بتن غلطکی

گرایش سازه های هیدرولیکی

چکیده:

دیر زمانی از شروع ساخت سد های بتن غلتکی نمی گذرد: ولی در همین مدت کوتاه به علت سرعت بالای ساخت، هزینه های اجرایی پایین و ایمنی برابر با سدهای بتنی کلاسیک ساخت این گونه سدها مقبولیتی عام یافت. در سال های اخیر ساخت سدهای بتن غلتکی در دستور کار متولیان صنعت آب کشور قرار گرفت که سد جگین به عنوان اولین سد بتن غلتکی در ایران مراحل پایانی ساخت خود را می گذراند بر آن شدیم تا با تهیه این مقاله به طراحی این نوع از سد را با مشخصات بتن غلتکی آشنا کنیم. نویسندگان این مقاله مطلب خود را عاری از اشتباه ندانسته و از انتقادهای سازنده خوانندگان استقبال می کنند.

1ـ کلیات

مشخصات بتن غلتکی سخت شده شبیه بتن های حجیم است. تفاوت این دو نوع بتن، عمدتا به علت میزان کم آب بتن غلتکی، حجم فضاهای خالی و میزان کم سنگدانه یا سایر مشخصات مواد افزودنی است. به دلایل ذکر شده در زیر محدوده مشخصات بتن غلتکی از بتن حجیم وسیع تر است:

1ـ کاربرد محدوده وسیعی از سنگدانه ها با کیفیت متفاوت در بتن غلتکی

2ـ وجود میزان پایین تری از مواد سیمانی در بتن غلتکی

3ـ مقدار قابل توجهی از مواد پر کننده معدنی (فیلر) در بتن غلتکی

اگر کیفیت مصالح یا تراکم تغییر قابل توجهی داشته باشد تنوع در مشخصات بتن غلتکی از بتن حجیم بسیار بیشتر خواهد بود. در این فصل توضیحات کاملی راجع به مشخصات بتن غلتکی سخت شده شامل: مقاومت، مشخصات الاستیک، ظرفیت کرنش کششی، خزش، تغییر حجم، مشخصات حرارتی، نفوذ پذیری، چگالی و دوام ارائه شده است.

1ـ1ـ آزمایش

بعضی از مشخصات بتن غلتکی با استفاده از نتایج آزمایشگاهی و برخی توسط تجربه های مهندسی تعیین می شوند. تعدادی از این مشخصات مانند مدول الاستیسیته خزش و ظرفیت کرنش کششی بدون انجام آزمایش به سختی قابل تخمین زدن هستند. زمانی که مکان انجام آزمایش به صورت کامل نیست، بهترین شیوه استفاده از نتایج آزمایش های ساده و معتبر سایر پروژه ها می باشد. مشخصاتی که از نتایج آزمایشگاهی به دست می آیند باید نشان دهنده مشخصات مصالح مخلوط بتنی باشند. در صورت امکان مشخصات مصالح باید از نمونه مغزه گیری شده تعیین شود.

اختلاف در مشخصات بتن غلتکی به علت پراکندگی اطلاعات حاصل از آزمایش تفاوت رفتار واقعی مصالح و آنچه توسط مدل های عددی پیش بینی می شود و اختلاف های مورد انتظار بین مخلوط های آزمایشگاهی و واقعی در حین ساخت است و می تواند توسط مطالعات پارامتریک که از ترکیب حد بالا و پایین مشخصات تعیین کننده در طراحی استفاده می کنند محاسبه شود. سرعت ساخت و تجربه عملی استفاده از مقاومت طراحی 1 ساله نشان می دهد که سازه های بتن غلتکی قبل از رسیدن به مقاومت طراحی بارگذاری می شوند بنابراین باید دقت بیشتری در انتخاب مصالح بتن غلتکی لحاظ شود.

2ـ1ـ مقاومت و مشخصات الاستیک

مقاومت و مشخصات الاستیک بتن غلتکی مانند بتن حجم با توجه به نوع و مصالح و نسبت آنها در مخلوط تغییر می کند. کیفیت مصالح سنگی و میزان مواد سیمانی فاکتورهای اصلی تاثیر گذار بر مقاومت و مشخصات الاستیک هستند. ولی این مشخصات بیشتر بستگی به کنترل مخلوط در محل و نظارت بر عملیات بتن ریزی دارد.

مشخصات مورد نیاز برای آنالیز لرزه ای بتن غلتکی شامل مقاومت کششی، مقاومت برشی، مدول الاستیسیته، نسبت پواسن و چگالی است. به جز چگالی، بقیه مشخصات به تغییرات کرنش وابسته هستند. نرخ تغییر کرنشی که در هنگام زلزله ای بزرگ رخ می دهد هزاران بار بزرگتر از کرنشی است که در آزمایشگاه روی نمونه اعمال می شود.

2ـ مقاومت

مقاومت فشاری کششی و برشی در این قسمت مورد بررسی قرار می گیرد. مقاومت کششی در این قسمت مورد بررسی قرار می گیرد مقاومت کششی در ادامه به بخش های:

1- مقاومت کششی مستقیم

2- مقاومت کششی مستقیم درزه ها

3- مقاومت کششی گسیختگی

4- مقاومت خمشی

5- مقاومت کششی دینامیکی

و مقاومت برشی به دو قسمت:

1- مقاومت برشی بتن غلتکی

2- مقاومت برشی درزه ها تقسیم می شود.

تعیین مقاومت بتن غلتکی همانند بتن حجیم است و تنها تفاوت در روش های تحکیم نمونه بتن غلتکی است. مقاومت بتن غلتکی بستگی زیادی به درجه تراکم نمونه کیفیت سنگدانه و میزان مواد سیمانی دارد. آزمایش مقاومت بتن غلتکی بر روی نمونه های متراکم شده یا نمونه های مغزه گیری شده از سازه اصلی یا سازه آزمایشی انجام می شود. تفاوت بتن غلتکی با بتن حجیم در سطوح افقی ضعیف بتن غلتکیاست که در هنگام ساخت به وجود می آیند. در این درزه ها مقاومت کششی و برشی عموما از بدنه اصلی کمتر می باشد.

تراکم کافی و مناسب برای تمام قسمت های بتن غلتکی لازم است. برای یک نسبت اختلاط مشخص تراکم مناسب زمانی اتفاق می افتد که بیشتر از 5/1% هوا در فضاهای خالی وجود نداشته باشد. 5% هواس محبوس به علت تراکم ناکافی باعث کاهش 30 درصدی مقاومت و 20% هوای محبوس در فضاهای خالی باعث کاهش 80درصدی مقاومت می شود. تراکم مخلوط بتن غلتکی مشکل بوده و در اکثر موارد تراکم ناکافی رخ میدهد که این امر باعث کم شدن مقاومت از حد مطلوب می شود. در برخی موارد اضافه کردن آب به مخلوط بسیار خشک افزایش مقاومت را در بر دارد.

سنگدانه هایی که باعث ایجاد مقاومت بالا می شوند همیشه بهترین مواد برای بتن غلتکی با بتن حجیم نیستند. در برخی از پروژه ها استفاده از سنگدانه هایی با مقاومت طبیعی پایین تر بتن غلتکی با میزان خزش مطلوب مدول الاستیسیته پایین و ظرفیت کرنش کششی مناسب تولید می کند. هر چند استفاده از چنین سنگدانه هایی باعث کاهش مقاومت کششی و مشخصات برشی می شود که فاکتورهای مهمی برای سازه های واقع در مناطق لرزه خیز می باشند. استفاده از سنگدانه های نامرغوب یا مصالح نا متعارف که حد مقاومت دراز مدت آن غیر قابل پیش بینی است یا به طور کلی استفاده از مقاومت بتن غلتکی در سنین پایین برای پیش بینی مقاومت دراز مدت آن باید با احتیاط صورت گیرد. استفاده از پوزولان در بتن غلتکی روند کسب مقاومت را کند می کند ولی مقاومت نهایی بالاتری را نتیجه می دهد. برخی از ترکیبات بتن غلتکی بسته به شکل دانه بندی درجه تراکم و میزان جدا شدگی ممکن است مشخصات غیر همسانگردی نسبت به بتن حجیم از خود نشان دهند. آزمایش های انجام گرفته بر روی بتن غلتکی بیان کننده این مطلب است که معمولا نمونه های مغزه گیری شده عمودی مقاومت بیشتری نسبت به نمونه های مغزه گیری شده افقی دارند. در موارد بسیار محدودی عکس این نتیجه مشاهده شده است.

در بتن معمولی رفتار غیر همسانگرد به جمع شدن شیره بتن زیر سنگدانه ها نسبت داده می شود در بتن غلتکی رفتار غیر همسانگرد به دلیل بخش شدن و جهت گیری سنگدانه ها در نتیجه پخش شدن و تراکم لایه های افقی می باشد.

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