مقاله زیر ترجمه شده مقاله ای است که در مورد رفتار کوپلرهای میانی رزوه دار در هوا و در بتن و مقایسه آنها با رفتار میلگرد یکنواخت در دانشگاه امپریال کالج لندن به رشته تحریر در آمده است. این مقاله برای مهندسینی که علاقمند به کسب اطلاعات بیشتر آکادمیک در این زمینه هستند مناسب است و می تواند اطلاعات مفیدی را در مورد رفتار کوپلرها در سازه در اختیار ما قرار دهد تا در هنگام استفاده از این اتصالات آسوده تر با آنها برخورد داشته باشیم. 

به علت طولانی بودن این مقاله، آن را در چند قسمت در سایت قرار خواهیم داد.

عملکرد مونوتونیک و سیکلی اتصالات رزوه‌دار آرماتور

D.V. Bompa⁎, A.Y. Elghazouli

دپارتمان مهندسی عمران و محیط زیست، کالج امپریال لندن، انگلیس 

چکیده 

این مقاله به بررسی پاسخ اساسی تک‌محوری مونوتونیک و سیکلی آرماتورهای متصل‌شده با اتصالات مکانیکی رزوه‌دار می‌پردازد. بر اساس بررسی فرم‌های اتصال موجود، دو نوع اتصال رزوه‌دار با پیکر بندی ‌های هندسی متفاوت، یعنی "اتصالات با رزوه موازی" و "اتصالات با رزوه موازی با غلاف" برای ارزیابی دقیق انتخاب شده‌اند. یک مطالعه تجربی شامل بیست و چهار نمونه برهنه (در هوا) و جاسازی‌شده (در بتن) که شامل اتصالات رزوه‌دار و نمونه‌های غیر اتصالی مقابل هستند، توصیف شده است. نتایج امکان ارزیابی مستقیم مقاومت و همچنین ویژگی‌های کامل تغییرشکل، از جمله پاسخ پس از ترک‌خوردگی و پس از تسلیم، برای شرایط مونوتونیک و سیکلی را فراهم می‌کند. پس از توصیف خواص مواد و جزئیات نمونه‌ها، مشاهدات اصلی بر اساس اندازه‌گیری‌های دقیق سینماتیک ترک‌ها شامل عرض و فاصله ترک‌ها از طریق سیستم همبستگی تصویر دیجیتال گزارش شده است. مطالعات عددی مکمل، انجام‌شده با استفاده از روش‌های المان محدود غیرخطی که در برابر آزمایش‌ها اعتبار سنجی شده‌اند، تحقیقات پارامتری مکمل را امکان‌پذیر کرده است که طیف وسیع‌تری از هندسه‌های اتصال را در نظر می‌گیرد. یافته‌ها نشان می‌دهد که راهنماهای موجود ممکن است با در نظر گرفتن رفتار پیوند مشخص در مناطق آرماتور و اتصال برای ارزیابی عرض و فاصله ترک‌ها استفاده شود. پاسخ کامل تغییر شکل ممکن است با استفاده از ضریب کاهش سختی پیشنهادی که به هندسه اتصال بستگی دارد، به دست آید. چندین پارامتر عملکرد "در هوا" همچنین ممکن است به عنوان پایه‌ای برای انتخاب و اجرای اتصالات در کاربردهایی که نیاز به رفتار عضو شکل‌پذیر دارند، استفاده شود.

1. مقدمه 

اتصالات مکانیکی به عنوان جایگزینی موثر برای روش های اورلب و جوش سر به سر در اعضای بتن مسلح (RC) شناخته می شوند، زیرا می‌توانند مشکلات تراکم را برطرف کنند در حالی که هزینه‌های مواد و ساخت را کاهش می‌دهند [1–6]. تراکم آرماتور به ویژه در موقعیت‌هایی که جزئیات شکل‌پذیر لازم است، بحرانی می‌شود. اتصالات هم‌پوشانی معمولی می‌تواند منجر به بیش ‌مسلح ‌سازی بخش شود، که منجر به پاسخ احتمالی غیرشکل‌پذیر در ناحیه اتصالی به دلیل محلی‌سازی تنش در هر دو انتهای اورلب می‌شود، بنابراین ظرفیت تغییرشکل را تغییر می‌دهد [7,8]. در مقایسه با هم‌پوشانی‌های جوش‌شده، اتصالات مکانیکی همچنین برای نصب در محل عملی‌تر هستند. معیارهای عملکرد این سیستم‌ها معمولاً از نظر لغزش الاستیک، خستگی و ملاحظات مقاومت با استفاده از آزمایش‌های تک‌محوری "در هوا" ایده‌آل‌شده بر روی آرایش‌های آرماتور-اتصال (مثلاً [9,10]) تعیین می‌شود.

آزمایش‌های مونوتونیک در هوا بر روی اتصالات با اتصالات رزوه‌دار موازی (PTC) و اتصالات رزوه‌دار مخروطی (TTC) نشان می‌دهد که در حالی که PTC معمولاً خارج از ناحیه اتصال شکست می‌خورند، TTC عملکرد پایین‌تری با شکست زودرس آرماتور در رزوه‌ها، یا بیرون‌کشیدن کامل رزوه‌ها نشان می‌دهند [11–13]. آزمایش‌های مونوتونیک و سیکلی بر روی اتصالات آپست  (UHC)، نشان می‌دهد که شکست در سطوح شکل‌پذیری قابل توجه و در آرماتور رخ می‌دهد [14]. اتصالات پرس ‌شده (SWC) می‌توانند شکست شکننده در نقطه میانی غلاف اتصال نشان دهند [15]، یا در آرماتور یا لغزش تدریجی از غلاف‌ها [12]. کوپلر های پیچی (BLC) عموماً به دلیل شکست میله‌ها ناشی از تمرکز تنش زیر پیچ‌ها، مقاومت و ظرفیت کرنش پایین‌تری در مقایسه با میلگردهای وصله نشده از خود نشان می دهند [16]. حالت‌های شکست نامطلوب مانند بیرون‌کشیده شدن میله از غلاف [17] می‌تواند در اتصالات پیچی افست (OBLC) رخ دهد و لغزش کامل از غلاف در آزمایش‌های اتصالات فشرده‌شده گوه‌ای افست (OSWG) گزارش شده است [18]. کوپلرهای گروتی (GSC) عموماً مقاومت کامل میلگرد را از خود نشان می دهند، اما شکل‌پذیری این اتصالات می‌تواند به دلیل لغزش احتمالی آرماتور-ملات-غلاف تا 60% پایین‌تر از میلگردهای وصله نشده باشد [19–21].

شکل 1: فرم های مختلف اتصالات مکانیکی آرماتور

اگرچه آزمایش‌های "در هوا" به دلیل سادگی آزمایش عملی هستند، اینها مستقیماً رفتار اتصالات در حالت جاسازی‌ شده "در بتن" را نشان نمی‌دهند، زیرا تعامل بین بتن و مجموعه آرماتور-اتصال ممکن است نقش قابل توجهی در عملکرد داشته باشد. همچنین، در کشش، تنش‌های پیوند بتن-آرماتور و نسبت آرماتور بر سینماتیک ترک‌خوردگی، به ویژه فاصله ترک‌ها تأثیر می‌گذارد [22]. علاوه بر ویژگی‌های چسبندگی بتن-آرماتور و مقاومت اصطکاکی بتن-آرماتور، ظرفیت پیوند به شدت تحت تأثیر نوع سطح آرماتور قرار دارد [23,24]. این جنبه بر توزیع تنش آرماتور، تنش پیوند و توزیع لغزش، و همچنین روابط متقابل آنها تأثیر می‌گذارد [25]. بیشتر کوپلرها سطح منظم دارند در حالی که بیشتر سطوح میلگردها تغییر شکل ‌یافته هستند. علاوه بر این، در اتصال، اندازه کوپلر بزرگ‌تر از آرماتور است، که منجر به تغییر در نسبت آرماتور محلی و ناپیوستگی در سختی عضو می‌شود. به طور کلی، انتظار می‌رود پارامترهایی مانند طول، قطر، و شرایط سطح کوپلرها، به نسبت میلگرد، تأثیر قابل توجهی بر عملکرد اعضای RC بتنی داشته باشد. 

ارزیابی مقایسه‌ای اخیر از فرم‌های مختلف اتصالات مکانیکی آرماتور، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، توسط نویسندگان بر اساس بررسی بیش از 350 آزمایش اتصال تک‌محوری "در هوا" با در نظر گرفتن مقاومت، شکل‌پذیری و هندسه اتصالات انجام شد [26]. نشان داده شد که معیار مقاومت بر اساس ظرفیت نهایی اتصال-به-میلگرد (یعنی fu,sp >fu,b ) معمولاً در بیشتر سیستم‌ها برآورده نمی‌شود، اما معمولاً اگر معیار بر اساس ظرفیت تسلیم اتصال-به-میلگرد (یعنی  fu,sp > fy,b ) باشد معیار مقاومت ارضا می شود. در غیاب راهنمایی خاص برای آزمایش غیرالاستیک در استانداردهای فعلی (مثلاً [9])، معیار شکل‌پذیری برای استفاده در مناطق بحرانی [27] پیشنهاد شد. این معیار به شکل نسبت کرنش نهایی اتصال-به-میلگرد (εu,sp/εu,b) بیان شد، و تفاوت واضحی بین عملکرد سیستم‌های اتصال مکانیکی در نظر گرفته‌شده نشان داد ) شکل 2a)[26]. یک پارامتر "اندازه" (λs = dcLc/dbLb) برای مشخص کردن هندسه سیستم اتصال هم همانطور که در شکل 2b نشان داده شده است استفاده شد[26]، که dc و Lc به ترتیب قطر و طول کوپلر را نشان می‌دهند، در حالی که db  و Lb قطر و طول موثر اتصال (Lc + 4db) هستند. در اصل، تعادل مطلوب مقاومت و شکل‌پذیری "در هوا"، و پایین بودن " λs"، پتانسیل ارائه عملکرد غیرالاستیک مطلوب "در بتن" را فراهم میکند. 

شکل 2: a) ضریب شکل پذیری b) ضریب شکل

در این مقاله، دو نوع اتصال کششی-فشاری، یعنی اتصالات رزوه‌دار موازی (PTC) و غلاف‌های سرد پرس شده با اتصالات رزوه‌دار موازی (PTSC)، برای ارزیابی دقیق انتخاب شدند. علاوه بر نیاز کلی به ارزیابی غیرالاستیک مونوتونیک و سیکلی سیستم‌های اتصال رزوه‌دار، کمبود آزمایش‌ بر روی اعضای بتنی شامل این فرم‌های کوپلر خاص نیز حس می شود. آزمایش‌های تک‌محوری مونوتونیک و سیکلی "در هوا" و "در بتن" بر روی PTC و PTSC، و همچنین نمونه‌های مرجع غیراتصالی، در این تحقیق برای قطرهای میله آرماتور 16 میلی‌متر و 20 میلی‌متر انجام شد. مطالعه دقیق سینماتیک ترک‌خوردگی نمونه‌های بتنی توصیف شده است، و مقایسه با پاسخ نمونه های مشابه آزمایش شده در هوا ارائه شده است. پس از اعتبار سنجی روش‌های عددی غیرخطی در برابر نتایج آزمایش، ارزیابی‌های پارامتری انجام شد تا بینش‌هایی در مورد توزیع‌های تنش و لغزش، و همچنین ارزیابی‌های مقایسه‌ای برای پیکربندی‌های اتصال مختلف فراهم شود. بر اساس نتایج، عباراتی برای تعیین سختی ترک‌خورده اعضای بتن شامل اتصالات مکانیکی پیشنهاد شده است. یافته‌های تجربی و عددی اطلاعات مستقیم در مورد پاسخ سیکلی غیرالاستیک رفتار در هوا و در بتن اتصالات مکانیکی فراهم می‌کند و ملاحظات اصلی طراحی برای کاربرد عملی آنها را برجسته می‌کند.

2. برنامه آزمایشگاهی 

2-1. نمونه‌ها و مواد 

برای به دست آوردن بینش دقیق در مورد پاسخ اتصالات مکانیکی در هوا و در بتن، آزمایش‌های تک‌محوری مونوتونیک و سیکلی با استفاده از اتصالات رزوه‌دار موازی (PTC) و اتصالات رزوه‌دار غلاف موازی (PTSC)، نشان داده‌شده در شکل 3، برای اتصال میله‌های آرماتور 16 میلی‌متر و 20 میلی‌متر انجام شد. PTC یک اتصال فشرده با ابعاد dc × Lc = Ø25 × 45 mm برای میلگردهای 16 mm و Ø31 × 54 mm برای میلگردهای 20 mm است، در حالی که PTSC دارای ابعاد dc × Lc = Ø25 × 206 mm  برای میلگردهای 16 mm و Ø31 × 214 mm برای میلگرد‌های 20 mm است [28,29]. اینها در سراسر مقاله به عنوان اتصالات فشرده و باریک نامیده می‌شوند. کوپلر PTC با رزوه‌های استاندارد در کوپلر و حدیده متناظر در آرماتورها ارائه می‌شود. کوپلر PTSC دارای رزوه‌ و حدیده فورج‌شده از یک غلاف فولادی است که به طور مکانیکی به آرماتورها  متصل است. در فرآیند ساخت این اتصالات، سطح مقطع میلگردها بعد از رزوه، به همان اندازه میلگرد باقی می‌ماند.

شکل 3: نمونه های آزمایش کوپلرهای PTC و PTSC

نمونه‌های آزمایشی بارگذاری مونوتونیک در هوا، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، دارای حداقل طول شفاف ls =   350 mm بین فک‌های ماشین آزمایش بودند. نمونه‌های آزمایشی در بتن از یک اتصال 800 mm ساخته شده بودند که 600 mm  آن در یک سیلندر بتنی جاسازی شده بود. برای اتصالات ساخته‌شده از آرماتور db = 16 mm، قطر خارجی سیلندر بتنی Dc = 121 mm بود، در حالی که برای آرماتور db = 20 mm، قطر خارجی بتن Dc = 151 mm (جدول 1). ابعاد سیلندر بر اساس نسبت آرماتور ناخالص ρ1 = 1.78% است که در محدوده معمول برای کاربردهای عملی است تعیین شده است. همانطور که در مطالعات قبلی نشان داده شده است، خواص پیوند و الگوی ترک به شدت به پوشش بتن بستگی دارد. برای اعضای شامل میله‌های 16 mm، پوشش بتن 52 mm در آرماتور و 48 mm در اتصال بود، در حالی که برای اعضای با میله‌های 20 mm، پوشش بتن 65 mm در آرماتور و 60 mm در اتصال بود. پوشش بتن برای به حداقل رساندن رخداد شکست شکاف‌دار در امتداد میله‌های جاسازی‌شده انتخاب شد، حفظ نسبت پوشش به آرماتور (c/d) برای همه نمونه‌های در بتن، در حالی که محدودیت‌های تجربی را در نظر می‌گیرد. برای هر دو قطر آرماتور، c/d = 3.3، در نظر گرفته شد که بالاتر از مقداری که در آن به دلیل عدم وجود یا کمبود محصورسازی عرضی، انتظار می‌رود شکاف رخ دهد (c/d = 1) [30] ، و بالاتر از مقداری که در آن شکاف پوشش می‌تواند کاملاً نادیده گرفته شود (c/d = 3) [31]. در نظر گرفته شده است. نمونه‌های بتنی به صورت عمودی ریخته شدند و برای یک هفته در قالبهای پلاستیکی نگه داشته شدند.

شکل 4: شرح نمونه های در بتن a)کوپلر PTC و b) کوپلر PTSC و c) سطح مقطع نمونه ها 

میلگرد‌ها از نوع نورد گرم با قطرهای 16 mm و 20 mm، ساخته ‌شده از فولاد درجه B500C و با حداقل نسبت سطح آج نسبی 0.056، که سطح آنها از طریق سند بلاست تمیز شده، برای هر دو آزمایش تک‌محوری در هوا و در بتن استفاده شدند. نسبت سطح آج واقعی هر اندازه آرماتور طبق EN ISO 15630-1:2010 [32] با استفاده از کولیس دیجیتال از طریق اندازه‌گیری قطرهای خارجی میلگرد در قسمت آج ها، بین آج‌ها، عمود بر آنها، و در 45 درجه از محور آج به آج ارزیابی شد. شیب آج و طول آج پیش‌بینی ‌شده از اثر یک میلگرد رنگ‌شده مرطوب که روی یک ورق کاغذ غلتیده شده اندازه‌گیری شد. جزئیات هندسه آرماتور 16 mm و 20 mm در شکل 5 نشان داده شده است، در حالی که خواص مواد در جدول 2 درج شده است. این انواع آرماتورها به طور گسترده در موارد کارگاهی و در تحقیقات در کشور انگلیس استفاده می‌شوند [33,34].

شکل 5: جزییات میلگردها

برای تعیین خواص مکانیکی بتن از بتن آماده استفاده شده و نمونه های آزمایش در اشکال مکعبی و استوانه ای تهیه شدند. نمونه‌ها مستقیماً در قالب های پلاستیکی ریخته شدند و با ورق‌های پلاستیکی پوشانده شدند تا هیدراسیون بتن را تسهیل کنند تا روز بعد از قالب خارج شوند. متعاقباً، نمونه‌ها در آب غوطه‌ور شدند تا به 28 روز برسند. سطوح بالا و پایین سیلندرهای Ø100 × 200 mm برای اطمینان از صاف بودن سطح سنگ‌زنی شدند. تمام ابعاد نمونه‌های سیلندری در حداقل سه مکان اندازه‌گیری شدند و برای ارزیابی مقاومت میانگین گرفته شدند. حداقل چهار آزمایش فشاری بر روی مکعب‌های 100 mm و سیلندرهای Ø100 × 200 mm  انجام شد (EN206–1:2000 [36])، و آزمایش‌های شکاف بر روی سیلندرهای Ø102 × 254 mm  در 28 روز انجام شد. مقاومت فشاری بتن 28 روزه در نمونه های استوانه ای fc = 44.8 MPa و در نمونه های مکعبی  fc,cube = 51.4 MPa بود، در حالی که مقاومت شکاف fct,sp = 2.92 MPa بود. در روز انجام آزمایش عضو که 60 روز از بتن ریزی گذشته بود، مقاومت‌های بتن ارزیابی‌شده عبارت بودند از:  fc = 53.3 MPa، fc,cube = 59.8 MPa و  fct,sp=4.71MPa