بررسی نحوه پاسخ المان های سازه ای ساخته شده از بتن خاکی تحت بارگذاری چرخه‌ای

خداپرست, افشین; صمیمی, کیانوش

doi:10.22065/jsce.2025.485472.3552

بررسی نحوه پاسخ المان های سازه ای ساخته شده از بتن خاکی تحت بارگذاری چرخه‌ای

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

افشین خداپرست ¹

کیانوش صمیمی ²

¹ دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط‌زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

² استادیار، دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط‌زیست، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

10.22065/jsce.2025.485472.3552

چکیده

استفاده از بتن خاکی خود متراکم می‌تواند رویکردی نوآورانه در جهت کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای و نیز ساخت و سازی مقرون به‌صرفه و سریع را در صنعت ساختمان امکان‌پذیر نماید.همچنین، ارزیابی لرزه‌ای آن محدود بوده و پروتکل‌های موجود توانایی در نظر گرفتن تعداد چرخه‌های بالا، و تغییر‌مکان‌های بزرگ را ندارند. همچنین، ارزیابی رفتار لرزه‌ای المان‌های سازه‌ای در حین زلزله‌های متوالی انجام نپذیرفته است. در این پژوهش، آزمون‌های آزمایشگاهی با استفاده از پروتکل بارگذاری پیشنهادی برای تعیین تأثیر بارگذاری لرزه‌ای بر رفتار نمونه‌های سالم و آسیب دیده از زلزله تیرهای مسلح ساخته شده از بتن خاکی خود متراکم انجام پذیرفته است. نحوه اعمال بارگذاری شامل دو مرحله کلی می‌باشد. نمونه‌های تیر، در مرحله اول تحت بارگذاری هارمونیک و پس از آسیب در مرحله دوم تحت بارگذاری یکنواخت قرار گرفتند. مرحله اول آسیب تجمعی زلزله را تحت بارگذاری هارمونیک یکنواخت شبیه‌سازی می‌کند، در حالی که مرحله دوم رفتار یکنواخت پس از زلزله را نمایش می‌دهد. دو طرح اختلاط برای ساخت تیرها انتخاب گردید: RE (مخلوط مرجع) و C50 (بتن حاوی 50% خاک جایگزین سیمان). نتایج نشان داد که جابجایی تسلیم (Δy) در مخلوط C50 در مقایسه با مخلوطRE ، به میزان 20% کاهش یافته است. نتایج همچنین نشان داد، تعداد سیکل‌های مورد نیاز برای کاهش مقاومت 10، 15 و 20 درصدی نمونه حاوی 50% سیمان در شدت بارگذاری شدید، به ترتیب 4/44، 01/10 و 88/68% کاهش یافته است. علاوه بر این، تفاوت کمتری بین جابجایی نهایی ناشی از بارگذاری یکنواخت و هارمونیک (Δu) در نمونه‌های تیر مخلوط طرح C50 آسیب دیده از زلزله در مقایسه با نمونه‌های طرح اختلاط RE وجود دارد. با این حال، افزایش Δu در مخلوط C50 در مقایسه با مخلوط RE مشاهده گردید. این مطالعه نشان داد که پتانسیل استفاده از بتن خاکی خود‌متراکم به عنوان بتن سازه‌ای، بخصوص در مناطق لرزه‌خیز با خطر نسبی پایین امکان‌پذیر می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

گازهای گلخانه‌ای

بتن خاکی خود‌متراکم

زلزله

تیرمسلح

پروتکل بارگذاری

موضوعات

مهندسی سازه و زلزله

عنوان مقاله English

Investigating the response of structural elements constructed of earth concrete under cyclic loading

نویسندگان English

afshin khodaparast ¹

Kianoosh Samimi ²

¹ PhD student, Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

² Assistant Professor, Faculty of Civil, Water and Environmental Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran,, Iran

چکیده English

The use of self-compacting earth concrete can reduce greenhouse gas emissions, as well as increase the efficiency and speed of construction in the construction industry. In this study, using a specific loading protocol, experiments were conducted to investigate the effects of earthquake loading on the behavior of intact and damaged reinforced beams made of self-compacting earth concrete. In fact, loading involves two general steps. Initially, beams are subjected to harmonic loading; after damage, they receive uniform loading. Next, under uniform harmonic loading, the first stage simulates an earthquake, whereas the second stage shows post-earthquake behavior. Also, for beam construction, two design mixtures were chosen: RE (reference mixture) and C50 (concrete with 50% earth replaced for cement). From the results, compared to the RE mixture, the C50 mixture yield displacement was reduced. Additionally, replacing earth with cement increased the beam reduction rate. Furthermore, there is a smaller difference between the uniform and harmonic ultimate displacements of the damaged C50 mix design beam specimens than the damaged RE design mix beam specimens. As compared with the RE mixture, the C50 mixture had an increased yield displacement. According to this study, this concrete is suitable as a building material, especially in earthquake areas.

کلیدواژه‌ها English

Greenhouse gases

Self-compacting earth concrete

Earthquake

Reinforced beams

Loading protocol

[1] Van Damme, H. and Houben, H. (2018). Earth concrete. Stabilization revisited. Cement and Concrete Research, Elsevier. Vol. 114, pp. 90–102.

[2] Juenger, M.C.G., Snellings, R., Bernal, S.A., (2019). Supplementary cementitious materials: new sources, characterization, and performance insights. Cement and Concrete Research. Vol.122, 257–273.

[3] Gomaa, M., Schade.S, Bao.K, Xie. Y., (2023). Automation in rammed earth construction for industry 4.0: Precedent work, current progress and future prospect. Journal of Cleaner Production. Vol. 2, 123–21.

[4] Samimi, K., Pakan, M., Eslami, J. and Asgharnejad, L., (2022). Investigation of two different water-dispersed graphene on the performance of graphene/cement paste: Surfactant and superplasticizer effect. Construction and Building Materials. Vol. 254, 1193-15.

[5] Samimi, K., Pakan, M. and Eslami, J., (2023). Investigating the compressive strength and microstructural analysis of mortar containing synthesized graphene and natural pozzolan in the face of alkali-silica reactions. Journal of Building Engineering. Vol. 424, 118561.

[6] Abdulqader, M., Khalid, H.R., Ibrahim, M., Adekunle, S.K., Al-Osta, M.A., Ahmad, S., Sajid, M., )2023(. Physicochemical properties of limestone calcined clay cement (LC₃) concrete made using Saudi clays. Journal of Materials Research and Technology. Vol .25, 2769–2783.

[7] Samimi, K., Farahani, M., Pakan, M. and Shirzadi Javid, A.A., (2022). Influence of pumice and metakaolin on compressive strength and durability of concrete in acidic media and on chloride resistance under immersion and tidal conditions. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering, Vol .46, pp.1153-1175.

[8] Samimi, K. and Zareechian, M., (2022). Chemical resistance of synthesized graphene-modified cement paste containing natural pozzolans to acid attack. Journal of Building Engineering. Vol .79, 107644.

[9] Samimi, K. and Pakan, M., (2023). Study of mechanical properties and microstructure of cement paste containing graphene based on surfactant. Journal of Structural and Construction Engineering. Vol .16, 670.

[10] khodaparast, afshin, Samimi, K., Pakan, Mahyar, (2024). Investigation of the mechanical properties and microstructure of self-compacting earth concretes for use in low-carbon construction systems. Journal of Structural and Construction Engineering, Vol .39, 107694.

[11] Kohandelnia, M., Hosseinpoor, M., Yahia, A., Belarbi, R., (2023). Multiscale investigation of self-consolidating earthen materials using a novel concrete-equivalent mortar approach. Construction and Building Materials. Vol .370, 130700.

[12] Zhou, Y., Fan, L., Xing, F., Lin, W., Hu, R., Guo, M., Zhu, Z., )2024(. Effect of nano-SiO₂ modification on the seismic performance of recycled aggregate concrete shear walls. Engineering Structures. Vol. 307, 117945.

[13] Coccia, S., Como, M., (2024). Out-of-plane dynamical strength of masonry walls under seismic Actions. Journal of Earthquake Engineering. Vol .213, P22–42.

[14] Ashraf, W., Borno, I.B., Khan, R.I., Siddique, S., Haque, M.I., Tahsin, A., (2022). Mimicking the cementation mechanism of ancient Roman seawater concrete using calcined clays. Applied Clay Science. Vol. 230, 106696.

[15] Li, J., Zhang, W., Li, C., Monteiro, P.J.M., (2019). Green concrete containing diatomaceous earth and limestone: Workability, mechanical properties, and life-cycle assessment. Journal of cleaner production. Vol. 223, 662–679.

[16] Houben, H., Guillaud, H., )1994(. Earth construction: a comprehensive guide. Vol. 121, 662–222.

[17] Lourenço, P.B., Ciocci, M.P., Greco, F., Karanikoloudis, G., Cancino, C., Torrealva, D., Wong, K., (2019). Traditional techniques for the rehabilitation and protection of historic earthen structures: The seismic retrofitting project. International Journal of Architectural Heritage. Vol. 13, 15–32.

[18] El-Nabouch, R., Bui, Q.-B., Plé, O., Perrotin, P., )2017(. Assessing the in-plane seismic performance of rammed earth walls by using horizontal loading tests. Engineering Structures. Vol. 145, 153–161.

[19] Marder, K.J., Motter, C.J., Elwood, K.J., Clifton, G.C., )2018(. Effects of variation in loading protocol on the strength and deformation capacity of ductile reinforced concrete beams. Earthquake Engineering & Structural Dynamics. Dyn. Vol. 47, 2195–2213.

[20] Mofid, T., Tavakoli, H.R., )2020(. Experimental investigation of post-earthquake behavior of RC beams. Journal of Building Engineering. Vol. 32, 101673.

[21] Massumi, A., Sadeghi, K., Ghaedi, H., )2021(. The effects of mainshock-aftershock in successive earthquakes on the response of RC moment-resisting frames considering the influence of the vertical seismic component. Ain Shams Engineering Journal. Vol. 12, 393–405.

[22] Di Sarno, L., Pugliese, F., )2021(. Effects of mainshock-aftershock sequences on fragility analysis of RC buildings with ageing. Engineering Structures. Vol. 232, 111837.

[23] Seed, H.B., Martin, P.P., Lysmer, J., (1976). Pore-water pressure changes during soil liquefaction. Journal of the geotechnical engineering division. Vol. 102, 323–346.

[24] Tavakoli, H.R., Mahmoudi, S., Goltabar, A.R., Jalali, P., (2017). Experimental evaluation of the effects of reverse cyclic loading rate on the mechanical behavior of reinforced SCC beams. Construction and Building Materials. Vol. 131, 254–266.

[25] Nojavan, A., )2015(. Performance of full-scale reinforced concrete columns subjected to extreme earthquake loading. University of Minnesota, Vol. 122, 1-236.

[26] Fan, G., Song, Y., Wang, L., )2014(. Experimental study on the seismic behavior of reinforced concrete beam-column joints under various strain rates. Journal of Reinforced Plastics and Composites. Vol. 33, 601–618.

[27] ASTM D2487-17. (2017). Standard Practice for Classification of Soils for Engineering Purposes (Unified Soil Classification System). p. 10.

[28] ASTM:C150-04a, (2004). Standard Specification for Portland Cement. ASTM International. Vol. 1–8.

[29] Association Française du Génil Civil (AFGC). (2002). Bétons fibrés à ultra-hautes performances. AFGC-SETRA. p. 11.

[30] ASTM E8,) 2013(. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, American Society for Testing and Materials. P-12

[31] ASTM C31 / C31M - 21a. (2021). Standard Practice for Making and Curing Concrete Test Specimens in the Field. ASTM International, Philadelphia. p. 1–7.

[32] ASTM C511-19. (2019). Standard Specification for Mixing Rooms, Moist Cabinets, Moist Rooms, and Water Storage Tanks Used in the Testing of Hydraulic Cements and Concretes. ASTM Stand. Guid. p. 13.

[33] Ngo, D.C., (2018). Développement d’un nouveau éco-béton à base de sol et fibres végétales: étude du comportement mécanique et de durabilité. HAL Open Sci. P-160-200

[34] ACI 318, (1994). “Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentry” , in: ACI Structural Journal. American Concrete Institute, p. 503.

[35] Imanzadeh, S., Jarno, A., Hibouche, A., Bouarar, A., Taibi, S., (2020). Ductility analysis of vegetal-fiber reinforced raw earth concrete by mixture design. Construction and Building Materials. 239