خلاصه
در اتصالات متداول سازه‌های فولادی، معمولاً از بولت‌های مهاری (Anchor Bolt) برای انتقال نیرو بین ستون فولادی و بتن استفاده می‌شود، اما این سیستم‌ها در برابر نیروهای کششی و برشی، به‌ویژه در شرایط بارگذاری سنگین در سازه‌های صنعتی و سازه‌های مرکب فولاد و بتن، دارای محدودیت‌هایی هستند. به همین دلیل، در سال‌های اخیر توجه به رفتار اتصال فولادی مدفون در بتن و جایگزین‌های آن افزایش یافته است.
در این پژوهش، رفتار کششی مقاطع فولادی مدفون شیب‌دار به‌عنوان جایگزینی برای بولت‌های مهاری مورد بررسی قرار گرفته است. این نوع اتصال در سیستم‌های سازه‌ای، با تکیه بر اصطکاک میان فولاد و بتن، توانایی قابل توجهی در مقاومت در برابر نیروهای بیرون‌کشیدگی (Pull-out Resistance) از خود نشان می‌دهد و می‌تواند عملکرد مناسبی در پایه ستون‌های فولادی و اتصالات سازه‌ای مدفون داشته باشد.
مطالعه حاضر با استفاده از تحلیل عددی در نرم‌افزار Abaqus و همچنین آزمایش‌های تجربی روی مقاطع فولادی I و Box انجام شده است. نمونه‌ها با زوایای شیب مختلف درون بلوک‌های بتن غیرمسلح قرار گرفته و تحت بار کششی قرار گرفتند تا رفتار مکانیکی، ظرفیت باربری و نحوه شکست آن‌ها بررسی شود. نتایج نشان داد که رایج‌ترین حالت شکست در این اتصالات، شکست انفصالی بتن (Splitting Failure) است که ترک‌ها در امتداد جهت شیب مقطع گسترش پیدا می‌کنند.
در ادامه، پارامترهای مؤثر بر رفتار اتصال شامل شرایط مرزی، ابعاد بلوک بتنی، زاویه شیب مقطع فولادی و ضریب اصطکاک بین فولاد و بتن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که افزایش محصورشدگی بتن (Concrete Confinement) می‌تواند مقاومت بیرون‌کشیدگی را به‌طور قابل توجهی افزایش دهد و ظرفیت نهایی اتصال را تا حدود دو برابر بهبود بخشد.
همچنین افزایش زاویه شیب تا حدود ۲.۵ درصد باعث افزایش محسوس مقاومت کششی در اتصالات فولادی مدفون در بتن می‌شود، اما افزایش بیشتر زاویه تأثیر قابل توجهی در بهبود ظرفیت نهایی ندارد. این موضوع نشان می‌دهد که طراحی بهینه زاویه، نقش مهمی در عملکرد اتصال دارد.
در شرایط مناسب محصورشدگی و مهاربندی بتن، نوع شکست از حالت انفصالی به شکست دو مخروطی (Biconical Failure) تغییر می‌کند که بالاترین ظرفیت باربری را برای این نوع اتصالات فراهم می‌سازد. همچنین نتایج تحلیل غیرخطی نشان می‌دهد که رفتار اتصال به‌طور مستقیم تحت تأثیر پارامترهای هندسی و اصطکاکی قرار دارد.
در مجموع، این تحقیق نشان می‌دهد که استفاده از مقاطع فولادی مدفون شیب‌دار می‌تواند به‌عنوان جایگزینی کارآمد برای بولت‌های مهاری در سازه‌های فولادی، سازه‌های مرکب و سیستم‌های صنعتی مورد استفاده قرار گیرد و علاوه بر افزایش ظرفیت باربری، موجب بهبود عملکرد سازه‌ای و کاهش محدودیت‌های اجرایی در طراحی اتصالات شود.
پانواع پایه‌ستون مدفون شامل: c1 مقطع یکنواخت، c2 مقطع دارای صفحه انتهایی و c3 مقطع شیب‌دار
روش‌های مختلف اجرای پایه‌ستون مدفون شیب‌دار در سازه‌های فولادی
الگوی گسترش ترک در بلوک‌های بتنی تحت بارگذاری کششی
نمودارهای بار–تغییرمکان نمونه‌های آزمایش‌شده
مقایسه نتایج آزمایشگاهی و عددی
مکانیسم‌های گسیختگی تحت شرایط مرزی مختلف
مقایسه ترک‌خوردگی در بلوک‌های بتنی تحت شرایط مختلف بارگذاری
تأثیر زاویه شیب بر مقاومت بیرون‌کشیدگی و تغییرمکان اتصال
نتیجه گیری
بالاتر از ۷.۵ درصد، تغییرمکان تقریباً ثابت باقی می‌ماند. همچنین در بازه‌های معمول ضریب اصطکاک، زمانی که زاویه شیب بیش از ۲.۵ درصد باشد، تغییرات اصطکاک تأثیر قابل توجهی بر ظرفیت نهایی اتصال ندارد.
در مجموع، نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که مقاطع فولادی مدفون شیب‌دار می‌توانند گزینه‌ای مؤثر و قابل اعتماد برای طراحی پایه‌ستون‌ها در سازه‌های فولادی، سازه‌های مرکب و سیستم‌های صنعتی باشند و با بهینه‌سازی هندسه و شرایط محصورشدگی بتن، عملکرد سازه‌ای به‌طور قابل توجهی بهبود می‌یابد.مطالعات پس از زلزله نشان می‌دهند که پایه ستون های مدفون (Embedded Steel Connections) نسبت به سیستم های متداول مانند بیس‌پلیت‌ها، ظرفیت بالاتری در اتلاف انرژی، سختی دورانی بیشتر و توان تحمل تغییرشکل‌های غیرالاستیک بزرگ‌تر دارند. از منظر اجرایی نیز استفاده از مقاطع فولادی مدفون شیب‌دار می‌تواند موجب ساده‌تر شدن جزئیات اتصال و بهینه‌سازی فرآیند ساخت پایه‌ستون‌ها در سازه‌های فولادی و سازه‌های مرکب فولاد و بتن شود.
در این پژوهش سه روش مختلف برای اجرای پایه‌ستون‌های مدفون معرفی و بررسی شده است. نتایج آزمایشگاهی و عددی مربوط به رفتار بیرون‌کشیدگی مقاطع فولادی نوع Box و I که در بتن غیرمسلح مدفون شده‌اند نشان می‌دهد این اعضا پیش از جداشدن کامل از بتن، بخش قابل‌توجهی از بار نهایی را همراه با تغییرشکل‌های بزرگ تحمل می‌کنند. همچنین در نمودارهای بار–تغییرمکان، وجود یک ناحیه پایدار بین اولین و آخرین پیک بار مشاهده می‌شود، هرچند با افزایش زاویه شیب، این ناحیه کاهش یافته و میزان تغییرشکل نهایی نیز کمتر می‌شود.
بر اساس نتایج، رایج‌ترین حالت شکست در این اتصالات، شکست انفصالی بتن (Splitting Failure) است، در حالی که در مقاطع دارای صفحه انتهایی، شکست معمولاً به‌صورت مخروطی رخ می‌دهد. مدل‌های تحلیلی نشان می‌دهند که در صورت ایجاد محصورشدگی مناسب در بتن، نوع شکست به شکست دو مخروطی (Biconical Failure) تغییر یافته و بیشترین ظرفیت بیرون‌کشیدگی در اتصالات فولادی مدفون در بتن حاصل می‌شود. همچنین افزایش ابعاد بلوک بتنی پس از رسیدن به این حالت شکست، از نظر اقتصادی توجیه‌پذیر نبوده و تأثیر قابل‌توجهی بر افزایش مقاومت ندارد.
بررسی اثر زاویه شیب مقاطع نشان می‌دهد افزایش زاویه تا حدود ۲.۵ درصد موجب افزایش محسوس مقاومت بیرون‌کشیدگی می‌شود، اما افزایش بیشتر از ۵ درصد تأثیر قابل توجهی بر ظرفیت نهایی ندارد. در مقابل، در زوایای کمتر از ۲.۵ درصد میزان تغییرمکان متناظر با بار نهایی بسیار بیشتر است، در حالی که برای زوایای بالاتر از ۷.۵ درصد، تغییرمکان تقریباً ثابت باقی می‌ماند. همچنین در بازه‌های معمول ضریب اصطکاک، زمانی که زاویه شیب بیش از ۲.۵ درصد باشد، تغییرات اصطکاک تأثیر قابل توجهی بر ظرفیت نهایی اتصال ندارد.
در مجموع، نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که مقاطع فولادی مدفون شیب‌دار می‌توانند گزینه‌ای مؤثر و قابل اعتماد برای طراحی پایه‌ستون‌ها در سازه‌های فولادی، سازه‌های مرکب و سیستم‌های صنعتی باشند و با بهینه‌سازی هندسه و شرایط محصورشدگی بتن، عملکرد سازه‌ای به‌طور قابل توجهی بهبود می‌یابد.