رویکرد مدل‌سازی 3 بعدی FE دقیق برای اتصالات تیر-ستون

وظیفه ارزیابی و ارتقاء سازه های موجود مورد توجه مهندسین عمران قرار گرفته است. این امر به ویژه زمانی صادق است که عملکرد سازه هایی که با رویدادهای خطرناکی مانند زلزله مواجه هستند باید به طور دقیق ارزیابی شود. با توجه به دانش نسبتاً فقدان در مورد تقاضای لرزه ای و مقاومت سازه های بتن مسلح (RC)، زمانی که اولین کدها به اجرا درآمدند، به عنوان مثال ACI 318-51 [1]، ACI 318-63 [2] یا NZS 95. :1955 [3]، اکثر سازه های RC موجود در سراسر جهان چندین ویژگی جزییات غیر لرزه ای را نشان می دهند.

یکی از کاستی های اصلی در این سازه ها مقاومت برشی ناکافی و عملکرد ضعیف اتصالات تیر و ستون است. در مورد بارهای قائم، تقاضای تنش برشی در اتصالات تیر و ستون نسبتاً کم است به طوری که توجه خاصی به رفتار غیر خطی اتصال داده نشده است. با این حال، چندین زمین لرزه گذشته نشان داده اند که اتصالات سازه های غیر لرزه ای طراحی شده (NSD) مستعد شکست به صورت شکننده هستند که به نوبه خود ممکن است منجر به از بین رفتن یکپارچگی سازه شود [4]، [5]، [6] ]، [7]، [8]، [9]، [10]. این امر به این واقعیت نسبت داده می شود که تحت بارهای افقی، گرادیان بالای نمودار لنگر خمشی در عرض اتصال، تنش های برشی بالایی را ایجاد می کند [11]، [12]، [13]، [14]، [15]. علاوه بر این، این واقعیت که در سازه‌های NSD موجود، مقدار آرماتور عرضی در اتصال، در صورت وجود، بسیار کم است، اتصالات تیر-ستون را بیشتر مستعد شکست تحت برش اتصال می‌کند. یکی دیگر از جزئیات غیر لرزه ای معمولی، لنگر ناکافی میلگردهای طولی تیر به اتصالات است. شکست پیوند مرتبط با لغزش نسبی زیاد بین بتن و میلگرد تقویت کننده به دلیل برگشت بارهای چرخه ای زیاد منجر به از دست دادن شدید سختی سازه می شود [6، [13]، [16]، [17]. در نتیجه، کاستی‌ها در سازه‌های NSD متعدد در سراسر جهان، تقاضای بالایی برای ارزیابی دقیق و تکنیک‌های نوآورانه تعمیر و مقاوم‌سازی اتصالات تیر-ستون ایجاد می‌کند. یکی دیگر از جزئیات غیر لرزه ای معمولی، لنگر ناکافی میلگردهای طولی تیر به اتصالات است. شکست پیوند مرتبط با لغزش نسبی زیاد بین بتن و میلگرد تقویت کننده به دلیل برگشت بارهای چرخه ای زیاد منجر به از دست دادن شدید سختی سازه می شود [6، [13]، [16]، [17]. در نتیجه، کاستی‌ها در سازه‌های NSD متعدد در سراسر جهان، تقاضای بالایی برای ارزیابی دقیق و تکنیک‌های نوآورانه تعمیر و مقاوم‌سازی اتصالات تیر-ستون ایجاد می‌کند. یکی دیگر از جزئیات غیر لرزه ای معمولی، لنگر ناکافی میلگردهای طولی تیر به اتصالات است. شکست پیوند مرتبط با لغزش نسبی زیاد بین بتن و میلگرد تقویت کننده به دلیل برگشت بارهای چرخه ای زیاد منجر به از دست دادن شدید سختی سازه می شود [6، [13]، [16]، [17]. در نتیجه، کاستی‌ها در سازه‌های NSD متعدد در سراسر جهان، تقاضای بالایی برای ارزیابی دقیق و تکنیک‌های نوآورانه تعمیر و مقاوم‌سازی اتصالات تیر-ستون ایجاد می‌کند.

در گذشته، چندین بررسی تجربی در مورد تقویت اتصالات تیر-ستون NSD انجام شده است. نمونه‌های معمولی از تکنیک‌های مقاوم‌سازی عبارتند از پوشش اتصال با بتن مسلح [10] یا استفاده از پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف (FRP) [4، [5]، [6]، [16]. اخیراً، لی و سانادا (2017) [18] اتصالات تیر-ستون خارجی را که توسط دیوارهای بال RC تقویت شده بودند، آزمایش کردند. دیوار بال طبق دستورالعمل ژاپنی برای مقاوم سازی ساختمان های RC با لنگرهای ریخته گری به عناصر قاب (ستون و تیر) متصل شد [19]. نویسندگان شروع یک شکاف مخروط بتنی را هنگامی که دیواره بال تحت کشش عمل می کرد مشاهده کردند، به شکل 1a مراجعه کنید.

