بخشی از مقاله
چکیده
اکثر تیرهای مورد استفاده در پلها از نوع بتن مسلح بوده که وزن زیادی داشته، مقاومتشان در قبال خوردگی تا حدودی پائین بوده و امکان اجرای آنها به صورت پیشساخته وجود ندارد. برای از بین بردن ضعف تیرهای بتن مسلح راهحلهای مختلفی ارائه شده که یکی از آنها استفاده از سیستم ترکیبی متشکل از مصالح متداول نظیر بتن و فولاد به همراه صفحات FRP میباشد که تحت عنوان تیرهای کامپوزیتی نیز شناخته میشود. تحقیق حاضر به بررسی تیر کامپوزیتی متشکل از مقطع Hat-Shape و دال بتنی اختصاص یافته است. با استفاده از روش اجزا محدود و تحلیل استاتیکی غیرخطی رفتار این تیر مورد ارزیابی قرار گرفته و با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه و پس از حصول اطمینان از صحتِ مدلسازی تیر کامپوزیتی، تغییر پارامترهای مختلف نظیر به کارگیری فولاد در دال بتنی، تغییر زاویه جان مقطع Hat-Shape، مقایسه عملکرد تیر کامپوزیتی با تیر بتن مسلح، تغییر جنس مقطع Hat-Shape و صفحه GFRP به فولاد و آلومینیوم صورت پذیرفته است.
نتایج حاصل از مطالعات عددی نشان میدهد که رفتار این نوع از تیرهای کامپوزیتی را میتوان بدون انجام آزمایشهای هزینهبر و به کمک روشهای عددی برآورد نمود. مسلح نمودن دال بتنی سبب ارتقاء ظرفیت باربری تیر کامپوزیتی به میزان 45 درصد شده است. تغییر زاویه جان مقطع Hat-Shape تأثیر چندانی بر عملکرد تیر نداشته و تغییر جنس مصالح از GFRP به آلومینیوم سبب افزایش نسبت ظرفیت باربری به وزن سازه به میزان 51 درصد شده است. اکثر تیرهای مورد استفاده در پلها از نوع بتن مسلح بوده که وزن زیادی داشته، مقاومتشان در قبال خوردگی تا حدودی پائین بوده و امکان اجرای آنها به صورت پیشساخته وجود ندارد. برای از بین بردن ضعف تیرهای بتن مسلح راهحلهای مختلفی ارائه شده که یکی از آنها استفاده از سیستم ترکیبی متشکل از مصالح متداول نظیر بتن و فولاد به همراه صفحات FRP میباشد که تحت عنوان تیرهای کامپوزیتی نیز شناخته میشود.
تحقیق حاضر به بررسی تیر کامپوزیتی متشکل از مقطع Hat-Shape و دال بتنی اختصاص یافته است. با استفاده از روش اجزا محدود و تحلیل استاتیکی غیرخطی رفتار این تیر مورد ارزیابی قرار گرفته و با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه و پس از حصول اطمینان از صحتِ مدلسازی تیر کامپوزیتی، تغییر پارامترهای مختلف نظیر به کارگیری فولاد در دال بتنی، تغییر زاویه جان مقطع Hat-Shape، مقایسه عملکرد تیر کامپوزیتی با تیر بتن مسلح، تغییر جنس مقطع Hat-Shape و صفحه GFRP به فولاد و آلومینیوم صورت پذیرفته است. نتایج حاصل از مطالعات عددی نشان میدهد که رفتار این نوع از تیرهای کامپوزیتی را میتوان بدون انجام آزمایشهای هزینهبر و به کمک روشهای عددی برآورد نمود. مسلح نمودن دال بتنی سبب ارتقاء ظرفیت باربری تیر کامپوزیتی به میزان 45 درصد شده است. تغییر زاویه جان مقطع Hat-Shape تأثیر چندانی بر عملکرد تیر نداشته و تغییر جنس مصالح از GFRP به آلومینیوم سبب افزایش نسبت ظرفیت باربری به وزن سازه به میزان 51 درصد شده است.
-1 مقدمه
یکی از عوامل مهم در ساخت پلها، کاهش وزن تیرها و عرشهها و افزایش سرعت ساخت آنها میباشد. در صورت اجرای تیرها به صورت پیش ساخته، زمان احداث پل و مشکلات مربوط به اجرای آن میتواند تا اندازهی زیادی کاهش یابد. اجرای عرشههای بتن مسلح به صورت پیش ساخته به علت وزن و ضخامت زیاد آنها امکان پذیر نمیباشد 1]و.[2 عرشههای بتنی- پروفیل فولادی وزن و ضخامت کمتری نسبت به عرشههای بتن مسلح معمولی دارند، بنابراین میتوان آنها را در دهانههای بلندتری اجرا نمود. در این گونه عرشهها بتن و فولاد به گونهای در کنار هم قرار میگیرند که از ویژگیهای هر یک از مصالح، حداکثرِ استفاده بعمل آید 3]و.[4 علی رغم برتریهای فوق نسبت به عرشههای بتن مسلح، مقاومت این عرشهها در قبال خوردگی نسبت به برخی از عوامل محیطی پایینتر بوده و هزینههای تعمیر و نگهداری آنها بالا میباشد. به طور کلی با توجه به موقعیت قرارگیریِ تیرها و عرشهها در پلها در صورتی که مسئلهی خوردگی حائز اهمیت بوده و وزن عرشه نیز بسیار پایین باشد، میتوان از عرشههایی با مقاطعی از جنس FRP استفاده نمود.
عرشههای ساخته شده از FRP علاوه بر مقاومت بالا در برابر خوردگی و وزن کم به صورت پیشساخته نیز قابل اجرا میباشند. به منظور کاهش میزان مصرف FRP، این گونه عرشهها را میتوان به صورت چند سلولی با مقاطع مختلف مثلثی، ذوزنقهای، مربعی و غیره تولید نمود .[5] در دو دههی اخیر عرشهای کامپوزیتی که کاملاً از FRP ساخته میشوند، بسیار مورد توجه پژوهشگران و طراحان قرار گرفتهاند 6]، 7، 8 و.[9 قیمت اولیهی عرشهو تیرهایی که کاملاً از FRP ساخته میشوند، بسیار بالا بوده و کمانش زود هنگام جانِ اینگونه عرشهها آنها را در معرضِ ناپایداری قرار داده و از نقاط ضعف آنها محسوب میشود. FRP موجود در ناحیهی فشاری آنها نیز ممکن است دچار کمانشِ محلی و خردشدگی گردد. بنابراین محققان پیشنهاد میکنند که صفحات FRP به صورت ترکیب با مصالح متداول مانند بتن و فولاد به کار گرفته شود. ایده ترکیب FRP و بتن در اعضای خمشی سیستمهای سازهای اولین بار توسط هیلمن و موری در سال 1990 ارائه شد.
آنها از ترکیب مقاطع پیشساختهی FRP و بتن برای ساخت عرشه استفاده کردند، به گونهای که وزن عرشه نسبت به عرشههای بتنی بیش از 50 درصد کاهش یافته بود .[10] باکری و ساندر در سال 1990 عملکرد سازهای عرشه کامپوزیتی متشکل از پوستهای منحنی شکل از FRP که محفظهی داخلی آن با بتن پر شده را به روش اجزا محدود مورد ارزیابی قرار دادند .[11] سعیدی درسال 1994 مطالعات آزمایشگاهی و تحلیلی روی تیرهای ساخته شده از مقاطع CFRP با پوشش دال بتن مسلح را انجام داد. در نمونههای آزمایشگاهی از چسب اپوکسی برای اتصال بتن و CFRP استفاده شده است. ایشان نتیجه گرفتند که بهتر است علاوه بر چسب از برشگیرهایی برای افزایش عملکرد مرکب دال بتنی و CFRP استفاده شود .[12]
دسکویک و همکاران نیز در سال 1995 تیرهایی با مقطع مربعی از جنس GFRP ساختند که ناحیهی فشاری آنها با بتن پر شده و از یک لایه نازک CFRP در کشش استفاده شده بود. برشگیرهایی نیز بین بتن و مقطع GFRP قرار داده شده بود . آزمایشهای تجربی حاکی از عملکرد سازهای بسیار مناسب و هزینهی مقرون به صرفه این تیرها بودهاند .[13] کیتان و عارف در سال 2004 تیرهایی با مقطعِ ذوزنقهای از جنس GFRP ساخته و آزمایشهای خستگی و بارگذاری استاتیکی را بر روی آن انجام دادند. در تیرهای مورد بررسی از یک لایه بتن در ناحیهی فشاری استفاده شده به گونهای که با استفاده از این لایه تغییرشکلهای محلی تیر نسبت به تیرهایی که کاملاً از FRP ساخته شدند، کاهش یافته بودند .
[14] توماس کلر و همکاران در سال 2007 عملکرد تیر کامپوزیتی که شامل صفحهای از جنس FRP در ناحیه کششی، بتن سبک به عنوان هسته و یک لایه بتن با مقاومت بالا در ناحیه فشاری بوده را به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار دادند. برشگیرهای T شکلی روی صفحه FRP قرار داده شده بود و در برخی از نمونهها سطح صفحه FRP و برشگیرها آغشته به چسب اپوکسی نیز شده بود. گسیختگی نمونههای حاوی چسب به صورت ناگهانی، ترد و شکننده بوده و نمونه بدون چسب نیز رفتاری کاملاً شکلپذیر را نشان دادهاند. از طرفی وزن نمونهها حدود 46 درصد وزن تیرهای بتنی معمولی با ضخامت یکسان بودهاند .[15] عملکرد تیر کامپوزیتی با مقطع U شکل و هسته توخالی داخلی از جنس HPTRCC و بتن توسط ساتر و همکاران در سال 2014 به صورت تحلیلی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت.
در ناحیه تحتانیِ مقطعِ Uشکل و مقطع توخالیِ داخلی از یک لایه CFRPاستفاده شده و از بتنی با مقاومت بالا برای پر کردن مقطع U شکل و از بتنی با سختی و مدول الاستیسیته بالا نیز برای پر کردن ناحیه فوقانیِ المان داخلی استفاده شده بود. وزن تیر کامپوزیتی حدود 28 درصد کمتر از وزن تیر بتن مسلح متداول بوده و ظرفیت باربریِ آن نیز حدود 87درصد بیشتر از تیر بتن مسلحِ متداول میباشد .[16]
همانطوری که پیشتر بیان شد، اکثر مطالعاتی که پیرامون تیرهای کامپوزیتی صورت پذیرفته به صورت آزمایشگاهی میباشد. به دلیلِ هزینههای بالایِ مطالعاتِ آزمایشگاهی و زمانبر بودن آنها، استفاده از روشِ اجزای محدود برای بررسیِ رفتار این نوع سازهها پیشنهاد شده تا بتوان با برآورد دقیقتری هزینههای انجام آزمایش را کاهش داد. هدف اصلی تحقیق حاضر مدلسازی عددی تیر کامپوزیتی با استفاده از روشِ اجزای محدود و مقایسه نتایجِ حاصل از مدلهای عددی با نتایجِ آزمایشگاهیِ انجام شده توسط دیگر محققین میباشد به گونهای که بتوان با تشخیص پارامترهای مؤثر، رفتار این نوع از تیرها را بدون انجام آزمایشهای هزینهبر و به کمک روشهای عددی برآورد نمود.
-2 مدلسازی تیر کامپوزیتی
ه منظور تحلیل تیرهای کامپوزیتی به روش عددیِ اجزا محدود، ابتدا مدلی از تیر کامپوزیتی که نمونهی آزمایشگاهیِ آن توسط فم و همکاران [17] اجرا و تحت بار استاتیکی مورد آزمایش قرار گرفته بود تهیه و پس از مقایسهی نتایج عددیِ این تحقیق و نتایج آزمایشگاهیِ مذکور و اطمینان از صحتِ مدل عددی، نتایج حاصل برای سایر حالاتِ حلیلِ عددی ارائه میگردد.
