بررسی اثر کوتاه‌شدگی قائم ناشی از خزش و عوامل موثر آن در ساختمان‌های بلند بتن‌آرمه با استفاده از تحلیل‌های متداول و مرحله‌ای وابسته به زمان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه سازه، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران.

2 گروه سازه، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران.

3 گروه زلزله، دانشکده مهندسی عمران ، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران.

10.22124/jcr.2025.30912.1705

چکیده

تلاش‌های پایدار فشاری و خمشی در اعضای بتن‌آرمه در بلندمدت موجب بروز کرنش‌های خزشی می‌شود. رعایت محدودیت تغییر شکل‌های خمشی ناشی از خزش در اعضای افقی، از الزامات طراحی سازه‌ای است. ستون‌ها و دیوارهای ساختمان‌های بلند نیز تحت بارهای فشاری پایدار، دچار کوتاه‌شدگی غیرالاستیک می‌شوند که تفاوت آن در میان اعضای قائم، سبب ایجاد تنش‌های خودزای اضافی، به‌ویژه در تیرهای افقی کوتاه می‌گردد. محدودیت‌های معماری و اجرایی گاه منجر به تعبیه بازشوهایی در نزدیکی ستون‌ها و در نتیجه ایجاد تیر رابط کوتاه در سیستم‌های دوگانه بتن‌آرمه می‌شود. در این شرایط، در نظر گرفتن تنش‌های خودزا در این تیرهای برشی اهمیت دارد. بی‌توجهی به تحلیل خزش و پارامترهای مؤثر بر آن می‌تواند منجر به آسیب‌های سازه‌ای و غیرسازه‌ای در زمان بهره‌برداری گردد. در این پژوهش، ابتدا مراحل تحلیل خزشی در یک قاب دوبعدی به‌صورت دستی تشریح شده و با نتایج نرم‌افزار ETABS مقایسه شد. سپس اثر عواملی چون سرعت ساخت، رطوبت نسبی و مقاومت بتن بر کوتاه‌شدگی در یک سازه ۲۰ طبقه با تحلیل مرحله‌ای بررسی شد. نتایج نشان داد خزش باعث جابجایی افقی می‌شود که با تقارن هندسی و تغییر تدریجی مقاطع در طبقات می‌توان آن را کاهش داد. کوتاه‌شدگی در اقلیم خشک تا ۱1۵٪ بیش از مناطق مرطوب است. همچنین افزایش مقاومت بتن تا ۱۰۰٪ موجب کاهش ۳۰٪ کوتاه‌شدگی، و افزایش مدت ساخت هر طبقه از ۲۰ به ۴۰روز، کاهش ۱۳٪ آن را در پی دارد. در نهایت، توزیع مناسب بار و انتخاب مقاطع مناسب در اعضای قائم مجاور تیر رابط، نقش مؤثری در کنترل تنش‌های خودزا دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Investigation of Creep-Induced Vertical Shortening and Its Influencing Factors in High-Rise Reinforced Concrete Buildings Using Conventional and Time-Dependent Staged Analyses

نویسندگان [English]

  • Vahid Gholizadeh 1
  • Ali Kheyroddin 1
  • Davood Mostofinejad 2
  • Mohammad Iman Khodakarami 3
1 Structural Engineering Department, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran.
2 Structural Engineering Deparrment. Faculty of Civil Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran.
3 Earthquake Engineering Department. Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran.
چکیده [English]

Sustained axial and flexural stresses in reinforced concrete members lead to creep strains over time. Controlling flexural deformations caused by creep in horizontal members is a fundamental requirement in structural design. Columns and walls in high-rise reinforced concrete buildings are subjected to sustained compressive forces, resulting in inelastic shortening during service. Differential shortening among vertical members induces additional self‑equilibrating stresses, especially in short horizontal members. Architectural and constructional constraints often necessitate openings near columns, leading to the formation of short link beams in dual structural systems. In such cases, considering the effects of self‑induced stresses in these shear‑dominant link beams becomes crucial. Neglecting creep analysis and its influencing parameters can lead to structural and non‑structural damage during service life. In this study, the stages of creep analysis were first manually described for a two‑dimensional frame and then compared with the results from ETABS software. Subsequently, the effects of construction speed, relative humidity, and concrete strength on the shortening of a 20‑story building were investigated using staged construction analysis. Results showed that creep contributes to horizontal displacements, which can be mitigated through geometric symmetry and gradual section changes along the height. In arid climates, shortening may increase up to 115% compared to humid regions. Doubling concrete strength can reduce shortening by up to 30%, and extending floor construction time from 20 to 40 days can reduce it by 13%. Load distribution and optimized section selection for vertical members adjacent to short link beams play a significant role in managing self‑induced stresses.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Reinforced concrete creep
  • short link beam
  • inelastic shortening
  • self-induced stresses
  • staged construction analysis

مراجع

[1] Gilbert RI. Time effect in concrete structures, New York, Elsevier Science Publishing Company Inc., 1988.
[2] Faber O. Plastic yield, shrinkage and other problems of concrete and their effects on design, Minutes of the Proc. of the Inst. of civil engineers, 225 (1927) 27–73.
[3] Bazant ZP. Prediction of concrete creep effects using age-adjusted effective modulus method, ACI Journal, 69(1972)212–7.
[4] Glanville WH. Studies in reinforced concrete Ш, the creep or flow of concrete under load, Building research technical paper, 12(1930)39–48.
[5] Nielsen LF. Krichen und relaxation des beton, 65(1970)272–5.
[6] Choi, C.-K., Chung, H.-K., Lee, D.-G., Wilson, E. L. (1992). "Simplified building analysis with sequential dead loads—CFM". Journal of Structural Engineering, 118(4), pp. 944–954. DOI:10.1061/(ASCE)0733-9445(1992)118:4(944)
[7] Yi, T., Tong, X. (2007). "Differential column shortening effects in typical medium-to high-rise buildings". In New Horizons and Better Practices (pp. 1–10). Reston, VA: American Society of Civil Engineers. DOI:10.1061/40946(248)97.
[8] Kwak, H.-G., Kim, J.-K. (2006). "Time-dependent analysis of RC frame structures considering construction sequences". Building and Environment, 41(10), pp. 1423–1434. DOI:10.1016/j.buildenv.2005.05.013
[9] Kim, H., Jeong, S., Shin, S., Park, J. (2012). "Simplified column shortening analysis of a multi-storey reinforced concrete frame". The Structural Design of Tall and Special Buildings, 21(6), pp. 405–415. DOI:10.1002/tal.607
[10] Moragaspitiya, P., Thambiratnam, D., Perera, N., Chan, T. (2010). "A numerical method to quantify differential axial shortening in concrete buildings". Engineering Structures, 32(8), pp. 2310–2317. DOI:10.1016/j.engstruct.2010.04.006
[11] Gardner, N. J. (2004). "Comparison of prediction provisions for drying shrinkage and creep of normalstrength concretes". Canadian Journal of Civil Engineering, 31(5), pp. 767 775. DOI:10.1139/l04- 046
[12] Goel, R., Kumar, R., Paul, D. K. (2007). "Comparative study of various creep and shrinkage prediction models for concrete". Journal of Materials in Civil Engineering, 19(3), pp. 249–260. DOI:10.1061/(ASCE)0899-1561(2007)19:3(249)
[13] Yoo, S. W., Kwon, S.-J., Jung, S. H. (2012). "Analysis technique for autogenous shrinkage in high performance concrete with mineral and chemical admixtures". Construction and Building Materials, 34, pp. 1–10.
DOI:10.1016/j.conbuildmat.2012.02.005
[14] Rossi, P., Tailhan, J. L., Le Maou, F. (2013). "Creep strain versus residual strain of a concrete loaded under various levels of compressive stress". Cement and Concrete Research, 51, pp. 32–37. DOI:10.1016/j.cemconres.2013.04.005
[15] Kim, Seung-Gyu, Yeong-Seong Park, and Yong-Hak Lee. "Comparison of Concrete Creep in Compression, Tension, and Bending under Drying Condition." Materials 12.20 (2019): 3357.
[16] Eom, Tae-Sung, et al. "Time-Dependent Deformations of Eccentrically Loaded Reinforced Concrete Columns." International Journal of Concrete Structures and Materials 12.1 (2018): 1-12.
[17] Correia, Ruben, and Paulo Silva Lobo. "Simplified assessment of the effects of columns shortening on the response of tall concrete buildings." Procedia Structural Integrity 5 (2017): 179-186.
[18] Wang, Lilin, Xin Zhao, and Congzhi Yan. "Time-dependent vertical shortening prediction for super-tall buildings by using a modified B3 model to consider moisture distribution." Engineering Structures 209 (2020): 109994.
                                                                                         [19] Zou, Dujian, et al. "Influence of creep and drying shrinkage of reinforced concrete shear walls on the axial shortening of high-rise buildings." Construction and Building Materials 55 (2014): 46-56.
[20] ایپکچی، سیامک، 1386,بررسی اثر شاخصهای وابسته به زمان نظیر خزش و جمع شدگی بر رفتار سازه­های بتنی. رساله کارشناسی ارشد، دانشکده فنی و مهندسی, دانشگاه تهران.
[21] Smerda, Zdenek, and Vladimir Kristek. Creep and shrinkage of concrete elements and structures. Elsevier, 1988.
[22] جلیل زاده افشار، سیامک، 1396, ارائه مدل و روش جدید جهت تحلیل سازه های بلند بتن آرمه با منظور نمودن اثرات توالی ساخت و شاخصهای وابسته به زمان. رساله دکتری، دانشکده مهندسی عمران, دانشگاه سمنان.
[23] NZS3101 (2006). Concrete Design Standard, NZS3101:2006, Part 1 and Commentary on the Concrete Design Standard, NZS 3101:2006, Part 2, Standards Association of New Zealand, 2006, Wellington, New Zealand
[24] ACI Committee 318. (2014). Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-14). Farmington Hills, Michigan, USA: American Concrete Institute.
[25] Gholizadeh, V., Kheyroddin, A., Lee, D.-G., Wilson, E. L. (2024). " The effect of mesh size and ACI different cracking coefficients on the responses of structures (case study: a 20-story building with dual system)". The first international conference on the exchange of scientific information in the field of concrete materials and structures, 118(4), https://civilica.com/doc/1994498.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار