رفتار وصله‌های مکانیکی میلگرد در مفصل پلاستیک سازه بتنی

مقاله پیش روی برداشتی است از مقاله Dahal و Tazarv که در مورد رفتار انواع مختلف اتصالات مکانیکی و امکان استفاده از آنها در مفاصل پلاستیک و چشمه اتصالات نوشته شده است. قسمت های مربوط به آزمایشات و نتایج کامل آزمایشات در این مقاله نیامده است. برای مطالعه کامل مطالب بهتر است به مقاله اصلی مراجعه نمایید. 

مقاله جامع و تحلیلی درباره رفتار وصله‌های مکانیکی میلگرد بر پایه پژوهش Dahal & Tazarv (2020)

در دنیای مدرن ساخت‌وساز، کیفیت اتصالات سازه‌ای یکی از مهم‌ترین عوامل در پایداری و دوام بناها محسوب می‌شود. در سازه‌های بتن‌آرمه، میلگرد به‌عنوان عضو کششی اصلی نقش حیاتی در مقاومت سازه در برابر نیروهای کششی و برشی دارد. اما به‌دلیل محدودیت طول میلگردها و نیاز به اتصال قطعات در محل اجرا، استفاده از وصله‌های میلگرد اجتناب‌ناپذیر است. روش سنتی وصله، یعنی وصله پوششی یا اورلپ، هرچند در گذشته پرکاربرد بود، اما مشکلاتی مانند افزایش تراکم میلگرد، دشواری بتن‌ریزی در نواحی گره‌ها، و ضعف در کنترل کیفیت اجرا را به همراه داشت. از همین روی استفاده از روش جایگزین اجتناب نا پذیر است.

در دهه‌های اخیر، با گسترش فناوری‌های صنعتی و نیاز به سرعت در ساخت‌وساز، وصله‌های مکانیکی میلگرد یا همان «کوپلر میلگرد» جایگزین روش‌های سنتی شده‌اند. کوپلرها ابزارهایی هستند که با طراحی مکانیکی ویژه، دو سر میلگرد را بدون نیاز به هم‌پوشانی به هم متصل می‌کنند. این روش نه تنها باعث کاهش تراکم میلگرد می‌شود، بلکه طول وصله را حذف کرده و امکان اجرای سازه‌های پیش‌ساخته و مقاوم در برابر زلزله را فراهم می‌کند.

یکی از برجسته‌ترین پژوهش‌های علمی در این زمینه، تحقیق Dahal و Tazarv در سال ۲۰۲۰ است که در مجله معتبر Construction and Building Materials  منتشر شد. عنوان این مقاله «وصله‌های مکانیکی میلگرد برای استفاده در نواحی مفصل پلاستیک اعضای بتن‌آرمه» است. این مطالعه از آن جهت اهمیت دارد که نواحی مفصل پلاستیک، یعنی مناطقی از سازه که در هنگام زلزله بیشترین تغییر شکل را تجربه می‌کنند، حساس‌ترین بخش از نظر رفتار لرزه‌ای به شمار می‌آیند. هدف اصلی این تحقیق، بررسی دقیق رفتار مکانیکی انواع کوپلر میلگرد تحت بارهای استاتیکی و سیکلیک برای شبیه سازی عملکرد این اتصالات در برابر بارهای لرزه ای است.

Dahal و Tazarv در این پژوهش جامع بیش از ۱۶۰ نمونه از کوپلرهای میلگرد را از میان محصولات ده شرکت معتبر آمریکایی انتخاب و مورد آزمایش قرار دادند. آزمایش‌ها شامل دو دسته اصلی بودند: بارگذاری یکنواخت (Monotonic Loading) برای بررسی مقاومت نهایی و بارگذاری سیکلی (Cyclic Loading) برای ارزیابی عملکرد در برابر نیروهای رفت و برگشتی شبیه‌سازی‌شده زلزله. نتایج این آزمایش‌ها در قالب بزرگ‌ترین پایگاه داده‌ای که تاکنون درباره‌ی کوپلر میلگرد جمع‌آوری شده، ثبت گردید.

