ستون‌های باکسی پرشده با بتن (CFT)[1] در بسیاری از ساختمان‌ها در جهان استفاده شده‌اند. این سازه‌هابا ارتفاعها و وضعیتهای گوناگون در دو موقعیت بدون نیروهای لرزه‌ای ودر مناطقی که خطر لرزه‌ای بالایی دارند اجرا گردیده اند. این بازبینی کوتاه رفتار ستون‌های پرشده از بتن بامقطع دایره و مربع مستطیل به همراه بادبندها، و خصوصاً متمرکزشده بر رفتار آنها در زمان اعمال بارها به طور لرزه‌ای رفت و برگشتی درنظر گرفته است. این بحث با رفتار ستون‌های پرشده با بتن تحت بارهای محوری و خمش و پیچشی شروع می‌شود و چکیده‌ای از اثرات خزش، جمع‌شدگی و عکس‌العمل کلی ستون‌های پرشده با بتن برای تنش‌های پسماند را نشان خواهد داد. مختصری از رفتار یکنواخت براساس بحث‌های متعاقب تحقیق شده بر روی رفتارسیکلی این ستون‌ها دیده می‌شود. این مقاله از چندین مقاله که در زمین‌های نیروی غیرلرزه‌ای برای محاسبه و طراحی این ستون‌ها کارشده برگرفته شده است.

فهرست مطالب

چکیده ................................................................................................. 1

فصل اول: مقدمه و مفاهیم کلی رفتار ستون‌های پر شده با بتن (CFT)

1- 1 مقدمه .......................................................................................... 3

1-2 رفتار یکنواخت ستون‌های باکسی پرشده با بتن (CFT) (مقاومت محوری و سختی) 5

1-3 مقاومت خمشی و سختی ..................................................................... 7

1-4 مقاومت تیر ستون ............................................................................ 8

1-5 مقاومت پیچشی و سختی .................................................................... 9

1-6 خزش و جمع شدگی در CFTها ............................................................ 10

1-7 تنش پسماند در CFTها ...................................................................... 10

1-8 رفتار چرخه‌ای باکس‌های فولادی پرشده با بتن .......................................... 10

1-9 طراحی ستون‌های باکسی فلزی پر شده با بتن ............................................ 14

فصل دوم: آزمایشات اعضای CFT و نتایج

2-1 بررسی آزمایشات بر روی ستون‌های CFT و نتایج ..................................... 18

2-2 نوع المان و مش بندی در محاسبه ......................................................... 19

2-3 آماده سازی نمونه‌ها .......................................................................... 20

2-4 تجهیزات اعمال بار سیکلی ................................................................. 22

2-5 مدهای خرابی ................................................................................. 22

2-6 نتایج این آزمایشات .......................................................................... 30

فصل سوم: اثرات پیش بارگذاری روی اعضای CFT

3-1 نگاهی به پیش بارگذاری بر ستون‌های فلزی پر شده با بتن ............................ 33

3-2 مطالعات انجام شده بر روی ستون‌های فلزی پرشده بابتن بر اثر پیش بارگذاری ... 33

3-3 تحلیل تئوریک ................................................................................ 37

3-4 تحقیقات آزمایشگاهی ........................................................................ 43

3-5 جزئیات نمونه‌های آزمایش ................................................................. 43

3-6 نتایج آزمایش و مشاهدات ................................................................... 46

3-7 بررسی نتایج دیگر آزمایشات منتشر شده ................................................. 56

3-8 تحلیل المان محدود ........................................................................... 57

3-9 کالیبره کردن و مدلسازی عددی ............................................................ 57

3-10 نتایج عددی .................................................................................. 60

3-11 یک روند گام به گام طراحی .............................................................. 61

3-12 نتیجه‌گیری .................................................................................. 62

فصل چهارم: نکات آیین‌نامه‌ای در طراحی اعضای CFT

4-1 نکات آیین‌نامه‌ای در ستون‌های مختلط .................................................... 65

