بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به پیشرفت علم و نیاز روزافزون به مواد و مصالح جدید، یکی از مواد مورد استفاده در اغلب پژوهشها مواد چندگانه و کامپوزیتی میباشند. کامپوزیتها انواع و گونههای مختلف و متعددی دارند که در این پژوهش از نوع فیبر شیشه - glass - استفاده شدهاست. در پژوهش پیشرو، به بررسی رفتار کلی تیر کامپوزیتی نیمه محصور شده با مقطع Down Hat-Shape پروفیل کامپوزیتی مورد بررسی قرار گرفتهاست. برای انجام این کار ابتدا مدل نرمافزاری با مدل پیشین آزمایشگاهی ساخته شده مورد تطابق قرار گرفته و سپس با تغییر پارامتر مقاومت پروفیل بتن موجود دال، نمودار نیرو-تغییر مکان مدل به طور جداگانه رسم و مورد بررسی قرار داده شدهاست. مقاومتهای مختلف و همچنین ضخامتهای بتن مورد بررسی قرار گرفتند که پارامتذهای مقاومت شامل 36، 54 و 72 مگاپاسکال و ضخامتهای مختلف شامل 60، 80 و 100 میلیمتر میباشند. بررسیهای انجام شده حاکی از آن است که این تغییر مقاومت ها اثری بر روی رفتار کلی تیر کامپوزیتی مدلسازی شده ندارد ولی افزایش ضخامت بتن دال باعث افزایش ظرفیت باربری میشود. برای مدلسازی در این پژوهش از نرمافزار شبیهسازی ABAQUS نسخه6-12 استفاده شده است.
واژههای کلیدی: تیر کامپوزیتی نیمه محصور - مدلسازی تیر بتنی مرکب - - GFRP مقاومت بتن دال - ضخامت بتن دال
-1 مقدمه
امروزه بهدلیل پیشرفت روز افزون علم و نیاز به مواد و مصالح جدید صنعتی، استفاده از مواد کامپوزیتی نسبت به گذشته رواج بیشتری پیدا کرده است. بهطور کلی هدف از تسلیح سازههای بتنی با الیاف پلیمری، افزایش مقاومت خمشی در بتن میباشد.[1] هریک از خواص ویژه الیاف پلیمری، منجر به کاربردهای مختلفی از الیافFRP1 میشود. بهطور مثال استفاده از میلگردهایی از جنس FRP بهجای میلگردهای فولادی جهت افزایش میرایی ارتعاشات ناشی از زلزله، کاهش وزن و مقاومت بالای آن در برابر خوردگی ]و[32 و یا تولید پروفیلهای پیش ساخته از جنس FRP و انواع کاربرد آن در تیر ها و عرشهها بهخصوص در ساخت پلها که بیشتر در معرض آسیبهای محیطی قرار دارند.[4] نوع خاصی از FRP که در چندسال اخیر در کانون توجه محققین قرار گرفته استGFRP2 ها میباشند که بهعلت قیمت مناسب آن بسیار رایجتر از سایر موارد مشابه آن مانندCFRP3 و یاAFRP4 میباشند. این نوع الیاف برحسب نوع کاربرد آن، ترکیب و جنس مواد اولیه بهکار رفته در تهیه آنها به انواع گوناگون تقسیم می شود ]و.[65 اولین تحقیقات انجام شده در این زمینه از اوایل دهه 1980 میلادی آغاز شد. اما زلزلههای سال 1990 کالیفرنیا و 1995 کوبه ژاپن عامل مهم و مؤثری جهت بررسی همه جانبه کاربرد کامپوزیتهای پلیمری ساخته شده از الیاف FRP جهت تقویت و مقاومسازی بتنی و بنایی در مناطق زلزله خیز گردید. این مطالعات که دامنه و وسعت آن روز به روز در حال افزایش است زمینهای وسیع جهت استفاده از این کامپوزیتها را در سازههای نیازمند به تقویت، بهسازی و یا ترمیم فراهم نمودهاست که تا کنون نیز، این تحقیقات درحال بررسی و آزمایش میباشند. در سال 2001 نایگوئن
و همکاران مشاهده نمودند که بهعلت لایه لایه شدگی و یا پارگی زود هنگام پوشش بتن تنها بخش محدودی از لایههای کامپوزیت باعث افزایش ظرفیت خمشی تیرها میشوند.[7] در سال 2002گرِیس و همکارش شکست ترد ناشی از کشش برشی و جداشدگی برای تیرهای مقاومشده با پلیمرهای فیبری را تحت تاثیر بارهای ثابت در باری کمتر از ظرفیت خمشی نهایی مقطع گزارش دادهاند.[8] در سال 2006کِلِر و همکارانش مدلی از عرشه ساندویچی هیبریدی را ارتقاع دادند که در آن هسته بتنی درون یک پنل کششی کامپوزیتی و یک صفحه فشاری احاطه شدهبود. آنها نمونههای متعددی را در خمش، به صورت یکنواخت مورد بارگزاری قرار دادند که نتایج آزمایشات حاکی از گسیختگی اولیه آن بهصورت ترکهای کششی در هسته بتن بود.[9] در سال 2009 نیز های-هان و همکارانش بر روی رفتار تیرهای محصور شده با کامپوزیت جداره نازک کارکردند. نتایج کار آنها نشان داد که محل اتصال تیرها و ستون ها در مفصل پلاستیک یک حالت خمش شکست رخ میدهد درحالیکه مفاصل CFST در مناطق مشترک، هسته به دلیل برشی شکست شکست خورده است.[10]در سال 2010 امیر فام و همکارش بر روی شاه تیر با مقطع ذوزنقه ای به طول 3300 میلی متر با فیبرهای گرافیتی کار کردند. در این آزمایش هم از گلمیخ و هم از چسب برای چسباندن این کامپوزیتها استفاده شد. نتایج حاکی از آن بود که این کار بر روی مقاومت خمشی تاثیری نداشته ولی در ازای آن مقدار %51 به مقاومت برشی اضافه شدهاست. و در ادامه نشان داده شد که استفاده از گلمیخ و چسب، %87 مقاومت خمشی و %110 مقاومت برشی را نسبت به حالت بدون گلمیخ بهبود بخشیده است.[11]در سال 2013 دره شوری و همکارانش بر روی تعیین ظرفیت برشی نهایی تیرهای کامپوزیت حاوی چند دهانه کارکردند. نتایج تحقیقاتشان نشانداد که دهانه دارای عمق یا ارتفاع بیشتری باشد، کاهش بیشتری در مقاومت برشی دارد. نتایج حاصله از این کار، نشان داد متود پیشبردی اجزای محدودی، قابلیت پیش گویی ظرفیت برشی نهایی تیرهای کامپوزیت را دارد که در آن ارتفاع هر دهانه تاثیر بیشتری برروی ظرفیت برشی دارد .[12]در سال 2016 کورتس و همکارانش بر روی ظرفیت مقاومت فشاری تیرهای کامپوزیت تحقیق کردند. نتایج کار آنها حاکی از این بود که استفاده از پوششهای کامپوزیتی چیزی حدود %16 به مقاومت فشاری نمونه های آزمایشگاهیشان اضافه کرده و بر ظرفیت نهایی نمونه های فولادی حدود %33 افزوده است.[13]
آباکوس قابلیت حل مسائل از یک تحلیل خطی ساده تا پیچیدهترین مدلسازی غیرخطی را دارا میباشد. این نرمافزار دارای مجموعه المانهای بسیار گستردهای میباشد که هر نوع هندسهای را میتوان توسط این المانها مدل کرد. همچنین دارای مدلهای رفتاری بسیار زیادی است که در مدلسازی انواع مواد با خواص و رفتار گوناگون نظیر فلزات، لاستیکها، پلیمرها، کامپوزیتها، بتن مسلح، فومهای فنری و نیز شکننده و همچنین مصالح ژئوتکنیکی نظیر خاک و سنگ، قابلیت بالایی را ممکن میسازد.
نرم افزار آباکوس علاوه بر اینکه قابلیتهای بسیار فراوانی را در اختیار کاربر قرار میدهد، استفاده ازآن نیز کار تقریباً پیچیده ای نمی باشد. پیچیده ترین مسائل سازهای و غیرسازهای را میتوان به سادهترین شکل ممکن در آباکوس مدل کرد. در اغلب مدلسازی ها، کاربر تنها دادههای مهندسی نظیر هندسه شکل مورد مدلسازی، ابعاد و اندازه، جنس مصالح و شرایط مرزی و بارگذاری را تعیین میکند.
در طراحی با نرم افزار آباکوس باید دقت داشت این نرم افزار فارغ از بُعد میباشد و خودمان باید حین طراحی، یکاها و ابعاد مدّنظر را به درستی وارد کنیم تا از بهوقوع پیوستن اشکالات و نیز رخدادن خطاها بپرهیزیم.
لازم به توضیح است که مبنای کار نرم افزار ABAQUS بهصورت روش اجزای محدود1 میباشد و با استفاده از تعیین شرایط مرزی و گرهها، طراحی را انجام میدهد.
-2 صحت سنجی تیر مدلسازی شده
تیر مورد بررسی در این مقاله دارای بتن، کامپوزیت GFRP و فولاد ST37 میباشد که توسط گروف تحقیقاتی فام ساخته شده است.14[]بتن موجود در قسمت دال دارای 3350 میلیمتر طول، 254 میلیمتر پهنا و 610 میلیمتر ضخامت میباشد. صفحه فولادی بهکاررفته در قسمت زیرین بتن که دارای برشگیر نیز میباشد، همانند پروفیل بتنی موجود در قسمت فوقانی تیر دارای 3350 میلیمتر طول، 254 میلیمتر پهنا و 610 میلیمتر ارتفاع میباشد که از هر طرف به اندازه 10 میلیمتر بتن دال را محصور کردهاست. همانطور که ذکر شد ماده کامپوزیتی به کار رفته در این مدلسازی از جنس الیاف شیشه بوده و به شکل ذوزنقهای رو به پایین در قسمت زیرین تیر نصب شدهاست. اصطکاک بین بتن و فولاد بهصورت بدون اصطکاک2تعریف شده است.
در کار انجام شده با فرض ثابت بودن تمام پارامترها، تنها مقاومت بتن موجود در قسمت فوقانی تیر تغییر کردهاست که در ادامه به بررسی هریک از مقادیر این پارامتر پرداخته میشود. تیر مدلسازی شده در شکل 1 آورده شده است.
لازم به توضیح است که دلیل استفاده از محصور شدگی ذوزنقه ای رو به پایین این است که با وجود این مقطع، جایگاه تار خنثی تیر پایین تر آمده و نیز باعث می شود که قسمت فوقانی تیر بیشتر در ناحیه فشاری قرار گیرد؛ به طوری که این ناحیهکلاً شامل قسمت پروفیل بتنی و فولادی می باشد.
