تحقیقات بتن سال نهم شمارۀ دوم پائیز و زمستان 59 ص 111 59 تاریخ دریافت: 59/6/6 تاریخ پذیرش: 59/3/16 مطالعه تئوریک و آزمایشگاهی اثر طول دفن شدگی شمع بر رفتار اتصال شمع فلزی H شکل به کوله بتنی پلهای یکپارچه تحت بار جانبی سيد سعيد ميررضائی دانشجوی دکتری سازه دانشکدة عمران دانشگاه تبریز مجيد برقيان دانشيار گروه سازه دانشکدة عمران دانشگاه تبریز حسين غفارزاده دانشيار گروه سازه دانشکدة عمران دانشگاه تبریز مسعود فرزام استادیار گروه سازه دانشکدة عمران دانشگاه تبریز چکيده پلهای یکپارچه پلهای بدون درزی هستند که دارای شالوده انعطافپذیر با یک ردیف شمع فلزی میباشند. از مهمترین عوامل در تعيين حداکثر طول پل یکپارچه ظرفيت حرکت جانبی شمعها در برابر بارهای جانبی ناشی از تغييرات دمایی و نظایر آن میباشد. با افزایش ظرفيت حرکت جانبی شمعها میتوان پلهای طویلتری را ساخت. نحوه اتصال شمع به کوله در ظرفيت حرکت جانبی شمع مؤثر میباشد. ميزان طول دفنشدگی شمع در داخل کوله نقش مهمی در مقاومت اتصال دارد. در این مقاله رابطهای جهت یافتن طول گيرایی شمع در داخل کوله بر اساس مقاومت خمشی شمع ارائه شدهاست. برای ارزیابی کارآیی این روش دو نمونه آزمایشگاهی با طولهای دفنشدگی مختلف ساخته شدند. نتایج حاصله از بارگذاری جانبی شمعها به همراه مطالعه عددی نشان داد که با افزایش طول دفن شدگی از مقدار کمتر به مقدار بيشتر از رابطه پيشنهادی ظرفيت خمشی اتصال را تا دو برابر افزایش داد. واژههای کليدی: طول دفنشدگی شمع. پلهای یکپارچه ظرفيت حرکت جانبی شمع اتصال شمع فلزی به کوله بتن آرمه مقاومت خمشی شمع فلزی نویسنده مسئول: rghin@trizu.c.ir تحقیقات بتن سال نهم شمارۀ دوم 59 /
سید سعید میررضائي مجید برقیان حسین غفارزاده مسعود فرزام 1- مقدمه پلهای بدون درز به دلیل کاهش در هزینههای ساخت و نگهداری کاهش صدا در هنگام عبور وسایط نقلیه و همچنین افزایش درجه نامعیني سازه پل )به دلیل اتصال یکپارچه شاهتیر به کوله( از امتیازات فراواني نسبت به پلهای معمولي برخوردار هستند. در پل- های یکپارچه روسازه پل بهصورت یکپارچه با کوله بتنریزی ميشود. بنابراین حرکت جانبي پل که ناشي از تغییرات دمایي و یا زلزله و غیره ميباشد بهطور مستقیم به زیرسازه منتقل ميشود. طراحي زیرسازه )شامل کولهها و شمعها( از اهمیت زیادی برخوردار بوده و بایستي اندر کنش خاک و سازه در نظر گرفته شود. بهدلیل پیچیدگي در نظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه در پلهای یکپارچه محدودیتهایي برای ابعاد این پلها وجود دارد. بررسيهای میداني نشانميدهد که این محدودیتها در کشورهای مختلف مقدار ثابتي نبوده و بهطور کل براساس رویکرد آزمون و خطا ميباشد ] 1 و [. برای کاهش نیروی وارده از طرف روسازه به زیرسازه استفاده از شالوده انعطافپذیر که شامل یک ردیف شمع فلزی است - برای ایجاد امکان حرکت طولي و حداکثر انعطاف- پذیری - پیشنهاد شدهاست ]3[. در شکل 1 نمونهای از پلهای یکپارچه در مقایسه با یک پل معمولي نشان داده شده است. در این پلها شاهتیر بهصورت یکپارچه با کوله بتنریزی شده و تشکیل یک قاب صلب را مي- دهد. در زیر کوله یک ردیف شمع فلزی قرار داده ميشود. شمع- های H شکل اولین گزینه مورد استفاده در ایالت متحده آمریکا بهویژه برای پلها با طول زیاد ميباشد ]9[. جهت به حداقل رساندن تنشهای وارده به کوله پل معموال شمع H شکل حول محور ضعیف قرار داده ميشود ]9[. شمعهای X شکل نیز در کشور سوئد بسیار رایج است. این شمعها به جهت افزایش مقاومت در مقابل کمانش با دوران 99 درجه در زیر کوله پلهای یکپارچه مورد استفاده قرار ميگیرند ]6[. در مورد پلهای یکپارچه تحقیقات زیادی صورت گرفتهاست. اکثر این تحقیقات در مورد در نظر گرفتن اندرکنش استاتیکي و دینامیکي خاک و سازه بوده- است ]9 9 و 1-5[ و تحقیقات کمتری به بررسي رفتار اتصال شمع فلزی به کوله بتني صورت گرفتهاست. از این تحقیقات صورت گرفته نیز تعدادی به بررسي اتصال شمعهای بتني پیشتنیده پرداختهاند ]16-13[ و تعداد کمي اتصال شمع فلزی به کوله بتني را بررسي کردهاند. Burdette و همکارانش ]19[ از نخستین محققاني بودند که بر روی مقاومت تماسي بتن - در اثر فشار اعضای بزرگ فوالدی مدفون در داخل بتن مطالعاتي انجام دادند. آنها اعضای بزرگ فلزی را در هشت آزمایش در داخل یک شالوده مدفون کرده و آنها را تحت نیروی جانبي قرار دادند. نتایج حاصل از آزمایشها نشان داد که اعضای فلزی در داخل بتن