دانلود رایگان مقاله رفتار تنش-کرنش چرخه ای میلگرد با در نظر گرفتن تأثیر کمانش

خلاصه

         انتظار می رود که طی زلزله های بزرگ، میلگرد های طولی المان های سازه ای بتن مسلح ممکن است متحمل کرنش کششی و فشاری بزرگی به طور چرخه ای شود. به دلیل فاصله ناکافی میلگرد عرضی، این بارگذاری چرخه ای در محدوده غیر الاستیک ممکن است منجر به کمانش میلگرد ها شود. با اینکه این مسئله توسط چندین محقق بررسی شده است، بیشتر این مطالعات بر پایه رفتار یک جهته است. در این مطالعه، میلگرد ها مطابق با استاندارد ASTM 706 ساخته شدند. این نمونه ها تحت بارگذاری یک جهته کنترل شده با کرنش محوری و بارگذاری چرخه ای محوری آزمایش شدند. آزمایشات تا خرابی نمونه ها انجام شدند، در همه نمونه ها گسیختگی تحت بارگذاری فشاری بود. برای مطالعه تأثیر نسبت فاصله تکیه گاه جانبی (Sh) به قطر میلگرد (D) روی پایداری بتن، آزمایشات با نسبت های Sh/D 2.5، 4، 6 و 8 انجام شدند. بر اساس مشاهدات صورت گرفته از رفتار کمانشی میلگرد ها تحت بارگذاری چرخه ای، یک روشی برای پیش بینی آغاز کمانش پیشنهاد شد. استفاده از این روش، همراه با یک مدل آنالیزی پیشنهاد شده در ادبیات فنی برای رفتار چرخه ای میلگرد، نتایجی به دست می دهد که مطابقت خوبی با نتایج آزمایشگاهی به دست آمده از این مطالعه دارد.

معرفی

         نتایج به دست آمده از آنالیز ممان-انحناء برای ارزیابی عملکرد المان های بتن مسلح مهم می باشد. در این نوع آنالیز، دانستن رفتار تنش-کرنش میلگرد با در نظر گرفتن اثر کمانش لازم است.

         اگر چه مسأله پایداری میلگرد توسط چندین محقق مطالعه شده است، بیشتر این مطالعات بر اساس رفتار یک جهته صورت گرفته و تحقیقات محدودی، رفتار چرخه ای میلگرد را با در نظر گرفتن اثر کمانش آن صورت گرفته است. (Monti and Nuti 1992; Mander et al. 1994; Suda et al. 1996; Pantazopoulou 1998).).همچنین قابل ذکر است که در بیشتر مطالعات پایداری میلگرد، به دو دلیل پراکندگی قابل توجهی در بار آزمایشگاهی با کمانش میلگرد مورد انتظار است: (1) تغییرپذیری تعریف بار کمانشی فقط بر اساس مشاهدات و (2) مشکل بودن اندازه گیری کرنش های میلگرد در عضو بتنی بعد از تسلیم. این فاکتورها باید هنگام ارزیابی داده های موجود مرتبط با پایداری میلگرد یا انجام تحقیق جدید درباره موضوع، در نظر گرفته شوند.

          عوامل متعددی در آغاز کمانش میلگرد طولی المان بتن مسلح تأثیر دارد، مثل تأثیر میلگرد محیطی در مهار آرماتور، مقاومت بتن پوشش در برابر خرد شدگی، یا تورم جانبی بتن هسته در کرنش های فشاری بالا. ارزیابی تأثیر این عوامل و رابطه آنها از برنامه این مطالعه خارج است. این مقاله بر مطالعه مسئله پایداری میلگرد با در نظر گرفتن فقط رفتار چرخه ای آرماتور و طول مهار نشده آن، هدف گذاری شده است. نتایج یک بررسی عددی و آزمایشگاهی انجام یافته در دانشگاه بین المللی مکزیکو روی پایداری آرماتور در اینجا شرح داده شده است. بر اساس این نتایج، روشی برای ارزیابی رفتار تنش-کرنش چرخه ای آرماتور با در نظر گرفتن اثر کمانش آن، پیشنهاد شد.

