رفتار المان های بتن مسلح

رفتار المان های بتن مسلح

در مطالب قبل، جنبه های متفاوتی از ویژگی های بتن همچون محصور شدگی، شکل پذیری و رفتار چرخه ای را بررسی کردیم. دقت شود که بسیاری از ساختمان ها در مناطق با خطر لرزه ای زیاد ساخته نمی شوند که این ساختمان ها نیازمند جزییات زیاد شکل پذیری نمی باشند. فرض بر آن است که الزامات طراحی فصول 1 تا 20 و 22 ایین نامه ACI318-05 برای طراحی چنین ساختمان هایی کفایت می کند. با در نظر گرفتن این مسئله، در حالت کلی، رفتار اعضا بتن مسلح را در معرض بارهای خارجی  بررسی می کنیم. 

• کشش
• فشار
• خمشی
• برش
• برش لغزشی(اصطکاک برشی)
• برش منگنه ای(برش پانچ)
• پیچش
• کشش

نیروهای برشی منجر به کشش اعضا می شوند. بتن دارای مقاومت کششی قابل اتکایی نیست. این ماده الزاما یک سنگ ریخته شده است که در فشار مقاوم بوده اما در کشش و برش ضعیف است. ارماتور های مسلح کننده فولاد نرمه برای مقاومت در برابر کشش محوری در بتن تعبیه می شوند، در صورتی که خاموت ها و رکاب های پیرامونی باعث محصور شدگی و مقاومت برشی می شوند. می توان با افزودن ارماتور های مسلح کننده کافی سختی کافی را برای مقاومت لرزه ای فراهم کرد تا بتن مسلح بتواند خواص شکل پذیری را از خود نشان دهد. 

کشش مستقیم در اعضا بتن مسلح پدیده ای غیر متداول نیست. به طور مثال، سیستم انتقال نشان داده شده در شکل 1 را که برای یک رستوران پرجمعیت در نظر گرفته شده را در نظر بگیرید. این سیستم برای انتقال بار های ثقلی از ستون های داخلی معمول یک ساختمان چند طبقه مسکونی انتخاب شده است. این برج از صفحه های پس کشیده معمولی با ستون هایی به فاصله مرکزی 9متر در راستای طولی استفاده می کند. امتداد ستون ها داخلی تا شالوده موجب انقطاع جلسات، قرار ملاقات ها، فروشگاه ها و رستوران ها می شود. 

شکل1-اعضای کششی در خرپای انتقالی

راه حل به وجود آوردن خرپای انتقال بتن مسلح مطابق با اشکال 2 همراه با 3 انتخاب برای ستون های زیر تیر انتقال است. 

شکل2- الف-شاهتیر انتقال

شکل2-ب-شاهتیر انتقال

شکل2-ج-شاهتیر انتقال

مثال دیگر اعضا بتن مسلح تحت کشش مستقیم تیر عمیق استفاده شده در مدل بست و گره است (شکل3) دقت شود که ارماتور فولاد نرمه گره ها با استفاده از ضریب کاهش مقاومت Φ=0.75، بر خلاف Φ=0.9 که عموما برای طراحی کشش استفاده می شود، محاسبه شده است.شکل3-عضو کششی در مدل بست و گره

فشار

نیروهای فشاری بر روی اعضا سازه فشار وارد می کنند و هنگامی که اعضا کوتاه و نسبتا حجیم باشند می توانند باعث خرد شدن مواد شوند.  همچنین در محل تلاقی تیرها و ستون های بتنی، نیز خرد شدگی می تواند رخ دهد. شکست های ناشی از خردشدگی اغلب دارای هشدار هایی به صورت شکاف موضعی بتن و سایر تغییرات قابل مشاهده هستند. هنگامی که اعضا طویل و لاغر در فشار بارگذاری می شوند، می توانند به صورت ناگهانی توسط کمانش و با خمیدگی دچار شکست شوند.  این نوع از شکست ناگهانی می بایست پرهیز شود. 

خمش

نیروهای خمشی بیشتر در نتیجه بارهای عمودی که به دال های کف و تیر ها اعمال می شوند به وجود می آید. خمش باعث می شود که قسمت های تحتانی تیر های ساده در اثر کشش کشیده شود و قسمت های فوقانی آن ها توسط فشار به یکدیگر فشرده شود. 

