شکل پذیری در ساختمانهای بتنی

مروری بر مفاهیم آنالیز و طراحی مقاطع تحت بار محوری و خمش(ستونها) و ضوابط شکل پذیری در ساختمانهای بتنی

نگارنده:آدم غلامی/بهمن 1392

ستون به عضوی اطلاق می شود که طول بر عرضِ حداقل آن بیشتر از 3 بوده و فشار را تحمل کند ( اعضای فشاری کوتاهتر را به عنوان پایه در نظر می گیریم). ستونها را بر اساس روش مسلح کردن به سه دسته تقسیم می کنیم:1-ستونهای با تنگ بسته 2-ستونهای دور پیچ شده 3- ستونهای مرکب.

ستونهای با تنگ بسته با مقاطع مستطیل و یا مربع هستند و با فواصل خاموت بین 25 الی 50 سانتیمتر می باشند. ستون دور پیچ نیز با مقطع دایره یا مربع بوده که در آن میلگردهای طولی در محیط یک دایره قرار دارند و توسط یک آرماتور مارپیچی با گام کوچک در حدود 4 تا 7 سانتیمتر محصور می شوند و ستون مرکب نیز از یک نیمرخ ساختمانی همراه با بتن می باشد.

حداقل آرماتورها در ستون مربع 4 و در ستون دایره 6 است و حداکثر مقدار آرماتور به دلیل قدرت جابجایی آسان بتن در لابلای میلگردها تعیین شده است. خاموتها در ستونها نقش مونتاژ و جلوگیری از کمانش را در میلگردهای طولی دارند. خاموتها در زمانی که ستون به ظرفیت نهایی خود برسد (میلگرد به حد کمانش و بتن به حد گسیختن برسد) به کار می افتند و در واقع خاموتها ناخواسته ظرفیت مقاطع ما را بالا می برند بخصوص در قطعات دور پیچ. اجرای سنجاقی در تنگها (مثلا یک در میان) تا حدودی زمان کمانش میلگردهای طولی را به تأخیر خواهد انداخت لذا تراکم خاموت عاملی تأخیری در کمانش می باشد. اگر امکان کمانش را معادل لاغر بودن قطعات ستونی بنامیم و ضعف ناشی از لاغری و اثرات تنش های ثانویه و تشدید لنگر را با کمک خاموتها جبران کنیم آنوقت با رسیدن میلگرد طولی به حد کمانش و انجام شکست متوازن، تراکم خاموت در طول ستون عامل تأخیری در کمانش خواهد بود. با رسیدن میلگرد ستونها به حالت کمانش، خاموتها شروع به عمل کرده و در برابر از هم پاشیدن ستون مقاومت نشان می دهند. در تنگهای بسته(با شکل مربع یا مستطیل) به دلیل امکان کمانش بیشتر میلگردهایی که در گوشه تنگ محصور نیستند حداقل یک در میان سنجاقی را برای میلگردها الزام کرده(مطابقACI )آنهم به شرط اینکه فواصل میلگردهای طولی از 15 بیشتر نباشد. در شکست و فروپاشی قطعه بتنی چند حالت پیش می آید:1- ابتدا بتن بشکند بعد میلگرد شروع به کمانش کند2- ابتدا میلگرد در قسمت کششی کمانه کند بعد بتن بشکند و گاه همزمان میلگرد جاری شده و بتن بشکند. جهت کم کردن حالات 1و 2 تلاش بر استفاده از قطعات منظم و متناسب در شکل و ابعاد و نحوه میلگرد گذاری داریم. لذا محدودیت در تناسب ابعاد و نظم در میلگرد گذاری و حتی الإمکان تقارن در میلگرد گذاری ستونها به دلیل کاستن فواصل مرکز هندسی و مرکز پلاستیک قطعه است و این تناسب و تقارن و نظم خود در نوع شکست و گسیختگی قطعه مؤثر است.

در ستونها گاه بار محوری خالص داریم که در ساختمانها کمتر پیش می آید به همین خاطر حداقل خروج از مرکزیتی برای ستون در نظر می گیریم. از طرف دیگر در ستونهای لاغر( که طول بلندی دارند) بار محوری ستون، قبل از رسیدن قطعه به ظرفیت خویش، منجر به کمانش وگسیختگی در قطعه می شود در واقع تنش ثانویه ناشی از لاغری منجر به تشدید لنگر در قطعه خواهد شد و در این صورت با تشدید لنگر در طراحی تلاش داریم تا اثر لاغری را بر قطعه لحاظ کنیم. وجود تنش های ثانویه با تشدید لنگر و احتیاط در طراحی مهار می شود.

به نظر می رسد شکل پذیری در ساختمان بتنی مفهومی است مرتبط با لاغری در ستونها و خستگی در اتصالات. خستگی در واقع اثر متناوب بارها در جهت های متفاوت و با شدت متفاوت می باشد که محل مفاصل و نقاط ضعف قابها را شدیدا آسیب پذیر می کند لذا تمهیدات ویژه آیین نامه در خصوص زلزله در قسمت مفاصل پلاستیک، دقیقا به دلیل خستگی در محل تمرکز تنش (تحت عنوان مکانیک نیوتنی) و ایجاد سازو کار تأخیری در مکانیسم سازه می باشد و هدف تأمین مقاومت مصالح در مفاصل پلاستیک و حفظ و انسجام قطعه پس از گسیختگی است، از طرف دیگر محصور کردن میلگردهای طولی در سراسر طول ستون و تلاش در منظم بودن قطعات بتنی و چیدمان آرماتورها حرکت در جهت شکستی متوازن و افزایش شکل پذیری پس از جاری شدن میلگردهای طولی و یا کمانش آنهاست لذا شکل پذیری در سازه مفهومی متأخر بر شروع مکانیسم در قطعات می باشد. اما آیا با پیش بینی شکل پذیری زیاد می توان بارگذاری را کاهش داد و آیا می تواند منجر به صرفه اقتصادی گردد؟

در سازه های ایزو استاتیک نتایج طراحی تنش مجاز و پلاستیک نزدیک به هم است اما در سازه ها و سیستمهای نامعین هیپر استاتیک عملا طراحی پلاستیک اقتصادی تر می باشد.

در مبحث نهم در خصوص شکل پذیری متوسط و زیاد گفته شده است مقصود آنست که مقاطع سازه آنچنان طراحی شوند که از ایمنی کافی در برابر گسیختگی ترد برخوردار باشند و بتوانیم قدرت جذب و استهلاک انرژی را در سازه بیشتر کنیم تا در صورت ایجاد مکانیسم انسجام سازه همچنان حفظ شود(به نظر می رسد در کاربرد کلمه پایداری همراه انسجام نوعی معنی عرفی مد نظر بوده است). همچنین گفته شده است با توجه به قابلیت جذب انرژی و رفتار غیر خطی ضوابطی در مبحث ششم در چگونگی کاهش بارها در آیین نامه طراحی ساختمان در برابر زلزله پیش بینی شده است.

اما آیا اساسا کاهش بار زلزله به بهانه شکل پذیری منطقی است و چنین موضوعی خود درصد خطر برای سازه ها را افزایش نمی دهد؟ به نظر کاهش بار چندان با فلسفه شکل پذیری و انسجام و گسیختگی تناسب ندارد چرا که هدف از شکل پذیری نه کاهش بار بلکه حفظ انسجام در زمان مکانیسم است و ارائه چنین مفاهیمی در مبحث نهم یا دهم به نظر تا حدودی تناقض آلود است چرا که موضوع شکل پذیری تأخیر در مکانیسم است و حوزه رفتار پلاستیک خارج از ضوابط بهره برداری است مگر اینکه فرض را بر این بگذاریم که با شروع حالت پلاستیک در میلگرد یا کمانش در ستون باز مجاز به بهره براری باشیم کما اینکه در تقویت ستونها با الیاف مقاوم به نظر از چنین ایده ای پیروی می کنیم. بطور کلی مفاهیم قدری گنگ هستند.

در ستونهای دور پیچ دایره یا مربع آنهم با فواصل حداکثر دور 7 سانتیمتر بدون استفاده از سنجاقی شاهد چنین وضعیتی خواهیم بود: با افزایش بار و رسیدن بار به حالت گسیختگی، حداقل میلگرد نمره 10 خاموت دور پیچ کاملا میلگردهای طولی را در بر گرفته و عامل تأخیر کمانش خواهد شد. در حالت گسیخته شدن قطعه دور پیچ، کاور بتنی خورد می شود و مقاومت بتن هسته در اثر انحصار دور پیچ بالا می رود و قطعه محصور در دورپیچ همچنان از خود مقاومت نشان داده و در حد زیادی شکل پذیری از خود نشان میدهد لذا جهت ایجاد رفتار متعادل، آیین نامه ضرایب و فرمولهای مناسب این حالت را جداگانه پیش بینی کرده است و چنین اثرهایی را در افزایش مقاومت قطعه دیده است.

(به نظر نگارنده ضرایب اعمالی در قطعات بتنی فشاری(یا فشاری خمشی) بایستی شامل عدم تطابق نتایج آزمایشگاهی مقاومت مشخصه بتن با نتایج کارگاهی نیز باشد چرا که هدف واقع بینانه نمودن فرمولهای تعیین مقاومت قطعات است اما دکتر کی نیا در کتاب بتن آرمه خود به چنین موردی اشاره نکرده و ضرایب اعمال شده در محاسبه مقاومت اسمی قطعه ستون را به اندازه 0/85 ظاهرا مرتبط با سرعت بارگذاری می داند( چون بارگذاری در ساختمان به مرور صورت می گیرد مقاومت قطعه بتنی کمتر خواهد شد و این ضریب را به خود می گیرد(مرجع/کی نیا /بتن آرمه)) و گفته است در اعمال ضرایب دیگر در بار نهایی ضریبدار از 0/7تا 0/9ضریب مربوط به فشار خالص تا خمش خالص است. در خمش خالص که خروج از مرکزیت بالایی داریم ضریب 9/0 است.)(همان).)

می توان مطالب فوق را چنین خلاصه کرد: وجود خاموت ها در ستونها در رابطه با کمانش میلگرد طولی و ایجاد شکست نرم و دادن فرصت برای گسیختگی و عدم فروپاشی ستون با انجام کمانش و گسیختگی بتن در نقاط بحرانی است.

حالت شکست متوازن در قطعات بتنی نماد شروع مکانیسم است و در این حالت بتن و فولاد همزمان شروع به کمانش یا جاری شدن یا گسیختگی می کنند. شکل پذیری از زمان شروع مکانیستم تا زمان گسیخته شدن قطعه و تخریب و فروپاشی را شامل می شود به عبارت دیگر در شکل پذیری تلاش داریم تا زمان کامل مکانیسم و تخریب کامل و فروپاشی قطعه را به تأخیر اندازیم و این موضوع با توجه به اثرات لاغری و خستگی در اتصالات و تلاش در حفظ وصله و اتصالات با پیش بینی تمهیدات کافی است که از آن جمله نحوه میلگرد گذاری و خاموت گذاری و محل وصله و تعداد و سایز خاموت و خم خاموتها و جنس مصالح مورد استفاده می باشد. تلاش داریم تا محل مفاصل پلاستیک را در قطعه آنچنان تقویت کنیم که زمان جاری شدن یا شروع کمانش تا مقاومت نهایی و گسیختگی افزایش یابد و همین مفهوم شکل پذیری در سازه های بتن آرمه و فولادی می باشد.

بنابراین با انجام تمهیدات مورد نظر در بخش زلزله در مبحث دهم خواهیم توانست با ایجاد قطعات حتی الامکان منظم (از نظر هندسی) و دور کردن محل وصله از محل تشکیل مفاصل و لنگرهای حداکثری و تقویت محل وصله با تراکم خاموت و تراکم خاموت در محل مفاصل و نزدیک آن و پیش بینی مقدار کافی از میلگرد در زمان معکوس شدن جهت لنگرها (در قسمت لنگر مثبت یا منفی) تمامی اثرات خستگی یا لاغری یا تمرکز تنش یا ضعف را مورد توجه قرار دهیم و برآورده کردن همین عوامل خود می تواند ضامن شکل پذیری مناسب در سازه باشد.

شکل پذیری در ساختمانهای بتنی

مطالب مشابه :

2-کتب مهندسی عمران و شهرسازی

منابع کنکور کارشناسی ارشد عمران

شکل پذیری در ساختمانهای بتنی

سازه‌های بتنی

کتابخانه شخصی من

دانلود اسلاید های طراحی سازه های فولادی