بررسي رفتار غيرخطي هسته‏هاي بتني در برابر زلزله

محسنعلي شايانفر، استاديار دانشكده مهندسي عمران، دانشگاه علم و صنعت ايران، تهران، ايران

عليرضا عسكري اناركي، كارشناس ارشد، دانشكده مهندسي عمران، دانشگاه علم و صنعت ايران، تهران، ايران

چكيده

در اين مقاله ابتدا يك هسته بتني پنج طبقه به صورت خطي تحليل و با استفاده از ضوابط آيين‏نامه بتن ايران طراحي شده است. سپس اين سازه با استفاده از برنامه آناليز المان محدود غيرخطي HODA تا حد خرابي تحت اثر بارهاي استاتيكي افزايشي قرار گرفته است. همچنين تغييراتي در ميزان فولادگذاري گسترده هسته داده شده و اثرات آن بر روي باربري نهايي سازه بررسي شده است. نحوه رفتار اين سازه‏ها شامل الگوي ترك‏خوردگي بتن، جاري شدن فولادها و تغيير مكان‏هاي قائم و افقي نقاط حساس سازه، از جمله نتايج به دست آمده اين تحقيق مي‏باشد.

مقدمه

طراحي سازه‏هاي بتن مسلح براساس نيروهاي داخلي محاسبه شده به روش آناليز ارتجاعي خطي سازه و مطابق با ضوابط آيين‏نامه‏اي صورت مي‏گيرد. هر چند طراحي سازه‏ها بدين روش در بيشتر موارد مطمئن و مناسب است ولي براي سازه‏هاي پيچيده و تحت اثر شرايط بارگذاري غيرمعمول، اغلب كاربرد روش‏هاي دقيق از جمله آناليزهاي غيرخطي لازم است. به طور كلي اطلاعات دقيقي همچون ظرفيت مقاومت سازه، مد خرابي، شكل‏پذيري و ظرفيت جذب انرژي تنها به كمك آناليز غيرخطي امكان‏پذير مي‏باشد.قبل از توسعه روش‏هاي قدرتمند عددي، تحقيق رفتار سازه‏هاي بتني مستلزم آزمايشات عموما" پرهزينه و زمان‏گير بر روي مدل‏هاي تجربي بود. روش المان محدود به عنوان مكمل آزمايشات و به عنوان جايگزيني براي آزمايش‏هاي مشكل، پرهزينه و يا امكان‏ناپذير مي‏تواند به كار رود. استفاده از اين روش از زمان تحقيقات Ngo & Scordelis در مورد آناليز المان محدود تيرهاي بتن مسلح [1] تاكنون به پيشرفت‏هاي قابل‏توجهي در زمينه روابط مشخصه بتن منجر شده است كه خود باعث توسعه تعداد قابل‏توجهي برنامه‏هاي المان محدود با قابليت آناليز غيرخطي گرديده است. فهرست تعدادي از اين برنامه‏ها در گزارش‏هاي كميته ASCE در آناليز المان محدود سازه‏هاي بتن مسلح آمده است .

معرفي هسته‏هاي نمونه

در اين مقاله ساختماني پنج طبقه شامل هسته‏هاي بتني مركزي مورد مطالعه قرار گرفته است. پلان عمومي سازه مطابق شكل (1) مي‏باشد و فرض مي‏شود كه كل نيروي زلزله توسط هسته‏ها تحمل مي‏شود. بار زلزله در راستاي جان هسته‏هاي C شكل يعني امتداد y اعمال گرديده است. سازه در پلان متقارن مي‏باشد و نيروي زلزله با فرض يكنواخت بودن توزيع جرم در پلان، به مركز سطح آن وارد مي‏شود. با توجه به اين تقارن، ديوارهاي C₁ وC₂ مشابه يكديگر مي‏باشند و با درنظر گرفتن جهت اعمال بار، تنها به بررسي رفتار ديوار C₁  مي‏‏پردازيم. به همين منظور سهم هر نمونه را از كل بار زلزله وارد به ساختمان به دست مي‏آوريم.نمونه‏هاي مورد بررسي عبارتند از نمونه CW5 كه مطابق ضوابط آيين‏نامه بتن ايران طراحي شده است و نمونه‏هاي CW51 تا CW54 كه ماحصل تغيير مقدار حداقل فولادهاي يكنواخت افقي و قائم نمونه CW5 مي‏باشند. ارتفاع سازه‏ها در   اولين طبقه 4متر و در ساير طبقات 4/3 متر مي‏باشد.

                     جدول 1ـ مشخصات آرماتورگذاري يكنواخت CW5

نيروي زلزله براساس آيين‏نامه 2800 ايران [4] و با توجه به منظم بودن سازه‏ها از روش استاتيكي معادل محاسبه شده است. ساختمان‏ها داراي كاربري مسكوني، در منطقه‏اي با خطر بالاي زلزله، نوع زمين تيپ I I و با ضريب رفتاري برابر 7 فرض شده  اند. تحليل خطي سازه‏ها توسط نرم‏افزار ETABS و طراحي نمونه‏ها براساس ضوابط شكل‏پذيري زياد آيين‏نامه بتن ايران [5] انجام گرفته است.

نمونه CW5

نمونه CW5 هسته‏اي C شكل از يك ساختمان 5 طبقه به ارتفاع 6/17 متر مي‏باشد. جزئيات مربوط به توزيع نيروي زلزله در ارتفاع سازه و سهم نمونه CW5 از اين نيرو، مشخصات هندسي و فولادگذاري المان‏هاي مرزي هسته و همچنين آرماتورهاي يكنواخت موردنياز نمونه در جدول (1) ارائه شده است.

بتن از لحاظ سيمان مصرفي به 6 طبقه زير تقسيم ميشود:

·       بتن درجه 1 با 350 كيلوگرم سيمان در متر مكعب شن وماسه

·       بتن درجه 2 با 300 كيلوگرم سيمان در متر مكعب شن وماسه

·       بتن درجه 3 با 250 كيلوگرم سيمان در متر مكعب شن وماسه

·       بتن درجه 4 با 300 كيلوگرم سيمان در متر مكعب شن وماسه

·       بتن درجه 5 با 150 كيلوگرم سيمان در متر مكعب شن وماسه

·       بتن درجه 6 با 100 كيلوگرم سيمان در متر مكعب شن وماسه

        بتن درجه  5 -  6  را بتن مگر ميگويند.

ممكن است در ساير آئين نامه هاتا 400 كيلو گرم سيمان در متر مكعب را هم مجاز دانسته اند و آنرا باعث استحكام بيشتربتن مي دانند ولي مصرف سيمان بيشتر از 400 كيلو گرم باعث كاهش استحكام آن مي گردد.چنانچه مقدار زيادي بتن ريزي داشته باشيم بايد از بتونير استفاده نمود بتونير دستگاهي است كه در آن اجزا تشكيل دهنده بتن بخوبي مخلوط ميشود.

بتن سبك و اثر ميكروسيليس ها در افزایش مقاومت آن

مقدمه :

توليد سيمان كه ماده اصلي چسبندگي در بتن است در سال 1756 ميلادي در كشور انگلستان توسط «john smeaton » كه مسئوليت ساخت پايه برج دريايي «eddystone » را بر عهده داشت آغاز شد و درنهايت سيمان پرتلند در سال 1824 ميلادي در جزيره اي به همين نام در انگلستان توسط «joseph aspdin » به ثبت رسيد . مردم كشور ما نيز از سال 1312 با احداث كارخانه سيمان ري با مصرف سيمان آشنا شدند و با پيشرفت صنايع كشور ، امروزه در حدود 26 الي 30 ميليون تن سيمان در سال توليد مي گردد . با آگاهي مهندسان از نحوه استفاده سيمان در كارهاي عمراني ، اين ماده جايگاه خودش را در كشورمان پيدا كرد .يكي از روشهاي ساختمان سازي كه امروزه در جهان به سرعت توسعه مي يابد ساختمانهاي بتني است . بعد از انقلاب اسلامي به علت كمبود تير آهن در نتيجه تحريمها و نيز گسترش ساخت و سازهاي عمراني در كشور ، كاربرد بتن بسيار رشد نمود . علاوه بر اين موضوع ساختمانهاي بتني نسبت به ساختمانهاي فولادي داراي مزايايي از قبيل مقاومت بيشتر در مقابل آتش سوزي و عوامل جوي ( خورندگي ) آسان بودن امكان تهيه بتن به علت فراواني مواد متشكله بتون و عايق بودن در مقابل حرارت و صوت مي باشند كه توسعه روز افزون اين نوع ساختمانها را فراهم مي سازد .يكي از معايب مهم ساختمانهاي بتني وزن بسيار زياد ساختمان مي باشد كه با ميزان تخريب ساختمان در اثر زلزله نسبت مستقيم دارد . اگر بتوانيم تيغه هاي جدا كننده و پانل ها را از بتن سبك بسازيم وزن ساختمان و در نتيجه آن تخريب ساختمان توسط زلزله مقدار زيادي كاهش مي يابد . ولي كم بودن مقاومت بتن سبك عامل مهمي در محدود نمودن دامنه كاربرد اين نوع بتن و بهره گيري از امتيازات آن بوده است . استفاده از ميكروسيليس در ساخت بتن سبك سبب شده است كه مقاومت بتن سبك بالا رود و اين محدوديت كاهش يابد . در اين تحقيق ضمن توضيحاتي در مورد بتن و تاثير آب بر روي مقاومت بتن ، بيشتر در باره بتن سبك و روشهاي افزايش مقاومت آن با استفاده از ميكروسيلس ، خواص مكانيكي و همچنين موارد كاربرد آن بحث مي شود .

1- سيمان

 - سيمان توليد شده در كشور ما با سيمان توليد شده در كشورهاي صنعتي متفاوت است كه لازم است تفاوت آن تا حد ممكن بررسي شود .

- طبقه بندي سيمانها شناسايي شود .

-  عدم تنوع در كيفيت سيمان نشانه ضعفهايي از سيستم ساخت و ساز مي باشد .

-  عدم استفاده از سيمان با كيفيت بالا از عوامل اوليه عمر كوتاه ساختمان در بحث مصالح مي باشد .

2 – شن و ماسه

 - معيارها و آئين نامه هاي توليد كلان شن و ماسه بررسي شود .
 - توليد كلان  شن و ماسه در كشور ما از نظر معيار و رعايت آئين نامه هاي توليد بررسي شود .

-  معايب شن و ماسه توليدي در كشور در حد كلان بدلائل زير آنرا در درجه دوم و يا سوم كيفيت قرار مي دهد .

الف : وجود گرد و غبار   

ب : عدم شستشو      

 ج : دانه بندي نا صحيح   

 د : استفاده از شن و ماسه رودخانه اي بجاي شن و ماسه شكسته .
  

- استفاده از شن و ماسه درجه 2 و يا 3 از عوامل ثانوي عمر كوتاه ساختمان در بحث مصالح مي باشد .افزايش مقاومت بتن مد نظر تمام دست اندركاران صنعت توليد بتن مي باشد

ساختار بتن :

- بتن داراي چهار ركن اصلي مي باشد كه به صورت مناسبي مخلوط شده اند ، اين چهار ركن عبارتند از :

الف : شن

ب : ماسه

ج : سيمان

 د:  آب
    - در برخي شرايط براي رسيدن به هدفي خاص مواد مضاف به آن اضافه مي شود كه جزﺀ اركان اصلي بتن به شمار نمي آيد .

- توده اصلي بتن مصالح سنگي درشت و ريز ( شن و ماسه ) مي باشد .

-  فعل و انفعال شيميايي بين سيمان و آب موجب مي شود شيرابه اي بوجود آيد و اطراف مصالح سنگي را بپوشاند و مصالح سنگي را بصورت يكپارچه بهم بچسباند .

-  استفاده از آب براي ايجاد واكنش شيميايي است .

-  براي ايجاد كار پذيري لازم بتن مقداري آب اضافي استفاده مي شود تا بتن با پر كردن كامل زواياي قالب بتواند دور كليه ميلگرد هاي مسلح كننده را بگيرد .

-  جايگاه استفاده آب در بتن به لحاظ انجام عمل هيدراتاسيون داراي حساسيت بسيار زيادي است .

ويژگيهاي آب مصرفي بتن :

- آب هاي مناسب براي ساختن بتن

1- آب باران

2- آب چاه

3- آب بركه

4- آب رودخانه در صورتي كه به پسابهاي  شيميايي كارخانجات آلوده نباشد و غيره …

بطور كلي آبي كه براي نوشيدن مناسب باشد براي بتن نيز مناسب است. باستثناﺀ مواردي كه متعاقبا توضيح داده خواهد شد .

آبهاي نا مناسب براي ساختن بتن :

1- آبهاي داراي كلر ( موجب زنگ زدگي آرماتور مي شود )

2-  آبهايي كه بيش از حد به روغن و چربي آلوده مي باشند .

3-  وجود باقيمانده نباتات در آب .

4-  آب گل آلود ( موجب پايين آوردن مقاومت بتن مي شود )

5-  آب باتلاقها و مردابها

 6-  آبهاي داراي رنگ تيره و بدبو

 7-  آبهاي گازدار مانند2 co و…

8- آبهاي داراي گچ و سولفات و يا كلريد موجب اثر گذاري نا مطلوب روي بتن

 مي شوند .

نكته : 1- آبي كه مثلا شكر در آن حل شده است براي نوشيدن مناسب است ولي براي ساخت بتن مناسب نيست .

نكته : 2- مزه بو و يا منبع تهيه آب نبايد به تنهايي دليل رد استفاده از آب باشد .

نكته : 3- ناخالصيهاي موجود در آب چنانچه از حد معين بيشتر گردد ممكن است بشدت روي زمان گرفتن بتن ، مقاومت بتن ، پايداري حجمي آن ، اثربگذارد و موجب زنگ زدگي فولاد شود .

نكته : 4- استفاده از آب مغناطيسي بعنوان يكي از چهار ركن اصلي مخلوط بتن مي تواند بعنوان تاثيرگذار بر روي يارامترهاي مقاومت بتن انتخاب گردد .

تمايز بتن از نظر چگالي :

الف : بتن معمولي : چگالي بتن معمولي در دامنه باريك 2200 تا 2600 kg/m3 قرار دارد زيرا اكثر سنگها در وزن مخصوص تفاوت اندكي دارند (ادامه اين مبحث از بحث ما خارج است )

ب : بتن سنگين : از اين بتنها در ساختمان محافظهاي بيولوژيكي بيشتراستفاده مي شود مانند ساختار ، آكتورهاي هسته اي و پناهگاههاي ضدهسته اي كه مورد بحث ما نمي باشد كه چگالي آن معمولا بيشتر از 2200 تا 2600 كيلوگرم بر متر مكعب مي باشد .

ج : بتن سبك : مصرف بتن سبك اصولا تابعي از ملاحظات اقتصادي است ضمن اينكه استفاده از اين بتن بعنوان مصالح ساختماني داراي اهميت بسيار زيادي است اين بتن داراي چگالي كمتر از 2200 تا 2600 كيلوگرم درمتر مكعب مي باشد . بدليل اينكه داراي چگالي كمتر از بتن سنگين است داراي امتياز قابل توجهي از نظر ايجاد بار وارده بر سازه مي باشد چگالي بتن سبك تقريبا بين 300 و 1850 كيلوگرم بر متر مكعب مي باشد يكي ازامتيازات مهم امكان استفاده از مقاطع كوچكتر و كاهش مربوطه در اندازه پي ها    مي باشد ضمن اينكه قالبها فشار كمتري را از حالت بتن معمولي تحمل  مي كنند و همچنين در كاهش جابجايي كل وزن مصالح بدليل افزايش توليد جايگاه ويژه اي دارد .

