مطالعه آزمایشگاهی تأثیر افزایش دما بر عملکرد ستون‌های فولادی دوجداره پرشده با بتن با هندسه خارجی منشوری تحت بار چرخه‌ای

Abstract

طی سالیان اخیر، احداث ساختمان هایی با امنیت بالا در برابر شرایط انفجار و آتش‌سوزی یک مسأله بسیار مهم در دنیا محسوب می شود. بنابراین یکی از راهکارهای مناسب در این زمینه، استفاده از ستون های مرکب فولادی-بتنی بوده بطوری که در هسته ستون از بتن استفاده شود تا دوام و پایداری آن در برابر حرارت های بالا حفظ شود. در این مقاله به بررسی اثر دماهای بالا بر عملکرد ستون‌های فولادی دوجداره پرشده با بتن با هندسه منشوری پرداخته شد. بدین منظور تعدادی ستون با هسته داخلی مربع، لوزی و دایره‌ای شکل که بصورت مستقیم و سراسری در کل طول ستون ادامه یافته و هسته خارجی منشوری شکل با سطح مقطع مربعی که با شیب 1/2 درجه از بالا به پایین افزایش یافته است، ساخته شده و تحت دماهای 25، 250، 500 و 700 درجه سانتی‌گراد با نرخ افزایش درجه حرارت طبق استاندارد بین‌المللی آتش IS0-834 قرار گرفتند. سپس کلیه ستون‌ها تحت بار چرخه‌ای با پروتکل بارگذاری ATC-24 قرار گرفته و بارگذاری تا مرحله گسیختگی ستون ادامه یافت. در ابتدا مقاومت فشاری 28 روزه بتن، اندازه گیری شده و فولاد استفاده شده تحت آزمایش کشش قرار گرفته و مشخصات تنش و کرنش آن بدست آمد. نتایج حاکی از آن است که با وجود اینکه مود خرابی ستون های با مقطع داخلی مربع و لوزی مشابه یکدیگر بوده اما ستون های با مقطع داخلی دایره آثار تخریبی و گسیختگی نامناسب‌تری نسبت به ستون های با مقطع داخلی مربع و لوزی داشته اند. مود گسیختگی پای ستون ها تا دمای 500 درجه سانتی گراد بصورت کمربند قطری با زاویه 45 درجه گسترش پیدا کرده اما در دمای 700 درجه سانتی گراد بصورت کمربند افقی در تراز 10 سانتی متری از پای ستون رخ داده است. همچنین سختی اولیه و ضریب شکل پذیری ستون های با مقطع داخلی لوزی تا حدود 2 برابر سایر ستون ها بوده اند. در کلیه ستون ها بیشترین خرابی بتن در ناحیه پای ستون به علت حداکثر لنگر ایجاد شده در آن ناحیه ایجاد شده که از دمای 25 تا 700 درجه سانتی گراد خرابی بصورت جداشدگی بتن از ناحیه فولادی مشاهده شده و با افزایش دما، به تدریج نواحی مرکزی و میانی نیز دچار تخریب می شوند که در نهایت در دمای 700 درجه سانتی گراد در کلیه نمونه ها بتن بصورت کاملاً خردشده درآمده به گونه ای که عملاً نقشی در ظرفیت باربری ستون نداشته است. تخریب بتن در ستون ها تقریباً در همه ستون های با مقطع داخلی دایره، مربع و لوزی به یک شکل بوده و تفاوتی با هم نداشته اند. بطور کلی تقریباً در تمامی ستون ها از دمای 25 تا 500 درجه سانتی گراد پس از 15 چرخه و در دمای 700 درجه سانتی گراد پس از 9 یا 12 چرخه، ظرفیت باربری ستون ها تا حدود 50 درصد افت داشته و فرآیند بارگذاری متوقف شد. در این بین، ستون‌های با مقطع داخلی دایره، زودتر از سایر ستون ها گسیخته شده و عملکرد مناسبی در این مسأله نداشتند. همچنین در ستون های با مقطع داخلی لوزی نیز فرآیند گسیختگی و کاهش شدید ظرفیت باربری از دمای 500 درجه آغاز شده که نشان از عملکرد نامناسب این ستون بعلت توزیع هندسی ناهمگون در ارتفاع ستون دارد. بطور کلی تقریباً در تمامی ستون ها از دمای 25 تا 500 درجه سانتی گراد پس از 15 چرخه و در دمای 700 درجه سانتی گراد پس از 9 یا 12 چرخه، ظرفیت باربری ستون ها تا حدود 50 درصد افت داشته و فرآیند بارگذاری متوقف شد.