طراحی سازه و انواع آن

طراحی سازه و انواع آن

طراحی سازه

مشخصاتِ طراحی سازه ای :

معرفی :

بتن ها با مقاومت – بالا ، دارای برخی مشخصات و خصوصیات مهندسی هستند که با بتن های مقاومت – کم ، تفاوت دارند . تغییرات داخلی ، از بارهای ثابت ، مشخص و کوتاه – مدت و عوامل محیطی ناشی می شوند که شناخته شده هستند . رابطۀ مستقیم این تفاوتهای داخلی تمایز و تفاوت را در خصوصیاتِ مکانیکی مشخص کرده که ، باید توسط مهندسان طراح ، در پیش بینی کردن عملکرد و ایمنی سازه ها ، شناسایی شود . این تمایزها ، بسیار مهم هستند ، جهتِ افزایش مقاومت ها . تست ها و یا آزمونهای بِتُن – مقاومت بالای تقویت شده ، را بطور نمونه نشان داده اند ، که چنین موادی در بسیاری از موارد ، احتمالاً مشخصۀ الاستیکی طولی (خطی) را برای سطوح تنش و دسترسی به ماکزیمم تنش ، تعیین می کند . بنابراین ، منحنی تنش و تغییر طول نسبیِ بتنِ مقاومت – بالا ، در میزان بسیار بالا کاهش می یابد تا در بتن با مقاومت – پایین .

آزمایشات وسیع و جامعی در چندین مرکز پژوهشی ، صورت گرفت برای درک و استنباط عملکرد بتن با مقاومت بالا . در حالیکه ، اطلاعاتِ معتبر ، امروز در بسیاری از جنبه ها ، قابل دسترس هستند ، برخی از توصیه های نهایی و اصلی ، منتظر نتایج و عملکردِ آیندۀ آنان می باشد . در این مقاله ، تاکید بسیاری بر طراحیِ اعضا و سازه ها شده است . توصیه ها و پیشنهادها ، بر اساس و پایۀ بهترین اطلاعاتِ آزمایشی ، عرضه و ارائه شده اند .

ستونهای بارگیری شده بطور محوری :

در روشهای عملی ، ستونهای کمی بدرستی ، بارگیری محوری می شوند . گشتاورهای خمشی ، بعلت کاربردِ اساسیِ بارگذاری و ارتباط و همکاری با عملِ قاب محکم ، معمولاً بر بارگذاری محوری ، اضافه می شوند . AC1318-83 ، برای طراحی مورد نیاز است و ACI318R-83 ، این را منعکس می کند .هر چند ، اینها برای عملکرد ستونها و حمل کردن بارگذاری محوری ، استفادۀ مفیدی دارند .

توزیع مقاومتِ فولادی و بتن :

ویژگی اصلی و اساسی ، مقاومت نهایی است . شیوه و روش طرح حاضر ، مقاومت صوریِ عضو بارگذاری شده بطور محوری را ، محاسبه  می کند ، جهتِ بررسی و ارزیابی کردن میزانِ قانون افزایش مستقیم مقاومت مربوط به بتُتن و فولاد . توجیه این ایده ها و نظرات در تصویر 601 ، مشاهده می شود . منحنی های تنش و تغییر طول نسبی اضافه شده در فشار و تراکم برای ، سه بتن با تقویت کردن فولادی ، دارای  60.0.0 پسا (414MPa) بازده مقاومت ، می باشد . فرضیۀ معمول و متداول ، اینطور می گوید که ، فولاد و تغییر طول نسبی ، در هر مرحله بارگذاری ، یکسان هستند . برای بتن – مقاومت بالا ، زمانیکه بتن به یک محدوده یا دامنة تغییرات غیر خطیِ مهم میرسد ، فولاد هنوز در محدودة الاستیک است ، بنابراین ، شروع به بدست آوردن سهم بزرگترِ بارگذاری می کند . وقتی تغییر طول نسبی در حدود 0.002 است ، شیب منحنی بتن ، نزدیک صفر می باشد که می تواند بعنوان دفرمه شدن (بدشکلی) پلاستیسیه (شکل پذیری) ، همراه با مقدار کم و بدون افزایش تنش ، در نظر گرفته شود .