روش هاي كلي توليد بتن سبك :

- روش اول : از مصالح متخلخل سبك با وزن مخصوص ظاهري كم بجاي سنگدانه معمولي كه تقريبا داراي چگالي 6/2 مي باشد استفاده مي كنند.
-  روش دوم : بتن سبك توليد شده در اين روش بر اساس ايجاد منافذ متعدد در داخل بتن يا ملات مي باشد كه اين منافذ بايد به وضوح از منافذ بسيار ريز بتن با حباب هوا متمايز باشد كه بنام بتن اسفنجي ، بتن منفذ دار و يا بتن گازي يا بتن هوادار مي شناسند .

- روش سوم : در اين روش توليد ، سنگدانه ها ي ريز از مخلوط بتن حذف مي شوند . بطوريكه منافذ متعددي بين ذرات بوجود مي آيد و عموما از سنگدانه هاي درشت با وزن معمولي استفاده مي شود . اين نوع بتن را بتن بدون سنگدانه ريز مي نامند .

نكته : كاهش در وزن مخصوص در هر حالت به واسطه  و جود منافذ يا در مصالح يا در ملات و يا در فضاي بين ذرات درشت موجب كاهش مقاومت بتن مي شود .

طبقه بندي بتن هاي سبك بر حسب نوع كاربرد آنها :

- بتن سبك بار بر ساختمان

-  بتن مصرفي در ديوارهاي غير بار بر

-  بتن عايق حرارتي

نكته 1- طبقه بندي بتن سبك بار بر طبق حداقل مقاومت فشاري انجام    مي گيرد .

مثال : طبق استاندارد 77 – 330 astm c در بتن سبك ---- مقاومت فشاري بر مبناي نمونه هاي استوانه اي استاندارد از    شده پس از 28 روز نبايد كمتر از mpa 17 باشد . و وزن مخصوص آن نبايد از 1850 كيلوگرم بر متر مكعب تجاوز نمايد كه معمولا بين 1400 او 1800 كيلوگرم بر متر مكعب است.
نكته : 2- بتن مخصوص عايق كاري معمولا داراي وزن مخصوص كمتر از 800 كيلوگرم بر متر مكعب و مقاومت بين 7/0 و mpa 7 مي باشد .
انواع سبك دانه هايي كه به عنوان مصالح در ساختار بتن سبك استفاده مي شود :

الف -  سبك دانه هاي طبيعي : مانند دياتومه ها ، سنگ پا ، پوكه سنگ ،خاكستر ، توف كه بجز دياتومه ها بقيه آنها منشاﺀ آتشفشاني دارند .

نكته :1- اين نوع سبك دانه ها معمولا بدليل اينكه فقط در بعضي از جاها يافت مي شوند به ميزان  زياد مصرف نمي شوند ، معمولا از ايتاليا و آلمان اينگونه مصالح صادر مي شود .

نكته : 2- از انواعي پوكه معدني سنگي كه ساختمان داخلي آن ضعيف نباشد بتن رضايت بخشي با وزن مخصوص 700 تا 1400 كيلو گرم بر مترمكعب توليد مي شود كه خاصيت عايق بودن آن خوب مي باشد اما جذب آب و جمع شدگي آن زياد است .سنگ پا نيز داراي خاصيت مشابه است . ب -  سبك دانه هاي مصنوعي : اين سبك دانه ها به چهار گروه تقسيم میشوند .

- گروه اول : كه با حرارت دادن و منبسط شدن خاك رس ، سنگ رسي ،سنگ لوح ، سنگ رسي دياتومه اي ، پرليت ، اسيدين، ورميكوليت بدست مي آيند .

- گروه دوم : از سرد نمودن و منبسط شدن دوباره كوره آهن گدازي به طريقي مخصوص بدست مي آيد .

- گروه سوم : جوشهاي صنعتي ( سبكدانه هاي كلينكري) مي باشند .

- گروه چهارم : مخلوطي از خاك رس با زباله خانگي و لجن فاضلاب پردازش شده را مي توان به صورت گندوله در آورد تا با پختن در كوره تبديل به سبك دانه شود ولي اين روش هنوز به صورت توليد منظم در نيامده است.در جدول ( 1 ) خواص انواع بتن هاي سبك كه با اين سنگدانه ها ساخته ميشوند نشان داده شده اند :

الزامات سبكدانه ها بتن سازه اي :

الزامات سبكدانه ها در آيين نامه هاي astm c330-89 ( مشخصات   سبكدانه ها براي بتن سازه اي در آمريكا ) و bs 3797:1990 ( مشخصات سبكدانه ها براي قطعات بنايي و بتن سازه اي در بريتانيا ) داده شده اند . در استانداردبريتانيايي مشخصات واحدهاي بنايي نيز مورد بحث قرار گرفته است .اين آيين نامه ها محدوديتهايي براي افت حرارتي ( 5% درastm و4% در bs)وهمچنين در bs براي مقدار سولفات  1% 3 so  (به صورت جرمي ) را مشخص نموده اند . برخي الزامات دانه بندي اين آيين نامه ها در جداول 2 ، 3 و 4 نشان داده شده اند .ذكر اين نكات براي فهم بهتر اين جداول مفيد است :

1- آيين نامه bs 1047:7983 مشخصات دوباره در هواي سرد شده ، كه منبسط نشده است را در بر مي گيرد .

2- سبكدانه هاي به كار رفته در بتن سازه اي ، صرفنظر از منشأ آنهاتوليداتي مصنوعي مي باشند و در نتيجه معمولا يكنواخت تر از سبكدانه طبيعي ميباشند . بنابراين سبكدانه را مي توان براي توليد بتن سازه اي با كيفيت ثابت مورد استفاده قرار داد .

نكته : سبكدانه ها داراي خصوصيت ويژه اي هستند كه سنگدانه هاي معمولي فاقد آن مي باشند و در رابطه با انتخاب نسبتهاي  مخلوط و خواص مربوط به بتن حاصل داراي اهميت ويژه اي مي باشند .اين ويژگي عبارتست از توانايي سبكدانه ها در جذب مقادير زياد آب و همچنين امكان نفوذ مقداري از خمير تازه سيمان به درون منافذ باز ( سطحي ) ذرات سبكدانه (مخصوصا ذرات درشت تر ) در نتيجه اين جذب آب توسط سبكدانه ، وزن مخصوص آنها زيادتر از وزن مخصوص ذراتي مي شود كه در گرمچال خشك شده اند .
روشهاي افزايش مقاومت بتن سبك :كم بودن مقاومت بتن سبك عامل مهمي در محدود نمودن دامنه كاربرد اين نوع بتن و بهره گيري از امتيازات آن بوده است براي بدست آوردن بتن سبك با مقاومت زياد روشهاي زيادي مورد توجه قرار گرفته است.

نكته : عامل موثر و مشترك در كليه اين پژوهشها مصرف ميكروسيليس در بتن مي باشد . در اينجا اجمالا به چند روش اشاره مي گردد :
1- تحقيقات مشترك v.novokshchenov و w.whitcomb جهت افزايش مقاومت بتن سبك و بهبود ديگر خواص آن با استفاده از سبكدانه هاي سيليسي منبسط شده ، به اعتقاد آنان مقاومت بتن سبك تابعي از مقاومت سبكدانه ها و ملات است كه اين رابطه به صورت ذيل ارائه گرديد .
fc = fm (vm)+fa (1-vm)
fc = مقاومت بتن    fa = مقاومت سبكدانه

fm = مقاومت ملات  vm = حجم نسبي ملات

بدين ترتيب مشاهده مي شود كه مي توان با افزايش مقاومت سبكدانه و مقاومت و حجم ملات مقاومت بتن سبك را افزايش داد .

 طراح قالب: رضا امین زاده

Powered By
  BLOGFA.COM