بخشی از مقاله
چکیده -
معمولترین روش مقاومسازی ستونها با FRP، محصور کردن محیط خارجی آنها است. محصور کنندگی برای اعضای فشاری موثر است و به منظور افزایش ظرفیت بار، یا افزایش شکلپذیری استفاده میشود. هدف اصلی در این تحقیق، بررسی خواص مکانیکی سوپرلمینت کربن در حیطه مقاومسازی ستونهای بتنی با سوپرلمینت کربن با استفاده از مدلسازی در نرمافزار ABAQUS میباشد. برای این منظور، ابتدا یک نمونه آزمایشگاهی موجود، عینا در نرمافزار ABAQUS مدلسازی شد؛ بدین ترتیب با مقایسه و نزدیک بودن نتایج نرمافزاری و آزمایشگاهی، صحت مدلسازی به اثبات رسید.
سپس با در نظر گرفتن متغیرهایی مانند جنس الیاف، جهت لایههای سوپرلمینت، دو نمونه تحلیلی تعریف و در نرمافزار ABAQUS مدلسازی شدند. یک نمونه ستون بدون تقویت، یک نمونه ستون محصور شده با ورق سوپرلمینت کربن در نظر گرفته شد. همچنین این نمونهها با لایههای سوپرلمینت در جهتهای 90،0،90 درجه تقویت شدند. نتایج بدست آمده از تحلیل مدلهای اجزای محدود این نمونهها نشان داد که استفاده از ورقههای سوپرلمینت کربن در مبحث مقاومسازی رفتار مکانیکی بهتری از خود بروز میدهند .
-1 مقدمه
با نصب فیبرهای پلیمری تقویت شده Fiber Reinforced - - Polymer/Plastic بر روی سطحهایی مانند: دالها ، تیرها، ستونها، دیوارهای حمال، شناژها و فوندانسیون میتوان از آنها به منظور ترمیم یا تقویت و بهسازی انواع سازههای بتنی استفاده کرد. در واقع میتوان گفت کهFRP از یک ماده کامپوزیتی تشکیل شده است که ترکیب آن از یک ماتریس و یک ماده تقویتکننده میباشد که به صورت الیاف است.
نسل جدیدی از FRP سوپرلمینتها هستند که متشکل از پارچه کربنی یا شیشهای است که با رزینهای اپوکسی یا پلیاستر کامپوزیت شدهاند و به صورت یک صفحه یکپارچه درآمدهاند. سوپرلمینت از خواص فیزیکی و مکانیکی فوقالعادهای برخوردار است که به هیچ وجه تناسبی با خواص الیاف پارچهای و رزین خالص ندارد. شناخت فرایند و درک چگونگی اثرگذاری شرایط عملیاتی و ویژگیهای منحصر به فرد هر نوع ماده مورد استفاده در این فرایند، بر روی خواص نهایی محصول بسیار حائز اهمیت است.
سوپرلمینت یک محصول دارای کاربردهایی متنوع در زمینه تعمیر و تقویت ستونهای خراب شده و خورده شده، ستونهای زیر آب، محصورسازی ستونهای زیر آب در منطقه جزر و مد میباشد و همچنین در ترمیم ستونهای بتنی پلها و اسکلهها و بناها پس از زلزله، طوفان و انفجار راهحلهایی را ارائه میدهد.
ژاکتهای پیش ساختهFRP در هندسههای مختلفی نظیر دایره، مستطیل، هشتضلعی و h شکل متناسب با نیازهای هر پروژه طراحی ساخته میشوند. این ژاکتها پس از آغشته شدن به اپوکسی مورد استفاده قرار میگیرند و در بعضی موارد میتوانند در ترکیب با سیستمهای قالبریزی شده - wet lay -up - مورد استفاده قرار گیرند.
شکل :1-1 لایههای مختلف تک ورقهای که میتواند به صورت ورقهای بر روی پارچه گنجانده شود
سوپرلمینتها توسط پروفسور احسانی در دانشگاه آریزونا برای تعمیر و تقویت فولاد، چدن، فلز موجدار، خاک رس، آجر، بتن، لولههای استوانهای پیشتنیده - Prestressed Concrete - Cylinder Pipe ، لولههای چوبی و مجراهای آب زیرزمینی با پلیمر تقویتشده با ورقههای الیاف کربن - Carbon Fiber - Reinforced Polymer و پلیمر تقویت شده با الیاف شیشه - Glass Fiber Reinforced Polymer - توسعه یافت.
سوپرلمینت با بالاترین کیفیت و کاهش زمان تعمیر به %80 برای مخازن و لولهها، ستونهای فولادی و بتنی استفاده میشود. ورقهها در کارخانه با بالاترین کیفیت ISO-9000 ساخته میشوند.
شکل :2-1 مواد سوپرلمینت
در سال2012، در پژوهشی قسمتهای مختلف اسکله را که شامل لولههای FRP پرشده با بتن بود را مورد بررسی قرار دادند. روش مورد استفاده در آن پژوهش مدلهای سهبعدی المان محدود غیرخطی بود که برای ارزیابی رفتار قسمتهای مختلف لولههای پیشتنیده تحت بارگذاری جانبی با استفاده از نرمافزار آباکوس آن را ارائه دادند.
نتایج به دست آمده از آن پژوهش نشان داد که مدل مورد استفاده، نسبت ابعاد لوله، اندازه قطر سطح مقطع، اندازه لوله و یکپارچگی اثرات قابلتوجهی بر عملکرد جانبی لوله دارد. در سال 2013، در مطالعهای رفتار مکانیکی از ستون کوتاه بتنی یکپارچه تقویتشده با CFRP را بر اساس روش المان محدود با کمک نرمافزار آباکوس استاندارد مورد بررسی قرار دادند.
در آن مطالعه عواملی همچون تعداد لایههای CFRP بر روی منحنی تنش-کرنش، خواص مکانیکی ستون کوتاه تقویتشده بتنی، اثر سطح مقطعهای مختلف، ارتفاع ستون بتن مسلح شده پوشانده شده با ورقههای CFRP خارجی، رفتار مکانیکی ستون کوتاه RC مورد تحلیل و بررسی قرار داده شد. نتایج پژوهش آنها نشان داد که یکپارچگی با CFRP اثر قابلتوجهی بر افزایش انعطافپذیری ستون کوتاه RC دارد و نیز از مقاومت نهایی خوبی برخوردار است. در واقع نشان میدهد که مقاومت نهایی و استحکام نهایی و منحنی تنش-کرنش پیشبینی شده با آنالیز غیر خطی المان محدود توافق خوبی با مطالعات انجام شده دارد.
در سال 2013 در پژوهشی شبیهسازی المان محدود ستونهای خرد شده فولادی پر شده با بتن را تحت فشار محوری مورد بررسی قرار گرفت. در آن مطالعه با جمعآوری اطلاعات تجربی برای توسعه یک مدل اجزا محدود جدید در شبیهسازی ستونهای خردشده تحتفشار محوری به نتایج زیر دست یافتند. مقایسه پیشبینیها از مدل اجزا محدود جدید با دادههای آزمایشگاهی جمعآوری شده نشان میدهد که مدل جدید متنوعتر و دقیقتر در شبیهسازی ستونهای خرد شده Concrete-Filled Steel Tubular عمل میکند و این مدل برای استفاده در ستونهای CFST با مقاومت بالای بتن و یا لولههای دیوارهای نازک نیز کاربرد دارد.
در سال2014 در پژوهشی مدلسازی چهارچوب ساده و کارآمد المان محدود را که قادر به دقت شبیهسازی پاسخ غیرخطی از ستونهای بتنی که با پلیمرهای الیافی تقویتشده یکپارچه شدهاند مورد بررسی قرار گرفت. این چهارچوب با استفاده از فرمول مبتنی بر نیرو و گسستهسازی بخش الیاف بود. مدلهای ساختاری پیشرفته مواد برای توصیف رفتار غیرخطی از تنش- کرنش فولاد، بتن یکپارچه نشده، بتن یکپارچهشده با فولاد و بتن یکپارچهشده با FRP فراگرفته شد. آنها به این نتیجه رسیدند که نتایج شبیهسازی عددی در توافق بسیار خوبی با اندازهگیریهای تجربی از نظر پیک استحکام و پاسخهای نیروی جابهجایی است.
از این رو در این پژوهش سعی بر این است تا با مدلسازی ریاضی المان محدود، قادر به پیشبینی خواص مکانیکی ستونهای پوشیده شده با سوپرلمینت کربن باشیم.
-2 مدلسازی و تعریف مشخصات مصالح
بررسی کمانش - Buckling - قطعات در طراحی وسایل مختلف دارای اهمیت است. به طور کلی دو روش خطی و غیر خطی برای محاسبه بار کمانش در نرم افزار آباکوس - Abaqus - موجود است. در روش خطی با استفاده از فرکانس های طبیعی مقدار بار کمانش - Buckling - مودهای مختلف سازه محاسبه می شود و معمولا بار کمانش پیش بینی شده توسط این روش بیشتر از بار واقعی است. روش غیرخطی، روش دقیق تری بوده که در نرم افزار - Abaqus - امکان تعریف نقص هندسی نیز در این روش وجود داشته و به روش Static Riks بار کمانش محاسبه می گردد. در این روش، بار اعمالی به صورت خطی افزایش یافته تا قطعه دچار کمانش گردد.
در این پژوهش بار کمانش تیوپ پر شده از بتن که کاربرد آن در ستون ساختمان ها و یا پل ها می تواند باشد توسط نرم افزار آباکوس - Abaqus - و به روش غیر خطی محاسبه می گردد و نتایج حاصل از جمله نمودار تغییر شکل و نیرو با نتایج آزمایشگاهی مقایسه می شود. در شبیه سازی صورت گرفته نقص هندسی - Imperfection - در نظر گرفته شده و به صورت ضریبی از شکل مودهای مختلف به قطعه نسبت داده شده است. مدل بتن با استفاده از مدل پلاستیک و شکست Concrete Damage Plasticity در نرم افزار آباکوس مدل سازی گردیده است. جنس تیوپ اطراف بتن از فلز استیل بوده که خواص الاستیک و پلاستیک آن در نظر گرفته شده است.
در این تحقیق اثرات بار محوری بر یک استوانه بتنی به همراه سوپرلمینت کربن که برای تقویت این استوانه بتنی میباشد مورد بررسی قرار گرفته است و تمرکز اصلی آن بر موضوع رفتار کلی سازه قبل و بعد از ترک خوردگی بتن، حداکثر جابجایی سازه، حداکثر تنشهای عمودی در سازه و مقایسه نتایج با استوانه تقویت نشده با استوانه تقویت شده با ورقههای سوپرلمینت در شرایط مشابه بارگذاری میباشد.
استوانه بتنی که در شکل - 3- 1 - و پوسته سوپرلمینتی کربن در 10لایه و هر لایه به ضخامت 0/1میلیمتر با زوایای90,0,90 برای تقویت آن استوانه در شکل - - 4-1 مشاهده میشود، موضوع مطالعه میباشد. در این مطالعه به طور کلی 2 استوانه با شکل و ابعاد یکسان در فضای سهبعدی مدلسازی میگردد. ابتدا هندسه مسئله در نرم افزار تعریف میشود. برای این منظور یک استوانه با توجه به مشخصات ارائه شده در جدول - - 1-1 مدلسازی میگردد.
مشخصات مکانیکی مصالح مورد استفاده در طراحی در جدول - - 2-1 آورده شده است 7]،[8 . انتخاب سازه به صورت سهبعدی امکان تحلیل دقیق و بررسی بهتر سازه در سه بعد را فراهم میسازد که در این حالت رفتار سازه به واقعیت نزدیک بوده و امکان پیش بینی صحیحتری از رفتار سازه میسر میشود. این مدلسازی در دو سناریو برای استوانه بتنی، استوانه بتنی تقویت شده با سوپرلمینت کربن انجام شده است.
این استوانه ها از دو جز تشکیل گردیدهاند که با توجه به رفتار خطی متفاوت بتن تقویت شده با سوپرلمینت کربن، پیش بینی رفتار این اعضا ناهمگن بسیار مشکل است. علاوه بر این باید اندرکنش میان بتن و پوسته را در نظر گرفت که خود این دو ماده در زمان اجرا تشکیل یک قاب ناهمگن میدهند، که پیچیدگی مدلسازی رفتار ماده را دو چندان میکند.
شکل:3-1 استوانه بتنی شبیهسازی شده در نرم افزار