فولاد به نقطة بازدهی خویش در تغییر طول نسبی مشابه ، در این مورد می رسد . در نتیجه ، بتن در مازیمم تنش خویش می باشد و فولادر   ، بنابراین مقاومت ستون به شرح ذیل ، پیش بینی می شود :                 

در اینجا ، معنی این عبارت بدین صورت است :  

مقاومت فشردة سیلندر (استوانه) مربوط به بتن    =  

  بازده مقاومت فولاد                                   =

  ناحیة بخشِ بتن                                       =

   ناحیة فولاد                                            =  

فاکتوریا عامل 0.85 ، برای محاسبه و برای تفاوتهای مشاهده شده در مقاومت بتن و در ستونهای مقایسه شده با بتنِ مخلوط شدة در سیلندرهای (استوانه های) – آزمون – فشاری ، صورت گرفته است . یک تجزیه و تحلیلِ مشابه ، برای ستونهای بتن – مقاومت بالا انجام گرفته ، به استثنای فولاد که بازدهی آن ، قبل از اینکه بتن به مقاومت پیکِ (اوج) خویش برسد ، انجام خواهد گرفت . هر چند ، فولاد به بازدهی خویش در تنش ثابت ادامه خواهد داد ، تا بتن بطور کامل ، عملکرد خویش را انجام دهد . امکان دارد ، پیش بینی مقاومت هنوز بر مبنای معادلة (1-6) باشد . اسناد و مدارک آزمایش نیز ، از استفادة عامل 0.85 حمایت و پشتیبانی می کنند ، برای بتن مقاومت – بالا .

تاثیرات محدودة فولاد :

فولاد جانبی در ستونها ، بطور کامل در فُرم یا شکلِ حلزونهای (مارپیچی های) مداوم و پیوسته قرار دارند که ، این فولاد دارای 2 اثر مفید بر عملکرد ستون ، می باشد : (a) موجب افزایش زیادِ مقاومتِ داخلی هستة بتن (نمونه استوانه ای بتن) در حلزون شده ، با محدود کردن هسته در برابرِ انبساط و یا گسترش جانبی تحت کنترلِ بارگذاری و (b) همینطور ظرفیت تغییر طول نسبی محوریِ بتن را افزایش می دهد و اجازه می دهد که بیشتر نرم و قابل انبساط شود (یعنی یک ستون tougher (محکم شده) .

اساس و پایة طرحِ فولاد حلزونی تحت نظارت نسخه های ( نگارش های ) AC1318 در سال 1977 ، بوده که ، تاثیر تقویت کنندة حلزونی باید حداقل برای مقاومت از بین رفتة ستون ، یکسان باشد ، البتة زمانی که به پوستة خارجی بتن ، مربوط به لاشة سنگ (سنگ هایی که به مصرف پرکردن می رسد ) ، تحت عمل بارگذاری ، نیازی نباشد .

معادلة AC1318 ، برای مینیمم نسبت حجمیِ حلزونی عبارت است از :

در اینجا :                                                                        

نسبت حجمِ تقویت حلزونی برای حجم هستة بتن   =     Ps

ناحیه (فضای) قراص (ناخالصی) بخش بتن      =           Ag

ناحیة هسته بتن                                             = Ac

مقاومتِ فشردة سلیندری بتن                              = 

بازدة مقاومتِ فولاد حلزونی                                 =

افزایش در مقاومت فشردة ستونها ، توسطِ فولاد حلزونی فراهم و ایجاد شده که بر مبنای روابط مشتق شده و بطور آزمایشی برای مقاومت بدست آمده ، می باشد :

در اینجا :

مقاومت فشردة ستون بتن تقویت شده ، بطور حلزونی                          =  

مقاومت فشردة ستون بتنِ تقویت نشده                                           =

تنش در محدودة بتن که بطور حلزونی تولید شده                               =

این رابطه ، می تواند مستقیماً برای معادلة ، نشان داده شود . تنش در محدودة بتن ، که بطور حلزونی  تولید شده ، بر اساسِ فولاد حلزونی محاسبه می شود ، با استفاده از معادلة کشش قیاسی (hoop).

و یا

در اینجا :

ناحیة فولاد حلزونی                         =

قطر هستة بتن                               =

شیب حلزونی                                  = S

تحقیقات اَخیر که توسط احمد و شاه shah Ahmad , ، صورت گرفت ، تقویت حلزونی را نشان داده که ، کارآمدیی کمتری برای ستونهای بتن مقاومت بالا و ستونهای بتن سبک وزن ، دارند . آنها (احمد و شاه) همچنین دریافتند که ، تنش در فولاد حلزونی در بارگذاری پیک ، برای ستونهای بتن – مقاومت بالا و ستونهای بتن – سبک وزن ، اَغلب بطور چشمگیری کمتر است تا دربازدة مقاومت که در معادلة  ، فرض شده است . این نتیجه گیریها ، از پژوهش های آزمایشی در دانشگاه کرنل ، ناشی شده . تحقیق و پژوهش کرنل ، تأثیر یک تنش در محدوده (1-s/dc) ، استفاده کردند جهتِ ارزیابی کردن نتایج ، جاییکه ، محدودة تنش در بتن است که با استفاده از تنش واقعی در فولاد حلزونی ، محاسبه شده  که اغلب ، کمتر از  می باشد . عبارت یا واژة (1-s/dc) ، کاهش در کاراییِ حلزونها را منعکس می کند که ، با افزایش یافتن فاصله بندیِ سیمهای حلزونی ، مرتبط است . بنابراین ، تفسیر و توصیفِ معادلة (6-3a) ، بدین صورت است :

