آزمایش مهاربند کمانش تاب ( تمام مقیاس)

آزمایشsubassemblageمرکزتحقیقات راه مسکن وشهرسازی

آزمایشsubassemblageمرکزتحقیقات راه مسکن وشهرسازی


آزمایش تمام مقیاس مهاربند کمانش تاب شرکت کیان در آزمایشگاه سازه  مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی

کلیات نمونه

با توجه به امکانات آزمایشگاهی نمونه ی مهاربند کمانش تاب درون یک قاب 3*3  شکل 1 قرار گرفت . این نمونه برای بار رفت و برگشتی 60 ton  طراحی شده است که با توجه به جانمایی مهاربند نیروی محوری مهاربند برابر می شود با :

𝑃𝑢𝑙𝑡=60 ÷sin45°=84.6 𝑡𝑜𝑛 بدون در نظر گرفتن ضرایب طراحی آیین نامه ای و با فرض تنش حد نهایی فولاد ساختمانی برابر با 3700 کیلوگرم بر سانتی متر مربع ، سطح مقطع موردنیاز مهاربند برابرست با:

𝐴𝑟𝑒𝑞=84.6 ÷3.7=23 𝑐𝑚2

با در نظر گرفتن ضریب اطمینان و امکان خطا در تجهیزات آزمایشگاهی و به منظور اطمینان از رسیدن به تنش حد نهایی مهاربند میزان سطح مقطع هسته مهاربند 20 سانتی متر مربع فرض گردید .در این حالت حد نهایی نیروی محوری مهاربند برابر 74 تن می باشد.

به دلیل اینکه مهاربند به منظور آزمایش در آزمایشگاه طراحی می شود و هدف نهایی بررسی رفتار هیسترزیس مهاربند می باشد ، در طراحی مهاربند ، تنها ظرفیت نهایی آن مد نظر قرار گرفت و الزامات ایین نامه ای مربوط به تغییر مکان و کرنش بیشینه لحاظ نشده است.

شکل 1 – قاب همراه مهاربند کمانش تاب

مهاربند های کمانش تاب معمولا از هسته فولادی جهت تسلیم ، غلاف فولادی جهت جلوگیری از کمانش ، بتن و فضای خالی تشکیل می شوند . هسته می تواند مقاطعی همچون ورق مسطح ، T شکل و یا صلیبی شکل باشد. هسته باید طوری ساخته شود که بتواند چرخه های پایدار را ایجاد کند . هسته مهار بند مانند نمونه کششی دارای ناحیه جاری شدن با مقطع کاهش یافته در قسمت میانی  طول خود می باشد. بدین ترتیب می توان اطمینان حاصل کرد که رفتار غیر الاستیک به  ناحیه ای از مهاربند که در برابر کمانش مقید شده است محدود می گردد.  ناحیه تسلیم باید دارا ی سطح مقطع ثابت باشد  به طوریکه کرنش پلاستیک به صورت یکنواخت در امتداد طول تسلیم توزیع شود. علاوه بر این انتخاب طول تسلیم باید به صورتی باشد که کرنش های اضافی مهاربند منجر به شکست هسته نشود. در خارج از ناحیه تسلیم سطح مقطع در ناحیه انتقالی افزایش پیدا می کند در این نواحی نیز به طور نسبی از کمانش جلوگیری می شود اما پس از اینکه ناحیه تسلیم دچار سخت شدگی کرنشی می شود هم چنان الاستیک باقی می مانند .این ناحیه به دلیل سطح مقطع بزرگتر دچار تسلیم نمی شود . ناحیه  اتصال در هر دو انتهای مهاربند  برای جلوگیری از کمانش موضعی و سهولت اجرای جوش و پیچ به تیرها و ستونهای اطراف تقویت می شوند.

برای حذف کمانش کلی در فشار، هسته فولادی درون غلافی از جنس فولاد قرار می گیرد و درون این غلاف با بتن پر می شود .