فصل پنجم: نتیجه گیری

5-1 نتیجه‌گیری .................................................................................... 72

مراجع ................................................................................................ 74

فهرست اشکال

عنوان صفحه

شکل 1-1 پلان سازه سه بعدی بادبندی نشده ................................................... 4

شکل 1-2 دتایل اتصال گیردار تیر ستون ...................................................... 14

شکل 2-1 دتایل قاب‌های تحت آزمایش در نرم افزار آباکوس ............................... 19

شکل 2-2 قرارگیری و مهاربندی قاب‌ها در حین آزمایش ................................... 20

شکل 2-3 دتایل قاب مورد آزمایش .............................................................. 21

شکل 2-4 مدهای خرابی در قاب ................................................................ 22

شکل 2-5تمام نمونه‌های قاب ..................................................................... 23

شکل 2-6 منحنی‌های هیسترزیس بار جانبی – تغییر مکان ................................. 23

شکل 2-7 پوش منحنی‌های بارجانبی – تغییر مکان .......................................... 24

شکل 2-8 منحنی بار جانبی-تغییر مکان قاب SF-22.......................................... 25

شکل 2-9 منحنی ایده آل بار-تغییر مکان ...................................................... 26

شکل 2-10 برآورد ماکزیمم بار حدی جاری شدن قاب ....................................... 26

شکل 2-11 منحنی ضریب استهلاک هم ارزانباشتگی به تناسب تغییر مکان به تغییر مکان جاری شدن 27

شکل 2-12 مقایسه پیش‌بینی و نتایج عددی منحنی بار-تغییرمکان ......................... 28

شکل 2-13مقایسه منحنی بار جانبی-تغییر مکان پیش‌بینی و نتایج عددی ................. 29

شکل 3-1 یک ساختمان چند طبقه تیپ با یک هسته دیوارهای داخلی ..................... 34

شکل 3-2 نشان‌دهنده ستون‌های فولادی لوله ای در اطراف سازه ........................... 34

شکل 3-3 سازه چند طبقه عمومی‌را که بتن در داخل لوله‌های فولادی توخالی آن ........ 35

شکل 3-4 یک ستون مرکب متشکل از لوله مربع شکل فولادی ........................... 40

شکل 3-5 فاکتورکاهش پیش باردرمقابل ضریب لاغری بدون بعد را برای ستون‌های مرکب41

شکل 3-6 تست فشاری بر اساس طول موثر ستون و دتایل‌های اندازه گیری ............. 44

شکل 3-7 نمودار تغییرمکان تحت بار محوری برای CFT-S-40-30P و CFT-S-100-30P46

شکل 3-8 یک تورم ذاتی جداره فولادی در ستون ............................................. 47

شکل 3-9 منحنی بار تغییرمکان برای CFT-S-100-0P و CFT-S-100-30P............... 47

شکل 3-10 منحنی بار تغییرمکان برای CFT-I-40-30P و CFT-I-100-30P.............. 48

شکل 3-11 مود خرابی را نشان می‌دهد ........................................................ 49

شکل 3-12 مود خرابی را نشان می‌دهد ........................................................ 49

شکل 3-13 منحنی بار تغییرمکان برای CFT-I-100-0P و CFT-I-100-30P.............. 50

شکل 3-14 منحنی بار تغییرمکان برای CFT-I-130-40P.................................... 50

شکل 3-15 خرابی در اثر خورد شدن بتن نه بدلیل کمانش کلی معمول ................... 51

شکل 3-16 منحنی بار تغییرمکان برای CFT-L-40-30P و CFT-L-100-30P............ 52

شکل 3-17 منحنی بار تغییرمکان را برای CFT-L-100-0P و CFT-L-100-30P وCFT-L-130-52

شکل 3-18 منحنی بار تغییرمکان را برای CFT-L-100-0P و CFT-L-100-30P وCFT-L-130-53

شکل 3-19 ستون CFT-L-40-30P قبل و بعداز خرابی ...................................... 53

شکل 3-20 مقایسه نتایج آزمایشات و تحلیل المان محدود ................................... 54

شکل 3-21 مقایسه نتایج آزمایشات و تحلیل المان محدود ................................... 55

شکل 3-22 منحنی‌های ارتباط تنش – کرنش تک محوری برای بتن و فولاد ............ 57

شکل 3-23 منحنی‌های ارتباط تنش – کرنش تک محوری برای بتن و فولاد ............ 57

شکل 3-24 مش بندی کلی المان محدود برای بتن و فولاد ................................... 58

شکل 3-25 کاهش ظرفیت محوری ............................................................. 59

شکل 3-26 بار نهایی از شبیه سازی عددی در مقایسه با اعداد بدست آمده ............... 60

فهرست نمودار

عنوان صفحه

نمودار 1-1 مقاومت مقطع ستون پر شده با بتن نرمال شده .................................. 8

نمودار 1-2 منحنی رفتار هیسترزیس بار –تغییر مکان ستون cft.......................... 11

نمودار 1-3 مقایسه طراحی مقاوم اندرکنش برای مقاطع دایره‌ای ومربعی وپر شده با بتن 16

نمودار 2-1 تمام نتایج بارهای جانبی به تغییر مکان ......................................... 24

نمودار 3-1 لوله دایره ای پر شده با بتن و بخش رنج لاغری ستون ........................ 43

نمودار 3-2 نسبت اختلاط بتن .................................................................... 43

نمودار 3-3 مقایسه نتایج آزمایشات و تحلیل المان محدود ................................... 54

نمودار 3-4 مقایسه نتایج آزمایشات و نتایج پیش بینی شده .................................. 55

نمودار 3-5 مقایسه نتایج آزمایشات یکسان سازی.............................................. 56

نمودار 3-6 مقایسه نتایج آزمایشات.............................................................. 60

نمودار 3-7 یکسان سازی نتایج آزمایشات...................................................... 61

در فصل اول این پروژه به آشنایی با مواد FGM پرداخته ایم سپس در فصل دوم با استفاده از روش اجزاء محدود، فرمول بندی جهت تحلیل غیرخطی هندسی تیرهای خمیده ارائه شده است. در فرمول بندی اجزاء محدود تابع شکل برای انحناء بجای تغییر مکانها معرفی شده است. المان تیر خمیده با قوسی از دایره معادل سازی شده و روابط کرنش-تغییر مکان غیرخطی در دستگاه مختصات قطبی نوشته شده است. با دردست داشتن روابط تنش-کرنش و معادلات تعادل، روابط کرنش-انحناء حاصل گردیده که با جانشینی روابط فوق در روابط کرنش-تغییر مکان معادلات دیفرانسیلی که مقادیر تغییر مکان را برحسب انحناء بیان می­دارد بدست آمده است. با در دست داشتن سه انحناء گرهی تابع شکلی از درجه دوم برای انحناء تعریف شده و با استفاده از آن مقادیر تغییر شکلها بر حسب انحناهای گرهی بیان گردیده است، به دنبال آن ماتریس انتقالی ارائه شده، که انحناء گرهی را با تغییر شکلهای گرهی مرتبط می­سازد. سپس انرژی کل المان خمیده به صورت تابعی از انحناء بیان و با کمینه سازی آن رابطه نیرو- تغییر شکل حاصل شده است. از آنجا که روش فوق قادر به منظور نمودن تغییر شکلهای بزرگ، و همچنین تاثیرات نیروهای غشائی و شعاعی در سختی عضو می­باشد، دیگر رابطه نیرو-تغییر شکل خطی نمی­باشد، بدین سبب روش تکرار نیوتن-رافسون جهت همگرایی جواب اختیار شده، و الگوریتمی بر این اساس ارائه گردیده است. با مطالعه چند مثال عددی و مقایسه نتایج بدست آمده با سایر مراجع نشان داده شده است که روش مذکور از دقت، سرعت و کارائی کافی برخوردار است.در فصل سوم تئوری کلاسیک مقاومت مصالح برای تحلیل دینامیکی تیرهای خمیده ضخیم در زمینه مواد تابعی مدرج (FGM) استنباط شده است. فرآیند استخراج شامل ساده سازی دستکاری جبری با استفاده از مفهوم تغییر مکان محور خنثی مواد است.همچنین مطالعات پارامتری بر روی فرکانس­های طبیعی برای نشان دادن تطبیق پذیری از فرمولهای اتخاذ شده با استفاده از راه حل دستی سری توانی ارائه شده است.

فهرست مطالب

چکیده 1

مقدمه 2

فصل اول: آشنایی با مواد FGM 3

(1-1تاریخچه مواد FGM 4

1-2) معرفی مواد تابعی مدرج FGM 5

فصل دوم: تحلیل تیرهای خمیده 13

1-2) معادلات انحنا-جابجایی در دستگاه مختصات قطبی 14

2-2) انتخاب تابع شکل 17

2-3) استخراج رابطه انحناء برحسب انحناهای گرهی 19

2-4) ماتریس انتقال بین انحناهای گرهی و جابجایی­های گرهی 20

2-5) معادله تعادل المان 21

2-6) مطالعات عددی 25

فصل سوم: تحلیل تیرهای خمیده FGM 28

3-1) فرضیه­ ها و تعاریف 29

3-2) معادلات سینماتیک،تنش و کرنش 30

3-3) نیروی محوری و خمشی لحظه­ ای در محور خنثی 31

3-4) ضریب برشی 32

3-5) معادلات حرکت 35

3-6) تحلیل عددی و مقایسه 36

3-7) مدلسازی تیر FGM در جهت ضخامت 44

نتیجه گیری 53

پیوست 1 54

پیوست 2 54

منابع و مراجع 56

فهرست جداول

جدول (1)- نتایج بررسی مثال1 25

جدول (2)- خواص مواد فلزی و سرامیکی 39

جدول (3)- مقایسه فرکانس­ مدلهای مختلف و روش­های عددی 40

جدول (4)- فرکانس انواع مختلف شرایط مرزی با تکیه گاه ساده 40

فهرست اشکال

شکل (1)- تصویر شماتیک ریزساختاری یک ماده تابعی مدرج متشکل از سرامیک-فلز 6

شکل (2)- عکس برداری از مقطع یک ماده تابعی مدرج از جنس Al/si توسط میکروسکوپ نوری 6

شکل (3)- تغییر خواص در برش عرضی پوسته یک صدف 7

شکل (4)- ماده تابعی مدرج با تغییر خواص تدریجی 8

شکل (5)- ماده تابعی مدرج با تغییر خواص پله­ای 8

شکل (6)- توزیع آهن و تنگستن در اثر حرارت 9

شکل (7)- حرارت دادن آهن و فولاد در ماکروویو به اندازه 950 درجه در زمان 3 دقیقه 9

شکل (8)- مولفه جابجائی گره­ای در ابتدا و انتها 14

شکل (9)- مولفه های انحنای گره­ای و بارهای خارجی المان 14

شکل (10)- المان تیر خمیده با درنظر گرفتن جهات قراردادی 15

شکل (11) –نتایج بررسی مثال (2) با 27

شکل (12)- طرحواره­ی یک تیر خمیده 29

شکل 13- طرحی از قوس کم عمق 40

شکل (14)- تغییرات فرکانس با پارامتر c/a با کمان قید شده در 41

شکل (15)- تغییرات فرکانسی با پارامتر c/a با کمان قید شده در 41

شکل (16)- تفاوت درصدی در دو شکل قبل 42