ویژگی های بتن مسلح

مقدمه ای بر ویژگی‌های بتن

برای کمک به مهندسین به دلیل غلبه بر چالش های طراحی سازه، مطالبی برای درک مهندسی از رفتار سیستم های ساختمان های بتن مسلح ارائه می کنیم. 
این درک از ماهیت بار ها و اثرات آن ها بر سیستم های سازه ای که منجر به درک رفتار سیستم های سازه ای می شود، منتج به انتخاب سازگار طراح به عنوان سیستم سازه ای برای بارگذاری مشخص می شود. به طور مثال یک طراح سازه بلند می تواند برای باربری جانبی تنها از عملکرد قابی استفاده کند، و یا سیستم مناسب تری همچون کمربند و مهاربازو و یا سیستم های لوله ای را انتخاب کند. همچنین مهندسینی که سازه را برای زلزله های قوی طراحی می کنند می دانند که ساختمان می بایست بار های ثقلی را در تغییر مکان های بزرگ تحمل کند، بنابراین قاب های خمشی و دیوار های برشی با اتصالات شکل پذیری برای فراهم کردن ظرفیت تغییر شکل، طراحی می کنند. 

همانند سایر مصالح سازه ای، ویژگی های مقاومت و تغییر شکل اعضا بتن مسلح برای طراحی ساختمان ها حائز اهمیت است. به ویژه، ساختمان هایی که برای مقاوت در برابر بار های لرزه ای طراحی می شوند، می بایست اعضا و اتصالاتی با جزییات مناسب داشته باشند به صورتی که ساختمان بتواند تغییر شکل های جانبی زیادی را تحمل کند بدون آن که ظرفیت باربری ثقلی خود را از دست بدهد . 

در سازه های بتن مسلح، ارماتور ها و بتن تقریبا همواره در معرض تنش های محوری کششی و یا فشاری که حاصل از بارگذاری های متفاوت می باشد، هستند. اگر چه که، این اعضا به صورت کاملا متفاوت از آزمایش کشش و یا فشار محوری ساده، در معرض  تنش های اعمالی قرار می گیرند. 

ویژگی های بتن مسلح

بتن محصور شده

بتن محصور شده به شرایطی گفته می شود که بتن در تمامی جهات محصور شده باشد. یک عضو بتن مسلح با آرماتور های مارپیچی با فواصل کم و یا حلقه های خاموت نمونه ای از بتن محصور شده است. ارماتور های محصور کننده، توسط افزایش مقاومت و شکل پذیری بتن کرنش جانبی را در بتن محدود می کنند. 

دقت شود که ارماتور های جانبی تا زمانی نیروی محوری به نقطه مشخصی که بتن محصور نشده تمایل به ایجاد کرنش های جانبی قابل توجه نکند، تنیده نشده یا در معرض تنش قرار نمی گیرد. این مسئله معمولا در 85% مقاومت بتن محصور نشده اتفاق می افتد. فراتر از این نقطه، بتن تمایل دارد تا آرماتور های جانبی را بفشارد، بنابراین واکنش محصورشدگی همان طور که به صورت شماتیک در شکل 1 نشان داده شده است، به وجود می آید. 

شکل1-محصور شدگی بتن با توسط ارماتور های عرضی، a-محصور شدگی توسط خاموت های دایره ای یا اسپیرال b-محصور شدگی با خاموت های مستطیلی c-محصورشدگی با خاموت ها و سنجاق ها

در میان سایر متغیر ها، شکل نمودار تنش کرنش عضو بتن مسلح، تابعی از فاصله و قطر آرماتور های جانبی است. 

آرماتور های جانبی در ستون های مستطیلی تنها به عنوان تنگ های بین آرماتور های عمودی عمل می کند و به جای آن که به صورت کارامدی بتن بین ارماتور های عمودی را محصور کند، به سمت بیرون خم می شود. هر چقدر که قطر خاموت ها بیشتر باشد، سختی خمشی آن ها بیشتر شده و بنابراین محصور شدگی بهتری را فراهم می کنند. 

به دلیل آن که خاموت های دایره ای به دلیل شکلشان تحت اثر کشش محوری هستند و فشار شعاعی یکنواختی را به بتن اعمال می کنند، در مارپیچ ها، سختی خمشی تاثیر چندانی ندارد.  

نیروی پاشیدگی در یک ستون دایره ای به دلیل بسط جانبی بتن ممکن است به صورت یک سیستم نیروهای شعاعی با توزیع یکنواخت که  در طول محیط خاموت عمل می کند، معادل سازی شود. نیروهای شعاعی منجر به توسعه یکنواخت خاموت که نیروی کششی Tu را تشکیل می دهد، می شود. برای تعیین T_u می توان تصور کرد که خاموت در یک مقطع قطری افقی بریده شده و قسمت فوقانی تنگ ها به عنوان بدنه ازاد در نظر گرفته شود.(شکل 2)

شکل2-محصور شدگی ستون های دایره ای-a-ستون با خاموت های دایره ای b-نیروهای شعاعی c-بدنه آزاد قسمت فوقانی خاموت ها

در صورتی که q نیروی شعاعی یکنواخت بر واحد طول باشد، و r_c شعاع حلقه باشد، نیرویی که بر روی یک المان از حلقه که توسط مقطع عرضی شعاعی بریده شده باشد برابر با q_cdΦ خواهد بود که dΦ زاویه متناظر با المان خواهد بود. با در نظر گرفتن مجموع مولفه های عمودی تمامی نیرو هایی که بر روی نیمی از حلقه عمل می کند، معادله تعادل زیر را می توان تشکیل داد:

معادله1

که:

Tu=qr_c

معادله2

کشش T_u را اغلب کشش حلقه ای می نامند. 

در یک ستون با خاموت مارپیچ، بسط جانبی بتن درون مارپیچ منجر به تنیده شدن مارپیچ ها به صورت کششی می شود، و بنابراین، فشار محصور شوندگی بر روی هسته بتن اعمال شده و این مسئله منجر به افزایش مقاومت و شکل پذیری هسته می شود. به همین دلیل است که ACI318 در فصول طراحی لرزه ای الزام می کند تا تیرها، ستون ها و انتهای دیوار های برشی در مناطقی که آرماتور ها قرار است تا در فشار جاری شود، مجهز به حلقه باشند. حلقه ها متشکل از خاموت های بسته با فواصل کم می باشند و یا تنگ های پیوسته و یا مارپیچها، که انتهای آن ها داری قلاب های 135 درجه با طولی برابر با 6 برابر قطر خاموت است (کمتر از 3 اینچ معادل 7.6 سانت نباشد) که عموما از آن ها به عنوان قلاب های لرزه ای اطلاق می شود.(شکل 3)

شکل3-خاموت های ستون و قلاب های لرزه ای 

حلقه ها می بایست آرماتور های طولی را محصور کرده و به عنوان تکیه گاه جانبی آرماتور های طولی عمل کند. اگر چه که حلقه ها می توانند به صورت دایره ای باشند، اما آن ها اغلب باید به صورت مستطیلی ساخته شوند، به این دلیل که اکثر تیر ها و ستون ها دارای مقطع مستطیلی می باشند. علاوه بر محصور کردن هسته بتن، حلقه ها کمانش آرماتور های طولی را محدود کرده و همچنین به عنوان آرماتور برشی نیز عمل می کنند. 

قاب ها بتن مسلح مجهز به حلقه های محصور کنندگی، که الزامات شکل پذیری ACI318 را احراز می کنند می توانند به مقادیر شکل پذیری تغییر شکل بیشتر از 5 و نزدیک به 4 برای دیوار های برشی در مقایسه با مقادیر کمتر 1 تا 2 متعلق به قاب های بتن مسلح متعارف غیرشکل پذیر دست یابند.

شکل پذیری

بهترین مثال برای توصیف شکل پذیری اعضا بتن مسلح تیر قابی نشان داده شده در شکل 4 است. پارامتر تیر قابی به تیری اطلاق می شود که به صورت جزئی از سیستم جانبی طراحی می شود. در غیر این صورت واژگان تیر ثقلی برای آن به کار برده می شد. 

هنگامی که در معرض جنبش های زمین لرزه قرار می گیرد، قاب به صورت رفت و برگشتی نوسان می کند، که منجر به تشکیل ترک های خمشی و برشی در تیر می شود. به دلیلی ماهیت رفت و برگشتی این بار جانبی، این ترک ها به طور متناوب باز و بسته می شوند و در اثر چندین سیکل از بارگذاری، تیر همانند شکل 4 خواهد شد. به دلیل تغییر شکل های جانبی رفت و برگشتی، دو انتهای تیر به مجموعه ای از بلوک های بتنی که توسط قفسی فولادی به یکدیگر نگاه داشته شده اند، تبدیل می شود. 

شکل-تیر قابی تح اثر بار های متناوب a: ترک های تحت اثر Mu- و b: ترک های تحت اثر Mu+

در صورتی که ترک ها در سراسر تیر تشکیل شود، برش توسط عمکرد اتصالی ارماتور های طولی و اصطکاک برشی بین ترک ها از میان ترک ها انتقال می یابد. هنگامی که بتن خارج از آرماتور ها خرد می شود، ارماتور های طولی کمانش یافته مگر آن که توسط تنگ ها یا حلقه ها ی با فواصل کم مقید شده باشند. حلقه ها همچنین باعث محصور شدگی هسته بتنی شده و منجر به افزایش شکل پذیری می شوند.

شکل پذیری یک عنوان عمومی است که بیانگر قابلیت سازه و یا اجرا تشکیل دهنده آن برای فراهم سازی مقاومت در دامنه غیر ارتجاعی پاسخ به کار برده می شود. این مفهوم شامل توانایی تحمل تغییر شکل های بزرگ و ظرفیت جذب انرژی توسط رفتار چرخه ای(هیسترتیک) است، ویژگی هایی که برای نجات یک ساختمان در حین و پس از یک زلزله بزرگ حیاتی است. 

توانایی در حفظ بخش اعظم مقاومت که متضمن سلامت ساختمان هنگامی که یک زلزله بزرگ مقادیر قابل توجهی از تغییر شکل را اعمال می کند را می توان به عنوان مهم ترین ویژگی که توسط محاسب ساختمانی که در منطقه با خطر لرزه ای بسیار زیاد واقع شده است در نظر می گیرد، تلقی کرد. 

محدودیت شکل پذیری، همچون تغییر شکل Δ_u، معمولا متناظر با محدودیت تعیین شده برای زوال مقاوت خواهد بود. حتی پس از دسترسی به این حد، که گاها از آن به عنوان شکست یاد می شود، تغییر شکل های غیراتجاعی چشمگیری بدون فرورزش سازه ممکن است هنوز در درسترس باشد. ا ز سوی دیگر، شکست ترد، دلالت بر از دست دادن تقریبا تمام مقاومت، تا مرز فقدان یکپارچگی کامل بدون هشدار کافی را دارد. به همین خاطر، شکست ترد، که دلیل قاطع فروریزش ساختمان ها در زلزله و متعاقبا از دست رفتن جان انسان ها می باشد، می بایست پرهیز شود. 

شکل پذیری به صورت نسبت تغییر شکل کل تحمیل شده Δ در هر لحظه به تغییر شکل نظیر شروع جاری شدن می باشد. با توجه به شکل 5 خواهیم داشت:

μ=Δ/Δy>1

معادله3

شکل-مدل شکل پذیری

شکل پذیری همچنین ممکن است بر حسب کرنش، تقعر، دوران یا تغییر مکان تعریف شود. یکی از ملاحظات مهم در تعیین مقاومت لرزه ای مورد نیاز آن است که نیاز شکل پذیری بیشینه پیش بینی شده هنگام لرزه، μ_m=Δ_m/Δ_y، از شکل پذیری موجود μ_u فراتر نرود. 

در مهندسی سازه، نقش مفاهیم سختی و مقاومت اعضا و تعیین مقادیر آن ها دارای تعریف مشخص هستند. اما، تعیین مقدار و استفاده از مفهموم شکل پذیری به عنوان ابزار طراحی به طور عمده کمتر ادراک شده است. به همین دلیل، سعی داریم تا در این مجموعه از مطالب مرتبط با سازه های بتنی و ساختمان های بلند بتنی بسیاری از جنبه های پاسخ شکل پذیر سازه و کاربرد آن ها در طرح لرزه ای را با جزییات کامل بررسی کنیم. 

شکل پذیری در اعضا سازه تنها هنگامی به وجود می آید که مواد تشکیل دهنده سازه خود شکل پذیر باشند. بتن به صورت ذاتی ماده ای شکل پذیر نبوده و ماده ای ترد محسوب می شود. اگر چه مقاومت کششی این ماده نمی تواند به عنوان منبع اصلی مقاومت آن محسوب شود، اما برای متحمل شدن تنش های فشاری کاملا مناسب است. اگر چه، کرنش بیشینه ای که در فشار به وجود می آید به مقدار 0.003 محدود شده است، مگر اینکه پیش بینی های ویژه ای صورت بگیرد. بنابراین، هدف اصلی جزییات لرزه ای سازه های بتنی ترکیب ارماتور های مسلح کننده فولاد نرمه همراه با بتن است، به صورتی که عضو شکل پذیری تشکیل شود که قادر به احراز نیاز تغییر شکل های غیر الاستیکی که به وسیله زلزله های قوی اعمال می شود، باشد. 

