بخشی از مقاله
چکیده
این پژوهش به بررسی مقاومت سازههاي FRC، که در آنها از پلاستیک، شیشه و الیاف فولادي استفاده شده است، میپردازد.
به منظور پیشبینی عملکرد دالهاي بتنی با الیاف فولادي تحت بارگذاريهاي مختلف از شبیهسازي عددي به کمک روش اجزاء محدود استفاده شده است. تأثیر عواملی چون نسبت حجمی و همچنین نسبت طول به قطر الیاف در نحوه عملکرد دالهاي بتن مسلح الیافی مورد بررسی قرار گرفته، تا از آن در شبیهسازي افت و کاهش مقاومت و عملکرد سازهاي وابسته به کاهش حجم الیافهاي فولادي به سبب عوامل مخربی چون خوردگی استفاده شود.
در شبیهسازي عددي، از یک مدل Smeared- Crack جهت نشان دادن رفتار ترك خوردگی بتن تحت بارگذاري اعمالی، استفاده شده است. به منظور بررسی اندرکنش خاك و سازه، رفتار غیرخطی خاك به کمک تکیهگاههاي Tension- Less elastic شبیهسازي شده است. نتایج حاصله، تطابق بین پیشبینیهاي بدست آمده از آنالیزهاي عددي اجزاء محدود و دادههاي حاصل از مطالعات آزمایشگاهی با مقیاس واقعی را نشان میدهد.
-1 مقدمه
بتن مسلح شده با المانهاي الیافی پتانسیل فوقالعادهاي براي بکارگیري در اجزاي سازهاي با کاربريهاي گوناگون دارند. به طور کلی سرمایهگذاري وسیعی در بخش ساختمان و زیرساختهاي مهندسی مخصوصاً دالها و پیها صورت گرفته است.
الیافهاي گسسته با ایجاد خاصیت محصورکنندگی در تغییرشکلهاي بتن، باعث افزایش مقاومت، شکلپذیري و دوام بتن و همچنین سادگی در هنگام اجرا میشوند. در طراحی میتوان تنها با کنترل درصد حجمی و سطح مقطع الیافهاي فولادي به مقاومت و سختی مورد نظر در یک محدوده مشخص دست یافت. همچنین الیافهاي فولادي میتوانند به طور کارآمدي جایگزین میلگردهاي طولی و عرضی فولادي متداول شوند.
نتایج مطالعات انجام شده نشان از مزایاي کاربرد این الیافها به صورت محصور در بتن میباشد، که از آن جمله میتوان به افزایش مقاومت خمشی و سختی و پیشگیري از بروز ترك در دالها اشاره کرد. تولید بتن الیافی به کمک الیاف فولادي جهت ساخت سازههاي متداول، کارآمد و مفید است چراکه روش ساخت و اجراي آن بسیار ساده بوده و پیچیدگی اجرایی کمتري دارد. این المانها میتوانند با هر شکل و سطح مقطعی سازگار شوند و مشکلات مربوط به مونتاژ را به حداقل برسانند.
در دو دهه اخیر، تمایل گستردهاي جهت استفاده از المانهاي بتنی مسلح شده با الیاف فولادي - SFRC - ، در ساخت سطوح و دالهاي مسطح بوجود آمده است
همچنین رفتار پیهاي SFRC که به عنوان المانهاي تحملی در سازههاي مدرن و سایر سازهها مورد استفاده قرار گرفتهاند، مورد بررسی قرار گرفته است. از سال 1989 یک سري مطالعات آزمایشگاهی بر روي دالهاي با مقیاس واقعی به کمک تجهیزات آزمایشگاهی دانشگاه Greenwich در راستاي شناخت مطلوبتر این سازهها انجام گرفته است.
مطالعات عددي حاصل، نشان داد که نیروي کششی ایجاد شده به علت تركهاي ناشی از انقباض و خزش بتن به طور خطرناکی زیاد است
نتایج این مطالعات، براي اصلاح روش طراحی و محاسبه حداقل ضخامت دالها، در گزارش فنی شماره 34 انجمن بتن استفاده شده است .[5] نتایج آزمایشات انجام شده بوسیله گروهی از دانشگاههاي بینالمللی، سبب پیدایش یک روش طراحی پیشنهادي براي سازههاي SFRC گردید
همچنین کتابچه طراحی سازههاي SFRC تحت عنوان Model Code FIB TG 8.3 در زمینه طراحی بتنهاي الیافی با مقاومت بالا به رشته تحریر درآمد . مطالعات آزمایشگاهی اخیر انجام گرفته برروي دالهاي متکی به خاك، نحوه رفتار این دال ها تحت بارگذاري و مقادیر متفاوتی از الیاف را نشان میدهند
این مطالعات در درجه اول با تأکید بر معرفی و شناسایی ویژگیهاي مکانیکی دالهاي SFRC براي آنجام آنالیزها در شرایط مختلف، انجام گرفت. براي مدلسازي رفتار دالهاي SFRC در تماس با خاك، شبیه سازيهاي عددي متعددي حاصل از مطالعات آزمایشگاهی، پیشنهاد شد.