تیر های پیوسته و طره ها در نزدیکی تگیه گاه های خود دارای نیروهای کششی در بالای تیر و دارای نیروی فشاری در قسمت تحتانی تیر هستند. در وسط دهانه این تیر ها، توزیع نیروها همانند تیر های ساده است. به این دلیل که نیروی کششی منجر به ترک خوردگی بتن می شود،  ترک های عمودی در وسط دهانه تیر توسعه می یابند (شکل4). فرض بر آن است که ارماتور های مسلح کننده ای که در قسمت کششی تعبیه می شوند، کل نیروی کششی را تحمل می کنند. این ترک های کششی در سازه های آسیب دیده قابل مشاهده است و می توان از انها به عنوان ابزاری برای کنترل و تعیین پتانسیل شکست استفاده کرد. ترک های مویی و پایدار عادی هستند اما ترک های عریض نشان دهنده آن است که شکست در شرف وقوع است. دقت شود که تیر ها در قاب خمشی بتن مسلح در حین زلزله ممکن است به دلیل معکوس شدن تنش به صورت متناوب تحت اثر کشش و یا فشار قرار بگیرند. 

شکل4-توسعه ترک در اعضا خمشی

قوانین سرانگشتی طراحی تیر 

قدمت استفاده از قوانین سرانگشتی به زمان ساخت اولین سازه های ساختمانی باز می گردد. با گذشت زمان و با توجه به تجربه ساخت و ساز این قوانین ویرایش شده و اصلاح شدند. یک قانون که در حال حاضر بسیار زیاد توسط مهندسین برای تعیین عمق تیر در ساختمان های بتنی استفاده می شود به صورت زیر است:

به ازای هر فوت از دهانه تیر از ¾ اینچ به عنوان عمق تیر استفاده شود. یا به عبارتی به ازای هر 30 سانتی متر از دهانه تیر 1.9 سانتی متر به عنوان ارتفاع تیر استفاده شود. بنابراین  در صورتی که دهانه تیر 30 فوت(9.1متر)باشد دارای تیری به عمق 0.75*30=22.5 اینچ و یا ( 910/30=30.33  30.33*1.9=57.6) که می توان از تیری به ارتفاع 55 سانت استفاده کرد. و یا در صورتی که دهانه 40 فوت معادل 12.2 متر باشد عمق تیر برابر با 0.75*40=30  اینچ و یا به عبارتی برابر (1220/30=40.66*1.9=77.3سانت تقریبا برابر 75 سانت) استفاده کرد. 

همچنین یک روش ساده دیگر برای تعیین مساحت ارماتور های خمشی تیر ها وجود دارد:

A_s=M_u/4d

که M_u برابر با ممان نهایی طرح(kip-ft)

A_s برابر با مساحت ارماتور های خمشی(In.2)

d برابر عمق موثر ارماتور های خمشی از وجه فشاری است.(in)

این قانون سرانگشتی برای نسبت ارماتور های 1% تا 1.5% به خوبی عمل می کند. دقت شود که ارماتور های خمشی حداقل تقریبا برابر ¼ % و حداکثر برابر 2%-2.5% بوده، طراحی تیر با استفاده از قانون سرانگشتی فوق عموما طرحی اقتصادی خواهد بود.

مثال 1.1

طول دهانه= 36ft 
Mu=500 kip-ft
مطلوبست:
مساحت ارماتور های خمشی 
حل:
عمق تیر=0.75*36=27in
36*0.3048=10.97m
10.97*100=1097cm
1097/30=36.57
36.57*1.9=69.49
که می توان از تیری به ارتفاع 70 سانتی متر استفاده کرد
عمق
D=27-2.5=24.5in
D=70-6.35=63.65m
As=500/(4*24.5)=5.1 in.2

برای نشان دادن دقت این روش سریع، مقایسه ای در جدول 1 انجام شده است. مشاهده می شود که این روش تقریبی برای بازه وسیعی از مقادیر Mu کاربردی است. 