 کوپلرهای مورد مطالعه به شش گروه اصلی تقسیم شدند: رزوه ای  (Threaded)، انتهایی (Headed)، پرسی (Swaged)، گروتی (Grouted Sleeve)، بغل پیچ (Shear Screw) و ترکیبی (Hybrid) . در کوپلرهای رزوه‌ای، انتهای میلگردها رزوه‌زنی شده و توسط مهره یا بدنه‌ی رزوه‌دار به هم متصل می‌شوند. در نوع انتهایی، سر میلگردها با قطعات فولادی به وسیله رزوه مرتبط می شوند. در نوع پرسی، با اعمال فشار هیدرولیکی بدنه به میلگرد، اتصال مکانیکی شکل می‌گیرد. در کوپلرهای گروتی، میلگرد درون غلاف فولادی قرار می‌گیرد و در کوپلرهای بغل پیچ سر میلگردها با قطعات فولادی قفل‌شونده درون بدنه کوپلر درگیر می‌شوند. در کوپلرهای ترکیبی هر سمت از کوپلر به یک نحو به میلگرد متصل می شود.

آزمایش‌های Dahal و Tazarv نشان داد که استفاده از کوپلر در محل وصله تأثیر مستقیم بر رفتار تنش–کرنش میلگرد دارد. به‌طور میانگین، نمونه‌های دارای کوپلر حدود ۳۰ تا ۴۵ درصد کرنش نهایی کمتری نسبت به میلگردهای بدون وصله از خود نشان دادند. علت اصلی این کاهش، وجود ناحیه صلب در محل اتصال است که مانع از توزیع یکنواخت تغییرشکل در طول میلگرد می‌شود. در عوض، برخی از انواع کوپلر مانند مدل‌های دوغابی یا ترکیبی به دلیل وجود لغزش نسبی کنترل‌شده میان میلگرد و بدنه، توانستند رفتار نرم‌تر و شکل‌پذیرتری ارائه دهند.

در این تحقیق مشخص شد که کوپلرهای کوتاه و صلب مانند نوع رزوه‌ای رفتار سخت‌تری دارند و باعث تمرکز کرنش در ناحیه اتصال می‌شوند. برعکس، کوپلرهای بلندتر یا دارای ماده‌ی پرکننده مانند گروت، به توزیع متعادل‌تر کرنش در طول میلگرد کمک می‌کنند. در نتیجه، اگرچه ممکن است مقاومت نهایی در کوپلرهای صلب کمی بیشتر باشد، اما شکل‌پذیری سازه کاهش می‌یابد. در طراحی لرزه‌ای، این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا رفتار شکل‌پذیر عامل کلیدی در جذب انرژی زلزله است.

 یکی از مهم‌ترین یافته‌های مقاله، تعریف مفهوم «کوپلر لرزه‌ای» بود. کوپلر لرزه‌ای به نوعی از وصله مکانیکی گفته می‌شود که در هنگام شکست، میلگرد در خارج از ناحیه اتصال گسیخته شود. به بیان دیگر، شکست نباید درون بدنه کوپلر اتفاق بیفتد. این ویژگی از آن جهت حیاتی است که در سازه‌های مقاوم در برابر زلزله، ناحیه‌ی شکست باید قابل کنترل و پیش‌بینی باشد. پژوهش نشان داد که بیشتر کوپلرهای انتهایی و ترکیبی توانستند این ویژگی را برآورده کنند، در حالی‌که برخی از کوپلرهای گروتی و کوچک‌تر دچار شکست درون اتصال شدند که نشان‌دهنده‌ی ضعف در طراحی آن‌ها برای کاربردهای لرزه‌ای است.  

Dahal و Tazarv برای ارزیابی عملکرد کوپلرها، از یک مدل ریاضی مبتنی بر پارامتر β (بتا) استفاده کردند. این پارامتر به عنوان نسبت طول صلب کوپلر به طول کل ناحیه اتصال تعریف می‌شود و نقش تعیین‌کننده‌ای در توصیف رفتار غیرخطی اتصال دارد. مقدار بتا برای کوپلرهای مختلف بین ۰.۶ تا ۱.۷ اندازه‌گیری شد. کوپلرهایی که مقدار بتای بیشتری داشتند، صلب‌تر بودند و در نتیجه کرنش کمتری را تحمل می‌کردند. بر اساس مدل پیشنهادی، رفتار تنش–کرنش وصله‌های مکانیکی قابل پیش‌بینی شد و تطابق بالایی با داده‌های آزمایشگاهی داشت.

 در ادامه، پژوهشگران بیش از ۲۴۰ تحلیل پوش‌آور روی مدل‌های عددی ستون‌های بتنی دارای کوپلر انجام دادند تا اثر واقعی این اتصالات بر رفتار لرزه‌ای سازه‌ها مشخص شود. نتایج نشان داد که ستون‌های دارای کوپلر ممکن است تا ۴۳ درصد شکل‌پذیری کمتری نسبت به ستون‌های یک‌تکه داشته باشند. البته مقاومت نهایی برخی از ستون‌ها تا ۱۰ درصد افزایش یافت. این افزایش مقاومت ناشی از انتقال مستقیم نیرو بین دو میلگرد در کوپلر و کاهش لغزش نسبی است. در مقابل، کاهش شکل‌پذیری به دلیل تمرکز کرنش در ناحیه‌ی اتصال اتفاق افتاد. بنابراین، مهندسان به این نتیجه رسیدند که کوپلرها اگرچه در مقاومت مؤثر هستند، اما در صورت انتخاب نادرست، می‌توانند باعث کاهش انرژی جذب‌شده در سازه شوند. ازاین‌رو، در طراحی لرزه‌ای باید بین مقاومت و شکل‌پذیری تعادل ایجاد شود.

در بخش دیگری از مطالعه، اثر طول و قطر کوپلر بر رفتار لرزه‌ای بررسی شد. مشخص شد که نسبت طول کوپلر به قطر میلگرد (Lsp/db) نباید بیش از ۱۵ باشد. اگر این نسبت افزایش یابد، تمرکز تنش در ناحیه‌ی اتصال بالا می‌رود و احتمال شکست ترد افزایش می‌یابد. همچنین کوپلرهای بلند و صلب باعث محدود شدن ناحیه مفصل پلاستیک و کاهش ظرفیت جذب انرژی در ستون می‌شوند. برعکس، کوپلرهای کوتاه‌تر با طراحی نرم‌تر می‌توانند رفتار بهتری از خود نشان دهند، به شرط آنکه مقاومت کششی کافی داشته باشند.

 پژوهش حاضر علاوه بر داده‌های تجربی، پیشنهادهایی برای استانداردسازی آزمون کوپلرها ارائه کرد. Dahal و Tazarv با ترکیب تجربیات خود و مرور آیین‌نامه‌های ACI و AASHTO، یک روش آزمایش استاندارد برای کوپلرهای لرزه‌ای تدوین کردند. در این روش، نمونه‌ها تحت بارگذاری سیکلی با دامنه کرنش افزایشی قرار می‌گیرند تا رفتار واقعی در شرایط زلزله شبیه‌سازی شود. همچنین پیشنهاد شد که در ارزیابی کیفی کوپلرها، شکست در خارج از اتصال به عنوان معیار اصلی پذیرش در نظر گرفته شود. . در واقع، این تحقیق پایه‌گذار استانداردسازی عملکرد کوپلرهای لرزه‌ای در ایالات متحده شد و مسیر توسعه دستورالعمل‌های جدید AASHTO را هموار کرد.

در بعد صنعتی و اجرایی، این تحقیق نشان داد که کوپلر میلگرد علاوه بر مزایای فنی، از نظر زمان و هزینه نیز برتری قابل توجهی نسبت به وصله‌های سنتی دارد. کاهش تراکم میلگرد در گره‌ها، حذف نیاز به طول وصله پوششی، امکان اجرای دقیق‌تر در فضاهای محدود و سرعت بالاتر در نصب، از جمله مزایای مهم استفاده از کوپلر هستند. همچنین در پروژه‌های پیش‌ساخته، کوپلر نقش حیاتی در اتصال اجزای تولیدشده در کارخانه به یکدیگر دارد. این ویژگی در روش ساخت شتاب‌دار پل‌ها (ABC) اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا باعث کاهش زمان انسداد مسیر و افزایش ایمنی  پروژه های ساخت پل می شوند.

از دیدگاه طراحی، استفاده از کوپلر میلگرد باید با توجه به نوع سازه، محل قرارگیری وصله، و سطح عملکرد مورد انتظار انجام گیرد. برای سازه‌های معمولی، استفاده از کوپلرهای رزوه‌ای یا گروتی با طراحی استاندارد کافی است، اما در سازه‌های لرزه‌ای باید از کوپلرهای تاییدشده با عملکرد شکل‌پذیر استفاده شود. طراحان باید در مدل‌سازی عددی، تأثیر کاهش کرنش نهایی در محل کوپلر را لحاظ کنند و از ضرایب اصلاحی پیشنهادشده در تحقیق  Dahal و Tazarv بهره ببرند.

 برای کارگاه‌های تولید کوپلر میلگرد در ایران، این پژوهش می‌تواند الگویی برای ارتقای کیفیت تولید باشد. با توجه به اینکه بسیاری از مناطق ایران در پهنه‌های با خطر لرزه‌ای بالا قرار دارند، استفاده از کوپلرهای استاندارد و آزمون‌شده بر اساس دستورالعمل‌های ACI 318 و AASHTO LRFD اهمیت حیاتی دارد. تولیدکنندگان باید در فرآیند ساخت به مواردی مانند دقت رزوه‌زنی، کنترل کیفیت مواد اولیه، تست کششی هر دسته محصول، و بررسی گسیختگی بیرون از ناحیه اتصال توجه ویژه داشته باشند. همچنین توسعه کوپلرهای ترکیبی و گروتی متناسب با روند اجرایی پروژه می تواند تاثیر شگرفی در سرعت و بهبود ایمنی پروژه ایفا نماید.

در جمع‌بندی، مقاله Dahal و Tazarv (2020) نقطه عطفی در شناخت و استانداردسازی رفتار وصله‌های مکانیکی میلگرد به شمار می‌آید. این پژوهش برای نخستین بار داده‌های منسجم و جامعی از بیش از ۱۶۰ آزمایش واقعی فراهم کرد و نشان داد که انتخاب نوع کوپلر تأثیر چشمگیری بر عملکرد لرزه‌ای سازه دارد. یافته‌های این تحقیق مبنایی برای تدوین استانداردهای جدید آزمایش و طراحی کوپلرها در آمریکا شد و می‌تواند به‌عنوان مرجع اصلی برای مهندسان و تولیدکنندگان در سراسر جهان مورد استفاده قرار گیرد.

 به بیان ساده، اگر کوپلر میلگرد به درستی طراحی و تولید شود، می‌تواند هم از نظر فنی و هم اقتصادی جایگزین بسیار بهتری برای وصله‌های سنتی باشد. این اتصالات امکان ساخت سریع‌تر، مقاوم‌تر و قابل اعتمادتر سازه‌های بتنی را فراهم می‌کنند. اما همان‌گونه که  Dahal و Tazarv تأکید کردند، موفقیت در این مسیر مستلزم آن است که تولیدکنندگان و طراحان، کوپلر را صرفاً به عنوان یک قطعه فلزی نبینند، بلکه آن را بخشی از سیستم لرزه‌ای سازه در نظر بگیرند که رفتار آن باید دقیقاً شناخته و کنترل شود.

منبع:

Dahal, P. K., & Tazarv, M. (2020). Mechanical bar splices for incorporation in plastic hinge regions of RC members. Construction and Building Materials, 258, 120308. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120308