عملکرد لرزه‌ای سیستم اتصال خارجی میلگرد انعطاف پذیر در سازه‌های صنعتی بتنی پیش ساخته
بتن پیش ساخته از مزایای زیادی من جمله کیفیت ساخت بالا، سرعت و عملکرد زیستی برخوردار است. در دهه‌های اخیر، برای توسعه انواع مختلف سیستم‌های اتصال پیش ساخته بتنی تلاش شده است. برخی مطالعات اولیه تلاش کردند تا از اتصالات جوشی برای اتصال تیرها و ستون‌های بتنی پیش ساخته استفاده کنند. پیلای و کرک از صفحات و میلگردهای فولادی استفاده شده در انتهاهای بالا و پایین تیر جوش داده شده استفاده کرده و 9 نمونه تیر-به-ستون بتنی پیش ساخته در مقیاس کامل را به همراه دو نمونه بتن مسلح آزمایش کردند. بات و کرک جزئیات اتصال جوش قبلی را بهبود بخشیدند که شکست زودرس اتصال را با افزودن صفحات فولادی T شکل نشان داد. سپس در سال 1987، موسسه ملی استاندارد و فناوری تحقیقاتی را با هدف طراحی سیستم مقاوم در برابر زلزله، سریع، قابل ساخت با بتن پیش ساخته را آغاز کردند. آزمایشات تجربی بر روی اتصالات تیر به ستون بتن پیش ساخته و بتن آرمه در مجموع در چهار مرحله انجام شد. در این مطالعات، از میلگردها و رشته‌های پیش تنیدگی به منظور افزایش اتلاف انرژی در اتصالات تیر به ستون بتن پیش ساخته استفاده شد. استفاده از رشته‌های نیمه متصل برای کاهش لغزش در اتصالات نیز در نظر گرفته شد. در مرحله آخر، از اتصالات هیبریدی حاوی میلگردهای فولادی کم استحکام و فولاد پیش تنیدگی برای اتلاف انرژی بالا و همچنین مقاومت جانبی قوی استفاده شد. در سال 1990، برنامه تحقیقاتی PRESS (سیستم‌های سازه‌ای لزره‌ای پیش ساخته) به‌عنوان بخشی از یک پروژه هماهنگ بین ایالات متحده و ژاپن با هدف توسعه طراحی لرزه‌ای سازه‌های بتنی پیش ساخته راه اندازی شد. مفاهیم طراحی معکوس در کارگاه‌های PCI از جمله یک سیستم قاب میلگردهای رزوه ای با فاصله مورد بررسی قرار گرفت که از نوعی اتصال پیچ و مهره‌ای که از میلگردهای رزوه ای محکم با آچار در اتصالات تیر به ستون استفاده می‌کند. ناکاکی و همکارانش اتصالات بتن پیش ساخته نوع پیچ و مهره را با مفهوم قاب بتنی پیش ساخته انعطاف پذیر (DPCF) که از یک کانکتور انعطاف پذیر استفاده می‌کند را بررسی کردند.
این کانکتور اجزای تیر و ستون را ازطریق میلگردهای شکل پذیر تعبیه شده در ستون به هم متصل می‌کند. در DPCF، تغییر شکل غیرالاستیک در میلگردهای انعطاف پذیر اعمال شده و باعث ایجاد هنج پلاستیکی در اتصال ستون می‌شود. اتصال تیر به ستون DPCF تحت بارگذاری چرخه‌ای جانبی میزان پایداری را بدون افت استحکام در نسبت‌های رانش بیش از 4 درصد نشان داد که دارای حداقل درجه آسیب ساختاری است. در لابراتوارهای دانشگاه واشنگتن اتصال هیبریدی مورد بررسی قرار گرفت. سه اتصال تیر به ستون در مقیاس دو سوم به میله‌های فولادی و بتن های پیش تنیده بدون پیوند تحت بارگذاری چرخه‌ای شبه استاتیک مورد آزمایش قرار گرفتند. بازده میلگردهای فولادی نرم و نوسازی تاندون‌های پیش تنیده باعث ایجاد اتصالات تیر به ستون بتنی پیش ساخته با تغییر شکل مناسب و قابلیت اتلاف انرژی با آسیب ساختاری کم می‌شود. اخیرا چانگ و همکارانش آزمایشی را در مقیاس کامل از دو زیر مجموعه اتصال تیر به ستون بتنی پیش ساخته داخلی انجام دادند. در هر دو نمونه از سیستم اتصال انعطاف پذیر استفاده شد: یکی از آنها دارای مقطع تیر T شکل با پیش تنیدگی متحدالمرکز و دیگری دارای میلگردهایی با مقطع تیر مستطیلی بود. در بارگذاری چرخه‌ای معکوس در نسبت‌های رانش بیش از 7 درصد، هر دو نمونه آسیب کم تا متوسط را در اطراف اتصال تجربه کردند اما مقاومت جانبی بالا را با میرایی کافی حفظ کردند. باتوجه به تلاش‌های همه جانبه و فراگیر دانشگاه و صنعت، انواع سیستم اتصال بتن پیش ساخته توسعه یافته و مورد مطالعه قرار گرفتند. با این حال، برخی از اتصالات ازجمله اتصالات جوشی، هیبریدی و انواع پیش تنیدگی، ممکن است به کارگاه‌های پیچیده‌ای نیاز داشته باشند.
این مطالعه یک سیستم اتصال بیرونی میلگرد انعطاف پذیر را برای اجزای بتنی پیش ساخته معرفی می‌کند و نتایج تجربی حاصل از هفت زیرمجموعه اتصال تیر به ستون بیرونی در مقیاس کامل تحت بارگذاری چرخه‌ای معکوس آزمایش و بررسی شدند. از پارامترهای طراحی مختلف همچون اندازه میلگرد انعطاف پذیر، وجود پیش تنیدگی، ظرفیت خمشی تیر و ظرفیت برشی اتصال در پنج نمونه بتن پیش ساخته استفاده شد و پاسخ‌های آنها با دو نمونه بتن مسلح مونولیتیک مقایسه شد. در ادامه، خلاصه‌ای از یافته‌های کلیدی و نکات آموزنده مطالعه حاضر آمده است:
- نمونه‌های بتنی پیش ساخته به ظرفیت‌های خمشی مورد انتظار در هر دو آرایش 1 (PC1 و PC1-T) و آرایش 2 (PC2 و PC2-T) رسیدند. در بیشتر موارد، ظرفیت خمشی نمونه‌های بتن پیش ساخته با نسبت رانش 4 درصد بدست آمد که حدود 1 درصد کمتر از نمونه‌های بتن مسلح است.
- میلگردهای شکل پذیر تعبیه شده در اتصال، بر روی مفصل پاسخ خمشی اتصالات را ازطریق اعمال فشار غیر ارتجاعی پول اوت تحت کنترل دارند. چرخش خمشی در انتهای تیر بتنی پیش ساخته به تغییر شکل جانبی کامل کمک کرد.
- نمونه‌های بتن پیش ساخته سختی جانبی پایین‌تری نسبت به نمونه‌های بتن مسلح از خود نشان دادند. برعکس، کاهش سختی همراه با افزایش نسبت رانش در نمونه‌های بتن پیش ساخته پیشرفت کمتری داشت. علاوه براین، تمام نمونه‌های بتن‌های پیش ساخته در طول بارگذاری معکوس، به وضوح رفتار انقباضی از خود نشان دادند که می‌توان با پیش تنیدگی تاندون‌ها آن را کاهش داد.
- نمونه‌های بتنی پیش ساخته باتوجه به طراحی اتصال شان، مکانیسم‌های آسیب متفاوتی را به نمایش گذاشتند. PC1 و PC1-T که اندازه ستون کوچکتری داشتند، آسیب مفصلی قابل توجهی همراه با پول اوت میلگردهای انعطاف پذیر را تجربه کردند. PC1 در ابتدای مرحله بارگیری به دلیل طراحی نامناسب میلگرد شکست خورد. تعداد افزایش یافته میلگردهای انعطاف پذیر در آرایش 2 نمونه‌های بتنی پیش ساخته آسیب زیادی را بر روی میلگردهای رزوه ای و در نتیجه شکست پیوند القا می‌کند.
- مکانیسم‌های آسیب ذکر شده بینش مهمی از سیستم طراحی اتصال پیشنهادی ارائه می‌دهند. اندازه مناسب ستون برای جلوگیری از شکستگ یا برش اتصال (جلوگیری از فروپاشی) کاملا ضروری است. به منظور اجتناب از حالت‌های شکست و آسیب نامطلوب، بایستی تمام جزئیات مفصل و پیامدهای آن از جمله اندازه، شکل و تعداد میلگردهای انعطاف پذیر را در نظر گرفت. در نهایت، باید از توسعه (یا تداوم) میلگردهای رزروه ای به منظور توسعه نمونه‌های بتنی پیش ساخته و عملکرد کامل آنها اطمینان حاصل کرد.
- باوجود آسیب شدید مفصل، نمونه‌های بتن پیش ساخته با آرایش 1 عملکرد لرزه‌ای رضایت بخشی با نسبت رانش بالا داشتند. آنها با معیار پذیرش ACI 374.1-0522 از نظر استحکام جانبی، اتلاف نسبی انرژی و سفتی جانبی مطابقت داشتند.
در نهایت، لازم به ذکر است که استفاده از سیستم اتصال بیرونی توسعه یافته بیشتر برای سازه‌های صنعتی مناسب است. اگر بیش از دو تیر به یک ستون با استفاده از میلگردهای شکل پذیر متصل شود، تداخل یا تراکم میلگردهای انعطاف پذیر در محل اتصال دور از انتظار نیست. در سازه صنعتی، برای اجتناب از این کار می‌توان تیرها را در مکان‌های مختلف ( برای مثال در ارتفاع‌های مختلف) ستون یا با روش‌های مختلف (به عنوان مثال با استفاده از کربل در یک جهت) متصل کرد.