نمودار یک جهته(یکنواخت) فشاری:

         آزمایش میلگرد تحت فشار کمتر از آزمایش در کشش بوده است. این به دلیل مشکلات اضافی ذاتی انجام آزمایش فشاری است. کمبود اطلاعات کافی در آزمایش فشاری میلگرد های کوتاه ممکن توضیح دهنده این باشد که چرا اغلب آزمایشات روی پاسخ لرزه ای سازه های بتن مسلح بر پایه این فرض صورت گرفته است که نمودار تنش-کرنش یکنواخت یک میلگرد کوتاه در فشار برابر و مخالف نمودار متناظر در تنش می باشد. با این حال نتایج آزمایشگاهی نشان داده اند که هنگام استفاده از تعریف معمول تنش(با استفاده از سطح مقطع اولیه)، این نمودار ها متفاوتند. (Mander et al. 1984; Dodd and Restrepo 1995). Dodd and Restrepo (1995) فهمیدند که در سیستم مختصات طبیعی، که برای محاسبه آنی مساحت المان به کار می رود، نمودار های کشش و فشار برابر و مخالف هم هستند. بر اساس این یافته ها، آن ها تنش فشاری ، fcs، و کرنش فشاری، Ɛcs، را به صورت زیر تعریف کردند.

رفتار چرخه ای میلگرد های کوتاه

        چندین نویسنده مدل های عددی را برای پیشبینی رفتار تنش-کرنش چرخه ای میلگرد ها در غیاب کمانش پیشنهاد کرده اند.(Mander et al. 1984; Dodd and Res Restrepo1995). مدل پیشنهاد شده توسط Dodd و Restrepo اثر بوشینگر را به وسیله یک نمودار نرم شده توصیف می کند که بر پایه ی داده های جمع آوری شده از میلگرد های تولید شده در نیوزیلند می باشد. این مدل از هندسه ی آنی میلگرد ها استفاده می کند. مدل پیشنهاد شده توسط Mander و همکاران اثر بوشینگر را در نظر گرفته و رفتار تنش-کرنش چرخه ای را با استفاده از چند قانون از نمودار های اسکلت برای حالت چرخه ای همراه با موارد کشش و فشار، تعریف می کند. شکل 3 نشانگر نتایج با استفاده از این مدل و نتایج آزمایشات چرخه ای روی میلگرد های تولید شده در مکزیکو در صورت عدم وجود کمانش می باشد. مقایسه این نمودار ها نشان می دهد که تطابق خوبی بین نتایج عددی و آزمایشگاهی وجود دارد.

کمانش آرماتور

        چندین مطالعه عددی و آزمایشگاهی در گذشته روی کمانش آرماتور صورت گرفته شده است. با این حال، بیشتر این تحقیقات با در نظر گرفتن بارگذاری یک جهته و هم تئوری مدول کاهش یافته یا مماسی انجام گرفته اند.تحقیقات محدودی روی پایداری میلگرد تحت بارگذاری چرخه ای صورت گرفته است. در سال 1992 آقایان مونتی و نوتی یک مدل عددی برای پیشبینی رفتار چرخه ای میلگرد با در نظر گرفتن کمانش پیشنهاد کردند. این مدل بر اساس نتایج یک سری آزمایش یک جهته و چرخه ای روی آرماتور بوده و نیازمند کالیبره کردن چندین پارامتر با استفاده از داده های به دست آمده از آزمایش چرخه ای روی میلگرد می باشد. Pantazopoulou1992  مکانیزم کمانش آرماتور طولی را در المان های RC مورد مطالعه قرار داد و نشان داد که نیازمند در نظر گرفتن اندرکنش بین اثربخشی میلگرد عرضی، فاصله آنها، ظرفیت تغییرشکل هسته، و قطر میلگرد می باشد. با یک آنالیز شواهدات تجربی، این نویسنده قوانین تجربی طراحی برای فاصله خاموت ها جهت جلوگیری از کمانش آرماتور های طولی پیشنهاد کرد. با این حال، چون کرنش کمانشی مشاهده شده فقط در مطالعات اندکی مشاهده شد، پایان سودمندی اعضاء از مشاهدات پاسخ کلی به دست آمد. اینست که، کرنش کمانشی به طور مستقیم در نظر گرفته نشد.