به جای تقویت مفصل، روش هایی ارائه شده است که در آن مفصل واقعاً محافظت می شود، با ایجاد یک مسیر جدید برای جریان نیرو در اطراف آن با استفاده از بند های مورب. هنگامی که چنین محلول مقاوم سازی در نظر گرفته شده است استفاده شود، باید اطمینان حاصل شود که هیچ شکست برشی در تیر و ستون رخ نمی دهد، زیرا تقاضای برشی در محل بند ممکن است به طور قابل توجهی افزایش یابد.

هدف این راه حل مقاوم سازی کاهش تقاضای تنش برشی در اتصال و جابجایی لولای پلاستیکی به تیر است که باید به دلیل تسلیم شدن فولاد تقویت کننده شکست بخورد. مقدار نیروی محوری منتقل شده از طریق مورب ها به سختی نسبی تیر و المان هانگ بستگی دارد [9].

تمایز اصلی بین راه‌حل‌های مقاوم‌سازی حفره‌دار در نوع اتصال هانج فولادی مورب به عناصر قاب RC یافت می‌شود. برخی از نمونه های برجسته عبارتند از اتصال با میله های بسته شده خارجی [14]، [20]، [21] یا با میخ هایی که از طریق دوغاب پایه اپوکسی ثابت شده اند [22]. اکبر و همکاران (2020) [23] آزمایش‌های میز لرزشی را بر روی قاب‌های RC مقاوم‌سازی شده با قاب‌های بتن مسلح (RC) انجام داد. میله‌های تقویت‌کننده در بند به تیر و ستون از طریق سوراخ‌های پر از اپوکسی لنگر انداخته بودند. همانطور که در شکل 1c نشان داده شده است، بیان شد که بند ها تحت تکان شدید از تیر و ستون جدا شده اند.

یک راه‌حل مقاوم‌سازی نسبتا کم تهاجمی توسط Genesio (2012) [7] و Sharma (2013) [9] با نام راه‌حل مقاوم سازی کامل Haunch (FFHRS) پیشنهاد شده است. المنت مورب هانچ فولادی به صفحات فولادی جوش داده می شود که با استفاده از بست های پس از نصب به ستون و تیر متصل می شوند. آنها عملکرد FFHRS را بر روی اتصالات تیر-ستون خارجی طراحی شده غیر لرزه ای با انواع مختلف اتصال دهنده های پس از نصب، یعنی پیچ های بتنی، لنگرهای انبساط و لنگرهای باند بررسی کردند. نتایج تجربی به وضوح نشان داد که کارایی FFHRS به شدت به عملکرد اتصال دهنده ها بستگی دارد. مهمتر از آن، اگرچه مقدار یکسان ظرفیت مخروط بتن برای هر نوع لنگر مورد انتظار بود، اما هر نمونه عملکرد متفاوتی را نشان داد و با حالت شکست متفاوت شکست خورد. در نتیجه، می توان استنباط کرد که تنها یک رویکرد مبتنی بر نیرو برای ارزیابی واقع بینانه و پیش بینی عملکرد لنگرها کافی نیست. بنابراین، رویکردی که بتواند به عملکرد بست در ارزیابی و طراحی لرزه ای توجه لازم را داشته باشد، ضروری است [24]. خرابی مخروط بتنی اتصال بند بالایی که به ستون لنگر انداخته شده است را می توان در شکل 1b مشاهده کرد.

در یک مطالعه تجربی دیگر، Marchisella و همکاران. (2021) [25] عملکرد FFHRS را در اتصالات تیر-ستون سه بعدی از جمله وجود تیرهای عرضی و دال ریخته گری یکپارچه بررسی کردند. در نمونه S03، مورب های فولادی با پیچ های بتن متصل به تیر و ستون متصل شدند. گزارش شده است که لنگرها در ستون به دلیل ترکیبی از مخروط بتن و خروج شکست خورده اند. آنها به این نتیجه رسیدند که اثر دال باید در طراحی محلول مقاوم‌سازی در نظر گرفته شود، زیرا دال در خمش شرکت می‌کند و مقاومت خمشی تیر، تقاضای برشی مشترک و همچنین تقاضای لنگرها را افزایش می‌دهد.

در سطح سازه، FFHRS مورد استفاده برای مقاوم‌سازی اتصالات سازه‌های قاب آزمایش‌شده تحت بارهای دینامیکی در آزمایش میز لرزش عملکرد عالی نشان داد و حالت شکست را می‌توان از شکست برشی اتصالات تیر-ستون به تسلیم خمشی تیرها تغییر داد [26]. ]. یک مدل عددی کلان در چارچوب رویکرد پلاستیسیته متمرکز توسط شارما (2013) [9] برای پیش‌بینی رفتار لرزه‌ای اتصالات مقاوم‌سازی شده با FFHRS با در نظر گرفتن رفتار غیرخطی لنگرها پیشنهاد شد. با این حال، مدل به چندین فرض و یک پایگاه داده بزرگ برای در نظر گرفتن رفتار لنگر نیاز دارد. یک راه جایگزین و پیشرفته برای محاسبه ویژگی های فنر برای گروه لنگرهای متصل کننده عنصر هانچ می تواند با استفاده از مدل فنر غیرخطی توسعه یافته توسط Bokor، Sharma و Hofmann (2019) [27] باشد.

ذبیحی و همکاران (2018) [28] یک مدل تحلیلی برای پیش‌بینی استحکام نهایی و همچنین حالت شکست زیرمجموعه‌های مشترک تیر-ستون مقاوم‌سازی نشده و زیر مجموعه‌های مقاوم‌سازی‌شده با FFHRS پیشنهاد کرد. یک مطالعه موردی بر روی یک قاب سه طبقه RC در مقیاس کامل انجام شد و مشخص شد که استفاده از یک هاچ مورب تک به جای بند دو طرفه مورب می‌تواند موثرتر باشد. با این حال، در رویکرد ارزیابی سلسله مراتب مقاومت پیشنهادی، شکست لنگرگاه اتصال بند به عناصر قاب در نظر گرفته نشده است، که می تواند کاملا غیر محافظه کارانه و گمراه کننده باشد.

برای درک بهتر رفتار در اتصالات تیر-ستون، انجمن پژوهشی سعی کرده است از روش‌های عددی استفاده کند که روش المان محدود (FE) برجسته‌ترین روش است. می توان بیان کرد که روش FE ابزار مفیدی برای به دست آوردن بینش محلی از نظر کرنش ها، تنش ها و تغییر شکل ها در بتن و فولاد بوده است. علاوه بر این، به عنوان جایگزینی برای آزمایش‌های پرهزینه مرتبط با پیکربندی‌های نصب آزمایشی نسبتاً پیچیده، به‌ویژه برای اتصالات تیر-ستون سه بعدی عمل می‌کند. با این وجود، چنین روش هایی باید با احتیاط مورد استفاده قرار گیرند و به طور انتقادی تأیید شوند. با بیان متفاوت، قابلیت تجزیه و تحلیل FE برای تکرار آزمایش‌ها با دقت بالا به دقت خود رویکرد مدل‌سازی FE بستگی دارد.

از یک طرف، روش‌های مدل‌سازی FE در اتصالات تیر-ستون ساخته شده که در ادبیات ارائه شده‌اند کاملاً به خوبی تثبیت شده‌اند و می‌توانند رفتار برشی غیرخطی اتصال را به‌طور واقع‌بینانه ثبت کنند [7]، [9]، [29]، [30]. ]، [31]، [32]، [33]. همچنین، روش FE به درک بهتر تأثیر اعضای خارج از صفحه مانند تیرهای عرضی و دال بر روی اتصالات سه بعدی ساخته شده کمک کرده است [16]، [29]، [31]، [32]، [33]، [34]، [35]، [36]، [37]. از سوی دیگر، همانطور که در پاراگراف‌های بعدی بحث خواهد شد، مدل‌های FE در اتصالات تیر-ستون مقاوم‌سازی شده، ساده‌سازی‌های خاصی را نشان می‌دهند که منجر به دقت متفاوت می‌شود. تعداد کمی از این ساده‌سازی‌ها، فرض ارتباط کامل بین مواد مقاوم‌سازی و بتن، رفتار از پیش تعریف‌شده لنگرها و محدودیت‌های تنها در پروتکل‌های بارگذاری یکنواخت است. با این حال، همانطور که توسط یافته های تجربی اثبات شده است، محتمل ترین نقص در تکنیک های مقاوم سازی به دلیل ارتباط بین مصالح مقاوم سازی و بتن است. این واقعیت ضرورت مدل‌های دقیق FE را با رویکرد مدل‌سازی واقع‌بینانه اتصال افزایش می‌دهد.

این کار یک روش جدید FE را برای راه حل مقاوم سازی بند کاملاً بسته (FFHRS) توصیف و ارائه می کند، که در آن مورب های فولادی با لنگرهای پس از نصب به تیر و ستون متصل می شوند. این رویکرد شامل غیر خطی بودن کل سیستم مانند رفتار غیرخطی لنگرها، بتن و فولاد تقویت کننده است.

برای اولین بار در برابر دو آزمایش بر روی اتصالات تیر-ستون دو بعدی NSD، که در آن هاون ها به اعضای ساختاری با لنگرهای چسبیده متصل می شوند، تأیید می شود. متعاقبا، این مطالعه عملکرد محلول مقاوم‌سازی تک و دو لنگه و رفتار FFHRS را در اتصالات تیر-ستون سه بعدی که در آن تیرهای عرضی و دال وجود دارد، مقایسه می‌کند.