بخشی از مقاله
چکیده:
پوسته های جدار نازک دارای شکل هندسی ویژه ای می باشند که آنها را از دیگر سازه ها متمایز می کند. از جمله ویژگی های این سازه ها ناچیز بودن ضخامت نسبت به ابعاد دیگر می باشد که همین ویژگی مسئله ناپایداری را یک عامل تعیین کننده در رفتار این سازه ها قرار داده است. بنابراین نازک بودن پوسته از یک سو و فشاری بودن میدان نیروها از سوی دیگر پوسته را در معرض کمانش قرار می دهد. همواره سعی و تلاش محققین براین بوده است که با شناخت رفتار انواع مصالح و نیز انواع هندسه آنها بتوانند ظرفیت کمانش پوسته های استوانه ای جدار نازک را افزایش دهند و در نتیجه بتوانند از سازه موجود حداکثر استفاده را داشته باشند.
با توجه به انواع روشهای سنتی مقاوم سازی پوسته ها، در این تحقیق ایده استفاده از - CFRP - به عنوان مصالح جدید و بصورت جایگزین حلقه های تقویت کننده فولادی، برای تقویت کردن پوسته های استوانه ای جدار نازک تحت فشار جانبی یکنواخت مورد تحقیق قرار گرفته است. این نوع بارگذاری عموما موقع تخلیه مخازن و پوسته های استوانه ای بوجود می آید.
در این تحقیق از دو عدد نوار CFRP بعنوان تقویت کننده در مقابل کمانش پوسته در موقعیت های یک سوم ارتفاع پوسته استفاده شده است. نتایج نشان می دهد که نوارهای CFRP ظرفیت در مقابل کمانش پوسته ها را به مقدار مورد انتظار افزایش می دهند و نتایج بدست آمده مطابقت خوبی با نتایج تحلیل های عددی و همچنین با نتایج روابط تقریبی ظرفیت پوسته ها نشان می دهد.
-1 مقدمه
سازه های استوانه ای به دلیل شکل هندسی خاص همواره مورد توجه مهندسین و طراحان رشته های عمران و مکانیک قرار گرفته است. این سازه ها بدلیل قابلیت تحمل بارهای زیاد و همچنین به جهت داشتن نسبت وزن کمتر نسبت به وزن مصالحی که در آنها ذخیره می شود دارای اهمیت می باشد. در پوسته های استوانه ای جدار نازک ضخامت جداره پوسته نسبت به دیگر ابعاد آن بسیار کوچکتر می باشد. در این سازه ها نسبت - R/t - می تواند از 500 به بالا در نظر گرفته شود.
از این سازه ها در صنایع مختلف مانند مخازن، سیلوها، و دودکش ها و برج های خنک کننده نیروگاهها استفاده می شود.
این سازه ها با توجه به نوع موادی که در آنها ذخیره می گردد در طول زمانهای مختلف تحت بارگذاریهای متفاوت قرار میگیرند. از انواع بارهایی که به این سازه ها وارد می شود می توان به بار محوری فشاری، فشار یکنواخت جانبی، بارهای لبه ای، بارهای پیچشی و همچنین بارهای ترکیبی، حرارتی، زلزله و باد اشاره نمود.
از مواردی که همواره در طراحی این سازه ها مورد توجه آئین نامه های طراحی است بحث کمانش جانبی می باشد که تحت بارهای مختلف و یا ترکیبی از آنها بوجود می آید و موجب کاهش شدید مقاومت این نوع سازه ها می گردد
اولین راه حل جهت افزایش مقاومت کمانشی پوسته ها افزایش ضخامت پوسته است، ولی این راه حل اقتصادی نمی باشد. راه حل دیگر می تواند استفاده از رینگهای فولادی باشد
این راه حل هم همراه با مشکلاتی است که از جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد: قیمت بالای فولاد، زنگ زدگی و مشکلات مربوط به عملیات جوشکاری همچون خطر آتش سوزی در مخازن حاوی مواد سوختی و بوجود آمدن ناکاملیهای هندسی در سطح پوسته در محل جوشکاری که این خود باعث کاهش مقاومت کمانشی این سازه ها می شود.
در این تحقیق جهت افزایش مقاومت کمانشی و پس کمانشی پوسته استوانه ای راه حل جدیدی پیشنهاد می گردد که اغلب مشکلات فوق الذکر را حذف می کند. این راه حل استفاده از مصالح کامپوزیتی CFRP جهت تقویت کمانش پوسته های استوانه ای فلزی در برابر فشار یکنواخت جانبی است.
استفاده از مصالح نوین CFRP جهت ساخت و نیز تقویت سازه ها و اجزا باربر اخیرا رو به افزایش بوده است و در مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی نیز مطالعات و تستهای مختلفی جهت شناخت رفتار این مصالح و نیز در سازه های تقویت شده با این مصالح صورت می گیرد. در سالهای گذشته اکثر مطالعات در زمینه رفتار سازه های تقویت شده با مصالح CFRP محدود به سازه های بتنی می گردید ولی اخیرا مطالعات و تحقیقات در زمینه رفتار سازه های فولادی تقویت شده با این مصالح گسترش یافته است و نتایج حاکی از تاثیر مطلوب این مصالح در افزایش مقاومت اجزا و سازه های فولادی می باشد.
در مقاله حاضر با استفاده از روش تحلیل نرم افزاری کاربرد مصالح کامپوزیت CFRP بعنوان مصالح نوین، جهت مقاوم سازی پوسته های استوانه ای پیشنهاد می گردد. مصالح CFRP دارای خواص مثبتی نسبت به دیگر مصالح است که عبارتند از داشتن نسبت مقاومت به چگالی بالا در مقایسه با دیگر مصالح می باشد. این مصالح همچنین نسبت به مصالح سنتی دارای دوام بالایی می باشد. برای هدفهای مقاوم سازی با CFRP نیازی به تخلیه محتویات مخزن نمی باشد و بدون خارج از سرویس کردن مخازن می توان از قسمت خارج عمل نصب مصالح را انجام داد. اتصال CFRP به پوسته توسط چسب راحتتر از جوش می باشد. استفاده از این مصالح موجب ایجاد تنش های پس ماند و ناکاملی روی پسته نمی گردد. در مخازنی که حامل مواد قابل اشتعال هستند، استفاده از این مصالح جهت تقویت خطر آتش سوزی را مرتفع می سازد.
Morteza Vakili and Hossein Showkati در زمینه تاثیر استفاده از رینگ تقویت کننده CFRP بر روی کمانش پافیلی پوسته های استوانه ای تحقیق انجام داده اند. نتایج این پژوهش نشان می دهد که استفاده از CFRP جهت تقویت پوسته ها تاثیر مثبت داشته و نشان داده شده است که این نوع تقویتی در محل ایجاد کمانش پافیلی بهترین نتیجه مقاوم سازی را می دهد.
J. G. Teng and Y. M. Hu در زمینه استفاده از FRP جهت جلوگیری از کمانش موضعی لوله های فلزی مطالعه انجام داده اند. آنها مشاهده کردند که استفاده از FRP بطور محسوسی سختی و استحکام لوله های فولادی را افزایش می دهد.
M. Batikha و همکاران در دانشگاه ادینبرگ در مورد تاثیر استفاده از FRP بر افزایش مقاومت کمانشی پوسته های استوانه ای با ناکاملی متقارن تحقیق نموده اند. آنها دریافتند که مقاومت پوسته جدار نازک توام با ناکاملی بصورت موثری با استفاده جزئی از مصالح FRP در ناحیه ناکاملی افزایش می یابد و نتیجه گرفتند که این شیوه روشی منطقی و اقتصادی جهت اصلاح و تقویت رفتار مخازن و پوسته های استوانه ای دچار ناکاملی می باشد.[9]
هدف این مقاله تحقیق روی امکان استفاده از حلقه های مصالح نوین CFRP جهت افزایش مقاومت کمانشی و پس
کمانشی پوسته های استوانه ای جدار نازک می باشد.
-2 تشریح مدل اجزا محدود
بمنظور بررسی تاثیر تقویتی CFRP بر روی مقاومت کمانشی پوسته استوانه ای از نرم افزارABAQUS ver2016 استفاده می شود. در این تحقیق تعداد 21 نمونه طبق مشخصات جدول - 1 - توسط نرم افزار مدلسازی شده و نتایج آن استخراج گردیده است.
جدول - - 1 - مشخصات نمونه های تحلیلی
در این تحقیق سه متغیر در نظر گرفته شده است که عبارتند از تعداد لایه های CFRP، نسبت R/t و موقعیت نصب نوارهای .CFRP برای متغیر تعداد لایه های CFRP دو متغیر و برای نسبت R/t سه متغیر و برای موقعیت لایه ها نیز دو متغیر منظور شده است. شعاع تمامی نمونه ها برابر با 250 میلیمتر در نظر گرفته شده است.