قبل از ریختن بتن،  یک فاصله ، بین هسته فولادی و بتن،  برای کمینه کردن یا کاهش انتقال نیروی محوری از هسته فولادی به غلاف و بتن در نظر گرفته می شود . در این فاصله از موادی مثل لاستیک ها ، پلی اتیلن ، گریس ، سیلیکون و یا نوار ماستیک می توان بهره برد . ضخامت و قابلیت این مواد باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا برای انبساط هسته تسلیم شونده در فشار جای خالی وجود داشته باشد ولی اگر این فضای خالی بزرگ باشد دامنه کمانش و خمیدگی مربوط به هسته مرکزی فولادی زیادتر شده و باعث می شود عمر مهاربند دراثر خستگی کاهش یابد . از طرف دیگر اثر پواسون نیز باعث می شود هسته فولادی تحت فشار منبسط شده با بتن  قرار گیرد که در حقیقت فضای خالی بین هسته فولادی و بتن برای کاهش اثرات این افزایش حجم در نظر گرفته شده است. در شکل 2 شکل کلی مهاربند کمانش تاب و در شکل 3 ابعاد نمونه مورد آزمایش نشان داده شده است.

شکل 2 – جزئیات هسته و ابعاد مهاربند کمانش تاب

شکل 3 – ابعاد نمونه مهاربند کمانش تاب

به منظور استفاده حداکثر از ظرفیت مهاربند در تحمل نیروی جانبی همچنین به جهت الاستیک ماندن قاب و پلاستیک شدن مهاربند کمانش تاب اتصال قاب به کف مفصلی در نظر گرفته شده است . برای اتصال کف ستون به صفحه تکیه گاه از جوش گوشه با بعد 4 میلی متر استفاده شده است و صفحه تکیه گاه با پیچ و نبشی به منظور مقاومت بیشتر به تکیه گاه همانند شکل 4 متصل شده است . تکیه گاه نیز با پیچ های پر مقاومت به تیر کف متصل شده است . اتصال تیر و ستون نیز مفصلی در نظر گرفته است اما به منظور جلوگیری از حرکت خارج از صفحه دو تیر به عنوان مهار جانبی در تراز فوقانی قاب گذاشته شده است.

شکل 4 – جزئیات تکیه گاه مفصلی مهاربند کمانش تاب

مشخصات مصالح

برای هسته از ورق به ضخامت 25 میلی متر و عرض 8 و 21 سانتی متر به ترتیب در ناحیه تسلیم و اتصال )شکل 5( و برای غلاف پیرامونی هسته از قوطی فولادی به ابعاد 25 × 25 سانتی متر و ضخامت 4 میلیمتر استفاده شده است .  مشخصات و ابعاد مصالح فولادی در جدول 1 و مشخصات بتن مصرفی در جدول 2 آورده شده است.

ضخامتcm (t)  عرضb (cm)مدول یانگ E (Mpa)تنش تسلیم فولاد Fy (Mpa)
2.58210000235
0.425210000235

جدول 1 – مشخصات مصالح فولادی

𝑲𝑵 𝛄𝒄 (𝒎𝟑)مدول یانگ E (Mpa)مقاومت فشاری مشخصه بتن 𝒇c (Mpa)
252292.8784721

جدول 2 – مشخصات بتن مصرفی

شکل 5 – جزئیات ابعاد هسته مهاربند کمانش تاب

چیدمان آزمایش

شکل 6 و 7 نمای کلی و نحوه چیدمان کرنش سنج ها و تغییرمکان سنج ها را نشان می دهد .

شکل 6 – نمای کلی نمونه مورد آزمایش مهاربند کمانش تاب

شکل  7 – نقشه ابزارگذاری آزمایش

همان طور که در شکل نشان داده شده است مهاربند بین دو پایه قائم موجود در آزمایشگاه قرار گرفته و جک های هیدرولیکی ، بار یا جا به جایی مورد نظر را در تراز تیر فوقانی نمونه با آن وارد می کنند . همچنین در این شکل موقعیت پروفیل هایی که تامین کننده مهارجانبی تیرفوقانی نمونه ها بوده و از تغییر شکل خارج از صفحه آن جلوگیری می کند . نشان داده شده است .

در شکل 7 ابزارگذاری و نحوه چیدمان کرنش سنج ها و تغییر مکان سنج ها نشان داده شده است . لازم به ذکر است که برای نمایش جک وارد کننده بار ، تغییر مکان سنج و کرنش سنج به ترتیب از حروف D ، L  و U استفاده شده است .

