مدل تحلیلی برای رفتار کرنشی بتن محدود (مقاله ترجمه شده)

چکیده

به خوبی شناخته شده است که قدرت و انعطاف پذیری بتن به شدت وابسته به سطح سلول های ارائه شده با تقویت جانبی هستند. سختی و رفتار سازنده تقویت محصور (الاستیک، الاستوپلاستیک، و غیره) عوامل مهم موثر بر رفتار بتن هستند. در این مطالعه، مدل بتن محصور ساده جدیدی برای توصیف ویژگی های تغییر شکل محوری و جانبی بتن تحت فشار سه محوری توسعه یافته است. رابطه تنش-کرنش بتن محصور در جهت محوری با منطقه الاستیک پیرو یک منحنی غیر خطی تعریف شده است. منطقه نزولی منحنی تنش-کرنش با استفاده از معیار انرژی شکست ثابت تعریف شده است. حد الاستیک، استحکام نهایی و ظرفیت باقی مانده بتن محصور شده با استفاده از معیار لئون-پرامونو تعیین شد. تغییر شکل جانبی بتن محصور است با استفاده از یک تابع توصیف شد که یک انتقال راحت از رفتار الاستیک به غیر ارتجاعی را فراهم می کند و شرایط کرنش حجمی صفر در مقاومت نهایی را برآورده می سازد. مدل در مقایسه با نتایج حاصل از آزمون سه محوری فشرده سازی بتن، الیاف و پلیمرهای تقویت شده (FRP) و آزمون های بتن فولاد محدود در مقالات پیشین گزارش شده است. سازش خوبی از نظر قدرت نهایی، قدرت باقی مانده و محوری و رفتار تغییر شکل جانبی مشاهده شده بود. مشاهده شده است که با از بین بردن نیاز به تنظیم پارامترهای مختلف برای انواع تقویت جانبی این مدل می تواند با موفقیت برای FRP و فولاد بتن محصور اعمال شود. در نهایت، یک مطالعه پارامتریک به منظور بررسی اثر نسبت آرماتور جانبی ، بتون قدرت و انرژی شکست فشاری بر رفتار فولاد و FRP بتن محصور انجام شد.

مقدمه

ستون های بتن آرمه و شمع های پل با آرماتور جانبی برای افزایش قدرت و انعطاف پذیری اجزای به ویژه هنگامی که در معرض نیروهای ناشی از زلزله قرار می گیرند، حمایت می شود. از سوی دیگر، استفاده از الیاف پلیمر برای افزایش ظرفیت حمل بار محوری ستون ناکارا با افزایش محبوبیت در دهه گذشته به دست آورده است. علاوه بر این، بتن پر شده با لوله های فولادی که در آن بار محوری تنها توسط بتن محصور شده با لوله های فولادی تحمل می شود [1،2]، سیستم های سازه ای بسیار عالی را پیشنهاد می دهند که در آن هر دو مواد بطور موثر مورد استفاده قرار می گیرند. طراحی و تجزیه و تحلیل دقیق این اعضا می تواند به روشی ایمن و اقتصادی انجام شود تا زمانی که یک درک کامل از فعل و انفعالات بتن تقویتی محصور همراه با مدل هایی موجود باشد که قادر به ارائه رفتار بتن محصور است.

از آنجا که شناسایی افزایش قدرت در بتن به عنوان تقویت محصور شده به دست می آید [3]، تلاش فوق العاده ای برای درک و رفتار مدل بتن محدود می باشد. برخی از مدل های قبلی بر اساس فشرده سازی دو محوره بودند [4/7] در حالی که برخی بر اساس شواهد تجربی محدود با اشاره به رفتار نرم شدن بتن محصور بودند [8]. آزمایش های فشرده سازی سه محوری [9/13] یک پایگاه داده گسترده در رفتار فشاری بتن ارائه کرد که می تواند برای توسعه و بررسی مدل های بتن محصور مورد استفاده قرار گیرد.

توضیحات مدل

ابتدا، مدل پدیدارشناختی در این بخش توصیف می شود. این مدل یک نمایش جهانی به جای یک نمایش محلی برای بتن محوری در معرض بار ثابت است. سپس، این روش برای به دست آوردن رفتار ستون ها با سلول های غیر فعال (ستون حمایت شده با فولاد یا الیاف پلیمر) با برآوردن سازگاری کشیدگی بین بتن و تقویت جانبی پوشش برای سوابق محوری بارگذاری ارائه شده است. از آنجا که این مدل را می توان به عنوان نماینده عامل بتن در معرض فشرده سازی در نظر گرفت، تغییر شکل های استفاده شده زیر مقادیر متوسط بیش از نمونه به جای فشارها واقعی است. پس از آنکه محلی سازی شروع شود، توزیع تغییر شکل در امتداد ارتفاع نمونه یکدست نیست[28]. به جای ردیابی این توزیع کرنش غیر یکنواخت ، مقدار فشار متوسط در توضیحات زیر به طوری استفاده شده است که با رفتار متوسط تنش-کرنش یک ستون محدود می توان بدست آورد.

تغییر شکل محوری

برای بحث حاضر، جهت محوری و جانبی به ترتیب با 1 و 3 مشخص می شود. فرض بر این است که تنش ها و کرنش در دو جهت جانبی مشابه استε2 ≈ ε3) ، .(σ2 ≈ σ3 علاوه بر این، تنش فشاری و تغییر شکل مثبت فرض می شود در حالی که گسترش حجم منفی می باشد. پاسخ تنش-کرنش محوری بتن محصور شده با فشار جانبی ثابت را می توان با استفاده از سه مکان مشخص در منحنی تنش-کرنش توصیف کرد (شکل 1 ):

(1) حد الاستیک که بتن همسانگرد و الاستیک خطی فرض شود(σ1e, ε1e). . 
(2)  مقاومت نهایی مقاومتی است که تابع فشار جانبی است، ε10) ،. (σ10 
(3)  ظرفیت باقی مانده به عنوان نتیجه اصطکاک داخلی است (σ1r).

تایید مدل

محصوری ثابت

آزمون سه محوری فشرده سازی [9-12] برای تایید مدل استفاده شد. پارامترهای ورودی در تجزیه و تحلیل استفاده شد و مقایسه نتایج تجزیه و تحلیل با منحنی های تجربی در شکل 4-7 ارائه شده است. مقاومت فشاری تک محوری و طول نمونه به خوبی در این مطالعات مستند شده است. با این حال، انرژی شکست فشاری گزارش نشده است و یا آزمون قبل از اخذ رژیم نرم شدن کامل متوقف شده است. زمانی که فشرده سازی تک محوره منحنی تنش-کرنش کامل شناسایی شود، انرژی شکست فشاری توسط ضرب مساحت تحت منطقه نرم شده طول نمونه محاسبه می شود (معادله (11)). در غیر این صورت، انرژی شکست فشاری که منطبق بر شیب نزولی منطقه است، با آزمون و خطا به دست می آید. مقایسه ها برای هر دو سمت محوری و جانبی ساخته شده اند، هر زمان که هر دو گزارش شده باشند.

مطالعه پارامتری

مطالعه پارامتری به منظور بررسی عوامل موثر بر رفتار تنش-کرنش تاثیر فولاد و بتن محصور FRP انجام شد. مقاومت بتن، لترال نسبت آرماتور (یا ضخامت لوله های فولادی) و عملکرد قدرت از فولاد پارامترهای برای فولاد بتن محصور تحت بررسی بودند. استوانه بتن با ابعاد 150 میلی متر × 300 میلی متر به عنوان مرجع برای مطالعات پارامتری در نظر گرفته شد. پارامترهای دیگر، نسبت آرماتور جانبی، قدرت عملکرد تقویت محصور و انرژی شکست فشاری به صورت 0.5٪، 414 مگاپاسکال، و 45 N / میلی متر بود. نخست، اثر مقاومت فشاری تک محوری در رفتار تنش-کرنش بررسی قرار گرفت. تنش-کرنش منحنی محوری در شکل 13 ارائه شده است. می توان مشاهده کرد که قدرت اوج در سویه های محوری مشابه به دست آمد که بازده تقویت جانبی شروع می شود. شاخه نزولی از منحنی تنش-کرنش نشان داد مقاومت فشاری تک محوری افزایش یافته بود. دوم، اثر استحکام محصور شده تقویت محدود بررسی شده است. استحکام فولاد به صورت 414، 828، 1242 مگاپاسکال در نظر گرفته شد. نتایج تنش-کرنش محوری در شکل 13 (ب) نشان داده شده است. می توان آن را مشاهده کرد که در افزایش عملکرد قدرت فولاد منجر به افزایش در مقاومت نهایی و کشش در قدرت اوج می شود. با این حال، دامنه های شاخه نزولی منحنی نسبتا مشابه بود. در تمام از این تحلیل، بازده تقویت در قدرت اوج رخ داده است. در نهایت اثر تقویت جانبی نسبت بر رفتار تنش-کرنش بررسی شده است. لوله های فولادی ساخته شده از فولاد با مقاومت بالا با قدرت عملکرد 1100 مگاپاسکال در تجزیه و تحلیل استفاده شد. نسبت فولاد جانبی از 0.05٪ تا 4٪ و بقیه ی پارامترها مورد استفاده در تجزیه و تحلیل ثابت فرض شدند، متفاوت بود (شکل 14). این می تواند مشاهده شود که برای نسبت آرماتور جانبی کوچکتر از 0.5٪، بازده فولاد پس از قدرت اوج رخ داده بدست آمد. این نشان می دهد که فرض رسیدن به قدرت نهایی بازده در فولاد ممکن است همیشه مناسب نباشد، به ویژه برای بتن با محصور شدگی کم توسط فولاد با مقاومت بالا ارائه شد. شیب شاخه نزولی تا حد زیادی با نسبت اندازه تقویت جانبی تحت تاثیر قرار گرفت. منحنی تنش-کرنش رفتار تا گونه های بسیار بزرگ محوری را ناچیز می دانند هنگامی که یک نسبت آرماتور جانبی در بیش از 4٪ ارائه شده باشد.

