مطالعه پارامتری رفتار اتصال تیر به ستون در سازه های بتنی

مقدمه
مطالعات اخیر نشان داده است که اتصالات تیر به ستون در سازههای بتنی از اهمیت بالایی برخوردار هستند به طوریکه خرابی این اجزا که از اجزای
اصلی انتقال نیرو در ساختمان هستند، باعث انهدام و ناپایداری کل سازه میشود. بنابراین اتصالات نسبت به سایر عناصر سازهای نیاز به توجه خاص در
طراحی و ساخت دارند. آزمایشات فراوانی بر روی اتصالات انجام شده است و نشان داده شده است که پارامترهای متعددی در تعیین رفتار اتصال نقش
دارند. با این حال انجام آزمایشات وقتگیر و هزینه بر بوده و نمیتواند به طور کامل و جامع اثر پارامترها را بررسی نماید، بنابراین تحلیلهای غیر خطی با
استفاده از نرمافزارهای موجود میتواند ابزار مناسبی برای رفتار اتصال باشد و اثر پارامترهای مختلف را با صرف هزینه و وقت کمتر و دقت قابل قبول
بررسی نماید.
جزییات اتصال آزمایشگاهی انتخاب شده جهت مدلسازی
جهت بررسی صحت نتایج تحلیلی از کار آزمایشگاهی چئوک 1 و همکاران در سال 1992 برای کالیبره نمودن نرمافزار استفاده شده است. در این نمونه
457 میلیمتر میباشد. × 406 میلیمتر و ابعاد ستون نیز 254 × 1060 میلیمتر و ارتفاع ستون برابر 1321 میلیمتر است. ابعاد تیر 203 / طول هر نیمه تیر برابر 45
مشخصات هندسی و نحوه فولادگذاری طولی و عرضی این اتصال در شکل 1و 2 نشان داده شده است. همچنین شرایط مرزی نمونه مطابق شکل 3 به این
صورت است که در دو انتهای تیر تکیهگاهها به صورت غلتکی و در پایین ستون تکیهگاه به صورت مفصلی میباشد. ضمنا مقاومت فشاری بتن نمونه
30/7 مگاپاسکال بوده و مقاومت کششی میلگردهای فولادی 500 مگاپاسکال میباشد. نمونه در طول آزمایش تحت بار محوری ثابت به میزان ده درصد
.[ ظرفیت فشاری ستون میباشد. بار جانبی هم به صورت تغییر مکان به قسمت بالایی ستون اعمال میشود[ 1
١ cheok
پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران
14 تا 16 اردیبهشت 1389 ، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران
[ شکل 1-مشخصات ستون[ 2] شکل 2- مشخصات تیر[ 2
[ شکل 3-شرایط مرزی و نحوه اعمال بار[ 3
Ansys مدلسازی در
میلگرد
استفاده میشود. این المان م یتواند برای مدل سازی خرپاها، کاب لها، رابط ها و فنرها به کار رود. این المان Link جهت مدلسازی میلگردها از المان 8
سه بعدی یک المان فشاری-کششی تک محوره با 3 درجه آزادی در هر نود می باشد. همچنین این المان توانایی تحمل خمش را ندارد ولی برخی
.[ نشان داده شده است[ 4 LINK ویژگی ها همچون خزش، پلاستیسیته، تنش سختی و ... درآن لحاظ شده است. در شکل 4 هندسه المان 8
[4]LINK شکل 4- المان 8
پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران
14 تا 16 اردیبهشت 1389 ، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران
بتن
برای مدل سازی بتن با یا بدون آرماتورگذاری استفاده می شود. حجم مورد نظر توانایی ترک خوردن در برابر بارهای کششی و SOLID از المان 65
z و y ،x خرد شدن در برابر بارهای فشاری را داراست. این المان دارای 8 گره بوده و هر گره دارای 3 درجه آزادی شامل انتقال در جهت محورهای
می باشد. همچنین برای این المان م یتوان تا 3 نوع متفاوت از آرماتور را در جه تهای مختلف تعریف نمود. در شکل 5 هندسه المان نشان داده شده
.[ است[ 4
[5]SOLID شکل 5-المان 65
میلگردها را میتوان به صورت پخش شده در سه جهت مختلف در المان در نظر گرفت. ولی جهت بالابردن دقت حل تمام میلگردها شامل میلگردهای
در محل واقعی خود مدل شدهاند. link طولی و عرضی، توسط المان 8
خصوصیات مصالح بتن
پارامترهای زیر، به عنوان ورودی در نرمافزار مورد نیاز هستند: Ansys برای تعریف المان بتن در
-1 منحنی تنش کرنش تک محوره فشاری بتن که از رابطه هاگنستاد استفاده شده است.
( ) ] (1)
2
[ 2
0 0 ε
ε
ε
ε c c
c c f = f ′′ − , c c f ′′= 0.93 f ′ ,
c
c
E
f ′′
=1.8 0 ε
.[ مدول الاستیسیته بتن میباشد[ 6 Ec کرنش در مقاومت نهایی و ε کرنش ، 0 ε c ، تنش fc در روابط بالا
