بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه در صنعت ساختمان استفاده از بتن مسلح با میلگردهای فولادی بسیار متداول می باشد که علت این امر مقاومت فشاری مناسب بتن و مقاومت کششی بالای آرماتورهای فولادی می باشد، همچنین برخی رفتارهای فیزیکی و مکانیکی مناسب این دو ماده باعث استفاده هرچه بیشتر از بتن مسلح با میلگردهای فولادی گردیده است. اما همانطور که می دانیم به علت وجود ترک های به وجود آمده در بتن که در اثر باگذاری ایجاد شده و پرهیز از آنها اجتناب ناپذیر است، بتن مسلح در مکان هایی که در معرض حمله شدید مواد شیمیایی قرار دارند مانند: سواحل دریاها، نمی تواند مقاومت مناسبی از خود نشان داده و این مواد شیمیایی سبب خوردگی آرماتورهای فولادی در نتیجه کاهش عمر مفید سازه می گردند. تعیین رفتار غیر خطی بتن مرحله مهمترین در مدل سازی عددی سازه های بتن آرمه می باشد. در این پژوهش از روش مدل خسارت پلاستیک CDP استفاده شده است. در تحلیلهای انجام شده به کمک نرمافزار Abaqus بخوبی نحوه ترک خوردن و مسیر ایجاد ترک مدلسازی شده و همچنین نتایج عوامل مختلف پلیمری مورد برسی قرار گرفته است.
واژههای کلیدی: رفتار خمشی، بتن مسلح، GFRP، ترک، عناصر محدود
.1 مقدمه
امروزه در صنعت ساختمان استفاده از بتن مسلح با میلگردهای فولادی بسیار متداول می باشد که علت این امر مقاومت فشاری مناسب بتن و مقاومت کششی بالای آرماتورهای فولادی می باشد، همچنین برخی رفتارهای فیزیکی و مکانیکی مناسب این دو ماده باعث استفاده هرجه بیشتر از بتن مسلح با میلگردهای فولادی گردیده است.
اگرچه بتن مسلح به علت پوشش بتنی مقاومتی نسبتا خوبی در برابر شرایط محیطی دارد اما همانطور که می دانیم به علت وجود ترک های به وجود آمده در بتن که در اثر باگذاری ایجاد شده و پرهیز از آنها اجتناب ناپذیر است، بتن مسلح در مکان هایی که در معرض حمله شدید مواد شیمیایی قرار دارند مانند: سواحل دریاها، نمی تواند مقاومت مناسبی از خود نشان داده و این مواد شیمیایی سبب خوردگی آرماتورهای فولادی در نتیجه کاهش عمر مفید سازه می گردند. بنابراین در چند دهه اخیر همواره تلاش بر این بوده است که مواد مناسبی را برای جایگزینی فولاد بیابند که علاوه بر دارا بودن خواص فیزیکی و مکانیکی ذکر شده در بالا، در مقابل مواد شیمیایی نیز مقاومت مناسبی از خود نشان دهند. در این پروژه تاکید ما بیشتر بر روی آرماتورهای پلیمری به جای فولاد است. بنابراین بررسی کفایت و قابلیت این مصالح به عنوان مصالحی که در جای مورد نظر باید بتن را تسلیح کند، بسیار حائز اهمیت بوده و ضروری به نظر می رسد. برای شناخت هرچه بیشتر رفتار این مصالح پژوهش های آزمایشگاهی زیادی انجام شده، در این پژوهش بنا بر این است که به کمک یک مدلسازی جامع به کمک نرم افزارهای المان محدود ABAQUS مورد بررسی قرار گیرد.
اهداف انجام این پژوهش عبارتند از: - 1 تعیین نوع شکست در تیرهای بتنی مسلح شده با - 2 GFRP ظرفیت خمشی نهایی تیر در مقایسه با حالت تسلیح شده با فولاد - 3 تعیین خیز تیر در صورت وجود آرماتور GFRP در مقایسه با وجود آرماتور فولادی - 4 مدلسازی ترک در مقاطع بتنی و بررسی نحوه ترک خوردگی مدلها.
