آیین‌نامه‌های مختلفی از جمله Eurocode 4، AS5100 (آیین‌نامه طراحی پل استرالیا)، BS5400 (استاندارد پل بریتانیا)، DBJ13-51 (استاندارد چین)، AIJ (آیین‌نامه ژاپن) و AISC (آیین‌نامه فولاد آمریکا)، در رابطه با ستون‌های CFT، روابط و الزاماتی ارائه کرده‌اند. در این مقاله مباحث ارائه شده در آیین‌نامه‌های AISC 360 (2016) و AISC 341 (2016)، بررسی شده است. در آیین‌نامه آمریکا نیز در فصل I از AISC 360 به الزامات عمومی و در فصل G از AISC 341 به الزامات لرزه‌ای مرتبط با ستون‌های CFT پرداخته شده است

لاغری مقطع فولادی و کمانش موضعی

تعیین لاغری برای تمام مقاطع فولادی از جمله مقاطع فولادی پرشده با بتن (CFT) ضروری است. میزان لاغری مقطع با توجه به نسبت پهنا به ضخامت اعضای مقطع و مقایسه آن با مقادیری مشخص، سنجیده می‌شود. در صورتی که رویکرد طراحی بر اساس حالات حدی باشد، با توجه به مودهای گسیختگی که برای مقطع یا عضو اتفاق می‌افتد، حالات حدی متفاوتی به وجود خواهد آمد. به دلیل اثر مستقیم لاغری مقطع بر این حالات حدی، می‌توان با تعیین لاغری مقطع، حالت‌های حدی مربوطه را پیش‌بینی و با توجه به آن، ظرفیت مقطع را محاسبه کرد. لاغری مقطع در الزامات عمومی و لرزه‌ای به‌طور جداگانه بررسی شده است. جدول I1.1a, b از فصل I الزامات عمومی (AISC 360) و جدول D1.1 از فصل D الزامات لرزه‌ای (AISC 341) به تعیین لاغری مقطع پرداخته‌اند. در فصل I از الزامات عمومی، مقاطع به سه گروه فشرده، غیرفشرده و لاغر دسته‌بندی و در فصل D از الزامات لرزه‌ای، به گروه‌های با شکل‌پذیری زیاد و شکل‌پذیری متوسط، تقسیم می‌شوند. باید توجه شود که به دلیل پر شدن مقطع فولادی با بتن مد کمانشی آن با مقاطع فولادی توخالی متفاوت خواهد بود.
تغییر مود کمانشی در طول عضو به دلیل حضور بتن درون مقطع
مود کمانشی مقطع پرشده با بتن
 
مکانیزم گسیختگی مقطع مستطیلی فولادی توخالی
مکانیزم گسیختگی مقطع مستطیلی فولادی توخالی
ستون مستطیلی فولادی پرشده با بتن کم مقاومت
ستون مستطیلی فولادی پرشده با بتن کم مقاومت
ستون مستطیلی فولادی پرشده با بتن معمولی
ستون مستطیلی فولادی پرشده با بتن معمولی

موارد مورد بحث در الزامات عمومی AISC 360

ظرفیت محوری و مقاومت فشاری عضو

برای محاسبه ظرفیت فشاری عضو، به هر دو فاکتور لاغری عضو و فشردگی مقطع توجه می‌شود. در محاسبه ظرفیت فشاری مقاطع مرکب از سختی مؤثر ( ) استفاده می‌شود و رابطه آن به صورت ارائه می‌شود، که با توجه به نوع مقطع مرکب تعیین می‌شود.

مقاومت محوری اسمی به ازای لاغری دیواره HSS
مقاومت محوری اسمی به ازای لاغری دیواره HSS
مقایسه مود گسیختگی ستون فولادی توخالی و پرشده با بتن
ستون فولادی پرشده با بتن | ستون فولادی توخالی

ظرفیت برشی

در مورد نحوه مشارکت برشی فولاد و بتن در ستون‌های مرکب، اطلاعات کافی وجود ندارد و به همین دلیل سه رویکرد برای تعیین مقاومت برشی این مقاطع مورد توجه قرار می‌گیرد:

  • با فرض عدم مشارکت بتن در مقاومت برشی مقطع، فقط نقش بخش فولادی با توجه به فصل G از AISC 360 در نظر گرفته شود.
  • حذف قسمت فولادی در محاسبات مقاومت برشی و محاسبه مقاومت برشی بخش بتنی با توجه به ACI 318
  • در نظر گرفتن مشارکت قسمت فولادی با توجه به فصل G و آرماتورهای عرضی بخش بتنی با توجه به ACI 318، در تحمل نیروی برشی.

ظرفیت خمشی

کمانش موضعی در ستون‌های پرشده با بتن تحت خمش نسبت به ستون‌های فولادی توخالی، با تأخیر بیشتری اتفاق می‌افتد.
مقایسه بین مودهای گسیختگی خمشی، (a) ستون‌های توخالی، (b) ستون‌های پرشده با بتن
ظرفیت خمشی مقطع با توجه به لاغری دیواره‌های مقطع محاسبه می‌شود.
الف) مقاطع فشرده: در این حالت مقطع به ظرفیت پلاستیک (Mp) خود می‌رسد.
ب) مقاطع غیر فشرده: در این حالت مقطع به ظرفیت تسلیم (My) خود می‌رسد.
پ) مقاطع لاغر: محاسبه ظرفیت خمشی هنگام تسلیم شدن اولین تار مقطع.

اندرکنش نیروی محوری فشاری و لنگر خمشی

مقاومت مقطع تحت اندرکنش نیروی فشاری و لنگر خمشی از طریق یک رابطه اندرکنشی به هر یک از مقاومت‌های خمشی و فشاری به صورت جداگانه مرتبط می‌شود. آیین‌نامه با توجه به لاغری مقطع، روابطی برای تعیین مقاومت مقطع در برابر ترکیب بار محوری و لنگر خمشی، ارائه می‌کند. از بین روش‌های پیشنهاد شده، در همه حالت‌ها، استفاده از رابطه H1.1 مجاز است (I5). باید توجه شود که این رابطه در اصل برای ستون‌های فولادی تنها مورد استفاده قرار می‌گیرد و نتایجی که برای ستون‌های مرکب ارائه می‌کند محافظه‌کارانه است. به همین دلیل پیشنهاد می‌شود برای محاسبات دقیق‌تر از روش‌های دیگر آیین‌نامه استفاده شود. در قسمت تفسیر آیین‌نامه توضیحات بیشتری ارائه شده است. نکته‌ی مهم در بحث اندرکنش نیروی محوری و لنگر خمشی، در نظر گرفتن تحلیل مرتبه دوم و لنگر تشدیدیافته است که باید بر اساس آن‌ها محاسبات انجام شود. رابطه تفسیر آیین‌نامه: تعیین ظرفیت اندرکنش عضو با استفاده از منحنی اندرکنش بدست آمده از روش توزیع تنش پلاستیک (این روش در اعضای دارای مقطع با دو محور تقارن، مورد استفاده قرار می‌گیرد.)
نمودار اندرکنش عضو تیر-ستون مرکب
نمودار اندرکنش عضو تیر-ستون مرکب

مکانیزم‌های انتقال بار و آزمایش‌های آن

به‌منظور دستیابی به عملکردی مناسب، فولاد و بتن در ستون‌های مرکب باید با یکدیگر کار کنند که با نام عملکرد مرکب از آن یاد می‌شود. انتقال نیرو از بال تیر به ستون باعث ایجاد برشی طولی در بخشی از ستون با نام طول معرف بار (Load Introduction Length) می‌شود (I6.1). این برش می‌تواند برای عملکرد یکپارچه فولاد و بتن مشکل ایجاد کند و سبب لغزش بین مقطع فولادی و بتن شود بنابراین برش ایجاد شده باید بدون ایجاد لغزش، از فولاد به بتن منتقل شود. مکانیزم‌های انتقال بار بین فولاد و بتن (طبق بند I6. 3) در مقاطع مرکب عبارتند از:

  • اتکای مستقیم
  • تعبیه برشگیر
  • چسبندگی مستقیم

در این بین، مکانیزم چسبندگی مستقیم برای ستون‌های پرشده با بتن نقش پررنگ‌تری ایفا می‌کند. برای بررسی چسبندگی بین فولاد و بتن، آزمایش‌هایی مانند Push off، Push out انجام می‌شوند.

ناحیه انتقال بار و طول معرف بار
ناحیه انتقال بار - مکانیزم انتقال نیرو

موارد مورد بحث در الزامات طرح لرزه‌ای AISC 341

اتصالات و برش چشمه اتصال
 

ستون‌های CFT غالباً در سیستم‌های قاب خمشی استفاده می‌شوند. به همین دلیل اتصالات آن‌ها نیز گیردار است. این اتصالات با توجه به شکل‌پذیری قاب مورد‌نظر ظرفیت دوران مشخصی داشته باشند. مطابق با بند G2. 6e از AISC 341، استفاده از ورق‌های دیافراگم در اتصالات ستون‌های پرشده با بتن مجاز است. حداقل ضخامت این ورق‌ها باید برابر با ضخامت بار تیر متصل باشد. جوش مورد استفاده در این اتصالات باید از نوع شیاری با نفوذ کامل (CJP) یا جوش گوشه دو طرفه باشد. همچنین به دلیل امکان عبور بتن، باید سوراخی دایروی در دیافراگم‌های داخلی ایجاد شود.
یکی از موارد مهمی که باید در اتصالات تیر به ستون در نظر گرفته شود، مقاومت برشی چشمه اتصال است. در مورد مقاومت چشمه اتصال در ستون‌های CFT، رابطه‌ای در در بخش C. D2. 7 از تفسیر AISC 341 (رابطه C-D2-1) ارائه شده است که اثر بخش فولادی و بتنی در آن دیده می‌شود. همچنین نیروی برشی وارد بر چشمه اتصال از روابط بخش C. J10. 6 از تفسیر AISC 360 (روابط C-J10-3a, b) تعیین می‌شوند.

نسبت لنگر خمشی ستون به لنگر خمشی تیر (بخش G3. 4a)
 

فلسفه تیر ضعیف - ستون قوی در سیستم‌های CFT نیز باید مورد توجه قرار گیرد. مطابق با آیین‌نامه، در قاب‌های خمشی ویژه باید این شرط کنترل شود. بر این اساس نسبت مقاومت خمشی ستون به تیر باید بیش از یک شود

اتصالات متداول در ستون‌های CFT

اتصالات متداول در سیستم‌های CFT شامل سه اتصال دیافراگم خارجی، دیافراگم عبوری و دیافراگم داخلی (ورق پیوستگی) می‌شود که در ادامه به این بررسی این اتصالات پرداخته می‌شود.

اتصالات دیافراگم خارجی (Outer Diaphragm)

در اتصال دیافراگم خارجی، از ورق‌های محاط بر ستون در راستای بال‌های تیر متصل استفاده می‌شود. چالش‌های استفاده از این سیستم، لزوم یکسان بودن ارتفاع جان تیرها در چهار طرف اتصال، نیاز به جوش شیاری با نفوذ کامل در کارگاه، خط جوش زیاد، جوشکاری در ناحیه ضعیف ستون، کاهش فضای بازشوی آسانسور، و در کل کاهش فضای مفید پلان ساختمان به دلیل امکان اجرای ورق دیافراگم خارجی و رعایت درز انقطاع، است.

اتصالات دیافراگم عبوری (Through Diaphragm)

در اتصال دیافراگم عبوری، ستون در محل اتصال بریده شده و به سه قسمت تقسیم می‌شود. در ادامه دیافراگم‌ها در تراز بال‌های تیرها و در محل بریدگی ستون قرار گرفته و به ستون جوش می‌شوند. از چالش‌های استفاده از این سیستم، نیاز به قطع ستون در هر طبقه و از بین بردن یکنواختی ستون، صعوبت اجرا، امکان عبور بتن از سوراخ میانی دیافراگم، لزوم یکسان بودن ارتفاع جان تیرها در اتصال، نیاز به تعداد زیادی خط جوش و لزوم استفاده از جوش شیاری با نفوذ کامل در کارگاه می‌باشد

اتصالات دیافراگم داخلی (Inner Diaphragm)

متداول‌ترین سیستم در اجرای اتصالات مربوط به ستون‌های پرشده با بتن، استفاده از اتصال مستقیم تیر به ستون با جوش شیاری با نفوذ کامل به همراه ورق پیوستگی سوراخ‌دار همراستا با بال‌های تیرهای متصل به ستون است که تحت عنوان دیافراگم داخلی شناخته می شود. بعد سوراخ در این سیستم باید به اندازه‌ای باشد که امکان عبور بتن به راحتی وجود داشته باشد. اگرچه در این نوع اتصال، جوشکاری بعد چهارم ستون و امکان عبور بتن از سوراخ میانی ورق پیوستگی، از چالش‌ها محسوب می‌شود اما نسبت به دو اتصال دیگر از مقبولیت بیشتری برخوردار است.

اتصال پیچ‌های عبوری با ورق‌های انتهایی (CFTB)

به دنبال گسترش استفاده از مقاطع فولادی پرشده با بتن (CFT‌) و چالش‌های موجود در رابطه با اتصالات تیر به ستون این مقاطع، سیستم سازه‌ای نوینی با عنوان CFTB‌ توسط سازان به طور انحصاری ارائه شده است.

سیستم سازه‌ای CFTB، سیستمی متشکل از ستون‌های پرشده با بتن به همراه اتصال خمشی ورق انتهایی است. نوآوری این سیستم استفاده از پیچ‌های میان‌گذر به جای ورق‌ها و دیافراگم‌ها در اتصالات متداول ستون‌های CFT است.

there is always solution on SAZAN

تمامی حقوق این وب‌سایت محفوظ و در اختیار شرکت مقاوم المان‌ سازان می‌باشد.