بررسی رفتار غیرخطی تیرهای I شکل ازجنس WPC تقویت شده با FRP

 

بررسی تجربی وتحلیلی رفتار غیرخطی

تیرهای I شکل ساخته شده از WPC

تقویت شده با الیاف پلیمری FRP

 

1-علت استفاده از wpc

سازه های دریایی در مقایسه با سازه های ساخته شده در خشکی همیشه از دوره عمرکوتاه تری برخوردارند. به طور معمول در ساخت این سازه ها از موادی همچون فولاد، بتن و چوب استفاده می شودوهمواره سعی می شود که با مقاوم سازی و جایگزینی این مواد بتوان سلامتی این سازه ها را تضمین کرد. چرا که آنها همیشه در معرض عوامل مخرب همچون خوردگی و فرسایش می باشند.

بنابراین در طراحی و ساخت این سازه ها مانند اسکله ها، استفاده از یک سازه سبک با مقاومت خوردگی بالا و هزینه پایین حائز اهمیت می باشد. (WPC(Composite Plastic Woodماده ای است سبک وزن، مقاومدر برابر خرابی و خوردگی، قابلیت بازیافت موادمصرفی که ازترکیب زائده های چوب وپلاستیک بدست می آید

این مزایا به استفاده از WPC برای تعدادی مصارف ثانویه در سازه های دریایی همچون عرشه هاو ریلها منجر شده است. برای استفاده این مواد به عنوان اجزای سازه ای اصلی مورد نیاز همچون تیر، باید خواص و رفتار این مواد مورد بررسی قرار گرفته و با اصلاح خواص مکانیکی و فیزیکی آنها بتوانیم به یک محصول صنعتی و مقاوم در برابر تغییر شکل و بارهای وارده به آن برسیم. بنابراین تقویت اجزای چوبی این سازه ها به یکی از نگرانیهای اصلی محققین تبدیل شده است.

در سالهای اخیر الیافهای پلیمری FRP به علت سبکی، مدول الاستیسیته و مقاومت بالا و مقاوم در برابر خوردگی و فرسایش محیطی به طورگسترده ای در مقاوم سازی سازه ها و پلها مورد استفاده قرار گرفته است. تعدادی محققین این مواد را جهت تقویت سازه ها ویا عضوهای چوبی به کار برده اند.پژوهشگران در ادامه مطالعاتشان با ارائه روش های عددی به بررسی و آنالیز رفتاری این مواد پرداخته اند.

آنها با مقایسه نتایج به دست آمده از روش های عددی با نتایجی که ازآزمایشات تجربی حاصل شده اند به دست آوردهای قابل توجهی رسیده اند. در این مقاله با استفاده از آزمایش خمش چهار نقطه ای D198 ASTM  وآنالیز عددی بر روی تیرهای WPC تقویت شده با یک و دو لایه الیاف پلیمری CFRP و GFRP ،عملکرد خمشی(مقاومت خمشی، سختی و تغییر شکل) این مواد و کارایی صفحات FRP که در لبه کششی تیرI  شکل قرار گرفته است بررسی شده اند. همچنین مقایسه ای نیز بین نتایج عددی و تجربی جهت تایید صحت روش عددی انجام شده است. دیاگرامترسیمی یک نمونه شامل ابعاد مقاطع و طول نمونه در شکل(1 )نشان داده شده است.

 

2-روش آزمایش تجربی

نمایی ازآزمایش خمشی چهارنقطه ای برای تیرهای چوبی WPC در شکل (2 )نشان داده شده است. درمجموع 5 گروه از نمونه ها که هر گروه شامل 3 نمونه بوده است تحت بارگذاری خمشی قرار گرفته اند. گروه اول تیر WPC بدون تقویت، گروههای دوم و سوم شامل نمونه هایی است که به ترتیب با یک و دو لایه الیاف پلیمری GFRP تقویت شده اند. گروه چهارم و پنجم نیز شامل نمونه های تقویت شده با یک و دو لایه الیاف پلیمری CFRP می باشند تا بتوانیم با استفاده از نتایج به دست آمده عملکرد صفحات تقویتی FRP که در بال پایینی تیرI شکل چسبیده اند را مورد بررسی قرار دادهو مقدار مقاومت نهایی و رابطه بار- تغییرمکان را بدست آوریم.

3-روش آنالیز عددی

در این بخش برای بررسی عملکرد خمشی تیرهای WPC تقویت شده با الیافهای پلیمری FRP یک روش عددی به کار برده شد. برای آنالیز خمشی این نمونه ها با استفاده از این تئوری، فرضیات زیردر نظر گرفته شده است:

1. تیرهای چوبی از نوع ارتوتروپیک هستند، یعنی دارای دو صفحه متعامد تقارن هستند
2. از تاثیربرشی صرفنظر شدهو تنها اثر خمشی در نظر گرفته شده است. بنابراین سطح مقطع بعد از بارگذاری نیزمسطح باقی می ماند
3. مطابق قانون هوک،هیچ لغزشی بین صفحات FRP و تیرWPC در محل اتصال اتفاق نمی افتد.

تئوری به کار رفته بر اساس یک آنالیزعددی می باشد که با داشتن روابط تنش وکرنش مواد اولیه(FRP و تیرWPC )و با افزایش جزئی و گام به گام کرنش صفحه ای وارد به بال بالایی، توسط برنامه MATLAB انجام شده است. برنامه به کار برده شده جهت دست یابی به منحنی لنگر – انحنا شامل مراحل زیرمی باشد

1. در گام i ام ابتدا یک کرنش ثابتی را به بال فشاری وارد می کنیم.
2. یک محور خنثی فرضی در نظرمی گیریم
3. در این مرحله با استفاده از روابط استفاده شده در برنامه، کرنشهای موجود در نمونه محاسبه می شود
4. گامهای 3 و 4 را آنقدر ادامه می دهیم که با استفاده از روش صحیح و خطا تعادل بین نیروها نیروی فشاری واقع در منطقهفشاری، نیروی کشـشی واقع در منطقه کششی ونیروی کششی موجود در FRP برقرار شده و محور خنثی واقعی به دست آید
5. در این مرحله مقدار ممان مقطع محاسبه می شود
6. آخرین مرحله در گام i ام محاسبه انحنا است
7. وارد گام بعدی شده و مراحل 1 تا 6 را با استفاده از کرنش جدید( کرنش گام قبل+ یک مقدار ثابت کرنش) تکرارمی کنیم. گام 7 را تـا مرحلـه ای ادامه می دهیم تا مقطع گسیخته شود. با به دست آوردن مقدار ممان وانحنا درکرنشهای مختلف، منحنی لنگر- انحنا به دست آمدهوبا توجه به منحنی لنگر- انحناوبا اسـتفاده از روش لنگـر سطح، منحنی بار – تغییرمکان تیربه دست می آید.

4-نتایج به دست آمده

1-4-مدهای شکست

دراین قسمت به بررسی چگونگی شکست نمونه هایی کهتحت بارگذاری خمشی قرار گرفته اند، پرداختهمی شود. شکل(3 )شکست نمونه های WPC بدون تقویت را نشان می دهد. مشاهده می شود که خرابی تیراز نوع شکست خمشی ناشی از اعمال بار است. در تیرهای تقویت شده با یک لایه FRP، الیافهای پلیمری CFRP و GFRP گسیخته و تیرهای WPC به ظرفیت کششی خود رسیده و گسیختگی کششی در خمش اتفاق می افتد شکل(4 .( این مفهوم در تیرهای تقویت شده با دو لایه GFRP نیز دیده می شود اما در نمونه های با دو لایه CFRP شاهد لهیدگی در فشار هستیم. یعنی بال فشاری کمانش پیچشی پیدا کرده است. در صورتی که نه بال کششی جاری و نه الیاف های CFRP گسیخته شده است. این نشان می دهد که اضافه کردن لایه های اضافی تاثیری در افزایش مقاومت خمشی تیرنداشتهو تیردچار اعوجاج می شود.

