کمانش در تیرچه-ستونهای پیش تنیده و ارزیابی هوشمند

در این مطلب میخواهیم به بررسی کمانش در تیرچه-ستونهای پیش تنیده و ارزیابی هوشمند، (یک مدل تجربی جدید برای ظرفیت خمشی باقیمانده تیرچه های بتنی پیش تنیده پس تنیده خورده شده) بپردازیم.

امروزه کاربرد تیرچه پیش تنیده را به وفور در کارگاه های ساختمانی شهری و پروژه های عظیم عمرانی می توانیم ببینیم. کافیست کمی دقت کرده و متوجه وجود کارگاه های مربوط به ساخت تیرچه های پیش تنیده در کنار هریک از پروژه های ساختمانی بشویم. پیش تنیدگی صنعت مدرنی است که از عمر آن بیش از یک قرن نمی گذرد. با اینحال رشد چشمگیری در کاربرد در ساختمان سازی ها داشته و تیرچه های پیش تنیده جای خود را در تمامی ساخت و سازهای امروزی باز کرده اند.

نوع بتن به کار گرفته شده در پیش تنیدگی تیرچه پیش تنیده

براساس AASHTO، در بتن پیش تنیده باید از مفتول هفت رشته ای با مقاومت بالا، مفتول فولادی با استحکام بالا یا آلیاژهای درجه یک و نوعی که توسط مهندس طراح مشخص شده است استفاده شود. همچنین در ساخت تیرچه ی پیش تنیده، بتن قوی تری نسبت به بتن معمولیِ RC مورد نیاز می باشد.

هدف از پیش تنیدگی در ساخت تیرچه پیش تنیده؟

پیش تنیدگی سیستمی است که می تواند حجم بتن مورد نیاز و مصرفی در ساخت و ساز سازه های غول پیکر و ساختمان های شهری را کاهش دهد، استفاده و حمل و نقل مصالح را کمتر کرده و همچنین دوام و عمر مفید بناهای عمرانی را به طور چشمگیری بالاتر ببرد. واقعیت این است که بتن بطور کل در برابر تنش های فشاری مقاومت می کند، اما مقاومت آن در برابر کشش خیلی کمتر است. برای همین امروزه در کارگاه های مجهز به سیستم ها و ماشین آلات پیش تنیدگی بتن و تیرچه  را مورد پیش فشردگی قرار میدهند و محصولی همچون تیرچه ی پیش تنیده را پیش از کاربری در ساختمان تولید میکنند که ابتدائاً مورد بازرسی و آزمایش کارشناسان قرار میگیرد.

نیروی پیش تنیدگی چیست؟

بتن مورد استفاده در  اطراف کابلها در تیرچه ی پیش تنیده با اِعمال نیروی پیش تنیدگی به آن کاهش می یابد. این کاهش تنش در کابل به دلیل جمع شدن بتن در اطراف آن است. در واقع نیروی وارده در پیش فشردگی متناسب با قسمتی از انقباض است که پس از انتقال نیروی پیش تنیدگی به بتن صورت می گیرد. نتیجه ی حاصله از این اعمال فشار نشان میدهد که شکستگی بتن تیرچه ی پیش تنیده براثر فشارهای وارده در اثر حوادثی نظیر زلزله یا هر حادثه ی دیگری کمتر خواهد بود و مقاومت آن بیشتر خواهد بود که  این امر در بالا رفتن عمر مفید سازه یا ساختمان تاثیر چشمگیری دارد .

کمانش در تیرچه – ستون های پیش تنیده و ارزیابی هوشمند

عده ای از کارشناسان عرصه ی راه و ساختمان، برای ستون‌های تیرچه – پایدارِ پیش تنیده، رفتار کمانش را به صورت تحلیلی مورد مطالعه قرار داده اند که در این مطالعه ی تحقیقاتی مدل‌ های هوشمند برای ارزیابی رفتار غیرخطی با استفاده از یادگیری ماشینی توسعه یافته اند. یک راه حل ضمنی، که امکان ارزیابی مستقیم رفتار کمانش اعضای ماندگار دو متقارن و تک متقارن را در تیرچه های پیش تنیده فراهم می کند، برای اولین بار به صورت تحلیلی تعیین شد و یک راه حل ساده شده صریح از بار کمانش تیرچه پیش تنیده با استفاده از روش پسرفت به دست آمد.

تحقیقات در این مطالعه ی گروهی نشان داد که هر دو راه حل ضمنی و صریح می توانند روش عددی سنتی را برای ارزیابی بار کمانش اعضای باقی مانده ی تیرچه های پیش تنیده ساده کنند و با استفاده از مدل سازی عددی تأیید شده و مقایسه های عالی نتایج دلخواه به دست آیند. بر همین اساس، راه‌ حل صریح بار کمانشِ تیرچه پیش تنیده، مدل‌های یادگیری ماشین برای توسعه روش‌های هوشمند برای ارزیابی رفتار کمانش غیرخطی تیرچه – ستون‌های پیش تنیده، که می‌تواند بر مشکلات در تمایز بین حالت‌های کمانش خالص و تعاملی در روش سنتی غلبه کند و همین طور به جهت ارزیابی ظرفیت باربری تیرچه پیش تنیده، اتخاذ می‌شود. در مجموع نتایج این پژوهش آزمایشی اینطور نشان می‌دهند که تقویت گرادیان شدید (XGBoost) و شبکه رشته کابلهای مصنوعی (ANN) می‌توانند حالت شکست غیرخطی و بار نهایی تیرچه – ستون‌های پیش تنیده را به طور دقیق و قابل اطمینان پیش‌بینی کنند.

ظرفیت خمشی باقیمانده تیرچه های بتنی پیش تنیده

در طی یک مقاله، مهندسان پژوهشگر در زمینه تیرچه ی پیش تنیده اقدام به جمع آوری ۷۰ آزمایش خمشیِ تجربی بر روی تیرچه های بتنی پیش تنیده پس تنیده (PC) خورده شده، از میان تعداد بسیار زیادی  مقالات علمی تحقیقاتی منتشر شده در مجلات پژوهشی سراسر دنیا کرده اند. با استفاده از داده های تجربی، یک بانک اطلاعات جامع از ظرفیت خمشی تیرچه های خورده شده ی PC ایجاد شد. در همین حال، چهار مدل تجربی موجود برای محاسبه مقاومت خمشی باقی ‌مانده در تیرچه های خورده ‌شده PC نیز مورد جمع‌ آوری قرار گرفته بود و بر اساس داده های موجود در بانک اطلاعات بدست آمده با یکدیگر مقایسه شدند. به نظر می رسد که سه مدل از چهار مدل تجربی موجود، ظرفیت خمشی تیرچه های پیش تنیده ی آزمایشی را ناچیز قلمداد کرده اند.

به این ترتیب، برای تجزیه و تحلیل عمیق عوامل موثر بر ظرفیت خمشی تیرچه های پیش تنیده آزمایشی، عوامل متعددی توسط پژوهشگران مورد بحث قرار گرفت، که از آن میان به عنوان مثال میتوان به  نسبتِ خوردگی، عرض تیرچه، ارتفاع موثر مقطع تیرچه، مقاومت فشاری بتن، و نسبت مقاومت بین آرماتور کششی (شامل آرماتور پیش تنیده و غیر پیش تنیده) و بتن اشاره داشت. نتایج مشخص شده در این آزمایشات حاکی از آن است که ظرفیتِ خمشیِ باقی مانده ی تیرچه های PC پس تنیده خورده شده بیشتر تحت تأثیر نسبت خوردگی آنها است. در نهایت، یک مدل تجربی بهتر برای محاسبه ظرفیت خمشی باقی‌ مانده ی تیرچه های PC خورده شده، پیشنهاد شده است که پیش‌ بینی‌های دقیق و مؤثری را در طیف وسیعی از نسبت خوردگی برای تمرین مهندسیِ تیرچه های پیش تنیده  ارائه دهند.