بخشی از مقاله
کاربرد پلیپروپیلن مسلح در عرشه پل و مقایسه آن با عرشه بتنی مسلح
چکیده
با توجه به پیشرفتهای صورت گرفته در زمینههای مختلف علمی، صنعت ساختمان و پل دچار تحول گردیده و مصالح نوین در ساخت و ساز گسترش فراوانی یافته است. از جمله این مصالح پلیمرها را میتوان نام برد. اخیراً از پلیمرها به جای مقاطع فولادی در ساختمانها استفاده شده است. پلیمرها خواص فیزیکی و مکانیکی خوب و مفیدی دارند. آنها دارای وزن مخصوص پایین و پایداری خوب در مقابل مواد شیمیایی هستند. استفاده از بتن الیافی بخصوص بتن پلیپروپیلن در صنعت ساختمان سازی رواج زیادی یافته است. با این وجود تحقیقات در رابطه با پلیمرها به صورت تنها یا به همراه میلگرد انجام نگرفته است. نظر به اینکه
کشور ما کشور نفت خیزی است استفاده از این مصالح اقتصادی میباشد.
در تحقیق حاضر از بتن معمولی و پلیپروپیلن جهت بررسی انتخاب گردید، در مورد رفتار کلی بحث شد، احتمال استفاده از پلیمر انتخاب شده به عنوان عرشه در نظر گرفته شد. مشخصات مورد نیاز برای ایجاد مدل کامپیوتری بدست آمد و مدل مورد نظر توسط نرم افزار Abaqus ایجاد شده، تحلیل گردید. نتایج
تحلیل نشان دادند که خیز دال مسلح پلیپروپیلن نسبت به خیز بتن مسلح در بارگذاریهای متفاوت حدود 15% الی 16% بیشتر است. این بدین معنا است که دال مسلح پلیپروپیلن تغییرشکل قابل ملاحظهای در مقایسه با بتن مسلح از خود نشان میدهد. تنش دال مسلح پلیپروپیلن نسبت به تنش بتن مسلح در بارگذاریهای متفاوت حدود 8% الی 9% بیشتر است. کرنش دال مسلح پلیپروپیلن نسبت به کرنش بتن مسلح در بارگذاریهای متفاوت حدود 15% الی 18% بیشتر است.
واژههای کلیدی: پلیمر، پلیپروپیلن، عرشه پل، بتن مسلح
-1 مقدمه
با توجه به پیشرفتهای صورت گرفته در زمینههای مختلف علمی، صنعت ساختمان سازی نیز دچار تحول گردیده و مصالح نوین در ساخت وساز گسترش فراوانی یافته است. از جمله این مصالح، پلیمرها را میتوان نام برد. در زمینه ساختمان و پلسازی سعی میشود از بتن الیافی و سایر مصالح، برای ارتقاء کیفیت و مقاومت استفاده گردد. تحقیقات کمی در رابطه با الیاف پلیمری و پلیمرها انجام گرفته است. نظر به اینکه کشور ما کشور نفت خیزی است استفاده از این الیاف از لحاظ اقتصادی بسیار باصرفه میباشد. الیاف افزودنی مختلفی در ترکیب با بتن برای کاربردهای خاص طراحی و برای بهبود خواص مکانیکی آن آزمایشهای زیادی صورت گرفته است. تحقیقات
1
صورت گرفته بطور کلی به ارزیابی اثرات الیافهای ساخته شده از فولاد، شیشه، کربن و یا کنف روی رفتار بتن میپردازد. پلیپروپیلن یکی از مهمترین پلیمرهای میباشد که بدلیل داشتن قیمت ارزان، خواص و کیفیت مرغوب خود در رقابت با انواع پلاستیکها از بالاترین رشد مصرف برخوردار شده است.
هدف از این تحقیق، بررسی مصالح جدیدی نظیر چند پلیمر مطرح شده میباشد که بتوان از آنها به عنوان جایگزین برای مصالح متداول در ساختمان سازی استفاده کرد. تحقیقات کمی در رابطه با الیاف پلیمری به خصوص پلیپروپلین انجام گرفته است. به دلیل بالا بودن وزن مخصوص بتن، سعی میشود از مصالح دیگر مدل شده و به این منظور امکان جایگزینی با انواع پلیمر به منظور سبک سازی بررسی شود، استفاده از برخی پلیمرها به صورت الیاف در داخل بتن باعث شده است که ترکها کنترل شوند و شکلپذیری بتن را نیز زیاد کنند. استفاده از مصالح پلیمری به جای بتن در ساختمانها، باعث کاهش وزن سازه و در نتیجه کاهش نیروهای جانبی ناشی از شتاب زلزله میباشد. در این تحقیق کلیه شرایط بارگذاری و طراحی یکسان بوده و فقط جنس تیر از بتنی به پلیمری تغییر یافته است.
-2 مروری بر کارهای گذشته الیاف پلیپروپیلن اولین بار در سال 1965 توسط گلدفین1 به عنوان افزودنی بتن برای ساختمان ضد انفجار
ارتش آمریکا به علت مقاومت ضربهای زیاد آن استفاده شد.
بنتور و میندس2 نتایج زیر را درباره سیستم ترکیبی الیاف ارائه دادهاند :[1]
-1 در سیستمی که از یک نوع الیاف که مستحکمتر و سختتر باشند استفاده شود، مقاومت نهایی و نیز مقاومت در برابر ترکخوردگی اولیه بهبود مییابد و دومین نوع الیاف که خیلی انعطافپذیر و شکل پذیرتر است موجب بهتر شدن استحکام و ظرفیت کرنشی در منطقه گسترش تَرَکها میشود.
-2 به منظور مسلحکردن بتن بوسیله الیاف هیبریدی چون دسته اول الیاف از نوع کوتاه هستند باعث جلوگیری از گسترش ترکهای مویین شده که در نتیجه آن ترکیب حاصل دارای مقاومت کششی بالاتری خواهد بود. دسته دوم الیاف بزرگتر از دسته اول میباشند. بنابراین میتوانند از گسترش ترکهای بزرگ جلوگیری کنند که این امر به نوبه خود باعث افزایش استحکام بتن خواهد شد.
-3 در مسلح ساختن بتن بوسیله الیاف، دوام و پایایی کوتاه مدت و بلند مدت بتن با نوع الیاف تغییر می-
کند. وجود الیاف با دوام بیشتر موجب افزایش مقاومت و استحکام بتن در طول مدت بهره برداری از آن می شود. اما نوع دیگر الیاف، در قطعات پیش ساخته بتنی میتواند استحکام اولیه و کوتاه مدت بتن را در هنگام حمل و نقل قطعات تضمین کند.
محققان دانشگاه میشیگان گونه جدیدی از بتن مسلح با الیاف ساختهاند که از بتن عادی 40 درصد سبکتر و در برابر ترک خوردن 500 بار مقاومتر است. این بتن جدید که "کامپوزیت سیمانی مهندسی"، نامیده
شده، به دلیل عمر طولانی در دراز مدت از بتن معمولی ارزانتر است. عملکرد این بتن جدید از یک طرف به دلیل وجود الیاف نازکی است که 2 درصد حجم ملات بتن را تشکیل میدهد و از طرف دیگر به این خاطر است که خود بتن از موادی ساخته شده است که برای ایجاد حداکثر انعطافپذیری طراحی شدهاند. به گفته محققین، بتن جدید که "کامپوزیت سیمانی مهندسی"، نامیده شده، به دلیل عمر طولانیتر در دراز مدت از بتن معمولی ارزانتر است.
2
به گفته "ویکتورلی" استاد گروه مهندسی سازه "دانشگاه میشیگان" و سرپرست تیم سازنده بتن، فن کامپوزیت
سیمانی تاکنون در پروژههایی در ژاپن، کره، سوئیس و ایتالیا به کار گرفته شده است. استفاده از آن در ایالات متحده به نسبت کند بوده است. این در حالی است که بتن متعارف دارای مشکلات بسیاری از جمله نداشتن دوام
و پایداری، شکست در اثر بارگذاری شدید و هزینههای تعمیر در اثر شکست است.
به گفته "لی"، بتن نشکن یا انعطافپذیر به جز شن درشت از همان مواد تشکیلدهنده بتن معمولی ساخته
شده است. بتننشکن کاملاً شبیه بتن عادی است اما تحت کرنشهای بسیار بزرگ، بتن کامپوزیت سیمانی تغییر شکل میدهد، این قابلیت از آنجا ناشی میشود که در این نوع بتن، شبکه الیاف داخی سیمان قابلیت لغزیدن داشته و در نتیجه انعطافناپذیری بتن که باعث تردی و شکنندگی است، از میان میرود. برای اولین بار، "اداره حمل و نقل میشیگان" برای نوسازی قسمتی از عرشه پل "گرواستریت" بر فراز بزرگراهی از کامپوزیت سیمانی
استفاده می کند. دالی از جنس کامپوزیت سیمانی جایگزین یک مفصل انبساطی در این قسمت از پل خواهد شد تا با متصل کردن دالهای بتنی مجاور به هم، عرشه ای یکنواخت از بتن به وجود آورد. استفاده از مفصل انبساطی به عرشه بتنی قابلیت حرکت در اثر تغییرات میبخشد. اما در هنگام گیر کردن مفصلها، مشکلات زیادی پیش میآید. دانشمندان انتظار دارند استفاده از کامپوزیت سیمانی باعث صرفهجویی در هزینه ها شود. اگر چه هنوز مطالعات دراز مدت زیادی برای تأیید عملکرد کامپوزیت سیمانی مورد نیاز است، مقایسههای انجام شده در "مرکز سیستمهای پایدار"، از "دانشکده منابع طبیعی و محیط زیست"، به همراه گروه "لی"، نشان میدهد که در یک
دوره 60 ساله، استفاده در عرشه پل، کامپوزیت سیمانی نسبت به بتن عادی 37 درصد ارزانتر است، 40 درصد انرژی کمتری مصرف میکند و باعث کاهش انتشار دی اکسید کربن تا 39 درصد میشود. تاکنون مشخص شده است که انواع الیافها میتوانند ظرفیت کرنش مقاومت در برابر ضربه، میزان جذب انرژی مقاومت سایشی و مقاومت کششی بتن را افزایش دهند. به طور کلی برای کاربرد در سازه الیاف فولادی می تواند نقش مکملی برای میلگرد داشته باشد. الیاف فولادی با پخش ترکها مقابله میکنند و مقاومت بتن را در برابر خستگی ضربه جمع شدگی و تنشهای حرارتی افزایش داده و بتن در همه مدهای شکست روی خواص مکانیکی بتن تأثیر مثبت می-
گذارد. از اهم متغیرهایی که بر خواص بتن با الیاف فولادی اثر میگذراند میتوان به خواص ماتریس بتن بازدهی الیاف و مقدار الیاف اشاره کرد. تکنولوژی بتن پرمقاومت توسعهای جدید در صنعت ساخت سازههای بتنی محسوب میشود .[2]
-3 مدل دال مسطح
در مقطع دال از شبکه آرماتور Φ32@10 با پوشش5 cm استفاده شده است.
طبق شکل زیر:
شکل :1 دال مسطح
3
در این مقاله سعی شده است از نرم افزار 3[ Abaqus و ]4 برای مقایسه دو نوع بتن معمولی و پلیپروپیلن استفاده شود که در ابتدا مشخصات پلیپروپیلن بطور مختصر در جدول 1 بیان میشود.
جدول:1 خواص الیاف پلیپروپیلن[6] [5]
نوع الیاف مقاومت ضریب افزایش طول نهایی دانستیته
کششی((kg/cm2 پواسون (kg/m3)
پلی پروپلین 407 0/45 23% 913
ابتدا یک دال از پلیپروپلین به ابعاد با مشخصات جدول بالا در نرم افزار Abaqus مدل گردید سپس یک دال
با همین ابعاد با بتن معمولی را مدل- سازی شد. ساختار استفاده شده
برای مدلسازی برای کلیه اجزای اتصال حالت جسم جامد )Solid(
میباشد جهت مشبندی اجزای اتصال از اعضای چهار وجهی از نوع
C3D8R استفاده شد.
بار اعمالی به سیستم دال در هر دو حالت پلیمری و بتنی بار عابر پیاده بدست آمده از آییننامه که برای طول
12 متر برابر 290 میباشد. در چهار حالت بارگذاری، بارگذاری روی کل سطح، بارگذاری روی نصف عرضی سطح ، بارگذاری روی یک چهارم سطح و بارگذاری روی نصف طولی سطح مورد استفاده قرار گرفته است.
الف) بارگذاری روی کل سطح ب) بارگذاری روی نصف عرضی سطح ج) بارگذاری روی یک چهارم
سطح
د) بارگذاری روی نصف طولی سطح
شکل :2 الگوهای بارگذاری سطحی
4
خیز بتن مسلح تحت بارگذاری در روی کل سطح در شکل 3 نشان داده میشود.
شکل :3 خیز مدل بتنی تحت بارگذاری در کل سطح
خیز پلیپروپیلن مسلح تحت بارگذاری در روی کل سطح در شکل 4 نشان داده میشود.
شکل: 4 خیز مدل پلیپروپیلن تحت بارگذاری در کل سطح
توزیع تنش بتن مسلح تحت بارگذاری در روی کل سطح در شکل5 نشان داده میشود.
5
شکل :5 توزیع تنش بتن در روی کل سطح بار گذاری
توزیع تنش پلیپروپیلن مسلح تحت بارگذاری در روی کل سطح در شکل 6 نشان داده میشود.
شکل :6 توزیع تنش پلیپروپیلن در روی کل سطح بار گذا
6
توزیع کرنش بتن مسلح تحت بارگذاری در روی کل سطح در شکل 7 نشان داده میشود.
شکل :7 توزیع کرنش بتن در روی کل سطح بار گذاری
توزیع کرنش پلیپروپیلن مسلح تحت بارگذاری در روی کل سطح در شکل 8 نشان داده میشود.