مانند یک جسم صلب دوران کرده و میانگین تنش تماسي - که ميتواند توسط بتن اطراف اعضای فوالدی تحمل شود - در هنگام بار نهایي به ' 3.78 c ميرسد. Steunerg و همکارانش ]19[ دو شمع فلزی با مقطع لولهای که به صفحههای فلزی جوش داده شده و بهوسیله برشگیرهایي در داخل سر شمع بتني قرار داده شده بود تحت نیروی جانبي چرخه- ای قرار دادند. نتایج حاصل از آزمایش نشان داد که ظرفیت خمشي اتصال نتوانست از ظرفیت خمشي شمع باالتر رفته و اتصال در نیروهایي کمتر از ظرفیت خمشي شمع فلزی خراب گردید. شکل 1- نمونهای از پل یکپارچه و اعضای تشکیل دهنده آن در مقایسه با پلهای معمولي [9] / 59 تحقیقات بتن سال نهم شمارۀ دوم
مطالعه تئوریک و آزمایشگاهي اثر طول دفن شدگي شمع بر... در سال Stephen 119 و همکارانش ]15[ آزمایشهایي را بر روی 9 شمع فلزی لولهای توپر توسط بتن- که در داخل سرشمع بتني با طول گیرداری 5 اینچي قرارداده شده بود- انجام دادند. نتایج آزمایشها نشان داد که استفاده از آرماتورهای تقویتي کنار شمع فلزی باعث افزایش ظرفیت خمشي اتصال ميشود. Shem و همکارانش ]1[ با انجام آزمایشهایي نقطه عطف شمع را در مقابل بارهای جانبي یافته و با ساخت نمونههای آزمایشگاهي اتصال نمونهها را تحت بارگذاری جانبي و چرخهای قرار دادند و با ارائه یک طرح مقاوم سازی تأثیر میلگردهای تقویتي را در باال بردن ظرفیت خمشي اتصال بررسي کردند. تاکید این مقاله روی اتصالهایي بود که در آن شمعها با طول گیرداری زیاد در داخل بتن قرار داده ميشوند. در یافتن طول گیرائي در این تحقیق از اثر مقاومت بتن در سطح مقابل شمع صرفنظر شده است. Xio و همکارانش ]1[ 9 نمونه اتصال را با مقیاس کامل ساخته و تحت بارگذاری جانبي و محوری چرخهای قرار دادند. تاکید این مقاله بر روی اتصاالتي بود که در آن شمع فلزی با طول گیرداری کمي در داخل سر شمع بتني قرار گرفته بود. نتایج تحقیقات آزمایشگاهي نشان ميدهد با اینکه اتصال بهصورت مفصلي در نظر گرفته شده بود ولي مقاومت خمشي غیر قابل انتظاری نیز مشاهده گردید. Jin-Hee Ahn و همکاران ][ 9 نمونه آزمایشگاهي با مقیاس کامل را بر اساس آیین نامه کشور کره طراحي کرده و تحت بارگذاری استاتیکي قرار دادند. در این تحقیق برای یافتن طول گیرایي نمونهای آزمایشگاهي از اثر برش صرفنظر شده و تنها اثر لنگر خمشي مورد بررسي قرار گرفت. نتایج حاصل از آزمایشها نشان داد با اینکه اتصالهای پیشنهادی - با ایجاد برشگیرهایي- مقاومت خمشي اتصال را باال برده بود ولي باعث کاهش چشمگیر شکلپذیری اتصال شد. Kppes و همکارانش ]3[ 5 نمونههای آزمایشگاهي با مقیاس یک دوم را تحت آزمایش بارگذاری استاتیکي قرار دادند. نوع شمعهای بهکار رفته از نوع لولهای محاط با بتن بودند. هدف از این آزمایش بررسي اشکال مختلف آرماتوربندی از جمله استفاده از آرماتور U شکل در اطراف شمع جهت سادگي جزئیات ساخت بود. مقایسه نتایج بدست آمده از نمودارهای نیرو تغییرمکان اتصاالت جدید و مرسوم نشان داد که اتصاالت معرفي شده در مقایسه با اتصاالت مرسوم مقاومت خمشي باالتری دارند. عزیزینمیني و همکارانش ]9[ اتصال انعطافپذیری را برای اتصال شمع فلزی به کوله بتني پلهای یکپارچه معرفي کردند. نتایج اولیه این تحقیق نشان داد که اتصال مفصلي بین شمع و سرشمع سختي جانبي پل یکپارچه را بهطور قابل مالحظهای کاهش ميدهد. در نتیجه ظرفیت حرکت جانبي پل را افزایش داده و امکان ساخت پلهای یکپارچه با دهانه بیشتر را میسر ميسازد. نتایج مدل- های آزمایشگاهي و عددی نشان داد که اتصال مفصلي معرفي شده انعطافپذیری بسیاری را نسبت به اتصال گیردار متناظر دارد. هدف از تحقیق حاضر یافتن طول دفنشدگي شمع فلزی در داخل کوله بتني ميباشد بهطوریکه با اعمال این طول دفن شدگي اتصال شمع به کوله قادر باشد در مقابل بارهای جانبي مقاومتي برابر و یا بیشتر از مقاومت خمشي شمع فلزی داشته باشد. در این تحقیق ابتدا روش مرسوم طراحي اتصال شمع فلزی به کوله بتني توضیح داده شده و سپس با توجه به نقصانهای این روش رابطهای برای طراحي اتصال شمع فلزی به کوله بتنآرمه توسط مؤلف بسط داده شده است. برای بررسي کفایت این روش دو نمونه آزمایشگاهي با مقیاس 1/9 با استفاده از روابط ارائه شده طراحي شده و تحت بارگذاری جانبي استاتیکي قرار گرفتهاست. در نهایت با استفاده از نتایج حاصل از این آزمایشها به همراه مدلهای اجزای محدود کفایت رابطه ارائه شده ارزیابي شده است. - روش مرسوم برای طراحی اتصال شمع کوله بتنی