بخشی از مقاله
چکیده
چندین دهه است که پدیده خوردگی میلگرد و اثرات زیانبار آن در ایجاد ترک بتن و کاهش کارایی سازه های بتن مسلح، ذهن طراحان را به خود مشغول نموده است. در شرایط عادی، میلگردهای بتن به طور طبیعی در مقابل عارضه خوردگی محافظت می شود، دلیل این امر محیط قلیایی ناشی از واکنش هیدراتاسیون سیمان است که مقدار PH بالاتر از حداقل مقدار مورد نیاز برای تضمین مصونیت سطح فولاد می باشد. بنابراین واضح است که تمام مشکلات ناشی از خوردگی میلگردهای سازه های بتنی معمولی و پیش تنیده را باید به عواملی نسبت داد که منجر به از بین رفتن مصونیت موضعی و یا کلی در سطح میلگردها می شود.
یون های کلروری، کلیدی ترین عاملی است که می تواند به خوردگی میلگردها منجر شود. با تشکیل آند و کاتد واکنشهای الکتروشیمیایی خوردگی آغاز می شود. محصولات خوردگی - زنگار - حجم بیشتری را نسبت به حجم میلگرد فولادی اشغال میکنند و در نتیجه ادامه این فرآیند ، محصولات خوردگی - زنگار - فشار مضاعفی را بر سطح داخلی بتن وارد میسازند با افزایش فشار، زمینه جهت ایجاد و اشاعه ترک در بتن فراهم می آید.
در این مطالعه، شبیه سازی رشد و اشاعه ترک در بتن مسلح تحت اثر همزمان بار اعمالی و خوردگی میلگرد با استفاده از مدل عددی بر پایه روش المان محدود - تکنیک کرنش صفحهای و بکارگیری ایده تنش حرارتی معادل با انبساط محصولات خوردگی مورد بررسی قرار می گیرد. استراتژی بکار گرفته شده در مدل پیشنهادی امکان محاسبه میزان ترک در بتن بعد از اعمال خوردگی میلگرد را در بارگذاری های متنوع فراهم میسازد.
مقدمه
چندین دهه است که پدیده خوردگی میلگرد و اثرات زیانبار آن در ایجاد ترک بتن و کاهش کارایی سازه های بتن مسلح دریایی، ذهن طراحان را به خود مشغول نموده است.[15,4] باور عمومی بر این است که در اثر کاهش میزان PH در الکترولیت، که در منافذ بتن نزدیک میلگرد اتفاق میافتد، تراکم یون های مهاجم - مثل یونهای کلراید و سولفات - به حداکثر مقدار خود میرسد. بعد از این فرایند شیمیایی، لایه غیرفعال میلگرد زدوده میشود.[3,16] در نتیجه آند و کاتد بوجود آمده و واکنشهای الکتروشیمیایی خوردگی آغاز خواهد شد.
حجم بالاتر محصولات خوردگی نسبت به فولاد اولیه به واسطه وجود اکسیژن و هیدروژن، باعث اعمال فشار بر سطح بتن در فصل مشترک بتن-محصولات خوردگی می شود.[8] با ادامه فرآیند خوردگی میلگرد، محصولات خوردگی بیشتری تولید شده و در نتیجه فشار بیشتری بر سطح داخلی بتن اعمال می شود.[9] با افزایش فشار، زمینه جهت ایجاد و اشاعه ترک در بتن فراهم می آید.
در این مطالعه، شبیه سازی رشد و اشاعه ترک در بتن مسلح تحت اثر همزمان بار اعمالی و خوردگی میلگرد با استفاده از مدل عددی بر پایه روش المان محدود - تکنیک کرنش صفحهای و بکارگیری ایده خلاقانه تنش حرارتی معادل با انبساط محصولات خوردگی مورد بررسی قرار می گیرد. نتایج نواحی مستعد ترک خوردگی در بتن تحت اثر میزان فولاد خورده شده وبارگذاری مختلف به صورت فایل گرافیکی با وضوح مناسب آماده مشاهده گردید.
مفروضات به کار گرفته شده در مدلسازی
الف-خوردگی میلگرد بر مبنای خوردگی یک نمونه ریز سلولی در نظر گرفته میشود.
ب-مدل علاوه بر بار اعمالی به بتن ناشی از انبساط حاصل از تولید محصولات خوردگی میلگرد، مورد بارگذاری استاتیکی ×نیز قرار می گیرد.
