طراحي سازه و انواع آن

طراحي سازه  و انواع آن

طراحي سازه

مشخصاتِ طراحي سازه اي :

معرفي :

بتن ها با مقاومت – بالا ، داراي برخي مشخصات و خصوصيات مهندسي هستند كه با بتن هاي مقاومت – كم ، تفاوت دارند . تغييرات داخلي ، از بارهاي ثابت ، مشخص و كوتاه – مدت و عوامل محيطي ناشي مي شوند كه شناخته شده هستند . رابطۀ مستقيم اين تفاوتهاي داخلي تمايز و تفاوت را در خصوصياتِ مكانيكي مشخص كرده كه ، بايد توسط مهندسان طراح ، در پيش بيني كردن عملكرد و ايمني سازه ها ، شناسايي شود . اين تمايزها ، بسيار مهم هستند ، جهتِ افزايش مقاومت ها . تست ها و يا آزمونهاي بِتُن – مقاومت بالاي تقويت شده ، را بطور نمونه نشان داده اند ، كه چنين موادي در بسياري از موارد ، احتمالاً مشخصۀ الاستيكي طولي (خطي) را براي سطوح تنش و دسترسي به ماكزيمم تنش ، تعيين مي كند . بنابراين ، منحني تنش و تغيير طول نسبيِ بتنِ مقاومت – بالا ، در ميزان بسيار بالا كاهش مي يابد تا در بتن با مقاومت – پايين .

آزمايشات وسيع و جامعي در چندين مركز پژوهشي ، صورت گرفت براي درك و استنباط عملكرد بتن با مقاومت بالا . در حاليكه ، اطلاعاتِ معتبر ، امروز در بسياري از جنبه ها ، قابل دسترس هستند ، برخي از توصيه هاي نهايي و اصلي ، منتظر نتايج و عملكردِ آيندۀ آنان مي باشد . در اين مقاله ، تاكيد بسياري بر طراحيِ اعضا و سازه ها شده است . توصيه ها و پيشنهادها ، بر اساس و پايۀ بهترين اطلاعاتِ آزمايشي ، عرضه و ارائه شده اند .

ستونهاي بارگيري شده بطور محوري :

در روشهاي عملي ، ستونهاي كمي بدرستي ، بارگيري محوري مي شوند . گشتاورهاي خمشي ، بعلت كاربردِ اساسيِ بارگذاري و ارتباط و همكاري با عملِ قاب محكم ، معمولاً بر بارگذاري محوري ، اضافه مي شوند . AC1318-83 ، براي طراحي مورد نياز است و ACI318R-83 ، اين را منعكس مي كند .هر چند ، اينها براي عملكرد ستونها و حمل كردن بارگذاري محوري ، استفادۀ مفيدي دارند .

توزيع مقاومتِ فولادي و بتن :

ويژگي اصلي و اساسي ، مقاومت نهايي است . شيوه و روش طرح حاضر ، مقاومت صوريِ عضو بارگذاري شده بطور محوري را ، محاسبه  مي كند ، جهتِ بررسي و ارزيابي كردن ميزانِ قانون افزايش مستقيم مقاومت مربوط به بتُتن و فولاد . توجيه اين ايده ها و نظرات در تصوير 601 ، مشاهده مي شود . منحني هاي تنش و تغيير طول نسبي اضافه شده در فشار و تراكم براي ، سه بتن با تقويت كردن فولادي ، داراي  60.0.0 پسا (414MPa) بازده مقاومت ، مي باشد . فرضيۀ معمول و متداول ، اينطور مي گويد كه ، فولاد و تغيير طول نسبي ، در هر مرحله بارگذاري ، يكسان هستند . براي بتن – مقاومت بالا ، زمانيكه بتن به يك محدوده يا دامنة تغييرات غير خطيِ مهم ميرسد ، فولاد هنوز در محدودة الاستيك است ، بنابراين ، شروع به بدست آوردن سهم بزرگترِ بارگذاري مي كند . وقتي تغيير طول نسبي در حدود 0.002 است ، شيب منحني بتن ، نزديك صفر مي باشد كه مي تواند بعنوان دفرمه شدن (بدشكلي) پلاستيسيه (شكل پذيري) ، همراه با مقدار كم و بدون افزايش تنش ، در نظر گرفته شود .