پلهای یکپارچه فلزی به برای پیشبیني رفتار سازه در مقابل بارهای جانبي دانستن نقاطي که احتمال تشکیل مفصل پالستیک وجود دارد بسیار مهم مي- باشد. در پلهای یکپارچه مهم است که محل خراب احتمالي در محل اتصال شمع به کوله در شمع اتفاق بیفتد و این خرابي از نوع خمشي باشد. بنابراین هدف اصلي از ارائه روابط طراحي رسیدن مقاومت اتصال به مقاومت خمشي پالستیک مقطع شمع فلزی مي- باشد. در اثر حرکت جانبي عرشه که عموما در اثر تغییرات دمایي روزانه و ساالنه و یا در اثر زمین لرزه صورت ميگیرد عرشه روسازه به طرف خاکریز پشت کوله حرکت ميکند. این حرکت باعث اعمال لنگر خمشي و نیروی برشي به اتصال ميشوند. در روش مرسوم طراحي این اتصال از اثر برش در مقابل لنگر خمشي صرفنظر ميشود. با حذف اثر نیروی برشي همانطور که در شکل تحقیقات بتن سال نهم شمارۀ دوم 55 /
سید سعید میررضائي مجید برقیان حسین غفارزاده مسعود فرزام دیده ميشود مقادیر نیروهای وارده از طرف بتن به شمع در ابتدا - در محاسبه طول دفن شدگي شمع فلزی در داخل بتن اثر و انتهای طول دفنشدگي با هم برابر شده و مطابق شکل برابر است با ][: C 0.85 / c )1( در این رابطه ارتفاع مستطیل تنش معادل وارده به شمع بوده و ميتوان نوشت ][: C 0.85 ( ) )( c 1 در این رابطه β1 ضریب تعریف شده در بند R...4.3 آیین / e نامه 318-14 ACI ميباشد. طول دفن شدگي شمع از رابطه )3( بهدستميآید ][. e 0.85 M P / 1(1 c 1 ) شکل - توزیع تنش مستطیلي اطراف شمع ][ )3( با استفاده از رابطه )3( ميتوان با داشتن مقاومت خمشي شمع فلزی مقاومت مشخصه بتن مصرفي و عرض مقطع حول محور خمش )این مقدار در صورتي که خمش حول محور قوی مقطع اتفاق بیفتد برابر عرض بال شمع خواهد بود( ميتوان طول دفن شدگي اتصال را بهدست آورد. 3- مدل تئوریک ارائه شده برای اتصال شمع فلزی به کوله بتن آرمه روشهای طراحي ارائه شده قبلي از اثر نیروی برشي صرفنظر کرده و اتصال را فقط برای لنگر خمشي پالستیک شمع طراحي ميکنند. در روابط ارائه شده در تحقیق حاضر فرضیات زیر در نظر گرفته شدهاست: توأم خمش و برش لحاظ شد. 3- توزیع تنش اتکائي در سطح بین شمع و بتن خطي فرض شد. -9 نقطه بحراني خرابي بتن در سطح روبرویي محل اتصال و برابر ' c فرض شد. در اثر حرکت جانبي پل )در اثر تأثیرات جانبي ناشي از تغییرات دمایي و یا زلزله و به دنبال آن بار جانبي ناشي از خاک وارد شده بر شمع( شمع مطابق با شکل 3 L P شکل مقدار تغییر شکل پیدا ميکند. در این محل نقطه عطف شمع ميباشد به طوری که در این نقطه لنگر شمع برابر صفر ميباشد. طول L P H برای مقطع از 3 تا 9 برابر عمق مقطع شمع )d( )بسته به خاک اطراف شمع ) متغیر ميباشد ]1[. برای ساختن مدلهای عددی و آزمایشگاهي متناسب با شرایط محلي شمع ميتوان تغییر شکل شمع و نیروهای وارده بر آنرا مطابق با شکل 3 مانند تیر طرهای ایده آلسازی کرد که نیروی فرضي V در نقطه عطف وارد شده و باعث ایجاد لنگر در محل اتصال ميشود. در این مدل نیروی فرضي V نیروهای جانبي ناشي از خاک را نمایندگي ميکند. در شکل 9 مقدار تنش- های ناشي از خمش و برش و مجموع این تنشها در محل اتصال نشان داده شده است. با توجه به شکلهای 3 و 9 اگر مقدار نیروی وارده بر شمع از طرف بتن در وجه روبرویي باشد و C C مقدار نیروی وارد از طرف بتن در وجه پشتي و در داخل بتن باشد با نوشتن معادله تعادل نیرو در جهت حرکت شمع ميتوان نوشت: V C C )9( در این رابطه V مقدار نیروی برشي متناسب با لنگر پالستیک شمع فلزی ميباشد. رابطه )9( از نوشتن معادله لنگر حول نقطه F در شکل 9 بهدست ميآید: C ( ) C ( ) V ( L p ) M p )9( 3 3 در این رابطه طول مثلث تنش در وجه روبهرویي و به در وجه پشتي و داخل بتن ميباشد )شکل 9 ( و M P 9 برابر لنگر پالستیک مقطع شمع فوالدی حول محوری که نسبت به آن دوران ميکند ميباشد. از طرفي با نوشتن معادله تشابه مثلث تنش متناظر با شکل ميتوان نوشت: 1 1 )6( 1- از تأثیر نیروی محوری شمع در مقاومت اتصال صرفنظر شد. / 111 تحقیقات بتن سال نهم شمارۀ دوم
مطالعه تئوریک و آزمایشگاهي اثر طول دفن شدگي شمع بر... C 1 ( 1 ) )5( شکل 3 - محل نقطع عطف و طول گیرایي شمع شکل 9 - تنشهای اتکایي ناشي از خمش و برش در محل تماس بتن و فوالد )توزیع خطي تنش( اگر مقدار تنش فشاری در وجه روبرویي بتن به مقدار مقاومت مشخصه بتن محدود گردد ]19[ در این صورت ميتوان نوشت: 1 ' c )9( از طرفي مقادیر نیروهایي که از طرف بتن به شمع در وجه روبرویي و پشتي به شمع وارد ميشود به شرح زیر ميباشد: در این رابطه عرض مقطع شمع فلزی ميباشد. مطابق شکل 9 مقدار تنش ناشي از برش برابر است با: با: 1 V e )11( که در این رابطه e طول دفنشدگي شمع فلزی ميباشد. اگر I همان اینرسي مقطع شمع و C فاصله تار خنثي از باالترین تار کششي یا فشاری باشد مقدار تنش ناشي از لنگر خمشي برابر است M P C 6 M I e P )11( C مقدار از رابطه )9( به دست آورده و در رابطه )9( قرار داده ميشود. سپس با قرار دادن مقادیر روابط )9( تا )11( در رابطه )9( به رابطه )1( ميتوان رسید: 1 1 M P ' c ' c 3 3 3 ( L ) M p P )1( و با قرار دادن روابط )9( )11( و )11( در رابطه )6( معادله )13( بدست ميآید: ' c 6 M M P P ( ) ( ) ( L ) P )13( با حل همزمان رابطه )1( و )13( مقادیر و به دست آمده و مقدار طول گیرایي با استفاده از رابطه )19( به دست ميآید. e )19( C 1 ( 1 ) )9( شکل 9 - تنشهای اتکایي ناشي از خمش و برش در محل تماس بتن و فوالد )توزیع مستطیلي تنش( تحقیقات بتن سال نهم شمارۀ دوم 111 /
سید سعید میررضائي مجید برقیان حسین غفارزاده مسعود فرزام این روش تأثیر خمش و برش را در محاسبه اتصال در نظر ميگیرد ولي برای بهدست آوردن طول دفنشدگي )رابطه 19( بایستي روابط 1 و 13 را همزمان حل کرد. بنابراین برای رهایي از محاسبات ذکر شده روش سومي پیشنهاد ميشود که تلفیقي از دو روش قبلي ميباشد. در شکل 9 نحوه توزیع تنش اطراف شمع نشان داده شدهاست. همانطور که در این شکل دیده ميشود مقدار خمش و برش در محاسبات طول گیرداری لحاظ شده و توزیع تنش اطراف شمع بهصورت مستطیلي ميباشد. با توجه به شکل 9 با نوشتن معادله تعادل نیرو در جهت حرکت شمع ميتوان نوشت: V C C )19( رابطه )16( از نوشتن معادله لنگر حول نقطه F در شکل 9 بهدست ميآید: C ( x ) C ( ) V ( L p) M p )16( و مقادیر وC C )19( از روابط 19 و 19 بهصورت زیر بهدست ميآید: / C 0.85 c C 0.85 / c )19( اگر ضریب ρ مطابق با رابطه 15 تعریف شود: C C )15( لذا با دانستن ضریب ρ مقادیر سپس مقادیر C C و و از رابطه 19 بهدست آمده از روابط 19 و 19 و در نهایت مقدار x از رابطه 16 بهدست ميآید. مقدار طول دفن شدگي از رابطه 1 تعیین ميشود. e x )1( باتوجه به روابط فوق برای بهدست آوردن طول دفنشدگي شمع بایستي ابتدا مقدار ضریب ρ مشخص شود. برای این منظور در جدول 1 و در نمودارهای شکل 6 منحني تغییرات ضریب - ρ که با استفاده از روابط 9 تا 19 بدست آمده است - برای مقاطع مختلف بر حسب طول L P نشان داده شده است. همانطور که از جدول 1 و نمودارهای شکل 6 دیده ميشود هرچقدر مقدار طول L P بیشتر باشد خرابي شمع از نوع خمشي خواهد بود و مقدارضریب ρ به L P کمتر باشد عدد 1/ میل ميکند. همچنین هرچقدر مقدار طول خرابي شمع از نوع برشي بوده و مقدارضریب ρ به عدد میل ميکند. 4- مقایسه نتایج حاصل از روش مرسوم و روش ارائه شده طراحی اتصال شمع فلزی به کوله در شکل 9 مقایسهای میان روش مرسوم و روش ارائه شده با در نظر گرفتن اثر نیروی برشي در محاسبه اتصال شمع به سرشمع ارائه شدهاست. در شکل 9 محاسبات بر مبنای دوران محور ضعیف شمع فلزی با مقطع ) 5011 به ترتیب از راست 5014 ( شکل با ابعاد H به چپ )ضخامت بال عرض بال ضخامت جان عرض جان( انجام شده است. مقایسه نتایج دو روش که در شکل 9 انجام یافته است نشان ميدهد که روش ارائه شده طول دفن شدگي (e) بیشتری را نسبت به روش مرسوم بهدستميدهد و این عدد با تغییر در طول آزاد شمع (LP) تغییر پیدا ميکند به طوریکه با کاهش طول شمع تأثیر نیروی برشي بیشتر شده و باعث افزایش طول مورد نیاز برای دفن شدگي مي- شود. در حالي که در روش مرسوم به دلیل در نظر نگرفتن تأثیر نیروی برشي در محاسبات اوال طول مدفوني کمتری به دست ميدهد ثانیا این طول برای تمامي طولهای شمع مقداری ثابت ميباشد. جدول 1 - مقادیر ضریب ρ برای مقاطع مختلف بر حسب طولهای مختلف Lp HP 10x4 HP 10x57 HP 1x53 HP 1x63 HP 14x73 HP 14x89 مقطع شمع قوی ضعیف قوی ضعیف قوی ضعیف قوی ضعیف قوی ضعیف قوی ضعیف دوران حول محور M p (N/m) 8578 189960 119160 61600 16648 9110 1508 34780 1478 464160 66160 57430 V p (N) 70000 360000 107415 5461 965606 47475 1159381 57059 170000 636641 1677611 787363 L = (M p/v p)(m) 0.1 0.53 0.11 0.50 0.13 0.61 0.13 0.61 0.17 0.73 0.16 0.73 L p (m) C /C C /C C /C C /C C /C C /C C /C C /C C /C C /C C /C C /C 0.1 1.87 1.95 1.9 1.98 1.9 1.99 1.91 1.99 1.9 1.95 1.99 0.5 1.47 1.56 1.5 1.59 1.49 1.59 1.51 1.61 1.5 1.6 1.56 1.65 1 1.35 1.41 1.37 1.44 1.37 1.44 1.38 1.45 1.37 1.46 1.41 1.48 5 1.3 1.5 1.4 1.5 1.4 1.6 1.4 1.6 1.4 1.6 1.5 1.7 10 1. 1.3 1. 1.3 1. 1.3 1. 1.3 1. 1.3 1.3 1.4 L p=l 1.83 1.55 1.88 1.59 1.83 1.54 1.85 1.56 1.8 1.53 1.8 1.53 / 11 تحقیقات بتن سال نهم شمارۀ دوم
مطالعه تئوریک و آزمایشگاهي اثر طول دفن شدگي شمع بر... شکل 6 - مقادیر ضریب ρ برای مقاطع مختلف بر حسب طولهای مختلف Lp کانتي ساخته شدهاند. پل استوری کانتي دارای سه دهانه طول 11 فوت و زاویه بیه 19 درجه ميباشد. این پل شامل 9 شاهتیر از نوع بتني پیشتنیده ميباشد. در زیر کوله این پل و در امتداد هر شاهتیر یک شمع فلزی از نوع HP10 4 قرار داده شدهاست. جهت قرارگیری این شمعها بهگونهای است که در اثر بارهای جانبي دوران شمعها حول محور ضعیف ميباشد] 9 [. -6-5 شکل 9- مقایسه طول دفنشدگي مورد نیاز شمع به روش مرسوم و ارائه شده در این مقاله ( خمش حول محور ضعیف( مطالعه آزمایشگاهی برای بررسي اتصاالت طراحي شده به روش ارائه شده در قسمت قبلي دو نمونه آزمایشگاهي ساخته شد. در یک نمونه اتصال طول دفنشدگي شمع داخل کوله براساس رابطه )1( 3 سانتيمتر انتخاب شد. در اتصال بعدی این طول 13 سانتيمتر و کمتر از عدد بدست آمده از رابطه )1( انتخاب گردید. در شکل 9 مراحل ساخت نمونهها و در شکل 5 جزئیات آنها نشان داده شده است. ساخت شمعهای فلزی در کارخانه ساخت سازههای پیچي گاالر انجام یافته و مراحل بعدی ساخت شامل آرماتوربندی قالب بندی و بتنریزی و نصب ابزار اندازهگیری در آزمایشگاه سازه دانشگاه تبریز )شکل 9 ( صورت گرفت. برای اتصال نمونهها به کف صلب )مطابق اشکال 9- د و 11( از 6 میلگرد نمره 9 استفاده گردید که به وسیله دو ورق فوالدی فوقاني و تحتاني نمونهها را به کف صلب متصل نمودند. این نمونهها در مقیاس 1/9 پل یکپارچه استوری مشخصات مصالح مصرفی ویژگيهای تمامي مصالح مصرفي در نمونه آزمایشگاهي بر اساس آزمایشهای استاندارد ASTM انجام یافته است. مشخصات بتن مصرفي و نتایج آزمایشهای آن بر روی نمونههای استاندارد در جدول آورده شده است. زمان نگهداری مقاومت طراحی مقاومت 5 روزه مقاومت زمان آزمایش جدول - مشخصات بتن مصرفي مقاومت فشاری)مگا پاسکال( 5 5/9 5/ در آرماتورهای طولي و عرضي از آرماتور نوع A3 استفاده گردید. برای بهدست آوردن مشخصات مکانیکي شمع فلزی و نمودار تنش و کرنش تست کشش بر روی 3 نمونه انجامیافت )شکل 11 (. ابعاد و مشخصات آزمایش براساس ASTM- A370-0 انجام گرفت و نتایج حاصله در جدول 3 آورده شده است. تحقیقات بتن سال نهم شمارۀ دوم 113 /
سید سعید میررضائي مجید برقیان حسین غفارزاده مسعود فرزام الف( آرماتوربندی و قالببندی ب( بتنریزی ج( تراز کردن اتصال د( نصب جهت بارگذاری شکل 9 - مراحل ساخت و بتن ریزی و نصب اتصال شمع فلزی به کوله بتن آرمه جهت بارگذاری شکل 5- جزئیات نمونه آزمایشگاهي اتصال شمع به کوله 7- نحوه آزمایش نیروی استاتیکي توسط یک جک هیدرولیکي با ظرفیت 91 تن به اتصال وارد گردید. در شکل 11 نحوه بار وارده و چگونگي اتصال نمونه به کف صلب آزمایشگاه نشان داده شدهاست. برای بررسي رفتار اتصال 3 عدد LVDT مطابق شکل 1 برای بدست آوردن تغییرمکانها نصب گردید. از LVDT1 برای بهدست آوردن / 119 تحقیقات بتن سال نهم شمارۀ دوم
مطالعه تئوریک و آزمایشگاهي اثر طول دفن شدگي شمع بر... تغییرمکان نوک شمع و از LVDT1 و LVDT برای بهدست آوردن دوران اتصال استفاده شدهاست. شکل 11 - آزمایش مقاومت کششي فوالد شمع نمونهها جدول 3 - مشخصات فوالد شمعها مقاومت تسلیم )مگا پاسکال( مقاومت نهایی )مگا پاسکال( افزایش طول )درصد( اساس رابطه 1 ميباشد( و نمونه دوم با طول گیرداری 3 سانتي- متر )که برابر مقدار محاسباتي بر اساس رابطه 1 ميباشد( انجام گرفت. در شکل 13 نحوه خرابي دو نمونه نشان داده شدهاند. برای وضوح بهتر نحوه توزیع ترک و انتشار آن شکل 19 بهصورت گرافیکي آنرا نشان ميدهد. همانطور که در شکلهای 13- الف و 13- ح دیده ميشود خرابي اتصال نمونه 1 با گسترش ترکهای فوقاني و تحتاني و بیرون آمدن قسمت فوقاني شمع از داخل بتن همراه ميباشد. بنابراین شمع در محل اتصال پالستیک کامل نشده و مقاومت اتصال کمتر از مقاومت خمشي شمع ميباشد. در حالي که در نمونه که از طول دفنشدگي کافي برخوردار است نحوه توزیع ترکها فقط در قسمت تحتاني قراردارد و هیپ گونه جداشگي در قسمت فوقاني و تحتاني میان شمع و کوله مشاهده نميشود. لذا شمع در محل اتصال پالستیک شده و اتصال به حداکثر مقاومت خود که همان مقاومت خمشي شمع فلزی ميباشد رسیده است )اشکال 13 و 19( 95 57 نمونه 1 5 79 577 نمونه 5 6 77 567 نمونه 5/66 میانگین 575/66 همچنین کرنشسنجهایي نیز مطابق شکل 1 بر روی قسمتهای مختلف شمع نصب گردید. نیروهای وارده تغییرمکانها و کرنشها با استفاده از دیتاالگر نصب شده برداشت گردید. بارگذاری بهصورت کنترل نیرو بر روی هر دو نمونه یعني نمونه اول با طول گیرداری 13 سانتيمتر )که کمتر از میزان محاسباتي بر شکل 11 - جزئیات نمونه آزمایشگاهي اتصال شمع به کوله شکل 1 - جزئیات نحوه اندازهگیری تغییرمکان دوران و کرنش فوالد تحقیقات بتن سال نهم شمارۀ دوم 119 /
سید سعید میررضائي مجید برقیان حسین غفارزاده مسعود فرزام الف: نحوه توزیع ترک در نمونه شماره 1 )نمای جانبی( ب: نحوه توزیع ترک در نمونه شماره 5 )نمای جانبی( ج: نحوه توزیع ترک در نمونه شماره 1 )نمای روبرو( د: نحوه توزیع ترک در نمونه شماره 5 )نمای روبرو( و: نحوه خمش تیر در نمونه شماره 5 ح: نحوه خمش تیر در نمونه شماره 1 شکل 13 - ترک و نحوه انتشار آن و نوع خرابي اتصال ب: نحوه انتشار ترک در نمونه شماره الف: نحوه انتشارترک در نمونه شماره 1 شکل 19 - ترک و نحوه انتشار آن شکل 19 تفاوت گسترش ترکها را در دو نمونه نشان ميدهد. در شکل 19 نمودار نیرو در مقابل تغییرمکان LVDT1 برای هر دو نمونه آورده شده است. در این شکل نمونه با طول گیرداری 13 سانتيمتر نتوانسته است به مقاومت هدف یعني برسد. FP FP مقدار نیروی است که شمع در این آزمایش در اثر آن به مقاومت پالستیک خود ميرسد. این مقدار با تغییر در طول شمع تغییر خواهد / 116 تحقیقات بتن سال نهم شمارۀ دوم
مطالعه تئوریک و آزمایشگاهي اثر طول دفن شدگي شمع بر... کرد ولي با توجه به اینکه در تمامي نمونههای آزمایشگاهي و تحلیل- های عددی طول شمع ثابت در نظرگرفته شدهاست از این متغییر) FP ( به عنوان نیرویي که شمع در اثر آن به مقاومت پالستیک خود ميرسد )فقط در این آزمایش( استفاده شده است. در حالي که نمونه بدلیل طول دفنشدگي کافي مقاومت بیشتری نسبت به FP داشته و در این حالت شمع در محل اتصال پالستیک کامل شده- است. در شکل 16 نیز نمودار لنگر-دوران دو نمونه آورده شدهاست. همانطور که در این شکل دیده ميشود مقاومت اتصال نمونه توانسته به مقاومت خمشي شمع (Mp) برسد در حاليکه مقاومت خمشي اتصال نمونه 1 کمتر از مقاومت خمشي شمع فلزی ميباشد. در جدول 9 کرنشهای نهایي نقاط مختلف دو نمونه آورده شده- است. نتایج آزمایش کشش در شمعهای فوالدی نشان داد که میانگین کرنش تسلیم برای فوالد شمع مقدار )1/11136( ميباشد لذا مقادیر کرنشها در نمونه 1 نشان ميدهد که فقط قسمت فوقاني شمع تسلیم شده و سایر قسمتهای شمع هنوز رفتار خطي دارند ولي شمع در محل اتصال نمونه به مقاومت تسلیم رسیده و اتصال در نمونه به مقاومت خمشي شمع رسیده است. جدول 9 - درصد کرنشهای شمع فوالدی نمونه 5 /5 نمونه 1 SG1(%) SG(%) SG3(%) /1 /5 /6 /1 /1 8- مدلسازی اجزای محدود برای ارزیابي و صحتسنجي نتایج آزمایشگاهي مدل اجزای محدود نمونه )طول دفن شدگي 3 سانتیمتر( با استفاده از نرمافزار ]6[ ATENA ایجاد شد )شکل 19 (. محل اتصال نمونه با زمین بهصورت تکیهگاه گیردار کامل مدل گردید. در این مدل از عضو Solid-CCIsoBrick برای مدلسازی کوله بتني و شمع فلزی استفاده شد. برای مدلسازی اتصال میان بتن و فوالد از عضو Contct-Gp استفاده شد. برای مدلسازی مشخصات رفتاری بتن از مدل پالستیسیته حساس به محصورشدگي ]9[ استفادهشد. برای مدلسازی رفتاری فوالد شمع از مدل فونمیزس با سخت شدگي کرنشي استفاده گردید. اتصال تماسي بین فوالد و بتن با استفاده از مدل اصطکاکي کولمب مدل گردید. در این مدل عدد 1/9 برای ضریب اصطکاک بین فوالد و بتن مورد استفاده قرار گرفت. در مراجع مختلف - از جمله آییننامه فرانسه - اعداد نزدیک به 1/9 را برای ضریب اصطکاک مورد استفاده قرار دادهاند ]9[. شکل 19 - نمودار نیرو در مقابل تغییر مکانLVDT1 شکل 16 - نیز نمودار لنگر- دوران اتصال شکل 17 - مدل اجزای محدود )کانتور تنشهای عمودی( تحقیقات بتن سال نهم شمارۀ دوم 119 /
سید سعید میررضائي مجید برقیان حسین غفارزاده مسعود فرزام در شکل 19 نمودار نیرو در مقابل تغییر مکانLVDT1 برای دو حالت تحلیلي و آزمایشگاهي آورده شدهاست. مقایسه دو نمودار نشاندهنده مطابقت خوب تغییرمکانها ميباشد. در تغییرمکانهای کوچکتر )در محدوده خطي( تحلیل اجزای محدود مقادیر بیشتری نسبت به مقادیر آزمایشگاهي نشان داد. این تفاوت در سختي و مقاومت را ميتوان به این صورت توجیه نمود که شرایط گیردای کامل در مدل اجزای محدود اعمال شده است در حالي که در عمل ایجاد شرایط گیرداری کامل غیر ممکن است. شکل 19 - نمودار نیرو در مقابل تغییر مکان LVDT1 برای دو حالت عددی و آزمایشگاهي 9- نتایج در این تحقیق روشي برای محاسبه طول دفنشدگي شمع فلزی به کوله بتني پلهای یکپارچه معرفي شد. با استفاده از مدلهای عددی و آزمایشگاهي ساخته شده رفتار این اتصال تحت بار جانبي بررسي ( به e w 13 سانتيمتر ) 1.04 گردید و نتایج زیر حاصل گردید. با افزایش طول دفنشدگي از ( مقاومت خمشي اتصال دو برابر e w 3 سانتيمتر ) 1.84 گردید. مقاومت خمشي نمونه ( با طول دفنشدگي 3 سانتيمتر( به مقاومت خمشي شمع رسید. در صورت استفاده از طول دفنشدگي کافي مقاومت خمشي اتصال بیشتر از مقاومت خمشي شمع بوده و شمع به مقاومت خمشي خود ميرسد و خرابي در اتصال روی نمي دهد. خرابي اتفاق افتاده در شمع با طول دفن شدگي کوتاه در اثر گسیختگي بلوکي بتن و بیرون آمدن قسمت فوقاني شمع )نمونه شماره 1( همراه بود. مدلسازی اجزای محدود با استفاده از نرمافزارATENA تا حد قابل قبولي مقاومت اتصال را پیشبیني کرد. نحوهی جداشدگي شمع از بتن و همچنین نحوهی توزیع ترک بهطور مناسبي مشاهده گردید. -9-9 11- مراجع [1] Hj-Nji, R. (00). Integrl utment ridges with skew ngles. Ph.D. disserttion, Univ. o Mrylnd, College Prk, MD. [] Kunin J, Almpulli S. (000), Integrl utment ridges current prctice in United Sttes nd Cnd, Journl o Perormnce o Constructed Fcilities, ASCE000; 14(3):104 11. [3] Burke Jr M. P. (009) Integrl nd Semi- Integrl Bridges [Book]. - Oxord: John Wiley & Sons. Trnslted to Frsi y Brghin, M., Mirrezei, S., Akhtr Puliction. [4] New York stte deprtment o trnsporttion. Integrl utment ridges: comprison o current prctice etween Europen countries nd the United Sttes o Americ. Trnsporttion Reserch nd Development Bureu. Specil report 15; 007. [5] Arsoy S. (000), Experimentl nd Anlyticl Investigtions o Piles nd Autments o Integrl [Report], Doctorl Thesis. - Blckurg: Virgini Polytechnic Institute nd Stte University. [6] Petursson Hns nd Collin Peter IABSE Symposium Melourne // Composite Bridges with Integrl Autments minimizing Lietime Costs. Melourne. [7] Dicleli Murt, Alhisi Suhil M. (003), Mximum length o integrl ridges supported on steel H-piles driven in snd, Engineering Structures, 5:1491 504. [8] Dicleli Murt, Alhisi Suhil M. (004), Perormnce o utment ckill system under therml vritions in integrl ridges uilt on cly,engineeringstructures, 6:949 6. [9] Prk YH, Jung HS, Lee YS, Jung GJ. (001), Lterl ehvior o impct-driven H piles used in integrl utment ridge, Journl o KSCE; 1(3C):07 3. [10] Prk YH, Jung GJ, Kim SH. (000), Axil response o impct-driven H piles using integrl utment ridge, Journl o KSCE; 0(3C):81 90. -1 - -3 / 119 تحقیقات بتن سال نهم شمارۀ دوم
مطالعه تئوریک و آزمایشگاهي اثر طول دفن شدگي شمع بر... [4] Sherti,A. nd Azizinmini,A. (015). Flex ile Pile Hed in Jointless Bridges: Experimentl Investigtion. J. Bridge Eng., 0(4). [5] Nilsson, M. (008), Evlution o In-situ Mesurements o Composite Bridge with Integrl Autments, thesis, Luleå University o Technology Deprtment o Civil, Mining nd Environmentl Engineering Division o Structurl Engineering. [6] Červenk, V., Červenk J., (013), User s Mnul or ATENA 3D Version 5.0.0. [7] Ppnikolou,V.K., nd Kppos, A.J. (007) Coninement-sensitive plsticity constitutive model or concrete in trixil compression, Interntionl Journl o Solids nd Structures, 44(1):701-7048. [8] Michel Rous, M Hmed Ali Krry., (009), Model coupling riction nd dhesion or steel concrete interces. Interntionl Journl o Computer Applictions in Technology, Inderscience, 34 (1):4-51. [11] Prk YH, Nm MS. (007). Behvior o erth pressure nd movements on integrl utments, Journl o KSCE; 6:949 6. [1] A. N. Kotsoglou, S. J. Pntzopoulou, (009), Assessment nd modeling o emnkment prticiption in the seismic response o integrl utment ridges, Bull Erthquke Engineering, Vol. 7, pp. 343 361. [13] Hrries KA, Petrou MF. (001), Behvior o precst, pre-stressed concrete pile to cst-in-plce cp connections. PCI J. July-August; 46(4):8-9. [14] Pm HJ, Prk R. (1990), Simulted seismic lod tests on pre-stressed concrete piles nd Pilepile cp connections, PCI J; 35(6):4-61. [15] Silv P.F. (1998), Experimentl nd Anlyticl Models to Predict the Response o Pile to Pile Cp Connections under Simulted Seismic Lods, Ph.D. Thesis, University o Cliorni t Sn Diego, L Joll, CA. [16] Xio Y. (003), Experimentl studies on precst pre-stressed concrete pile to CIP concrete pile-cp connections. PCI J; 48(6):8-91. [17] Burdette EG, Jones WD, Fricke KE. (1983), Concrete ering cpcity round lrge inserts, ASCE Journl o Structurl Engineering; 109(6):1375 86. [18] Steunenerg, M., Sexsmith, R., nd Stiemer, S. (1998). Seismic ehvior o steel pile to precst concrete cp em connections. Journl o Bridge Engineering, 3(4):177 185. [19] Stephens, J. nd Mc.Kittrick, L. (005) Perormnce o Steel Pipe Pile-to-Concrete Bent Cp Connections Suject to Seismic or High Trnsverse Loding: Phse II. Report No.FHWA/MT-05-001/8144. [0] Shm, A., A, nd Mnder, J.B. (001). Seismic Perormnce nd Retroit o Steel Pile to Concrete Cp Connections. ACI Structurl Journl, 99(1):185-19. [1] Xio, Y., Wu, H., Yprk, T.T., Mrtin, G.R., Mnder, J.B. (006). Experimentl Studies on Seismic Behvior o Steel Pile-to-Pile-Cp Connections. J.o Bridge Engineering, ASCE, 11():151-159. [] Jin-Hee Ahn, Ji-Hyun Yoon, Jong-Hk Kim, Sng-Hyo Kim. (011), Evlution on the ehvior o utment pile connection in integrl utment ridge, Journl o Constructionl Steel Reserch, 67: 1134 1148. [3] Kppes, L., Berry, M., Stephens, J., nd McKittrick, L. (01) Concrete Filled Steel Tue Piles to Concrete Pile-Cp Connections. Structures Congress :581-590. doi: 10.1061 /978078441367.05 تحقیقات بتن سال نهم شمارۀ دوم / 115
Anlyticl nd Experimentl Studies o Steel H-Pile Connection to the Integrl Bridge Autments under Lterl Lods Seyed Seed Mirrezei Ph.D. Student t the University o Triz, Fculty o Civil Engineering Mjid Brghin Associte Proessor t the University o Triz, Fculty o Civil Engineering Hosein Ghrzdeh Associte Proessor t the University o Triz, Fculty o Civil Engineering Msoud Frzm Assistnt Proessor t the University o Triz, Fculty o Civil Engineering Astrct Integrl ridges re jointless ridges tht typiclly re constructed with lexile oundtions which include one row o steel H piles. Becuse the min criterion limiting the length o integrl ridges is the lterl displcement cpcity o their supporting piles, longer integrl ridges cn e uilt y incresing tht cpcity. Detiling nd the emedded length o pile inside the utment o the ridges hve key role to provide sher nd lexurl resistnce o pile - utment connections. In this pper, irst, theoreticl method ws developed y uthors to clculte the required emedded length o the pile, sed on the plstic moment o the steel pile. Then, to evlute the eiciency o proposed theoreticl method, two specimens o pile-utment connections were constructed with dierent emedded lengths o pile inside the utment. The results o the experiment in conjunction with numericl nd nlyticl studies showed tht y incresing the emedded length less thn the proposed method to the vlue o more thn the proposed method incresed the lexurl cpcity o the joint up to 100%. Keywords: Integrl Bridge, Steel Pile-Autment Connection, Flexurl Strength o Steel Pile, Emedded Length o Pile. Corresponding Author: rghin@trizu.c.ir / 111 تحقیقات بتن سال نهم شمارۀ دوم