که از رابطه ( 2) استفاده شده است. ( Ec ) -2 مدول الاستیسیته بتن
c c (2) E = 4700 f ′
-3 تنش کششی تک محوره ترک خوردگی معادل تنش گسیختگی بتن م یباشد که از رابطه ( 3) بدست میآید.
(3) = ′ r c f 0.7 f
برش در ترکهای باز ل ریب انتقا ض -4 ) t
β این ضرایب معمولاً در محدوده صفر تا یک تغییر ،(β c ) ) و ضریب انتقال برش در ترکهای بسته
می نمایند، بگونه ای که صفر معادل یک ترک صاف و هموار (عدم انتقال برش) و یک معادل یک ترک زبر و ناهموار (انتقال کامل برش)
در تحقیق حاضر به منظور تعیین بهترین مقدار برای . باشد می t
β و c
β ، تحلیلهای متعددی انجام شد که بهترین نتیجه با در نظر
9 . 0 گرفتن = t
β 99 . 0 و = c
β .[ بدست آمد[ 7
پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران
14 تا 16 اردیبهشت 1389 ، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران
مقایسه نتایج تحلیلی و آزمایش
منحنی بار جانبی- تغییر مکان نمونه تحلیلی و نمونه آزمایشگاهی در شکل 6 نشان داده شده است. این نمودار بیانگر این موضوع است که تطابق مناسبی
بین نتایج پوش منحنی آزمایشگاهی و نتایج تحلیل غیر خطی وجود دارد و مدل المان محدود توانسته است با دقت قابل قبولی نتایج آزمایشگاهی را
بازسازی نماید.
شکل 6 – منحنی بار تغییر مکان آزمایشگاهی و تحلیلی
مطالعات پارامتری
1 متر و ابعاد مقطع تیر و ستون 300 در 300 میلیمتر میباشد، تحت بارهای / جهت انجام مطالعات پارامتری نمونه دیگری که در آن طول تیر و ستون 5
ثقلی (بار مرده 500 کیلوگرم بر متر مربع و بار زنده 200 کیلوگرم بر متر مربع) طراحی و در نرمافزار انسیس مدل سازی شده است. جدول 1 جزییات
آرماتورهای طولی و عرضی مقاطع مختلف اتصال را نشان میدهد.
جدول 1- جزییات آرماتورگذاری تیر وستون
تیر ستون
8Ф16 4Ф آرماتور طولی 14
1000 طول خاموت گذاری ویژه(میلیمتر) 900
٣Ф١٤@١٠٠mm 2Ф6@45mm خاموت ناحیه اتصال
2Ф10@100mm 2Ф6@120mm خاموت ناحیه خارج از اتصال
شرایط مرزی اتصال به صورت غلتکی در انتهای تیر و به صورت مفصلی در پایین ستون انتخاب شده است. بار محوری ستون و بار گسترده بر روی
تیرها در طول آزمایش ثابت فرض شده و بار جانبی به صورت تغییر مکان به گرههای بالایی ستون اعمال شده است. مقاومت فشاری بتن 30 مگاپاسکال
انتخاب شده است. همچنین به دلیل تقارن اتصال نصف سازه در نرمافزار مدلسازی شده است. شکل 7 AШ و آرماتورهای طولی و عرضی از نوع
و آرماتورهای ،LINK جزییات مدلسازی و مشبندی اتصال را نشان میدهد. ضمنا در این نمونه آرماتورهای طولی تیر و ستون با استفاده از المان 8
عرضی به صورت پخش شده در طول المان مدلسازی شدهاند.
پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران
14 تا 16 اردیبهشت 1389 ، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران
شکل 7 – جزییات مدلسازی و مشبندی اتصال
جهت انجام مطالعات پارامتری، پارامترهای گوناگونی را میتوان انتخاب نمود و تاثیر آن را بر رفتار اتصال ارزیابی نمود. لیکن در تحقیق حاضر، درصد
آرماتور طولی تیر و ستون، مقاومت فشاری بتن ودرصد خاموت در نواحی مختلف اتصال به عنوان پارامترهای مورد مطالعه انتخاب وتاثیر هرکدام از
آنها در رفتار اتصال بررسی شده است.
نتایج
از مطالعات پارامتری انجام شده در اتصال نتایج زیر را میتوان استخراج نمود:
3 به عنوان درصد آرماتور طولی ستون انتخاب / 2 ، و 38 /26 ،1/78 ،1/26 ، -1 برای بررسی اثر درصد آرماتور طولی ستون به ترتیب مقادیر 1
شده است و نتایج حاصل از تحلیل آن در شکل 8 نشان داده شده است. همانطور که از نمودار مشخص است با افزایش درصد آرماتور
طولی ستون مقاومت نهایی و شکل پذیری اتصال زیاد میشود.
شکل 8 – منحنی بار تغییر مکان بر اساس درصد آرماتور طولی ستون
پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران
14 تا 16 اردیبهشت 1389 ، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران
0 به عنوان درصد آرماتور طولی تیر انتخاب شده است و منحنی / 0، و 78 /63 ،0/49 ،0/ -2 برای بررسی اثر درصد آرماتور طولی تیر مقادیر 38