بارگذاری آزمایش مهاربند کمانش تاب

بار محوری به صورت رفت و برگشتی از طریق جک های هیدرولیکی افقی به نمونه وارد شده است . با محوری تحت بارگذاری کنترل شده بر اساس جا به جایی )displacement    control (به منظور کنترل کردن جا به جایی در طول آزمایش به نمونه وارد شده است .  نمونه در 19 سیکل  به صورت رفت و برگشتی مطابق جدول 3 بارگذاری شد .

Cycle NumberDrift(mm)Cycle NumberDrift(mm)
1±2.2511±𝟒𝟓
2±2.2512±𝟒𝟓
3±4.513±𝟔𝟎
4±4.514±𝟔𝟎
5±915±𝟒𝟓
6±916±𝟒𝟓
7±1517±𝟔𝟎
8±1518±𝟔𝟎
9±3019±𝟗𝟎
10±30  

جدول 3 – سیکل های آزمایش

در طی فرآیند بارگذاری توسط جک های هیدرولیکی ، مقادیر بار اعمالی و جا به جایی قاب به صورت پیوسته اندازه گیری شده است . به علاوه کرنش  سنج ها و تغییر مکان سنج های نصب شده مقدار تغییر شکل را در نقاط مختلف قاب مهاربند اندازه گیری کرده اند . این کرنش ها و جابه جایی ها به طور پیوسته توسط دستگاه داده نگار ضبط شده اند . )

شکل 8 – دستگاه داده نگار

مشاهدات آزمایش

از جمله مزیت های مهاربندهای کمانش تاب رفتار چرخه ای متقارن آن در کشش و فشار و خاصیت جذب انرژی آن است که در حین آزمایش توجه ویژه ای به آن شده است . با افزایش نیرو و مقاومت مهاربند در کشش و فشار خاصیت جذب فشار جذب انرژی مهاربند کمانش تاب به وضوح مشاهده گردید . با افزایش روند بارگذاری افزایش ظرفیت مهاربند در کشش و فشار مشهود بود.  شکل 11 در نهایت در سیکل 19 در جا به جایی  55.95 میلی متر در فشار  با خرابی تکیه گاه بار گذاری  بدون آسیب دیدن مهاربند و قاب متوقف شد که حاکی از مقاومت بالای مهاربند های کمانش تاب و عملکرد مطلوب آن در بارگذاری های رفت و برگشتی می باشد.    در خرابی تکیه گاه افت مقاومت ورق در اثر حرارت ناشی از جوشکاری بی تاثیر نمی باشد. در سیکل 17 قاب نیروی طراحی 60 تن را در جا به جایی 68.76 میلی متر در فشار تحمل کرد که سالم ماندن قاب و مهاربند در انتهای آزمایش نشان دهنده ی این است که مقاومت نمونه بیشتر از بار طراحی می باشد.

شکل 11 – افزایش ظرفیت مهاربند کمانش تاب

تحلیل رفتار نمونه

جهت مقایسه برخی خواص سازه ای نظیر سختی ، مقاومت ، شکل پذیری، ضریب اضافه مقاومت و ضریب رفتار لازم است تا منحنی چندخطی نیرو – جا به جایی بر منحنی پوش هر یک از نمونه ها برازش داده شود . برای استخراج منحنی چند خطی رفتار نمونه ها ، روش های اشاره شده در آئین نامه های  13-ASCE41 و FEMA P695 مورد استفاده قرار گرفته است . روش اشاره شده در آئین نامه 13-ASCE41 برای محاسبه مقادیر سختی و مقاومت و روش اشاره شده در آئین نامه FEMA P695 برای محاسبه شکل پذیری ، ضریب اضافه مقاومت و ضریب رفتار.

