بخشی از مقاله
بررسی عددی رفتار تیرهای عمیق بتن سبک مسلح تقویت شده با الیاف FRP
چکیده
تیرهای عمیق به دلیل کاربرد وسیع در مهندسی عمران از جمله ساختمانهای بلندمرتبه، دیوارهای برشی و سازه های دریایی مورد توجه محققان می باشد. به دلیل رفتار پیچیده این تیرها و روش هایی که توسط آئین نامه های طراحی ذکر می گردد، برآورد درست و منطقی از ظرفیت این تیرها به روش های تحلیلی در اختیار نمی باشد. از طرفی به منظور کاهش هزینه های ساخت، از بتن سبک جهت تقلیل بارهای مرده و به تبع آن بار زلزله استفاده می گردد. علاوه بر این بعضی از المان های سازه های موجود نظر تیرهای عمیق به دلیل ضعف اجرا، تغییر کاربری و تغییر ضوابط آئین نامه ای نیاز به تقویت دارند. در این تحقیق تیرهای عمیق ساخته شده از بتن سبک و تقویت شده با ورقهای پلیمری مسلح به الياف تحت بار استاتیکی، به روش اجزا محدود تحلیل و نتایج حاصله با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه و نحوه صحیح مدلسازی به گونه ای که با نتایج آزمایشگاهی مطابقت داشته باشد مورد بحث و بررسی قرار می گیرد. بررسی نتایج حاکی از تطابق مدل آزمایشگاهی و نمونه های مدلسازی شده بوده و درصد افزایش مقاومت به روش اجرا محدود با نمونه های آزمایشگاهی و آئین نامه های موجود تطابق خوبی را نشان میدهد.
واژه های کلیدی: تیر عمیق - FRP- روش اجزا محدود- بتن سبک
مقدمه
طبق تعریف سیستم FRP شامل الیاف رزین های تشکیل دهنده ورق های کامپوزیت، رزین های به کار برده شده جهت اتصال ورقها به بتن زیرین و روکش های حفاظتی میباشد (۲) ورق کامپوزیت شامل الياف پیوسته کربن، شیشه و یا آرامید می باشد که به منظور پیوستگی و یکپارچگی درون رزین ماتریس قرار گرفته اند، رایج ترین رزینها شامل زرین اپوکسی، پلی استر و یا وینیستر می باشد. استحکام کششی، مدول الاستیسیته بالا و مقاومت قابل توجه در برابر شرایط محیطی این مواد باعث شده که نقش بسیار مهمی در تقویت سازه های تضعیف شده ایفا کنند. از مزیت های این سیستم ضخامت و وزن کم این ورق ها میباشد که تأثیر کمی در ابعاد و وزن سازه ایجاد می کنند. براساس تحقیقات به عمل آمده، افزایش تقویت داخلی و آرماتورهای برشی بیش از یک مقدار مشخص نمی تواند باعث افزایش ظرفیت برشی و مقاومت نهایی تیر عمیق بتنی شود، از طرف دیگر تقویت خارجی جان تیر عمیق به منظور افزایش ظرفیت برشی به کمک الیاف تقویت شد، پلیمری (FRP) مورد بحث و بررسی است. تأثیر ورقهای FRP در تقویت برشی تیرهای معمولی به طور کاملا گسترده ای توسط محققین مورد بررسی قرار گرفته است که نتایج این تحقیقات بیانگر تأثیر چشم گیر کاربرد ورق های FRP در افزایش مقاومت برشی بوده است. [۱۱-۳] با وجود تحقیقات گسترده در زمینه تیرهای کم عمق بتنی در مورد تیرهای عمیق بتنی فعالیتهای تحقیقاتی کمی انجام شده است. ولی آنچه مسلم است تیر عمیق بتنی معمولا در برش دچار شکست میشود و در چنین حالتی است که می توان جان تیر عمیق را توسط FRP تقویت کرد. گروهی از محققین تأثير FRP بر افزایش مقاومت نهایی تیر عمیق را بیش از ۳۰ اعلام کرده اند (12-18)
در این مقاله میزان تأثیر استفاده از ورق های ,GFRP وCFRP با آرایش های مختلف بر جان تیرهای عمیق به کمک مدل های آزمایشگاهی دیگر محققین [۱] و تحلیل عددی انجام شده بررسی و نتایج آزمایشگاهی با نتایج عددی مقایسه و ارائه شده است. در مطالعه حاضر مدل عددی تیر عمیق بتنی توسط نرم افزار ANSYS به روش اجزا محدود ساخته و در ناحیه خطی و غیرخطی مورد بررسی و تحلیل قرار داده شده است و سپس با مدل سازی ورقهای FRP بر روی مدل عددی تیر عمیق اثراین ورق ها بر تغییر مکان تیر، سرعت و نحوه رشد ترک، میزان افزایش ظرفیت برشی و مقایسه آن با آئین نامه بهسازی ایران (آبا) و
آئین نامه بهسازی آمریکا (ACI) و در نهایت مقاومت نهایی تیر عمیق مورد مطالعه قرار گرفته است.
۲- معرفی
2-1 مشخصات تیر مرجع
به منظور کالیبراسیون مدل عددی تیر آزمایشگاهی مرجع تحت عنوان تیر مرجع (Ref - a ) با ابعاد و آرایش میلگردهای مورد
استفاده در شکل (۱) مدل سازی شد. آرماتورهای برشی به قطر ۶mm و به فواصل افقی و قائم ۱۵۰mm از یکدیگر قرار دارند.
این مقدار آرماتور برشی حداقل مورد نیاز آئین نامه آبا و 318 ACI را تأمین نمی نمایند، لذا تیرهای مورد آزمایش در برش دارای ضعف سازه ای هستند.
تمام تیرها دارای طول ۱۵۰۰mm، عرض mm ۱۲۰ و ارتفاع mm ۵۰۰ بوده و نسبت دهانه برشی (a) به ارتفاع (h) کمتر از ۱ و نسبت طول (1) به ارتفاع برابر ۳ می باشد. همچنین به منظور جلوگیری از لهیدگی بتن از صفحه فولادی به ابعاد ۱۲۰ × ۱۰۰ × ۲۰ میلیمتر در نقاط بارگذاری و تکیه گاهی تیر استفاده شده است. تکیه گاهها از نوع ساده و بارگذاری به صورت متمرکز متقارن می باشد.
۲ - ۲ مشخصات تیرهای تقویت شده
تیر Ref - a به عنوان تیز مرجع، بدون هیچ نوع تقویت خارجی مورد آزمایش قرار گرفت و ۴ تیر باقی مانده نیز در دهانه برشی تیر در ناحیه ای بین محل اعمال بار متمرکز و تکیه گاه، با انواع مختلف FRP و با زوایای مختلف نسبت به محور طولی تیر تقویت شده اند. جزئیات تقویت برشی تیرها در جدول ۲ آورده شده است.
۲ - ۳ خصوصیات مصالح
مصالح استفاده شده بتن سبک، آرماتور و الياف FRP می باشد. مقاومت فشای و وزن مخصوص حاصل از میانگین سه نمونه
بتن سبک هر تیر در جدول (۳ ارائه شده است.
آرماتور داخلی از نوع آجدار و تیپ A می باشند، نتایج آزمایشات روی آرماتور داخلی در جدول (۴) آورده شده است.
تقویت تیرها با ورق های CFRP و GFRP انجام شده است مشخصات الياف FRP طبق گزارش کارخانه سازنده در جدول
5 ارائه شده است.
۲ - ۴ مدل اجزای محدود
در این تحقیق نرم افزار مورد استفاده در تحلیل عددی، ANSYS V12 . 0 و نوع تحلیل روش اجزای محدود غیرخطی میباشد. مدل اجزای محدود این تیرها، یک رویکرد ترک اندود [۱۹] را برای شبیه سازی رفتار تیر بتنی مسلح بعد از ترک خوردگی به کار می برد. المان پیش فرض نرم افزار ANSYS برای مدلسازی بتن مسلح که در این تحقیق نیز از آن استفاده شده، المان ایزوپارامتریک هشت گرهی solid65 می باشد که پاسخ غیرخطی مصالح تردی چون بتن، براساس شبیه سازی مناسب رفتار سه محوری، طبق مدل شکست ویلیام - وارنک توسط آن قابل پیش بینی است [۲۰] این المان قابلیت مدل کردن در کشش و (در ۳ جهت عمود برهم) و تخریب در فشار را دارد. در نرم افزار ANSYS المان ۳ بعدی solid65 برای مدل کردن اجزای بتنی توپر با یا بدون آرماتور کاربرد دارد. از آنجا که تقویت داخلی در این المان، به صورت یک سختی اندود در حجم المان به طور یکنواخت توزیع می شود. لذا زمانیکه شبکه مش اصطلاحا درشت باشد، امکان معرفی آرماتورها در مکان واقعی آنها وجود نخواهد داشت. به همین دلیل جهت مدلسازی واقعی از آرماتورهای مجزا که توسط المان LINK8 معرفی می گردد استفاده شده است.
المان LINK8 یک المان ۳ بعدی دو گرهی بوده و تنها در فشار و کشش عمل کرده و تحمل خمش را ندارد و قابلیت مدل کردن تغییر شکل پلاستیک خزش، تورم و سختی تنش را دارد.
همچنین برای مدل کردن ورقهای فولادی زیر تکیه گاه و محل اعمال بار متمرکز المان 45 solid و برای مدل کردن ورقهای
FRP المان لایهای سه بعدی solid46 به کار رفته است (21)
آرماتورهای تقویتی در مدل اجزای محدود بار رفتار الاستوپلاستیک کامل و ورقهای فولادی در محل تکیه گاهها و محل اعمال بار با رفتار الاستیک خطی فرض شده است. کامپوزیت های FRP در این تحقيق الاستیک خطی فرض شده اند. بارگذاری به صورت گام به گام تا مرحله شکست انجام میشود و در هر گام، تحلیل به روش اجزا محدود انجام می شود. برای تحلیل تیرها از آنالیز استاتیکی استفاده شده است اما از آنجا خصوصیات مصالح به کار رفته در مدلسازی غیرخطی می باشد از تحلیل استاتیکی غیرخطی استفاده شده است.
۳- بررسی و مقایسه نتایج آزمایشگاهی و عددی
به منظور کالیبره کردن نرم افزار و اطمینان از صحت مدل سازی عددی بیش از ۲۰ مدل عددی ساخته و تا مرحله نهایی ظرفیت برشی تیر، بارگذاری انجام شد. مدلی که بیشترین تطابق را با مدل آزمایشگاهی داشت به عنوان مدل مبنا یا تیر مرجع عددی انتخاب گردید.
در مدل عددی به منظور رسیدن به المان بندی بهینه (fine Mesh) تیر مرجع مجموعة به ۷۲۰۰ المان مکعبی تقسیم شده است. نمودار مجموع انرژی کرنشی المان های تیر که توسط نرم افزار قابل ترسیم است، بهینه بودن المان بندی تیر موردنظر را تأیید می کند. در این تحقیق با رسیدن ترک قطری بحرانی از وجه داخلی تکیه گاه به ناحیه تحت فشار در زیر محل بارگذاری تیر در هر دو مدل عددی و آزمایشگاهی شکست رخ میدهد. این تطابق نحوه ترک خوردگی در شکل (۲) نشان داده شده است.
۳ - ۱ مقایسه منحنی های بار- تغییر مکان
در حالت کلی نمودارهای بار تغییر مکان مدل های اجزای محدود تطابق خوبی را با تیرهای آزمایشگاهی متناظر خود دارد.
در نمودار شکل (۳) منحنی بار - تغییر مکان برای دو تیر مرجع آزمایشگاهی و عددی آورده شده، همان طور که ملاحظه میشود نطباق بسیار قابل قبولی هم در میزان بار نهایی و هم در تغییر شکل وسط دهانه از خود نشان میدهد.
نمودار شکل (۷) تطابق قابل قبولی را در میزان بار نهایی و تغییر مکان وسط دهانه در مدل عددی و آزمایشگاهی برای تیرهای (