فولاد به نقطة بازدهي خويش در تغيير طول نسبي مشابه ، در اين مورد مي رسد . در نتيجه ، بتن در مازيمم تنش خويش مي باشد و فولادر   ، بنابراين مقاومت ستون به شرح ذيل ، پيش بيني مي شود :                

در اينجا ، معني اين عبارت بدين صورت است :  

مقاومت فشردة سيلندر (استوانه) مربوط به بتن    =  

 بازده مقاومت فولاد                                   =

 ناحية بخشِ بتن                                       =

  ناحية فولاد                                            =  

فاكتوريا عامل 0.85 ، براي محاسبه و براي تفاوتهاي مشاهده شده در مقاومت بتن و در ستونهاي مقايسه شده با بتنِ مخلوط شدة در سيلندرهاي (استوانه هاي) – آزمون – فشاري ، صورت گرفته است . يك تجزيه و تحليلِ مشابه ، براي ستونهاي بتن – مقاومت بالا انجام گرفته ، به استثناي فولاد كه بازدهي آن ، قبل از اينكه بتن به مقاومت پيكِ (اوج) خويش برسد ، انجام خواهد گرفت . هر چند ، فولاد به بازدهي خويش در تنش ثابت ادامه خواهد داد ، تا بتن بطور كامل ، عملكرد خويش را انجام دهد . امكان دارد ، پيش بيني مقاومت هنوز بر مبناي معادلة (1-6) باشد . اسناد و مدارك آزمايش نيز ، از استفادة عامل 0.85 حمايت و پشتيباني مي كنند ، براي بتن مقاومت – بالا .

تاثيرات محدودة فولاد :

فولاد جانبي در ستونها ، بطور كامل در فُرم يا شكلِ حلزونهاي (مارپيچي هاي) مداوم و پيوسته قرار دارند كه ، اين فولاد داراي 2 اثر مفيد بر عملكرد ستون ، مي باشد : (a) موجب افزايش زيادِ مقاومتِ داخلي هستة بتن (نمونه استوانه اي بتن) در حلزون شده ، با محدود كردن هسته در برابرِ انبساط و يا گسترش جانبي تحت كنترلِ بارگذاري و (b) همينطور ظرفيت تغيير طول نسبي محوريِ بتن را افزايش مي دهد و اجازه مي دهد كه بيشتر نرم و قابل انبساط شود (يعني يك ستون tougher (محكم شده) .

اساس و پاية طرحِ فولاد حلزوني تحت نظارت نسخه هاي ( نگارش هاي ) AC1318 در سال 1977 ، بوده كه ، تاثير تقويت كنندة حلزوني بايد حداقل براي مقاومت از بين رفتة ستون ، يكسان باشد ، البتة زماني كه به پوستة خارجي بتن ، مربوط به لاشة سنگ (سنگ هايي كه به مصرف پركردن مي رسد ) ، تحت عمل بارگذاري ، نيازي نباشد .

معادلة AC1318 ، براي مينيمم نسبت حجميِ حلزوني عبارت است از :

در اينجا :                                                                        

نسبت حجمِ تقويت حلزوني براي حجم هستة بتن   =     Ps

ناحيه (فضاي) قراص (ناخالصي) بخش بتن      =           Ag

ناحية هسته بتن                                             = Ac

مقاومتِ فشردة سليندري بتن                              =

بازدة مقاومتِ فولاد حلزوني                                 =

افزايش در مقاومت فشردة ستونها ، توسطِ فولاد حلزوني فراهم و ايجاد شده كه بر مبناي روابط مشتق شده و بطور آزمايشي براي مقاومت بدست آمده ، مي باشد :

در اينجا :

مقاومت فشردة ستون بتن تقويت شده ، بطور حلزوني                          =  

مقاومت فشردة ستون بتنِ تقويت نشده                                           =

تنش در محدودة بتن كه بطور حلزوني توليد شده                               =

اين رابطه ، مي تواند مستقيماً براي معادلة ، نشان داده شود . تنش در محدودة بتن ، كه بطور حلزوني  توليد شده ، بر اساسِ فولاد حلزوني محاسبه مي شود ، با استفاده از معادلة كشش قياسي (hoop).

و يا

در اينجا :

ناحية فولاد حلزوني                         =

قطر هستة بتن                               =

شيب حلزوني                                  = S

تحقيقات اَخير كه توسط احمد و شاه shah Ahmad , ، صورت گرفت ، تقويت حلزوني را نشان داده كه ، كارآمديي كمتري براي ستونهاي بتن مقاومت بالا و ستونهاي بتن سبك وزن ، دارند . آنها (احمد و شاه) همچنين دريافتند كه ، تنش در فولاد حلزوني در بارگذاري پيك ، براي ستونهاي بتن – مقاومت بالا و ستونهاي بتن – سبك وزن ، اَغلب بطور چشمگيري كمتر است تا دربازدة مقاومت كه در معادلة  ، فرض شده است . اين نتيجه گيريها ، از پژوهش هاي آزمايشي در دانشگاه كرنل ، ناشي شده . تحقيق و پژوهش كرنل ، تأثير يك تنش در محدوده (1-s/dc) ، استفاده كردند جهتِ ارزيابي كردن نتايج ، جاييكه ، محدودة تنش در بتن است كه با استفاده از تنش واقعي در فولاد حلزوني ، محاسبه شده  كه اغلب ، كمتر از  مي باشد . عبارت يا واژة (1-s/dc) ، كاهش در كاراييِ حلزونها را منعكس مي كند كه ، با افزايش يافتن فاصله بنديِ سيمهاي حلزوني ، مرتبط است . بنابراين ، تفسير و توصيفِ معادلة (6-3a) ، بدين صورت است :

                                                    (6-3b)

واضح است كه ، مقاومت بدست آمده با معادلة (6-3d) ، قابل پيش بيني است و اعتبار يا پايايي براي بتن با وزن نرمال با همة مقاومتها در محدودة تنش ، حداقل 3000 پسا ، مي باشد . يك نمودار بر مبناي معادلة ، پيش بيني بدون محافظه كاري را براي تنش در محدودة بالا را ، نشان    مي دهد ، اما همچنين مي تواند تنش در محدوده را براي حلزونهاي ستون ، نشان دهد كه بسيار كمتر از 1000 پسا مي باشد . براي اين محدوده. از ديدگاه مقاومت ، حضور معادلة ACI318 ، براي مينيمم نسبت فولاد حلزوني ، مي تواند بطور ايمن ، استفاده شود ، البته براي ستونها با وزن و مقاومت نرمال و به همان سان براي ستونها با مقاومت – كم (پايين) . بتنِ سبك وزن ، اگر بطور سنگين بارگذاري شود ، شكسته خواهد شد و فشار حاصله را كاهش يا تخفيف مي دهد . براي ستونهاي سبك وزنِ تقويت شده بطور حلزوني ، مارتينز ، پيشنهاد  مي كند معادلة توسطِ  جايگزين شود و معادلة  بايد توسطِ   جايگزين شود . اين تفاوت در ميانگين عملكرد معادلة  مهم است كه در ACI318 مشخص شده و بايد مجدداً مورد آزمايش قرار گيرد . بنظر مي رشد ، ستونهاي بتني سبك وزن نياز به 2.5 بيشتر فولاد حلزوني دارد تا تطبيق (مطابق) كردن ستونهاي وزن نرمال براي رضايت مورد نياز مقاومت بعد از پوشش لاشة سنگ ، كه به ACI318 منعكس شده ، نياز ندارند . شايد كاربرد حلزونهاي سنگين ، مورد سوال واقع شوند . هيچگونه توافق عمومي بر كارآيي فولاد حلزوني براي بهبود بخشيدن شكل پذيري ستونهاي بتني مقاومت – بالا ، وجود ندارد ، و اينكه ، افزايش يافتن تغيير طول نسبي محدود شده و مسطح شدنِ شيب منفي مربوط به منحني تنش و تغيير طول نسبي در نقطة پيكِ تنش ، مشاهده مي شود . يك مقاله مربوط به احمد شاه ، نشان مي دهد كه ، محدود شدن حلزوني در مسطح كردن شيب منفيِ منحني تنش و تغيير طول نسبي ، براي ستونهاي بتني با مقاومت – بالا و همينطور ستونهاي بتني با مقاومت – پايين ، تأثير گذار است . تحقيقات دانشگاه كرنل حاكي از آن است كه ، منحني هاي تنش و تغيير طول آزمايشي براي مقاومت هاي مختلفِ ستونهاي بتني با وزن نرمال و طبيعي با تقويت كنندة حلزوني متفاوت ، نشان داده شده است. سه گروه منحني ، توسط سه سطح مقاومت بتن با مطالعه ، مشخص شده اند . هر يك از اين گروهها ، از سه مجموعه منحني ، تشكيل شده كه با سه مقدارِ مختلفِ تقويتِ جانبي ، منطبق شده اند .

هر مجموعه از منحني ها ، با خط افقي ، ميانگين تطبيق مقاومت ستونِ تقويت نشده را ، نشان مي دهد ، براي مشخص كردن ستونهاي محدود شدة ويژه يا خاص . منحني ها، براي ستونهاي بتني با مقاومت – بالا ، NC167 هستند كه داراي كارآيي مفيد در محدودة تنشِ 767 پسا (5MPa) مي باشند ، كه با منحني هاي ستونهاي بتني و با مقاومتِ – پايين تر NC163 همراه با كارآيي مفيد در محدودة تنش پسا (6MPa) مقايسه شده اند . عملكرد متفاوت آنان ، بوضوح آشكار است ، در نتيجه نه تنها كشش (افزايش طول) در بتن با مقاومت بالا در پيك (اوج) قرار دارد ، بلكه اين كشش در بتن با مقاومت پايين ، به حد قابل ملاحظه اي پايين مي آيد . در واقع ، اين حقيقتي است كه حتي براي ستونهاي NC169 نيز ، همراه با تنش زيادِ 2500  پسا ديده شده است . بر اساس شواهدِ قابل دسترس ، مي توان نتيجه گرفت كه ، احتمالاً ستونهاي بتني با مقاومت – بالا و چگالي نرمال ، زمانيكه همراه با فولادِ كششي همراه مي باشند ، مي توانند مقاومتِ مورد نياز را بخوبي نشان داده و اين پيش بيني را بخوبي در معادلات ، منعكس كنند ، اما مشخصه هاي (خصوصيات) پيكِ تنش ، احتمالاً جهت مقايسه با ستونهايي با مقاومت – كم ، ناكافي وضعيت مي باشد . طراحيِ ستونهاي بتنيِ سبك وزن همراه با فولاد حلزوني ، بايد با دقت بسيار ، صورت گيرد . مسئلة مهم و جالب ديگر ، ارتباط داشتن ستونهاي تقويت شدة حلزوني است كه بطور كلي ، سطح تنش تقويت شده با حلزونهاي طراحي شده ، منطبق شده و اينكار توسطِ AC1318 ، انجام مي شود و بايد متذكر شد كه ، ستونهايي كه با چنين چيزي تقويت نشده اند ، داراي مقاومتِ كافي نيستند . در ستونهايي كه داراي قطر بزرگتر هستند ، تنش محدوده ، بطور چشمگيري كاهش مي يابد ، بنابر فرضيه هاي اصولي ، اين مقدار ثابت مي ماند . اين موضوع مستقيماً پيرو معادلة مي باشد . براي ستونهاي بزرگتر ، نسبت Ag/A ، بسيار كوچكتر شده ، در نتيجه ، نسبتِ فولاد حلزوني مورد نياز كوچكتر و كارآيي تنشِ محدوده نيز بطور متناسبي كوچك مي شود . تنش محدوده ، كه توسط حلزونهاي طراحي شده ACI318 ، براي بتن ها با مقاومت بالا و كم ، در 15in و 50  ، توليد شده و قطرهاي ستون اصلي ، مقايسه شده اند .

تست ها و آزمايش ها ، نشان مي دهند حتي ستونها با مقاومت پايين يا كم ، تنش محدوده را ، از 238 به 83 پسا (psi) ، كاهش داده و (1.64 تا 0.57MPa ) بدست آمده تحت نظر ACI318 ، يك ستون با ظرفيت بسيار بالاي كشش ، توليد خواهد كرد ، بدون اينكه ، مقاومتِ خويش را از دست بدهد . براي بتن با مقاومت بالا ، شاهد كاهش تنش محدوده از 825 به 263 پسا ، هستيم كه موجب توليد يك ستون با ظرفيت كشش بدونِ حداكثرِ نقطة پيك ، مي شود . حتي در تنش محدودة بالا (پسا) 825  ، يك ستون با مشخصة نامطلوب همراه با اُفتِ مقاومت بعد از تنش پيك ، توليد مي شود . علاوه بر اين بعضي از داده ها يا اطلاعاتِ آزمايشي و تجربي در اين ستونها با مقاومت – بالا ، قابل دسترس هستند و از تيرهاي اتصالي و جانبي استفاده مي كنند ، تا از حلزونها .

بارگذاري مكرر (چندگانه) :

بتن با مقاومت – بالا ، بطور نسبي فارغ از گسستگي (شكاف) داخلي مي باشند ، حتي در بارگذاريِ اصلي ، البته زمانيكه بارگذاري بطور يكنواخت صورت گرفته باشد . از طرف ديگر ، گزارش شده بتن با مقاومتِ – بالا داراي شكنندگي بيشتري است تا بتن با مقاومتِ – پايين (كم) و اين كمبود مربوط به شكل پذيري و پيشرفت تدريجيِ رشدِ شكاف ها (ترك) ، است . برخي از پژوهش هاي تجربي نشان مي دهد كه ، فرسودگي ضرورتاً ، بستگي به مقاومت و تراكم (فشردگي) دارد . تحقيقات اَخير ، حاكي از آن است ، نقص و عيب در بتن و در خصوص بارگذاري مكرر ، مي تواند بطور تقريبي توسط بتنِ مربوط به پوش منحني ، صورت گيرد و مستقيماً با منحني و افزايش طول نسبيِ ، منوتونيك كوتاه – مدت ، ارتباط دارد . براي بتن با مقاومت – بالا ، هر كاربرد بارگذاري ، موجب آسيب كمتر مي شود . هر چند ، تعداد چرخه ها (دوره ها) جهتِ داشتن نقص ، زياد چشمگيري نمي باشند ، و اين بدليل شيب خميدگي بزرگتر است كه مربوط به پوش منحني (منحني محاطي) پيك مي باشد . با اينكه كارهاي مهمي در اين خصوص ، صورت گرفته ، اما مجدداً پژوهش و تحقيقاتِ بيشتري نياز است كه به جنبه هاي بتن با مقاومت – بالا ، بپردازد ، البته بدون در نظر گرفتن محدودة فولاد و يا فرآيند بارگذاري مكرر و مختلف ، قبل از طراحي ، بايد به توصيه هاي مطرح شده عمل كرد .