در شکل14 راهکار ارائه شده در آئین نامه  13-ASCE41 نشان داده شده است . در این روش منحنی حاصله سه خطی خواهد بود . خط اول منحنی چند خطی نیرو – جابه جایی از مبدا شروع شده و شیبی برابر با سختی جانبی موثر ، K𝑒 ، دارد . سختی جانبی موثر ،  K𝑒 برابر است با سختی محاسبه شده برای نمونه در نیرویی معادل 60% مقاومت تسلیم موثر سازه .مقاومت تسلیم موثر  V𝑦 ، نبایست بزرگتر از برش پایه حداکثر قرائت شده در منحنی نیرو – جا به جایی در هیچ نقطه ای باشد . خط دوم باید نمایانگر شیب مثبت پس از تسلیم  𝛼1𝐾𝑒 باشد . این شیب با ترسیم خطی بین)𝑉𝑑, ∆𝑑) و ترسیم خط اول به دست می آید به نحوی که سطح زیر منحنی واقعی با منحنی دوخطی حاصله با هم برابر باشد) . 𝑉𝑑, ∆𝑑) نقطه ای روی منحنی رفتار واقعی نمونه است که بیانگر نقطه هدف جابه جایی ، یا جا به جایی معادل با حداکثر برش پایه هر کدام که کمتر است می باشد . خط سوم می بایست نمایانگر شیب منفی پس از  تسلیم 𝛼2𝐾𝑒 باشد که دو انتهای آن با نقطه های) 𝑉𝑑, ∆𝑑) ، و نقطه ای که برش پایه به 60% مقاومت تسلیم موثر می رسد محدود می شود.

شکل 14 – روش ارائه شده جهت چند خطی سازی رفتار نمونه ها طبق آئین نامه  13-ASCE41

در شکل15 روش ارائه شده در آئین نامه FEMA P695 نشان داده شده است . در این روش ، منحنی حاصله دوخطی خواهد بود

. خط اول منحنی دو خطی از مبدا شروع شده و شیبی برابر با سختی اولیه دارد . بدیهی است خط اول در اولین نقطه ای که تسلیم در نمونه اتفاق می افتد از منحنی رفتار واقعی نمونه جدا خواهد شد . این خط تا مقاومت برشی حداکثر نمونه ، V𝑚𝑎𝑥 ، ادامه خواهد یافت . خط دوم به صورت افقی از انتهای خط اول ترسیم می شود . در این دو خطی سازی ، جا به جایی حداکثر ،

𝛿𝑢 جا به جایی است که در مقاومتی برابر با 80% مقاومت حداکثر نمونه در منحنی رفتار آن قرائت می شود .

شکل 15 –  روش ارائه شده جهت چند خطی سازی رفتار نمونه ها طبق آئین نامه FEMA P695

منحنی چند خطی رفتار نمونه در اشکال شکل16  تا19  نشان داده شده است

شکل 16 – منحنی پوش بخش مثبت حاصل از آزمایش بر اساس آئین نامه  13-ASCE41

شکل 17 – منحنی پوش بخش مثبت حاصل از آزمایش بر اساس آئین نامه FEMA P695

شکل 18 – منحنی پوش بخش منفی حاصل از آزمایش بر اساس آئین نامه  13-ASCE41

شکل 19 – منحنی پوش بخش منفی حاصل از آزمایش بر اساس آئین نامه FEMA P695

قابلیت استهلاک انرژی

از آنجا که قابلیت استهلاک انرژی از ویژگی های اصلی است که در سیستم های مقاوم باربر جانبی حائز اهمیت می باشد ، مقدار

انرژی مستهلک شده محاسبه شده و به صورت تجمعی در مقادیر جا به جایی متفاوت برای نمونه ها اندازه گیری شده است که در شکل 20 نمودار آن آورده شده است .

شکل 20  – منحنی استهلاک انرژی نمونه در جا به جایی های مختلف

سختی سکانت

کاهش سختی از ویژگی های مهمی است که به رفتار لرزه ای مربوط می شود که به دلیل تاثیر پریود طبیعی سازه ها می باشد .

کاهش سختی را می توان به اثر رفتار غیر خطی مهاربند های کمانش تاب نسبت داد . شکل 21 کاهش سختی سکانت نمونه را در روند بارگذاری به وضوح نمایش می دهد .

شکل 20  – منحنی کاهش سختی نمونه در جا به جایی های مختلف

اخبارمطالبمقالات

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *