رفتار چرخه ای اتصالات کامپوزیتی سیمانی مهندسی سبک وزن تیر-ستون

مزایای اقتصادی بتن سبک (LWC) آن را به یک مصالح ساختمانی مناسب برای استفاده در کاربردهای مختلف سازه تبدیل می کند. طبق ACI 213R03 [1]، LWC باید به چگالی کمتر از 1920 کیلوگرم بر متر ^مکعب و حداقل مقاومت فشاری 17 مگاپاسکال دست یابد، در حالی که استانداردهای طراحی کانادایی [2] مقادیر کمی متفاوت را مشخص می‌کنند و حداکثر چگالی را 1850 کیلوگرم تعیین می‌کنند. / متر ³و حداقل مقاومت فشاری 20 مگاپاسکال. چگالی کم LWC نقش کلیدی در کاهش وزن اجزای سازه (به عنوان مثال، روبنا و زیربنا) ایفا می کند و از این رو بار مرده کمتری در فرآیند طراحی در نظر گرفته می شود. این متعاقباً منجر به کاهش حجم آرماتورهای بتن و فولاد و در نهایت صرفه جویی قابل توجهی در هزینه می شود. جرم کم سازه های LWC همچنین می تواند یکی از الزامات طراحی برای کاربردهای خاص باشد، مانند ساختمان های مرتفع واقع در مناطق زلزله خیز. این به این دلیل است که نیروی ایجاد شده توسط زلزله با جرم سازه نسبت مستقیم دارد و بنابراین با یکسان بودن سایر موارد، سازه سبک تر نیروی کمتری را تجربه می کند و احتمال آسیب کمتری در هنگام زلزله خواهد داشت. با این حال، LWC به دلیل ترد بودن بیشتر از بتن معمولی با وزن معمولی مورد انتقاد قرار می گیرد که در درجه اول به دلیل استحکام نسبتا کم و ساختار متخلخل سنگدانه های سبک مورد استفاده در LWC [3، [4]، [5]، [6] است. این می‌تواند نگرانی‌هایی را در مورد قابلیت اطمینان سازه‌های LWC در طول رویدادهای شدید (مثلاً زلزله) ایجاد کند که سازه‌ها باید دارای سطح خاصی از شکل‌پذیری و ظرفیت اتلاف انرژی باشند. چنین چالشی نیاز به توسعه نسل‌های جدید کامپوزیت‌های سبک وزن با کارایی بالا را برجسته می‌کند که می‌توانند شکنندگی ذاتی LWC معمولی را برطرف کنند و ساخت سازه‌های سبک وزن با عملکرد لرزه‌ای بهبود یافته را امکان‌پذیر کنند. این می‌تواند نگرانی‌هایی را در مورد قابلیت اطمینان سازه‌های LWC در طول رویدادهای شدید (مثلاً زلزله) ایجاد کند که سازه‌ها باید دارای سطح خاصی از شکل‌پذیری و ظرفیت اتلاف انرژی باشند. چنین چالشی نیاز به توسعه نسل‌های جدید کامپوزیت‌های سبک وزن با کارایی بالا را برجسته می‌کند که می‌توانند شکنندگی ذاتی LWC معمولی را برطرف کنند و ساخت سازه‌های سبک وزن با عملکرد لرزه‌ای بهبود یافته را امکان‌پذیر کنند. این می‌تواند نگرانی‌هایی را در مورد قابلیت اطمینان سازه‌های LWC در طول رویدادهای شدید (مثلاً زلزله) ایجاد کند که سازه‌ها باید دارای سطح خاصی از شکل‌پذیری و ظرفیت اتلاف انرژی باشند. چنین چالشی نیاز به توسعه نسل‌های جدید کامپوزیت‌های سبک وزن با کارایی بالا را برجسته می‌کند که می‌توانند شکنندگی ذاتی LWC معمولی را برطرف کنند و ساخت سازه‌های سبک وزن با عملکرد لرزه‌ای بهبود یافته را امکان‌پذیر کنند.

پیشرفت‌های مهم اخیر در فناوری بتن، کلاس‌های جدیدی از کامپوزیت‌های مبتنی بر سیمان با شکل‌پذیری بالا مانند کامپوزیت سیمانی مهندسی شده (ECC) را ایجاد کرد. ECC معمولاً با استفاده از سیمان، مواد سیمانی تکمیلی (یعنی معمولاً خاکستر بادی)، شن و ماسه سیلیس و حجم متوسط ​​تا زیاد الیاف پلیمری با کسر حجمی 2 درصد تولید می شود [7]، [8]، [9]، [10]. مطالعات متعدد ECC را در سطوح کوچک و بزرگ بررسی کردند. برخلاف بتن سنتی، ECC ثابت کرد که خواص کششی منحصر به فردی دارد. تحت کشش تک محوری، ECC معمولاً رفتار سخت شدن کرنش همراه با تشکیل ترک‌های متعدد را نشان می‌دهد [11]، [12]، [13]، که کرنش کششی بیش از 3٪ را نشان می‌دهد (یعنی صدها برابر کرنش کششی که معمولاً در بتن سنتی از 0.00015 تا 0.00025) [7]، [8]. علاوه بر این، مکانیسم پل زدن الیاف در ECC امکان حفظ تنش کششی و برشی بالا را فراهم می کند [14]، [15]، [16]. رفتار ترک خوردگی کنترل شده ECC همچنین دوام بالایی را در برابر نفوذ مواد شیمیایی (به عنوان مثال، کلریدها، سولفات ها) تضمین می کند [17]، [18]، بنابراین محافظت بیشتری برای میله های تقویت کننده فولاد در برابر خوردگی ایجاد می کند. خواص مکانیکی و دوام عالی ECC چندین محقق را برانگیخت تا عملکرد اجزای مختلف ساختاری (به عنوان مثال، تیرها، ستون‌ها، دال‌ها و اتصالات) را که به طور کامل یا جزئی با استفاده از ECC ساخته شده‌اند، بررسی کنند. نتایج به‌دست‌آمده از ادبیات، قابلیت‌های برتر ECC را در بهبود ظرفیت باربری، شکل‌پذیری، اتلاف انرژی و رفتار ترک‌خوردگی ثابت کرد [15، [16]، [19]، [20]، [21]، [22]. ]، [23]، [24]، [25]، [26]، [27]. همینطور،

در ادبیات کنونی، تلاش های مختلفی برای توسعه LWECC با استفاده از پرکننده های سبک انجام شده است. به عنوان مثال، وانگ و لی [28] امکان استفاده از افزودنی حباب هوا، میکرو حباب های پلیمری توخالی، پرلیت سنگدانه های سبک وزن طبیعی و میکرو حباب های شیشه ای را برای تولید LWECC بررسی کردند. با چنین پرکننده های سبک وزن، تولید LWECC با چگالی بین 930 کیلوگرم بر متر مکعب ^تا 1800 کیلوگرم بر متر ^مکعب با استحکام نهایی کششی، ظرفیت کرنش کششی و مقاومت فشاری در محدوده 1.19-4.56 مگاپاسکال، 0.35- امکان پذیر بود. به ترتیب 4.24٪ و 11.8-46.4 MPa. مطالعه دیگری توسط Huang و همکاران. [29] توسعه LWECC را با چگالی 1649-1820 کیلوگرم بر متر ^{مکعب نشان داد.}از طریق استفاده از باطله سنگ آهن و سنوسفر خاکستر بادی به عنوان سنگدانه و پرکننده سبک وزن. مخلوط‌های LWECC توسعه‌یافته در این مطالعه دارای مزیت رسانایی حرارتی کم با ظرفیت کرنش کششی 3.3-4.3٪، مقاومت کششی ترک اول 2.5-3.6 MPa، مقاومت کششی نهایی 4.8-5.9 مگاپاسکال و مقاومت فشاری 25.0- بودند. 47.6 مگاپاسکال ژو و همکاران [13] همچنین از سنوسفرهای خاکستر بادی به عنوان پرکننده برای تولید LWECC با چگالی 1412-1463 کیلوگرم بر متر ^{مکعب استفاده کرد.}و مقاومت کششی و فشاری 28 روزه به ترتیب بین 5.6-6.7 MPa و 30-40 MPa بود. تلاش بیشتری توسط اصلانی و همکاران انجام شد. [30] برای توسعه مخلوط های LWECC با استفاده از میکروکره شیشه ای توخالی همراه با نانوالیاف کربن. رویکرد آنها مخلوط های LWECC را با مقاومت فشاری و خمشی به ترتیب 48 مگاپاسکال و 8 مگاپاسکال در چگالی 1820 کیلوگرم بر متر مکعب به دست آورد ^.. مطالعات دیگر استفاده از لاستیک زباله را به عنوان جایگزینی جزئی برای SS برای کاهش چگالی ECC پیشنهاد کردند [31]، [32]، [33]، [34]، [35]، [36]. نتایج به‌دست‌آمده از این مطالعات، کارایی لاستیک را در توسعه ECC با چگالی کم با بهبود شکل‌پذیری و ظرفیت کرنش ثابت کرد. علیرغم علاقه روزافزون به کاوش پرکننده های سبک وزن مختلف برای توسعه LWECC با خواص مکانیکی و دوام برتر، اکثر مطالعات موجود بر روی سطح مواد (یعنی آزمایش در مقیاس کوچک) متمرکز شده اند در حالی که سطح ساختاری به خوبی بررسی نشده است.

با کمک به این شکاف دانش، مطالعه حاضر عملکرد ساختاری تعدادی از مخلوط‌های جدید LWECC را بررسی کرد. ^{در این تحقیق، مخلوط‌های LWECC با چگالی خشک بین 1740 تا 1835 کیلوگرم بر متر مکعب} با استفاده از الیاف مختلف (به عنوان مثال، الیاف پلی وینیل الکل (PVA) یا الیاف پلی پروپیلن (PP)) و پرکننده‌های سبک وزن (به عنوان مثال، ماسه تخته سنگی سبک وزن) توسعه یافتند. (SL) یا SL ترکیب شده با خرده لاستیک (CR) یا SL ترکیب شده با لاستیک پودری (PR)). مخلوط‌های LWECC توسعه‌یافته برای ساخت مفاصل تیر-ستون خارجی که تحت بارگذاری چرخه‌ای معکوس آزمایش شدند، استفاده شد. عملکرد اتصالات LWECC با دو اتصال ECC با وزن نرمال (NWECC) که با الیاف SS و PVA یا الیاف PP توسعه یافته اند مقایسه شد. یک اتصال تیر-ستون اضافی با استفاده از LWC معمولی با چگالی 1850 کیلوگرم بر متر³ برای مقایسه مورد آزمایش قرار گرفت. عملکرد تمام اتصالات از نظر رفتار هیسترتیک، ظرفیت، سفتی، رفتار ترک خوردگی، شکل‌پذیری و ظرفیت اتلاف انرژی مورد ارزیابی قرار گرفت.