بخشی از مقاله
خلاصه
تلاش محققان در سالهای اخیر در راستای مقاوم سازی به منظور تقویت ساختمانهای فرسوده، تحمل بار بیشتر، برطرف کردن ضعف سازه، منجر به ارایه راهکارهای جدیدی در علم مهندسی ترمیم سازه ها شده است. استفاده از کامپوزیت های FRP به دلیل داشتن ویژگی های مکانیکی و فیزیکی مناسب، گزینه بسیار مناسبی برای تقویت و بهسازی عضوهای بتنی موجود به منظور تحمل بار بیشتر یا برطرف کردن ضعف سازه و یا افزایش شکل پذیری می باشد.
در این تحقیق ضمن تشریح روش انجام کار و آنالیز عددی به بررسی رفتار خمشی دال های دوطرفه مقاوم سازی شده با میلگردهای CFRPو تاثیر این کامپوزیت ها بر مقاوم سازی و افزایش ظرفیت خمشی دالهای بتن مسلح دو طرفه پرداخته می شود. هدف این تحقیق بررسی اثر نسبت آرماتور در میزان خیز دال های مذکور می باشد که بدین منظور 2 نمونه دال دوطرفه بتن مسلح با ابعاد و ضخامتهای مختلف طراحی شده و سپس هرکدام را با میلگردهای CFRP با های متفاوت به میزان - 0/036-0/02-0/01-0/002 - که در وجه کششی و به صورت دوطرفه نصب شده اند تقویت و مدلسازی می شوند. مدل با استفاده از نتایج کارهای آزمایشگاهی موجود کالیبره میشود.
.1 مقدمه
بسیاری از سازه های بتنی به دلایل مختلفی ازجمله خطاهای محاسباتی، اشتباه در ساخت و اجرا، ضعف آیین نامه های قدیمی، تغییر کاربری سازه و بارهای وارد به ساختمان، خوردگی و زنگ زدگی آرماتورها و . . . ضوابط آیین نامه های جدید را ارضا نمی کنند، لذا معرفی روشهای مقاوم سازی، بهسازی و تعمیر چنین سازه هایی لازم است.
FRP نوعی ماده کامپوزیت با مقاومت کششی بالاست که متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده است. که به دلیل مقاومت کششی بالا، وزن پایین و دوام مناسب در برابر خوردگی دارای کاربرد گسترده ای در مقاوم سازی سازه های بتنی است. این نوع کامپوزیت عموما به دو صورت ورقه FRP و میلگردهای FRP موجود است.
استفاده از کامپوزیتهای FRP یک روش مناسب برای تقویت، تعمیر و افزایش ظرفیت خمشی دالهای بتن مسلح در ساختمان میباشد. بکار گرفتن این سیستم در سازههای بتن مسلح در بسیاری از موارد نسبت به سیستمهای دیگر می تواند ارجحیت داشته باشد. این سیستم مقاوم سازی، علاوه بر اینکه می تواند در مقاوم سازی و تعمیر ساختمان های بتنی موجود، به علت اینکه کمترین وزن اضافی را به سازه اولیه می افزاید، استفاده شود.
همچنین در طراحی سازههای بتنی نیز به جای سیستم میلگردهای فولادی به خصوص مکانهایی که در معرض زنگ زدگی و پوسیدگی قرار دارند، می تواند مؤثر واقع شود. استفاده از سیستم کامپوزیتهای FRP در دالهای بتن مسلح، باعث افزایش ظرفیت خمشی آنها - افزایش میزان باربری - و کاهش خیز شده و همچنین در تعمیر دالهایی که به طور جزئی آسیب دیدهاند - pre-cracked - بسیار مؤثر میباشند.
