بخشی از مقاله
چکیده
خوردگی آرماتورهای تعبیه شده در بتن، به عنوان یکی از عوامل تهدید کنندهی دوام و پایداری سازههای بتن مسلح، در محیطهای خورنده همچون محیطهای دریایی میباشد. با مطالعهی مکانیزم خوردگی مشخص شده است با گذشت زمان و افزایش سرعت خوردگی، تجمّع محصولات خوردگی در اطراف آرماتور باعث کاهش مقاومت پیوستگی بتن و آرماتور گردیده و لذا میزان باربری سازه تحت اثر بارهای سرویس به شدت کاهش پیدا میکند.
در این مقاله با استفاده از نرمافزار اجزای محدود آباکوس این پدیده مورد مطالعه قرار گرفته است. برای این منظور یک نمونه آزمایش کشش میلگرد در محیط نرمافزار شبیهسازی شده و پس از انجام صحتسنجی و کسب همگرایی لازم بین نتایج نمونهی ساخته شده در محیط نرمافزار و نتایج آزمایشگاهی، تاثیر خوردگی بر مقاومت پیوستگی بتن و آرماتور با در نظر گرفتن رفتار غیرخطی بین آنها مورد مطالعه قرار گرفته است. با توجه به نتایج به دست آمده از این پژوهش مشخص شده است ماکزیمم مقدار مقاومت پیوستگی بین بتن و آرماتور به شدت متاثر از خوردگی بوده به طوری که با شروع فرآیند خوردگی این مقدار افزایش مییابد و با ادامهی این فرآیند از مقاومت پیوستگی بتن و آرماتور کاسته میشود.
-1 مقدمه
خوردگی آرماتورهای تعبیه شده در سازههای بتن مسلح، یکی از مهمترین دلایل خرابی سازههای بتنی در محیطهای خورندهی شدید و حتی متوسط میباشد. بتن تازه دارای محیطی مرطوب و قلیایی با PH بین 12 تا 13 است. این محیط قلیایی باعث ایجاد یک لایهی اکسید آهن محافظ - لایهی غیرفعال - پیرامون آرماتور گردیده که مانع از پیشرفت خوردگی در بتن مسلح میشود. این حالت ناپایدار بوده و با کاهش PH محیط، لایهی محافظ آرماتور از بین رفته و خوردگی آغاز میشود. خوردگی آرماتور تأثیرات زیادی بر رفتار سازه گذاشته که مهمترین آنها عبارتند از: ترک خوردن پوشش بتنی، کاهش مقاومت پیوستگی بین بتن و فولاد، کاهش سطح مقطع آرماتور.
در بررسی رفتار سازههای بتن مسلح که در معرض فرآیند خوردگی قرار دارند، عوامل مختلفی باید در نظر گرفته شود. یکی از مهمترین این عوامل پیوستگی بین بتن و آرماتور میباشد؛ به گونهای که یکی از فرضیات اصلی در تحلیل و طراحی مقاطع بتن مسلح این است که پیوستگی کامل بین بتن و آرماتور برقرار میباشد. در این مقاله با استفاده از نتایج آزمایشگاهی موجود و استفاده از مدلسازی در نرمافزار آباکوس، به بررسی رفتار پیوستگی و یا بهعبارت دیگر، مطالعه و بررسی تنش پیوستگی بتن و آرماتور در درصدهای مختلف خوردگی پرداخته شده است.
در آغاز دههی نود، پژوهش سلیمانی [1] که به بررسی رفتار پیوستگی- لغزش بتن مسلح در حین فرآیند خوردگی پرداخته بود، نشان داد که با شروع فرآیند خوردگی انبساط حجمی محصولات خوردگی به دلیل وزن مخصوص پایین آنها نسبت به فولاد منجر به افزایش مقاومت پیوستگی میگردد. در ادامه با افزایش بیشتر میزان خوردگی ترکهای طولی و عرضی در بتن ایجاد میگردد و منجر به کاهش تحمل نیروی کششی توسط بتن در صفحهی ترکخوردگی میگردد که حاصل آن کاهش مقاومت پیوستگی است.
افزایش مقاومت پیوستگی در درصدهای پایین خوردگی منجر به بررسی لاندگرین [2] بر روی بیشینهی مقاومت پیوستگی بتن ترک خورده تحت فشار ناشی از محصولات خوردگی و الگوی ترک-خوردگی گردید. او رابطهای را برای تنش پیوستگی با استفاده از تنشهای نرمال وارده از طرف بتن به آرماتور، به علت انبساط حجمی محصولات خوردگی با فرض اثرگذاری محصولات خوردگی بر ضریب اصطکاک فصل مشترک بتن و آرماتور ارائه نمود.
بررسی اثر مواد به همراه هندسه آنها در حین فرآیند خوردگی بر رفتار مقاومت پیوستگی کار دشوار و پرهزینهای است. بنابراین، برای فهم بهتر اثر خوردگی بر رفتار پیوستگی بتن مسلح نیاز به یک مدل قابل اعتماد میباشد. دو روش عمده برای مدلسازی اتصال میلگرد فولادی به بتن در تحلیل اجزای محدود وجود دارد. اولین روش، به نام روش Bond-link توسط اسکردلیز و انگو [3] معرفی شده است.
در این روش از یک سری المانهای فنری مجزا با مشخصات مکانیکی معین برای در نظر گرفتن رفتار میان سطحی استفاده میکنند. در روش دیگر که برای اولین بار توسط گروت و همکارانش [4] به نام روش Bond-zone معرفی گردید، المانهای چسبندگی - یا المانهای میانسطحی - به صورت استوانهای حجمی محدود از بتن به همراه ترکهای موضعی ایجاد شده با آجهای آرماتور، ارتباط پیوستهای بین بتن و آرماتور به وجود می-آورند.
در این پژوهش از روش Bond-link برای مدلسازی رفتار پیوستگی بین بتن و آرماتور در نرمافزار اجزای محدود ABAQUS استفاده شده است. طبق نظریهی تورگارد [5] در مدلهایی که اتصال کامل بین اجزا است، وابستگی شدید به اندازه مش وجود دارد. بنابراین مدل اتصال ارائه شده ابزار مناسبی است؛ زیرا اثر اندازهی مش را کاهش میدهد. از طرفی اثر خوردگی بر رفتار پیوستگی با استفاده از مدل فیزیکی ارائه شده توسط لاندگرین لحاظ گردیده است.
-2 مدلسازی
-1-2 مدل رفتاری المان بتن مسلح
بتن مسلح یکی از پیچیدهترین مصالح برای مدلسازی در نرم افزار اجزای محدود است. تعریف درست مصالح در مدلسازی اجزای محدود در رفتار الاستیک و پلاستیک در قسمتهای فشاری و کششی میتواند اثرات زیادی بر نتایج و خروجیها داشته باشد. همانگونه که در شکل - 1 - مشاهده مینمایید، رفتار کاملاً فشاری باید شامل هر دو رفتار الاستیک و پلاستیک کامل بتن در نرمشدگی کرنشی آن باشد و در مورد کشش نیز باید خواص بتن در دو بعد الاستیک و پلاستیک شامل نرم-شدگی کششی، سختشدگی کششی و اثر پیوستگی محلی باشد. برای در نظر گرفتن خرابی بتن از مدلسازی ترک-خوردگی بتن با روش Concrete damage plasticity استفاده گردیده است که دو فرض اصلی در مکانیزم گسیختگی را در نظر میگیرد: ترکخوردگی کششی و خردشدگی فشاری.
شکل - 1 الف - نمودار تنش- کرنش فشاری بتن[6] CEB- FIP ب - مدل سختشوندگی کششی
در عضو بتن مسلح پدیدهی خوردگی باعث تبدیل قسمتی از فولاد مصرف شده به مادهی زنگ آهن میشود که به صورت پوسته پوسته و متخلل در سطح آرماتور تشکیل میشود. طبیعی است این امر سطح مقطع آرماتور را کاهش داده و باعث میشود ظرفیت باربری عضو به طور کامل تغییر نماید. بنابراین در تحلیل و مدلسازی عضو بتن مسلح تحت اثر خوردگی، کاهش سطح مقطع آرماتور طبق رابطهی - 1 - اعمال گردیده است
که در آن 0 قطر اولیه آرماتور و X میزان نفوذ محصولات خوردگی با توجه به مدت زمان خوردگی و شدت جریان آن است که طبق رابطهی - 2 - محاسبه میگردد. همچنین ضریبی که بستگی به نوع فرآیند خوردگی دارد که معمولا مقدار آن برای خوردگی یکنواخت برابر 2 و برای خوردگی از نوع حفرهای بین 8-4 میباشد. که در آن t مدت زمان خوردگی - سال - و Iشدّت جریان محصولات خوردگی - ʽA/cm2 - است.