ج-فرض میشود بعد سوم مقطع مدل آنقدر طولانی باشد که هر قسمت عرضی سطح تحت شرایط خوردگی میلگرد مسطح ×باقی بماند.
ایجاد مدل هندسی
مدل از قرارگیری میلگرد در مرکز مقطع مستطیلی بتن با کد نویسی در محیط ویژوال بیسیک ایجاد می شود. فیزیک مدل مطابق شکل A-1 می باشد. جهت کاهش حجم محاسبات با توجه به تقارن محوری تکرار شونده در هندسه مدل، یک چهارم مدل بکار گرفته می شود - شکل . - B-1 با توجه به شکل منحنی مرز بتن-میلگرد، شبکه بندی مدل توسط المانهای مثلثی به انجام میرسد.[8] با توجه به محورهای تقارن در نظر گرفته شده در مدل اولیه جهت انتخاب مدل نهایی - شکلهای A-1 و - B-1، مقید سازی مدل نهایی به انجام میرسد.[9] شکل C-1 نحوه اعمال قیود بر مدل را نمایش میدهد. محل اعمال بار استاتیکی به بتن مسلح در شکل D-1 نمایش داده شده است. در این شبیه سازی از تکنیک المان محدود استفاده شده است.[10] کرنش صفحه ای به عنوان مبنای علمی کد نویسی مد نظر قرار گرفت.[19,11] ماتریس سختی بر اساس تئوری یاد شده و برای اجزاء مثلثی کد نویسی شد.
شکل -A :1فیزیک مدل کلی، بخش آبی رنگ میلگرد و بخش خاکستری رنگ معرف بتن می باشد. -Bمدل مورد استفاده جهت شبیه سازی، -C مقید سازی مدل، -D محل اعمال بار استاتیکی به بتن مسلح
نحوه اعمال شرایط مرزی تنش حرارتی معادل و حل مدل
مرز بتن-میلگرد، مکان هندسی اعمال شرایط مرزی است. در این مدل از روش اعمال شرط مرزی تنش حرارتی معادل بهره گیری می نماییم.[1] ابتدا فرض میشود میلگرد خورده شده در حالت انبساط آزاد و بدون دخالت مقاومت بتن، مطابق با نسبت حجمی محصولات خوردگی به حجم فولاد اولیه - n - ، افزایش حجم مییابد. با استفاده از روابط - 1 - و - 2 - [11,12]حرارت معادل جهت انبساط میلگرد فولادی و تولید این افزایش حجم را مییابیم.
در روابط - 1 - الی - 4 - ، e تغییر مکان گرهی و ماتریس B ارتباط دهنده تغییرشکلهای نسبی المان به تغییرمکانهای گرهی، کرنش، ضریب هدایت حرارتی، 7 تغییرات دما، نسبت پواسون و E مدول الاستیسیته میباشد. در نتیجه با جایگذاری روابط - 2 - و - 3 - در رابطه - 4 - ، رابطه تنش حاصل از اعمال گرادیان حرارتی معادل با میزان خوردگی میلگرد فولادی حاصل میشود
سپس با اعمال گرادیان حرارت حاصل از مرحله قبل، تنش معادل با افزایش حجم ایجاد شده در حالت مقید نمودن کامل مرز را با استفاده از رابطه - 5 - محاسبه نموده و به عنوان شرایط مرزی در نرم افزار اعمال می نماییم. پس از اعمال شرایط مرزی، ماتریس سختی را با استفاده از روش حذفی گوس و تبدیل به صورت بالا مثلثی، حل مینماییم.[13] با بکار گیری معیار مقاومت، نتایج حاصل از شبیه سازی جهت تشخیص محدوده احتمال بروز ترک، استفاده میشود. ما در پژوهش های پیشین با مقایسه نتایج حاصل از این روش با نتایج حاصل از حل تحلیلی سایر محققان، صحت داده های خروجی مدل پیشنهادی را به اثبات رسانیدیم.
خروجی مدل - نتایج گرافیکی خروجی -
جهت تشخیص نواحی مستعد ترک خوردگی، کل مدل توسط گره های شبکه بندی نمایش داده می شود، سپس با تغییر رنگ گرههای المانهای مستعد ترک خوردگی، نواحی مستعد ترک خوردگی نمایش داده میشود. حال با افزایش مقدار پارامتر میزان خوردگی میلگرد فولادی در هر مرحله از حل معادلات، نحوه و سمت و سوی اشاعه ترک بتن مسلح ناشی از خوردگی مشخص میشود.
