پایان نامه پاسخ دینامیکی یک دال بتن مسلح تقویت شده با مصالح FRP تحت اثر بار انفجار به کمک روش اجزاء محدود

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد رشته: عمران(M.Sc)

گرایش: سازه

زمستان 1393

چکیده :

مقاوم ­سازی ساختمانهای دولتی مهم، تأسیسات زیربنایی و شریان­های حیاتی با توجه به افزایش حملات تروریستی در سراسر دنیا و امکان بمب گذاری در نزدیکی ساختمان ها و اماکن شهری، از مهمترین بحث­های پیش رو در علم مهندسی عمران خصوصاً در کشور ما می­باشد. یکی از پرکاربردترین مصالح جهت تقویت سازه ها استفاده الیاف های پلیمری کربنی معروف به(FRP) می باشد.

در این پایان نامه روشهای مختلف مقاوم سازی دالهای بتن مسلح در برابر بارگذاری انفجار بررسی شده است. در این راستا با هدف دستیابی به یک هندسه مناسب و بهینه از مصالح(FRP) جهت ارتقای عملکرد دالهای بتن مسلح در برابر بارهای ضربه ای، راهکارهایی ساده و در عین حال موثر برای نصب و اجرای لایه های مختلف کامپوزیت(FRP) ارائه شده است. با انجام مجموعه ای از مطالعات پارامتریک با ایجاد بیش از 100 مدل اجزا محدود به کمک نرم­افزار آباکوس (ورژن 6.10.1) و با در نظرگرفتن پارامترهای مختلف مانند آرایش گوناگون ورقه های(FRP) ، تعداد لایه ها، امتداد فیبر ها در یک لایه و نیز بهره گیری از محدوده وسیعی از دال ها با ابعاد گوناگون رفتار این اعضا مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که نحوه آرایش لایه های(FRP) تاثیر زیادی بر عملکرد دالها تحت بار انفجاری دارد. با بررسی هندسه های گوناگونی از لایه چینی(FRP) جهت مقاومسازی معلوم شد بهترین عملکرد مربوط به استفاده از لایه چینی با زاویه 20 درجه نسبت به محور طولی دال می باشد. همچنین لایه چینی بصورت طولی و عرضی یعنی زاویه 0 و 90 درجه نیز نتایج مناسبی را در پی خواهد داشت. تحلیل ها نشان داد با افزایش تعداد لایه از 1 به 2 و از 2 به 3 لایه به ترتیب تا 50% و 23% کاهش تغییرمکان را شاهد هستیم. اما پس از 3 لایه، افزایش تعداد لایه ها کارایی چندانی ندارد. همچنین امتداد فیبرها در نوار(FRP) تاثیر زیادی روی پاسخ دال ها دارد. بهتر است امتداد فیبرها در راستای باربری دال باشد.

کلمات کلیدی: : مقاوم سازی،دال بتن مسلح، بار انفجار،کامپوزیت(FRP)،تغییرمکان حداکثر

فصل اول:

کلیات تحقیق

-1 مقدمه

به منظور تقویت ساختمان در برابر انفجار، باید با استفاده از مصالح ساختمانی باعملکرد بالا مثل الیاف مسلح پلیمری(FRP) تغییر مکان و مقاومت کافی فراهم شود. برای اینکه مصالح ساختمانی اصلاح شده، اثربخش باشد، لازم است طراحی به طور دقیق مبتنی بر پاسخ های دینامیکی مصالح تحت بارهای انفجار مورد ارزیابی قرارگیرد [17].

عموما بتن در مقایسه با دیگر مصالح، به عنوان مصالح ساختمانی با مقاومت بالا در برابر بارگذاری انفجار در نظرگرفته می شود. با وجود این سازه های بتنی برای بارهای بهره برداری با کرنش نرمال طراحی می شود که به اصلاح ویژه نیاز دارد تا مقاومت سازه ها را در برابر بارگذاری انفجار افزایش دهد. روش تقویت ساختمان به صورت اتصال اجزاء سازه ای یا تکیه گاههای زیاد برای افزایش مقاومت در برابر انفجار، به دلیل افزایش هزینه و از بین رفتن فضای قابل استفاده غیرمطلوب است. همچنین اینکار معمولا مقاومت کلی سازه را در برابر بار انفجار خیلی افزایش نمی دهد. بنابراین ورقه ها و صفحه ای پلیمر مسلح شده که ارزان تر و مناسب تر هستند به عنوان اتصالات سطحی برای اصلاح مناطق ویژه ی اجرای سازه ای استفاده می شود. اتصالات سطحی بدون از بین بردن فضای قابل استفاده و بدون نیاز به زمان طولانی برای ساخت و ساز که در نتیجه باعث صرفه جویی پول می شود، مقاومت سازه را در برابر بار انفجار به طور قابل توجهی افزایش می هد. برای اصلاح سازه های بتنی برای مقاومت در برابر انفجار انتخاب نوع(FRP) ، از اهمیت برخوردار است. (FRP) انتخاب شده باید سخت شدگی، مقاومت و تغییر شکل پذیری سازه ی اصلاح شده را بهبود بخشد تا مقاومت قابل اطمینان مورد نیاز در برابر انفجار را فراهم کند و انرژی انفجار را جذب کند که به موجب آن مود گسیختگی سازه ای تغییرکرده و به جای اینکه سازه بشکند، تغییر شکل می دهد [17].

به منظور تحلیل و طراحی سازه های مسلح شده با(FRP) تحت بارهای انفجار، هم مطالعات آزمایشگاهی لازم است و هم مطالعات عددی، اخیرا به منظور بهبود روشهای تحلیلی ساده شده، مطالعاتی در زمینه روشهای تحلیل دقیق انفجار به کمک مدل های مصالح صحیح و مدل های المان محدود برای برآورد رفتار سازه بتنی، درستی نتایج تحلیل را پیگیری می کند [29]. تحلیل ها اگر معتبرباشد، به عنوان جایگزینی برای آزمایشات پرهزینه ی انفجار سازه استفاده می شود. به علاوه حتی وقتی تسهیلات آزمایش ویژه و منابع مرتبط در دسترس باشد، از طریق چنین آزمایشات عملی برخی شرایط و آمار آسانتر به دست می آید. به همین دلایل ایجاد ابزارهای اثربخش تحلیل برای سازه های بتنی اصلاح شده و نوساز تحت بارگذاری انفجار برای پیش بینی رفتارهای سازه ای، انتخاب مصالح اصلاح شده بهینه و اطمینان ازمکانیسم های گسیختگی مطلوب، ضروری می باشد [29].

(تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است )

1-2 سازه های مقاوم در برابر انفجار

سازه های بتنی معمولا به عنوان ساختمان های محافظ مورد استفاده قرار می گیرند یکی از بحث های مهمی که در سازه های بتنی وجود دارد، چگونگی تاثیر امواج انفجاری بر روی این سازه ها، حجم تخریب آن ها بر اثر انفجار و مقدار نفوذ موج انفجاری در سازه می باشد.

ساختمان ها و سازه ها در برابر انفجاری به شکل های مختلفی تخریب و فرو می ریزد. که این امر بستگی به ویژگی های بارگذاری دارد، که مهمترین این ویژگی ها شامل:

الف) شدت و قدرت انفجار   ب) میزان فاصله انفجار تا هدف است.

این دو مشخصه تا حدود زیادی شکل مودفروپاشی و تخریب سازه را برای طراح ساختمان امن معین می کند.

معمولا انفجار های نزدیک و مماس به هدف موجب ایجاد حفره و سوراخ بر روی عنصر مربوطه و حالت تورق را دراطراف آن ایجاد می کند. این دو مکانیسم تخریب، موجب تضعیف آن قسمت شده و ناحیه مشارکت بین تورق و حفره به راحتی فرو می ریزد. قابلیت مواد و مصالح مختلف در برابر سوراخ شدن و یا حالت تورق، و در نهایت نفوذ موجب تعیین ضخامت مورد نیاز برای حفظ یکپارچگی آن المان می شود.

معمولا نوع و شکل رفتار مواد و مصالح، روش و حالت تغییر شکل و درنتیجه مود فروپاشی را تعیین می کند. برخی از مصالح و مواد از نظر مقاومت کششی بسیار ضعیف هستند و در هنگام قرارگرفتن در برابر نیروی کششی شدید که بیش از حد توان آن آماده باشد گسیخته می شود. نمونه ای از این مصالح که دارای کاربرد بسیار فراوان در ساختمان است مصالح بتنی می باشد. مقاومت کششی بتن بسیار کمتر از مقاومت فشاری آنهاست و برای رفع این نقیضه و افزایش مقاومت بتن در برابر انفجار، از آرماتور در بتن استفاده می شود. آرماتورهای فولادی باعث افزایش مقاومت برشی و مقاومت کششی بتن می شود. حال اگر میزان و قدرت انفجار بیش ازمقاومت عضو بتن مسلح شود آنگاه گسیختگی بوجود می آید.

طراحی یک قسمت برای مقاومت در برابر آثار انفجارمحلی و شدید شاید همواره کاری معقول نباشد، به خصوص وقتیکه محل دقیق انفجار مشخص نیست. بدین ترتیب باید مفهوم تخریب محدود و محلی مورد توجه قرار گیرد.

1-3 مقاوم سازی با استفاده از الیاف مسلح پلیمری(FRP)

استفاده از(FRP) در مقاوم سازی سازه های بتنی طی چند سال اخیر توسعه بسیاری یافته است. مقاوم سازی به منظورهای مختلف از جمله تقویت خشمی، تقویت برشی، افزایش محصور شدگی، ترمیم آسیب های ناشی از خوردگی و مانند آن ها با استفاده از این مصالح صورت می گیرد. (FRP) به دلیل وزن کم، سهولت اجرا، مقاومت کششی بالا در برابر شرایط محیطی سخت، تا حدود زیادی جایگزین فولاد که دارای مشکلات زیادی از جمله سنگینی، سختی اجرا و خوردگی می باشد، شده است. در مقاوم سازی دال های بتن آرمه، استفاده از(FRP) بیشتر به منظور تقویت خشمی صورت می گیرد. این تقویت با چسباندن(FRP) به وجه کششی دال در ناحیه دارای لنگر ماکزیمم صورت می گیرد، که باعث افزایش چشم گیری در ظرفیت جذب انرژی دال می شود. لیکن استفاده از(FRP) در تقویت برشی دال ها کمتر مورد توجه قرار گرفته و به تحقیقات محدودی منحصر شده است. امروز استفاده از(FRP) جهت افزایش ظرفیت خشمی سازه ها بسیار مورد توجه قرار گرفته است و تحقیقات بر روی آن ادامه دارد. با توجه به محدودیت­ها و مشکلات مربوط به انجام مطالعات آزمایشگاهی از جمله محدودیت مربوط به ابعاد نمونه­ ها، مشکلات نصب و اجرا، هزینه و زمان بالا و ...، با انجام تحلیل های عددی صحیح می توان نتایج آزمایشگاهی را به محدوده صحیحی از سازه ها که امکان آزمایش عملی برای آنها وجود ندارد تعمیم داد. لذا در این پایانامه، سعی خواهد شد با انجام مطالعات پارامتریک عددی با استفاده از مدل­های اجزامحدود، تأثیر(FRP) بر رفتار خمشی دالها با ابعاد هندسی مختلف ارزیابی و با ارائه راهکارهایی جهت ارتقای عملکرد این کامپوزیت­ها اطلاعات وسیعتری نسبت به آنچه که تاکنون از آزمایشهای انجام گرفته حاصل شده بدست آورد. با استفاده از لایه چینی­های مختلف و بررسی وضعیت سازه تحت بارگذای انفجاری در نهایت، یک هندسه مناسب برای بکارگیری این ورقه­ها پیشنهاد می­گردد.

فصل دوم

مروری بر تحقیقات انجام شده

1  خلاصه ای از تحقیقات پیشین

در مورد تاثیر امواج ناشی از انفجارات بر سازه ها در مقابل آن تحقیقات وسیعی انجام شده که در اینجا با توجه به موضوع این پایانامه تنها به مواردی که بررفتار سازه های بتنی و به ویژه دال های بتن مسلح اشاره خواهد شد.

Low و همکاران [22] در سال(1998) به بررسی عددی پاسخ دال های بتن مسلح تحت بار های انفجار پرداختند. نتایج حاصل از مدل سازی نشان داد استفاده از ورق های کامپوزیتی باعث بهبود عملکرد دال و کاهش تغییر شکل ها و همچنین کاهش بروز ترک در دال می گردد.

Low و Hao  [23]در سال(2001) قابلیت اطمینان دال های بتن مسلح در برابر بارهای انفجاری را با استفاده از مدل سازی عددی بررسی نمودند و نشان دادند که تاثیر انفجار بر روی عضو سازه ای پهنه وسیعی از شرایط را در بر می گیرد و قابلیت پیش بینی چندانی ندارد. با این وجود در محدوده های خاصی از بار انفجار می توان وضعیت رفتار دال را پیش بینی نمود.

Luccioniiو Luege [24] در سال(2006) به بررسی رفتار دال های روسازی بتنی تحت بارهای انفجار پرداختند. هدف از انجام ازمایش سنجش میزان خرابی و ترک های احتمالی در روسازی های بتنی بر اثر بار شوک ناشی از انفجار در بالای آن بود. همچنین دو روش برای تحلیل مساله انفجار بر روی دال های بتنی عرضه گردید.

 Pedro F.silva,binggeng Lu[25] امکان استفاده از مصالح کامپوزیت جدید را برای بهبود ظرفیت مقاومت در برابر انفجاردال های بتن مسلح یک طرفه مورد بررسی قرار دادند. به منظور دستیابی به این هدف 5 دال تحت بارهای انفجار واقعی مورد آزمایش قرار می گیرند(شکل 2-1).

یکی از دال ها به عنوان واحد کنترل در نظر گرفته می شود. تا خط مبنایی را برای مقایسه 4 دال دیگر ایجاد کند. این 4 دال با الیاف کربن و پلیمر های  مسلح شده با الیاف فولاد مقاوم می شوند که 2 دال ازیک طرف اصلاح شده و2 دال  دیگر از هر دو طرف اصلاح شده اند. نتایج آزمایش نشان می دهد زمانی که دال ها از یک طرف اصلاح شوند افزایش قابل توجه مقاومت در برابر انفجار مشاهده نمی شود با وجود این در دال هایی که از دو طرف اصلاح می شوند افزایش قابل توجهی در مقاومت در برابر انفجار مشاهده می شود.

Abstract

Strengthening the main governmental buildings, infrastructures and vital rural arteries by considering the increase of terrorist attacks throughout all over the world and the possibility of an explosion near the buildings and urban areas is one of the most important issues in the field of civil engineering. One of the most typical materials which are used in constructions’ reinforcement is Carbon Fiber Polymer (FRP).

In this research different methods of reinforced slab stabilization faced to explosive loading are studied. Regarding to the aim of achieving an appropriate and optimized FRP materials in order to improve the reinforced slab operation against detonation, a simple and effective solution for the installation of the various layers of the composite (FRP) is presented. Through a series of parametric studies with more than 100 finite element models using Abacus software(version 6.10.1) and observing different arrangements of FRP sheets, the number of  layers along the fibers in a layer and also utilizing a wide range of slabs with different sizes, reaction of these members has been studied. The results show that the arrangement of layers (FRP) has great effect on the performance of the explosive load. Analyzing the various geometries of FRP placements of slabs’ stabilization illustrated that the best performance belongs to the placement of 20 degrees related to the longitudinal axis of the slab. Moreover, longitudinal and transverse layers in the angle of 0 and 90 degrees will be leaded to a good result. The analysis showes that the rise in the number of layers from 1 to 2 and 2 to 3 layers causes a fall in displacements; however, after the assignments of more than 3 layers, the increase in number of layers has no considerable effect. Furthermore, the tension along the fibers has a major impact on the responses of the slabs. It is more effective that the tension along the fibers be along with the bearing areas of the slabs.

Keywords: stabilizing, reinforced concrete slabs, blast loading, composite (FRP), the maximum displacement

مراجع

1. بهشتیان نیما،سروش نیا سهیل / 1391 /کامل ترین مرجع کاربردی   /ABAQUSانتشارات نگارنده دانش.

2.حصاری امین محمد،سرداری هاتف،لطف الهی یقین محمد علی/1386/مدل سازی و آنالیز با نرم افزار ABAQUS /انتشارات فروزش.

3. زهره­وند/جواد/1390/ بررسی عددی رفتار تیرهای عمیق بتن مسلح دو سر ساده دارای بازشو/ پایان­نامه کارشناسی ارشد سازه/ دانشگاه تربیت مدرس تهران.

4.عابدی کریم/ 1377 /روش های عناصر محدود/انتشارات دانشگاه صنعتی سهند.

5. عربزاده ابوالفضل،نیکوروش مرتضی،سلطانی محمد مسعود/1391/تاثیر مدل های سخت شدگی کششی بر پاسخ عددی تیر های بتن مسلح تحت اثر لنگر خمشی پیچشی/ چهارمین کنفرانس ملی سالیانه بتن ایران.

6. .مقررات ملی ساختمان مبحث بیست و یکم: پدافند غیر عامل//1388 مرکز تحقیقات ساختمان ومسکن/ ویرایش ششم.

7. .موسوی سید جمال الدین،علوی نیا علی/1386/تحلیل عددی اثرات انفجار بر روی سازه های بتنی/ پایان نامه دانشگاه بو علی

سینا

8. نجمی وزنه محسن،محمود زاده کنی ایرج / 1379/بررسی اثر انفجار در حملات هوایی روی سازه های نظامی/پایان نامه دانشگاه تهران.

9. Abaqus 6.10 documentation/ Concrete damaged plasticity/ABAQUS Ver. 6.10/22

10.Ashkan Sharifi, Mahmoud-Reza Banan, Mohammad-Reza Banan/ A strain-consistent approach for determination of bounds of ductility damage index for different performance levels for seismic design of RC frame members/ Engineering Structures/2012/37/143-151

11. C. Wu, D.J. Oehlers/ M. Rebentrost/ J. Leach, A.S. Whittaker/Blast testing of ultra-high performance

fibre and FRP-retrofitted concrete slabs/ Engineering Structures/2009/31/2060-2069

12.CEB-FIP Technical Report/Practitioner’s Guide to Finite Element Modeling of Reinforced Concrete Structures/ Published by The International Federation For Structural Concrete (FIP), 2008.

13. D. N. Giang/A Thermodynamic Approach to Constitutive Modelling of Concrete using Damage Mechanics and Plasticity Theory/ PhD Dissertation/University of Oxford, 2005.

14.Federal Emergency Management Agency/ Primer for Design of Commercial Buildings to Mitigate Terrorist Attacks/ FEMA427/ 2003.

15. Herajovich.C.T/ Mechanic of fibrous composites/John wiley/1998.

16. J. Jones, C. Wu, D.J. Oehlers, A.S. Whittaker, W. Sun, S. Marks, R. Coppola/ Finite difference

analysis of simply supported RC slabs for blast loadings/ Engineering Structures/2009/31/ 2825-2832

17. Jin-Won Nam, Ho-Jin Kim, Sung-Bae Kim, Na-Hyun Yi, Jang-Ho Jay Kim/ Numerical evaluation of

the retrofit effectiveness for GFRP retrofitted concrete slab subjected to blast pressure/ Composite

Structures /2010/92 /1212–1222

18. Khalid M. Mosalam/ Ayman S. Mosallam/ Nonlinear transient analysis of reinforced concrete slabs

subjected to blast loading and retro®tted with CFRP composites/ Composites /2001/ Part B 32/ 623–636

19. K. Orakcal, L. M. Massone, J. W. Wallace/Analytical Modeling of Reinforced Concrete Walls for Predicting Flexural and Coupled– Shear-Flexural Responses/University of California, Los Angeles/ PEER Report/October 2006

20. Lee and G. L. Feneves/Plastic-Damage Model For Cyclic Loading of Concrete Structures/ Structural Engineering,124(8)/pp.892-900, 1998

21. L.D Peel/ Investigation of high and negative poisoon’s ratio laminates/ published by society for the advancement of material and process enfinnering with permission

22.LOW Hsin-, HAO Hong, MA Guo-wei/, MA Guo-wei, (1998)/ Numerical Simulation Of Dynamic Responses of RC Slabs Under Blast Loading/ International symposium on strength theory/ Application development & prospects for 21st century.

23. .Low Hsin Yu, Hao Hong/, (2001)/ Reliability analysis of reinforced concrete slabs under explosive loading/” Structural Safety/Volume 23/ Issue 2/ Pages 157-178.

24. Luccioni Bibiana María/ Luege Mariela/(2006)/ Concrete pavement slab under blast loads/International Journal of Impact Engineering/, Volume 32/, Issue 8/ Pages 1248-1266.

25. Pedro F. Silva, Binggeng Lu/Improving the blast resistance capacity of RC slabs with innovative

composite materials/ Composites /2007/ Part B 38/ 523–534.

26. Shima H, Chou L, Okamura H.:/Micro and Macro Models for Bond in Reinforced Concrete/J faculty eng, The University of Tokyo (B) 1987;39(2):133-94.

27.S. Kumar, S.V. Barai/Concrete Fracture Models and Applications/ New York, Springer/ 2010.

28. S. Lee/Nonlinear Dynamic Earthquake Analysis of Skyscrapers/ CTBUH 8th World Congress on Latest Advances in Tall/Articulated/Sustainable Towers, Dubai, 2008.

29. Unified Facilities Crirerla (UFC)/ Structures to resist the effects of accidental explosions/2008/1-1943.

30. www.house.gov/hasc/Publications/104thCongress/Reports/saudi.pdf

31.Y.S. Tai , T.L. Chu , H.T. Hu , J.Y. Wu /Dynamic response of a reinforced concrete slab subjected to air blast load/Theoretical and Applied Fracture Mechanics/(2011) 140–147.

32.Z. Shi/Crack Analysis In Structural Concrete/Theory And Application/USA, Elsevier, 2009.