                                                     (6-3b)

واضح است که ، مقاومت بدست آمده با معادلة (6-3d) ، قابل پیش بینی است و اعتبار یا پایایی برای بتن با وزن نرمال با همة مقاومتها در محدودة تنش ، حداقل 3000 پسا ، می باشد . یک نمودار بر مبنای معادلة ، پیش بینی بدون محافظه کاری را برای تنش در محدودة بالا را ، نشان    می دهد ، اما همچنین می تواند تنش در محدوده را برای حلزونهای ستون ، نشان دهد که بسیار کمتر از 1000 پسا می باشد . برای این محدوده. از دیدگاه مقاومت ، حضور معادلة ACI318 ، برای مینیمم نسبت فولاد حلزونی ، می تواند بطور ایمن ، استفاده شود ، البته برای ستونها با وزن و مقاومت نرمال و به همان سان برای ستونها با مقاومت – کم (پایین) . بتنِ سبک وزن ، اگر بطور سنگین بارگذاری شود ، شکسته خواهد شد و فشار حاصله را کاهش یا تخفیف می دهد . برای ستونهای سبک وزنِ تقویت شده بطور حلزونی ، مارتینز ، پیشنهاد  می کند معادلة توسطِ  جایگزین شود و معادلة  باید توسطِ   جایگزین شود . این تفاوت در میانگین عملکرد معادلة  مهم است که در ACI318 مشخص شده و باید مجدداً مورد آزمایش قرار گیرد . بنظر می رشد ، ستونهای بتنی سبک وزن نیاز به 2.5 بیشتر فولاد حلزونی دارد تا تطبیق (مطابق) کردن ستونهای وزن نرمال برای رضایت مورد نیاز مقاومت بعد از پوشش لاشة سنگ ، که به ACI318 منعکس شده ، نیاز ندارند . شاید کاربرد حلزونهای سنگین ، مورد سوال واقع شوند . هیچگونه توافق عمومی بر کارآیی فولاد حلزونی برای بهبود بخشیدن شکل پذیری ستونهای بتنی مقاومت – بالا ، وجود ندارد ، و اینکه ، افزایش یافتن تغییر طول نسبی محدود شده و مسطح شدنِ شیب منفی مربوط به منحنی تنش و تغییر طول نسبی در نقطة پیکِ تنش ، مشاهده می شود . یک مقاله مربوط به احمد شاه ، نشان می دهد که ، محدود شدن حلزونی در مسطح کردن شیب منفیِ منحنی تنش و تغییر طول نسبی ، برای ستونهای بتنی با مقاومت – بالا و همینطور ستونهای بتنی با مقاومت – پایین ، تأثیر گذار است . تحقیقات دانشگاه کرنل حاکی از آن است که ، منحنی های تنش و تغییر طول آزمایشی برای مقاومت های مختلفِ ستونهای بتنی با وزن نرمال و طبیعی با تقویت کنندة حلزونی متفاوت ، نشان داده شده است. سه گروه منحنی ، توسط سه سطح مقاومت بتن با مطالعه ، مشخص شده اند . هر یک از این گروهها ، از سه مجموعه منحنی ، تشکیل شده که با سه مقدارِ مختلفِ تقویتِ جانبی ، منطبق شده اند .

