دانلود رایگان ترجمه مقاله رفتار برشی نهایی ترکیبی بتن تقویت شده تیر به فولاد مجموعه ستون – الزویر 2015

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

چکیده: این مقاله، مکانیسم های انتقال برشی و رفتار نهایی سیستم های ترکیبی شامل نیروهای بتن آرمه مسطح. که به ستون فولادی سازه ای متصل شده است را مورد بررسی قرار می دهد. یک سری شامل پنج آزمایش مقیاس بزرگ بر روی مونتاژهای سازه ای که در آن، بازوهای برش فولادی مستقیماً بر ستون های فولادی جوش خورده است و در تیرهای دبتن آرمه گنجانده شده اند، ارائه شده است. پس از توصیف ترتیب آزمایشی و جزئیات نمونه، نتایج و مشاهدات اصلی که از این آزمایشات بدست آمده، ارائه و توصیف شده است. ارزیابی مستقیمی از رفتار برش نهایی یک چنین سیستم های ترکیبی را نشان می دهد. یافته های آزمایشی، این امکان را فراهم می کند که مقایسه ای با پیش بینی های مقاومت که از مدل های تحلیلی که کاربرد متداولی در طراحی اعضای بتن آرمه معمولی دارند، انجام شود. توضیحات و ارزیابی مقایسه ای که در این مقاله ارائه شده است، بینشی در مورد تأثیرات مکانیسم های مختلف انتقال برشی ارائه می کند که مقاومت عرفی، نواحی فشاری، تنش کششی باقی مانده، همبندی پایدارکنندۀ بتن، و پیوند فاصل میانی بین پروفیل فولادی و بتن را شامل می شود. فعالسازی و نقش مکانیسم های اصلی انتقال برش از نظر افزایش ترک که به طور آزمایشی بررسی شده است و الگو و مسیر، ارزیابی شده است و مقایسه ای بین روش های تحلیلی که تطابق گسترده ای دارند، صورت گرفته است. این نتایج نشان می دهد که نقس هر مکانیسم انتقال، تابعی از سیماتیک (جابجایی) ترک و سطح بار وارد شدۀ مطابق آن می باشد. در نهایت، اصلاحات روشهای تحلیلی موجود برای اجزای بتن آرمه معمولی، به این منظور ارائه شده است که ارزیابی مطمئنی از ظرفیت برش نهایی یک چنین سیستم های ترکیبی ارائه کند. عبارات درباره تأثیر خصوصیات بازوی برشی بر مقاومت بار نهایی، بیان شده است و پیش بینی واقعی تری از این رفتار در مقایسه با ملاحظات طراحی بتن آرمۀ معمولی ارائه می کند. کلید واژگان:سیستم های ترکیبی، مونتاژهای فولاد/ بتن آرمه، مکانیسم های انتقال برش، رفتار برشی، طراحی برشی.

1- مقدمه: شرایطی که در آن باید اجزای ساختمانی بتن آرمه را با اعضای فولاد عمودی ترکیب کنیم، غالباً در ساختمان-های چند طبقه می باشد که یا به محدودیت های عملکرد و یا به بارگذاری مربوط است یا در نتیجۀ ملاحظات سازه ای و کاربردی می باشد. بهرحال طراحی یک چنین اعضای ترکیبی فولادی و بتن آرمه ای در جهت کاربردپذیری قوانین آیین نامه ای است، که اساساً ایجاد شده و برای ترکیب بندی های فولاد سازه ای یا بتن آرمه معمولی، ایجاد شده و اثبات شده است. بسیاری از بررسی های قبلی، عملکرد شکل های مختلف اجزای ترکیبی بتن/ فولاد را مورد بررسی قرار داده اند. برای مثال، ارزیابی های مختلفی در زمینه عملکرد تیرهای که بر اجزای دیوار بتن آرمه متصل شده اند، صورت گرفته است. [4-1] و در مورد رفتار اتصالات بین تیرهای فولادی و ستون های بتن آرمه هم ارزیابی صورت گرفته است. [7-5] چندین بررسی اخیر هم عملکرد اتصالات ستون ترکیبی یا دال مسطح به لوله فولادی را [1-8] را بوسیلۀ بازوهای برشی گنجانده شده مورد ارزیابی قرار داده اند. با این وجود، هنوز هم ارزیابی های اساسی در زمینۀ مکانیسم های انتقال برشی و رفتار نهایی سیستم های ترکیبی و تیر بتن آرمه ای با فولاد، وجود ندارد. وجود یک عامل فولادی گنجانده شده در یک عضو بتن آرمه، یک ناپیوستگی در دو ناحیۀ مجزا ایجاد می کند. (یعنی سطوح ترکیبی و غیرترکیبی) و خصوصیات رفتاری بسیار پیچیده تری در مقایسه با خصوصیات رفتاری که در اعضای بتن آرمۀ معمولی وجود دارد، مشاهده کردیم. تعدادی ا زحالت های گسیختگی ممکن است در دو ناحیۀ عضو ترکیبی ایجاد شود که یا در ناحیه برشی و یا در ناحیۀ خمشی می باشدو مورد دوم، مکانیسم های رفتاری بسیار پیچیده تر و وابسته به هم را نشان می دهد. در یک بررسی شبیه سازی عددی که نویسندگان انجام داده اند [12] مکانیسم های اصلی گسیختگی برشی شامل تنش قطری یا شکست برشی است که در تیرهای ترکیبی ممکن است رخ دهد که مورد بررسی قرار گرفته است. چنانکه انتظار دارم مراحل اولیه این رفتار بوسیله ترک خمشی توضیح داده شده است.

وقتی گسیختگی خمشی، غالب نمی باشد، و نیروهای برشی زیاد، در مقطع، جابجا نمی شوند، ترک های قطری ایجاد می شود. گسیختگی برشی زمانی رخ می دهد که تنش ها نمی توانند از طریق فاصل ترک انتقال یابند و عضو به دو بدنۀ سختی تقسیم می شود که حول یک نقطه ثابت که در رأس ترک در منطقۀ فشار قرار گرفته است، دوران دارد. در انتقال برشی، چند مکانیسم نقش دارند که شامل ناحیه فشاری بتن، همبندی پایدارکننده بتن، عامل میلۀ پایدارکنندۀ بتن و مقاومت عرفی. [26-13] و همچنین پیوند فاصل بین عضو فولادی و بتن اطراف آن می باشد. [29-27] فعالسازی هر یک از این مکانیسم ها به اندازه عضو و جزئیات آرماتور و مقاومت ماده بستگی دارد. [15 و 14] ارزیابی هایی انجام دود که بر توزیع شش برش در ناحیه تنش تیرهای بتن آرمه با نظارت کرنشی با استفاده از یک جزئیات ترکیب کرنشی سنج های الکتریکی انجام گرفته است این نتایج نشان می دهد که قبل از ترک، توزیع تنش برشی، تقریباً معمولی است و نیرویی که در ناحیه فشار حمل می شود، به آهستگی افزایش یافته و تا 40-20% مجموع نیروی برش هنوز هم به گسل می رسد.

بخشی از مقاله انگلیسی:

Abstract

This paper examines the shear transfer mechanisms and ultimate behaviour of hybrid systems consisting of reinforced concrete beams connected to structural steel columns. A series of five large scale tests on structural assemblages, in which steel shear-arms are welded directly to the steel columns and embedded in the reinforced concrete beams, is presented. After describing the experimental arrangement and specimen details, the main results and observations obtained from the tests are provided and discussed. The test results offer a direct evaluation of the ultimate shear behaviour of such hybrid systems. The experimental findings also enable a comparison with the strength predictions obtained from analytical models which are commonly used in the design of conventional reinforced concrete members. The discussions and comparative assessments presented in this paper provide an insight into the influence of various shear transfer mechanisms including transverse reinforcement, compressive zones, residual tensile stresses, aggregate interlock, and dowel action, in addition to the interfacial bond between the steel profile and concrete. The activation and contribution of the key shear transfer mechanisms are assessed in light of the experimentally-monitored crack growth, path and pattern, as well as in comparison with widely-adopted analytical approaches. The results show that the contribution of each transfer mechanism is a function of the crack kinematics and corresponding level of applied load. Finally, modifications to existing analytical approaches for conventional reinforced concrete elements are proposed in order to provide a reliable evaluation of the ultimate shear capacity of such hybrid systems. The suggested expressions account for the influence of the shear-arms’ characteristics on the ultimate shear strength, and offer a more realistic prediction of the behaviour in comparison with conventional reinforced concrete design provisions.

1. Introduction

Situations in which reinforced concrete floor elements need to be combined with vertical steel members often arise in multi-storey buildings, either due to loading and performance constraints or as a result of practical and constructional considerations. However, the design of such ‘hybrid reinforced concrete/steel members’ often poses various uncertainties related to the direct applicability of codified rules which are typically developed and validated for conventional reinforced concrete or structural steel configurations. Many previous studies have examined the performance of various forms of hybrid steel/concrete elements. For example, various investigations have been carried out on the performance of composite steel coupling beams connected to reinforced concrete wall elements [1–4], and on the behaviour of connections between steel beams and reinforced concrete columns [5–7]. Several recent studies have also examined the performance of flat slab-to-tubular steel or composite column connections [8–11] by means of embedded shear-arms. Nevertheless, there is a dearth of fundamental assessments on the shear transfer mechanisms and ultimate behaviour of hybrid reinforced concrete beam-to-steel column systems. The presence of an embedded steel element within a reinforced concrete member creates a discontinuity within two distinct regions (i.e. composite and non-composite), and results in more complex behavioural characteristics than those occurring in conventional reinforced concrete members. A number of failure modes can occur within the two regions of the hybrid member, either in flexure or shear, with the latter involving more intricate inter-dependent behavioural mechanisms. In a recent numerical study by the authors [12], typical shear failure mechanisms involving diagonal tension or shear crushing that can occur in hybrid beams, were explored. As expected, early stages of behaviour are described by flexural cracking. When flexural failure is not governing and high shear forces are mobilised in the section, diagonal cracking occurs. Shear failure takes place when stresses cannot be transferred through the crack interfaces and the member divides into two rigid bodies rotating along a fixed point located at the crack tip in the compression zone. Shear transfer can include contributions from several mechanisms including the concrete compressive zone, aggregate interlock, dowel action and transverse reinforcement [13–26], as well as the interfacial bond between the steel member and surrounding concrete [27–29]. The activation of each mechanism depends on the material strength, reinforcement details and member size. Taylor [14,15] carried out investigations focusing on the distribution of shear stresses in the compression zone of reinforced concrete beams by monitoring the strains using a detailed arrangement of electrical strain gauges. The results showed that, before cracking, the shear stress distribution is nearly parabolic and the force carried by the compression zone increases slowly up to 20–40% of the total shear force until the beam approaches failure. It was reported that the tension zone of the beam can carry up to 75% of the total shear force, with the transfer through aggregate interlock contributing up to 33–50% of the total shear and the dowel action in the range of 15–25%; the latter two mechanisms decrease significantly when stirrups are present. The results presented by Swamy and Andriopoulos [22] are also in agreement with the above, and showed that shear transferred through aggregate interlock decreases with the increase in load. Several models have been proposed to estimate the contribution of aggregate interlock to the ultimate shear strength [e.g. 16,17,19,22,30]. The model proposed by Walraven and Reinhard [16] and Walraven [17] accounts for the physical behaviour of the interlocking crack faces and is based on a cumulative distribution function of the aggregates in the crack plane. Modified approaches incorporating other width-to-slip relationships have also been proposed by Ulaga [31] and Guidotti [32]. On the other hand, Dei Poli et al. [19] adopted an idealised crack model where the aggregate interlock contribution was assessed by assuming that the reinforced concrete beam behaves as a plane truss with shear and confinement stresses along the diagonal cracks. In general, shear transfer through aggregate interlock is often examined together with dowel action since they are strongly linked. Based on experimental observations, statistical assessments were carried out to estimate the interdependency between aggregate interlock and dowel action [22]. It was shown that the shear carried by the interface depends on the amount of longitudinal reinforcement, transverse reinforcement (spacing, intersection with governing crack and longitudinal reinforcement), concrete strength and moment-to-shear ratio.