مقاله تحلیلی: ‌محدودیت‌‌ های بار محوری برای شمع‌‌ های پیش‌ تنیده

اخیراً تغییرات قابل‌توجهی در تدابیر طراحی لرزه‌ای برای شمع‌های پیش‌تنیده وجود داشته است. نسخه‌های قبلی انجمن بتن آمریکا ACI 318 با عنوان الزامات آیین‌نامه ساختمان برای سازه‌های بتنی، طراحی لرزه‌ای شمع‌های پیش‌تنیده را در نظر نمی‌گرفت. در حال حاضر هردو ACI 318-19 و IBC 2018 معیار طراحی لرزه‌ای را برای شمع‌های پیش‌تنیده در نظر می‌گیرند و با یکدیگر همخوانی دارند. می‌توان انتظار داشت حال که این تدابیر لرزه‌ای در ACI 318 لحاظ شده است، در نسخه‌های بعدی IBC حذف خواهد شد.

مطابق با الزامات خاص لرزه‌ای، معادلات محصورشدگی جدیدی بر اساس تحقیقی که در دانشگاه ایالت lowa (lSU) انجام‌شده، در هردو ACI 318-19 و IBC 2018 گنجانده‌شده است. این معادلات، جایگزین معادلات IBC2000 شد که بر اساس عملکرد شکل‌پذیری به‌دست‌آمده بودند. تحقیق ISU معادلات محصورشدگی جدید را بر اساس نتایج یک بررسی جامع از الزامات محصورشدگی برای شمع‌های مربعی و هشت‌ضلعی که دارای محصورشدگی اسپیرال دایروی و 2 اینچ پوشش بتن بر روی اسپیرال است، ارائه می‌دهد. شمع‌های مربعی دارای محصورشدگی مربعی در محدوده این تحقیق قرار ندارند. به‌طورکلی نویسندگان این مقاله معتقدند که اضافه کردن این معادلات جدید برای هردو ACI 318-19 و IBC 2018 کار بسیار خوبی بوده زیرا مقدار اسپیرال محصورشدگی حاصل مبتنی بر ظرفیت‌های شکل‌پذیری انحنایی مخصوص در موقعیت‌های تشکیل مفصل شمع است (18 برای نواحی با لرزه‌خیزی زیاد و 12 برای نواحی با لرزه‌خیزی متوسط). یکی دیگر از نتایج این است که مقدار اسپیرال موردنیاز این معادلات جدید بسیار شبیه به مقادیری است که در نسخه‌های قبلی IBC وجود داشته است؛ به‌عبارت‌دیگر تغییرات کلی شمع‌های پیش‌تنیده با به‌کارگیری این معادلات جدید بسیار کم بوده است. همچنین کمیته‌های آیین‌نامه‌ای که این معادلات را انتخاب کرده‌اند تشخیص داده‌اند شمع‌هایی که به‌طور قابل‌توجهی در برابر تقاضاهای لرزه‌ای نسبت به مقدار موردنیاز مقاوم‌تر هستند، ممکن است نیاز به محصورشدگی لرزه‌ای نداشته باشند. به عبارتی برای شمع‌هایی که با استفاده از ضرایب اضافه مقاومت لرزه‌ای طراحی شده‌اند، استثناء قائل شده‌اند. تنها اشکال به‌کارگیری معادلات محصورشدگی جدید این است که محققان lSU نسبت به مقدار کاهش لنگری که در مفصل پلاستیک پس از شروع حذف پوشش بتنی اتفاق می‌افتد، راضی نبودند. آن‌ها به‌منظور در نظرگیری این نگرانی‌ها، محدوده‌هایی را برای بار محوری پیشنهاد دادند که با این کار پاسخ لرزه‌ای پیشنهادی آن‌ها قابل‌اعتمادتر باشد.

IBC 2018 و ACI 318-19

الزامات شمع پیش‌تنیده IBC 2018 و ACI 318-19 محدوده‌های بار محوری ضریب دار را برای شمع‌ها ارائه می‌دهند. برای دسته‌بندی‌های طراحی لرزه‌ای C تا F، IBC 1810.3.8.3.4 و ACI 18.13.5.10.6 بار محوری ضریب دار را برای تمامی شمع‌های مربعی به مقدار 0.2f_c^' A_g محدود می‌کنند. در اکثر حالات این محدوده کمتر از بارهای محوری ضریب داری است که قبلاً برای طراحی شمع‌های مربعی 14 اینچی متعارف در نواحی لرزه‌خیز استفاده می‌شد. همان‌طور که در فوق شرح داده شد، کمیته‌های آیین‌نامه این محدوده بار محوری جدید را برای حالتی که از معادلات محصورشدگی استفاده می‌شود، ارائه کردند. محققان Lsu محدوده بار محوری 0.2f_c^' A_g را برای شمع‌های مربعی 14 اینچی دارای ساختار استرند دایروی و اسپیرال دایروی دارای 2 اینچ پوشش آزاد پیشنهاد دادند. شمع‌های مربعی دارای محصورشدگی مربعی در این مطالعات جدید لحاظ نشده‌اند. 