حاصل از نتایج تحلیلی در شکل 9 نشان داده شده است. همانطور که از نمودار مشخص است با افزایش درصد آرماتور طولی تیر مقاومت
نهایی اتصال زیاد شده است ولی تاثیر این پارامتر نسبت به آرماتور طولی ستون در رفتار اتصال کمتر میباشد.
شکل 9 – منحنی بار تغییر مکان بر اساس درصد آرماتور طولی تیر
30 و 35 مگا پاسکال به عنوان مقاومت فشاری بتن انتخاب و نتایج تحلیلی آن در ، -3 جهت بررسی اثر مقاومت فشاری بتن به ترتیب مقادیر 25
شکل 10 نشان داده است. نتایج تحلیلی بیانگر این مطلب است که با افزایش مقاومت فشاری بتن اتصال، مقاومت نهایی و میزان شکلپذیری
اتصال نیز زیاد میشود.
شکل 10 – منحنی بار تغییر مکان بر اساس مقاومت فشاری بتن
s 2 به عنوان نسبت / 1 و 56 /3 ،0/ -4 جهت بررسی اثر خاموت تیر در رفتار اتصال با توجه به محدودیتهای آییننامهای مقادیر 47
Aتیر v
انتخاب و نتایج حاصل از تحلیل اتصال در شکل 11 نشان داده شده است. نتایج تحلیل نشان میدهد که میزان خاموت تیر تاثیر چندانی در
رفتار اتصال و مقاومت نهایی آن ندارد.
پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران
14 تا 16 اردیبهشت 1389 ، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران
شکل 11 – منحنی بار تغییر مکان بر اساس درصد خاموت تیر
خلاصه و نتیجهگیری
توانایی مدلسازی اتصالات تیر به ستون بتنی تحت بارهای ثقلی و جانبی را دارد و تطابق مناسب و قابل قبولی بین ناتیج تحلیلی و Ansys نرمافزار
آزمایشگاهی وجود دارد. همچنین رفتار یک اتصال بسیار پیچیده بوده و متغیرهای زیادی در تعیین عملکرد اتصال نقش دارند. از جمله این پارامترها
میتوان به درصد آرماتورهای طولی و عرضی تیر و ستون، مقاومت فشاری بتن و درصد خاموت برشی تیر اشاره نمود. همچنین با توجه به مطالعات
پارامتری انجام شده میتوان گفت که با افزایش درصد آرماتور طولی ستون و مقاومت فشاری بتن مقدار مقاومت نهایی اتصال بیشتر میشود و با افزایش
درصد آرماتور طولی تیر میزان مقاومت اتصال نیز بیشتر میشود ولی نرخ افزایش مقاومت نسبت به دو پارامتر درصد آرماتور طولی ستون و مقاومت
فشاری بتن کمتر میباشد. همچنین میزان خاموت تیر تاثیر چندانی در رفتار و مقاومت نهایی اتصال ندارد.
مراجع
1. Cheok, G., and Lew, H.S. (1992). "Model Precast Concrete Beam to Column Connections Subject to
Cyclic Loading," PCI Journal, Precast/Prestressed Concrete Institute, Chicago, IL, July, 1992, pp. 80-92.
2. Cheok, G., Stone, W., and Lew, H.S. (1993). "Performance of 1/3 scale Model Precast Concrete Beam-
Column Connections Subjected to Cyclic Inelastic Loads Report No.3." NISTIR 5246, NIST, Gaitherburg,
MD, August, 1993.
3. Cheok, G., and Lew, H.S. (1991). "Performance of 1/3 scale Model Precast Concrete Beam- Column
Connections Subjected to Cyclic Inelastic Loads Report No.2." NISTIR 4433, NIST, Gaitherburg, MD, June,
1991.
4. Release 10.0Documentation for ANSYS, ANSYS Inc., United States, 2005.
٥. ANSYS (٢٠٠٤) ANSYS User’s Manual Revision ١٠ ANSYS, Inc., Canonsburg, Pennsylvania.
٦. Desayi, P. and Krishnan, S. (١٩٦٤) Equation for the stress-strain curve of concrete. Journal of the
American Concrete Institute, ٦١, ٣٤٥-٣٥٠.
٧. Anthony J. Wolanski, B.S. ”flexural behavior of reinforced and prestressed concrete beams using finite
element analysis” Milwaukee, Wisconsin May, ٢٠٠٤العه پارامتری رفتار اتصال تیر به ستون در سازه های بتن

مطالعه پارامتری رفتار اتصال تیر به ستون در سازه های بتنی

مطالب مشابه :

نکاتی در مورد طراحی دیواربرشی

نکاتی از تحلیل و طراحی دیوار برشی

نکاتی در مورد طراحی دیوار برشی

دانلود جزوه طراحی دیوار برشی u شکل و بازشودار در etabs

نکات تحلیل و طراحی سازه ها در نرم افزار etabs

مطالعه پارامتری رفتار اتصال تیر به ستون در سازه های بتنی

نکاتی از تحلیل و طراحی دیوار برشی