بخشی از مقاله
خلاصه
کامپوزیتهای پلیمری - FRP - با توجه به خواص بسیار مطلوبشان ازجمله نرخ بالای مقاومت به وزن، مقاومت مناسب در برابر سایش، خاصیت میرایی، افزایش بعد حرارتی کنترلشده، طبیعت الکترومغناطیسی و نیز قابلیت استفاده از آنها در هنگام کاربری سازه بدون افزایش قابلتوجه در ابعاد سازه خود را بهعنوان مصالحی بسیار مناسب برای مقاومسازی سازههای بتنی معرفی کردهاند. ز اینرو در این تحقیق ابتدا سعی شده است تا برای اطمینان از نحوه مدل سازی صحیح ستون های مدور و غیر مدور، بر اساس نمونه های معتبر آزمایشگاهی که تحت بار محوری خالص قرار گرفته اند، از نرم افزارآباکوس برای مدل سازی استفاده شود. در مش بندی حجم بتنی از المان مکعبی هشت گرهی - C3D8R - استفاده شد و برای لایه FRP از المان چهار گرهی - - S4R و برای میلگردها از المان دو گرهی - - T3D2 استفاده گردیدضمناً. برای مشخصات بتن از مدل بتن پلاستیک آسیب دیده استفاده شده است . سپس تأثیر تعداد لایه ها و نوع دورپیچ - کامل و نیمه کامل - و نسبت ابعاد در شکل پذیری و ظرفیت باربری ستون مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین در پایان نتایج به دست آمده به صورت نمودار ارائه و با نتیج آزمایشگاهی مقایسه گردیده است. نتایج بدست آمده مطابقت خوبی را با کارهای آزمایشگاهی نشان داد
.1 مقدمه
امروزه تقویت و بهسازی سازههای موجود بخش اعظم فعالیتهای ساختمانی را به ویژه در کشورهای پیشرفته تشکیل می دهد. وجود ضعف اولیه در طراحی و اجرا، تغییر کاربری برخی سازه ها و افزایش بارهای وارده و همچنین کاهش سطح عملکرد سازه های بتن مسلح به علت گذشت زمان و زوال بتن از دلایل نیاز به بهسازی و تقویت سازه های بتن مسلح می باشند[1] از میان روش های مختلف مقاوم سازی، مقاومسازی به کمک فولاد به منظور بهبود مقاومت خمشی و برشی یک ستون بتن آرمه استفاده میشود؛ با این حال آرماتورهای فولادی در طول زمان دچار خوردگی شده و نیازمند نگهداری مستمر میباشند. با آنکه هزینه خرید مصالح فولادی تا حدی کم میباشد؛ اما نصب و نگهداری منظم آنها نیازمند استفاده از نیروی انسانی بوده و بنابراین گران تمام میشود[2]
درسال 1906میلادی نخستین مطالعات پیرامون تاثیرمحصورشدن بتن دربهبودباربری آن توسط کنسایدر صورت پذیرفت[3] همچنین در اواخر دهه 1970 میلادی اولین تلاشها جهت مقاومسازی اعضای بتنی به وسیلهی پوستههای غیر فلزی صورت گرفت. لولههای پلاستیک تجاری - PVC - به وسیلهی کورت در سال 1978 مورد استفاده قرار گرفت که بتن داخل آن ریخته می شد. نتایج حاکی از بهبود اندک مقاومت به علت محصورشدگی بود، اما پلاستیک ها مواد قوی و سختی نبودند [4] راه حل بهتر برای مقاومسازی این ستونها، استفاده از کامپوزیتهای FRP میباشد.که مانند میلگردهای عرضی عمل کرده و باعث ایجاد فشار محصور شدگی در بتن و افزایش مقاومت آن میگردند. این روش که در آن صفحات FRP در جهت عرضی به دور عضو بتنییچیدهپ میشوند اصطلاحاً محصور سازی نامیده میشود و باعث تغییر رفتار بتن و در نتیجه تغییر رفتار سازه میگردد [5] محصورسازی اجزا بتن مسلح با پوشش پیرامونی FRP باعث بهبود رفتارتنش- کرنش بتن و افزایش مقاومت، سختی و کرنش نهایی آن می گرددکه درنهایت باعث بهبود عملکرد لرزه ای سازه خواهد شد.
اولین ایده استفاده از کامپوزیتها برای محصورکنندگی در سال 1982 توسط فردیس و خلیلی داده شد. آنها با ایجاد محصورکنندگی توسط فایبرگلاس و انجام آزمایشهایی بر روی نمونهها، مدلی برای منحنی تنش -کرنش ارائه کردند که بر مبنای مدل ریچارد بود. فردیس و خلیلی تابع هیپربولیکی بر مبنای دادههای آزمایشی محدود بر روی استوانههای بتنی دورپیچ شده با الیاف دو محوره FRP تحت بار فشاری تک محوره را پیشنهاد دادند[6] در سال 1999 لی و همکاران با استفاده از سه نمونه قاب بتنی با مقیاس واقعی اثر FRP در اتصالات داخلی را با استفاده از بارگذاری استاتیکی مورد بررسی قرار دادند. نمودارهای نیرو-تغییر مکان از افزایش مقاوت و ظرفیت باربری به اندازهی 45 درصد در نمونهی تقویت شده با FRP نسبت به نمونههای تقویت نشده حکایت دارد[7] گرگلی و همکارانش در سال 2000 طی یک طرح تحقیقاتی 14 نمونه از اتصالات T شکل را در مقیاس یک سوم با استفاده از چسپاندن خارجی ورقهای CFRP مقاومسازی کرده و مورد بارگذاری قرار دادند هدف از این آزمایش بهبود مقاومت برشی و شکلپذیری در این اتصالات بود. آنها دریافتند که ورقهای پلیمری هنگامی بهترین عملکرد را دارند که به صورت مایل و 45 درجه در صفحهی اصلی اتصال نصب شوند[8]
آنتروپولوس و تراین تفیلو در سال 2003 میلادی 18 نمونه از اتصالات T شکل در مقیاس .دو سوم در قابهای بتن مسلح را مورد آزمایش قرار دادند. آنها نقش پارامترهای گوناگون از قبیل نسبت میلگردها، توزیع FRP و بارمحوری ستون و میلگردهای داخل اتصالات را مورد بررسی قرار دادند همچنین نشان دادند که با مهار مکانیکی FRP میتوان از حداکثر ظرفیت FRP برای مقاومسازی بهره گرفت و از جداشدگی قبل از موقع ورقها جلوگیری نمود[9] شاوو و همکارانش 2005 با استفاده از جواب هیسترزیس، پس از به دست آوردن تأثیرات پارامترهای مختلف بر روی CFFTو مقایسه مابینCFFT ، RCو CFST به این نتیجه رسیدند که در سازههای مورد بررسی مواد دارای FRP در پاسخ هیسترزیسی خود همواره بهتر از موارد همتای خود عمل میکنند، [10] سنز در سال 2007 مدل آنالیزی را که در آن به طور مشخصی اثر محصورشدگی جاکتهای FRP را روی مقاومت برشی اتصالات مقاومسازی شده نشان میداد، ارائه کرد[11]
سپس لی و همکارانش 2009 در نتیجهگیری اعلام کردند که در اکثر مواقع تنش فشاری تسلیم نمونه بهصورت خطی با افزایش ضخامت FRP افزایش مییابد[12] چاستری و سیلوا 2010 با استفاده از آزمایشهای فراوان و تجزیهوتحلیل تنش و کرنشهای وارده بر سیستم دریافتند که با استفاده از طراحی درست و اجرای مناسب مواد FRP بر روی بتن میتوان بیشینهی تنش و کرنش مجاز را زیاد کرد[13] علاوه بر این یافته های پلگرینو و مودنا 2010 نشان داد که در اکثر مواقع در نمونههای آزمایشگاهی تنش بیشینه باعث شکست در سیستم نمیگردد. ایشان علت شکست در سیستم را وجود نقاطی که ازنظر اجرا و ساخت مشکل داشته، و باعث بروز تمرکز تنش میشدند، اعلام کردند[14] حمید و همکارانش 2013 اتصالات یک قاب بتنی را با استفاده از ورقهای CFRP و ورقهای فولادی مقاومسازی کردند. آنها ابتدا نمونه را تا یک درصد دریفت مورد بارگذاری رفت و برگشتی قرار دادند. پس از ایجاد گسیختگی در نمونه و ایجاد ترک در اتصالات نمونه را با روش اشاره شده مقاومسازی کرده وتا 1/75 دریفت مورد بارگذاری مجدد قرار دادند. آنها ستون را با ورقهای الیاف پلیمری دورپیچ کرده و به دو طرف تیر صفحات فولادی اضافه کردند. نتایج آزمایش از بهبود شکل پذیری، افزایش ضرایب اتلاف انرژی، افزایش مقاومت جانبی و افزایش سختی الاستیک نمونه حکایت می کرد[15]
هو و سراچینو در سال 2013 با استفاده آزمایشهای بسیار بر روی نمونهها و مطالعات پیشین انجامشده، موفق به پیشبینی حداکثر تنش و کرنش شدند - . - 13 متأسفانه مدل آنها توانایی پیشبینی تنش و کرنش نهایی برای مواد یکنواخت را نداشت. در نهایت شیرمحمدی و همکاران 2015 برای توسعه مدلشان برای یک بخش بتن محصورشده توسط FRPو فولاد عرضی، تطبیق پذیری بیشتر و دقت در پیش بینی عملکرد، به خصوص شرایط شکست نهایی، مقاومت نهایی، و به طور کلی پاسخ تنش-کرنش در مقایسه با مدل های موجود را نشان دادند[16] با توجه به اهمیتی که استفاده از سازههای بتنیدر سواحل، خصوصاً اسکلهها، سازههای دریایی و میدانهای اکتشاف نفت و گاز پیداکرده، نیاز به استفاده از سازه بتنی بادوام در برابر خوردگی که بتواند عمر مفید موردنیاز در این سازهها را تأمین کند، بهشدت احساس میشود. همچنین به دلیل دانش فنی بسیار بالا این تکنولوژی شرکتهای مطرح در این زمینهی راضی به انتقال این تکنولوژی به کشورهای دیگر نیستند. درنتیجه بایستی در ابتدا شبیهسازی و تخمینهای درستی در این زمینهی انجام شود و سپس به دنبال نمونههای آزمایشگاهی بود.
.2 مدل اجزای محدود
برای مدلسازی بتن از المان هشت گرهای C3D8R استفادهشده، برای میلگردهای طولی و عرضی از المان خرپایی T3D2 و برای مدلسازی الیاف پلیمری از المان S4R که از خانواده المانهای پوسته ای میباشد، استفادهشده است. برای اینکه تماس بین آرماتورهای طولی و عرضی با بتن را تعریف کنیم از قید مدفون بودن آرماتورها استفاده میکنیم. این قید به کاربر این امکان را میدهد که ناحیهای را بهعنوان میزبان و ناحیهای را بهعنوان مدفون تعریف نماید که در آن ناحیه مدفون در کل یا ناحیه از مدل قرار دارد. این قید برای مدلسازی سازههای بتن مسلح با جزئیات زیاد استفاده میشود؛ که در این تحقیق آرماتورها از نوع مدفون بودن آرماتورها و بتن از نوع میزبان معرفیشده است. برای مدل کردن رفتار بتن محصور از مدل بتن پلاستیک آسیبدیده استفادهشده است. در استفاده از این مدل لازم است منحنی تنش-کرنش فشاری و کششی بتن تعریف شود که این کار قبلاً توسط نویسنده انجام شده است. ضریب پواسن بتن 0,2 و مدول الاستیسیته آن برابر می باشد. تحت کشش تک محوره پاسخ تنش-کرنش از یک رابطه الاستیک خطی تا مقدار تنش گسیختگی - to - پیروی می کند. تنش گسیختگی در لحظه شروع میکروترک های بتن محاسبه می شود. تحت فشار تک محوره پاسخ تا نقطه تسلیم اولیه co به صورت خطی می باشد. در محدوده پلاستیک ، پاسخ عموماً به وسیله سخت کنندگی تنش مشخص می شود و