مبنای محدودیت بار محوری که در فوق شرح داده‌شده را می‌توان با استفاده از شکل ۱ شرح داد. یک کاهش ظرفیت لنگر تا سطحM_drop بعد از اولین حداکثر لنگر M_(peak,1) و قبل از حداکثر لنگر دوم M_(peak,2) مشخص است. تحقیق قبلی نشان داد که درصد کاهش لنگر با بار محوری که در طول تحلیل لنگر-انحنا اعمال می‌شود در ارتباط است. در تحقیق Lsu پیشنهاد شد که این کاهش لنگر باید به حدود 40% حداکثر لنگر اول محدود شود و اینکه مؤثرترین راه برای ارضای این محدوده 40% ، محدود کردن بار محوری خواهد بود. بنابراین محدودیت‌های بار محوری برای تمامی شکل‌های شمع 14 اینچی پیشنهاد شد تا از کاهش لنگر بیش از حدود 40% نسبت به لنگر اول حداکثر بر اساس شکل شمع درنظرگرفته شده (همان شمع‌های مربعی 14 اینچی با 2 اینچ پوشش و اسپیرال دایروی) جلوگیری شود. گزارش‌ها نشان داد که کاهش لنگر، همبستگی خوبی با نتایج مطالعه دیگر داشته است؛ که در آن انحنا در شروع ترک‌خوردگی کششی (φ_cr) کمتر از انحنای مربوط به شروع حذف بتن محصور نشده (φ_sp) بوده است؛ در حالت دوم کرنش در بیرونی‌ترین فیبر فشاری محصور نشده برابر با 0.004 است و به‌عنوان مقدار شروع حذف‌شدگی بتن در نظر گرفته می‌شود.      

همان‌طور که در شکل ۲ نشان داده‌شده است، نتایج حاصل از یک پروژه در حال انجام بر روی شکل‌پذیری شمع نشان می‌دهد که در اکثر حالات افزایش محدودیت بار محوری از 0.2f_c^' A_g به 0.3f_c^' A_g تأثیر ناچیزی بر روی عملکرد لرزه‌ای مورد انتظار شمع دارد. توجه کنید که پایداری لنگر-انحنا در شکل 2 تأثیری نپذیرفته است و برای تمامی هر سه محدوده بار محوری نشان داده‌شده، سطح زیر منحنی لنگر-انحنا تقریباً برابر است. 

گزارش PCI 2019

گزارش انجمن بتن پیش‌ساخته/پیش‌تنیده PCI 2019 تحت عنوان پیشنهاد کاربردی برای طراحی، تولید و نصب شمع بتنی پیش‌تنیده فرآیندهای طراحی تجویزی و عملکردی را برای شمع‌های پیش‌تنیده ارائه می‌دهد. فرآیند ذکرشده مشابه با فرآیند حاضر است که در IBC 2018 و ACI 318-19 ارائه شده است. گزینه طراحی عملکردی مشابه با فرآیندهای طراحی لرزه‌ای شمع‌ها در جامعه مهندسان عمران آمریکا ASCE/COPRI 61-14 با عنوان طراحی لرزه‌ای پایه‌ها و اسکله‌ها، معیارهای طراحی لرزه‌ای Caltrans (2019) برای پل‌ها و ASCE/SEI 41-17 با عنوان ارزیابی و بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود است. فرآیندهای طراحی تجویزی و عملکردی برای شمع‌هایی که بخشی از سیستم باربر جانبی درنظرگرفته می‌شوند (مانند پل‌ها و پایه‌ها) و برای شمع‌هایی که بخشی از سیستم باربر جانبی درنظرگرفته نمی‌شوند (مانند ساختمان‌ها) به‌طور مجزا ارائه شده است. توجه کنید که شمع‌های ساختمانی معمولاً طوری طراحی می‌شوند که در طول رخداد زلزله طراحی به‌صورت الاستیک باقی بمانند. جزئیات ساختمان‌ها باید طوری تنظیم شوند که آسیب لرزه‌ای آن‌ها شکل‌پذیر بوده و بالاتر از سطح فونداسیون رخ دهد. آسیبی که در سیستم باربر جانبی بالاتر از این سطح رخ می‌دهد به‌طور قابل‌توجهی حداکثر نیروی انتقالی به شمع‌ها را کاهش می‌دهد. درصورتی‌که طراحی عملکردی برای طراحی شمع‌های ساختمانی استفاده شود، طراحی‌های اقتصادی‌تری برای شمع‌ها به دست خواهد آمد. الزامات تجویزی مربوط به تعداد اسپیرال ها، جایگذاری اسپیرال ها، جزئیات اتصال، جزئیات وصله و سایر مسائل طراحی مستقیماً مدل‌سازی می‌شوند تا عملکرد شمع را دقیقاً پیش‌بینی کنند و صرفاً بر اساس فرضیات نباشد.

