بخشی از مقاله
*** این مقاله شامل تعدادی فرمول و تصویر میباشد که در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازی ترک در تیر خمشی (Fly ash Concrete) با بارگذاری سه نقطه ای توسط نرم افزار Ansys
چکیده
مواد زائد جامد که به عنوان پودر خاکستر بادی از احتراق زغال سنگ در نیروگاه حرارتی ایجاد می شود یک مشکل عمده زیست محیطی است که با افزودن آن در مخلوط بتن سازه در ساخت و ساز عمران می توان حل کرد. کار حاضر با بهره گیری از روش اجزای محدود و بر پایه اصول مکانیک شکست، پدیده ترک خوردگی و رشد ترک در یک تیر بتنی خاکستر بادی مورد بررسی قرار گرفته است . با ارایه مدل مناسب تیر تحت خمش سه نقطه ای و اعمال بار متناظر در محیط نرم افزار اجزای محدود Ansys نحوه مدلسازی ترک و همچنین انتشار آن مورد بحث قرار می گیرد .سپس به آنالیز مدل ارایه شده پرداخته و پارامترهای شکست بر مبنای روش تحلیل اﻻستیک خطی محاسبه می شوند .در پایان پارامترهای خروجی نرم افزار با مقادیر بدست آمده از روش تجربی مقایسه شده و صحت فرآیند آنالیز نرم افزاری مورد تأیید واقع می گردد.
کلمات کلیدی: ضریب شدت تنش، بتن خاکستر بادی، خمش سه نقطه ای،ترک،مکانیک شکست اﻻستیک خطی
مقدمه
بتن بزرگترین مواد ساختاری است امروزه در ساختارهای عمرانی استفاده می شود. با این حال، حضور ترک و خلل در داخل مواد بتن اجتناب ناپذیر است و ﻻزم است که پایداری و ناپایداری آنها بررسی شود. در این زمینه، مکانیک شکست بتن یک روش ارزشمند برای مطالعه رفتار بتن تحت بارگذاری استاتیکی است که به دو دسته تقسیم می شوند: مفاهیم مکانیک خطی اﻻستیک شکستگی (LEFM) و مکانیک غیر خطی شکستگی (NLFM)و محدودیت های آن است. از سوی دیگر، مواد زائد جامد پودر خاکستر بادی از احتراق زغال سنگ در نیروگاه حرارتی یک مشکل زیست محیطی است که می تواند با اضافه در مقادیر کوچک، از خاکستر بادی در مخلوط بتن این مشکل را حل کرد. دو روش برای افزودن خاکستر بادی به خمیر بتن وجود دارد:با جایگزینی جزئی از سیمان یا با تعویض بخشی از شن و ماسه (ریزدانه). به طور کلی، خاکستر بادی در ساخت سیمان و به عنوان جایگزین سیمان در مخلوط بتن استفاده می شود. با این حال، در منابع،دیگر مؤلفان گزارش شده که در واقع، تاثیر جایگزینی جزئی از شن و ماسه با خاکستر بادی سبب افزایش خواص مکانیکی بتن است. Siddique نشان داده است که جایگزینی 10٪، 20٪، 30٪ و 50٪ از شن و ماسه توسط خاکستر بادی کﻻس F بوسیله ترموالکتریک سبب افزایش مقاومت فشاری و خمشی بتن در تمام مراحل آزمون شده است. افزایش مقاومت فشاری با محتوای خاکستر بادی خطی بود. در همه مراحل، حداکثر مقدار مقاومت با 50٪ خاکستر بادی رخ داده است. مقاومت 28 روزه فشاری و خمشی به ترتیب از 26,4 مگاپاسکال و 3,7 مگاپاسکال برای صفر درصد محتوای خاکستر بادی تا 40 مگاپاسکال و 4,3 مگا پاسکال افزایش یافته است.