روش آنالیز اجزاء محدود اگرچه روشی تقریبی بوده و بعضاً پاسخ و دقت کافی در نتایج را به ما نمیدهد، اما عموماً در بررسی رفتار دالهاي SFRC در تماس با خاك، با درنظر گرفتن رفتارغیرخطی خاك، مورد استفاده قرار می گیرد. تحلیل رفتار دالهاي SFRC به سبب رفتار غیرخطی مصالح تشکیل دهنده آن، همواره پیچیدگیهایی دارد. براي از میان برداشتن این مشکل، در این تحقیق از روش مدلسازي بر اساس مصالح تشکیلدهنده - Material Base Modelling - استفاده شده است. به عبارت دیگر در این مدلسازي المانهاي الیاف و بتن به عنوان دو مصالح مجزا تعریف نمیشوند، بلکه تنها یک نوع مصالح به عنوان بتن مسلح شده با الیاف تعریف میگردد.
سپس در صورتیکه مشخصات مکانیکی بتن مسلح شده با الیاف بدرستی تعریف شود، مدلسازي و تحلیل این دال به سادگی تحلیل و مدلسازي مصالح همگن خواهد بود. مشخصات مکانیکی دالهاي SFRC در تماس با خاك، جمع آوري شده و روابط ضروري مرتبط با مصالح تشکیل دهنده، جهت مدلسازي در نرم افزار ANSYS بکار گرفته شده است.
روش مدلسازي تحلیلی دالهاي SFRC در تماس با خاك، در این مقاله، براساس یک مدلسازي جدید بتن- الیاف با یک منحنی تنش- کرنش منحصر به فرد در نرم افزار ANSYS انجام گرفته است . این روش مدل سازي بر پایه مفاهیم مرتبط با مصالح کامپوزیت و سازگاري کرنشها استوار است. در این مقاله همچنین، یک مطالعه پارامتریک جهت بررسی تأثیر مقاومت دال، تغییرشکلهاي دال و نحوه عملکرد این دالها در تماس با خاك، صورت گرفته است. نتایج بدست آمده از بررسی هاي آزمایشگاهی، جهت ارزیابی و کالیبره کردن مدل عددي اجزاي محدود، به منظور دستیابی به مشخصات مطلوب مصالح، استفاده شده است و در نهایت مدلهاي عددي بدست آمده به روش جدید تعریف مصالح و مشخصات سازهاي براي دالهاي SFRC در تماس با خاك بدل خواهد شد.
-2 مقایسه عملکرد بتن مسلح شده با الیاف از جنسهاي گوناگون
براي درك ویژگیهاي رفتاري بتنهایی که توسط الیاف شیشه، پلاستیک و فلز تقویت شدهاند، تحقیقات و آزمایشات زیادي انجام شده است. در این بخش با تعریف "شاخص تقویت " - RI - که توسط Sorreli در سال 2006 پیشنهاد شده است، نتایج مقایسهاي استاندارد شده بین دالهاي تقویت شده با الیاف دلخواه را ارائه میدهیم. شاخص تقویت RI، به نسبت ویژگیهاي ابعادي الیاف بر واحد حجم استفاده شده از آن در متر مکعب بتن گفته میشود.
شناخت کافی از ویژگیهاي رفتاري مصالح مصرفی در دالها به ما در فهمیدن رفتار کامل این سازهها کمک میکند. اضافه کردن بیشتر از %3 الیاف به بتن توصیه نمیشود زیرا باعث کاهش مقاومت نهایی بتن میشود .[12] رفتار بتنهاي تقویت شده با الیاف فولادي را با توجه به نمودار 1 میتوان به چهار دسته تقسیم کرد. این تقسیم بندي به ما کمک میکند تا با توجه به نیاز سازهاي و در نظر گرفتن بار مالی طراحی از شاخصهاي مطلوب و مورد نظر خود استفاده کنیم.
شکل :1 تغییرات ویژگیهاي رفتاري بتن تقویت شده با الیاف با شاخصهاي تقویت متفاوت
همچنین بررسی نتایج آزمایشگاهی نشان میدهد که از هر الیاف میبایستی جهت اهداف مخصوص به خود استفاده کرد. به عنوان مثال همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، در صورتی که عضو سازهاي مورد نظر باید تحت لنگر خمشی قرار بگیرد الیاف پلاستیک نسبت به الیاف شیشه کارایی بهتري دارد.
