خلاصه

ستون مرکب ( فولاد- بتن ) یک عضو فشاریاست که عموماً به عنوان یک عضو باربر در سازه های قابی مرکب به کار برده می شود، این نوع از ستون ها به علت مقاومت بالای فشاری و سختی بیشتر نسبت به ستون های فولادی و بتنی مسلح مرسوم، اغلب در ساخت سازه های بلند مرتبه و ساختمان های مهم مورد استفاده قرار می گیرد. در این تحقیق رفتار غیرخطی ستونهای مرکب شامل مقاطع فولادی I شکل پرشده با بتن به صورت سه بعدی توسط روش اجزای محدود با کمک نرم افزار ABAQUS مدل شده و با حالت استفاده از فولاد بدون بتن مورد بررسی ومقایسه قرار گرفته است. نتایج حاصل از تحقیق نشان می دهدکه این ستون ها دارای شکل پذیری، سختی، ظرفیت تحمل بار بیشتر و همچنین رفتارکمانشی و پس کمانشی مطلوب تر نسبت به ستون های فولادی بدون بتن می باشند.

کلمات کلیدی: ستون مرکب فولادی- بتنی، تحلیل غیر خطی، کمانش ستون، رفتار پس کمانشی

۱٫ مقدمه

ویژگی مهم در ستون های مرکب، رفتار متقابل بین فولاد و بتن است چنین سیستمی مزیت های مهم هر دو مصالح را به صورت ایده آل دارا می باشد. بطوریکه در طراحی سعی میشود تا از خصوصیات باربری هر یک از دو مصالح حداکثر استفاده بعمل آید.[۱] ستون های مرکب به عنوان یک راه حل اساسی به منظور جلوگیری از کمانش کلی و موضعی ستون های فولادی و از طرفی ممانعت از شکست برشی و زوال ستون های بتنی پیشنهاد شده اند. به علاوه، این فرم از عضوهای سازه ای خصوصیات مقاومت لرزه ای، سختی ، مقاومت، شکل پذیری و ظرفیت جذب انرژی بسیار بالایی را ارائه می دهند. انواع ستونهای مرکب عبارتند از:[۵]

– ستونها با نیمرخهای فولادی مدفون در بتن

– ستونهای فولادی پرشده با بتن

۱×،.۲ هیأت علمی
. دانشجو

۱

۲۵ mm

در تحقیقی که مورسی و یو وای [۲]، بر روی ۶ نمونه ستون متشکل از ۴ ورق جدار نازک با ضرایب لاغری موضعی ورق ۴۰،۵۰ و۶۰ در حالت دارای بتن و بدون بتن، به منظور دستیابی به اثر بتن با مقاومت بالا در ظرفیت کمانشی ( موضعی و کلی ) پرداختند، به این نتیجه رسیدند که همه ستون ها دارای رفتار نسبتاً خطی قبل از رسیدن به بار نهایی می باشند و اینکه وجود بتن با مقاومت بالا در نمونه های مرکب، سبب افزایش ظرفیت باربری ستون حدود ۲تا ۳ برابر و کاهش تدریجی سختی، پس از تحمل حداکثر نیروی اعمالی شده است.

تحقیقی را که هوآنگ و همکارانش[۳]، به منظور دستیابی به اثر تنش تسلیم فولاد سازه ای (۲۷۵ -۶۹۰ Mpa) بر روی مقاومت بارپذیری ۱۲ نمونه ستون مرکب فولادی مدفون شده در بتن با طولهای موثر۳ , ۲ , ۱ و۴ متر انجام دادند، به این نتیجه دست یافتندکه افزایش مقاومت فولاد سازه ای اثر کوچکی برروی مقاومت ستون مرکب با نسبت لاغری بالابه علت مد کمانش خمشی داشته درصورتی که استفاده از فولاد با مقاومت بالا در ستونهای کوتاه باعث افزایش مقاومت قابل توجه ستون مرکب میشود.

میرقادری و همکارانش[۴]، با انجام آزمایشهایی بر روی مقاطع دایره ای و قوطی شکل در حالت دارای بتن و بدون بتن، به منظور دستیابی به ظرفیت بارپذیری ستون های فولادی پر شده با بتن به این نتیجه دست یافتندکه پرکردن مقاطع فولادی تو خالی با بتن، سبب جلوگیری ازکمانش موضعی جداره فولادی به سمت داخل مقطع شده و در نتیجه با به تأخیر انداختن پدیده کمانش موضعی ظرفیت باربری را افزایش می دهدضمناً. در مقاطع دایره ای شکل افزایش ظرفیت نهایی بتن در اثر محبوس شدن بسیار قابل توجه است و اثرمحبوس شدگی بتن، با توجه به نسبت قطر به ضخامت و همچنین نسبت طول به قطر المان متغییر است.

علاوه بر این میرقادری و همکارانش[۴] ،ظرفیت بارپذیری ستون متشکل از دومقطع ناودانی پرشده با بتن را مورد بررسی قرار داده و به این نتیجه دست یافتندکه ظرفیت بارپذیری و شکل پذیری ستون مرکب، رابطه مستقیم با نسبت شرکت پذیری بتن دارد. به این صورت که هر چقدر نسبت سطح یا مقاومت بتن بیشتر باشد، ظرفیت بارپذیری و شکل پذیری افزایش خواهد یافت.

.۲ مدل تحلیلی

در این مطالعه به منظور بررسی رفتار کمانش غیرارتجاعی ستون های مرکب پرشده با بتن به روش اجزاء محدود، از نرم افزار ABAQUS استفاده شده است. در ابتدا صحت و دقت نتایج حاصل از مدل اجزای محدود مورد استفاده، با نمونه های آزمایشگاهی انجام شده توسط مورسی و یو وای [۲]، که بر روی ستون های جدار نازک پر شده از بتن در سال ۲۰۰۷ انجام گرفته، موردبررسی و تأیید قرار داده شد و سپس نمونه های مربوط به این مطالعه با استفاده از نرم افزار ABAQUS مدل شده و نتایج آن مورد بررسی ومقایسه قرار گرفته است.

اعضای تشکیل دهنده ستون مرکب در این بررسی، شامل عضو فولادی(نیمرخهای IPE )، عضو بتنی و صفحات پیوند می باشد. برای مدل سازی عضو فولادی، به منظور در نظر گرفتن کمانش موضعی و قابلیت انعطاف پذیری، از المان پوسته ای دو انحنایی چهار گرهی ( shell ( S4R با شش درجه آزادی در هرگره استفاده شده است. در قسمت بتنی، المان سه بعدی ایزوپارامتریک Solid با خاصیت قابلیت ترک و شکست مورد استفاده قرارگرفته و همچنین نیروی متمرکز از طریق صفحات صلب جوش شده در ابتدا و انتهای ستون به سیستم اعمال شده است. ستون از طریق همین صفحات صلب، به صورت مفصلی به زمین مقید گردیده است.