دانلود رایگان مقاله رفتار ستون های بتن مسلح تقویت شده توسط ژاکت فولادی
چکیده
ستون‌های بتن مسلح اغلب برای افزایش ظرفیت، جهت تحمل بار اعمال‌شده نیاز به تقویت دارند. این تحقیق رفتار ستون‌های بتن مسلح تقویت‌شده توسط تکنیک ژاکت فولادی را بررسی می‌کند. سه متغیر در نظر گرفته شد؛ شکل سیستم تقویت‌کننده اصلی (با استفاده از نبشی، صفحات و مقاطع C)، اندازه و تعداد قیدهای افقی. رفتار و بار شکست ستون‌های تقویت‌شده به‌صورت آزمایشگاهی بر روی هفت نمونه شامل دو نمونه تقویت نشده و پنج نمونه تقویت‌شده موردبررسی قرار گرفت. یک مدل اجزاء محدود برای مطالعه رفتار این ستون‌ها طراحی شد. مدل با استفاده از نتایج آزمایشگاهی وریفای شد. این تحقیق نشان داد که طرح‌های تقویتی مختلف تأثیر عمده‌ای بر روی ظرفیت ستون‌دارند. اندازه قیدهای افقی زیادی بر بار شکست برای نمونه‌هایی تقویت‌شده با نبشی‌ها داشت، درحالی‌که تعداد قیدهای افقی برای نمونه‌هایی تقویت‌شده با ناودان‌های C بودند مؤثرتر بود. سپس با استفاده از برنامه اجزاء محدود ANSYS 12.0 [1] (F.E) رفتار آن‌ها موردبررسی و تحلیل قرار گرفت و وریفای شد. نتایج آزمایش تطابق خوبی بین تست های آزمایشگاهی و مدل‌های اجزاء محدود نشان داد.
مقدمه
سازه‌های بتن مسلح اغلب برای افزایش ظرفیت، جهت تحمل بار اعمال‌شده نیاز به تقویت دارند. این تقویت ممکن است به علت تغییر در کاربری باشد که منجر به بارهای زنده اضافی (مانند تغییر در کاربری تأسیسات از مسکونی به محل اجتماع یا محل ذخیره)، خرابی عناصر حمل بار، اشتباهات طراحی، مشکلات ساخت‌وساز در هنگام نصب، فرسوده‌شدن خود سازه می‌شود و یا بعلت ارتقاء برای تطابق با الزامات استاندارد فعلی (به‌عنوان‌مثال لرزه‌ای) باشد. این شرایط ممکن است نیاز به عناصر بتنی اضافی داشته باشد یا لازم شود کل سازه بتنی تقویت و تعمیر شود و یا ارتقاء داده شود. روش‌های متداول تقویت ستون‌ها عبارت‌اند از: ژاکت بتنی، FRP و ژاکت‌های فولادی. تمام این روش‌ها به‌طور مؤثر افزایش ظرفیت بارمحوری ستون‌ها را نشان می‌دهند.
Julio Garzo´n-Rocaetو همکاران [2]نتایج حاصل از یک سری تست‌های آزمایشگاهی روی نمونه‌های تمام‌مقیاس تقویت‌شده با قفسه آرماتور فولادی شامل شبیه‌سازی اتصال تیر-ستون تحت ترکیب بارمحوری و خمشی را ارائه دادند. سرستون‌هایی به تمام نمونه‌ها برای اتصال قفسه آرماتور بااتصال تیر-ستون توسط مهارهای شیمیایی و یا میله‌های فولادی اعمال شد .مشاهده شد که قفسه فولادی هم بار شکست و هم انعطاف‌پذیری ستون‌های تقویت‌شده را افزایش می‌دهد.
Khair Al-Deen Isam Bsisu [3] یک مطالعه آزمایشگاهی و نظری را در مورد 20 ستون بتن مسلح مربع که با استفاده از روش ژاکت فولادی تقویت‌شده‌اند انجام داد. تمام نمونه‌های آزمایش‌شده تحت بارگذاری محوری مرکزی مورد آزمایش قرار گرفتند. نویسنده نتیجه گرفت که ستون‌های بتن مسلح مربع تقویت‌شده با ژاکت‌های فولادی کامل، مقاومت فشاری را بیش از دو برابر مقاومت ستون اصلی بدون تقویت افزایش داد. همچنين تقویت ستون‌های بتن مسلح با ژاکت‌های فولادی، شکل پذیری ستون تقویت‌شده را افزایش داد.
Pasala Nagaprasad و همکاران [4] یک روش طراحی منطقی را نسبت به قفسه فولادی با در نظر گرفتن اثر محصورشدگی آن روی ستون بتنی ارائه داد. یک مطالعه آزمایشگاهی برای وریفای کردن اثر روش طراحی ارائه‌شده و جزئیات مهارهای قفسه فولادی در نواحی محتمل برای تشکیل مفصل پلاستیک انجام شد. نویسنده به این نتیجه رسید که عملکرد ستون‌های ناکامل در زیر بارگذاری ترکیبی محوری و چرخه‌ای می‌تواند با استفاده از تکنیک قفسه فولادی بدون استفاده از مواد اتصال‌دهنده در فاصله بین ستون بتنی و نبشی‌های فولادی به‌شدت بهبود یابد. روش طراحی ارائه‌شده مؤثر و به‌طور معقولی درست شناخته شد. جزئیات قیدهای انتهایی قفسه فولادی که در منطقه محتمل برای تشکیل مفصل پلاستیک واقع شدند نقش مهمی در بهبود رفتار کلی ستون تحت بارهای جانبی داشتند. افزایش پهنای قیدهای انتهایی به‌طور قابل‌توجهی ظرفیت چرخش پلاستیک و مقاومت آن در برابر بارهای جانبی را افزایش داد؛ بااین‌حال، اثر جزئی بر روی پتانسیل اتلاف انرژی کل داشت.
Rosario Montuori و همکاران [5] یک مدل نظری برای پیش‌بینی رفتار لنگر-انحنای ستون‌های RC مسلح شده با استفاده از نبشی و مهارها را ارائه داده و اعتبارسنجی مدل پیشنهادی را با نتایج تست‌های آزمایشگاهی روی 13 نمونه که تحت نیروی محوری تحت آزمایش قرار گرفتند، ارائه کرد. نتیجه گرفته شد که مدل نظری توانایی خوبی برای پیش‌بینی رفتار ستون‌های تقویت‌شده با نبشی و مهارها ازنظر تغییر شکل و مقاومت نشان داد.
هدف از این پژوهش، تعیین تأثیر پارامترهای زیر بر رفتار ستون تقویت‌شده RC است: شکل سیستم تقویت اصلی (با استفاده از نبشی، صفحات و مقاطع C)، اندازه و تعداد قیود. یک مقایسه بین نتایج تست های آزمایشگاهی و نتایج تحلیلی حاصل از برنامه اجزاء محدود ANSYS 12.0 [1] صورت گرفت.
تست آزمایشگاهی
به‌منظور بررسی اثر پارامترهای ذکرشده در بالا، برروی رفتار ستون تقویت‌شدهRC، یک برنامه آزمایشگاهی برای آزمایش هفت ستون RC با مقاومت فشاری بتن Fcu = 34 N / mm2 انجام شد.
نمونه های تست
تمام ستون‌های آزمایش‌شده با عرض مقطع 200-100 میلی‌متر و ارتفاع 1200 میلی‌متر بودند. نمونه‌ها به دو گروه تقسیم شدند: گروه اول شامل دو نمونه کنترل بدون تقویت و گروه دوم شامل پنج نمونه تقویت‌شده با پیکربندی‌های مختلف ژاکت فولادی است. عناصر فولادی عمودی (زوایا، ناودانی ها و صفحات) با مساحت عرض مقطع یکسان انتخاب شدند. جدول 1 داده‌های ستون‌های تقویت‌شده بتن مسلح را برای همه نمونه‌ها ارائه می‌دهد، درحالی‌که جدول 2 جزئیات تقویت برای هر نمونه را نشان می‌دهد. شکل 1 ابعاد نمونه‌ها و پیکربندی ژاکت فولادی را نشان می‌دهد درحالی‌که شکل 2 نمونه‌های تقویت‌شده را پس از قالب ریزی و نصب قفسه ها نشان می‌دهد.
Abstract
RC columns often need strengthening to increase their capacity to sustain the applied load. This research investigates the behavior of RC columns strengthened using steel jacket technique. Three variables were considered; shape of main strengthening system (using angles, C-sections and plates), size and number of batten plates. Behavior and failure load of the strengthened columns were experimentally investigated on seven specimens divided into two un-strengthened specimen and five strengthened ones. A finite element model was developed to study the behavior of these columns. The model was verified and tuned using the experimental results. The research demonstrated that the different strengthening schemes have a major impact on the column capacity. The size of the batten plates had significant effect on the failure load for specimens strengthened with angles, whereas the number of batten plates was more effective for specimens strengthened with C-channels. Then, by using finite element (F.E) package ANSYS 12.0 [1] their behavior was investigated, analyzed and verified. Test result showed a good match between both experimental tests and F.E models.
Introduction
Reinforced concrete structures often require strengthening to increase their capacity to sustain loads. This strengthening may be necessary due to change in use that resulted in additional live loads (like change in use of the facility from residential to public or storage), deterioration of the load carrying elements, design errors, construction problems during erection, aging of structure itself or upgrading to confirm to current code requirements (seismic for example). These situations may require additional concrete elements or the entire concrete structure to be strengthened, repaired or retrofitted. Common methods for strengthening columns include concrete jacketing, fiber reinforced polymer (FRP) jacketing and steel jacketing. All these methods have been shown to effectively increase the axial load capacity of columns.
Julio Garzo´n-Rocaet et al. [2] presented the results of a series of experimental tests on full-scale specimens strengthened with steel caging including simulation of the beam-column joint under combined bending and axial loads. Capitals were applied to all the specimens to connect the caging with the beam-column joint either by chemical anchors or steel bars. It was observed that steel caging increases both the failure load and ductility of the strengthened columns.
Khair Al-Deen Isam Bsisu [3] performed an experimental and theoretical study on 20 square reinforced concrete columns retrofitted with steel jacket technique. All tested specimens were tested under concentric axial loading. The author concluded that retrofitting square reinforced concrete columns with full steel jackets enhanced the compressive strength more than double the strength of the original column without retrofitting. Also, confinement of reinforced concrete columns with steel jackets enhanced the ductility of the column.
Pasala Nagaprasad et al. [4] presented a rational design method to proportion the steel cage considering its confinement effect on the concrete column. An experimental study was carried out to verify the effectiveness of the proposed design method and detailing of steel cage battens within potential plastic hinge regions. The author concluded that the performance of deficient RC columns under combined axial and cyclic lateral loading can be greatly improved by steel caging technique without using any binder material in the gap between concrete column and steel angles. The proposed design method was found effective and reasonably accurate. Detailing of end battens of the steel cage located in the potential plastic hinge region played an important role in improving the column overall behavior under lateral loads. The increase in width of end battens significantly enhanced the plastic rotational capacity and its resistance to lateral loads; however, it had a minor effect on the overall energy dissipation potential.
Rosario Montuori et al. [5] presented a theoretical model to predict the moment curvature behavior of RC columns confined by angles and battens and the validation of the proposed model by results from experimental testing on 13 specimens tested under axial force. It was concluded that theoretical model showed a good ability to predict the behavior of columns strengthened with angles and battens in terms of both deformation and resistance.
The objective of this research program is to determine the effect of the following parameters on the behavior of strengthened RC column: shape of main strengthening system (using angles, C-sections and plates), size, and number of confining batten plates. A comparison is made between the experimental test results and analytical results obtained through the finite element program ANSYS 12.0 [1].
Experimental testing
In order to investigate the effect of the above mentioned parameters on the behavior of strengthened RC column, an experimental program was carried out to test seven RC columns with concrete compressive strength of fcu = 34 N/mm2.
Test specimens
All tested columns were 200 · 200 mm in cross-section with 1200 mm height .The specimens were divided into two groups: the first group includes two control specimens without strengthening and second group includes five specimens strengthened with different steel jacket configurations. Vertical steel elements (angles, channel and plates) were chosen to have the same total horizontal cross sectional area. Table 1 gives the reinforced concrete column data for all specimens while Table 2 gives strengthening details for each specimen. Fig. 1 shows specimens’ dimensions and steel jacket configuration while Fig. 2 shows the strengthened specimens after casting and jacket erection.
چکیده
مقدمه
تست آزمایشگاهی
نمونه‌های تست
مخلوط بتن و قالب گیری
روش تست
کار تحلیلی با استفاده از مدل اجزاء محدود
تعریف خواص مواد
رابطه تنش-کرنش بتن
پیاده‌سازی مدل ماده
ساخت مدل
شرایط مرزی و بارها
نتایج آزمایشگاهی
حالت‌های شکست و بارهای شکست
عوامل موثر بر بار شکست
شکل ژاکت فولادی
تعداد و اندازه مهارها
عوامل موثر بر رابطه بار-جابجایی
شکل ژاکت فولادی
اثر تعداد و اندازه صفحات مهاری
نتایج تحلیلی
حالت شکست
روابط بار جابجایی و بارهای شکست
مقايسه نتایج آزمايشگاهي و اجزاء محدود تحليلي
نتایج
منابع
Abstract
Introduction
Experimental testing
Test specimens
Concrete mix and casting
Test procedure
Analytical work using finite element model
Defining material properties
Concrete stress strain relationship
Implementation of material model
Building the model
Boundary conditions and loads
Test results
Experimental results
Modes of failure and failure loads
Factors affecting failure load
Shape of steel jacket
Number and size of batten plates
Factors affecting load displacement relationship
Effect of shape of steel jacket
Effect of number and size of batten plates
Analytical results
Modes of failure
Comparison between experimental and analytical finite elements results
Conclusion
References