جدول1-مقایسه ارماتور های خمشی

با هدف مقاومت در برابر بارهای ثقلی، سیستم های بتنی افقی همچون تیر ها و دال ها می توانند توسط کابل های پر مقاومت و یا تاندون هایی که پیش از آن که توسط وزن سازه و بار های تکمیلی بارگذاری شوند،  از قبل کشیده شده و مسلح شوند. 

یکی از انواع آن که به صورت متداول از ان به عنوان سیستم های پیش ساخته، پیش تنیده یاد می شود ممکن است که در کارخانه با استفاده از کابل های که در قالب هایی کشیده شده و پس از ریخته شدن بتن به آن می چسبد، تولید شود. روش دیگر استفاده از کابل هایی است که در پوشش هایی در کارگاه ساختمانی  بسته می شود، سپس بتن ریخته شده، و پس از آن که بتن به مقاومت مورد نظر رسید،  کابل ها کشیده شده و مهار می شوند.

با استفاده از این روش، دو نوع روش ساخت امکان پذیر است. در نوع اول، کابل ها به بتن نچسبیده و تنها به لبه های سازه قلاب می شوند. در نوع دوم، تمامی طول تاندون به بتن می چسبد. متداولا این دو روش با نام های نچسبیده و چسبیده شناخته می شوند.

بتن در شرایط عادی دچار جمع شدگی، ترک و خزش می شود و این رفتار می بایست با ترک خوردگی و پارگی که نشان دهنده شکست است، متمایز شود. 
همان طور که قبلا گفته شد، بتن مسلح مناسب می تواند در صورتی که ارماتور ها کافی  به صورت خاموت ها و سنجاق ها و تنگ ها برای مقاومت در برابر برشی که توسط پیکره کلی سازه به وجود می آید استفاده شود،  سازه ای  مقاوم در برابر زلزله را ایجاد کند.

در مقایسه با طراحی خمشی تیر ها، تحلیل منطقی دال ها دو طرفه همواره از روش های طراحی و ساخت عقب افتاده است. در واقع، بیش از 100 ساختمان دارای دال های تخت  قبل از ان که اولین تحلیل منطقی در سال 1914 به وجود آید، ساخته شده بود.

دو نوع اصلی از دال های دو طرفه در شکل 5 نشان داده شده است. انتخاب دال مناسب عمدتا بر مبنای سهولت قالب بندی، بارهای تکمیلی و طول دهانه می باشد. سیستم دال های تخت برای بار های سبکتر و دهانه هایی با طول معمولی مناسب تر است، ویژگی هایی که این سیستم را برای ساختمان های مسکونی همچون آپارتمان ها و هتل ها مناسب می سازد. 

شکل5-انواع مختلف دال های دو طرفه: a-دال تخت b- دال تخت همراه با کنگره های ستون c-دال تخت همراه با دراپ پنل d-تیر های نواری 
e-تیر و دال 1 طرفه f-سیستم تیرچه های پرشی g- دال مشبک h-سیستم تیرچه استاندارد

دال هایی با تیر ها و دراپ پنل ها برای ساختمان های اداری و موسسات با بار های سنگین تر مناسب  تر هستند. 

لینک را کلیک کرده و محاسبات طراحی ساختمان بتنی و پروژه های بتنی خود را به ما بسپارید. 

منبع:

«دپارتمان سازه سامانه کارگشا»

طراحی ساختمان های بلند بتن مسلح-تارانات

————————————————————————————————————————————–

برای بهره مندی از خدمات محاسبات طراحی سازه در خواست خود را در لینک های مربوطه زیر ، در قسمت عنوان سوال-سازه ثبت نموده و فایل های مورد نیاز را بارگذاری کنید.

1-طراحی اسکلت فولادی و شالوده

2-طراحی اسکلت بتنی و شالوده

3-سبک سازی و بهینه سازی محاسبات طراحی

4- کنترل مضاعف محاسبات طراحی

3-طراحی سقف کامپوزیت عرشه فولادی و کامپوزیت سنتی

4-طراحی دال پس کشیده

5- طراحی دال بتنی مشبک

6-طراحی دال های بتنی 

7- بهسازی لرزه ای و مقاوم سازی

8-طراحی سوله

9-طراحی سازه های با اسکلت LSF

10- مباحث تکمیلی و پژوهشی سازه

با تشکر