توضیحات

پروژه شبیه سازی رفتار شکست و گسیختگی برشی تیر بتن آرمه تحت خمش چهار نقطه ای در نرم افزار دایانا (DIANA)

شکست برشی:

در بسیاری از تیرهای بتن آرمه خاموت‌های برشی نقش مهمی در تحمل بارهای برشی ایفا می‌کنند. عمده ترک‌های مایل که از تکیه‌گاه شروع می‌شوند توسط همین آرماتورهای عرضی دوخته می‌شوند. ایجاد خرابی برشی در تیرها از نوع شکست ترد محسوب می‌شود و باید تا حد امکان از وقوع آن جلوگیری به عمل آید. در برخی موارد فاصله آرماتورهای عرضی بیش از حد مجاز می‌باشد به همین دلیل تیر مستعد خرابی برشی می-باشد. یا در برخی موارد بارگذاری به نحوی است که برش بر رفتار تیر حاکم می‌باشد و ممکن است تیر در برش تخریب شود. در تیرهای با ارتفاع زیاد و طول کم همانند تیرهای عمیق، برش قابل توجهی در جان تیر ایجاد می‌شود. همچنین در برخی موارد بهسازی تیرهای بتن آرمه موجود، مشخص می‌شود که ظرفیت برشی تیر کافی نیست و باید تقویت برشی بر روی تیر انجام گیرد. به همین دلیل باید روش‌های بهسازی برشی تیر مورد بررسی قرار گیرد. شکست برشی معمولی، عموماً با ترکیب خمش و برش و ایجاد یک ترک برشی آغاز می شود. نقش خاموت های فولادی، جلوگیری از افزایش تنش ها در بتن و به دنبال آن ممانعت از ایجاد ترک برشی قطری است. این خاموت های می توانند به صورت قائم و یا مورب در تیر تعبیه شوند. استفاده از خاموت مایل تاثیر بهتری در مقاومت برشی دارد. زیرا در این حالت، راستای خاموت ها در راستای نیروی کششی بوده و نیروی بیشتری جذب می کنند. حال چنانچه تیری داشته باشیم که خاموت های موجود در آن به دلایل مختلفی از جمله تغییر در کاربری، افزایش مقدار بار اعمالی که در محاسبات مدنظر بوده است، تغییرات آیین نامه ای، وقوع خرابی در گذر زمان و …. قادر به تحمل برش وارده نباشد، باید تمهیداتی برای افزایش مقاومت برشی آن در نظر گرفت تا از شکست برشی ترد و ناگهانی آن جلوگیری شود.

دلایل شکست برشی:

به دلیل ماهیت ترد و ناگهانی شکست برشی، از مهمترین الزامات طراحی تیرهای بتن مسلح می توان به مقاومت برشی تیر اشاره نمود. به دلیل اینکه شکست برشی در تیر بتن مسلح، با ایجاد ترک های مورب همراه می باشد، بنابراین برای مقاوم سازی اعضا در برابر برش لازم است که کل ارتفاع آن مقاوم سازی گردد. شکست های برشی منجر به کاهش سریع مقاومت جانبی پایه می گردند. از نمونه های محتمل به شکست برشی می توان به تیرهای کوتاه با جزئیات آرماتوربندی عرضی با آئین نامه های قدیمی اشاره نمود. به دلایل زیر ممکن است تیر بتن مسلح مقاومت کافی برای برش را نداشته باشد:

-ناکافی بودن خاموت ها

-سطح مقطع کم تیرها

-کمتر بودن ظرفیت برشی اولیه مقطع از نیروی برشی وارد بر آن در هنگام زلزله و نهایتاً کاهش ظرفیت برشی مقطع در هنگام زلزله می شود.

تیرهای بتن مسلح بدون فولادهای برشی:

بحث برش در تیرهای همگن الاستیک به طور خیلی نزدیکی می تواند در مورد تیرهای بتنی غیر مسلح به کارگرفته شود. در چنین تیرهایی، با افزایش بار وارده، یک ترک کششی در نقطه ای که بالاترین تنش کششی در آن موجود است، به وجود می آید که به سرعت باعث خرابی می گردد. به غیر از تیرهایی که ابعاد آنها به طور نامعقولی نامتناسب است، در سایر تیرها بزرگترین تنش های کششی آنهایی هستند که در تارهای خارجی فقط در اثر خمش، در مقطع لنگر خمشی حداکثر، به وجود می آید. در چنین حالتی برش اثر ناچیزی روی مقاومت تیر خواهد داشت. لیکن، وقتی در تیر فولاد کششی قرار داده می شود، وضعیت کاملا متفاوت خواهد بود. حتی اگر ترک های خمشی در بتن به وجود آید، مقاومت کششی لازم برای خمش، توسط فولاد تامین میشود و تیر قادر به تحمل بارهای بزرگتری خواهد بود و تنش های برشی متناسب با بار وارده افزایش می یابند. در نتیجه تنش های کششی قطری با شدت زیاد قابل توجهی در مناطقی که نیروی برشی در آنها زیاد است مخصوصا در نواحی نزدیک تکیه گاه) به وجود می آیند. میلگردهای طولی که برای خمش طراحی و جایگذاری شده اند، بیشتر برای مقابله با کشش طولی در نزدیکی تارهای خارجی موثر هستند. چنین میلگردهایی اثری در تسلیح بتن در مقابل تنشهای کششی قطری که در نقاط دیگر تیر در اثر برش خالص با اثر توام برش و خمش به وجود می آیند، ندارند. بالاخره تنش ها به مقداری می رسند که برای باز کردن ترکهای کششی اضافی در امتداد عمود بر تنش های کششی قطری، آنها را ترک قطری مینامیم. ترکهای قائم خمشی در مناطق لنگر خمشی حداکثر و ترکهای قطری در مناطق برش حداکثر به وجود می آیند. در شکل زیر هردو نوع ترک نشان داده شده است. در تیرهایی که برای مقابله با تشکیل ترک۔ های کششی قطری بزرگ، فولادگذاری نشده اند، این ترکها وسعت زیادی را در بر می گیرند و عموما اثر مخرب بر روی عضو دارند. به همین علت پیش بینی باری که در این اعضا ترک های قطری به وجود می۔ آورند و همچنین اتخاذ تدابیری برای جلوگیری از ایجاد آنها امری ضروری می باشد.

وجود فولاد طولی و عرضی در تیر:

در تیرها با ترک های خمشی کششی، از میلگردهای فولادی طولی استفاده می شود. به همین دلیل فولادها می توانند نیروی کششی ای که بتن قادر به تحمل آن نمی باشد را تحمل کنند. در صورتیکه تیرهایی که بخش قبلی مطالعه شدند، فقط توسط فولادهای طولی مسلح شوند و هیچگونه میلگردی برای مقابله با اثر کششی قطری در آنها تعبیه نشده باشد، ترک های قطری نسبت به ترک های خمشی، اثر جدی تر و مخرب تری روی رفتار و مقاومت تیر دارند. آزمایشات انجام گرفته شده نتیجه مهم زیر را بیان می کنند: در تیرهای معمولی(تیرهای دارای نسبت دهانه به ارتفاع برابر با هشت و یا بزرگتر از آن) ترک های قطری پس از تشکیل؛ سریعاً و یا با افزایش بسیار کم در مقدار بارگذاری به تمام ارتفاع تیر گسترش پیدا می کنند و تیر را به دو قطعة مجزا تقسیم کرده و باعث شکست آن می شوند. این فعل و انفعال ناگهانی و بدون هیچ اخطاری قبلی خواهد بود. عدم وجود میلگرد برشی، اینگونه تیرها را در مقابل افزایش بارهای ناگهانی بسیار صدمه پذیر می کند که می تواند باعث خرابی های فاجعه انگیز بدون هشدار قبلی شود. به همین علت توصیه می شود حتی اگر محاسبات عدم نیاز به خاموت را نشان دهند، باز هم یک حداقل میلگرد برشی در تیر تعبیه شود.

بتن:

بتن در مفهوم وسیع به هر ماده یا ترکیبی که از یک ماده چسبنده با خاصیت سیمانی شدن تشکیل شده باشد، اطلاق می باشد. به بیان دقیقتر، بتن ماده بسیار سخت و سنگ مانندی است که از ترکیب مقدار معینی سیمان، شن، ماسه، آب و هوا به دست می آید. چسبندگی بین مولفه های مذکور، حاصل فعل و انفعال شیمیایی بین سیمان و آب(هیدراسیون) می باشد. توده اصلی بتن، سنگدانه های ریز و درشت(ماسه و شن) می باشد. با انتخاب تناسب سایز مختلف از مصالح تشکیل دهنده بتن، طیف وسیعی از مقاومت های استفاده از بتن مسلح نیز حاصل کشف و اختراع ناگهانی یک نفر نیست و به تدریج به شکلی که امروزه وجود دارد تبدیل شده است. سازه هایی که با استفاده از ملات کاه گل ساخته شده اند، نمونه ساده و قدیمی سازههای مسلح امروزی می باشد که به خاطر مقاومت کشش کم و آبرفتگی نسبتا بالای گل، برای جلوگیری از ترک خوردگی، مقداری کاه به آن اضافه می کردند تا الیاف کاه بتوانند نیروی کششی بوجود آمده از گل را تحمل کنند و ترک های آبرفتگی و کششی گل را کاهش دهد بتن مسلح نتیجه تلاش، آزمایش و تجربه تعدادی از مهندسان و معماران قرن نوزدهم میلادی می باشد. در سال ۱۸۴۸ میلادی، لمبوت با ساختن یک قایق پارویی که با شبکه ای از میله های آهنی مربع مستطیل شکل مسلح شده بود، اولین سازه بتن آرمه را به صورتی که امروزه می شناسیم به وجود آورد. تا اوایل قرن بیستم هیچ روش تئوریک که مورد قبول همگان، برای طراحی قطعات بتن مسلح باشد وجود نداشت، اما در قرن بیستم با پیشرفت تحقیقات تحولی اساسی در شناخت و بررسی رفتار بتن مسلح به وجود آمد. پس از گذشت مدتی از پیدایش بتن مسلح بشر قادر به تولید فولادی با تنش تسلیم حدودا ۴ برابر فولادهای معمولی با هزینه نسبتا پایین شد. به طور مشابه امکان تولید بتن هایی با مقاومت فشاری ۲ یا ۳ برابر بتن های معمولی نیز به وجود آمد. مسلح کردن بتن با فولادی که مقاوم سازی شدن آن بالا است، از لحاظ مهندسی مشکلاتی دارد زیرا با بالارفتن تنش در فولاد کرنش آن افزایش یافته و از آنجا که کرنش بتن و فولاد با هم برابرند کرنش بتن نیز افزایش یافته و ترک های بزرگی در بتن پدید می آید. این امر موجب نفوذ رطوبت و خوردگی میلگردها می شود و از طرف دیگر استفاده از فولادهای پر مقاومت، شکل پذیری سازه را کاهش داده و آن را دچار شکست ترد می کند. برای استفاده از بتن و فولاد بر مقاومت در ترکیب با یکدیگر راه حل مخصوصی ابداع گردید که به بتن پیش تنیده مرسوم شد. در این روش قبل از بتن ریزی فولاد تا نزدیکی حد جاری شدن کشیده می شود. پس از بتن ریزی و گرفتن بتن، عامل کشش در فولاد حذف شده نیروی کششی فولاد به صورت عامل ایجاد فشار در بتن ظاهر می شود. به این ترتیب همه نقاط بتن قبل از بارگذاری تحت تنش های فشاری قرار می گیرند. بنابراین چنانچه عضو تحت تنش قرار گیرد، تا مرحله ای که تنش فشاری موجود، تنش کششی حاصل از تنش را خنثی کنند، عضو مورد نظر بدون ترک خوردگی می تواند باربری داشته باشد و میزان تغییر شکل های خنثی نیز به مراتب کاسته می شود. از مزایای آن می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• سازگاری بسیار مطلوب بتن با طبیعت و نیز تداوم مقاومت و بهره دهی آن در محیط های مختلف
• داشتن حالت خمیری در هنگام مصرف و قابلیت شکل گیری در قالب دلخواه و به دنبال آن سازگاری با معماری
• مقاومت خوب در مقابل آتش سوزی و عوامل جوی، که از این جهت بتن به عنوان محافظی برای فولاد در سازه به شمار می رود.
• مقاومت فشاری خوب
• در دسترس بودن مصالح آن.

در مقابل این مزایا بزرگترین عیب بتن، ضعف بتن در کشش است. مقاومت کششی بتن های معمولی حدوداً بین 15% تا ۱0% مقاومت فشاری آنها می باشد. این امر موجب می شود که بتن در اعضایی که تحت کشش و یا خمش قرار گیرند، عملکرد مطلوبی از خود نشان ندهد. از این رو برای بالابردن تاب کششی اعضای بتنی، آنها را با میلگرد مسلح می کنند. هدف اصلی استفاده از میلگرد در بتن، واگذاری نیروهای کششی به وجود آمده در بتن به میلگردها می باشد. به این ترتیب نیروهای کششی پس از ترک خوردگی اندک ناشی از تنش های کششی در بتن، به میلگردها وارد می شوند و از پیشرفت ترک خوردگی در بتن و انهدام المان جلوگیری به عمل می آید.

نرم افزار اجزای محدود دایانا( DIANA):

اگرچه پایه و اساس نرم افزارهای المان محدودی یکی است، اما تفاوت در تنوع مدل های ساختاری موجود در آنها جهت شبیه سازی مدل هدف وجه متمایز آنها به شمار می آید. از آنجا که کاربرد نرم افزار چند منظوره و قدرتمند DIANA  مختص طیف وسیعی از مسائل در مهندسی عمران نظیر سازه، ژئوتکنیک، تونل و حوزه زلزله بوده، لذا ساختار، تنوع مدل های رفتاری مصالح و درواقع اهداف این نرم افزار برخلاف نرم افزارهای المان محدود دیگر، براساس مهندسی عمران توسعه یافته است و به طور خاص جهت کاربردهای سازه ای(مخصوصاً در مدل های بتنی و بنایی)، انتخاب مناسب تری می باشد.عملکرد قابل اعتماد و بی نظیر این نرم افزار سال هاست که در بسیاری از پروژه های برجسته در سراسر دنیا توجه پژوهشگران و مهندسین را به خود جلب کرده است. از قابلیت های بالقوهی این نرم افزار نظیر طیف گسترده ای از مدل های مواد و المان ها و همچنین عملگرهای تحلیلی متناسب با آخرین و پیشرفته ترین تکنیک های تحیلیلی المان محدود می توان نام برد. این نرم افزار همچنین مجهز به حلگرهای متعدد به منظور بهینه سازی روند حل انواع مسائل پیچیده خطی و غیر خطی با نتایج دقیق و محاسبات سریع می باشد. با در نظرگرفتن محاسن فوق، به منظور مدلسازی عددی در این تحقیق از نرم افزار اجزاء محدود DIANA  که به خوبی قابلیت مدل سازی دقیق و پیچیده ی اعضای سازه ای را دارد، استفاده شده است.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی رفتار شکست و گسیختگی برشی تیر بتن آرمه در نرم افزار دایانا (DIANA) انجام شده است. تیر بتن مسلح خمش چهارنقطه ای در نرم افزار المان محدود دایانا مدلسازی و براساس تطابق منحنی بار-تغییرمکان حاصل از نتایج آزمایشگاهی و نتایج المان محدود صحت سنجی صورت پذیرفته است.

مدلسازی تیر بتن آرمه:

مش بندی:

نمونه نتایج شبیه سازی: