چکیده
مدلسازی اجزای محدود (FE) ستون های بتنی محصور عملی چالش برانگیز بوده به این دلیل که نیازمند تعریف دقیق مدل مصالح بتنی به منظور ارائه رفتار حجمی بتن به حالت های تنش سه گانه است. زمانیکه بتن به وسیله ترکیبات فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP) محبوس می شود، مسئله پیچیده تر می شود که ناشی از ماهیت منفعل محصور کنندگی FRP است. مدل پلاستیسیته آسیب بتن (CDPM) موجود در بسته نرم افزاری اجزا محدود (ABAQUS) به طور گسترده ای به منظور مدلسازی ستون¬های بتنی مسلح تحت تنش محوری مورد استفاده قرار گرفته است. با این حال، استفاده از CDPM زمانیکه به بتن محصور اعمال می شود دارای محدودیت¬هایی است. این مقاله به این محدودیت¬ها اشاره کرده و مدل پلاستیسیته آسیب بتن را ارائه می کند. مجموعه جدیدی از روابط کرنش سخت شودگی/ نرم شودگی سازنده هم برای بتنی که به صورت فعال محصور شده و هم برای بتن FRP محصور شده ایجاد شده و یک مدل انبساطی به وجود آمده است. مدل انبساطی به عنوان تابعی از سختی پوشش FRP بیان می شود. CDPM اصلاح شده برای ستون هایی کاربرد دارد که دارای مقاطع عرضی متفاوت هستند، از جمله دایره ای، مربع شکل، و مستطیل شکل و محدوده گسترده ای از مقاومت های بتنی از مقاومت عادی گرفته تا مقاومت بالا را شامل می شوند. نتایج اجزا محدود ناشی از استفاده از CDPM اصلاحی ایجاد شده، تطابق خوبی را با اطلاعات به دست آمده از آزمایش ستون های بتنی محصور FRP گزارش شده در سوابق پژوهشی فنی دارد.
مقدمه
در طی دو دهه گذشته چندین کار آزمایشی و تحلیلی به منظور ارزیابی رفتار ستون های بتنی محصور شده در ترکیبات فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP)، زمانیکه در معرض بارگذاری فشاری محوری یکنواخت هستند انجام شده است. در نتیجه بسیاری از مدل های تنش و کرنش ایجاد شده اند، که اکثریت آن ها فرم های بسته ای بودند که بر اساس اطلاعات آزمایش موجود کالیبره شده بودند. مطالعات اخیر این مدل های موجود را بررسی و ارزیابی کردند [1-5]. ستون های بتنی محصور FRP همچنین تحت بارگذاری چرخه ای محوری و حالت ها مورد آزمایش قرار گرفتند تا که پاسخ های چرخه ای استخراج شده را نیز پیش بینی کنند [6-9].
علاوه بر کارهای آزمایشگاهی و تحلیلی، تلاش های بسیاری به منظور مدلسازی ستون های بتنی محصور FRP با استفاده از روش اجزا محدود (FE) انجام شده است. اولین مزیت روش FE توانایی آن جهت مقابله با غیرخطی بودن هندسی و تعاملات مصالح مختلف است. با این حال، پیچیدگی اصلی در مدلسازی FE در تعریف صحیح مشخصات مواد (به عنوان مثال صفحات FRP و بتن) قرار دارد. صفحات FRP معمولاً به صورت مصالح الاستیک خطی مدلسازی شده اند. زمانیکه فیبرها در جهت حلقه قرار دارند، تنها ویژگی های حلقه حائز اهمیت هستند. از سوی دیگر، بسیاری از مدل های سازنده به منظور تعیین مشخصات بتن در نرم افزار FE پیشنهاد شده اند، به ویژه برای بتن هایی که در معرض فشار محصور کننده قرار دارند. تئوری پلاستیسیته به طور گسترده¬ای به منظور مدلسازی بتن محصور شده مورد استفاده قرار گرفته است. اولین انواع مدل های پلاستیسیته بتن بر اساس، الاستیک غیرخطی، پلاستیسیته اندو-کرونیک، پلاستیسیته کلاسیک، پلاستیسیته چند لایه و یا دارای صفحات کوچک، و پلاستیسیته سطح مرزی بود. با این حال، همان طور که توسط میمیران و همکاران [10] گزارش گردید، این مدل ها یا دارای قابلیت های محدود بوده و یا نیازمند پارامترهای گسترده ای برای کالیبره شدن هستند.
مدل سازی FE
برنامه اجزا محدود آباکوس [23] کلی مورد نظر برای اجرای تمامی شبیه سازی ها مورد استفاده قرار گرفته است.
شرایط مرزی و تعاملات
یو و همکاران [25] گزارش کردند که ستون های محصور FRPبا طولی دو برابر قطرشان، اثر محدود کننده های انتهایی بر روی رفتار در ناحیه میانی ارتفاع ستون قابل چشم پوشی است. بر این اساس، یو و همکاران [25] تنها مدل سازی بخشی را به جای مدل سازی کل نمونه و استفاده از شرایط مرزی محور تقارن را برای مدل سازی مقاطع دایره ای پیشنهاد کردند. در مطالعه حاضر، منحنی تنش محوری – کرنش محوری نمونه کامل که به صورت کامل FRP در اطراف آن قرار گرفته و با فرض انتهاهای گیردار در آباکوس شبیه سازی شده است، و با آن یک قطعه که دارای یک انتهای گیردار در برابر انتقال عمودی است مقایسه شده و مورد دوم برای اعمال بار برای جابجایی عمومی توصیف شده مورد استفاده قرار گرفته است. مقایسه میان دو مورد تفاوت های جزئی را نشان می دهد، بنابراین، برای بهینه سازی محاسبات، تنها قطعه ای از نمونه مدلسازی خواهد شد. همچنین، با توجه به شرایط مرزی متقارن مسئله، تنها یک چهارم مقطع عرضی مدلسازی شده و شرایط مرزی متقارن مطابق با شکل های 1a و 2 در نظر گرفته شده اند. برای نمونه هایی که به صورت نسبی بسته شده اند به صورت برابر FRPرا توزیع کرده ایم، به این دلیل که ساده سازی قطعه نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد، و به دلیل بهینه سازی محاسباتی، تنها نیمی از ارتفاع نمونه، با این فرض که شرایط مرزی متقارن مطابق با شکل 1b باشد، مدلسازی شده است.
مدل پیشنهادی در برابر نتایج آزمایشگاهی
عملکرد مدل پیشنهادی با استفاده از CDPMاصلاح شده برای نمونه های بتنی محصور FRP که دارای مقاطع عرضی به شکل های متفاوت در برابر نتایح آزمایشگاهی موجود در سوابق پژوهش مورد اعتبارسنجی قرار گرفته است. برای نمونه های دایره ای، با توجه به این که روش 1 و روش 2 برای تایین زاویه انبساطی تقریباً نتایج مشابهی را هم برای منحنی های تنش – کرنش و هم برای کرنش محوری – کرنش جانبی ارائه می کنند، تنها نتایج روش 1 گزارش شده است. برای نمونه های مربعی و یا مستطیلی و برای نمونه های که به صورت نسبی بسته شده اند، نتایج هر دو روش (روش های 1 و 2) گزارش شده است. توجه داشته باشید که استفاده از مفهوم متغیر میدانی برای تعریف مشخصات مصالح ورودی ممکن است سبب به وجود آمدن خطاهای عددی شود. با افزایش فشار محصورکننده، منحی سخت شدگی/ نرم شدگی اصلاح شده است. در مواردی که شیب منحنی جدید بیشتر از شیب منحنی قبلی باشد، کرنش جانبی ایجاد شده در این گام و همچنین فشار محصور کننده محاسبه شده جدید ممکن است پایین تر باشند. این امر ممکن است سبب خطاهای عددی شود. به منظور اشاره به این مسئله، شرایط اضافی برای اولین میدان (فیلد) متغیرها در زیرمجموعه کاربر برای اجتناب آن از کاهش اعمال شده که مطابق با رفتار واقعی می باشد.
خلاصه و نتیجه گیری
در این مقاله، مدل پلاستیسیته آسیب بتن که در نرم افزار آباکوس در دسترس است برای شبیه سازی ستون های بتنی محصور با پوشش های FRPمورد استفاده قرار گرفته، زمانیکه در معرض بارگذاری فشاری محوری یکنواخت هستند. تحقیقی پارامتری برای ارزیابی حساسیت تنش- کرنش و پاسخ های کرنش محوری – کرنش جانبی به پارامترهای مصالح ورودی مختلف انجام پذیرفت. بر اساس نتایج تحقیق، اصلاحاتی در مدل پلاستیسیته آسیب بتن (CDPM) مورد استفاده در آباکوس برای مدل سازی FE ستون های بتنی محصور FRP اعمال شدند که تحت فشار محوری یکنواخت قرار داشتند.
برای ستون های مقطع عرضی دایره ای، قانون سخت شدگی/ نرم شدگی جدیدی پیشنهاد شده تا رفتار تنش – کرنش بتن با فشارهای محصور فعال (یا ثبات) مختلف را پیش بینی نماید. برای بتن محصور FRP، حالت زاویه انبساطی جدیدی ایجاد شده و قانون سخت شدگی/ نرم شدگی فشاری به عنوان تابعی از فشار محصور تعریف شده که در طی بارگذاری تغییر می کند. فشار محصور کننده واقعی به مقدار مشخصی کاهش یافته که اختلاف میان تنش بتن را در نظر گرفته و به عنوان متغیر میدانی با استفاده از کاربر زیرمجموعه USDFLD موجود در آباکوس تعریف شده است.
برای نمونه های محصور FRP مقاطع عرضی غیر دایره ای (به عنوان مثال مربعی و مستطیلی) و یا نمونه های بسته شده با نوارهای ناپیوسته، تعریف قانون سخت شدگی/ نرم شدگی فشاری مشابه با نمونه های دایره ای است. با این حال، در این حالت، دو روش به منظور تعیین زاویه انبساطی پیشنهاد شده و منجر به پیش بینی نزدیکی از بتن با مقاومت عادی شده و اختلاف زیادی برای مقاومت های بتنی بالاتر دارد.
نتایج CDPM اصلاحی پیشنهادی با نتایج آزمایشگاهی نمونه های بتنی محصور FRPدایره ای و مستطیلی گزارش شده در سوابق پژوهش مقایسه شده است. نتایج FEایجاد شده با استفاده از مدل پیشنهادی دارای مطابقت خوبی با اطلاعات آزمایش بودند.
این مقاله ISI در سال 2016 در نشریه الزویر و در مجله سازه های مهندسی، توسط گروه مهندسی عمران و محیط زیست 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 سازی اجزا محدود از بتن محصور در FRP در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.
