مطالعه آزمايشگاهي تأثير افزايش دما بر عملكرد ستون‌هاي فولادي دوجداره پرشده با بتن با هندسه خارجي منشوري تحت بار چرخه‌اي

طي ساليان اخير، احداث ساختمان هايي با امنيت بالا در برابر شرايط انفجار و آتش‌سوزي يك مسأله بسيار مهم در دنيا محسوب مي شود. بنابراين يكي از راهكارهاي مناسب در اين زمينه، استفاده از ستون هاي مركب فولادي-بتني بوده بطوري كه در هسته ستون از بتن استفاده شود تا دوام و پايداري آن در برابر حرارت هاي بالا حفظ شود. در اين مقاله به بررسي اثر دماهاي بالا بر عملكرد ستون‌هاي فولادي دوجداره پرشده با بتن با هندسه منشوري پرداخته شد. بدين منظور تعدادي ستون با هسته داخلي مربع، لوزي و دايره‌اي شكل كه بصورت مستقيم و سراسري در كل طول ستون ادامه يافته و هسته خارجي منشوري شكل با سطح مقطع مربعي كه با شيب 1/2 درجه از بالا به پايين افزايش يافته است، ساخته شده و تحت دماهاي 25، 250، 500 و 700 درجه سانتي‌گراد با نرخ افزايش درجه حرارت طبق استاندارد بين‌المللي آتش IS0-834 قرار گرفتند. سپس كليه ستون‌ها تحت بار چرخه‌اي با پروتكل بارگذاري ATC-24 قرار گرفته و بارگذاري تا مرحله گسيختگي ستون ادامه يافت. در ابتدا مقاومت فشاري 28 روزه بتن، اندازه گيري شده و فولاد استفاده شده تحت آزمايش كشش قرار گرفته و مشخصات تنش و كرنش آن بدست آمد. نتايج حاكي از آن است كه با وجود اينكه مود خرابي ستون هاي با مقطع داخلي مربع و لوزي مشابه يكديگر بوده اما ستون هاي با مقطع داخلي دايره آثار تخريبي و گسيختگي نامناسب‌تري نسبت به ستون هاي با مقطع داخلي مربع و لوزي داشته اند. مود گسيختگي پاي ستون ها تا دماي 500 درجه سانتي گراد بصورت كمربند قطري با زاويه 45 درجه گسترش پيدا كرده اما در دماي 700 درجه سانتي گراد بصورت كمربند افقي در تراز 10 سانتي متري از پاي ستون رخ داده است. همچنين سختي اوليه و ضريب شكل پذيري ستون هاي با مقطع داخلي لوزي تا حدود 2 برابر ساير ستون ها بوده اند. در كليه ستون ها بيشترين خرابي بتن در ناحيه پاي ستون به علت حداكثر لنگر ايجاد شده در آن ناحيه ايجاد شده كه از دماي 25 تا 700 درجه سانتي گراد خرابي بصورت جداشدگي بتن از ناحيه فولادي مشاهده شده و با افزايش دما، به تدريج نواحي مركزي و مياني نيز دچار تخريب مي شوند كه در نهايت در دماي 700 درجه سانتي گراد در كليه نمونه ها بتن بصورت كاملاً خردشده درآمده به گونه اي كه عملاً نقشي در ظرفيت باربري ستون نداشته است. تخريب بتن در ستون ها تقريباً در همه ستون هاي با مقطع داخلي دايره، مربع و لوزي به يك شكل بوده و تفاوتي با هم نداشته اند. بطور كلي تقريباً در تمامي ستون ها از دماي 25 تا 500 درجه سانتي گراد پس از 15 چرخه و در دماي 700 درجه سانتي گراد پس از 9 يا 12 چرخه، ظرفيت باربري ستون ها تا حدود 50 درصد افت داشته و فرآيند بارگذاري متوقف شد. در اين بين، ستون‌هاي با مقطع داخلي دايره، زودتر از ساير ستون ها گسيخته شده و عملكرد مناسبي در اين مسأله نداشتند. همچنين در ستون هاي با مقطع داخلي لوزي نيز فرآيند گسيختگي و كاهش شديد ظرفيت باربري از دماي 500 درجه آغاز شده كه نشان از عملكرد نامناسب اين ستون بعلت توزيع هندسي ناهمگون در ارتفاع ستون دارد. بطور كلي تقريباً در تمامي ستون ها از دماي 25 تا 500 درجه سانتي گراد پس از 15 چرخه و در دماي 700 درجه سانتي گراد پس از 9 يا 12 چرخه، ظرفيت باربري ستون ها تا حدود 50 درصد افت داشته و فرآيند بارگذاري متوقف شد.

In recent years, the construction of high - security buildings against the conditions of explosion and fire is a very important issue in the world. Therefore, one of the appropriate strategies in this field is to use steel - concrete composite columns to be used in the core of the concrete column to maintain its durability and stability against high temperatures. This paper studies the impact of temperature rise on the performance of concretefilled double skin tubular steel columns with prismatic geometry. In doing so, a number of columns whose interior core was square, diamond and circularly-shaped and their exterior core was prismatic with a square cross-sectional area increasing with the slope of 2.1 degrees from top to the bottom, were constructed and exposed to the temperatures of 25, 250, 500 and 700 °C. Accordingly, the temperature rates up in compliance with ISO-834. Afterwards, all column specimens were subjected to cyclic loads adopted from the ATC-24 loading protocol which proceeded until the specimens failed. Firstly, the 28 - day compressive strength of concrete, measured, and steel used is tested under tensile test and the stress and strain characteristics were obtained. The results indicate that although the failure mode of the columns with interior core of square or diamond shape resembles each other, the columns whose interior core was circularly-shaped, experienced more intensive damages compared to the latter specimens. Failure mode of the columns base was developed as a diagonally with degree of 45° by temperature of 500 °C but at the temperature of 700 °c, the damages have occurred horizontally at the level of 10 cm from the column base. Moreover, initial stiffness and ductility ratio of the columns with diamond-shaped interior core was approximately 2 times greater than the other columns. in all columns, the maximum damage in the leg area is caused by the maximum anchor in that area caused by 25 to 700 °C, and with increasing temperature, the central and middle regions are also completely destroyed, so that at 700 °C in all specimens, concrete is completely crushed in such a way that it has virtually no role in the load - bearing capacity of the column. The destruction of concrete in columns is almost identical in all columns of the inner circle of the circle, squares and diamond. In general, the load - bearing capacity of the columns decreased by about 50 % after 15 cycles at a temperature of 700 °C after 9 or 12 cycles, and the loading process was halted. In the meantime, the columns of the inner circle of the circle had broken out earlier than the other columns and did not have proper functioning. also in the diamond - shaped columns, the rupture process and the severe reduction of the carrier capacity are initiated at 500 °C, indicating that this column does not indicate that this column is due to heterogeneous geometrical distribution at the height of the column. Generally, in all columns, at 25 to 500 °C after 15 cycles and at 700 °C after 9 or 12 cycles, the load capacity of the columns dropped by about 50% and the loading process was stopped.