مطالعه تجربی رفتار مقاوم محوری دیوارهای CFST صفحه موجدار چند سلولی

در سال‌های اخیر، سازه‌های کامپوزیت فولاد و بتن به دلیل خواص مکانیکی عالی، به طور گسترده در ساختمان‌های تجاری و مسکونی مورد استفاده قرار گرفته‌اند [1]. به عنوان یک عضو کامپوزیت کارآمد، دیوار کامپوزیت دو پوسته (DSCW) از دو صفحه فولادی بیرونی و بتن پر شده تشکیل شده است که مزایای فولاد و بتن را با هم ترکیب کرده و می تواند یک عمل ترکیبی خوب را تشکیل دهد [2]. از یک طرف، صفحات فولادی بیرونی محصورات بسیار خوبی را بر روی بتن ایجاد می کنند و مقاومت فشاری بتن را افزایش می دهند. از سوی دیگر، بتن پر شده می تواند پشتیبانی جانبی برای صفحات فولادی فراهم کند، که از کمانش موضعی به سمت داخل جلوگیری می کند و عملکرد پایداری صفحات فولادی را بهبود می بخشد. بنابراین، DSCWs نشان داده شد که استحکام بالا، سختی بالا و عملکرد عالی مقاوم در برابر لرزه را نشان می‌دهند.

بر اساس نوع صفحات فولادی، DSCW ها را می توان به دیوارهای کامپوزیت دو پوسته مسطح (FDSCWs) و دیوارهای مرکب دو پوسته پروفیلی (PDSCW) طبقه بندی کرد، همانطور که در شکل 1(a) و (b) نشان داده شده است. تعداد زیادی از مطالعات برای بررسی عملکرد DSCWs انجام شده است. برای FDSCW ها، هو و همکاران. [3] نوع جدیدی از DSCW ها را با المان های مرزی لوله ای فولادی پر شده با بتن مارپیچی مربعی (CFST) با استفاده از بتن با مقاومت بالا معرفی کرد. با توجه به مطالعه تجربی روی 12 نمونه، اثر محصور شدن مارپیچ‌ها می‌تواند به طور قابل‌توجهی رفتار پس از نهایی FDSCWs را بهبود بخشد و الزامات طراحی مارپیچ‌ها پیشنهاد شد. کمانش موضعی صفحات فولادی یکی از مسائل مهمی بود که توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرد. برای جلوگیری از کمانش موضعی صفحات فولادی در مرحله الاستیک، طراحی معقول در آرایش و فاصله اتصال دهنده های برشی مورد نیاز بود. استحکام کمانش موضعی و پس موضعی صفحات فولادی در FDSCW تحت بارهای فشاری ترکیبی دو محوری و برشی درون صفحه توسط لیانگ و همکاران مورد مطالعه قرار گرفت. [4]. رابطه بحرانی کمانش موضعی صفحات فولادی با شرایط مرزی مختلف برای تعیین فاصله مناسب ناودانی‌های برشی پیشنهاد شد. حداکثر مقدار نسبت فاصله گل میخ برشی به ضخامت ورق فولادی توسط Zhang و همکاران پیش‌بینی شد. [5] بر اساس آزمایش های فشرده سازی محوری به همراه برخی از آزمایش های قبلی جمع آوری شده است. مطالعات تجربی توسط شی و همکاران انجام شد. [6] برای بررسی رفتار FDSCWs با خرپاهای فضایی میله فولادی تحت بارهای سیکلی ترکیبی و فشرده سازی محوری.

به دلیل عملکرد پایداری عالی، ورق فولادی موجدار به طور گسترده در سازه ها به عنوان جایگزینی برای ورق فولادی تخت استفاده شده است [7]، [8]. تانگ و همکاران [9]، [10] رفتار PDSCW ها را با صفحات نمای ظاهری ورودی مجدد تحت فشار خارج از مرکز داخل صفحه و خارج از صفحه ارائه کردند. N – M _منحنی های تعامل به صورت نظری با استفاده از روش تحلیل مقطعی به دست آمدند و با توجه به نتایج تحلیل عددی اصلاح شدند. اثرات نسبت ابعاد، نسبت بار محوری و روش تقویت پایین CFST بر عملکرد PDSCWs تحت بارهای ترکیبی محوری و چرخه‌ای توسط ژائو و همکاران انجام شد. [11] از طریق تکنیک های تجربی و عددی. علاوه بر این، استحکام جانبی تحلیلی PDSCWs نیز گزارش شد که تطابق خوبی با نتایج شبیه‌سازی آزمایشی و عددی نشان داد. گوو و همکاران [12] و وانگ و همکاران. [13] تست های پایداری را بر روی PDSCW با مقاطع I شکل و T شکل انجام داد. همراه با نتایج عددی، منحنی های پایداری پیشنهاد شدند. با توسعه مواد، عملکرد PDSCWs با فولاد با عملکرد بالا و مواد مختلف پر شده به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفت. حسین و همکاران [14] آزمایش‌های پسماند را روی PDSCW با کامپوزیت سیمانی مهندسی شده بسیار انعطاف‌پذیر (ECC) و فولاد با مقاومت بالا انجام داد. از نتایج به دست آمد که PDSCW ها در هنگام استفاده از ECC تخریب سختی کمتری را نشان دادند، در حالی که فولاد با مقاومت بالا تأثیر منفی بر شکل پذیری دیوار داشت. پرابها و همکاران [15]، [16] دریافتند که PDSCWs با استفاده از بتن سبک، عملکرد شکل پذیری رضایت بخشی را در مرحله پس از نهایی، هم تحت فشار محوری و هم تحت بارهای برشی چرخه ای از خود نشان می دهند. الطیب و همکاران [17] عملکرد دیوارهای کامپوزیتی را با فوم بتن سبک (LFC) و بتن لاستیکی فوم سبک (LFRC) تحت فشار محوری مقایسه کرد. مشخص شد که استفاده از LFRC می تواند آسیب به PDSCW ها را کاهش دهد.

برای اطمینان از عمل ترکیبی بین صفحه فولادی و بتن پرشده در دیوارهای کامپوزیتی، تعداد زیادی اتصال دهنده برشی مورد نیاز است، از جمله ناودانی برشی [18]، قلاب جی [19]، پیچ میانی [17]، دیافراگم عمودی [20] میله کراوات [21] و غیره. این امر باعث پیچیدگی ساخت و ایجاد تنش پسماند در صفحات فولادی می شود که بر عملکرد مکانیکی دیوارهای کامپوزیت تأثیر می گذارد. نوع جدیدی از دیوار کامپوزیتی به نام دیوار لوله‌ای فولادی پرشده با بتن چند سلولی (M-CFST) برای دستیابی به راحتی و کارایی در فرآیند ساخت و ساز توسعه داده شد که به طور گسترده در عمل مهندسی مورد استفاده قرار گرفته است [22]. همانطور که در شکل 1(c) نشان داده شده است، دیوار M-CFST شامل چندین لوله فولادی سرد شکل U شکل است که به هم جوش داده شده و با بتن پر شده اند. به دلیل اتصالات موثر با صفحات دیافراگمی، استفاده از اعضای اتصال اضافی حذف شد. ژانگ و همکاران [23]، [24] یک مطالعه تجربی بر روی هفت دیوار M-CFST I شکل و پنج دیوار T شکل تحت بارهای جانبی ترکیبی محوری و چرخه ای انجام دادند. مشخص شد که دیوار M-CFST دارای ظرفیت باربری عالی، شکل‌پذیری و عملکرد اتلاف انرژی است. تانگ و همکاران [25] عملکرد لرزه‌ای دیوارهای M-CFST را با پیچ‌های پیوندی مورد مطالعه قرار دادند و نتایج آزمایش نشان داد که منحنی‌های هیسترتیک دوکی‌شکل هستند و اثرات انقباض قابل‌توجهی ندارند. علاوه بر این، یک آزمایش فشرده سازی محوری توسط Guo و همکاران انجام شد. [26] روی شش دیوار M-CFST برای مطالعه پیشرفت آسیب، مکانیسم شکست و مقاومت محوری نهایی. سونگ و همکاران [27] تأثیر نسبت عرض به ضخامت صفحات فولادی و مقاومت بتن بر عملکرد دیوارهای M-CFST تحت فشار محوری را بررسی کرد. ژو و همکاران [28] عملکرد پایداری دیوارهای M-CFST را به صورت تجربی و عددی مورد مطالعه قرار دادند. بر اساس سه نمونه دیوار باریک و نتایج عددی، منحنی پایداری پیشنهاد شد.

با این حال، کارایی اقتصادی دیوارهای M-CFST به دلیل مصرف زیاد مواد فولادی تحت تأثیر قرار گرفت. برای کاهش مصرف مواد فولادی و بهبود راندمان مقاوم در برابر بار، نوع جدیدی از اعضای کامپوزیتی به نام اعضای CFST صفحه موجدار معرفی و در مهندسی عملی به کار گرفته شده بود که صفحات فولادی راه راه و CFST را ترکیب می کند (شکل 2). بر اساس همان جزئیات ساخت و ساز، یک دیوار کامپوزیتی ابتکاری به نام دیوار لوله‌ای فولادی پر شده با صفحات موجدار چند سلولی (MC-CFST) اخیراً همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، پیشنهاد شد. دیوار MC-CFST از ستون‌های CFST و موج‌دار تشکیل شده است. سلول ها به طور متناوب متصل می شوند، جایی که هر سلول موجدار از دو صفحه فولادی موجدار و بتن پر شده تشکیل شده است. از آنجایی که سفتی خمشی حول محور قوی صفحه راه راه حدود 2-3 مرتبه بزرگتر از صفحه تخت با همان ضخامت است، محدودیت نسبت عرض به ضخامت ورق فولادی موجدار می تواند بسیار زیاد باشد. افزایش یافت [29]. علاوه بر این، با توجه به ضخامت کوچک صفحات موجدار 1.0-1.5 میلی متر، تقاضای فولاد را می توان به طور قابل توجهی با استفاده از دیوارهای MC-CFST کاهش داد که منجر به طراحی های اقتصادی می شود.

در این مطالعه، 14 نمونه از دیوارهای MC-CFST با پارامترهای مختلف، از جمله عمق دیوار، عرض سلول‌های موجدار و اشکال صفحات موج‌دار، طراحی و آزمایش شدند تا خواص مکانیکی و حالت‌های شکست دیوارهای MC-CFST را بررسی کنند. اثر محصور شدن صفحات موج‌دار بر روی بتن پرشده در طول کل فرآیند بارگذاری مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و روشی برای محاسبه عرض بحرانی سلول‌های موج‌دار ارائه شد. در نهایت، سه فرمول معمولی مشخص شده در کدهای طراحی فعلی با نتایج تجربی مقایسه می‌شوند تا کاربرد آنها در پیش‌بینی ظرفیت باربری نهایی دیوارهای MC-CFST ارزیابی شود که می‌تواند مرجع مفیدی برای طراحی مهندسی عملی باشد.