خلاصه و نتیجه گیری

مدل جدید این است که قادر به شبیه سازی محوری و تغییر شکل جانبی بتن محصور است، در این مطالعه ارائه شده است. مدل ساده برای استفاده به عنوان بکار گیری عبارات تحلیلی برای توصیف منحنی تنش-کرنش کامل است. معیار لئون- پرامونو برای ایجاد حد الاستیک، استحکام نهایی و ظرفیت باقی مانده بتن محصور استفاده شده است. معیار انرژی شکست ثابت با یک تابع واپاشی نمایی برای توصیف رفتار نرم شدن استفاده می شود. تغییر شکل جانبی به صراحت از نظر سویه های محوری، نسبت پواسون و نسبت تغییر شکل نسبی در اوج و قدرت باقی مانده ارائه شده است. منحنی های تنش-کرنش برای بتن تحت تقویت ثابت از آزمون فشرده سازی سه محوری قرار گرفتند، بتن محصور شده توسط FRP ، بتن محصور شده با مارپیچ و CFSTها که در آن بارگذاری محوری به طور عمده با بتنی انجام می شود، با استفاده از مدل پیشنهادی به دست آمده است. مقایسه ها با نتایج تحلیلی نشان داد که مدل قادر به ردیابی تمام ویژگی های ضروری رفتار بتن در هر دو جهت تحت فشار بار غالب است.

مطالعه پارامتری نشان داد که مقاومت بتن و نسبت آرماتور جانبی دو عامل مهم موثر بر منطقه نزولی از منحنی تنش-کرنش برای فولاد بتن محصور هستند. استحکام حاصل از فولاد تنها برای تاثیر بر استحکام نهایی یافت شده است. برای مقادیر کم از تقویت محدود با فولاد با مقاومت بالای بدست آمده از فولاد برای رخ دادن پس از قدرت اوج مشاهده شد. برای بتن محصور FRP دریافت شد که انرژی شکست فشاری تا حد زیادی می تواند تحت تاثیر قرار گیرد، خواه نرم شدگی تعداد کمی از لایه های FRP رخ خواهد داد. مشاهده شده است که تفاوت ها در رفتار حجمی FRP و بتن محصور با فولاد می تواند با استفاده از مدل ارائه شده بدست آید.

مدل پیشنهادی سادگی از نظر مدل سازی ارائه می دهد و دقتی برای طیف گسترده ای از شرایطی فراهم می کند که در آن مطالعه پارامتری به راحتی می توانید انجام شود. ضرورت فرض منحنی از پیش تعیین شده تنش-کرنش بر اساس مفروضات مانند بازده عرضی شیب نرم شدن منحنی های تنش-کرنش تقویت یا سازگار می شوند، برای مدل پیشنهادی مطرح نیست. علاوه بر این، این مدل می تواند معادل پاسخ تنش-کرنش برای استفاده در تجزیه و تحلیل فیبر مقطعی ارائه کند که در آن فعل و انفعالات قفس- هسته ای را می توان در نظر گرفت. گسترش مدل به بخش ها به غیر از موارد دایره ای را می توان از طریق استفاده از عوامل موثر ارائه شده در مطالعات قبلی انجام داد [14،15]. در شکل فعلی آن، این مدل برای اشکال دایره ای و موارد بارگذاری غیر نسبی مناسب نیست. با این حال، می توان آن را به راحتی برای برآورد ظرفیت و انعطاف پذیری بار محوری ستون ها و طراحی فولاد یا FRPهای اعمال شده تقویت محصور استفاده کرد.

این مقاله ISI در سال 2005 در نشریه الزویر و در مجله سازه های مهندسی، توسط گروه مهندسی عمران منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله مدل تحلیلی برای رفتار کرنشی بتن محدود در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.