بخشی از مقاله
خلاصه
شکل پذیری اتصالات را می توان یکی از مهمترین عوامل مؤثر در رفتار سازه های بتن آرمه دانست؛ با این وجود معمولا اتصالات از این نظر دچار ضعف هستند. از این رو بحث تقویت اتصالات از مسائل مورد توجه در مهندسی عمران می باشد. در سال های اخیر استفاده از مواد کامپوزیتی FRP به منظور تقویت ساختمان ها مورد توجه قرار گرفته است.
در تحقیق حاضر تأثیر ورق های CFRP در بهبود شکل پذیری و افزایش مقاومت اتصالات بتنی با استفاده از نرم افزار ABAQUS مورد بررسی قرار می گیرد. طرح های مختلفی از پوشش ورق های CFRP برای تقویت در نظر گرفته شد. نتایج حاصل از تحلیل ها نشان داد که با استفاده از صفحات CFRP میتوان شکل پذیری و میزان اتلاف انرژی اتصالات را بصورت قابل ملاحظه ای افزایش داد و محل تشکیل مفصل پلاستیک و شروع تسلیم شدگی آرماتورها پس از تقویت از بر ستون به سمت داخل تیر انتقال یافته که این امر می تواند تأمین کننده اصل " تیر ضعیف - ستون قوی " باشد، ضمن اینکه مقاومت خمشی اتصالات نیز بصورت چشمگیر افزایش می یابد.
1. مقدمه
وقوع زلزله های مختلف و بروز آثار مخرب بر جای مانده از آن در تمامی زمینه ها و نیز از طرفی وجود سازه های بی شماری که بر مبنای آیین نامه هایی طراحی شده اند که قرار گیری سازه تحت اثر شرایط زلزله را مد نظر قرار نمی دهد، لزوم ترمیم و تقویت سازه ها را امری اجتناب ناپذیر می نمایاند. مطالعه و بررسی سازه های تخریب شده در طی زلزله های گذشته، مهندسان را به نقش و اهمیت اتصالات تیر - ستون در ایمنی ساختمان ها، واقف نموده است. شکست برشی اتصالات تیر - ستون به عنوان علت اصلی فرو ریزش تعداد زیادی از ساختمان های دارای سیستم قاب خمشی در طی زلزله های گذشته، مشخص گردیده است. جزییات آرماتورگذاری ناکافی در ناحیه اتصال و طرح ستون ضعیف - تیر قوی از دلایل اصلی شکست برشی بوده است
یکی از مسائل تعیین کننده ی رفتار سازه های بتنی در مقابل بار زلزله، رفتار اتصال و شکل پذیری مناسب آن است .در حقیقت شرط رسیدن به شکل پذیری در تیر ها و ستون ها آن است که اتصال از مقاومت و شکل پذیری کافی در تحمل بارهای نهایی تیر و ستون برخوردار باشد. از این دیدگاه آئین نامه های طراحی سازه های بتن آرمه، ضوابط خواصی را برای آرماتورگذاری ناحیه ی اتصال ارائه می کنند. لیکن اجرای این ضوابط در عمل دشوار است. از این رو تقویت اتصالات سازه های بتنی موجود از مسائل مورد توجه محققین به شمار می آید.[2] در دهه ی 1980 و اوایل دهه ی 1990، ژاکتهای فولادی برای تقویت اتصالات به کار گرفته می شد؛ با این وجود در اواخر دهه ی 1990 و در سال های اخیر، از کامپوزیت CFRP برای تقویت اتصالات استفاده شده است.
اطلاعات زیادی که از تحقیقات آزمایشگاهی انجام شده بر روی اتصالات تیر - ستون بتن مسلح بدست آمده، نشان دهنده ی وقوع شکست برشی در اتصال تحت بارهای لرزه ای می باشد. شکست برشی به ذاته شکننده است که وقوع آن در سازه به ویژه در شرایط لرزه ای، غیر قابل قبول می باشد. عوامل مؤثر در رفتار برشی اتصال عبارتند از: خواص مواد، هندسه ی اتصال، مقادیر میلگرد بکار رفته، بار محوری ستون و شرایط چسبندگی فولادها با بتن اطراف که در این میان مقاومت فشاری بتن مؤثرترین پارامتر در رفتار برشی اتصال می باشد.
در تحقیق حاضر با استفاده از این ورقه ها سعی بر افزایش شکل پذیری اتصالات بوده است. ایده ی بکار رفته در تقویت اتصالات، جلوگیری از شکست اتصال در باربری نهایی و همچنین فراهم ساختن زمینه ای برای شکل پذیر شدن رفتار اتصال بوده است.
2. تحلیل اجزای محدود
وجود پارامترهای متعدد و تأثیرگذار در سازه های بتنی موجب میشود تا پیش بینی کامل رفتار سازه بدون انجام آزمایش یا تحلیل های دقیق ممکن نبوده یا بسیار دشوار شود. از سویی، امکان انجام آزمایش و بررسی تغییرات هر پارامتر، عملی است که مستلزم صرف زمان و هزینه زیادی است. در حال حاضر با توجه به وجود روش های تحلیل اجزای محدود، امکان تحلیل غیر خطی سازه ها با دقت قابل قبول و سرعت بیشتر امکان پذیر بوده و به این ترتیب میتوان مقادیر تنش و تغییر شکل را در بخش های مختلف سازه ای محاسبه کرد.
در این تحقیق، نمونه های ساخته شده از اتصالات خارجی که در آزمایشگاه بارگذاری شده اند، با استفاده از نرم افزار اجزای محدود ABAQUS مدل سازی شده و نتیجه تحلیل آنها با نتیجه آزمایشگاهی مقایسه شده است. به این منظور از مدل آسیب دیدگی خمیری استفاده می شود. مدل آسیب دیدگی خمیری یک مدل ترکیبی است که همزمان شکست ناشی از فشار و کشش را با تعریف حدود مجاز مناسب برای پارامترهای مختلف هر دو حالت شکست در نظر می گیرد. این مدل که اولین بار توسط لوبلینر[3] ارائه شد و سپس توسط لی و فنوس[4] اصلاح شد، برای تحلیل بتن و سایر مواد نیمه ترد مانند سنگ و سرامیک تحت بارگذاری کلی - یکنواخت، تناوبی و دینامیکی - مناسب است.
3. مدل سازی مصالح بتن
در مدل آسیب دیدگی خمیری، مهمترین مکانیزم های شکست بتن، ترک خوردگی کششی و خرد شدگی فشاری اند. تابع تسلیم مورد استفاده در این مدل برای حالت تنش صفحه ای در شکل - 1 - نشان داده شده است.
شکل-1 سطح شکست بتن در حالت تنش صفحه ای
برای معرفی سطح تسلیم در نرم افزار ABAQUS، لازم است تا پارامترهای مربوط به آن در برنامه تعریف شوند. این پارامترها که در ادامه بطور خلاصه به آنها اشاره می شود برای مشخص شدن تابع تسلیم مورد استفاده در نرم افزار ضروری اند.
نسبت حداکثر تنش فشاری در حالت دو محوره به حداکثر تنش فشاری تک محوره بتن. این نسبت به صورت پیش فرض در برنامه برابربا1/16 است و در این تحقیق نیز همین مقدار مورد استفاده قرار گرفته است و در نرم افزار ABAQUS برای مدل کردن خاصیت پلاستیسیته بتن از تابع پتانسیل جریان پلاستیک یا تابع هیپربولیک دراکر - پراگر استفاده می شودکه به پارامترهای ε - خروج از مرکزیت - و - ψزاویه اتساع - وابسته است. در این تحقیق، مقادیر مذکور به ترتیب برابر 0.1 و 30 معرفی شده اند. مقادیر کمتر از 0/1 برای خروج از مرکزیت ممکن است در شرایطی که محصور شدگی سازه کم است منجر به واگرائی در تحلیل شود. همچنین، سازه های با رفتار خمشی وابستگی چندانی به تغییرات زاویه اتساع ندارند و این پارامتر، بیشتر در سازه های با رفتار محوری مؤثر است.
ویسکوزیته: به منظور پرهیز از واگرایی تحلیل که ممکن است در اثر ایجاد ترک یا خرد شدن بتن در مدل به وجود آید، ماده بتن در نرم افزار با استفاده از پارامتر ویسکوزیته بصورت یک ماده ویسکو پلاستیک در نظر گرفته می شود. انتخاب مقدار کم برای این پارامتر علاوه بر آنکه تأثیری در پاسخ سازه ندارد، به همگرایی در تحلیل کمک می کند. در این تحقیق، مقدار ویسکوزیته برابر با 0/001 در نظر گرفته شده است.
پس از مشخص شدن پارامترهای مربوط به تابع تسلیم، لازم است تا نمودار تنش - کرنش بتن در فشار و کشش در نرم افزارABAQUS معرفی شود.
شکل - 2 - نمودارهای مربوطه را نشان می دهد.
پارامترهای c d و t d تنش - کرنش را معین می کند. حداکثر این پارامترها برابر یک بوده در چرخه های بارگذاری و باربرداری تغییر نمی کند. همچنین، مقادیر در این شکل،پارامترهای خسارت نامیده شده و سختی بتن در نقاط مختلف نمودار و در صورتی که مقدار آنها صفر فرض شود به معنی آن است که سختی مصالح در این شکل به ترتیب مدول الاستیسیته بتن در فشار و کشش اند.
شکل-2 نمودار تنش - کرنش بتن - - الف - رفتار در کشش - - ب - رفتار در فشار