هیسترسیس(هیجان)

هنگامی که سازه قادر است تا نسبت به زلزله طرح که عموما به صورت پدیده ای با دوره بازگشت 2500 سال تعریف می شود، بدون زوال مقاومت قابل توجهی به صورت غیرالاستیک پاسخ دهد، به سازه ذکر شده شکل پذیر اطلاق می شود. دقت شود که شکل پذیری می بایست برای تمامی مدت زمان زلزله فراهم شود، که ممکن است شامل مسیر های غیرارتجاعی در هر راستا باشد. 

شکل پذیری بی نقص توسط مدل الاستیک/کاملا پلاستیک(که گاها الاستوپلاستیک نیز اطلاق می شود) نشان داده شده در شکل 6 تعریف می شود، که پاسخ متعارف بر حسب نیرو-تغییر مکان در مرکز جرم را توصیف می کند. ، 

پاسخ سازه ای نشان داده شده در شکل 6a یک پاسخ ایده آل سازه ای است، که به ندرت در واقعیت حاصل می شود. چرخه های هیسترسیس متداول تر بتن مسلح در شکل 6b نشان داده شده است. 

شکل6-حلقه های چرخه ای 

در قاب های بتن مسلح، مطلوب است تا تغییر شکل های غیر ارتجاعی در مفاصل پلاستیکی که در تیرها و در بر ستون ها تشکیل می شود، متمرکز شود. تحت شرایط ایده آل، حلقه های هیسترسیس به صورت نشان داده شده در شکل 6b عموما استهلاک(جذب) انرژی تقریبا برابر با 70 تا 80 درصد استهلاک انرژی حلقه های الاستوپلاستیک معادل را فراهم می کنند. هنگامی که انرژی توسط مفاصل پلاستیک قرار گرفته در ستون ها مستهلک می شود، حلقه ها نسبت شکل الاستوپلاستیک ایده ال فاصله گرفته که این مسئله بیانگر جذب انرژی کمتر است. 

در صورتی اجزا سازه ای بتن مسلح به صورت مناسبی طراحی شده باشند، قادر به نشان دادن رفتار شکل پذیر قابل اعتمادی می باشند، اگر چه که حلقه های هیسترسیس مرتبط با آن ها از حلقه های الاستوپلاستیک متفاوت است. اگر چه که تمامی حلقه ها الزاما بیانگر رفتار شکل پذیر است، در آن حلقه ها نسبت به افزایش تغییر مکان و یا نسبت به چرخه های متناوب تغییر شکل یکسان، زوال تغییر مکان قابل توجهی نشان داده نمی شود. می بایست ذکر شود مساحت حلقه ها معیاری برای اندازه گیری مقدار انرژی است که می تواند توسط مفاصل پلاستیک مستهلک شود. 

پر بودن حلقه هیسترسیس به عنوان یک خصوصیت مثبت تلقی می شود. سوالی مهمی که مطرح می شود آن است که مقدار این پری چقدر باید باشد تا بتوان کنترل مطلوب را بر روی پاسخ سازه داشت؟ در حال حاضر، پاسخ صریح به این سوال وجود ندارد، اما این اعتقاد وجود دارد که پیشرفت ها قابل ملاحظه در پاسخ سازه نتیجه خواهد داد، به شرط آن که سطوح قابل قبولی از هر دو معیار مقاومت و استهلاک انرژی فراهم شود.

نامعینی

برای ساختمان هایی که در ساختگاه های با خطر لرزه ای زیاد ساخته می شوند، برای سیستم باربر جانبی حائز اهمیت است که از درجه نامعینی بالایی برخوردار باشد. 

درجه نامعینی بالا در سازه بدین معناست که بیش از یک مسیر مقاومت برای نیروهای جانبی وجود داشته باشد. به عنوان مثال، می توان با استفاده از قاب مقاوم خمشی همراه با ستون و تیر های متعدد که دارای اتصال شکل پذیر هستند و یا یک سیستم دوگانه متشکل از  دیوار های برشی و قاب مقاوم خمشی می توان به یک سیستم باربر جانبی با درجه نامعینی بالا دست یافت. 

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

منبع:

«دپارتمان سازه سامانه کارگشا»

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