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.

اتصال مقاطع لوله­ای فولادی پر شده با بتن (Concrete Filled Steel Tube) به ورق گاست (Gusset plate)، یک روش اتصال متداول است که در آن، صفحات مستقیماً به وجوه ستون جوش می شوند. نظر به اهمیت چگونگی توزیع تنش و ظرفیت جذب انرژی بر رفتار اتصال مذکور، در مطالعه ی حاضر به تحلیل عددی رفتار این اتصال تحت بارگذاری های مختلف پرداخته شده است. متغیرهای مورد بررسی شامل ضخامت ورق گاست، مقاومت فشاری بتن، نسبت قطر به ضخامت لوله فولادی متصل به ورق گاست و نوع بارگذاری می باشد. نتایج حاصل نشان می دهد اگر چه پر کردن مقاطع لوله ای توخالی با بتن کمانش موضعی جداره ی فولادی را به تعویق می اندازد، اما استفاده از بتن با مقاومت فشاری بیشتر همواره منجر به افزایش میزان جذب انرژی نمی شود، به طوری که در بسیاری از مدل های مورد مطالعه کاهش ظرفیت جذب انرژی 18 تا 30 درصدی اتفاق افتاده است. از سوی دیگر نسبت قطر به ضخامت نقش تاثیرگذاری بر میزان ظرفیت جذب انرژی اتصالات داشته و با افزایش این نسبت، ظرفیت جذب انرژی بین 76 تا 91 درصد کاهش می یابد. همچنین نحوه اعمال بار نیز بر رفتار این اتصالات مؤثر است، به نحوی که در حالت بارگذاری کششی برون ­محور و خمش صفحه ای، ظرفیت جذب انرژی در مقایسه با حالت بارگذاری کشش محوری به ترتیب 53 و 86 درصد کاهش یافته است. لذا می بایست به منظور پیش بینی درست از ظرفیت باربری و میزان جذب انرژی نهایی سازه، توجه لازم به این موضوع در فرآیند طراحی صورت پذیرد.

امروزه اعضای مرکب فولادی- بتنی به صورت موفقیت آمیزی در پایه، تیر و عرشه پل ها و همچنین ستون ها، تیرها و دال های ساختمان های بلند مورد استفاده قرار می گیرند. اعضای مرکب فولادی پرشده با بتن ((CFST)) به دلیل شکل پذیری و قابلیت جذب و اتلاف انرژی چشمگیر، در ساخت وسازها مورد توجه قرار گرفته اند. اعضای مرکب نه تنها مزایای بسیاری در ساخت دارند بلکه باعث بهبود قابل توجهی در خواص مکانیکی اعضای سازه ای در مقایسه با اعضای بتن مسلح و فولادی می شوند. از جمله این مزایا می توان به سادگی و سرعت در نصب و اجرا، استفاده از اتصالات استاندارد، صرفه جویی اقتصادی در هزینه پروژه، عملکرد مناسب در مقابل نیروهای لرزه ای، مقاومت و شکل پذیری بالا (با حجم کمتر) اشاره نمود. در این مطالعه تاثیر نوع، تعداد و محل کاربرد دو نوع برشگیر در رفتار خمشی، کمانشی و میزان شکل پذیری ستون های با مقاطع مرکب مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاکی از افزایش میزان شکل پذیری، جذب انرژی، مقاومت و بار بحرانی کمانش در ستون های مرکب با برشگیر نسبت به نوع بدون برشگیر می باشد.

خرابی پیش رونده به صورت گسترش یک گسیختگی موضعی آغازین از یک المان به المان دیگر که در نهایت منجر به فروپاشی کل سازه یا بخش بزرگی از آن می شود، تعریف می گردد. این پدیده می تواند موجب آسیب های موضعی در عناصر سازه ای شود که در پی آیند آن خرابی پیش رونده ی حاصل ممکن است تلفات گسترده و خسارات قابل توجهی را ایجاد کند. شکل پذیری، پیوستگی و میزان توسعه پذیری سازه جزو پارامترهایی اند که نقش مهمی را در کاهش چنین پیامدهایی بازی می کنند. در این پژوهش، یک قاب فولادی چهار دهانه، دارای ستون های جعبه ای فولادی پر شده از بتن ((CFST))، به صورت مقیاس شده تحت حذف ستون میانی مورد ارزیابی قرار گرفت. سپس، سازکارهای خرابی پیش رونده تحت این سناریو حذف ستون بررسی گردید. این کار به کمک روش اجزای محدود در نرم افزار آباکوس صورت گرفت. این کار با بررسی اثر اعمال ورق تقویتی پشت بند، تقویت ماهیچه ای و نبشی زاویه دار، روش مقطع کاهش یافته ی بال و جان و کابل های پس تنیده ی FRP همچنین تحلیل حساسیت به این قاب دنبال شد. یافته ها نشان دادند که در میان روش های پادفروریزش پیشنهادی، بیشترین مقاومت تسلیم به روش نبشی زاویه دار با 24/140 کیلونیوتن، مقاومت نهایی به ورق پشبند با 6/259 کیلونیوتن و نسبت شکل پذیری به روش مقطع کاهش یافته ی بال به میزان 16/21 اختصاص دارد. با این همه، در یک مقایسه ی همه جانبه، روش افزودن ورق پشبند بهترین روش پادفروریزش به دلیل پرهیز از آسیب به ستون ها شناخته شد. افزون بر این، تغییر مقاومت فشاری و کششی بتن اثر چندانی بر رفتار قاب در خرابی پیش رونده نداشت. همچنین، قاب با ستون ها بدون بتن دارای نسبت شکل پذیری کمابیش 3 برابر بیشتر از حالت SRCT است هرچند که مقاومت تسلیم قاب با ستون های SRCT، 14درصد بیشتری است.

ستون فولادی پر شده با بتن ((CFST)) به دلیل بهره مندی از خواص مکانیکی همزمان دو ماده فولاد و بتن، قابلیت باربری بالا، تأمین ممان اینرسی معادل مقاطع بزرگ و افزایش فضای مفید داخل ساختمان ها و غیره، در صنعت ساختمان سازی به طور گسترده مورد استفاده است. با توجه به جایگاه و اهمیت این ستون به خصوص در ساختمان های بلند و پل ها، شناسایی آسیب های جزئی به وجود آمده در آن ، پیش از تبدیل به آسیب های بزرگ و غیر قابل جبران، ضروری و حائز اهمیت است. یکی از محتمل ترین آسیب ها در این نوع ستون، جدایی هسته بتنی از جداره فولادی است. در این نوشتار، المان ستون (CFST) در دو حالت آسیب و بدون آسیب در نرم افزار اجزاء محدود ABAQUS مدل سازی و تحلیل فرکانسی شد. اثر جداشدگی به صورت کاهش مدول الاستیسته بتن در محل های آسیب به عمق 3 میلی متر لحاظ گردید. بررسی ها نشان داد که اطلاعات شکل مودهای حالت های آسیب و بدون آسیب (زاویه بین بردار شکل مودها و مقادیر فرکانس ) به دلیل تأثیر از آسیب دچار تغییر گردید. جهت شناسایی محل های آسیب جداشدگی، در الگوریتم شناسایی تبدیل موجک پیوسته، سیگنال ورودی به صورت مجموع یا تفاضل شکل مودهای حالت های آسیب و بدون آسیب بر مبنای زاویه بین بردار شکل مودها تعریف شد. نتایج نشان داد که سیگنال های خروجی حاصل از جزئیات آنالیز موجک سیگنال ورودی دارای اطلاعات سودمندی جهت شناسایی محل های جداشدگی هسته بتنی از جداره فولادی است و در مقیاس های بالا، محل های آسیب جداشدگی به راحتی قابل شناسایی است و در مقیاس های پایین، همگرایی بیشتری از ضرایب موجک در محل های آسیب مشاهده می گردد.

پیش بینی ظرفیت باربری باقی مانده ستون های لوله ای فولادی پرشده با بتن)(CFST)(آسیب دیده در اثر آتش سوزی، با توجه به اثرات خروج از مرکزیت بزرگ بار، ازجمله موضوعاتی است که کارهای تحقیقاتی نسبتا کمی انجام گرفته است. در این پژوهش، نتایج یک سری از آزمایش ها ظرفیت باقی مانده پس از آتش، برای ستون های (CFST) با سطح مقطع مختلف (دایره ای و مربعی)، تحت بارمحوری و با خروج از مرکزیت های بزرگ تا مرحله شکست، ارایه شده است. در این برنامه آزمایشگاهی تاثیر پارامترهای ازجمله: نوع مقطع عرضی، نسبت لاغری، خروج از مرکزیت بار، پوشش محافظتی در برابر آتش موردبررسی قرارگرفته است. بررسی ها نشان می دهد که ظرفیت باقی مانده با افزایش خروج از مرکزیت کاهش می یابد در این پژوهش، ضرایب کاهشی برای برآورد ظرفیت باقی مانده ستون های (CFST) با خروج از مرکزیت بار، بر اساس نتایج آزمایش های قبلی پیشنهادشده است. با افزایش دما سطح مقطع ستون های (CFST) به طور ویژه سختی محوری و ظرفیت بارمحوری کاهش می یابد. درنهایت، بر اساس نتایج آزمایش های صورت گرفته، قابلیت روش های پیش بینی ظرفیت باربری باقی مانده ستون های توخالی پرشده با بتن پس از قرار گرفتن در معرض آتش استاندارد ایزو 834، بر اساس روش های اصلاح شده طراحی موجود در یورو کد 4 در وضعیت آتش و دمای محیط ارزیابی شده است. بررسی ها نشان داد که روش پیشنهادی اصلاح شده یورو کد 4، برای پیش بینی مقاومت باقی مانده ستون ها (CFST) پس از قرار گرفتن در معرض آتش، تحت بارگذاری با خروج از مرکز و مرکزی بهترین روش پیش بینی را ارایه می نماید. بر اساس این روش میانگین درصد خطا پیش بینی مقاومت باقی مانده ستون ها (CFST) برای بارگذاری به صورت بدون خروج از مرکز و با خروج از مرکز به ترتیب به طور میانگین%5/51-و% 3/06-کمتر از حد پیش بینی، به طور محافظه کارانه است. به عبارتی، خطای میانگین رویکرد پیش بینی به ترتیب 0/25 و 0/17 انحراف معیار، پایین تراز خط 1: 1 است.

مقاطع لوله فولادی پرشده از بتن ((CFST)) گونه ای از مقاطع مرکب می باشند که بیشتر در ساختمان های بلندمرتبه مورد استفاده قرار می گیرند. رفتار مقاطع (CFST) در حرارت های بالا، به دلیل اندرکنش میان لوله فولادی و هسته بتنی پیچیده می باشد. از این رو درک صحیح رفتار و همچنین خصوصیات مصالح در ستون های (CFST) به منظور مقاصد طراحی و مقاوم سازی ضروری می باشد. در این پژوهش به کمک تکنیک برنامه نویسی بیان ژنی (GEP) رابطه ای برای پیش بینی ظرفیت باربری باقی مانده ستون های (CFST) پس از قرارگیری در معرض حرارت های بالا ارائه شده است. به این منظور، از نتایج آزمایشگاهی مربوط به 94 گروه نمونه ستون کوتاه (CFST) بهره گرفته شد. پارامتر های ورودی شامل مقاومت فشاری هسته بتنی ( )، مساحت هسته بتنی ( )، تنش تسلیم فولاد ( )، مساحت مقطع لوله فولادی ( )، دمای نرمال شده ( ) و شاخص محصورشدگی ( ) بودند. به منظور اطمینان از پیش بینی صحیح ظرفیت باربری نهایی ستون های کوتاه (CFST) توسط مدل ارائه شده، آنالیز حساسیت و مطالعات پارمتری روی مدل صورت گرفت که نشان از تطابق کامل مدل با واقعیت های فیزیکی داشت. عملکرد مدل ارائه شده توسط معیارهای ارزیابی آماری از جمله جذر میانگین مجذور خطا (RMSE)، میانگین خطای مطلق (MAE)، مربعات خطای نسبی (RSE) مورد بررسی قرار گرفت که این مقادیر به ترتیب برابر 19/114، 71/82 و 11/0 بود. بیشترین مشارکت نسبی به ترتیب متعلق به پارامترهای شاخص محصورشدگی ( )، مقاومت فشاری هسته بتنی ( )، مساحت سطح مقطع بتنی ( )، دمای نرمال شده ( )، تنش تسلیم لوله فولادی ( ) و مساحت مقطع لوله فولادی ( ) با 84/23، 41/18، 78/16، 03/16، 80/15 و 14/9 درصد بود.

در سالیان اخیر استفاده از مقاطع فولادی پر شده با بتن ((CFST)) به دلیل مزایای بسیار زیاد از جمله، عملکرد لرزه ای عالی، استحکام بالا، انعطاف پذیری بالا و ظرفیت جذب انرژی نسبت به مقاطع بتنی (RC) و فولادی در صنعت ساختمان سازی گسترش زیادی پیدا کرده است، این ستون ها اغلب بیشتر در اشکال دایره ایی 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 ای نسبت به مقاطع دیگر در ستون های ((CFST)) بیشتر مورد استفاده قرار گیرد. اما در بعضی از مواقع استفاده از مقاطع دایره ایی غیر ممکن خواهد شد، از جمله این موارد می توان رعایت ملاحظات معماری، اجرای اتصالات اقتصادی تر و آسان تر در مقاطع چهار گوش نسبت به مقاطع دایره ایی، را نام برد، این دلایل سبب می گردد، 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 کوتاه ((CFST)) با مقطع هندسی L شکل و بررسی اثر پارامتری ضخامت جدار فولاد، و تنش فشاری بتن، بر روی ظرفیت و رفتار مکانیکی این ستون ها پرداخته شود، که در انتها و بعد از انجام تحلیل نمونه های مطالعاتی تحت روش اجزای محدود (FEM) مشخص گردید که در ستون های ((CFST)) اثر ضخامت جدار فولادی پارامتر تاثیرگذارتری بر روی ظرفیت و رفتار مکانیکی ستون های ((CFST)) با مقطع هندسی L شکل خواهد بود.

لوله های فولادی پر شده با بتن امروزه بصورت گسترده ای در بسیاری از سازه ها مورد استفاده قرار گرفته اند. در این نوع مقاطع کمانش موضعی رو به بیرون سبب افت در میزان محصورشدگی، شکل پذیری و مقاومت نهایی خواهد شد. در این مقاله سعی شده است با انجام مطالعات آزمایشگاهی اثر فشار جانبی را در بهبود رفتار لوله های فولادی پر شده با بتن (CFT) ارزیابی نماید و امکان استفاده از این نوع مقاطع مرکب را در ساخت و مقاوم سازی سازه های دریایی مورد بررسی قرار دهد. به همین منظور دستگاه اعمال فشار جانبی توسط مولفین طراحی و پارامترهایی نظیر فشار جانبی، مقاومت بتن و نسبت قطر به ضخامت (D/t) لوله های فولادی آزمایش شدند. کلیه نمونه ها دارای قطر ثابت 100 میلیمتر و ارتفاع 250 میلیمتر بوده و با بتن معمولی پر شده اند. با توجه به تاثیر مثبت فشار جانبی روی مقاومت نهایی نسبت قطر به ضخامت در برخی از نمونه ها بیش از مقادیر پیشنهاد شده در آیین نامه ها در نظر گرفته شدند. نتایج آزمایشگاهی با روابط ارائه شده در آیین نامه های یوروکد 4 و آیین نامه AISC مقایسه شدند. نتایج آزمایش ها بیانگر اثر قابل توجه فشار جانبی روی مقاومت نهایی نمونه های CFT بوده است.

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