توضیحات

پروژه شبیه سازی رفتار ستون بتنی استوانه ای تقویت شده و دورپیچ شده با الیاف پلیمری مسلح( GFRP ) در نرم افزار ال اس داینا (LS-DYNA) 

 

باتوجه به زلزله خیز بودن کشور ایران قرار گیری آن در پهنه با خطر نسبی لرزه ای بالا، مسائل مربوط به برقراری ایمنی و امنیت در هنگام حوادث طبیعی چون زلزله، دارای اهمیت بالایی می باشند. در شرایط بحرانی عملکرد ایمن شریان های اصلی که قابل استفاده بودن آنها پس از وقوع زلزله اهمیت خاص دارد و وقفه در بهره برداری از آنها به طور غیرمستقیم موجب افزایش تلفات و خسارات می شود بسیار حائز اهمیت است. گذرهای اصلی که مراکز مهم اداری، سیاسی، تجاری و محل های مسکونی را به یکدیگر مرتبط می کنند، جزء شریان های حیاتی محسوب می شوند و در این بین پل های ساخته شده در مسیر این گذرها مخصوصاً پل های ساخته شده روی رودخانه از اهمیت بالاتری برخوردار هستند. مقاوم سازی شریان های حیاتی یکی از مباحث حیاتی در بهسازی و مقاوم سازی شریان ها است که نیازمند توجه ویژه مهندسان و شرکت های مقاوم سازی است.بررسی زلزله های گذشته نشان میدهد که پایه ها، بعد از تکیه گاه ها دومین عناصری هستند که در زلزله بیشترین آسیب را دیده اند و از آنجا که آسیب دیدگی این عضو می تواند منجر به فروریختن تمامی یا بخشی از پل شود، لذا این قسمت از سازه دارای اهمیت ویژه می باشد.باتوجه به اینکه در طراحی تعداد زیادی از پل های موجود اثرات تخریبی زمین لرزه به علت ناکافی بودن دانش طراحی لرزه ای در زمان ساخت در نظر گرفته نشده است، احتمال بروز خسارات وسیع در پل ها و اجزای موجود آنها بر اثر وقوع یک زلزله نسبتا شدید دور از انتظار نخواهد بود. در بررسی های انجام شده در تحقیقات میدانی بعد از وقوع زلزله های بزرگ و ارزیابی لرزه ای سازه های موجود مشخص شده است که پایه می پل های قدیمی دارای ضعف های فنی از جمله مقاومت طراحی ناکافی و شکل پذیری کم سازه می باشند.امروزه بحث تقویت ستون های موجود یکی از مباحث مهم و مورد توجه در سرتاسر دنیا بوده است. به این گونه که استفاده از الیاف CFRP یکی از جدیدترین روش های تقویت ستون های بتنی می باشد. این الیاف به دلیل وزن کم و مقاومت بالا و استقامت خویشان در محیط های نامساعد قلیایی و اسیدی در تقویت سازه کاربرد فراوانی پیدا کرده اند. در ساختمان سازی از این مواد به دو صورت ورق های نرم و سخت استفاده می کنند. از ورق های سخت این مواد همانند ورق های فولادی استفاده می شود و در تقویت اعضای بتنی مخصوصا اعضای خمشی کاربرد فراوان دارند. الیاف CFRP نیز که مانند پارچه می باشند که در تقویت ستون های بتنی نقش اساسی دارند. این مواد همانند پارچه ای بر روی عضو سازه ای چسبانده شده و باعث افزایش مقاومت فشاری و شکل پذیری ستون میشوند (اثر دورگیری) روش مذکور در تقویت ستون های بتنی از مزیت اقتصادی و اجرایی زیادی برخوردار است. شکل پذیری یکی از عوامل مهم در استهلاک نیروی جانبی زلزله و عملکرد مناسب لرزه ای در سازه می باشد. برای داشتن سازه شکل پذیر ضوابط متعددی از جمله نحوه اتصالات، تعداد و فواصل میلگردای عرضی و طولی، طول و محل وصله ها، طول و محل ایجاد مفاصل پلاستیک و مقاومت مشخصه بتن لازم است تا در طراحی و اجرای سازه در نظر گرفته شود.استفاده از ورق های FRP و غلاف فولادی می تواند در رفع این نواقص و بهبود عملکرد لرزه ای پایه پل تاثیر گذار باشد. با توجه به وقوع زلزله های مختلف و بروز آثار مخرب بر جامانده از آن در تمامی زمینه ها و با توجه به اینکه کشور ایران در ناحیه لرزه خیز قرار دارد، لزوم ترمیم و تقویت سازه ها با توجه به هزینه های سنگین ساخت مجدد سازه و توقف بهره برداری از آن، امر ضروری به نظر می رسد.

ساختار مصالح FRP:

مواد FRP از دو جزء اساسی تشکیل می شوند؛ فایبر (الیاف) و رزین (ماده چسباننده). فایبرها که اصولاً الاستیک، ترد و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در ماده FRP محسوب می شوند. بسته به نوع فایبر، قطر آن در محدوده ۵ تا ۲۵ میکرون می باشد. رزین اصولاً به عنوان یک محیط چسباننده عمل می کند که فایبرها را در کنار یکدیگر نگاه می دارد. با این وجود، ماتریس های با مقاومت کم به صورت چشمگیر بر خواص مکانیکی کامپوزیت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثر نمی گذارند. ماتریس (رزین) را می توان از مخلوط های ترموست و یا ترموپلاستیک انتخاب کرد. ماتریس های ترموست با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت مایع یا روان در نمی آیند؛ در حالی که رزین های ترموپلاستیک را می توان با اعمال حرارت، مایع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد در آورد. به عنوان رزین های ترموست می توان از پلی استر، وینیل استر و اپوکسی و به عنوان رزین های ترموپلاستیک از پلی وینیل کلرید(PVC)، پلی اتیلن و پلی پروپیلن(PP) نام برد. فایبر ممکن است از شیشه، کربن، آرامید و یا وینیلون باشد که در این صورت محصولات کامپوزیت مربوطه به ترتیب به نام های AFRP ،CFRP ،GFRP و VFRP شناخته می شود.

محصورشدگی ستون های بتنی:

بنا به تعریف، محصورشدگی، جلوگیری از انبساط شعاعی بتن به واسطه اعمال فشار جانبی می باشد. این فشار، نتیجه عکس العمل اعضای محصور کننده بتن نسبت به تمایل تغییر شکل جانبی بتن می باشد. یک عضو بتنی تحت فشار محوری، به موازات امتداد نیرو ترک می خورد و متلاشی می شود. با اعمال نیروی فشاری در جهت عمود بر ترک های ایجاد شده، می توان توسعه ترک ها را محدود نمود.  یکی از روش های بسیار کارا در بهبود عملکرد ستون های بتنی، محصور نمودن بتن در این اعضا می باشد. این موضوع به دلایل زیر حائز اهمیت است:

الف) از مشاهده زلزله های گذشته برمی آید که ستون در ساختمان های بتنی و همچنین در پل ها به عنوان یک عضو بسیار حساس می باشد.

ب) افزایش ظرفیت باربری ستون ها، به دلیل تغییر کاربری سازه ها و یا افزایش حجم ترافیک در پلها، ضروری می باشد.

ج) رفع برخی نقص ها در اجرای ستونها، به دلیل ضعف آیین نامه های گذشته و یا خطاهای اجرائی.

از اثرات محصورشدگی در ستون های بتنی، می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• افزایش ظرفیت ستون
• افزایش شکل پذیری ستون

روش های افزایش محصورشدگی ستون های بتنی:

تا اوایل دهه ۱۹۹۰، از دو روش ایجاد غلاف بتن آرمه در اطراف ستون و پانصب پوسته های فولادی پیرامون ستون و تزریق بتن در آن، برای تقویت ستون های بتنی استفاده می گردید. با اینحال، هر دو روش فوق در اجرا با دشواری هایی روبرو بودند. به عنوان مثال، پوسته های فولادی علاوه بر افزایش قابل توجه وزن سازه، مقاومت ضعیفی در برابر عوامل جوی و خوردگی نیز داشتند. در سال های اخیر، از کامپوزیت های پلیمری مسلح شده با الیاف (Fiber Reinforced Polymers, FRP) به منظور تقویت و بهسازی سازه های موجود و همچنین ساخت سازه های جدید در مهندسی عمران استفاده می شود. روش های مختلفی برای تقویت ستون های بتنی با استفاده از FRP ابداع شده است که متداول ترین روش آن، دورپیچ نوارهای FRP بر روی سطح خارجی ستون می باشد.

پلیمرهای مسلح با الیاف(FRP ):

اصطلاح FRP، به پلیمرهای مسلح با الیاف اطلاق می شود. کامپوزیت FRP از دو جزء اصلی الیاف و رزین تشکیل شده است. الیاف به عنوان جزء اصلی این کامپوزیت ها، رفتاری الاستیک و ترد دارد و دارای مقاومت کششی و همچنین ضریب کشسانی بسیار بالایی می باشد. رزین، نگه دارنده و دربرگیرنده الیاف در کنار یکدیگر بوده و تنش ها را به الیاف منتقل می نماید. کامپوزیت FRP با قراردادن الیاف در یک زمینه رزینی که الیاف را به یکدیگر می چسباند، ساخته می شود. الیاف بکاررفته در ساخت FRP در انواع شیشه، کربن، آرامید و یا وینیلیون می باشد و FRP های ساخته شده با این الیاف به ترتیب با نام های تجاریGFRP، CFRP AFRP، VFRP شناخته می شوند. دو نوع GFRP و CFRP در صنعت ساختمان کاربرد بیشتری دارند

کاربرد FRP در تقویت و بهسازی سازه ها:

کامپوزیت های FRP نسبت به مصالح سنتی و مرسوم همچون فولاد و بتن، مزایای بسیاری دارند که شامل: نسبت بالای مقاومت و سختی به وزن و همچنین مقاومت مناسب آنها در برابر عوامل محیطی و خوردگی می باشد. کامپوزیت های FRP در مقایسه با بتن و فولاد، ضعف هایی نیز دارند که شامل هزینه نسبتا بالا، رفتار خطی -الاستیک – ترد و همچنین مقاومت ضعیف آنها در برابر آتش می باشد. در کاربری های تقویت و بهسازی، هزینه بالای آنها به دلایل متعددی قابل چشم پوشی است، ولی در حال حاضر این هزینه در مورد ساخت سازه های جدید، مقرون به صرفه نیست. در کاربری های تقویت و بهسازی، از کامپوزیت های FRP به منظور تحمل کشش استفاده می شود. لذا عملکرد ضعیف FRP در برابر آتش، به سبب عدم تحمل بارهای دائمی سازهای توسط FRP، بحرانی نخواهد بود. این ضعف در سازه هایی که در فضای باز قرار دارند (نظیر پل ها) نیز بحرانی نمی باشد. باتوجه به این ملاحظات، می توان دریافت که بکارگیری ایده آل FRP در کاربری های تقویت و بهسازی و همچنین ساخت سازه های جدید نیازمند رعایت معیارهای ذیل می باشد: هزینه بالای آنها بر حسب ارزیابی صورت گرفته برای دوره بهره برداری، مقرون به صرفه باشد. تا حد امکان، FRP در موقعیت هایی استفاده شود که تحت کشش قرار گیرد. در موقعیتهایی بکار رود که مقاومت ضعیف آن در برابر آتش، بحرانی نباشد. باید توجه داشت که رعایت معیار آخر برای پل ها و دیگر سازه هایی که در فضای باز هستند، به راحتی امکان پذیر است. رعایت دو معیار نخستین، در اکثر موارد با ترکیب FRP به همراه دیگر مصالح سازه ای و ساخت اعضای سازهای مرکب، میسر می باشد. آشکار است که در حوزهی سازه های مرکب، به منظور استفاده از کامپوزیت های FRP در ساخت سازه های جدید، باید نگاه مطالعاتی عمیق و وسیعی صورت پذیرد. هدف در این حوزه، ترکیب و چیدمان بهینه ای از FRP به همراه مصالح سنتی مثل فولاد و بتن و ایجاد شکل های سازهای ابتکاری با عملکرد ایده آل و مقرون به صرفه می باشد. تاکنون اشکال مختلفی از سازه های مرکب با استفاده از FRP، توسط پژوهشگران پیشنهاد شده است.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی رفتار ستون بتنی استوانه ای تقویت شده و دورپیچ شده با الیاف پلیمری مسلح( GFRP ) در نرم افزار LSDYNA انجام شده است.

نرم افزار LS-DYNA:

امروزه علاوه بر روش های تحلیلی و تجربی، روش های عددی نیز برای حل مسائل فیزیکی کاربرد وسیعی دارد. زیرا استفاده از روش های آزمایشگاهی، هزینه های اقتصادی زیادی در بر دارد. لذا استفاده از یک برنامه اجزای محدود مناسب برای شبیه سازی مسائل فیزیکی اجتناب ناپذیر است. برنامه های اجزای محدود، برای سازه های پیچیده که تعیین معادلات دیفرانسیل سخت و یا غیرممکن است، یک روش قدرتمند است. در این پروژه از نرم افزار اجزای محدود LS-DYNA استفاده شد. در این پروژه به منظور شبیه سازی نمونه­ها از نرم افزار المان محدود LS-DYNA نسخه r7.0 برای حلگر و نسخه برای4.7 LS-PrePost استفاده شده است. عمده روش های حل توسط این نرم افزار به صورت صریح می باشد. هرچند یک روش ضمنی با وجود محدودیت هایی قابل استفاده است. نرم LS-DYNA این قابلیت را دارا می باشد که اثر محصورشدگی FRP بر بتن را بدون نیاز به هیچگونه کدنویسی لحاظ کند.

هندسه مسئله:

 

مشخصات مصالح بکار رفته:

مصالح بکار رفته در نمونه ها شامل مصالح بتنی، و الیاف FRP می باشند. بدلیل چشم پوشی از اثر جداشدگی لایه FRP از بتن، از ارائه ی مشخصات ماده ی چسب در این پروژه صرف نظر شده است. نرم افزار LS-DYNA بالغ بر ۱۸۶ نوع ماده ی از پیش تعریف شده در بانک داده های نرم افزاری خود دارا می باشد.

نمونه نتایج شبیه سازی: