آزمونهای دوره ای شبه استاتیک بر دیوارهای برشی بتنی فوق سبک EPS
24,500 تومانشناسه فایل: 5317
چکیده
این مطالعه یک سیستم ساختاری نوین را به نام سیستم JK معرفی می کند که از دیوارهای JK به عنوان عناصر ساختاری اصلی آن استفاده می کند. دیوارهای JK اولین بار، توسط جوزف کیفر (Joseph Kiefer) پیشنهاد شده است، این دیوار نوعی دیوار برشی است که با استفاده از پانل های JK از بتن پلی استری منبسط شده با وزن بسیار سبک (EPS) و میله گردهای فولادی سخت ساخته شده است.
این مقاله، به صورت تجربی وضعیت نمونه دیوارهای JK را با موارد تقویتی مختلف و سطح نیروی گرانشی مورد ارزیابی قرار می دهد که در بارگیری های دوره ای شبه استاتیک لود می شوند. نتایج بدست آمده نشان می دهند که دیوارهای JK می توانند نیازهای قابل انعطاف زیادی را تحمل کنند که با لوپ های فرضی ثابتی ایجاد شده اند. تمامی نمونه ها نیز از نظر عددی برای بدست آوردن ابزار تحلیلی معتبر مورد بررسی قرار گرفته اند. در این مقاله این مورد نشان داده شده است که، بتون هایی که مقاومت پایینی دارند، و اخیرا، به عنوان مصالح غیر ساختاری شناخته شده اند، را می توان به صورت بتون های ساختاری مورد استفاده قرار داد که وضعیت رضایت بخشی را دارا می باشند. در نهایت، یک ساختمان هفت طبقه با سیستم JK، موارد ذکر شده در بالا را در این مقاله مورد توجه قرار داد. با این حال، هنوز مطالعات بیشتری لازم است تا تمام ویژگی های کوتاه و بلند مدت عناصر مربوط به بتون های ساختاری EPS را به طور کامل بدست آوریم.
مقدمه مقاله
مصالح سبک، به ویژه بتون های سبک، برحسب ویژگی های ساختاری خود و نیز هزینه های ساخت و ساز ترجیح داده می شوند. این مورد بصورات اولیه، به خوبی درک می شود که با کاهش چگالی بتون های سبک، نیروی متراکم آن نیز کاهش می یابد. علاوه براین، تقریبا تمامی کدها، مانند ACI-318 و Eurocode-8، استفاده از بتون های بسیار قوی را ممنوع کرده اند. درحالی‌که دلیل این ممنوعیت به صورت واضح مشخص نمی باشد، این محدودیت ها عمدتا به دلیل ملاحظات مداوم و عدم بررسی آن ها در برخی موارد می باشد. برخی از کدهای کاربردی به صورت کلی، مایل به افزایش تداوم بتون ها تنها با افزایش نیروی متراکم آن و یا بکارگیری محدودیت هایی در مقدار مربوط به نسبت آب و سیمان هستند. در ضمن، روش های بسیار دیگری نیز برای افزایش تداوم سیمان بدون افزایش قدت متراکم آن وجود دارد، مانند استفاده از دانه های پلی استرین منبسط شده (EPS) و خاکستر و یا چسب های پلیمری. هرچند، اخیرا، AC 408 این حقیقت را یافت و هیچ نیروی متراکمی را حتی به مقدار بسیار اندک، برای بتون های ساختاری با مصالح مصنوعی سبک وزن به کار نبرد.
در سیستم هایی با ساختار بتونی متداول، مانند دیوارهای برشی و قاب های مقاوم در برابر خمش، برخی روش های بارگیری محدود برای انتقال نیروی جاذبه و بارگیری های ناشی از زمین لرزه در روی زمین وجود دارد. بر این اساس، این نیروها در ستون ها، میله ها و تعداد محدودی از دیوارهای برشی متمرکز شده اند. در این ساختارها، میزان فشار بالاست، و از بتون هایی با مقاومت کم نمی توان استفاده کرد. هرچند، در بسیاری از روش های ساختاری مدرن صنعتی، میله و ستون ها با دیوارهای محکمی جایگزین شده اند. در این سیستم های جعبه ای، مانند مدل های تونلی، مدل های بتونی عایق و ICF، تمامی دیوارهای داخلی و خارجی دیوارهای محکمی هستند که بارگیری های ناشی از نیروی جاذبه و نیز بارگیری های جانبی را پشتیبانی می کنند. به دلیل بالا بودن مقدار این سیستم ها، میزان فشار بسیار پایین می باشد و می توان از مصالحی با قدرت کمتر نیز استفاده کرد.
این مقاله بر سیستم دیوارهای محکم جدیدی توجه دارد که سیستم JK نامیده می شود. اصطلاح JK، بیانگ نام جوزف کیفر است که اولین نفری بود که پانل های JK را در سال 1982 پیشنهاد داد و آن ها را ساخت. هدف اولیه ی پانل های JK تثبیت خاک بود؛ هرچند، استفاده از آن در کارهای ساختمانی اخیرا به تصویب رسیده است. سیستم JK نوع جدیدی از سیستم های ساختاری است که از دیوارهای JK برای پشتیبانی از بارگیری های ناشی از جاذبه و موارد جانبی آن استفاده می کند. دیوارهای JK دیوارهای بتونی هستند که با بتون EPS بسیار سبک با مقاومت اندک ساخته شده اند و توسط پانل های JK، سفت کننده های JK، و برخی از میله گردهای اضافی تقویت می گردند. در واقع، مصالح به کار رفته، هاون های EPS هستند زیرا از هیچ مورد متراکمی استفاده نشده است. هرچند، در این مقاله، اصطلاح بتون EPS به این دلیل ثبت شده است که مقاومت های ساختاری را نشان می دهد. جزئیات بیشتر سیستم JK در بخش های بعد ارائه خواهد شد.
چگالی بتون EPS در دیوارهای JK حدود 1000 کیلوگرم بر متر مربع می باشد، و مقاومت فشاری آن برابر با 5MPa است که براساس کدهای اخیر اقدامات انجام شده، نمی توان آن را به عنوان یک بتون ساختاری درنظر گرفت. ویژگی جالب توجه سیستم های JK، سبک بودن و میزان مقاومت آن است که برای ساختمان های 5 طبقه حداکثر میزان فشار کمتر از مقدار 5 MPa در موارد موردنظر می باشد. مقدار پایین فشار نیز در سیستم جعبه ای بتون های قراردادی، مرسوم می باشد. توجه داشته باشید که، برای ساختمان های مسکونی معمولی، سطح دیوارها (که شامل دیوارهای داخلی و خارجی می باشد)، دو برابر سطح زمین بوده و در ساختارهای جعبه ای حدو 50% از ساختمان های بدون بارگیری، نتیجه ی این دیوارها می باشند. بنابراین، کاهش وزن دیوار، سهم زیادی در کاهش مقدار کل بارگیری های ساختمان دارد.
یکی از اهداف اصلی این پژوهش، ارزیابی کاربرد ساختاری بتون های EPS با مقاومت اندک می باشد. اختلاف قابل توجهی بین بتون های ضعیف (با مصالح سیمانی اندک) و بتون هایی با مقاومت کم وجود دارد. بتون های ضعیف، متخلخل و شکننده می باشند. هرچند، همانطور که در پژوهش های پیشین بیان شد، بتون EPS بسیار رساناست و می تواند با استفاده از ترکیبات مختلفی مانند میکروسیلیس و یا خاکستر، بسیار با دوام باشد. مباحث جامع تری درباره ی بتون های EPS را می توان در جاهای دیگر یافت.
پروژه های تحقیقاتی بسیاری وجود دارند که درباره ی وضعیت دوره ای دیوارهای برشی از نظر تحلیلی و تجربی می باشند، برخی از آن ها به بتون هایی با وزن کم می پردازند و برخی دیگر درباره ی بتون هایی با وزن متداول می باشند، اما در تمامی آن ها بتون هایی با نیروی عادی و یا بالا به کار می روند. خلاصه ای از نتایج بررسی های پیشین را می توان در FEMA306 و تفسیر FEMA307 یافت.
کاربرد ساختاری بتون های EPS با مقاومت اندک به خوبی درک نشده است، و از نظر نویسنده، پژوهش ها و تحقیقات انتشار یافته ی بسیار اندکی درباره ی کاربرد ساختاری بتون هایی با مقاومت بسیار کم وجود دارد. هیروکی، برخی از پژوهش های آزمایشی را درباره ی میله های جفتی با بتون های کم مقاومت انجام داد، و به این نتیجه رسید که وضعیت میله های جفتی با بتون های کم مقاومت در مقایسه با میله های جفتی مشابه و بتون هایی با مقاومت عادی، و موارد تقویتی، انعطاف پذیری بیشتری دارند. در پژوهش دیگری، موسوی و بهرامی راد به صورت عددی به بررسی وضعیت یکنواخت دیوارهای JK با بتون های EPS کم مقاومت پرداختند. این ممرد را باید روشن کرد که، بتون های کم مقاومت در این پژوهش، به مقاومت فشاری کمتر از 10 MPa مربوط می باشند.
ABSTRACT Quasi-static cyclic tests on super-lightweight EPS concrete shear walls
This study introduces a new emerging structural system, called JK system, which uses JK walls as its main structural elements. JK wall, first proposed by Joseph Kiefer, is a kind of shear wall constructed with low-strength/super-lightweight Expanded Polystyrene (EPS) concrete and reinforced by JK panel, JK stiffener and some additional steel rebars. The study experimentally examines behavior of three JK wall specimens with different reinforcement and level of gravity loads under quasi-static cyclic loading. Obtained results indicate that JK walls can sustain large ductility demands accompanied by stable hysteresis loops. All specimens are also numerically investigated in order to obtain a reliable analytical tool. In this paper, it is shown that a low-strength concrete, currently recognized as a nonstructural material, can be used as a structural concrete having a satisfactory behavior. Finally, a seven story building with JK system is considered to numerically study the above claim. However, more studies are still required to fully capture all short and long term features of structural EPS concrete elements.
Introduction
Lightweight materials, especially lightweight concrete, are preferable in terms of both structural features and construction costs. It is basically well understood that as the density of a lightweight concrete decreases, its compressive strength would also decrease. Moreover, virtually all codes, such as ACI-318 [1] and Eurocode-8 [2], have prohibited use of very low strength concrete. While the reason of this restriction has not explicitly mentioned, such limitation is mainly due to durability considerations and lack of studies to some extent. Current codes of practice generally tend to increase durability of concrete only by increasing its compressive strength or by imposing limitations on the value of water–cement ratio. Meanwhile, there are many other techniques to increase durability of concrete without increasing its compressive strength, such as using Expanded Polystyrene (EPS) beads and fly ash [3] or polymer binders [4].
Recently, however, AC 408 [5] recognized this fact and has not imposed any minimum compressive strength for structural concretes with lightweight synthetic aggregates. In conventional concrete structural systems, such as moment resisting frames and shear walls, there are some limited load paths for transferring gravity and seismic induced loads to the ground. Accordingly, the forces are concentrated in columns, beams, and some limited number of shear walls.
In these structures, the level of stress is high and low strength concrete cannot be used. However, in many industrialized modern construction techniques, columns and beams are replaced by bearing walls. In these box-type systems, such as tunnel form [6,7], insolated concrete form, and ICF, all exterior and interior walls are bearing walls which support both gravity and lateral loads. Due to the high redundancy of these box-type systems, level of stress is very low and low strength materials can also be used. This study focuses on a new emerging bearing wall system, called JK system. The term ‘‘JK’’ stands for Joseph Kiefer who first proposed and constructed JK panels in 1982.
The primitive intention of JK panel was on soil stabilization; however its usage in building construction has been recently adopted. JK system is a new type of structural system which uses JK walls to support both gravity and lateral loads. JK walls are concrete walls constructed by low strength/super-lightweight EPS concrete and reinforced by JK panels, JK stiffeners, and some additional rebars. In fact, the used material is EPS mortar as no aggregate was used. However in this study the term EPS concrete is adopted as it shows structural resistance.
More details of the JK system would be presented in the subsequent section. Density of the EPS concrete in JK wall is about 1000 kg/m3 and its compressive strength is about 5 MPa which cannot be considered as structural concrete, according to current codes of practice. The interesting characteristics of JK system are its lightness and its high level of redundancy, such that for a typical 5-story residential building the maximum compressive stress would be less than 0.5 MPa under service loads. Such a low level of stress is also common in conventional concrete box-type systems [8].
Note that for a typical residential building, wall surface (including exterior and interior walls) is about twice the surface of the floors and in boxtype structures about 50% of the building dead load comes from the walls. Therefore, reduction in wall weight has a great contribution on reducing the whole dead loads of the building. One of the main objectives of the current study is to evaluate structural usage of low strength EPS concrete. There is a significant difference between lean concrete (with little cementitious materials) and low strength concrete.
A lean concrete is porous and brittle. However, as suggested in earlier studies, EPS concrete is very ductile and can be quite durable using different admixtures such as silica fume or fly ashes. More comprehensive discussion about EPS concrete can be found elsewhere [3,9–12]. There have been many research projects devoted to cyclic behavior of shear walls both analytically and experimentally [13–18], some of them have considered lightweight and others adopted normal weight concrete but in all of them normal/high strength concrete has been used. Summarized results of earlier studies can be found in FEMA306 [19] and its commentary FEMA307 [20].
Structural usage of low strength EPS concrete is not well understood and, to the authors’ knowledge, there are very limited published studies about structural usage of very low strength concrete. Hiroaki et al. [21] carried out some experimental studies on coupling beams constructed with low strength concrete and concluded that the behavior of coupling beams with low strength concrete are more ductile compared to that of the same beam constructed with normal strength concrete and with the same reinforcement details. In another study, Mousavi and Bahrami-Rad [22] numerically investigated monotonic behavior of JK wall with low strength EPS concrete. It should be clarified that low strength concrete in this study is referred to a compressive strength lower than 10 MPa.
- مقاله درمورد آزمونهای دوره ای شبه استاتیک بر دیوارهای برشی بتنی فوق سبک EPS
- پروژه دانشجویی آزمونهای دوره ای شبه استاتیک بر دیوارهای برشی بتنی فوق سبک EPS
- تست شبه استاتیک در دیوار بتنی EPS
- پایان نامه در مورد آزمونهای دوره ای شبه استاتیک بر دیوارهای برشی بتنی فوق سبک EPS
- تحقیق درباره آزمونهای دوره ای شبه استاتیک بر دیوارهای برشی بتنی فوق سبک EPS
- مقاله دانشجویی آزمونهای دوره ای شبه استاتیک بر دیوارهای برشی بتنی فوق سبک EPS
- آزمونهای دوره ای شبه استاتیک بر دیوارهای برشی بتنی فوق سبک EPS در قالب پايان‌نامه
- پروپوزال در مورد آزمونهای دوره ای شبه استاتیک بر دیوارهای برشی بتنی فوق سبک EPS
- گزارش سمینار در مورد آزمونهای دوره ای شبه استاتیک بر دیوارهای برشی بتنی فوق سبک EPS
- گزارش کارورزی درباره آزمونهای دوره ای شبه استاتیک بر دیوارهای برشی بتنی فوق سبک EPS