-1 بیان مسئله
با استفاده از آزمون خمش سه نقطه در ناحیه بریدگی تیرها، ضریب شدت تنش بحرانی KIC است که به عنوان ضریب شدت تنش محاسبه شده در نوک ترک می باشد،و با استفاده از حداکثر بار اندازه گیری تعریف شده است.
جابه جایی باز نوک ترک بحرانی 1 به عنوان جابه جایی از باز شدن نوک ترک محاسبه شده از باز کردن شکاف دهان، CMOD2، نمونه تعریف شده است و در حداکثر اندازه گیری بار و اندازه بحرانی شکاف موثر است. عامل شدت تنش بحرانی و جابه جایی باز نوک ترک بحرانی در رابطه با مدول یانگ E، برای مشخص کردن استحکام به شکست و اتﻻف انرژی از بتن و مﻻت کافی است. شکل 1 ساختار و هندسه بریدگی تیر برای آزمون خمش سه نقطه را نشان می دهد. این روش تجربی در کار حاضر مورد استفاده قرار گرفته است و جزئیات آن در زیر توضیح داده شده.
مواد و فرایندهای تجربی
نسبت مخلوط بتن در جرم برای هر گروه آزمون از نمونه فشرده سازی و نمونه خم در نتایج اولیه بودند. نسبت مخلوط بود: سیمان: 15٪ در جرم (پرتلند CPV-ARI سیمان .(RS
خاکستر بادی: 10٪ وزنی سیمان مصالح (درشت): 40٪ در جرم (تعداد سنگ 1، اندازه اسمی 25 میلی متر).
شن و ماسه (ریزدانه): 38٪ در جرم (از منطقه .(Pirai / Joinville آب: 6٪ در جرم.
روان کننده: 1٪ از جرم سیمان + خاکستر.
-2 مدلسازی FE
در این قسمت به چگونگی مدلسازی عددی نمونه پرداخته می شود .
نسبت مدول اﻻستیسیته و ضریب پواسون هر دو با گذشت زمان ، موازی با افزایش مقاومت فشاری افزایش می یابند. مدول اﻻستیسیته در بازه زمانی کم از 18,8 گیگا پاسکال در 28 روز به باﻻی 39,6 گیگا پاسکال در 365 روز. اغلب خاکستر (در بتن) 28 روزه، نسبت پواسون در محدوده 0,25_0,14 دارد.[1]
المان مورد استفاده برای مدل، می باشد استفاده از این المان امکان مدلسازی تکین تنش وکرنش در نوک ترک را فراهم می آورد موقعیت گره ها ی مدل هندسی در شکل و شرایط مرزی اعمال شده بر مدل و همچنین نحوه مش بندی المان های مدل در شکل نشان داده شده اند .تحلیل با فرض شرایط کرنش مسطحه انجام شده است .ابعاد تیر مدل شده 0.55 × 0.1 بر حسب متر می باشد . از آنجا که طول ترک نسبت به طول مدل ناچیز می باشد، مدل مورد بحث حکم صفحه با ابعاد نامحدود را دارد .بار نیز به صورت متمرکز و به میزان 10 Ton.f بر روی ضلع فوقانی و در جهت محورعرضی وارد می شود.
شکل:4 ضریب شدت بدست آمده برای ترک به طول 0.3093mm و ν = 0.13
-3 بررسی تحلیلی و مدلسازی ترک در تیر بتنی تحت خمش سه نقطه ای
چگونگی رشد ترک مساله مهمی است که در این بخش به آن پرداخته شده است. همانگونه که پیش تر ذکر شد، ضریب شدت تنش مهمترین عامل در مکانیک شکست و مطالعه ترک در مواد مختلف تحت بارگذاریهای متنوع می باشد . لذا چنانچه بتوان همگام با رشد ترک به مقادیر متناظر ضریب شدت تنش نیز دست یافت، شاخص اصلی در مطالعه انتشار ترک پس از بروز ترک اولیه حاصل خواهد شد.