2-4-. عملکرد خمشی تیرهایWPC تقویت شده با FRP

شکل(5 )نمودار بار- تغییر مکان تجربی و تئوری برای تیر WPC را نشان می دهد. همچنین این مقادیر برای نمونه های تقویت شده با الیافهای پلیمری CFRP و GFRP ،در شکلهای (9-6 )نشان داده شده اند.

مشاهدات روابط بار تغییرمکان که از روشهای تجربی وآنالیزعددی به دست آمده اند، نشان می دهدکه مقادیربارنهایی تطابق بسیارخوبی نسبت به هم دارند به طوری که اختلاف نتایج دو روش ناچیز می باشد. مقایسه این مقادیر بین نمونه های تقویت شده و تقویت نشده نشان می دهد که با افزایش تعداد لایه ها یFRP ،به ترتیب شاهد افزایش و کاهش بار و تغییر مکان نهایی می باشیم. این مقادیر برای نمونه های مختلف در جدولهای(3-1 )نشان داده شده است

جدول (4 ) در صد افزایش میانگین بار نهایی که ازآزمایش چهار نقطه ای به دست آمده است را نشان می دهد. مقایسه بین بار نهایی به دست آمده ازآزمایش خمشی چهارنقطه ای نشان می دهد که درصد افزایش بارنهایی برای تیرهای WPC تقویت شده با یک و دو لایه الیاف پلیمری GFRP نسبت به نمونه های تقویت نشده به ترتیب 17 و91/66 می باشد. این مقادیر برای نمونه های تقویت شده با یک و دو لایه الیاف پلیمری CFRP نیز به ترتیب 03/39 و 56/63 به دست آمده است. با مقایسه بار نهایی تجربی و تئوری، درصد خطای دو روش نسبت به هم در نمونه های تقویت شده با یک و دو لایه GFRP ،به ترتیب 24/5 و 29/8( 76 /6 =میانگین) می باشد. همچنین در صد خطای حاصل برای نمونه های تقویت شده با یک و دو لایه CFRP نیز به ترتیب 02/8 و 8/16( 41/12 =میانگین) به دست آمده است. این مقدار برای تیر بدون تقویت برابر 25/7 می باشد. اختلاف درصد خطا در تیر تقویت شده با دو لایه CFRP نسبت به نمونه های دیگر بهعلت لهیدگی واعوجاج در بال فشاری است، یعنی نه بال کششی جاری ونه الیاف های CFRP گسیخته شده است.

5.نتیجه گیری

1. در هردو روش تئوری و تجربی، مقایسه بین تیرهای WPC تقویت نشده و تقویت شده با الیافهای پلیمری FRP نشان می دهد که در نمونه های تقویت شده، با افزایش تعداد لایه ها مقاومت خمشی به مقدارقابل توجهی افزایش یافته اما مقدار تغییرمکان قائم کاهش می یابد
2. با افزایش تعداد لایه ها به علت سختی زیاد بال کششی نسبت به بال فشاری، قبل از گسیختگی بال کششی و صفحات FRP ،بال فشاری دچار لهیدگی واعوجاج می شود.
3. مقایسه بار نهایی به دست آمده از روش های تجربی و تئوری نشان می دهد که میانگین درصد خطای به دست آمده در نمونه های تقویت شده با GFRP و CFRP به ترتیب 76/6 و 41/12 می باشد. این نشان می دهد که نتایج تئوری در مقایسه با پاسخهای تجربی ازتطابق مناسبی برخوردار است.
4. مقایسه میان بار نهایی به دست آمده از آزمایش خمشی چهار نقطه ای نشان می دهد که درصد افزایش بار نهایی برای تیر های WPC تقویت شده با یک و دو لایه الیاف پلیمری GFRP نسبت به نمونه های تقویت نشده به ترتیب 17 و91/66 می باشد. این مقادیر برای نمونه های تقویت شده با یک و دو لایه الیاف پلیمری CFRP به ترتیب 03/39 و 56/63 به دست آمده است.