نظیر بهسازی لرزه‌ای اعضای سازه‌ای و نیز به عنوان فیوزهای سازه‌ای به کار روند. تشکیل ترک‌های ریز چندگانه عامل اصلی تأمین شکل‌پذیری کششی این مصالح است. یکی‌ از ویژگی‌هایی که HPFRCC را برای انجام عملیات ترمیمی و جایگزینی بتن معمولی، مناسب می‌سازد این است که با توجه به شباهت ساختاری آن با بتن، امکان ایجاد پیوستگی قوی بین بتن قبلی و این کامپوزیت وجود دارد.

• تقویت ناحیه مفصل پلاستیک تیز باعث افزایش مقاومت حداکثر، مقاومت نهایی و شکل‌پذیری اتصال می‌گردد.
• تقویت همزمان ناحیه مفصل پلاستیک تیر و ستون باعث بهبود رفتار اتصال نسبت به حالت تقویت تیر به تنهایی می‌گردد.
• مناسب‌ترین طول تقویت در ستون برابر با طول تقویت در تیر می‌باشد و افزایش طول تقویت ستون مازاد بر طول تقویت تیر حتی ممکن است باعث کاهش شکل‌پذیری اتصال گردد.
• با استفاده توام از مصالح HPFRCC در تیر و ستون، مفصل پلاستیک به تیر منقل شده است ولی با استفاده از مصالح HPFRCC فقط در تیر، مفصل پلاستیک در ستون تشکیل شده است.

با جایگزینی مصالح HPFRCC به جای بتن معمولی در ناحیه مفصل پلاستیک ستون، شکل‌پذیری، جذب انرژی، مقاومت تسلیم و مقاومت حداکثر اتصال تیر به ستون بتن آرمه افزایش می‌یابد.

دانلود مقاله از انجمن بتن ایران