نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 دانشجوی دکتری سازه، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل
2 دانشیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل
چکیده
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Most of ordinary bridge decks are made of reinforced concrete and often deteriorate at a rapid rate in rough operational environments. The rapid deterioration of the deck often impacts other critical components of the bridge. Another disadvantage of the concrete deck is its increased weight in long-span bridges. Therefore, it is essential to examine new materials and innovative designs using hybrid system consisting conventional materials such as concrete and steel with FRP plates which is also known as composite deck. Since these decks are relatively new so it would be useful to evaluate their performances in more details. The present study is dedicated to Hat-Shape composite beam with concrete slab. The structural performance of deck was evaluated by nonlinear finite element method and numerical results have been compared with published experimental results where possible. After ensuring the validity of numerical modeling of composite deck, parametric studies has been done; such as using steel rebar in concrete slab, changing the angle of webs of Hat-Shape Section, modeling RC sections to match strength and stiffness of Hat-Shape composite beam and altering the GFRP Material into steel and aluminum. It was found that the behavior of this type of composite beams can be considered with numerical methods without executing costly experiments. Using rebar in concrete slab can increase ultimate load capacity of composite beam by 45 %. Also strength-to- weight ratio of the beam increased by changing the GFRP Material to aluminum by 51%.
کلیدواژه‌ها [English]
1- مقدمه
یکی از عوامل مهم در ساخت پلها، کاهش وزن تیرها و عرشهها و افزایش سرعت ساخت آنها میباشد. در صورت اجرای تیرها به صورت پیش ساخته، زمان احداث پل و مشکلات مربوط به اجرای آن میتواند تا اندازهی زیادی کاهش یابد. اجرای عرشههای بتن مسلح به صورت پیش ساخته به علت وزن و ضخامت زیاد آنها امکان پذیر نمی‌باشد [1و2]. عرشههای بتنی- پروفیل فولادی وزن و ضخامت کمتری نسبت به عرشههای بتن مسلح معمولی دارند، بنابراین میتوان آنها را در دهانههای بلندتری اجرا نمود. در این گونه عرشهها بتن و فولاد به گونهای در کنار هم قرار میگیرند که از ویژگیهای هر یک از مصالح، حداکثرِ استفاده بعمل آید [3و4]. علی رغم برتریهای فوق نسبت به عرشههای بتن مسلح، مقاومت این عرشهها در قبال خوردگی نسبت به برخی از عوامل محیطی پایینتر بوده و هزینههای تعمیر و نگهداری آنها بالا میباشد. به طور کلی با توجه به موقعیت قرارگیریِ تیرها و عرشهها در پلها در صورتی که مسئلهی خوردگی حائز اهمیت بوده و وزن عرشه نیز بسیار پایین باشد، میتوان از عرشههایی با مقاطعی از جنس FRP استفاده نمود.
عرشههای ساخته شده از FRP علاوه بر مقاومت بالا در برابر خوردگی و وزن کم به صورت پیشساخته نیز قابل اجرا میباشند. به منظور کاهش میزان مصرف FRP، این گونه عرشهها را میتوان به صورت چند سلولی با مقاطع مختلف مثلثی، ذوزنقهای، مربعی و غیره تولید نمود [5]. در دو دههی اخیر عرشههای کامپوزیتی که کاملاً از FRP ساخته میشوند، بسیار مورد توجه پژوهشگران و طراحان قرار گرفتهاند [6، 7، 8 و9]. قیمت اولیهی عرشه و تیرهایی که کاملاً از FRP ساخته میشوند، بسیار بالا بوده و کمانش زود هنگام جانِ اینگونه عرشهها آنها را در معرضِ ناپایداری قرار داده و از نقاط ضعف آنها محسوب میشود. FRP موجود در ناحیهی فشاری آنها نیز ممکن است دچار کمانشِ محلی و خردشدگی گردد. بنابراین محققان پیشنهاد میکنند که صفحات FRP به صورت ترکیب با مصالح متداول مانند بتن و فولاد به کار گرفته شود. ایدۀ ترکیب FRP و بتن در اعضای خمشی سیستمهای سازهای اولین بار توسط هیلمن و موری در سال 1990 ارائه شد. آنها از ترکیب مقاطع پیشساختهی FRP و بتن برای ساخت عرشه استفاده کردند، به گونهای که وزن عرشه نسبت به عرشههای بتنی بیش از 50 درصد کاهش یافته بود [10]. باکری و ساندر در سال 1990 عملکرد سازهای عرشۀ کامپوزیتی متشکل از پوستهای منحنی شکل از FRP که محفظهی داخلی آن با بتن پر شده را به روش اجزا محدود مورد ارزیابی قرار دادند [11]. سعیدی درسال 1994 مطالعات آزمایشگاهی و تحلیلی روی تیرهای ساخته شده از مقاطع CFRP با پوشش دال بتن مسلح را انجام داد. در نمونههای آزمایشگاهی از چسب اپوکسی برای اتصال بتن و CFRP استفاده شده است. ایشان نتیجه گرفتند که بهتر است علاوه بر چسب از برشگیرهایی برای افزایش عملکرد مرکب دال بتنی و CFRP استفاده شود [12].
دسکویک و همکاران نیز در سال 1995 تیرهایی با مقطع مربعی از جنس GFRP ساختند که ناحیهی فشاری آنها با بتن پر شده و از یک لایه نازک CFRP در کشش استفاده شده بود. برشگیرهایی نیز بین بتن و مقطع GFRP قرار داده شده بود. آزمایشهای تجربی حاکی از عملکرد سازهای بسیار مناسب و هزینهی مقرون به صرفه این تیرها بودهاند [13]. کیتان و عارف در سال 2004 تیرهایی با مقطعِ ذوزنقهای از جنس GFRP ساخته و آزمایشهای خستگی و بارگذاری استاتیکی را بر روی آن انجام دادند. در تیرهای مورد بررسی از یک لایه بتن در ناحیهی فشاری استفاده شده به گونهای که با استفاده از این لایه تغییرشکلهای محلی تیر نسبت به تیرهایی که کاملاً از FRP ساخته شدند، کاهش یافته بودند [14]. توماس کلر و همکاران در سال 2007 عملکرد تیر کامپوزیتی که شامل صفحهای از جنس FRP در ناحیۀ کششی، بتن سبک به عنوان هسته و یک لایه بتن با مقاومت بالا در ناحیۀ فشاری بوده را به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار دادند. برشگیرهای T شکلی روی صفحۀ FRP قرار داده شده بود و در برخی از نمونهها سطح صفحۀ FRP و برشگیرها آغشته به چسب اپوکسی نیز شده بود. گسیختگی نمونههای حاوی چسب به صورت ناگهانی، ترد و شکننده بوده و نمونۀ بدون چسب نیز رفتاری کاملاً شکلپذیر را نشان دادهاند. از طرفی وزن نمونهها حدود 46 درصد وزن تیرهای بتنی معمولی با ضخامت یکسان بودهاند [15]. عملکرد تیر کامپوزیتی با مقطع U شکل و هستۀ توخالی داخلی از جنس HPTRCC و بتن توسط ساتر و همکاران در سال 2014 به صورت تحلیلی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت. در ناحیۀ تحتانیِ مقطعِ U شکل و مقطع توخالیِ داخلی از یک لایه CFRP استفاده شده و از بتنی با مقاومت بالا برای پر کردن مقطع U شکل و از بتنی با سختی و مدول الاستیسیتۀ بالا نیز برای پر کردن ناحیۀ فوقانیِ المان داخلی استفاده شده بود. وزن تیر کامپوزیتی حدود 28 درصد کمتر از وزن تیر بتن مسلح متداول بوده و ظرفیت باربریِ آن نیز حدود 87 درصد بیشتر از تیر بتن مسلحِ متداول میباشد [16].
همانطوری که پیشتر بیان شد، اکثر مطالعاتی که پیرامون تیرهای کامپوزیتی صورت پذیرفته به صورت آزمایشگاهی میباشد. به دلیلِ هزینههای بالایِ مطالعاتِ آزمایشگاهی و زمانبر بودن آنها، استفاده از روشِ اجزای محدود برای بررسیِ رفتار این نوع سازهها پیشنهاد شده تا بتوان با برآورد دقیقتری هزینههای انجام آزمایش را کاهش داد. هدف اصلی تحقیق حاضر مدلسازی عددی تیر کامپوزیتی با استفاده از روشِ اجزای محدود و مقایسهی نتایجِ حاصل از مدلهای عددی با نتایجِ آزمایشگاهیِ انجام شده توسط دیگر محققین میباشد به گونهای که بتوان با تشخیص پارامترهای مؤثر، رفتار این نوع از تیرها را بدون انجام آزمایشهای هزینهبر و به کمک روشهای عددی برآورد نمود.
2- مدلسازی تیر کامپوزیتی
به منظور تحلیل تیرهای کامپوزیتی به روش عددیِ اجزا محدود، ابتدا مدلی از تیر کامپوزیتی که نمونهی آزمایشگاهیِ آن توسط فم و همکاران [17] اجرا و تحت بار استاتیکی مورد آزمایش قرار گرفته بود تهیه و پس از مقایسهی نتایج مدل عددیِ این تحقیق و نتایج آزمایشگاهیِ مذکور و اطمینان از صحتِ مدل عددی، نتایج حاصل برای سایر حالاتِ تحلیلِ عددی ارائه می‌گردد.
2-1- نمونۀ آزمایشگاهی تیر کامپوزیتی
عملکرد تیر جدیدی با مقطع Hat-Shape از جنس GFRP به همراه صفحهای از جنس GFRP و دال بتنی در سال 2010 توسط فم و همکاران به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفت [17]. دو نمونه تیر کامپوزیتی در آزمایشگاه ساخته شده که در آنها نمونۀ G1 دارای دال بتنی در قسمت فوقانی صفحۀ GFRP بوده ولی نمونۀ G2 فاقد دال بتنی میباشد. در نمونههای مورد بررسی اتصال بین صفحۀ GFRP و مقطع Hat-Shape و اتصال بین دال بتنی و صفحۀ GFRP با گلمیخ و چسب بوده است. ارتفاع مقطع Hat-Shape، 254 میلیمتر و عرض آن در ناحیهی فوقانی و تحتانی به ترتیب 610 و 208 میلیمتر بودهاند. ضخامت بالهای فوقانی و تحتانی مقطع 9/8 میلیمتر و زاویه شیب جان مقطع نسبت به راستای قائم 20 درجه بوده و ضخامت آن نیز 6/7 میلیمتر میباشد. در قسمت فوقانی مقطع Hat-Shape از صفحهای به ضخامت 5/9 میلیمتر استفاده شده که با قرارگیری آن مقطع سلولی ذوزنقهای شکلی تشکیل گردید. روی صفحۀ GFRP از دال بتنی به ضخامت 60 میلیمتر و مقاومت فشاریِ 2/52 مگاپاسکال استفاده شده است. شکل 1 مقطع تیر را نشان داده و خصوصیات مکانیکی مقطع Hat-Shape و صفحۀ GFRP نیز در جدول 1 آمده است.
شکل(1): مقطع تیر کامپوزیتی [17]
جدول (1): خصوصیات مکانیکی مقطع Hat-Shape و صفحه از جنس GFRP [17]
|
صفحۀ GFRP |
مقطع -Shape Hat |
|
|||
|
عرضی |
طولی |
عرضی |
طولی |
|
|
|
44/11 |
6/20 |
11 |
2/26 |
کششی |
مدول الاستیسیته (GPa) |
|
44/11 |
6/20 |
11 |
2/26 |
فشاری |
|
|
7/68 |
5/137 |
138 |
517 |
کششی |
مقاومت نهایی (MPa) |
|
110 |
165 |
172 |
345 |
فشاری |
|
کل مقطعِ تیر کامپوزیتی در نواحیِ تکیهگاهی و به طول 250 میلیمتر با دوغاب سیمان پر شده که مقاومت فشاری آن 36 مگاپاسکال میباشد [17]. طول تیر کامپوزیتی 3350 میلیمتر و فاصلۀ بین تکیهگاهها 3100 میلیمتر میباشد. بارگذاری به صورت 4 نقطهای بوده و فاصلۀ بین دو نقطۀ اعمال بار نیز 400 میلیمتر میباشد. نحوۀ بارگذاری استاتیکی نیز در شکل 2 نشان داده شده است. دو کرنشسنج در وسط دهانۀ تیر و در ناحیۀ فوقانی و تحتانی و یک تغییرمکانسنج نیز در ناحیۀ تحتانی وسط دهانۀ تیر نصب شده اند.
(الف) (ب)
شکل(2): نحوۀ بارگذاری استاتیکی، (الف) نمونۀ با دال بتنی، (ب) نمونۀ فاقد دال بتنی [17]
2- 2- مدلسازی عددی عرشۀ کامپوزیتی
همانطوری که پیشتر بیان شد در تحقیق حاضر رفتار دو نمونه تیر G1و G2(دارای دال بتنی و فاقد دال بتنی) به روش اجزا محدود غیر خطی و با استفاده از نرم افزار Abaqus مورد بررسی قرار گرفتهاند. مطابق آزمایشگاه از صفحات بارگذاری به ابعاد 1/0×1/0×61/0 و 02/0×08/0×2/0 متر در نقاط بارگذاری و برای جلوگیری از تمرکز تنش نیز از صفحهای به ابعاد 03/0×1/0×208/0 متر در نقاط تکیه گاهی استفاده شدهاند.
در نرم افزار برای مدلسازی بتن از مدل آسیب دیدۀ پلاستیک استفاده شده که یک قابلیت کلی برای مدلسازی بتن و دیگر مواد شبه ترد را در انواع سازهها فراهم میکند. این مدل بر پایۀ کارهای لابلینر در سال 1989 ارائه و توسط لی و فنوس در سال 1998 اصلاح و تکمیل شد [18]. مدل ساختاری ارائه شده توسط چِنج و مندر به عنوان رابطۀ تنش- کرنش برای رفتار بتن در فشار و برای مدلسازی رفتار نرم شدگی بتن در کشش نیز از رابطۀ نرم شدگی غیر خطی شیما استفاده شده است. فولاد با استفاده از مدل پلاستیک با سخت شوندگی ایزوتروپیک به صورت غیرخطی مدل شده و مصالحFRP نیز به صورت ارتوتروپ مدل شدهاند. برای مدلسازی بتن، فولاد و FRP از المان های سه بعدی Solid استفاده شده، المانهای به کار رفته 8 گرهی (مرتبۀ اول) بوده و روش انتگرال گیری کامل برای محاسبۀ کمیتهای مورد نیاز، انتخاب شده است. در تحقیق حاظر، اثر تغییرشکلهای بزرگ با استفاده از گزینۀ غیرخطی هندسی در Abaqus در نظر گرفته شده است. شکل 3 مدل عددی تیر با دال بتنی را نشان میدهد. نحوۀ مدلسازی و مشبندی تیر بدون دال بتنی نیز کاملاً مشابه نمونۀ با دال بتنی میباشد. آنالیز حساسیت برای مشبندی تیر مورد نظر انجام شده و پس از انتخاب یک سیستم مشبندی مناسب از المانهایی به ابعاد 01/0×05/0×05/0 متر استفاده شده است. نحوۀ مشبندی تیر در شکل 4 نشان داده شده است.
|
(الف) |
|
(ب) |
|
شکل(3): مدلسازی عددی (الف) کل مدل (ب) مقطع تیر |
|
شکل(4): مشبندی تیر کامپوزیتی |
2-3-مقایسۀ نتایج آزمایشگاهی و تحلیل عددی
رفتار سازهای دو نمونه تیر کامپوزیتیHat-Shape (دارای دال بتنی و فاقد دال بتنی) با استفاده از روش اجزا محدود مورد بررسی قرار گرفته و در این بخش نتایج حاصل از تحلیلهای عددی تحقیق حاضر با نتایج آزمایشگاهی مرجع [17] مورد مقایسه قرار گرفته است.
2-3-1-صحتسنجی تیر کامپوزیتی Hat-Shapeبا دال بتنی
شکل 5 نمودار بار- تغییرمکان وسط دهانۀ تیر کامپوزیتی دارای دال بتنی را در دو حالت آزمایشگاهی و عددی نشان میدهد که از لحاظ مقاومت نهایی و سختی تطابق نسبتاً خوبی با یکدیگر دارند.
شکل(5): نمودار بار- تغییرمکان وسط دهانۀ تیر کامپوزیتی دارای دال بتنی
مطابق شکل 6 گسیختگی نمونۀ آزمایشگاهی به دلیل خردشدگی بتن موجود در ناحیۀ وسط دهانۀ تیر کامپوزیتی میباشد [17]. شکل 7 نیز کرنش پلاستیک و گسیختگی بتن در نمونۀ عددی را نشان میدهد. مؤلفه‌های مختلف کرنش پلاستیک (PE) و کرنشهای پلاستیکِ اصلی، بهترین معیار برای بررسی میزان خرابیهای کششی (ترک خوردگی) و فشاری (خرد شدگی) در مدل عددی بتن میباشد. مطابق شکل 7 بیشترین مقدار کرنشهای پلاستیک اصلی در نواحی وسط دهانۀ تیر و به میزان 5/3 درصد بوده که مقدار بسیار بزرگی است و نشان دهندۀ خردشدگی بتن و خسارت‌های گستردۀ آن میباشد. به طور کلی گسیختگی نمونۀ عددی مانند نمونۀ آزمایشگاهی به دلیل خردشدگی بتن میباشد.
شکل (6): نحوۀ گسیختگی تیر کامپوزیتی در آزمایشگاه [17]
شکل (7): نمایی از کرنشهای پلاستیک و گسیختگی بتن در مدل عددی
تنش معادل فون میسز نیز در لایۀ بتن در شکل 8 نشان داده شده که مطابق آن بیشترین میزان تنش به نواحی میانی تیر اختصاص دارد.
شکل (8): تنش معادل فون میسز در لایۀ بتن
همانطور که پیشتر بیان شد در نمونۀ آزمایشگاهی کرنشسنجهایی در وسط دهانۀ تیر و در نواحی فوقانی و تحتانی (روی بتن و زیر مقطع Hat-Shape) نصب شدهاند. در نمونۀ عددی نیز مقادیر کرنش در نقاطی متناظر با نمونۀ آزمایشگاهی اندازه گیری شده و نمودار بار-کرنش در دو حالت آزمایشگاهی و عددی در شکل 9 نشان داده شده که مطابق آن نتایج آزمایشگاهی و عددی تطابق نسبتاً خوبی با یکدیگر دارند.
شکل (9): نمودار بار – کرنش در وسط دهانۀ تیر کامپوزیتی
2-3-2- صحتسنجی تیر کامپوزیتی Hat-Shape فاقد دال بتنی
شکل 10 نمودار بار- تغییرمکان وسط دهانۀ تیر کامپوزیتی فاقد دال بتنی را نشان میدهد. نمودار بار- تغییرمکان در دو حالت آزمایشگاهی و عددی از لحاظ مقاومت نهایی و سختی تطابق نسبتاً خوبی با یکدیگر دارند.
شکل (10): نمودار بار – تغییرمکان وسط دهانۀ تیر کامپوزیتی فاقد دال بتنی میلیمتر
مطابق شکل 11 گسیختگی نمونۀ آزمایشگاهی تیر فاقد دال بتنی به دلیل کمانش محلی و خردشدگی صفحۀ GFRP میباشد [17]. شکل 12 نیز تنشهای اصلی فشاری صفحۀ GFRP را در مدل عددی نشان میدهد. تنشهای اصلی فشاری صفحۀ GFRP در ناحیۀ وسط دهانۀ تیر و زیر صفحات بارگذاری به مقدار 173 مگاپاسکال رسیده و از آنجایی که مقاومت نهایی فشاری صفحۀ GFRP مورد استفاده در آزمایشگاه نیز 165 مگاپاسکال میباشد (جدول 1)، بنابراین در نمونۀ عددی صفحۀ GFRP در نواحی وسط دهانۀ تیر و زیر صفحۀ بارگذاری دچار گسیختگی شدهاند. به طور کلی گسیختگی نمونۀ عددی مانند نمونۀ آزمایشگاهی به دلیل خردشدگی و کمانش صفحۀ GFRP میباشد.
شکل (11): گسیختگی نمونۀ آزمایشگاهی تیر فاقد دال بتنی [17]
شکل (12): تنشهای اصلی فشاری صفحۀ GFRP در مدل عددی
همانطوری که در نمودارها و شکلهای فوق نشان داده شده، تطابق خوبی بین نتایج آزمایشگاهی و عددی از نظر مقاومت نهایی، سختی و نیز آسیبهای به وجود آمده و در نتیجه رفتار وجود دارد، لذا میتوان به نتایج حاصل از تحلیلهای عددی به کمک اجزا محدود انجام شده در این تحقیق اطمینان نمود. بنابراین از این پس میتوان رفتار تیرهای کامپوزیتی Hat-Shape را با استفاده از روشهای عددی و بدون انجام آزمایشهای پر هزینه، مورد بررسی قرار داد.
3- مطالعه پارامتری
پس از اطمینان از صحتسنجیِ مدلسازیِ عددی به روش اجزا محدود، تحلیلهای پارامتریک پیرامون تیر کامپوزیتی Hat-Shape با به کارگیری میلگرد در دال بتنی، تغییر زاویۀ جان مقطع Hat-Shape، مقایسه عملکرد تیر کامپوزیتی با تیر بتن مسلح متداول، تغییر جنس مقطعHat-Shape و صفحۀ GFRP به فولاد و آلومینیوم صورت پذیرفته است. تیر کامپوزیتی Hat-Shape با دال بتنی به عنوان نمونۀ کنترل عددی در نظر گرفته شده و در کلیۀ تحلیلها نوع المانها و نحوۀ مدلسازی به همان شیوهای میباشد که در بخش صحتسنجی مد نظر قرار گرفته است.
3-1- بررسی میزان تأثیر به کارگیری میلگرد در دال بتنی
به منظور بررسی میزان تأثیر به کارگیری میلگرد در دال بتنی ناحیۀ فوقانی بر عملکرد تیر کامپوزیتی، از 7 میلگرد به قطر 8 میلیمتر (ρ=1%)، 7 میلگرد به قطر 12 میلیمتر (ρ=2%) و 6 میلگرد به قطر 16 میلیمتر (ρ=3%) استفاده شده است. شکل 13 نحوه قرارگیری میلگردها در دال بتنی را نشان میدهد. مطابق شکل 14، با مسلح کردن دال بتنی ناحیۀ فوقانی تیر کامپوزیتی، تغییر چندانی در سختی آن رخ نداده و مقاومت نهایی تیر نیز در حالت‌های ρ=1%، ρ=2% و ρ=3% به میزان به ترتیب 19، 32 و 45 درصد افزایش یافته است.
شکل (13): نحوۀ قرارگیری میلگردهایی به قطر 16 میلیمتر در دال بتنی
شکل (14): نمودار بار- تغییرمکان میزان تأثیر مسلح کردن دال بتنی بر رفتار تیر
3-2- تغییر زاویه جان مقطع Hat-Shape
به منظور بررسی میزان تأثیر تغییر زاویۀ جان مقطع Hat-Shape بر عملکرد تیر کامپوزیتی، نمونههایی با زوایای 0، 10، 20 و 30 درجه مدلسازی شده است. همانطوری که در شکل 15 نشان داده شده است، θ زاوایۀ بین جان مایل تیر کامپوزیتی و راستای قائم میباشد. شکل 16 نمودار بار- تغییرمکان تیر کامپوزیتی با زوایای مختلف را نشان میدهد. تغییر زاویۀ جان مقطع Hat-Shape تأثیر چندانی بر عملکرد تیر ندارد. گسیختگی نمونهها با زوایای گوناگون مانند نمونۀ اولیه به دلیل تخریب دال بتنی بوده و در سختی و مقاومت نهایی نمونهها نیز تغییر چندانی رخ نداده است.
شکل (15): مدلسازی نمونههای تیر کامپوزیتی با زوایای 0، 10، 20 و 30 درجه
شکل (16): نمودار بار – تغییرمکان نمونههای تیر کامپوزیتی با زوایای 0، 10، 20 و 30 درجه
3-3- مقایسه عملکرد تیر کامپوزیتی با تیر بتن مسلح
در این بخش رفتار تیر کامپوزیتی Hat-Shape با تیر بتن مسلحی که مقاومت فشاری بتن، هندسه و شرایط تکیهگاهی یکسانی با نمونه کنترل عددی دارد، مورد مقایسه قرار گرفته است. هدف از این مطالعه دستیابی به درصد فولاد مقطع و محل قرارگیری میلگردها به گونهای است که بتوان به مقاومت نهایی و سختی خمشی مشابه نمونه کنترل عددی دست یافت. مقاومت تسلیم و نهایی میلگردهای فولادی موجود در تیر بتن مسلح به ترتیب 400 و 600 مگاپاسکال میباشند. فاصلهای بیشتر از 40 میلیمتر به عنوان پوشش میلگردها در تیرهای بتن مسلح در نظر گرفته شده است. مطابق شکل 17 (الف)، به منظور دستیابی به مقاومت نهایی تیر کامپوزیتی، از 3 میلگرد 30 میلیمتری و 2 میلگرد 30 میلیمتری به فاصلۀ به ترتیب 65 و 137 میلیمتر از ناحیۀ تحتانی تیر استفاده شده است. درصد فولاد نمونۀ مورد بحث نیز 49/2 درصد میباشد.
همانطوری که در شکل 17 (ب) نشان داده شده، از مقطع بتن مسلح با میلگردهایی به قطر 10 و 15 میلیمتر برای دستبابی به سختی خمشی یکسانی با تیر کامپوزیتی استفاده شده است (ρ=0.37%).
مطابق شکل 18، تیر بتن مسلح با مقاومت نهایی مشابه با تیر کامپوزیتی ((RCa، سختی بیشتر و نمونۀ بتن مسلح که سختی آن با نمونۀ کامپوزیتی مطابقت دارد (RCb)، مقاومت نهایی کمتری نسبت به آن دارد.
شکل (17): مقطع تیر بتن مسلح (RC)؛ الف) مقطعی با مقاومتی مشابه با تیر کامپوزیتی، ب) مقطعی با سختی مشابه با تیر کامپوزیتی
شکل (18): مقایسه رفتار تیر کامپوزیتی با RCa و RCb
3-4- تغییر جنس مقطع Hat-Shape و صفحۀ GFRP به فولاد
در این بخش جنس مقاطع GFRP به فولاد تغییر داده شده تا میزان تأثیر مصالح مصرفی بر رفتار تیر کامپوزیتی مورد ارزیابی قرار گیرد. بدین منظور مطابق شکل 19، نخست صفحۀ GFRP به صفحۀ فولادی، سپس مقطعHat-Shape از جنس GFRP به فولاد و در نهایت صفحۀ GFRP و مقطع Hat-Shape به مقاطع فولادی تغییر جنس داده شده که به ترتیب به نمونههای صفحه فولادی، مقطع فولادی Hat-Shape و مقطع Hat-Shape و صفحه فولادی تغییر نام یافتهاند. نمودار بار – تغییرمکان برای حالات مختلف تغییر جنس مقاطع از GFRP به فولاد در شکل 20 نشان داده شدهاند.
نتایج نشان میدهند که تغییر جنس صفحۀ GFRP که به تار خنثی نیز بسیار نزدیک میباشد، تأثیر چندانی بر سختی تیر کامپوزیتی نداشته ولی ظرفیت باربری تیر را 38 درصد افزایش میدهد.
با تغییر جنس مقطع Hat-Shape و صفحۀ روی آن از GFRP به فولاد، سختی تیر کامپوزیتی و ظرفیت باربری آن به میزان 66 درصد افزایش مییابد ولی با توجه به این که وزن تیری که مقطع Hat-Shape و صفحۀ روی آن ازGFRP ساخته شده 364 کیلوگرم و در نمونهای که از فولاد ساخته شده 644 کیلوگرم میباشد، میتوان اظهار داشت که با تغییر جنس تیر از GFRP به فولاد، نسبت ظرفیت باربری به وزن حدود 6 درصد کاهش مییابد.
همانطوری که از شکل 20 برمیآید نمونۀ صفحه فولادی در اثر خردشدگی بتن و قبل از رسیدن فولاد مصرفی به مرحلۀ پلاستیک گسیخته شده و نمودار بار– تغییرمکان آن تا بار نهایی تقریباً به صورت خطی پیش می‌رود. علت آن نیز حجم کم فولاد در این نمونه و نزدیک بودن صفحۀ GFRP به تار خنثی بوده که رفتار سایر مصالح (GFRP و بتن) غالب شده است. حجم فولاد مصرفی در دو نمونۀ مقطع Hat-Shape فولادی و نمونۀ مقطع Hat-Shape و صفحه فولادی نسبت به نمونۀ صفحه فولادی بیشتر بوده و رفتار فولاد در آنها غالب شده و سختی نمونه تا اندازۀ زیادی افزایش یافته است. فولاد مصرفی در این دو نمونه به نقطۀ تسلیم رسیده، وارد مرحلۀ پلاستیک شده و در نهایت شکلپذیری تیر کامپوزیتی نیز افزایش یافته است. گسیختگی نمونهها به دلیل تسلیم فولاد، ورود آن به مرحلۀ پلاستیک و خردشدگی بتن میباشد.
3-5- تغییر جنس مقطع Hat-Shape و صفحۀ GFRP به آلومینیوم
در این بخش جنس مقاطع GFRP به آلومینیوم نوع 6082-T6 تغییر داده شد، تا میزان تأثیر مصالح مصرفی بر رفتار تیر کامپوزیتی مورد ارزیابی قرار گیرد. بدین منظور مطابق شکل 21، نخست صفحۀ GFRP به صفحۀ آلومینیومی، سپس مقطع Hat-Shape از جنس GFRP به آلومینیوم و در نهایت صفحۀ GFRP و مقطع Hat-Shape به مقاطع آلومینیومی تغییر جنس داده شدهاند. نمودار بار – تغییرمکان برای حالات مختلف تغییر جنس مقاطع از GFRP به آلومینیوم نیز در شکل 22 نشان داده شده است. تغییر جنس صفحۀ GFRP به صفحۀ آلومینیومی تأثیر چندانی بر سختی تیر کامپوزیتی نداشته ولی ظرفیت باربری را حدود 32 درصد افزایش میدهد.
همچنین با تغییر جنس مقطع Hat-Shape و صفحۀ روی آن از GFRP به آلومینیوم، سختی تیر کامپوزیتی تا اندازۀ زیادی افزایش یافته و ظرفیت نهایی باربری نیز حدود 70 درصد بالا رفته است. وزن تیری که مقطع Hat-Shape و صفحۀ روی آن از GFRP ساخته شده 364 کیلوگرم و در نمونهای که از آلومینیوم ساخته شده 414 کیلوگرم میباشد. لذا میتوان اظهار داشت که با تغییر جنس مصالح از GFRP به آلومینیوم نسبت ظرفیت باربری تیر به وزن آن، حدود 51 درصد افزایش مییابد. گسیختگی نمونهها به دلیل تسلیم آلومینیوم، ورود آن به مرحلۀ پلاستیک و خردشدگی بتن میباشد.
در نهایت نمودار تغییر جنس اجزاء مختلف تیر کامپوزیتی از GFRP به فولاد و آلومینیوم در شکل 23 مورد مقایسه قرار گرفتهاند. سختی آلومینیوم مصرفی در این مطالعه نسبت به فولاد کمتر ولی نقطۀ تسلیم آن بالاتر بوده که این امر به وضوح در شکل 23 مشهود است. نمونههای آلومینیومی سختی کمتری نسبت به نمونههای فولادی داشته ولی در بار بالاتری به نقطۀ تسلیم میرسند.
شکل (19): تغییر جنس مقطع Hat-Shape و صفحۀ GFRP به فولاد
شکل (20): نمودار بار- تغییرمکان مقطع Hat-Shape و صفحۀ GFRP به فولاد
شکل (21): تغییر جنس مقطع Hat-Shape و صفحۀ فوقانی از GFRP به آلومینیوم 6082-T6
شکل (22): نمودار بار- تغییرمکان تغییر جنس مقطع Hat-Shape و صفحۀ فوقانی از GFRP به آلومینیوم 6082-T6
شکل (23): نمودار بار- تغییرمکان تغییر جنس مقطع Hat-Shape و صفحۀ فوقانی از GFRP به فولاد و آلومینیوم
4- نتیجه گیری
در تحقیق حاضر رفتار تیرهای کامپوزیتی با تغییرِ پارامترهای مختلفِ تأثیرگذار به روش اجزا محدود مورد بررسی قرار گرفته و نتایجِ زیر حاصل گردید؛
)