بررسی عددی میزان افزایش ظرفیت فشاری
ستون های فلزی قوطی شکل تو خالی
تقویت شده با کامپوزیت FRP
امروزه در دنیا بسیاری از سازه های زیر بنایی که در گذشته ساخته شده اند به دلایل: اشتباهات طراحی و محاسبات، عدم اجرای مناسب، تغییرکاربری بعد از ساخت، آسیب دیدگی ناشی از وارد شدن بارهای تصادفی، خوردگی، تغییر آئین نامه های ساختمانی که باعث تغییر در بارگذاری و ضرایب اطمینان می شود، آسیب دیدگی سازه ها ناشی از حوادث ضربه و آتش سوزی و باد و … ممکن است نیاز به مقاوم سازی داشته باشند.
باتوجه به موارد مذکور و هزینه های ساخت و بازسازی مجدد بالا و بعضاً حفظ آثار تاریخی هر ساله بخش عظیمی از بودجه های عمرانی کشور ها صرف تعمیر و مقاوم سازی سازه ها می گردد. یکی از مصالح نوین که جهت مقاوم سازی به مهندسین و طراحان کمک فراوان نموده، الیاف پلیمری\FRP\می باشد، که به طرز گسترده ای در سرتا سر جهان در مقاوم سازی سازه ها استفاده می شود.
نسبت مقاومت کششی بالا به وزن کم، مقاومت در برابر خوردگی، حمل و نصب آسان، امکان تقویت به صورت خارجی، اجرای سریع، مواد پلیمری را به عنوان گزینه ای بی نظیر جهت مقاوم سازی سازه ها مطرح کرده است. استفاده از کامپوزیت های FRP در تقویت و مقاوم سازی ساختمان های بتنی از دهه های گذشته مورد استفاده قرار گرفته است. سپس از کامپوزیت های FRP جهت مقاوم سازی سازه های بنایی و چوبی استفاده شد. در سال های اخیر استفاده از این مواد در تقویت سازه های فولادی نیز توسعه یافته و همچنان در حال انجام است. مقاوم سازی سازه های فولادی می تواند به روش های مختلفی انجام شود، مانند: افزایش سطح مقطع، تقویت خارجی بوسیله ورق های فولادی و تقویت بوسیله ورق های کامپوزیتی FRP.
اگرچه استفاده از ورق های فولادی جهت تقویت خارجی در عمل امکان پذیر می باشد، اما به دلیل افزایش وزن سازه ونیاز به تجهیزات سنگین جهت قرار دادن این ورق ها در موقعیت مورد نیاز وجوشکاری و خوردگی، باعث افزایش هزینه نگهداری در آینده خواهد شد. استفاده ازکامپوزیت های FRP راه حل مناسبی بود جهت غلبه بر کاستی های موجود و پتانسیلی برای تقویت سازه های زیر ساختی مانند پل ها میباشد.
امروزه از مقاطع تو خالی فولادی در ساخت و ساز و صنعت بطور فزاینده ای استفاده می شود. علت برتری این مقاطع افزایش نسبت مقاومت به وزن آنهاست. در واقع کاهش وزن به معنی صرفه جویی هزینه های ساخت، حمل و نصب می باشد. تنگ و هو، به بررسی افزایش عملکرد لوله های فولادی تو خالی تقویت شده با پوشش FRP پرداختند. آنها چهار لوله فولادی با و بدون لایاف پلیمری شیشه\ GFRP \ را مورد آزمون قرار دادند، مشخص شد که استفاده از FRP محدود شده با قید های عرضی باعث انعطاف پذیری لوله های فولادی توخلای می گردد
دریک تحقیق دیگراستفاده از CFRP برای لوله فولادی درز دار که درز آنها لب به لب جوش شده مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که مقاومت کششی این لوله ها بین 25 تا 76 درصد افزایش می یابد
شت و فام، دریافتند که لایه های CFRP عرضی در محدود کردن کمانش موضعی بیرونی ستون های کوتاه موثر هستند و ظرفیت بار بری برای ستون های کوتاه را تا 18 % و برای ستون های بلند را بین 13 تا 23 % افزایش می دهند.
ژائو و همکاران، ستون های فلزی تو خالی کوتاه را ابتدا با بتن پر و سپس با ورقهای CFRP مقاوم سازی کردند. آنها مشاهده کردند که ظرفیت باربری این ستون ها بین 5-22 % و 20-44 % به ترتیب برای استفاده از یک لایه و دو لایه CFRP افزایش یافت. همچنین ازدیاد ظرفیت بار با افزایش نسبت قطر به ضخامت افزایش یافت
تائو و همکاران، ستون ها و تیر های فلزی تو خالی با مقطع گرد و قوطی شکل پرشده با بتن را در معرض آتش قرار داده و با استفاده از فیبر کربن CFRP مقاوم سازی و مورد آزمایش قرار دادند. آنها مشاهده کردند که اثرات مقاوم سازی برای ستون ها موثرتر از تیرها می باشد و باعث افزایش ظرفیت باربری و سختی ستون می شود
انداراجا و همکاران، ستون های قوطی شکل توخالی فولادی کوتاه را با پیچیاندن ورقهایCFRP در جهت طولی و عرضی مقاوم سازی و مشاهده نمودند، زمانیکه لایه ها در جهت عرضی قرار دارند ظرفیت باربری و سختی محوری ستون افزایش، همچنین تغییر شکل محوری کاهش وکمانش موضعی به تاخیر می افتد
جائو و همکاران، لوله های توخالی فولادی را با ورقهای CFRP تقویت نمودند، آنها نشان دادند که با توجه به تعداد لایه های مورد استفاده افزایش در مقاومت و سختی به ترتیب بین 28-124 % و 25-105 % بوجود می آید
عبدالهی چهکند و همکاران، تیر فولادی با مقطع قوطی توخالی فلزی را با ورق های CFRP تحت زوایای مختلف تقویت و تحت لنگر پیچشی قرار دادند، آنها نشان دادند که زاویه قرار گیری ورق های CFRP بر میزان ظرفیت لنگر پیچشی مقطع موثر می باشد. همچنین وقتی پوشش در زاویه 45 درجه انجام شود، تاثیر ورق های CFRP بر ظرفیت پیچشی مقطع بیشتر خواهد شد
1-مواد
1-1- ستون فولادی
در این تحقیق از ستون فولادی قوطی شکل تو خالی ساخته شده از فولاد 37 St با مشخصات جدول 1 استفاده شده است
2-1- CFRP
در این تحقیق از کامپوزیت مدل 230C-Warp Sika که به صورت شیت می باشد استفاده شده است. مشخصات این نوع کامپوزیت در جدول 2 ارائه شده است.
3-1- چسب
در این تحقیق از چسپ مدل B+A 330-Sikadur استفاده شده است. مشخصات این نوع چسب در جدول: 3 ارائه شده است.
2- روشها
1-2- تئوری
بر اساس فرمول اولر\ رابطه 1 \ برای افزایش یا تقویت بار کمانش مقطع Pcr ، از بین چهار کمیت E ، I ، K و L در سازه های ساختمانی و مهندسی، معمولاً فقط دو کمیت E و I قابل دسترسی و تغییر می باشند. EI به عنوان سختی خمشی عضو شناخته می شود. E مدول الاستیسیته و I ممان اینرسی مقطع است. K ضریب طول موثر ستون و L طول آزاد ستون می باشد. در این مقاله تاثیر کامپوزیت CFRP بر افزایش بار کمانشی ستون فلزی قوطی شکل تو خالی مورد بررسی و پژوهش قرار گرفته است. با توجه به شرایط تکیه گاهی ستون مورد بررسی که یکسر گیردار- یکسر مفصل می باشد، در رابطه 1 مقدار 0.7= K در نظر گرفته شده است. با افزایش طول ستون ضریب لاغری ستون \ ??/ r =λ \افزایش می یابد و تمایل عضو به کمانش زیاد می گردد، در نتیجه بار بحرانی ستون کاهش خواهد یافت. زمانی می توان از فرمول اولر استفاده کرد که کمانش در محدوده الاستیک باشد. یعنی مجموع تنش پسماند وتنش فشاری کمتر از تنش تسلیم باشد. حد لاغری کمانش اولری از رابطه \2 \ بدست می آید.
چنانچه Cc < λ باشد، کمانش ستون الاستیک می باشد و فرمول اولر برایمحاسبه تنش در ستون صادق و مقدار آن از رابطه \ 3 \ محاسبه می شود.
در رابطه \ 3 \ تنش بحرانی فشاری تغییر نمی کند و مستقل از مقدار Fy می باشد. در این حالت تنش بحرانی فشاری تنها به مدول الاستیسیته \ E \ و ضریب لاغری \ λ \ وابسته است. چنانچه Cc > λ باشد، کمانش ستون غیر الاستیک و مقدار تنش از رابطه \ 4 \ محاسبه می شود. در این حالت تنش فشاری به Fy و مقدار ضریب لاغری \ λ \ وابسته است. بر اساس رابطه \ 4 \ در صورتیکه مقدار 0 = λ باشد، تنش بحرانی برابر Fy در نظر گرفته می شود.
2-2- مدل سازی نرم افزاری
امروزه با توجه به پیشرفت های گسترده ای که در زمینه بر نامه های نرم افزاری صورت گرفته، دقت محاسبات آنها بالا رفته و به صورت چشمگیری مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از نرم افزارهای قدرتمند تحلیلی که کاربرد فراوانی در علوم مهندسی مکانیک و عمران دارد، نرم افزار ANSYS می باشد. روش حل مسائل در این نرم افزار بر اساس روش اجزای محدود\ FEM \که یک روش عددی می باشد، استوار است. با توجه به اینکه در این تحقیق مصالح به صورت سه بعدی مدل شده اند، از المان SOLID که بیشتر برای اجسام سه بعدی بکار می رود، استفاده شده است. برای مدل هایی که مش بندی نامنظم دارند یکی از انواع لامانهای SOLID که بیشتر استفاده می شود و برای مدل سازی سازه های توپر بکار می رود، SOLID187 است، که در این تحقیق از آن استفاده شده ونتایج رضایت بخشی به همرا داشته است. مقدار ضریب لاغری ستون مورد استفاده در این تحقیق با توجه به مشخصات هندسی، مصالح مصرفی و شرایط تکیه گاهی 137 می باشد که در محدوده ستون های لاغر قرار دارد و تنش فشاری آن از رابطه \ 3 \ محاسبه می گردد.
1-2-2 صحت سنجی نرم افزار
قبل از شروع هر تحقیقی در صورت استفاده از نرم افزار خاص صحت نتایج بدست آمده ازآن نرم افزار یک امر ضروری است، لذا بدین منظور نرم افزار با نتایج آزمایشگاهی مرجع کالیبره گردید. همچنین برای ستون موردمطالعه، بار بحرانی بدست آمده از تحلیل کمانشی با نرم افزار ANSYS با مقدار بار بحرانی بدست آمده از فرمول اولر\رابطه 1 \مقایسهو تفاوت ناچیز بدست آمده \ 0.05 \ % نشان از صحت تحلیل نرم افزاری داشت.
2-2-2- منغیر های مورد بررسی
-اثر طول ورق های CFRP به طول ستون\ درصد پوشش \
-اثر موقعیت قرار گیری ورق های CFRP
-اثر تعداد لایه های CFRP
3-2-2- نام گذاری مدل ها
نام گذاری مدل ها به این ترتیب انجام، که پس از علامت اختصاری C که از کلمه لاتین ستون گرفته شده، تعداد لایه CFRP مورد استفاده جهت مقاوم سازی به کار رفته است. به عنوان مثلا ستون مدل C0 فاقد کامپوزیت تقویتی و مدل S100-30-C1 ستونی دارای یک لایه کامپوزیت CFRP با 30 % پوشش که فاصله کامپوزیت از تکیه گاه مفصلی ستون 100 میلیمتر می باشد. مشابها S100-30-C2 با مشخصات فوق و دو لایه کامپوزیت در نظر گرفته شده است. شکل 1 :یک نمونه از مدل نرم افزاری ستون مورد مطالعه را نشان می دهد.
3 – بحث و بررسی نتایج
1-3- بار بحرانی ستون با یک لایه کامپوزیت CFRP
در جدول 4 : مشخصات نمونه های مدل سازی شده در نرم افزار به همراه نتایج استخراج شده نشان داده شده است. طول ستون و تعداد لایه کامپوزیت CFRP برای تمام نمونه ها ی یکسان در نظر گرفته شده است. در صد پوشش CFRP بر حسب طول ستون متغیر در نظر گرفته شده و مرکز قرار گیری کامپوزیت ها بر مرکز ستون منطبق می باشد.
همانطوریکه ملاحظه می شود میزان درصد افزایش بار بحرانی ستون 3/3 – 16.04 % به ترتیب برای پوشش 10-100 % متغییر می باشد.حد اکثر میزان درصد افزایش با بحرانی برای پوشش 100 % بدست آمده است. همچنین جدول شماره 1 : بار بحرانی ستون با یک لایه CFRP با موقعیت قرار گیری متفاوت و 30 % پوشش را نشان می دهد. هما نطوریکه ملاحظه می شود مقدار حد اکثر درصد افزایش بار بحرانی در فاصله حدود 20 % طول ستون و از تکیه گاه مفصلی به مقدار 8.56 % اتفاق افتاده است.
در نمودار 1 : بار بحرانی ستون بر حسب درصد پوشش رسم شده است. همانطوریکه ملاحظه می شود مقدار حداکثربار بحرانی برای پوشش 100 % اتفاق افتاده است.
با توجه به هزینه نسبتا بالای کامپوزیت های CFRP تلاش بر آن است که با مصرف کمتر از این مصلاح به مقاومت بیشتری دسترسی پیدا کرد. بدین منظور در تحقیق حاضربا سه نوع پوشش و فاصله متفاوت از تکیه گاه مفصلی ستون مقادیر افزایش بار بحرانی محاسبه ودر نموردار 2 : رسم گردید، همانطور یکه ملاحظه می شود در فاصله حدود 1100 میلیمتر از تکیه گاه، مقادیر افزایش ظرفیت بار بحرانی برای سه نوع پوشش یکسان می باشد. همچنین تفاوت این افزایش برای پوشش 30 % و 40 % کمتر بوده و در فاصله حدود 750 میلیمتر از تکیه گاه یکسان می شوند. بد لیل طولانی شدن این تحقیق از ارائه جداول مربوط به پوشش های 20 % و40 % خوداری شده و فقط نمودار مربوطه\ نمودار 2 \ رسم گردیده است.
2-3- بار بحرانی ستون با دو لایه کامپوزیت CFRP
جدول شماره 2 : بار بحرانی ستون با دو لایه CFRP با موقعیت قرار گیری متفاوت و 30 % پوشش را نشان می دهد. هما نطوریکه ملاحظه می شود مقدار حد اکثر درصد افزایش بار بحرانی در فاصله حدود 17-27 % طول ستون و از تکیه گاه مفصلی به مقدار 13.35 % اتفاق افتاده است.
3-3- بار بحرانی ستون با لایه های متفاوت کامپوزیت CFRP
در جدول 4 : بار بحرانی ستون تقویت شده با کامپوزیت CFRP با 100 % پوشش نشان داده شده است. درصد افزایش بار بحرانی 16.4-26.96% به ترتیب برای ستون تقویت شده با یک لایه و دولایه CFRP می باشد.
همچنین نمودار 3 : مقایسه ای از میزان افزایش بار بحرانی ستون با موقعیت متفاوت CFRP و 30 % پوشش را نشان می دهد. همانطوریکه ملاحظه می شود مقادیر حد اکثر در فاصله ای حدود 20 % از تکیه گاه مفصلی ستون اتفاق می افتد.
4- نتیجه گیری و پیشنهادات
- کامپوزیت های CFRP باعث افزایش بار بحرانی ستون های فلزی قوطی شکل تو خالی می شوند.
- در صد پوشش کامپوزیت های CFRP در افزایش بار بحرانی ستون موثر است.
- تعداد لایه های کامپوزیت های CFRP در افزایش بار بحرانی ستون موثر است.
- موقعیت قرار گیری کامپوزیت های CFRP در افزایش بار بحرانی ستون موثر بوده و با توجه به شرایط تکیه گاهی ستون مورد بررسی که یکسر گیر دار- یکسر مفصل می باشد، مناسبترین موقعیت قرار گیری در حدود 20 % طول ستون و از تکیه گاه مفصلی می باشد.
- با توجه به میزان افزایش بار بحرانی ستون، مناسبترین درصد پوشش کامپوزیت های CFRP به میزان 30 % که فاصله آن از تکیه گاه مفصلی در حدود 20 % قرار دارد، می باشد.
- با توجه به اینکه این تحقیق بر روی ستون ها ی فلزی قوطی شکل تو خالی با مقطع مربع انجام شده در آینده می توان این بررسی را بر روی مقاطع دیگر از جمله مقاطع مربع – مستطیل انجام داد.
