مقاله بررسی رفتار غیر خطی تیرهای بتنی پیشتنیده به روش اجزای محدود

بخشی از مقاله

بررسی رفتار غیر خطی تیرهاي بتنی پیشتنیده به روش اجزاي محدود
چکیده
علیرغم تحقیقات زیادي که در ارتباط با بررسی عددي (اجزاي محدود) رفتار اعضاي بتن مسلح معمولی صورت گرفته است، مطالعاتنسبتاً کمی در زمینه اعضاي بتنی پیشتنیده و مدلسازي اجزاي محدود این اعضا انجام شده است. در تحقیق حاضر براي بررسی رفتار یک عضو پیش تنیده واقعی، و بررسی صحت و دقت روش مدلسازي و نتایج تحلیلها، مدلسازي و تحلیل یک شاهتیر پیشتنیده مرکب بر اساس یک تحقیق آزمایشگاهی، انجام شده است. نتایج تحلیلهاي اجزاي محدود و تحلیلهاي تئوریک (محاسبات دستی) انجام شده در تحقیق حاضر با نتایج آزمایشگاهی نمونه مورد نظر مقایسه شده است و میزان کارایی و دقت مدل اجزاي محدود پیشنهاد شده ارزیابی شده است. انطباق قابل قبول نتایج بدست آمده با نتایج آزمایشگاهی، کارایی مدل اجزاي محدود پیشنهاد شده را نشان می دهد. با توجه به این که در حال حاضر بسیاري از پلهاي داراي دهانههاي بلند با استفاده از تکنیک پیشتنیدگی طراحی و ساخته شدهاند و با توجه به تغییرات قابل توجه آییننامههاي بارگذاري و روشهاي آنالیز لرزهاي در سالهاي اخیر، اغلب این پلها نیاز به تقویت و مقاومسازي دارند و لذا نیاز به مدلهاي قابل اعتماد جهت آنالیزهاي غیرخطی میباشد که در این مقاله بدان پرداخته شده است.
کلمات کلیدي: بتن پیشتنیده، تحلیل اجزاي محدود، ANSYS، مدل رفتار بتن.

. 1 مقدمه
تحقیقات زیادي در زمینه مدلسازي اجزاي محدود اعضاي بتن مسلح معمولی انجام گرفته است. در اکثر این تحقیقات به منظور بررسی رفتار اعضاي واقعی، یک نمونه آزمایشگاهی در نرمافزارهاي اجزاي محدود مدلسازي و تحلیل شده است و نتایج بدست آمده از تحلیلهاي اجزاي محدود با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. علیرغم تحقیقات زیادي که در ارتباط با بررسی عددي (اجزاي محدود) رفتار اعضاي بتن مسلح معمولی صورت گرفته است، مطالعاتنسبتاً کمی در زمینه اعضاي بتنی پیشتنیده و مدلسازي اجزاي محدود این اعضا انجام شده است. به عنوان نمونه، Faherty در سال 1972 یک تیر بتن مسلح معمولی و یک تیر پیشتنیده را با استفاده از روش تحلیل اجزاي محدود مورد مطالعه قرار داد.[1]
نتایج تحلیل تیر پیش تنیده در این تحقیق نشان داد که مقادیر خیز محاسبه شده در محدوده رفتار خطی با استفاده از مدل اجزاي محدود، بسیار مشابه نتایج مشاهده شده توسط Branson و همکارانش در تحقیق آزمایشگاهی آنان در سال 1970 میباشد.[2] اما در تحقیق مورد بحث، منحنی بار- تغییرمکان بعد از نقطه تركخوردگی با مدل واقعی تطبیق نیافت و توصیه گردید که تحقیقات بیشتري در مورد تیر بتنی پیشتنیده، پس از آنکه روشی براي مدلسازي گسیختگی کششی (تركخوردگی) بتن ارائه گردید، انجام گیرد.
با پیشرفت روش اجزاي محدود و بسط نرمافزارهاي قدرتمندي چون ANSYS، تحقیقات بیشتري در این زمینه انجام شده است. به عنوان مثال Wolanski در سال 2004 رفتار تیرهاي بتن مسلح معمولی و پیشتنیده را با استفاده از تحلیل اجزاي محدود، براي بررسی رفتار بار- تغییرمکان این اعضا، مورد مطالعه قرار داد.[3] این تحقیق در دو مرحله انجام گرفت. در مرحله اول یک مدل تیر بتن مسلح معمولی در نرمافزار ANSYS مدلسازي و نتایج این مدل با نتایج آزمایشگاهی تحقیق دیگري مقایسه شد. درمرحله دوم پارامترهاي مدل بتن مسلح مرحله قبل براي مدلسازي یک تیر پیشتنیده مورد استفاده قرار گرفت و نقاط ویژه منحنی بار- تغییرمکان پیشبینی شده توسط تحلیل اجزاي محدود با نتایج تئوریک (محاسبات دستی) مقایسه گردید. نتایج بدست آمده تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی و تئوریک داشت. از جمله کاستیهاي این تحقیق این است که تنها یک سوم نیروي پیشتنیدگی در مدل مربوط به تیر پیشتنیده اعمال شده است. از آنجایی که با وارد کردن کل نیروي پیش-
تنیدگی به تیر، حصول همگرایی در تحقیق مورد بحث غیرممکن بوده است، محقق بناچار تنها 3 1 از کل نیروي پیشتنیدگی را وارد کرده است.

همچنین در تحقیق مورد بحث به منظور حصول همگرایی، تلرانس همگرایی در سراسر تحلیل پنج برابر شده است و بنابراین دقت نتایج تا حد زیادي از بین رفته است.

با توجه به کمبود مطالعات انجام شده در این زمینه، در تحقیق حاضر تلاش گردید تا ضمن گسترش اطلاعات در این زمینه، معایب و نواقص معدود تحقیقات انجام شده (در خارج از کشور) در این ارتباط نیز برطرف شود. در تحقیق حاضر براي بررسی رفتار یک تیر پیشتنیده و بررسی صحت و دقت روش مدلسازي و نتایج تحلیلها، مدلسازي و تحلیل یک شاهتیر پیشتنیده مرکب بر اساس یک تحقیق آزمایشگاهی، انجام شده است. نتایج تحلیلهاي اجزاي محدود و تحلیلهاي تئوریک (محاسبات دستی) انجام شده در تحقیق حاضر با نتایج آزمایشگاهی نمونه مورد نظر مقایسه و میزان کارایی و دقت مدل اجزاي محدود پیشنهاد شده ارزیابی شده است.

.2 تحقیق آزمایشگاهی
تحقیق آزمایشگاهی که به عنوان مبناي مدلسازي اجزاي محدود در تحقیق حاضر انتخاب شده است، توسط Di ludovico و همکارانش در سال 2005 انجام شده است.[4] در این تحقیق براي بررسی میزان تأثیر مقاومسازي شاهتیرهاي پیشتنیده آسیب دیده توسط صفحات FRP، آزمایشهایی در دانشگاه Missouri-Rolla انجام گرفته است. آزمایشهاي انجام شده بر روي سه نمونه- یک نمونه بدون آسیب دیدگی و دو نمونه آسیب دیده و مقاومسازي شده با صفحات FRP (با مقادیر مختلف آسیب دیدگی و مقاومسازي)- نشان داده است که روش مقاومسازي با استفاده از صفحات FRP، از نظر سازهاي مؤثر بوده و قادر به بازیابی ظرفیت خمشی و سختی تیر بدون آسیب دیدگی (نمونه کنترل یا شاهد)، براي نمونههاي آسیب دیده میباشد. در تحقیق آزمایشگاهی مورد بحث، براي مطالعه مقاطع عرضی واقعی شاهتیرهاي پیشتنیده، طراحی نمونههاي آزمایشگاهی بر اساس مقطع شاهتیر نوع 2 (از بخش 3.55، آییننامه پل سازمان حمل ونقل میسوري ((MoDOT)، کهمعمولاً توسط این سازمان براي ساخت پل مورد استفاده قرار میگیرد، میباشد. سه نمونه شاهتیر پیشتنیده ذکر شده به طول کلی 11 m و با مقطع عرضی نشان داده شده در شکل (1) در کارگاه ساخته شدهاند. پس از انتقال شاهتیرهاي پیشتنیده به آزمایشگاه، براي کامل شدن مقطع عرضی نهایی نمونه، یک دال بتنی به ابعاد 0.81x0.15 m بر روي شاهتیر پیشتنیده ساخته میشود. بنابراین عضو مورد بحث یک تیر پیشتنیده مرکب میباشد که در آن شاهتیر بصورت پیشتنیده است و عرشه بتنی که در مرحله بعد بر روي آن ساخته میشود فاقد پیشتنیدگی میباشد. با توجه به اینکه هدف تحقیق حاضر بررسی رفتار و مدلسازي اجزاي محدود اعضاي پیشتنیده میباشد، در طول تحقیق تنها نمونه کنترل این تحقیق آزمایشگاهی مورد توجه قرار گرفته است و مدلسازي و تحلیل اجزاي محدود و مقایسه نتایج انجام شده در تحقیق حاضر بر اساس این نمونه میباشد. همانطور که در شکل (1) مشخص است، هر شاهتیر با 12 کابل پیشتنیدگی هفت رشتهاي با آسودگی کم و به قطر 9.5 mm پیشتنیده شده است. بر اساس تحقیق آزمایشگاهی نیروي پیشتنیدگی اولیه هر کابل معادل 76.5 KN میباشد که کل نیروي پیشتنیدگی اولیه Pi  919 KN را ایجاد میکند. چهار میلگرد فولادي به قطر 12.7 mm نیز براي مسلح کردن عرشه بکار رفتهاند و خاموتهایی به قطر 9.5 mm و به فاصله 150 mm به عنوان آرماتور برشی شاهتیر مورد استفاده قرار گرفتهاند. مشخصات بتن شاهتیر با بتن عرشه متفاوت میباشد و این مشخصات به همراه خصوصیات سایر مصالح در جدول (1) خلاصه شدهاند.

همانطور که در شکل (2) نشان داده شده است، هر نمونه آزمایشگاهی بصورت خمش چهار نقطهاي تحت بارگذاري قرار میگیرد. فاصله بین تکیهگاهها 10 .36 m و طول ناحیه ممان ثابت 2.74 m میباشد. دو جک هیدرولیکی براي اعمال بار مورد استفاده قرار گرفته است.