        Suda و همکاران فقط مطالعه عددی و آزمایشگاهی شناخته شده توسط نویسندگان در رابطه با پایداری میلگرد در المان های RC تحت بارگذاری چرخه ای انجام دادند. آنها آزمایش چرخه ای روی ستون های RC را انجام دادند که در آن میلگرد ها دارای سیستم جدیدی برای اندازه گیری کرنش ها بعد از مرحله تسلیم بودند. نتایج این تحقیق نشان دادند که میلگرد های طولی در المان های RC در بارگذاری چرخه ای ممکن است وقتی کمانش کنند که میلگرد تحت تنش فشاری و در محدوده کرنش کششی باشد. بر اساس یافته های آنها، suda و همکاران یک مدلی برای نمایش رفتار چرخه ای میلگرد در المان های RC پیشنهاد کردند.

ABSTRACT

         It is expected that during strong earthquakes, longitudinal reinforcing steel in reinforced concrete structural elements may undergo large tension and compression strain reversals. Because of insufficient tie spacing, this repeated loading into the inelastic range may lead to buckling of steel reinforcing bars. Even though this problem has been studied by several researchers, most of these studies have been based on monotonic behavior. In this research, steel coupons were machined from steel reinforcing bars conforming to most of the ASTM A 706 specifications. These specimens were tested under axial-strain-controlled monotonic and reversed cyclic axial loading. The tests were performed until the specimens failed, in all cases under compressive loading. To study the effects of the ratio of spacing of lateral supports (Sh) to bar diameter (D) on reinforcement stability, tests were performed for Sh /D ratios of 2.5, 4, 6, and 8. Based on observed buckling behavior in reinforcing bars under cyclic (reversed) loading, a procedure is proposed for predicting onset of buckling. The use of this procedure, along with an analytical model proposed in the literature for the cyclic behavior of reinforcing steel, gave results that were in good agreement with experimental results obtained in this study.

INTRODUCTION

        Results from moment-curvature analysis are important for evaluating the seismic performance of reinforced concrete (RC) elements. In this type of analysis, it is necessary to know the stress-strain behavior of reinforcing steel that includes the effect of buckling.

         Even though the problem of reinforcement stability has been studied by several researchers, most of these studies have been based on a monotonic behavior, and limited research has been conducted considering the cyclic behavior of reinforcing bars including buckling (Monti and Nuti 1992; Mander et al. 1994; mention that in most studies of reinforcement stability, a con-Suda et al. 1996; Pantazopoulou 1998). It is also worthy of siderable scatter on the experimental load associated with buckling of reinforcing steel is expected for two reasons: (1) the variability of defining the buckling load based only on observation and (2) the difficulty in measuring strains in reinforcing bars in a concrete member after yielding. These factors have to be considered when evaluating existing data related to reinforcement stability or when conducting new research on the subject.

         Several factors affect the onset of buckling of reinforcing bars in RC elements, such as the hoop influence on restraining a longitudinal bar, the splitting strength of cover concrete, or the lateral expansion of the concrete core at large compressive strains. The evaluation of the influence of these factors and their relationships is outside the scope of this investigation. This paper is aimed at studying the problem of reinforcement stability considering only the cyclic (reversed) behavior of re- inforcing steel and the unsupported length of reinforcement. Results of an analytical and experimental investigation on re- inforcement stability conducted at the National University of Mexico are described here. Based on these results, a procedure is proposed for evaluating the cyclic (reversed) stress-strain behavior of reinforcing steel including the effect of buckling.

Compression Monotonic Curve

        Testing of reinforcing steel under compression has been less frequent than testing under tension. This is because of the ad- ditional difficulties in performing compression tests, mainly caused by potential buckling problems, inherent in this type of test. The lack of sufficient information on compressive test- ing of short reinforcing bars might explain why most studies on the seismic response of RC structures have been performed based on the assumption that a monotonic stress-strain curve of a short reinforcing bar in compression is equal and opposite to the corresponding curve in tension. However, experimental results have shown that when using the common definition of stress (which uses the initial cross-sectional area of the element), these curves are different (Mander et al. 1984; Dodd and Restrepo 1995). Dodd and Restrepo (1995) have found that in the natural coordinate system, which takes into account the instantaneous cross-sectional area of the element, the compression and tension curves are equal and opposite. Based on this finding, they defined the compressive stress, fcs, and compressive strain, cs, as follows.

CYCLIC BEHAVIOR OF SHORT REINFORCING BARS

        Several authors have proposed analytical models for estimating the cyclic stress-strain behavior of reinforcing bars in the absence of buckling (Mander et al. 1984; Dodd and Restrepo 1995). The model proposed by Dodd and Restrepo (1995) describes the Bauschinger effect by means of a softened curve and is based on data collected from reinforcing steel manufactured in New Zealand. This model uses the instantaneous geometry of the reinforcing bars. The model proposed by Mander et al. (1984) considers the Bauschinger effect and defines the cyclic stress-strain behavior using several rules for reversal from skeleton curves associated to the tension and compression cases. Fig. 3 shows results using this model and results of cyclic tests on Mexico manufactured reinforcing bars in the absence of buckling. A comparison of these curves shows a good agreement between the analytical and experimental results.

BUCKLING OF REINFORCING BARS

         Several experimental and analytical investigations have been conducted in the past on buckling in reinforcing bars. However, most of these investigations have been performed considering monotonic loading and either the reduced or tangent modulus theory (Bresler and Gilbert 1961; Mander et al. 1984; Scribner 1986; Papia et al. 1988; Mau 1990; Watson et al. 1994). Limited research has been done on the stability of reinforcing bars under cyclic (reversed) loading. Monti and Nuti (1992) have proposed an analytical model for predicting the cyclic behavior of reinforcing bars including buckling. This model is based on results of a series of monotonic and cyclic tests on steel rebars and requires the calibration of several parameters using data from cyclic tests on reinforcing bars. Pantazopoulou (1998) has studied the mechanics of longitudinal bar buckling in RC elements and has shown the need to consider the interaction between tie effectiveness, tie spacing, core deformation capacity, and bar diameter. From an analysis of experimental evidence, this author has proposed design empirical rules for the tie spacing required to prevent buckling of longitudinal reinforcement. However, since the observed buckling strain was reported in only a few of the reviewed studies, the end of the member’s usefulness was obtained from global response observations. That is, buckling strain was not considered directly.

        Suda et al. (1996) have performed the only analytical and experimental study known of by the writers regarding the instability of reinforcing bars in RC elements under cyclic loading. They performed cyclic (reversed) loading tests on RC columns in which the reinforcing bars had a new instrumentation system for measuring strains beyond the yielding stage. Results of this research indicate that longitudinal bar buckling in RC elements subjected to cyclic (reversed) loading might occur when the bars are under a compressive stress in a tensile strain range. Based on their findings, Suda et al. (1996) have proposed a model for representing the cyclic behavior of steel reinforcing bars in RC elements.

خلاصه

معرفی

رفتار یک جهته تنش-کرنش میلگرد

نمودار یک جهته کشش

نمودار یک جهته(یکنواخت) فشاری:

رفتار چرخه ای میلگرد های کوتاه

کمانش آرماتور

برنامه تجربی و روش انجام آزمایش

آزمایشات یک جهته در فشار

تعریف شروع کمانش

نتایج تجربی

آزمایشات چرخه ای     

تعریف آغاز کمانش

روش پیشنهاد شده برای پیشبینی آغاز کمانش

روش ارزیابی نمودارهای تنش-کرنش چرخه ای میلگرد با در نظر گرفتن کمانش

نتایج

منابع

ABSTRACT

INTRODUCTION

MONOTONIC STRESS-STRAIN BEHAVIOR OF REINFORCINGSTEEL

Tension Monotonic Curve

Compression Monotonic Curve

CYCLIC BEHAVIOR OF SHORT REINFORCING BARS

BUCKLING OF REINFORCING BARS

EXPERIMENTAL PROGRAM AND TESTING PROCEDURES

MONOTONIC TESTS IN COMPRESSION

Definition of Onset of Buckling

CYCLIC TESTS

Definition of the Onset of Buckling

Proposed Procedure for Predicting Onset of Buckling

Procedure for Evaluating Cyclic Stress-Strain Curves of Reinforcing Bar Considering Buckling

Example Application of Use of Proposed Procedure for Modeling Compressive Steel Behavior

CONCLUSIONS

REFERENCES