موجود است
چكیده
ستون‌های باكسی پرشده با بتن (CFT)[1] در بسیاری از ساختمان‌ها در جهان استفاده شده‌اند. این سازه‌هابا ارتفاعها و وضعیتهای گوناگون در دو موقعیت بدون نیروهای لرزه‌ای ودر مناطقی كه خطر لرزه‌ای بالایی دارند اجرا گردیده اند. این بازبینی كوتاه رفتار ستون‌های پرشده از بتن بامقطع دایره و مربع مستطیل به همراه بادبندها، و خصوصاً متمركزشده بر رفتار آنها در زمان اعمال بارها به طور لرزه‌ای رفت و برگشتی درنظر گرفته است. این بحث با رفتار ستون‌های پرشده با بتن تحت بارهای محوری و خمش و پیچشی شروع می‌شود و چكیده‌ای از اثرات خزش، جمع‌شدگی و عكس‌العمل كلی ستون‌های پرشده با بتن برای تنش‌های پسماند را نشان خواهد داد. مختصری از رفتار یكنواخت براساس بحث‌های متعاقب تحقیق شده بر روی رفتارسیکلی این ستون‌ها دیده می‌شود. این مقاله از چندین مقاله كه در زمین‌های نیروی غیرلرزه‌ای برای محاسبه و طراحی این ستون‌ها كارشده برگرفته شده است
1-1مقدمه
ستون باكسی مركب ، پر شده با بتن (CFT) به طور روزافزون بعنوان یك ستون یا تیر ستون در سازه‌های بادبندی شده ویا قاب‌های خمشیمورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از مقاطع سرد نوردشده دایره‌ای یا مستطیلی مربعی در ساختمان‌های مختلف با بتنهای پیش تنیده یا درجا ریخته شده در سراسر جهان مرسوم گردیده است، این سازه‌ها با مقاطعی با ابعاد بالا و درجا ریخته شده در ستون‌های اصلی كه باید در برابر نیروهای لرزه‌ای مقاوم باشد در ساختمان‌های چند طبقه بادبندی شده و قاب‌های خمشی استفاده شده است. ستون‌های باكسی پرشده با بتن از پلیت جوش شده به هم درست شده‌اند و در ساختمان‌های بلند جهان با ستون‌های دایره‌ای از لوله‌ها استفاده شده است. در مجموع در ژاپن از این روش برای ستون‌های پل به طور معمول استفاده می‌شود. ]3[
اعضای پرشده با بتن در سازه‌ها یكسری نتایج خوب با مقاطع متعادل ازفولاد، بتن مسلح، و یا فولاد مسلح شده با بتن دارد. وقتی از قاب‌های مركب از فولاد و بتن شامل مقاطع I شكل در تیرهای اصلی كه به صورت مربعی مسطتیلی یا دایره‌ای قاب شده‌اند كه این قاب‌ها به طور كامل یا بخشی از آن یا اتصالات آنها گیردار شده‌اند،CFTها باعث یكنواختی عالی و مقاومت زیاد در برابر لرزه در جهت عمود برهم و تناسب خوب برای مقاومت برابر خمش یكطرفه به همراه بار محوری می‌شود.برای طراحی لرزه‌ایCFTها دربخش مقاوم در خمش قاب‌ها نسبت (مقاومت بر وزن) را بسیار بالا می‌برد وبدلیل محبوس‌بودن بتن و بادبندی ممتد، باكس‌های نواری با نسیت بالای (مقاومت بر وزن) از ستون‌های باكسی، باعث تأخیر در كمانش موضعی در آن می‌شود، رفتار استهلاكی تصحیح شده، در مقایسه با قاب‌های فولادی معمولی مشهود می‌باشد و افزایش شكل‌پذیری و سختی فولاد در بیرون محیطی كه بطور مؤثر در مقاومت خمشی به خوبی كشش و فشار محوری بطوراجرای عمل می‌كند، قرار می‌گیرد در حالی كه فرم‌های‌های بتنی بعنوان یك هسته كمكی بسیار عالی به مقاومت در برابر بارهای فشاری خواهد کرد.
باكس‌های فولادی همچون قاب در سازه عمل می‌كنند و اجرای آنها می‌تواند برای سازه‌های چندطبقه ارجع باشد چون در آنها هزینه كارگری و مصالح را کاهش خواهد داد. هزینه تمام شده اعضا كمتر از هزینه فولاد و به سختی با بتن مسلح بر پایه (مقاومت برهزینه)برابری می‌كند.
تحقیقات اخیر استفاده از بتن مقاومت بالا و یا فولاد با بتن مقاومت بالا رابا موفقیت بیشتری ا نشان داده است]8-12[. با استفاده از بتن مقاومت بالا، CFTها در هر فوت مربع قویتر از ستون‌های بتنی مسلح معمولی هستند. با این روش قاب‌هایی كوچكتر و سبكتر روی فونداسیون ساخته خواهد شد.
در نیروهای لرزه‌ای، پاسخ سیکلی ستون‌های CFT و اتصالات بوجود آمده در آنها یك منحنی هیسترزیس كامل با جذب انرژی قابل توجه را نشان می‌دهد]4-6-13-14[. كاهش قدرت و سختی در این مرحله خصوصاً برای ستون‌های CFT كه در آن بتن حكمفرما است، اتفاق می‌افتد]6-15-16[.

 ترجیح داده می‌شود كه این كاهش بصورت تدریجی و متوسط باشد، خصوصاً برای مصالح نرمال این مهم است. به دلیل سودمندی آن، مقداری از پروژه‌های تحقیقی در حال پیشرفت در سراسر جهان شامل رفتار لرزه‌ای ستون‌های CFT در شروع آن از آمریكا و ژاپن در بخش علوم پایه ملی آمریكا و برنامه‌‌های همكاری تحقیقاتی ژاپن، بر روی ساختمان‌های چندگانه و مركب بوده است. شكل (1-1) پلان یك ساختمان كه با قاب‌های CFT در این برنامه تحقیقاتی مرتب شده است. استفاده از ستون‌های CFT در چند دهانه در تمام جهت‌های اصلی از كم به زیاد در سازه باعث افزایش ظرفیت ستون‌های CFT در حین لرزه برای هر دو جهت قاب‌ها می‌شود.

خرابی CFT‌ها بستگی به نسبت و مقاومت كم یا متوسط بتنی ندارد وبطور عادی در تركیبی ازجاری‌شدن و كمانش محلی فولاد، شكست بتن، و كمانش خمشی اعضاء همچون یك كمانش كلی اتفاق می‌افتد و این به اندازه کافی مهم است چرا که رفتار شكل‌‌پذیر بطور كلی از آن منتج می‌شود، صرفنظر از آنچه مصالح فلزی یا بتنی در ابتدا بصورت غیرالاستیك باشد.
خرابی ستون‌های باكسی جداره نازك (CFTها با باكس و داشتن جداره ای كه آن بزرگتر از 60 باشد) یا CFT‌هایی با بتنی مقاومت بالا ترجیح به كمانش محلی باكس فولادی تركیب شده با یك تخریب برشی بتن دارد]8[. در حالیكه باكس فولادی كمك می‌كند خرابی برشی در بتن تأخیر بیافتد]10[، این مد خرابی ترد تر ازبقیه می‌باشد. براساس ضوابط[1]SSRC،[2]AISC ]21[، و برای طراحی لرزه‌ای،]21[ [3]NEHRP، برای CFT‌ها در سراسر جهان، اخیراً محدوده جاری‌شدن بالای فولاد، حدود380 مگا پاسکال پیشنهاد شده وبتن بامحدوده مقاومت55 مگا پاسکال و محدوده باكس نواری، بطوری كه مطمئن باشیم به جاری‌شدن کلی نمی‌رسیم و در ابتداخرابی بصورت كمانش محلی یا خوردشدن بتن صورت بگیرد.
نسبت پواسون اولیه بتن (تقریباً 15/0 تا 25/0) كمتر از فولاد (3/0 تقریبی) می‌باشد]23[. بنابراین در ابتدا بتن در ستون CFT محبوس می‌باشد. گسترش خورد شده گی بتن سریعتر از باكس فولادی خواهد بودودر تراز بارگذاری بالاتر بطور بهتری با هم منسجم می‌شوند. مقاطع دایره‌ای به طور مؤثری می‌تواند تنش پیرامونی را به فشارهای جانبی اعمال شده روی بتن را پخش کنند]24[، اما طرف صاف مقطع مربع مستطیل، باعث فشار نفوذی كمتری می‌شود تا بتن بطور مجدد گسترش كرنشی داشته باشد. در كناره باكس‌های مربع مستطیل پخش بار اصلی باعث محبوس‌بودن بتن می‌شود، و تأثیر آن روی مقاومت ناچیز است، اگرچه CFT شكل‌پذیری بالاتری دارد. رفتار CFT بارگذاری شده اغلب متأثر از همین محبوس‌شدگی است ]7[، بارگذاری بتن تنها ترجیحا از بارگذاری با فولاد بتن با هم،تراز بار كمتری دارد.برعكس آن، بارگذاری فولاد، به تنهایی، با اتصال تیرهای اصلی بطور ساده منجر به اصطكاك موضعی شود. اما بتن محصور تا زمانی که بارهای اصلی اعمال شود وارد عمل نمی‌گردد. در یكی از مراجع در همین زمینه‌ كه كاركرد یا عملكرد فقط یكی از مصالح، از بارگذاری بحث شده است]8-10-23[.
سختی اولیه ستون باكسی فلزی پرشده با بتن تحت بار فشاری محوری توسط هسته بتنی كاملاً پیچیده شده است و به واكنش بین دو مصالح بستگی دارد. ضوابط ]21 SSRC [یك مدول الاستیك تعریف شده را پیشنهاد می‌كند كه مجموعی از مدول الاستیسیته برای فولاد بتن می‌باشد. روی مدولاولیه بتنجهتبه حساب‌آوردن خزش و شكست كششی یك فاكتور كاهش‌دهنده 4/ 0 اعمال می‌كنیم.این پیشنهاد طراحی تنظیم شده است از طرف مراجعی مانند،]21 AISC [می‌باشد اما بعضی از محققین پیشنهاد جمع مجزا سختی هر مصالح را دارندکه بطور كلی با تجربیات بهتر همخوانی دارد و بنابراین برای سختی محوری اولیه در یك آنالیز خطی به غیرخطی مناسب‌تر است]25[،این رفتار پایدار CFT‌ها در این مرجع بطور مختصر آمده است]26[.
تحقیقات تجربی قابل توضیح بر روی مقاومت محوری CFTها انجام شدهکه در آن از نسبت و مقاومت مصالح و های زیادی استفاده شده است. یك نمونه از تست یكنواختی روی CFTهای دایره‌ای ممكن است درپیدا شود. مقاومت محوری مقاطع مربعی CFTها در مرجع بحث شده است]7-11-23-27-30[.
1-3مقاومت خمشی و سختی
برای ستون باكسی پرشده از بتن تحت خمش و برش، بخش بزرگی از سختی و مقاومت توسط فولاد پیرامون مقطع پخش می‌شود، كه در كل این مصالح بیشترین تأثیر را می گذارند. تیرهای CFT وقتی در خمش یكنواخت بارگذاری شده باشد بطور عالی نشان‌دهنده شكل‌پذیری اولیه به خرابی می‌باشند.تیرها با ظرفیت نرمال مقاومت مصالح و بطور نسبی باكسی قوی بطور معمولی در یك تركیب از جاری‌شدن فولاد در كشش، كمانش باكس فولاد در فشار، خوردشدن بتنی در فشار و سرانجام پارگی فولاد باكس در كشش به خرابی می‌رسند. تعداد محدود تست‌های انجام شده روی CFTها در زیر بار خالص خمشی به عنوان یك ستون بوده است.
-5مقاومت پیچشی و سختی
تعداد کمی تست تحت بارگذاری پیچشی انجام شده است. در آزمایشات محدود شده به ستون‌هایی که تحت بار یکنواخت پیچشی بخوبی انجام گرفته شد. تویب فلزی بتنهایی رفتار نسبتا خوبی در برابر پیچش دارد. خرابی پیچشی در ستون‌های CFTبصورت مشخص و ناگهانی نمی‌باشد، اما توسط یک افزایش بزرگ درچرخش پیچشی طی یکلنگر نسبتا ثابت مشخص گردیده است.
خرابی بدلیل ترکیبی از ترک‌های مارپیچی در بتن و جاری شدن کششی فولاد صورت می‌گیرد.
تأثیر بار محوری بر پیچش بیشترین بخش خسارت به ستون را دارد، اگرچه در صورت افزایش بار محوری به اندازه 1. 5 برابر بار حدی محوری افزایش کوچکی در مقاومت پیچشی عضو ایجاد می‌شود. سختی پیچشی اولیه ستون‌های CFTبطور معمول از تیوب فلزی نشئت می‌گیرد. ]47[
1-6خزش و جمع شدگی در CFTها
تستهای قبلی انجام شده توسط فور لانگ نشان می‌دهد که خزش دارای تأثیر بر رفتار طولانی مدت ستون‌های CFTمی‌باشد، اگرچه این تأثیر مختصر توسط باکس فلزی محبوس کننده قابل گذشت می‌باشد. ناکی ضرایب بدست آمده از خزش (نسبت کرنش نهایی به کرنش الاستیک اولیه) را در حدود نصف مقدار بدست آمده از بتن مسطح اعلام کرده است. فورلانگ فهمید که بارگذاری بطور آرام می‌تواند افزایش قدرت را 15% کاهش دهد و جمع‌شدگی در ستون‌ها باعث مقید شدگی مجدد در آن شود هرچند تأثیر آن بر رفتار نهایی ستون‌های CFT تغییر شکل بعمل آمده است. تری در آزمایشات خود با این موضوع مواجه شد که خزش و جمع شدگی بر مقاومت ستون‌های CFTتأثیر مخالفی ندارد. هرچند خزش ممکن است باعث تأثیر بر بارگذاری به فولاد و موارد کمانش محلی شود و جمع شدگی باعث ترک‌های اولیه در بتن شود. ]50[