با توجه به تنوع و گستردگی تحقیقات صورت گرفته در این زمینه، سعی بر این بوده که از تحقیقاتی که به موضوع این پژوهش نزدیکتر بوده و نوع آرماتورهای استفاده شده در آنها GFRP می باشد ، استفاده شود. این تحقیقات از سال 1990 به بعد انتخاب شده و تحقیقات سال های اخیر بیشتر مورد توجه بوده است. سعادت منش و احسانی [1] رفتار تیرهای بتنی مسلح با آرماتورهای GFRP که به دو صورت آرماتورهای طولی و آرماتورهای برشی در تیرها استفاده شده، به صورت مجزا مورد بررسی قرار دادهاند. آرماتورهای استفاده شده در این تحقیق از نوع GFRP است. آرماتورها شامل 76% وزنی الیاف شیشه و 24 % وزنی رزین پلی استر بودند. هر یک از الیافها دارای قطری در حدود 3 تا 5 میکرون بوده و مقاومت کششی آنها بیش از 3450 مگاپاسکال اندازه گیری شده است. آرماتورهای مصرفی دارای مقاومت کششی متوسط 1180 مگاپاسکال و مدول الاستیسیته کششی متوسط 53/6 گیگاپاسکال بودند. تنش تسلیم فولاد مصرفی برابر 480 مگاپاسکال بوده است. مقایسه بین حداکثر بار مورد انتظار تئوریکی و حداکثر بار اندازه گیری شده، عملکرد مناسب و خوب آرماتورهای GFRP را در تیرهای بتنی بیان نمود. بار ماکزیمم اندازه گیری شده و بار محاسبه شده تئوری به اندازه کافی به یکدیگر نزدیک بوده و این نزدیکی دال بر عملکرد مناسب آرماتورهای GFRP در تیرهای بتنی می باشد. ترکهای کششی توزیع یکنواختی در طول تیر داشته و عرض نهایی ترکهای کششی در تیرهای بتنی مسلح شده با آرماتورهای GFRP در مقایسه با تیرهای معمولی بزرگتر می باشد که این تفاوت ناشی از کوچک بودن مدول الاستیسیته کششی آرماتورهای GFRP در مقایسه با آرماتورهای فولادی می باشد. با مقایسه نمودار بار -خیز تیرهای با آرماتور GFRP و فولادی می توان نتیجه گرفت خیز در تیرهای با آرماتور GFRP حدودا 4 برابر خیز در تیرهای با آرماتور فولادی می باشد که علت این امر مدول الاستیسیته پایین آرماتورهای GFRP در مقایسه با آرماتورهای فولادی است. بنابراین قابل پیش بینی است که در طراحی تیرهای بتنی مسلح شده با آرماتورهای GFRP یکی از عوامل محدودکننده می تواند خیز تیر باشد. بنموکران، چلال و مسمودی [2] آرماتورهای استفاده شده از نوع GFRP بوده و درصد الیاف شیشه در آنها بین 73 تا 78 درصد حجمی، بسته به قطر آرماتور می باشد. خمیر پلیمری مورد استفاده در ساخت آرماتورهای GFRP از نوع رزین پلی استر می باشد. سطح آرماتورها با الیاف شیشه ای دورپیچی و ماسه پاشی شده بود. دو سری تیر به طول 3/3 متر به مقاطع 200×300 و 200×500 میلیمتر - b×h - جهت آزمایش ساخته شده بود. آرماتورهای GFRP و فولادی مورد استفاده قطری برابر 19/1 میلیمتر داشتند. خاموتهای فولادی به قطر 6 میلیمتر و تنش تسلیم 300 مگا پاسکال تنها در مناطقی از تیر که ممان خمشی ثابت نبود مورد استفاده قرار گرفته بود. گام خاموت گذاری در مناطق استفاده شده برابر 100 میلیمتر بود. نتایج آزمایشها از این قرار بوده که: - 1 در بارهای پایین، الگو و فاصله در تیرهای بتنی مسلح شده با آرماتورهای GFRP با تیرهای بتنی مسلح شده با آرماتورهای فولادی مشابه است. در بارهای بهره برداری، تعداد و عرض ترکها با گسترش بیشتری در تیرهای بتنی مسلح شده با آرماتورهای GFRP مشاهده می شود. - 2 از آنجایی که آرماتورهای GFRP مساله خوردگی را به دنبال ندارند، بایستی عرض ترک مجاز قابل قبول بر اساس مواردی غیر از خوردگی، مجددا تعیین شوند. - 3 رابطه ACI برای تخمین ممان اینرسی موثر تیرها که بر اساس رابطه برانسون می باشد، برای تیرهای بتنی مسلح شده با آرماتورهای GFRP دست بالا می باشد. - 4 توزیع کرنش آزمایشگاهی به وضوح چسبندگی کامل بین آرماتورهای GFRP مصرفی و بتن را بیان می کند. ویجی و گنگاراو [3] در تحقیق خود مقایسه نوع شکست، مقایسه مقاومت خمشی، تغییرات خیز و عرض ترکهای ایجاد شده در تیرهای بتنی مسلح با آرماتورهای GFRP در دو وضعیت آرماتورگذاری کمتر و بیشتر از حالت متعادل صورت دادند. برای این امر نتایج آزمایشات و تحقیقات انجام شده افراد مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین روابط استفاده شده برای محاسبات تئوری روابط ارائه شده توسط آیین نامه ACI برای تیرهای بتنی مسلح با آرماتورهای GFRP می باشد. در این پژوهش می توان دریافت که استفاده از بتن مقاومت بالا چه در حالت شکست فشاری و چه در حالت شکست کششی بسیار مناسب می باشد. زیرا بتن مقاومت بالا با داشتن مقاومت چسبندگی بالاتر، بهتر می تواند با آرماتور یکپارچه شده و از جدا شدن آرماتور و بتن جلوگیری کند. همچنین تاثیر بسزایی در بالا بردن سختی مقطع ترک خورده بتن دارد. ویکتور و ونگ [4] در پژوهش خود رفتار خمشی تیرهای بتنی مسلح با میلگردهای FRP و با استفاده از دو نوع بتن مقاومت بالا - HSC - و بتن - ECC - انجام دادهاند. آرماتورهای استفاده شده در تیرها از نوع GFRP شماره 4 با قطر 12/9 میلیمتر، مدول الاستیسیته کششی 40 گیگاپاسکال، مقاومت کششی نهایی 740 مگاپاسکال و کرنش کششی نهایی 1/9 درصد می باشد. تمامی تیرهای دارای ابعاد 142×152 میلیمتر هستند. عمق موثر تیرها برابر 128 میلی متر می باشد. با بررسی نتایج می توان مشاهده کرد که در تیرهای بتنی مسلح با GFRP به علت مدول الاستیسیته پایین این مواد خیزهای بیشتر و در نتیجه ترک های عریض تری نسبت به نمونه های مشابه فولادی ایجاد می گردد. همانطور که مشاهده می شود نمودار تغییرات عرض ترک بر حسب لنگر تقریبا خطی می باشد. همچنین می توان دریافت که با افزایش درصد آرماتور GFRP، عرض ترکها برای ممان برابر کاهش می یابد.
.2 مشخصات مصالح مورد استفاده در این پژوهش
.1-2 مدلسازی مصالح غیرخطی برای تشخیص ترکها
تعیین رفتار غیر خطی بتن مهمترین مرحله در مدل سازی عددی سازه های بتن آرمه می باشد. در نرم افزار المان محدود ABAQUS ، رفتار غیر خطی مصالح ترد را می توان به سه روش زیر تعریف کرد؛ - 1 مدل ترک پخشی، - 2 مدل شکست ترد، - 3 مدل خسارت پلاستیک بتن هر یک از این مدل ها دارای مزایایی می باشند که می توانند بر حسب نیاز مورد استفاده قرار گیرند . مدل خسارت بتن تنها مدلی است که در هر دو تحلیل استاتیکی و دینامیکی و خرد شدگی فشاری قابل استفاده است. در این مدل فرض بر این است که ترک کششی دو جنبه اصلی مکانیسم گسیختگی بتن می باشد و برای مدلسازی شکست مصالح ترد تحت بارگذاری های چرخه ای - کشش و فشار متناوب - طراحی شده است به طوری که امکان بازیابی سختی در طی بارهای رفت و برگشتی وجود دارد. در مدل خسارت پلاستیک، به دلیل عدم وجود ضوابط گسیختگی امکان حذف المان ها در طول تحلیل یا ایجاد ترک، وجود ندارد ولی این مدل توانایی پیشگویی محل و جهت تشکیل ترک ها را دارا می باشد.
بر اساس مطالب ذکر شده، مشخصات تحلیل خسارت پلاستیک برای پژوهش حاضر در جداول 1 و 2 آمده است.
