دال های بتنی مسلح بارگذاری انفجای کامپوزیت های پلیمر الیاف کربن

دال های بتنی مسلح بارگذاری انفجای کامپوزیت های پلیمر الیاف کربن) – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه راه – ساختمان، معماری، عمران

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

آنالیز گذرای غیرخطی دال های بتنی مسلح در معرض بارگذاری انفجای و تقویت شده با کامپوزیت های پلیمر تقویت شده با کامپوزیت های الیاف کربن (CFRP)

چکیده

در این مقاله مدلهای محاسباتی با استفاده از روش جزء محدود برای آنالیز گذرای غیرخطی بتن مسلح (RC) با دال های دو طرفه، قرار گرفته در معرض بارگذاری انفجاری، ارائه شده اند. هر دو مورد دال های ساخته شده بر مبنای دستورالعمل مشخص و همچنین دال های مسلح با نوارهای کامپوزیت پلیمر تقویت شده با الیاف کربن  (CFRP) مورد تحلیل قرار می گیرند. این مدل ها جهت بررسی پارامترهای مختلف استفاده می شوند که عبارتند از: (الف) مدت بارگذاری، و (ب)  تأثیر فرایند تقویت  CFRP  بر روی میزان صدمه دیدگی.  در این مطالعه، صدمه دیدگی بر مبنای مقدار کاهش اولین دو مورد فرکانس های نوسانی دال ها مورد بررسی قرار می گیرد. شاخص موضعی صدمه دیدگی برحسب کرنش های فولاد تقویتی نیز مورد بحث قرار خواهد گرفت. مدل های محاسباتی برای دو دال مختلف، یعنی دال معمولی و دال تقویت شده، با استفاده از نتایج تجربی مورد تایید قرار می گیرند. در این آزمایشات، فشار یکنواخت افزایشی اندک، با استفاده از کیسه هوای پرفشار، در سطح انتهایی نمونه های دال RC اعمال می شود. نتایج تجربی نشان دهنده افزایش تا ۲۰۰% در ظرفیت حمل بار به هنگام بکارگیری سیستم تقویت شده با استفاده از کامپوزیت CFRP می باشد. نتایج تحلیل غیرخطی گذرا اثبات کننده کارایی کامپوزیت CFRP تقویت شده، در ارتباط با ارتقای رفتار دال تحت بارگذاری انفجاری، برای زمان های مختلف بارگذاری می باشد. این مولفه شامل میزان اندک، متوسط و زیاد کاربرد بار و فشار حداکثری یکسان است. علی الخصوص در ارتباط با آزمایش صدمه دیدگی بتن با دال تقویت شده در مقایسه با دال معمولی شاهد کاهش فرکانس / بسامد اصلی کمتر از ۵۰% برای مورد اول و بیش از ۸۵% برای مورد دوم می باشیم. به علاوه، جابجایی حداکثری نیز به میزان ۴۰ الی ۷۰% با استفاده از دال تقویت شده CFRP در مقایسه با دال معمولی کاهش می یابد. با توجه به کرنش های فولاد تقویتی، کاربرد دال های تقویت شده CFRP  به طور معنی داری  سبب  محدود شدن  پراکندگی  تسلیم در زمان و در فضا  می شوند. رفتار ارتقا یافته دال با استفاده از CFRP نیز به هنگامی در بهترین حالت خواهد بود که فرایند تقویتی در دو طرف دال ها اعمال شده باشد.

کلمات کلیدی: شکستگی، پیوند الیاف / ماتریس، جدایش، آنالیز گذرای غیرخطی

دال های بتنی مسلح بارگذاری انفجای کامپوزیت های پلیمر الیاف کربن

۱- مقدمه

در خلال سالیان گذشته، چندین برنامه تحقیقاتی سطح ملی و بین المللی مهم جهت بررسی امکان کاربرد فناوری های فضایی کامپوزیت های پلیمری برای استفاده در سیستم های لرزه ای و همچنین تعمیر خوردگی سیستم های ساختمانی انجام شده اند. یکی از این برنامه های کاربردی سازه ای توأم با موفقیت تقویت کامپوزیت بخش بیرونی برای تعمیر و بروز رسانی ستون های بتنی مسلح (RC) تحت شرایط محیطی خوردگی و همچنین زمین لرزه ای می باشد [۱۰]. اخیراً، کاربرد کامپوزیت جهت ارتقای مفتول پذیری ستون های RC نیز به اجزای سازه ای RC دیگر نظیر ستون ها و دال ها تعمیم داده شده است که در آن نوارهای تقویتی به منظور انجام فرایند تعمیراتی یا بهینه سازی ظرفیت خمشی به بخش سطح مصالح مذکور اضافه می شوند. این مقاله کارایی کامپوزیت های پلیمر تقویت شده با الیاف کربن  (CFRP)  در خصوص بازسازی  دال های  RC  را مورد بررسی قرار می دهد.

استفاده از لایه های کامپوزیت FPR برای تقویت اجزای سازه ای بتن قابلیت توأم با موفقیت زیادی را در ارتباط با احیا یا افزایش استحکام این اجزا فراهم نموده است. مطالعات بسیاری نیز این حقیقت را نشان داده و بنابراین هیچگونه تلاشی در این مبحث جهت توجیه این فرایند ارائه نخواهد شد. خوانندگان برای بررسی مراجع گسترده لیست شده می توانند به مرجع [۱] رجوع نمایند. در این فعالیت های تحقیقاتی، ارزیابی تفصیلی کارآمدی FRP به عنوان یک تکنیک تقویتی اجزای بتن قرار گرفته در معرض بارگذاری دینامیکی ارائه نمی شوند.

دال های بتنی مسلح بارگذاری انفجای کامپوزیت های پلیمر الیاف کربن

۲- پیکربندی سازه ای

این مقاله ارائه دهنده تحقیقات محاسباتی و تجربی بکار گرفته شده در ارتباط با پیکربندی سازه ای می باشد. دال های مربعی پشتیبانی شده ساده دو جهته RC با استفاده از فولاد تقویت شده ۶۰ با مشخصات # ۳ (۹٫۲۵ mm) و۱۲² (۳۰٫۵ cm)  با فاصله گذاری مساوی در هر دال با پوشش بتن ۱/۲² (۱۲٫۷ mm) در این مورد استفاده شده است. دهانه مشخص این دال ها به میزان ۱۰۴² (۲٫۶۴ m) و با ضخامت یکنواخت ۳² (۷۶٫۲ mm)، همانگونه که در شکل ۲ ب نشان داده شده است، مدنظر خواهد بود. دال تقویت شده برابر با دال معمولی می باشد اما با استفاده از لایه های کربن / اپوکسی تقویت گردیده است.

دال های بتنی مسلح بارگذاری انفجای کامپوزیت های پلیمر الیاف کربن

۳- مدلسازی محاسباتی

این بخش خلاصه کننده مدل های توسعه یافته و محاسباتی دال های RC دو جهته با یا بدون لایه های کامپوزیت CFRP می باشد. بستر جزء محدود (FE) به صورت DIANA7.2 می باشد [۴] که جهت توسعه این مدل ها بکار گرفته شده است.

۳ـ۱٫ مدل های جزء محدود

مدل های FE شامل هشت جزء پوسته منحنی چهار گوش هشت گره ای بر مبنای رویکرد تباهیده ایزو پارامتری مشخص شده است. هر سطح جزء دارای فاصله ای بر مبنای لایه مرتبط برحسب سیستم مختصات (x، y) و با حالت نرمال محور ـ z با آن می باشد. هر گره دارای پنج درجه آزادی است: سه درجه انتقالی (u_x،u_y ، u_z) و دو درجه دورانی در سطح (f_x، f_y). فرمول بندی این اجزا بر مبنای دو فرضیه استوار است: (الف) ویژگی های نرمال در ارتباط با سطح مرجع به صورت سرراست حفظ شده اما این ویژگی الزاماً به صورت نرمال با توجه به دفرمه شدگی برشی عرضی شامل موارد مرتبط با تئوری Mindlin-Reissner نخواهد بود، و (ب) تنش نرمال در مسیر معمولی مبنای لایه ها به میزان صفر می باشد، یعنی s_zz = 0. در یک لایه خاص مرتبط با این اجزا، کرنش های، انحنا ، گشتاور k_ii، نیروی غشایی m_ii،  n_ii و نیروی برشی v_ii به صورت خطی در مسیر i از نقطه نظر منشور قائم در مسیر j متفاوت می باشند، که در آن I,j = x, y مدنظر خواهد بود.

۳ـ۲٫ مدل های مواد

بتن با استفاده از مجموع فرمولاسیون کرنشی پس از مفهوم تنش ـ کرنش دو محوری مدلسازی شد (که تحت عنوان مدل ترک خوردگی دورانی [۱۳] خوانده می شود)، که بر مبنای آن رابطه تنش کرنش بر مبنای مسیرهای اصلی بردار کرنشی محاسبه می شود. مفهوم اصلی مدل های ترک خوردگی کرنش مبنای کلی آن است که تنش در مسیرهایی ارزیابی می شود، که بر مبنای مسیرهای ترک خوردگی خواهد بود. بردار کرنش  در سیستم مختصات جزء xyz با توجه به قابلیت تکرار i + 1 در زمان t + Dt  با افزایش کرنش  به روزرسانی می شود که به شرح ذیل خواهد بود:

۳ـ۳٫ تحلیل تئوریکی اولیه

قبل از انتخاب اندازه های FE و مرحله زمانی، ارزیابی تئوریکی فرکانس اصلی (f₁) این دال انجام می شود. به همین منظور، راه حل صفحه مستطیلی ارائه شده در مرجع [۱۵] اتخاذ می گردد. این راه حل به شرح ذیل بیان داشته است:

دال های بتنی مسلح بارگذاری انفجای کامپوزیت های پلیمر الیاف کربن

۴- تصدیق تجربی مدل های FE

یک برنامه تجربی متشکل از چندین نوع از آزمایشات تخریبی می باشد که بر روی دال های RC دو جهته قبلاً بحث شده انجام شده است. به علاوه، دال های بتنی تقویت نشده در این آزمایش شامل شده اند. این برنامه شامل نمونه های ساخته شده معمولی، نمونه های تقویت شده با هر دو کامپوزیت های E ـ شیشه / اپوکسی و کربن / اپوکسی می باشد. در کلیه نمونه ها، فشار یکنواخت در سطح پایینی دال ها (سطح  فوقانی تحت کشیدگی) از طریق کیسه هوای پرفشار نشان داده شده در شکل ۷ بکار گرفته شده است.

۴ـ۱٫ توصیف آزمایشات

تنها دو نمونه در این مقاله برای اهداف مربوط به تصدیق مدل های محاسباتی توسعه یافته FE تشریح می شوند. اولین نمونه دال معمولی است، که تا زمان فروپاشی یا خرابی آزمایش می شود. دومین مورد دال تقویت شده می باشد که این مورد نیز تا زمان خرابی آن مورد آزمایش قرار خواهد گرفت. مبحث کامل برنامه آزمایشی را می توانید در مرجع [۹] بیابید. در طراحی نمونه ها، مراحل محدود بر مبنای خواص مکانیکی می باشند، مخصوصاً کرنش پارگی لایه کربن / اپوکسی ۲/۱% و کرنش تراکمی بتن ۳/۰% در تطابق با ضروریات مرجع [۸] اعمال شده است.

۴ـ۲٫ مباحث و نتایج تجربی

در مقایسه با دال های تقویت نشده، دال های ساخته شده RC دارای رفتار ارتقا یافته ای می باشند، آن هم به هنگامی که فرایند تقویت فولاد منجر به توزیع ترک ها گردیده و بنابراین سبب افزایش استحکام و سختی می شود. بار یا بار گسیختگی دال RC به میزان ۵۶/۴ psi با مجموع بار ۴۹٫۳۲ kips (219.38 kN) مدنظر قرار گرفته است که به میزان ۵/۳ برابر ظرفیت دال تقویت نشده می باشد.

۴ـ۳٫ نتایج محاسباتی و مقایسه با آزمایشات

تحلیل استاتیک غیرخطی تحت فشار یکنواخت فزاینده برای دال های ساخته شده بر حسب ویژگی های معمولی و دال های تقویت شده انجام شد. یک راه حل افزایشی با ۰٫۲۰ psi (1379 Pa) فشار یکنواخت افزایشی جهت دنبال نمودن واکنش غیرخطی اعمال شد. برای هر مورد افزایش، تکرارهای معادل بر مبنای روش Raphson انجام شد، که در آن ماتریس سفتی در هر تکرار بروزرسانی شد. فرایند تکرار به هنگامی متوقف می شود که معیار همگرایی ذیل بر مبنای هنجار انرژی |E| ارضا شود:

دال های بتنی مسلح بارگذاری انفجای کامپوزیت های پلیمر الیاف کربن

۵- روش تحلیل دینامیکی

در تحلیل دینامیکی گذرا، سیستم ذیل یعنی معادلات دینفرانسیل مرتبه دوم در هر زمان t حل می شود:

۵ـ۱٫ راه حل ویژه و ماتریس میرایی

در مطالعه جاری، یک ماتریس جرم سازگار و ریله اتخاذ شده است. مورد دومی بر مبنای ترکیب خطی ماتریس جرم و ماتریس سفتی ارتجاعی خطی [K] به شرح ذیل می باشد:

۵ـ۲٫ یکپارچگی عددی مستقیم

پاسخ گذرای مشکل غیرخطی، نظیر پاسخ دال RC دو جهته با و بدون تقویت CFRP ، نیازمند نوعی جامعیت یا یکپارچگی مستقیم در ارتباط با معادلات غالب بر حرکت می باشد (معادله (۱۱)). در این مطالعه، یکپارچگی عددی با استفاده از روش ـ a یا Hilbert-Hughes-Taylor حاصل می شود [۷]. این روش دارای ویژگی های انتشاری عددی متمایزی در مقایسه با روش های نیومارک بکار گرفته شده گسترده می باشد. برای تعداد زیادی از درجات آزادی، ویژگی میرایی عددی جهت متوقف سازی مودهای بالاتر نامطلوب ضروری می باشد. در روش ـ a، معادله (۱۱) به شرح ذیل بازنویسی می شود:

دال های بتنی مسلح بارگذاری انفجای کامپوزیت های پلیمر الیاف کربن

۶- کاربرد تحلیل دینامیکی غیرخطی برای دال های RC دو جهته

تابع بارگذاری نشان داده شده در شکل ۶ به گونه ای مقیاس بندی شده است که p_max = 10 psi = 0.069 MPa حاصل شود. این مقدار به گونه ای انتخاب می شود که مجموع بار حداکثری به میزان اندکی بیشتر از حداکثر بار استاتیک بکار گرفته شده در این آزمایش مرتبط با دال تقویت شده باشد. جامعیت زمانی نیز به مدت کافی در زمان جهت حاصل آوردن هر دو گوناگونی های اعمال شده (در طی مدت بارگذاری t_d) و همچنین نوسانات آزاد متعاقب حاصل می شود. علاوه بر تاریخچه های زمانی جابجایی، سرعت، شتاب، تنش های بتن و مواد تقویتی و کرنش های مرتبط، این آنالیز مشخص کننده ارزیابی صدمه دیدگی بر مبنای زمان می باشد. این صدمه دیدگی به وسیله تغییرات در دو مورد از اولین مودهای اصلی توصیف می شود. به همین دلیل، راه حل ویژه با استفاده از ماتریس جرم سازگار و ماتریس سختی تانژانت دال های آنالیز شده به دست می آید.

۶ـ۱٫ بارگذاری های انفجاری و تأثیرات نرخ کرنش

تابع بارگذاری ساده شده انفجاری، همانگونه که در شکل ۶ نشان داده شده است، تحت حاکمیت فشار حداکثری p_max و ضربه I همانگونه که در شکل ۶ تعریف شده است می باشد. برای ضربه بازتابی، یک فشار نرمال مثبت پیک (p_max) و ضربات نرمال مثبت  به عنوان ؟؟ فاصله توقف نرمالیده  تلقی می شوند، که در آن R فاصله شعاعی از مرکز انفجار تا یک موقعیت خاص در این سازه می باشد و w وزن بار انفجاری معادل TNT به شمار می آید. از نمودارهای ارائه شده در مرجع [۱۴] برای انفجارات نیم کروی TNT بر روی سطح زمین، با توجه به سطح دریا، و با استفاده ازp_max = 10 psi = 0.069 MPa، Z به صورت ۱۶ ft lb^-1/3 (6.348 m kg^-1/3) برآورد می شود. بنابراین، i به نظر به صورت تقریبی برابر با ۱۰٫۰ psi ms lb^-1/3 (0.08975 MPa ms kg^-1/3) می باشد. جدول ۳ نشان دهنده ضربه I و مدت t_d برای سه مقدار انتخابی فرضی در ارتباط با وزن خرج انفجاری w می باشد. این مقادیر ارائه دهنده وزنهای خرج کوچک، متوسط و بزرگ هستند.

 ۶ـ۲٫ تأثیر مدت بارگذاری انفجاری

سه مورد انتخاب شده در جدول ۳ معرف سه مدت بارگذاری متفاوت انفجاری می باشند. نتایج محاسباتی این سه مورد برای هر دوی نمونه های دال های معمولی و دال های تقویت شده در شکل های ۱۲ و ۱۳ به ترتیب ارائه شده اند. این آمار نشان دهنده تاریخچه های زمانی برای انحراف عمودی در نقطه وسطی دال (گره ۱۴۵ در شکل ۶) می باشند. از این شکل ها، ملاحظات ذیل را می توان حاصل آورد:

۶ـ۳٫ تأثیر مواد تقویتی بر روی کاهش صدمه دیدگی

در این بخش تأثیر مواد تقویتی بر روی نوارهای CFRP با توجه به انباشتگی موضعی و کلی صدمه دیدگی در دال های RC دو جهته به هنگام مواجهه با بارگذاری انفجاری مورد ارزیابی قرار می گیرد. در ابتدا، صدمه کلی برحسب تغییرات فرکانس های اصلی بحث می شود. متعاقباً ، صدمه موضعی ارائه شده به واسطه کرنش های ایجادی در گرید فولاد تقویتی مشخص می شود.

دال های بتنی مسلح بارگذاری انفجای کامپوزیت های پلیمر الیاف کربن

۷- نتیجه گیری

مدل های محاسباتی برای دال های RC با و بدون نوارهای کامپوزیت CFRP در مواجهه با بارگذاری استاتیک و / یا دینامیکی ارائه شده اند. این مدل ها با استفاده از آزمایشات استاتیک برای RC در مقیاس بزرگ انجام شده اند که به سادگی دارای دال های تقویت شده دو جهت می باشند. مقایسه های بین نتایج محاسباتی و تجربی موارد دقیقی را نشان می دهند. کاربردهای عملی مهندسی مدل های محاسباتی توسعه یافته برای دال های RC تحت بارگذاری های انفجاری مختلف اعمال شده است. با توجه به این موضوع، مدت انفجار و روش تقویت کامپوزیت CFRP (بکار گرفته شده در یک طرف یا دو طرف دال) متفاوت می باشند. گوناگونی مدت انفجار دارای همبستگی با تغییر در وزن خرج معادل TNT ماده منفجره است. نتایج برحسب گوناگونی های فرکانس های دال با توجه به زمان و تاریخچه های زمانی جابجایی و کرنش فولاد تقویت شده برای دال های ساخته شده معمولی و دال های تقویت شده ارائه شده اند. نتیجه گیری های اصلی را می توان به شرح ذیل ارائه داد:

1. آزمایشات فیزیکی و محاسباتی، که در آن هیچگونه فروپاشی در سیستم کامپوزیت رخ نمی دهد. در مقابل صدمه دیدگی بتن و فولاد تقویتی برحسب ترک خوردگی و خرد شدگی بتن و تسلیم فولاد به عنوان مودهای خرابی شایع مشخص گردیده اند.

2. سیستم CFRP به عنوان یک تکنیک تقویتی منجر به تقریباً ۲۰۰% افزایش در ظرفیت حمل بار دال معمولی RC شده است.

3. تقویت CFRP به نظر به عنوان یک تکنیک کارآمد در ارتقای رفتار دال تحت بارگذاری انفجاری با توجه به مدت های مختلف بارگذاری بشمار می آید.

4. تحت بارگذاری انفجاری، کمتر از ۵۰% کاهش فرکانس اساسی به واسطه صدمه دیدگی بتن از دال RC تقویت شده با CFRP در مقایسه با بیش از ۸۵% کاهش برای دال RC ساخته شده معمولی مشخص گردیده است. به علاوه، حداکثر جابجایی به میزان ۴۰ الی ۷۰% با تقویت CFRP در مقایسه با دال معمولی گزارش شد.

5. کاربرد ویژگی های تقویت شده با CFRP به طور قابل توجهی سبب محدود شدن پراکندگی تسلیم فولاد تقویت شده در زمان و فضا برای دال های RC قرار گرفته در معرض بارگذاری انفجاری شده است.

6. رفتار ارتقا یافته دال با سیستم کامپوزیت CFRP به هنگامی در بهترین وضعیت خواهد بود که فرایند تقویتی برای دو طرف دال اعمال شده باشد.