 هر مجموعه از منحنی ها ، با خط افقی ، میانگین تطبیق مقاومت ستونِ تقویت نشده را ، نشان می دهد ، برای مشخص کردن ستونهای محدود شدة ویژه یا خاص . منحنی ها، برای ستونهای بتنی با مقاومت – بالا ، NC167 هستند که دارای کارآیی مفید در محدودة تنشِ 767 پسا (5MPa) می باشند ، که با منحنی های ستونهای بتنی و با مقاومتِ – پایین تر NC163 همراه با کارآیی مفید در محدودة تنش پسا (6MPa) مقایسه شده اند . عملکرد متفاوت آنان ، بوضوح آشکار است ، در نتیجه نه تنها کشش (افزایش طول) در بتن با مقاومت بالا در پیک (اوج) قرار دارد ، بلکه این کشش در بتن با مقاومت پایین ، به حد قابل ملاحظه ای پایین می آید . در واقع ، این حقیقتی است که حتی برای ستونهای NC169 نیز ، همراه با تنش زیادِ 2500  پسا دیده شده است . بر اساس شواهدِ قابل دسترس ، می توان نتیجه گرفت که ، احتمالاً ستونهای بتنی با مقاومت – بالا و چگالی نرمال ، زمانیکه همراه با فولادِ کششی همراه می باشند ، می توانند مقاومتِ مورد نیاز را بخوبی نشان داده و این پیش بینی را بخوبی در معادلات ، منعکس کنند ، اما مشخصه های (خصوصیات) پیکِ تنش ، احتمالاً جهت مقایسه با ستونهایی با مقاومت – کم ، ناکافی وضعیت می باشد . طراحیِ ستونهای بتنیِ سبک وزن همراه با فولاد حلزونی ، باید با دقت بسیار ، صورت گیرد . مسئلة مهم و جالب دیگر ، ارتباط داشتن ستونهای تقویت شدة حلزونی است که بطور کلی ، سطح تنش تقویت شده با حلزونهای طراحی شده ، منطبق شده و اینکار توسطِ AC1318 ، انجام می شود و باید متذکر شد که ، ستونهایی که با چنین چیزی تقویت نشده اند ، دارای مقاومتِ کافی نیستند . در ستونهایی که دارای قطر بزرگتر هستند ، تنش محدوده ، بطور چشمگیری کاهش می یابد ، بنابر فرضیه های اصولی ، این مقدار ثابت می ماند . این موضوع مستقیماً پیرو معادلة می باشد . برای ستونهای بزرگتر ، نسبت Ag/A ، بسیار کوچکتر شده ، در نتیجه ، نسبتِ فولاد حلزونی مورد نیاز کوچکتر و کارآیی تنشِ محدوده نیز بطور متناسبی کوچک می شود . تنش محدوده ، که توسط حلزونهای طراحی شده ACI318 ، برای بتن ها با مقاومت بالا و کم ، در 15in و 50  ، تولید شده و قطرهای ستون اصلی ، مقایسه شده اند .

تست ها و آزمایش ها ، نشان می دهند حتی ستونها با مقاومت پایین یا کم ، تنش محدوده را ، از 238 به 83 پسا (psi) ، کاهش داده و (1.64 تا 0.57MPa ) بدست آمده تحت نظر ACI318 ، یک ستون با ظرفیت بسیار بالای کشش ، تولید خواهد کرد ، بدون اینکه ، مقاومتِ خویش را از دست بدهد . برای بتن با مقاومت بالا ، شاهد کاهش تنش محدوده از 825 به 263 پسا ، هستیم که موجب تولید یک ستون با ظرفیت کشش بدونِ حداکثرِ نقطة پیک ، می شود . حتی در تنش محدودة بالا (پسا) 825  ، یک ستون با مشخصة نامطلوب همراه با اُفتِ مقاومت بعد از تنش پیک ، تولید می شود . علاوه بر این بعضی از داده ها یا اطلاعاتِ آزمایشی و تجربی در این ستونها با مقاومت – بالا ، قابل دسترس هستند و از تیرهای اتصالی و جانبی استفاده می کنند ، تا از حلزونها .

بارگذاری مکرر (چندگانه) :

بتن با مقاومت – بالا ، بطور نسبی فارغ از گسستگی (شکاف) داخلی می باشند ، حتی در بارگذاریِ اصلی ، البته زمانیکه بارگذاری بطور یکنواخت صورت گرفته باشد . از طرف دیگر ، گزارش شده بتن با مقاومتِ – بالا دارای شکنندگی بیشتری است تا بتن با مقاومتِ – پایین (کم) و این کمبود مربوط به شکل پذیری و پیشرفت تدریجیِ رشدِ شکاف ها (ترک) ، است . برخی از پژوهش های تجربی نشان می دهد که ، فرسودگی ضرورتاً ، بستگی به مقاومت و تراکم (فشردگی) دارد . تحقیقات اَخیر ، حاکی از آن است ، نقص و عیب در بتن و در خصوص بارگذاری مکرر ، می تواند بطور تقریبی توسط بتنِ مربوط به پوش منحنی ، صورت گیرد و مستقیماً با منحنی و افزایش طول نسبیِ ، منوتونیک کوتاه – مدت ، ارتباط دارد . برای بتن با مقاومت – بالا ، هر کاربرد بارگذاری ، موجب آسیب کمتر می شود . هر چند ، تعداد چرخه ها (دوره ها) جهتِ داشتن نقص ، زیاد چشمگیری نمی باشند ، و این بدلیل شیب خمیدگی بزرگتر است که مربوط به پوش منحنی (منحنی محاطی) پیک می باشد . با اینکه کارهای مهمی در این خصوص ، صورت گرفته ، اما مجدداً پژوهش و تحقیقاتِ بیشتری نیاز است که به جنبه های بتن با مقاومت – بالا ، بپردازد ، البته بدون در نظر گرفتن محدودة فولاد و یا فرآیند بارگذاری مکرر و مختلف ، قبل از طراحی ، باید به توصیه های مطرح شده عمل کرد .