لطفا برای مشاهده چکیده به متن کامل (pdf) مراجعه فرمایید.

دیوارهای برشی فولادی به عنوان یک سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی دارای توانایی بالایی در میرایی انرژی زلزله ستون های فولادی پرشده با بتن CFST نوعی از ستون های مرکب می باشند، که به دلیل مزایای فراوانی که نسبت به ستون های بتن آرمه و فولادی دارند استفاده از آنها مخصوصا در ساختمان های بلند در سال های اخیر رواج زیادی پیدا کرده است. از جمله این مزایا میتوان به سادگی نصب و اجرا، مسایل اقتصادی، حذف هزینه های قالب بندی، عملکرد خوب در مقابل نیروهای لرزه ای، مقاومت بیشتر با حجم کمتر و شکل پذیری بالا اشاره نمود. پارامترهای موثر در ظرفیت باربری ستون های CFST و همچنین شکل پذیری این ستونها، شامل چسبندگی بین جدار فولادی و هسته بتنی، کمانش موضعی جدار فولادی، نسبت بعد مقطع به ضخامت جدار فولادی (D/t)، نسبت طول به بعد مقطع (L/D) و شکل مقطع عرضی می باشند. در این تحقیق اثر تعدادی از پارامترهای موثر در رفتار ستون های CFST به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار می گیرند. در بررسی آزمایشگاهی این ستون ها 12 نمونه ستون با مقیاس حدود 1.3 ساخته شده و در آزمایشگاه تحت بار محوری فشاری برابر با 0.2Pu توام با بار جانبی متناوب افزایش یابنده تا انهدام کامل ستون قرار می گیرند و منحنی های رفتاری نمونه ها ترسیم شده و مورد مطالعه و بررسی قرار می گیرند. از لحاظ شکل مقطع عرضی، سه شکل دایره، مربع و هشت ضلعی در نظر گرفته شده است تا شکل بهینه از لحاظ رفتار تحت بارهای متناوب مشخص گردد. در تعدادی از نمونه ها ورق های سخت کننده در داخل ستون تعبیه شده است تا اثرات آنها در رفتار این نوع ستون ها بررسی شود.

در این مقاله ستون های دوجداره فولادی که با بتن پر می شوند و از خانواده ستون های CFT به شمار می روند، مورد ارزیابی قرار گرفته است. ستون های CFDST مزایایی از قبیل عدم نیاز به قالب بندی برای بتن ریزی، حمل و مونتاژ سریع و حفاظت سطح بتن از آسیب دارند. در مطالعه حاضر رفتار این نوع جدید از ستون ها با استفاده از روش عناصر محدود بررسی شده است. برای اطمینان از درستی مدلسازی عناصر محدود، نتایج تحلیل های عددی ستون های (CFDST) با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه شده و از درستی مدلسازی، اطمینان حاصل شده است. همچنین اثر عوامل مختلف موثر از جمله لاغری ستون، مشخصه های هندسی مقطع، مشخصه های مکانیکی- مقاومتی مصالح به کار رفته مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج تحقیق حاضر نشان می دهند که این ستون ها نسبت به ستون های CFT دارای شکل پذیری و ظرفیت تحمل بار بیشتری بوده و همچنین اثر تنش تسلیم جداره ها و مقاومت فشاری بتن بر رفتار این ستون ها قابل ملاحظه است و همچنین مشخص شد که نسبت به ستون های CFT سبک تر و اقتصادی تر هستند.

براده آهن از جمله ضایعات صنعتی می باشد که اثرات مضر بر محیط زیست دارد. به منظور کاهش اثرات منفی این ضایعات، می توان از آنها در ساخت بتن حاوی براده آهن به عنوان جایگزین بخشی یا تمام ماسه استفاده نمود. در این پژوهش عملکرد فشاری ستون های فولادی پرشده با بتن (CFST) با مقطع دایره ای، مورد بررسی قرار گرفته است. بتن مورد استفاده در داخل ستون ها، حاوی براده آهن به مقدار 0، 10، 20 و 30 درصد وزنی ماسه با دو نسبت مختلف آب به سیمان، در نظر گرفته شده است. نمونه های ستون CFST پس از ساخت و عمل آوری 28 روزه، تحت اثر بار محوری فشاری قرار گرفته و نتایج به صورت منحنی های بار-تغییرمکان و ظرفیت باربری نمونه ها بدست آمده اند. پارامترهای مورد مطالعه در این تحقیق نسبت قطر به ضخامت فولاد محصور کننده، نسبت آب به سیمان (طرح اختلاط) و درصدهای مختلف براده آهن جایگزین ماسه می باشد که تاثیر هر کدام بر مقاومت فشاری نمونه های CFST بررسی شده است. به منظور برآورد مقاومت فشاری بتن، نمونه های مکعبی بتن نیز تهیه شده و آزمایش مقاومت فشاری 28 روزه انجام شده است. نتایج به صورت مقاومت فشاری نمونه های مکعبی بتن و منحنی های تنش-کرنش بتن، استخراج شده و تاثیر نسبت آب به سیمان (طرح اختلاط) و درصد براده آهن بر مقاومت فشاری نمونه های مکعبی بتن و همچنین کارایی آن، مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که افزودن براده آهن به مقدار 20 درصد وزنی ماسه، مقاومت فشاری بتن و ستون های CFST را تا حد قابل قبولی افزایش می دهد. این مسیله همچنین افزایش سختی اولیه نمونه ها را در پی دارد. افزایش مقدار براده آهن از مقدار 20 درصد به 30 درصد وزنی ماسه، باعث کاهش مقاومت فشاری نمونه ها می شود، که بر این اساس می توان نتیجه گرفت درصد بهینه برای مقدار براده آهن، 20 درصد می باشد.

با توجه به نیاز زیر ساخت ها و جوامع به داشتن رفتار انعطاف پذیر در مقابل فجایع طبیعی و غیرطبیعی، مفاهیمی مانند تاب آوری به منظور کمی سازی توانایی یک سیستم برای کاهش تبعات ناشی از زمین لرزه و بازیابی سریع سازه بعد از به وقوع پیوستن آن تعریف شده است. در این پژوهش به منظور بررسی عملکرد لرزه ای سازه های فولادی با ستون های مرکب تشکیل شده از بتن و فولاد، با بازطراحی یک دسته سازه ی فولادی با فرض داشتن ستون های مرکب فولادی و بتنی و یا باکس فولادی، این سازه ها به صورت غیرخطی مدل سازی و با استخراج پاسخ های آن ها به کمک تحلیل IDA، خسارات و شاخص تاب آوری در سطوح مختلف خطر لرزه ای ارزیابی و محاسبه و با هم مقایسه گردیده است. نتایج این پژوهش نشان دهنده مزیت و عملکرد لرزه ای مناسب ستون-های مرکب فولادی و بتنی نسبت به ستون های فولادی در اغلب سطوح خطر لرزه ای علی رغم کاهش مصرف فولاد می باشد. به طوریکه میزان شاخص تاب آوری سازه های با ستون های مرکب در زلزله با دوره بازگشت 2500 ساله نسبت به سازه های با ستون-های باکس فولادی بین 2 تا 5 درصد افزایش یافته است. این بهبود عملکرد در حالی رخ می دهد که میزان فولاد مصرفی در ستون-های قاب های خمشی و مهاربندی شده به طور متوسط 33% کاهش را نشان می دهد.

ستون های مرکب دولایه فولادی که با بتن پر می شوند از خانواده ستون های CFT به شمار می روند که از دو جداره فولادی با مقطع مربع یا گرد تشکیل شده و به صورت هم مرکز مونتاژ می شوند و بین دو جداره آن با بتن پر می گردد. ستون های مرکب دو لایه دارای مزایایی از قبیل عدم نیاز به قالب بندی برای بتن ریزی، حمل و مونتاژ سریع و حفاظت سطح بتن از آسیب می باشند. این ستون ها در سازه های فراساحلی، پایه پل هایی با دهانه های بزرگ، مجراهای هسته ای در نیروگاه ها مورد استفاده قرار گرفته و اخیرا نیز در اسکلت سازه های بلندمرتبه در ژاپن به کار رفته است. در مطالعه حاضر، رفتار این نوع جدید از ستون ها با استفاده از روش اجزا محدود و به کمک نرم افزار ABAQUS تحت نیروی محوری فشاری و لنگر خمشی بررسی شده است. جهت اطمینان از صحت مدل سازی اجزای محدود، نتایج حاصل از تحلیل های عددی ستون های CFT با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه شده و از درستی مدل سازی، اطمینان حاصل شده است. در این تحقیق اثر پارامترهایی از قبیل مشخصات هندسی مقطع، لاغری ستون و مشخصات مقاومتی مصالح به کار رفته در ستون های مرکب دولایه مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج تحقیق حاضر نشان می دهد که این ستون ها نسبت به ستون های CFT دارای ظرفیت تحمل بار بیشتری بوده و نسبت به ستون های CFT سبک تر و نسبت به ستون های فولادی و بتنی اقتصادی تر می باشد.

ستون های فولادی پر شده با بتن (CFT) Concrete Filled Tube در سالیان اخیر به علت مزایای فراوان خود در ساختمان های بلند و صنعتی، پل ها، اسکله ها و نیز شمع ها رواج زیادی پیدا کرده است. این ستون ها اغلب بیشتر در اشکال دایره ای اجرا می گردد. دلیل اصلی این موضوع این نکته هست که مقاطع دایره ای محصور شدگی بیشتری را نسبت به مقاطع دیگر در بتن هسته ایجاد می کند. این مهم سبب گردیده که مقاطع دایره ایی نسبت به مقاطع دیگر در ستون های CFT بیشتر مورد استفاده قرار گیرد. اما در بعضی از مواقع استفاده از مقاطع دایره ای غیر ممکن خواهد شد و مجبور به استفاده از اشکال خاص از جمله مقاطع مربع و مسطیل و مقاطع با اشکال L و T شکل در بعضی از قسمت های ساختمانی مورد استفاده قرار گیرد. با توجه به اهمیت این موضوع در این مقاله سعی گردید که به معرفی و بررسی رفتار مکانیکی ستون های CFT با مقطع هندسی T شکل و بررسی اثر پارامتری ضخامت جدار فولاد، و تنش فشاری بتن، بر روی ظرفیت و رفتار مکانیکی این ستون ها پرداخته شود، در انتها بعد از انجام پژوهش مشخص گردید، در ستون های CFT با مقطع هندسی T شکل، بین اثر ضخامت جدار فولادی و نوع بتن، پارامتر ضخامت جدار فولادی پارامتر تاثیرگذارتری بر روی ظرفیت باربری ستون های CFT است، همچنین بین پارامتر ضخامت جدار فولادی و ارتفاع مقطع، تاثیر تغییرات ارتفاع بر روی شکل پذیری و سختی و ظرفیت باربری مقطع به طور میانگین بیشتر از پارامتر ضخامت جدار فولادی است.

میراگرهای اصطکاکی دورانی، نوع خاصی از میراگرهای اصطکاکی هستند که دارای مزایای متعدد می باشند. میراگرها به منظور بهبود رفتار چرخه ای سازه ها در برابر بارهای ناشی از باد و زلزله مورد استفاده قرار می گیرند، این نوع میراگرها با دوران و باز دوران خود موجب استهلاک انرژی می شوند. در این تحقیق، به بررسی مقدار جابجایی و برش پایه سازه قاب های فولادی با ستون های پرشده با بتن (CFT) در دو حالت سازه مهاربند ی شده همراه با میراگرهای اصطکاکی دورانی و سازه بدون مهاربند و میراگرهای اصطکاکی دورانی پرداخته شده است. قاب مرکب فولادی (با ستون های CFT) مهاربندی شده تحت اثر رکورد یازده زلزله حوزه نزدیک، در نرم افزار ETABS مدل سازی، تحلیل و طراحی شده است. استفاده از مهاربند به همراه میراگراصطکاکی دورانی، جابجایی مرکز جرم بام سازه را تحت اثر یازده رکورد زلزله مورد بحث در نرم افزاراجزاء محدود ETABS برای نه رکورد نسبت به حالت بدون میراگر بین 13 تا 49 درصد کاهش و برای دو رکورد افزابشی بین 2 تا 17 درصد داشته است. استفاده از مهاربند به همراه میراگرهای اصطکاکی دورانی برای هشت رکورد باعث کاهش برش پایه سازه به میزان 11 تا 37 درصد شده است. و در سه رکورد باعث افزایش برش پایه به میزان 3 تا 26 درصد شده است. سپس یک قاب یک دهانه یک طبقه با همان مصالح و مشخصات در نرم افزاراجزاء محدود ABAQUS مدل سازی گردیده است. برای بارگذاری جانبی ستون ها از پروتکل بارگذاری جانبی بر اساس ATC-24 و دستورالعمل استفاده از میراگرها در طراحی و مقاوم سازی ساختمان ها استفاده شده است. با توجه به ضابطه شماره 766 سازمان برنامه و بودجه برای جابجایی ایجاده شده در اثر رکورد یازده زلزله معرفی شده در نرم افزار ETABS ازسیکل های بارگذاری با فرکانس معادل 1. 15T در نرم افزار اجزاء محدود ABAQUS استفاده شده است. استفاده از مهاربند و میراگراصطکاکی دورانی در نرم افزار اجزاء محدود ABAQUS تحت اثرهریک از رکوردهای مورد بحث جابجایی سازه را نسبت به سازه بدون مهاربند و بدون میراگر اصطکاکی دورانی به مقدار 16 تا 33 درصد کاهش داده است. استفاده از مهاربند به همراه میراگراصطکاکی دورانی در نرم افزار اجزاء محدود ABAQUS تحت اثرهر یک از رکوردهای مورد بحث باعث کاهش برش پایه شده است. مقدار کاهش نیرو برای رکورد زلزله های مورد بحث یکسان نبوده و این مقدار از 8 تا 34. 7 درصد متغیر بوده است. نمودارهای هیسترزیس برش پایه سازه های مهاربندی شده را در دوحالت سازه با میراگر و بدون میراگر را به خوبی نشان داده اند.