علیرغم کاربرد وسیع FRP در تقویت عضوهای بتنی، تنها برآورده شدن مقاومت کافی نمی باشد. زیرا به خاطر مدول الاستیسیته کم میلگردها، خیز آنها از عضوهای بتنی - که در این تحقیق منظور دالهای بتنی است - مسلح شده با فولاد بیشتر است. از سوی دیگر، علاوه بر معیار مقاومت، معیارهای شکل پذیری و خیز نیز مطرح می شود. یکی از عامل های مهم در روابط خیز اثر سخت شوندگی کششی میلگردها است. بر اساس این پدیده، مقداری از بتن اطراف میلگردها در کشش کار می کند و به دنبال آن ممان اینرسی مؤثر مقطع افزایش و خیز دال کاهش می یابد. به نظر می رسد که این عامل به نسبت آرماتور وابسته است. همچنین، نسبت آرماتور بر شکل پذیری دال های بتنی مسلح شده با میلگردهای FRP تأثیر زیادی می گذارد.
.2 نحوه انجام کار و مدل سازیهای انجام شده در این تحقیق توسط نرم افزار Ansys
در این تحقیق، 2 عدد دال بتن مسلح دو طرفه اولیه با مشخصات زیر را مدل سازی کرده ایم. به جدول 1 مراجعه شود.
جدول -1 ابعاد 2 عدد دال مدل شده
که هر کدام از دالهای ذکر خود به چندین دال با مشخصات متفاوت تقسیم بندی میشود که در زیر، زیرمجموعه های یکی از آنها آورده شده است. به جدول 2 مراجعه شود.
جدول-2 زیر مجموعه های دال S1
لازم به ذکر است که چگالی میلگردهای کامپوزیتی CFRP، 1560 کیلوگرم بر متر مکعب در نظر گرفته شده است.
نرم افزار Ansys قابلیت مدل سازی احجام سه بعدی را دارا است. همان طور که اطلاع دارید، این نرم افزار بر اساس علم Finite Element برنامه ریزی شده است. لذا ما بایستی دال سه بعدی را که در قسمت قبل به صورت یک حجم سه بعدی با اختصاص دادن عنصر Solid 65 به آن ساخته ایم را مش بندی کنیم. نکته قابل توجه در این بحث این است که، هرچه ابعاد مش بندی ریزتر باشد، جواب آنالیز به حقیقت نزدیکتر خواهد بود. بنابراین ما در این تحقیق ابعاد مش بندیهایمان را - 5 × 5 × 1 - سانتی متر انتخاب کرده ایم. مرحله بعدی مربوط به مدل سازی میلگردها به صورت Link یا اختصاص دادنReal constantهای تهیه شده به المانهای مربوطه میباشد.
سپس، بایستی شرایط تکیه گاهی و میزان بار وارده را به سیستم معین نمود. در این تحقیق فرض بر این است که تمامیدالها مانند شکل زیر دارای تکیه گاه ساده در چهار لبه اطراف میباشد. بار وارده به نمونهها به صورت فشار ثابت و بر حسب نیوتن بر متر مربع آورده شده است. در شکل 1 نحوه مش بندی و تکیه گاه ها در این مدل نشان داده شده است.
شکل -1 نمونه مش بندی و اعمال شرایط تکیه گاهی در Ansys
.3 نتایج مدل سازی
در گام اول این تحقیق دال بتنی 2 × 2 را هم با میلگرد گذاری فولادی به صورت link و هم به صورت پخش شده smeard مسلح کرده و نتایج آنها را با هم در زیر مقایسه خواهیم کرد.
دال S1 # 7 را که با میلگردهای فولادی #7 در هر 10 سانتی متر مسلح شده است، را با میلگردهای به صورت Link مدلسازی کردیم. سپس این دال را با میلگردهای فولادی #12 به صورت Link طوری مسلح میکنیم که میلگردهای فولادی #12 بهاندازه همان دال قبلی که با میلگرد #7 در هر 10 سانتی متر مسلح شده بود باشد.
لذا این نمونه دال را با میلگردهای #12 در هر 28 سانتی متر مسلح میکنیم. نتایج آن را با نمونه مسلح شده با میلگرد # 7 را که در قبل عنوان شد، در نمودار زیر مقایسه میکنیم. همان طور که در این نمودار مشاهده مشاهده میشود، نمودار بار- تغییر مکان این 2 نمونه که در شکل 2 نشان داده شده است نیز با یکدیگر مطابقت مورد قبولی دارند. بنابراین اولین گزینه متغیر ما، اندازه میلگردهای فولادی از دور محاسبات خارج میشود.
