مقدمه
در سازههای فولادی، انتقال ایمن نیرو از ستون به فونداسیون یکی از چالشهای اصلی طراحی است. روش متداول، استفاده از صفحهستون و بولتهای مهاری است؛ اما این سیستمها در برابر نیروهای کششی و برشی محدودیتهایی دارند. یکی از راهکارهای جایگزین، مدفونکردن مستقیم عضو فولادی در بتن است که میتواند عملکرد سازهای بهتری، بهویژه در شرایط لرزهای، ارائه دهد.
این مقاله رفتار کششی پایههای مدفون شیبدار را بهصورت عددی و آزمایشگاهی بررسی میکند
103820140401
مکانیزمهای مقاومت در پایههای مدفون
بسته به شکل عضو فولادی مدفون، مقاومت در برابر بیرونکشیدگی از سه مکانیزم اصلی تأمین میشود:
-
چسبندگی (Bond Resistance)
-
گیرایی مکانیکی (Interlocking Force)
-
اصطکاک فولاد–بتن (Frictional Resistance)
در پایههای شیبدار، سهم اصلی مقاومت ناشی از اصطکاک و مؤلفههای فشاری ایجادشده در سطح تماس فولاد و بتن است.
برنامه آزمایشگاهی
در این تحقیق، چهار نمونه آزمایشگاهی شامل:
-
دو مقطع I
-
دو مقطع Box
با عمق مدفونسازی 360 میلیمتر و شیبهای 5٪ و 10٪، در بلوکهای بتن بدون آرماتور مورد آزمایش قرار گرفتند.
یافتههای کلیدی آزمایشها:
-
بیشینه نیروی بیرونکشیدگی بین 713 تا 871 کیلونیوتن
-
شکست غالب بهصورت ترکخوردگی و شکافت بتن (Splitting Failure)
-
وجود ناحیهای با پایداری پس از اوج بار (Load Plateau) در شیبهای کمتر
مدلسازی عددی
برای شبیهسازی رفتار آزمایشها:
-
از Abaqus 6.10-1 استفاده شد
-
بتن با مدل Damage Plasticity
-
تماس فولاد–بتن با اصطکاک (μ = 0.4)
-
اعمال بار بهصورت کنترل تغییرمکان
نتایج عددی تطابق بسیار خوبی با دادههای آزمایشگاهی داشتند (اختلاف حدود ۵٪).
تأثیر شرایط مرزی و ابعاد بتن
مطالعات پارامتریک نشان داد:
-
محصورشدگی جانبی بتن میتواند مقاومت بیرونکشیدگی را تا حدود دو برابر افزایش دهد
-
با افزایش ابعاد بلوک، مکانیزم شکست از شکافت بتن به شکست دومخروطی (Biconical) تغییر میکند
-
پس از رسیدن به این مکانیزم، افزایش بیشتر ابعاد بتن از نظر اقتصادی توجیهپذیر نیست
تأثیر زاویه شیب عضو مدفون
-
افزایش زاویه شیب تا حدود 2.5٪ باعث افزایش محسوس مقاومت میشود
-
برای شیبهای بزرگتر از 5٪، افزایش مقاومت ناچیز است
-
شیبهای کمتر، تغییرمکانهای بزرگتری در بار اوج ایجاد میکنند
نقش ضریب اصطکاک فولاد–بتن
در بازه متعارف ضریب اصطکاک (0.3 تا 0.5):
-
تأثیر آن بر مقاومت نهایی برای شیبهای ≥2.5٪ محدود است
-
در شیبهای کم، تغییر ضریب اصطکاک اثر قابلتوجهتری دارد
جمعبندی و نتایج کاربردی
این مطالعه نشان میدهد که:
-
پایههای مدفون شیبدار میتوانند جایگزین مناسبی برای صفحهستون و بولت مهاری باشند
-
طراحی بهینه باید همزمان زاویه شیب، محصورشدگی بتن و عمق مدفونسازی را در نظر بگیرد
-
این نوع اتصال ظرفیت جذب انرژی و تغییرشکل بالایی دارد و برای کاربردهای لرزهای بسیار مناسب است
نتایج مقاله میتواند مستقیماً در طراحی صنعتی و بهینهسازی جزئیات اجرایی پایه ستونها به کار رود