طراحی برای بارهای محوری

یک مهندس چگونه می‌تواند شمع‌های پیش‌تنیده را برای باری بیشتر از محدودیت بار محوری طراحی کند و همچنان باهدف طراحی آیین‌نامه هم‌خوانی داشته باشد؟

نظر نویسندگان مقاله این است که مهندسانی که می‌خواهند برای بارهای محوری بیشتر از محدوده‌های تجویزی طراحی کنند و همچنان با محدودیت‌های بار محوری حاضر در IBC 2018 و ACI 318-19 سازگاری داشته باشند، سه گزینه پیشروی خود دارند. در گزینه‌های 1 و 2 که در ادامه می‌آیند و مطابق با اظهارنظر محققان دانشگاه lowa هستند فرض می‌شود که کاهش لنگر بیشتر از 40% لنگر نهایی، مشکل‌زا است. گزینه 3 می‌تواند روش کاربردی‌تری را ارائه دهد اما در حال حاضر در دسترس نیست.

گزینه ۱

ساده‌ترین راه‌حل برای محدودیت بار محوری این است که یک تحلیل لنگر-انحنا از مقطع عرضی شمع بتنی موردنظر انجام‌شده و مشخص شود که افت لنگر نسبت به لنگر نهایی، کمتر یا برابر با 40% است. بسیاری از شرایط واقعی (مانند پوشش، بار محوری و شکل اسپیرال گذاری) با نگرانی محققان Lsu درباره افت لنگر همخوانی داشته و معادله جدید محصورشدگی برای استفاده در بارهایی بالاتر از محدودیت بار محوری مناسب باشد. مدل‌های تحلیلی لنگر-انحنا باید بتن محصورشده و محصور نشده را در نظر گرفته و خصوصیات غیرخطی مصالح را مدل‌سازی نمایند. تحلیل‌های موردنیاز را می‌توان با استفاده از برنامه‌های نرم‌افزاری تجاری موجود مانند SAP2000 انجام داد.

گزینه ۲

مطابق با فرآیندهای تعریف‌شده در PCI 2019 با عنوان پیشنهادات کاربردی برای طراحی، تولید و نصب شمع بتنی پیش‌تنیده، طراحان می‌توانند شمع‌ها را با استفاده از طراحی عملکردی طراحی کنند. فرآیندهای طراحی عملکردی با تأمین اسپیرالی که منجر به ظرفیت دوران پلاستیک بیشتر از تقاضاهای دوران پلاستیک می‌شود، تضمین می‌کند که محصورشدگی کافی در سرتاسر طول شمع لحاظ شده است. فرآیندهای طراحی عملکردی مستقیماً کاهش لنگر را در نظر می‌گیرند.

گزینه ۳

Citadel در حال حاضر بر روی یک پروژه تحقیقاتی کار می‌کند تا محدودیت‌های بار محوری که توسط محققان lSU پیشنهادشده است را آزمایش کرده و احتمالاً اصلاح کند. پروژه Citadel اسپیرال دایروی و مربعی با شکل‌های متفاوت پوشش و استرند که در اجرا استفاده‌شده است را لحاظ می‌کند. هدف از این پروژه این است که آیا محدوده بار محوری دقیق‌تری را می‌توان ایجاد کرد و بر اساس نتایج توجیه کرد یا خیر. محدوده افزایش مجدد مقاومت خمشی در ادامه پاسخ لنگر-انحنا که با عنوانM_(2,peak) در شکل 1 نشان داده‌شده است، به‌عنوان عامل مهمی در پایداری کلی شمع مورد آزمایش قرارگرفته است. این ملاحظات در مطالعه قبلی درنظرگرفته نشده است. 

نتیجه‌گیری

به‌عنوان نکته نهایی، هدف نویسندگان این مقاله این است که به ایجاد یک روش استوار برای طراحی انواع مختلف شمع‌ها کمک کرده و ابزارهایی را به مهندسان سازه ارائه دهند که طراحی‌های ایمنی که لزوماً گران نیستند، انجام دهند. در حال حاضر و همان‌طور که در فوق بیان شد، گزینه‌های 1 و 2 گزینه‌های صحت سنجی شده و ثبت‌شده موجود برای طراحی شمع هستند. بااین‌حال ناسازگاری در الزامات طراحی شمع‌های اوگری درجا در مقایسه با شمع‌های پیش‌تنیده باید موردتوجه قرار گیرد.

شکل ۳ پاسخ لنگر-انحنا یک شمع اوگری درجا 14 اینچی با آرماتور گذاری محصورشدگی تجویزی را نشان می‌دهد. می‌توان مشاهده کرد که یک شمع اوگری درجا با اندازه مشابه احتمال کاهش لنگر بیشتری دارد؛ بنابراین استفاده از شمع اوگری درجا 14 اینچی با حداقل آرماتور مجاز آیین‌نامه مجاز نخواهد بود.

منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.