مقاله تحلیل عددی تاثیر آتش بر روی قاب بتنی مسلح به میلگردهای FRP و فولادی

بخشی از مقاله

خلاصه

با ورود مصالح جدید به صنعت ساختمان این مصالح پس از تحقیق و بررسی از نظر ویژگیهای مختلف به تدریج در قسمت های مختلف سازه به کار گرفته میشوند. FRP از جمله این مواد است که کاربرد آن برای ساخت میلگرد و تسلیح اعضای بتنی مورد بررسی قرار گرفتهاست. یکی از پارامترهای تحقیق در مورد اعضای بتنی مسلح شده به میلگردهای غیر فولادی یا مسلح به ترکیبی از میلگردهای فولادی و غیر فولادی، مقدار زمان مقاومت این اعضا در برابر آتش است. در این مقاله هدف اصلی تعیین زمان رسیدن به تغییر مکان بحرانی تیر در قاب بتنی مسلح به FRP و نسبتهای مختلف میلگرد FRP و فولاد و مقایسه با قاب بتن مسلح به فولاد در حالتی است که این قاب ها تحت اثر توام بار ثقلی و آتش قرار دارند. برای این منظور از نرمافزار اجزای محدود ABAQUS استفاده شدهاست. مدل مورد بررسی یک قاب بتنی یک دهانه یک طبقه است این قاب با میلگردهای فولادی، FRP و نسبتهایی از این دو مسلح شده و روند مدلسازی صحتسنجی و کنترل شدهاست. بر اساس نتایج بدستآمده با توجه به نوع FRP مدلشده و ابعاد قاب و بار ثقلی وارده - معادل %58 ظرفیت خمشی تیر قاب با میلگرد فولاد - ، در قابهای بتنمسلح با نسبت میلگرد FRP به کل میلگردهای بین 25 تا %100 زمان شکست بین 38.5 تا %53 نسبت به قاب مسلح به میلگرد فولادی کاهشمییابد.

واژه های کلیدی: FRP، آتش سوزی ، قاب بتنی ، زمان شکست ، تغییر مکان وسط دهانه

.1 مقدمه

مطالعات انجام شده که روی ساختمانهای بتن مسلح تحت آتش صورت گرفته نشان از کاهش شدید خواص مکانیکی بتن نظیر مقاومت و سختی دارد که عمدتا به دلیل تجزیه زیر ساختار بتن در حرارت های بالا رخ میدهد، بررسی آتش سوزی از جهت سازه های خاص یا سازه های موجود در مناطق خاص اهمیت ویژه ای مییابد. به دلیل اهمیت مساله آتش سوزی در این زمینه آیین نامه ها و استانداردهای مختلفی تدوین شده است.

FRP مخفف Fiber reinforced polymer پلیمر تقویت شده با الیاف است

مواد FRP از دو بخش ساخته شده اند : الیاف و رزین ، بخش اصلی که بار را تحمل میکند الیاف هستند الیاف مقاوم و الاستیک هستند قطر آنها بین 5 تا 25 میکرون است .[1]

رزین ماده چسبنده است که وظیفه چسبانندگی الیاف به یکدیگر را بر عهده دارد و آن ها را کنار هم نگه میدارد البته رزین های دارای مقاومت پایین تاثیر خیلی زیادی بر خصوصیات مکانیکی FRP مانند مقاومت نهایی ندارد. [2]

در این مقاله مقاومت آرماتور FRP و تاثیر این نوع آرماتور بر مدت زمان مقاومت قاب مسلح به این آرماتورها در برابر آتش مورد بررسی قرار می گیرد، مقدار زمان مقاومت این نوع قاب ها برای ارزیابی یا طراحی در مناطق و کاربری هایی - مانند مقاومت در برابر خوردگی - که استفاده از این آرماتورها به عنوان گزینه قابل بررسی است بهویژه در کاربردهایی که مقاومت در برابر آتش اهمیت بیشتری دارد - مقاومت در برابر آتش یکی از پارامترهای ارزیابی است - میتواند مورد استفاده قرارگیرد.

.2 تحلیل ترمو مکانیک

برای تعیین پاسخ سازهای یک قاب بتنی در برابر آتش باید تحلیل ترمومکانیک صورت گیرد که شامل دو قسمت میباشد :

-1 تحلیل حرارتی سازه در آتش

-2 برآیند اثر بار وارده و اثر مکانیکی ناشی از حرارت و افزایش دمای مصالح قاب - تحلیل سازهای -

.2.1 تحلیل حرارتی

رفتار آتش

برای تعیین رفتار آتش از منحنی استاندارد [3] ISO834 استفاده شدهاست. این منحنی تغییر دمای گاز یا محیط آتش-سوزی در طول زمان آتش سوزی و رابطه دمای آتش نسبت به زمان را نشان میدهد.

شکل-1 منحنی استاندارد ISO834

انتقال حرارت آتش به سازه

انتقال حرارت از آتش به سازه و سطوح آن به دو روش صورت میگیرد :

-1 روش همرفت : گاز یا هوای گرمشده - مطابق با منحنی استاندارد - با سطوح سازه در تماس است و این تماس گرما و انرژی را به این سطوح منتقل میکند به این روش انتقال روش همرفت یا جابجایی حرارت گفته میشود.

-2 روش تابشی : همچنین نوع دیگر انتقال حرارت آتش انتقال حرارت تابشی است که در این انتقال امواج تابشی از منبع منتشر می شود و بخشی از آن جذب جسم می شود.[4]

انتقال حرارت آتش به سطح جسم برطبق رابطه زیر است :

h در این رابطه ضریب همرفت حرارتی و ضریب پخش مربوط به تابش است، این ضرایب برای سطوح و مواد مختلف مقادیر متفاوت دارند. معمولا برای بتن مقدار h برابر 25 و مقدار برابر 0.7 در نظر گرفته میشود.[5]

انتقال حرارت در سازه انتقال حرارت در سازه که جسمی جامد است به وسیله هدایت حرارتی - رسانش گرمایی - صورت میگیرد

رابطه شار حرارتی برای انتقال به روش هدایت حرارتی به صورت زیر است :

7    = اختلاف دمای دو نقطه از جسم    = h ضریب هدایت حرارتی

واحد ضریب هدایت حرارتی وات بر کلوین متر - W/m.K - میباشد .

سه روش برای ارزیابی پاسخ حرارتی سازه و محاسبه انتقال حرارت وجود دارد : -1 استفاده از نتایج آزمایشگاهی و دادههای موجود -2 مدل ساده انتقال حرارت -3 مدل پیشرفته انتقال حرارت - با روشهای اجرای محدود -

در این تحقیق از مدل پیشرفته انتقال حرارت با استفاده از روش اجزای محدود برای ارزیابی پاسخ حرارتی استفاده شده و با استفاده از نرمافزار اجزای محدود [6] ABAQUS این ارزیابی صورت گرفته است .

خصوصیات حرارتی مورد نیاز برای ارزیابی پاسخ حرارتی داخل مواد جامد عبارتند از : -1 ظرفیت گرمایی ویژه -2 چگالی -3 ضریب هدایت حرارتی

مقادیر برخی از این خصوصیات حرارتی با افزایش دما تغییر میکند و تغییرات خصوصیات ظرفیت گرمایی ویژه و ضریب هدایت حرارتی بتن نسبت به دما از جمله این موارد است که مقادیر آن در استاندارد [7] EN-1992-1-2 آمده است.

.2.2 پاسخ سازهای

پاسخ سازهای اثر توامان رفتار مکانیکی ناشی از بار وارده و تغییر رفتار مکانیکی ناشی از تغییر دمای قسمتهای مختلف قاب میباشد . یکی از روش های تعیین پاسخ سازهای استفاده از مدل پیشرفته محاسباتی است که توسط نرمافزار ABAQUS صورت میگیرد.