بخشی از مقاله
چکیده
تیرهای چوبی چند لایهی چسبی یکی از محصولات چوب میباشد که نگرانی اصلی برای استفاده از این تیرها در بحث مقاومت، سختی و شکست آنها مطرح میگردد. پیشنهاد ارائه شده جهت بهبود رفتار تیرهای مذکور، استفاده از کامپوزیتهای FRP میباشد. در این تحقیق سعی بر آن است که تاثیر ضخامت و طول نوارهای FRP مورد استفاده جهت مقاوم سازی بر رفتار تیرهای چند لایهی چسبی مورد مطالعه قرارگیرد. نمونههای مورد بررسی متشکل از 5 لایه چوب با جنس و ابعاد یکسان بوده که با استفاده از نوارهای FRP مقاوم سازی شدهاند. نمونهها تحت بار متمرکز یکنوا قرار داشته و در نرمافزار المان محدود مدل سازی شدهاند. نتایج نشان میدهد که این نوارها با تاثیر بر رفتار مکانیکی تیرها باعث افزایش مقاومت خمشی نهایی تیرها خواهند شد.
-1 مقدمه
الوارهای بریده شده دارای نقصهای ذاتی هستند که در زمانی رشد آنها ایجاد میشود. در تیرهای چند لایه این نقصها در قسمتهای مختلف تیر پراکنده شده و تاثیر کمتری در مشخصات مکانیکی تیرها دارند. مطالعات نشان میدهد که تیرهای چندلایه تحت تاثیر نقصهای ذاتی چوب قرار نمیگیرند و این امر باعث افزایش مشخصات مکانیکی تیرها نسبت به الوارهای بریده خواهد شد. در سالهای اخیر مطالعات زیادی جهت بالا بردن مشخصات مکانیکی تیرهای چوبی چند لایهی چسبی انجام گرفته است. به نظر میرسد که مقاوم سازی با استفاده از نوارهای 1 FRPبه این مهم جامهی عمل میپوشاند. بنابراین استفاده از FRP میتواند یک راه حل موثر، بادوام و از لحاظ اقتصادی به صرفه برای تقویت تیرهای چند لایهی چسبی، بدون افزودن هیچ وزن قابل ملاحظه به ساختار در نظر گرفته شود.
تاکنون تحقیقات زیادی در زمینهی تقویت اعضای سازهای چوبی چند لایهی چسبی با استفاده از کامپوزیتهای FRP صورت گرفته است. در سال 2013 عثمان نژاد و همکاران [1] به بررسی مقاومت خمشی تیرهای چوبی پرداختند. آزمایشات نشان داد که لایههای GFRP با تاثیر بر رفتار مکانیکی تیرها باعث افزایش مدول الاستیسیته و همچنین مقاومت خمشی نهایی تیرها شدند.
گارسیا و همکاران [2] در سال 2013 مطالعهای مبتنی بر دادههای آزمایشگاهی بدست آمده، با استفاده از آزمایشهای خمش تیرهای چوبی کاج تقویت شده با کامپوزیتها را انجام دادند. برای بالا بردن کیفیت مقاوم سازی یانگ و همکاران [3] سال 2013، یک برنامه برای تقویت تیرهای چوبی با استفاده از الیاف دوگانه FRP پیشنهاد دادند. نتایج آزمایش نشان داد که مقاوم سازی با الیاف دوگانه بطور قابل ملاحظهای باعث افزایش شکل پذیری و همچنین افزایش ظرفیت لنگر تیرها با کمترین هزینه خواهد شد. کیم و هری [4] در سال 2010، برای مشخص کردن رفتار تیرهای مقاوم سازی شده با CFRP یک آنالیز المان محدود سه جهته را فرموله کردند.
برای بررسی مقاوم سازی با استفاده از الیاف طبیعی همچون بازالت، بامبو، کنف، کتان که به شکل پارچه درآمدهاند بوری و همکاران [5] در سال 2013 یک برنامهی آزمایشی شامل سه فاز را راه اندازی کردند. کروز و همکاران [6] در سال 2012، با هدف تعیین ویژگیهای محل اتصال چوبهای چند لایهی چسبی با نوارهای CFRP یک برنامهی آزمایشی ترتیب دادند. در سال 2012 فاوا و همکاران [7] طی یک برنامهی آزمایشگاهی ویژگی های محل اتصال FRP و گلولام را مورد بررسی قرار داده و به مقایسه ی نتایج حاصل از آنالیز های انجام شده به صورت عددی و تحلیلی پرداختند. مقایسههای صورت گرفته بین نتایج حاصل از آزمایش و بررسیهای المان محدود نشان داد که دقت محاسبات عددی - المان محدود - به میزان کافی بالا بوده و میتوان از آن برای طراحی استفاده کرد.
هدف از انجام این مقاله بررسی تاثیر طول و ضخامت نوارهای FRP بر رفتار تیرهای چوبی چند لایهی چسبی میباشد. به این منظور ابتدا مدل آزمایشگاهی [8] و المان محدود [9] بررسی شده توسط رفتری و هرت در نرم افزار المان محدود [10] ANSYS مدل سازی شده و سپس مدلهای ایجاد شده با نتایج حاصل از کار رفتری و هرت صحت سنجی شده است.
-2 برنامهی آزمایشگاهی مرجع
نمونههای مورد بررسی توسط رفتری و هرت [8] و [9] در شکل 1 نشان داده شده است. نمونههای مورد بررسی متشکل از پنج لایه چوب با ضخامت 38 mm و طول دهانهی تیر مورد بررسی 3/420 m بود. دسته بندی نمونهها در جدول 1 نشان داده شده است. آنها طی برنامهی آزمایشگاهی نمونهها را تحت خمش چهارنقطهای قرار دادند.
شکل :1 پیکر بندی آزمایش
جدول :1 تقسیم بندی نمونهها
-3 خصوصیات مصالح
برای ساخت تیرهای مورد بررسی در برنامهی آزمایشگاهی از چوب صنوبر ایرلندی با درجهی C16 استفاده کردند. رطوبت تخمین زدهی تختهها % 12 و چگالی آنها 390 kN/m3 گزارش شد. اطلاعات مورد نیاز جهت تعریف چوب در نرم افزار، در ناحیهی خطی و غیر خطی، را بر اساس نمودار تنش-کرنش چوب - شکل - 2 به صورت جدول 2 و 3 ارائه دادند.
شکل :2 نمودار تنش-کرنش چوب در سه محور متعامد
جدول :2 مشخصات فشاری الاستیک- پلاستیک چوب در سه محور
جدول :3 مشخصات فشاری الاستیک- پلاستیک چوب در سه صفحهی برشی
مصالح FRP مورد استفاده در برنامهی آزمایشگاهی متشکل از الیاف شیشه در یک ماتریس مهندسی ترموپلاستیک پلی-اورتان بود. این صفحات شامل دولایه FRP با ضخامت 1/2 mm و عرض 96 mm بود، که برای اتصال آنها از چسب استفاده کردند.
جدول :4 مشخصات FRP مورد استفاده
با توجه به شرایط اعمال بار که به صورت متمرکز نقطهای بر تیر وارد میشود، این امر باعث ایجاد تمرکز تنش و شکست زود هنگام تیر میشود. به منظور جلوگیری از تمرکز تنش در محل تکیهگاهها و محل بارگذاری ورقهای فولادی به ضخامت 10 mm در محل تکیهگاهها و محل اعمال بار مدل سازی نمودند. این ورق که از جنس PTFE بود دارای مدول الاستیسیته برابر 1/5 GPaو ضریب پواسون 0/41 میباشد.
