محمود عدالتی

با توجه به بروز حوادث طبیعی نظیر زلزله، و برخی شرایط محیطی نامناسب، همواره توجه به بهبود رفتار و عملکرد المان‌های سازه‌ای به ویژه ستون‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. امروزه روش‌ها و مصالح نوینی برای افزایش عملکرد سازه، مورد استفاده‌ی مهندسین و پژوهشگران قرار گرفته است. از جمله روش‌های پرکاربرد برای بهبود عملکرد رفتار المان‌های سازه، به کارگیری المان‌های مرکب می‌باشد. از طرفی مصالح نوین FRP، با خواص ویژه‌ی خود نظیر نسبت مقاومت کششی به وزن بالا و همچنین مقاومت بهتر نسبت به فولاد در برابر شرایط محیطی خورنده، در صنعت ساخت و ساز گسترش زیادی پیدا کرده است. افزایش دوام و پایداری سازه در شرایط محیطی نامناسب و کاهش وزن سازه برای کمتر کردن خطرات ناشی از زلزله، بدون کاهش در ظرفیت باربری المان، حائز اهمیت می‌باشد. از این رو در این پژوهش به بررسی رفتار نوع جدیدی از ستون‌های مرکب با عنوان ستون‌های دایره‌ای لوله فولادی پرشده با بتن مسلح به میلگردهای FRP پرداخته شده است. برای این منظور صحت‌سنجی نتایج آزمایشگاهی پژوهش‌های پیشین، در نرم‌افزار المان محدود آباکوس انجام شد. در ادامه 32 ستون دایره‌ای که در دو سری مختلف تقسیم‌بندی شدند، مدل‌سازی شده و مورد تحلیل و بررسی قرار گرفتند. در بخش اول این پژوهش برای بررسی تأثیر پارامترهایی نظیر مقاومت مشخصه‌ی بتن، ضخامت لوله‌ی فولادی، جنس و قطر آرماتورهای طولی و عرضی؛ سری اول نمونه‌ها یعنی ستون‌های لوله فولادی پرشده با بتن مسلح به میلگرد CFRP، در مقیاس واقعی تحت بار متمرکز محوری قرار گرفتند. 10ستون با ارتفاع mm 3000 و قطر کلی mm 300، نمونه‌های سری اول را تشکیل دادند. در این پژوهش افزون بر محصورشدگی آرماتورهای طولی توسط تنگ‌های دایره‌ای، از یک لوله‌ی فولادی با هدف ایجاد محصورشدگی اضافی برای بتن و افزایش شکل‌پذیری و پایداری سازه استفاده شده است که افزایش66 درصدی ضخامت لوله‌ی فولادی، سبب افزایش 4/23 درصدی در ظرفیت باربری محوری و 35 درصدی در تغییرمکان متناظر با ظرفیت باربری محوری ستون شد. همچنین شکل‌پذیری و جذب انرژی را به میزان مؤثری افزایش داد. در بخش دیگر پژوهش، به‌منظور ترسیم منحنی‌های اثر متقابل بار محوری-لنگرخمشی، سری دوم نمونه‌ها شامل 22 ستون دایره‌ای با ارتفاع mm 2400 و قطر mm 400، تحت بارگذاری متمرکز محوری و چهار سطح بارگذاری خارج از مرکز کم، متوسط، زیاد و خیلی زیاد قرار گرفتند. 12 ستون از مجموع 22 ستون سری دوم، شامل نمونه‌های لوله فولادی پرشده با بتن مسلح به میلگردهای GFRP، با مقاومت‌های مختلف بتن بود. سایر ستون‌های سری دوم شامل ستون‌های لوله فولادی پرشده با بتن، CFST، و ستون لوله فولادی پر شده با بتن مسلح به میلگرد فولادی برای مقایسه با ستون‌های مسلح به FRP، مدل‌سازی و تحلیل شدند. در ستون‌های مسلح به میلگرد GFRP، افزایش خروج از مرکزیت بار از سطح کم به سطح زیاد، ظرفیت باربری محوری ستون را تا 4/43 درصد کاهش داد. همچنین در ستون با مقاومت فشاری بتن برابر با MPa 30، ظرفیت خمشی ستون با افزایش سطح خروج از مرکزیت زیاد به خیلی زیاد، 8/4 درصد افزایش پیدا کرد. از سوی دیگر در ستون با مقاومت فشاری بتن برابر با MPa 40، این کمیت به میزان 3/3 درصد کاهش یافت. افزودن آرماتورهایFRP، به ستون‌هایCFST، ظرفیت باربری محوری ستون‌های CFST را تحت بارگذاری متمرکز محوری، به میزان 15 درصد، افزایش داد. تحت بارگذاری خارج از مرکز کم، متوسط و زیاد، ظرفیت باربری محوری، به طور میانگین حدود 8/2 درصد و ظرفیت خمشی مقطع به طور متوسط 4 درصد افزایش پیدا کرد. شایان ذکر است که تحت بارگذاری خارج از مرکز خیلی زیاد این میزان افزایش، برابر با 24درصد در ظرفیت باربری محوری و 32 درصد در ظرفیت خمشی مقطع بود. این ستون‌ها نسبت به همتایان خود از نوع CFST، ظرفیت بالاتری را به ویژه در کشش، ارائه دادند. همچنین با وجود صرف نظر از مقاومت فشاری آرماتورهای FRP، در این پژوهش و در نمونه‌های تحت بارگذاری خارج از مرکز، ظرفیت باربری محوری و ظرفیت خمشی ستون‌های مورد پژوهش، نزدیک به همتایان فولادی خود بود. ظرفیت باربری محوری و ظرفیت خمشی مقطع ستون‌های دایره‌ای لوله فولادی پرشده با بتن مسلح به میلگرد FRP، در کنار کاهش مناسب وزن سازه، دوام مناسب در محیط‌های خورنده، صرفه جویی اقتصادی، شکل‌پذیری و جذب انرژی مناسبی که ارائه می‌دهند، می‌تواند این ستون‌ها را به یک گزینه مناسب برای کاربردهای عملی، تبدیل کند. در انتهای این پژوهش رابطه‌ی جدید برای منحنی اثر متقابل بار محوری - لنگر خمشی در ستون‌های کوتاه دایره‌ای فولادی پر شده با بتن مسلح به میلگردهای FRP بر اساس تحلیل مقطع ستون ارائه شده است. واژگان کلیدی: میلگرد FRP، ستون کوتاه دایره‌ای فولادی، بار خارج از محور، بتن محصور شده، منحنی اثر متقابل بار محوری-لنگر خمشی.