فهرست مطالب
فصل اول: کلیات
1-1- پیشگفتار. 2
1-2- اهمیت مقاوم‌سازی و روش‌های گوناگون.. 3
1-2-1- روش‌های تقویت ستون‌های بتنی.. 4
1-2-2- مزایا و معایب روش‌های تقویت ستون‌های بتنی.. 5
1-3- تاثیر محصورشدگی بر ستون بتنی.. 5
1-3-1- محصور نمودن ستون بتنی با استفاده از دورپیچ میلگرد فولادی و بررسی عملکرد آن.. 5
1-3-2- بتن محصورشده با مصالح FRP.. 6
1-3-3- حالت سه محوری تنش در دورپیچ محصورکننده. 7
1-4- اهداف و موضوع پایان نامه. 8
1-5- روش پژوهش و مرحله‌های انجام پایان نامه. 8
1-6- سامان‌دهی فصل‌های پایان نامه. 9
فصل دوم: تقویت ستون‌های بتنی با مصالح FRP
2-1- پیشگفتار. 12
2-2- مصالح FRP و ویژگی‌های آن‌ها 12
2-2-1- تاريخچه‌ی توسعه و شکل‌گيري مصالح FRP.. 12
2-2-2- مواد و مصالح سازنده. 13
2ـ2ـ3ـ خصوصيات فيزيکي و مکانیکی.. 15
2-3- طبقه بندی منحنی های تنش-کرنش برای بتن دورپیچ شده توسط FRP.. 16
2-4- مود شکست و کرنش گسیختگی عرضی FRP.. 17
2-5- تغییر حجم بتن محصورشده. 20
2-6- اهمیت نسبت محصورشدگی واقعی در بهبود رفتارستون محصورشده. 21
2-7- حداقل مقدار FRP برای محصورشدگی کافی.. 22
2-8- مدل‌های ارائه شده برای پیش‌بینی رفتار بتن محصورشده. 23
2-8-1-مدل مندر و همکاران (Mander, et al. , 1988) 23
2-8-2- مدل سامان و همکاران (Samaan, et al. , 1998) 25
2-8-3- مدل تنش-کرنش پیشنهادی توتانجی (Toutanji, 1999) 26
2-8-4- مدل سافی و همکاران (Saafi, et al. , 1999). 28
2-8-5- مدل اسپولسترا و مونتی (Spoelstra & Monti, 1999) 30
2-8-6- مدل لم و همکاران (Lam, et al. , 2003) 32
2-8-7- مدل هراجلی و همکاران (Harajli, et al. , 2006) 34
2-8-8- مدل سعادتمنش و همکاران (Saadatmanesh, et al. , 1994) 38
2-8-9- مدل تنگ و همکاران (Teng, et al. , 2007) 41
2-9- روابط ارائه شده در آیین نامه‌ها جهت طراحی ستون‌های دورپیچ شده با مصالح FRP.. 43
2-9-1- روابط کمیته‌ی 440 آیین‌نامه‌ی ACI (ACI 440-2R, 2008) 43
2-9-2-روابط فدراسیون بین‌المللی سازه‌های بتنی اروپا (FIB- B14, 2001) 44
2-9-3- روابط آیین نامه ایران (نشریه‌ی 345، 1385). 44
فصل سوم: پیش فرض‌های مدل‌سازی عددی
3-1- پیشگفتار. 46
3-2- مشخصه‌های رفتار الاستیک بتن.. 47
3-3- رفتار پلاستیک بتن.. 47
3-3-1- مدل پلاستسیته‌ی بتن آسیب‌دیده. 47
3-3- 2- مدل رفتاری دراکر-پراگر(Drucker-Prager, 1952) 49
3-4- تعریف اتساع.. 51
3-5- مدل‌سازی مصالح FRP.. 51
3-6- معیارهای عددی گسیختگی مواد مرکب.. 52
3-6-1- معیار حداکثر کرنش اصلاح شده. 53
3-6-2- معيار شكست هاشین (Hashin & Rotem, 1973) 53
3-7- مدل‌سازی اجزای محدود. 55
3-8- مش‌بندی و تعیین نوع المان.. 56
3-9- معیار انهدام و چگونگی گرفتن خروجی‌های مورد نیاز. 57
3-10- نتایج صحت‌سنجی با مدل پلاستسیته‌ی بتن آسیب‌دیده. 58
3-11- کالیبره کردن پارامترهای مدل دراکر-پراگر. 59
3-12- خلاصه روند محاسبه‌ی پارامترهای مورد نیاز. 64
3-13- نتایج صحت‌سنجی مدل‌سازی.. 65
3-13-1- تحلیل حساسیت مدل به اندازه مش‌بندی.. 65
3-13-2- راستی‌آزمایی مدل‌سازی با نتایج آزمایشگاهی برای نمونه‌های محصورشده با FRP.. 66
3-13-3- راستی‌آزمایی مدل‌سازی با نتایج آزمایشگاهی برای نمونه‌ی غیر محصور. 67
فصل چهارم: مطالعه‌ی عددی نمونه‌های دورپیچ شده‌ی کامل
4-1- پیشگفتار. 69
4-2- بررسی دقت معیارهای به‌کار رفته جهت پیش‌بینی انهدام ستون محصورشده در این پژوهش…. 70
4-3- بررسی رفتار نمونه‌های محصورشده به‌صورت کامل. 72
4-4- بررسی نمودارهای خطوط هم‌تراز در نمونه‌های مدل‌سازی شده. 78
4-4-1- بررسی تغییرات تنش و کرنش جانبی در نمونه‌ی غیر محصور. 78
4-4-2- بررسی تغییرات تنش و کرنش جانبی در نمونه‌ی محصورشده. 78
فصل پنجم: مطالعه‌ی عددی نمونه‌های محصورشده با نوارهای فاصله‌دار
5-1- پیشگفتار. 82
5-2- نحوه‌ی مدل‌سازی نمونه‌های محصورشده با نوارهای فاصله‌دار. 83
5-3- پارامترهای مورد بررسی در این فصل. 83
5-3-1- دسته‌بندی نمونه‌ها بر اساس سطح پوشش نوارها 84
5-4- بررسی نمونه‌ها بر اساس تعداد نوارهای دورپیچ کننده. 84
5-5- بررسی نمونه‌های محصورشده توسط نوارهای فاصله‌دار. 87
5-6- بررسی نمودارهای خطوط هم‌تراز در نمونه‌های دورپیچ شده با نوارهای فاصله‌دار. 95
5-7- بررسی تاثیر ضخامت FRP برروی رفتار نمونه‌های دورپیچ شده با نوارهای فاصله‌دار. 97
5-8- ضریب پیشنهادی برای کرنش گسیختگی FRP در نمونه‌های محصورشده با نوارهای فاصله‌دار. 100
فصل ششم: نتیجه‌گیری و پیشنهاد پژوهشی
6-1- پیشگفتار. 103
6-2- گذری بر پژوهش صورت گرفته در این پایان‌نامه. 103
6-3-نتیجه‌گیری.. 104
6-4-پیشنهادات برای پژوهش‌های آینده. 107
– فهرست مراجع. 108
– پیوست (یک) 110
– پیوست (دو) 112
فهرست شکل‌ها
شکل1-1- مقایسه‌ی منحنی تنش-کرنش فولاد و مصالح FRP………………………………………………………………………….. 7
شکل 1-2- حالت سه محوری تنش در دورپیچ محصورکننده……………………………………………………………………………… 8
شکل 2-1- انواع FRP الف) شیشه ب) آرامید پ) کربن……………………………………………………………………………… 15
شکل 2-2- طبقه بندی منحنی‌های تنش-کرنش برای بتن دورپیچ شده با FRP……………………………………………. 17
شکل 2ـ3ـ تعادل نیروها در دورپیچ استوانه‌ای…………………………………………………………………………………………………. 17
شکل 2-4-مقایسه‌ی نسبت محصورشدگی واقعی در برابر نسبت کرنش گسیختگی به کرنش نهایی کششی FRP برای نمونه‌های مورد بررسی……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 19
شکل 2-5- روند تغییر حجم در ستون‌های بتنی دورپیچ شده با مصالح FRP………………………………………………….. 21
شکل 2-6- تاثیر نسبت محصورشدگی واقعی بر رفتار ستون بتنی دورپیچ شده با مصالح FRP………………………… 21
شکل 2ـ7ـ مدل تنش کرنش پیشنهادی برای بارگذاری یکنواخت در بتن محصور و غیر محصور………………………. 24
شکل 2-8- منحنی تنش-کرنش پیشنهادی در مدل سامان و همکاران…………………………………………………………….. 26
شکل 2ـ9ـ نمودار تنش-کرنش بتن محصور در FRP در مدل سافی و همکاران……………………………………………….. 30
شکل 2-10- روش آزمون و خطا در مدل تحلیلی اسپولسترا و مونتی………………………………………………………………. 32
شکل 2ـ11ـ مدل تنش-کرنش پیشنهادی لم و همکاران برای بتن محصور در FRP……………………………………….. 33
شکل 2ـ12ـ تغییرات ضریب محصور شدگی K1 در برابر نسبت محصورشدگی………………………………………………… 36
شکل 2ـ13ـ نحوه‌ی محاسبه‌ی سطح بتن محصورشده بین دو قوس در مدل سعادتمنش…………………………………. 40
شکل 2-14- تولید یک منحنی تنش-کرنش بتن محصورشده با FRP با بهره‌گیری از مدل محصورکنندگی فعال 43
شکل 3-1 پاسخ بتن به بارگذاری تک محوری در کشش………………………………………………………………………………….. 48
شکل 3-2 پاسخ بتن به بارگذاری تک محوری در فشار…………………………………………………………………………………….. 48
شکل 3-3 رفتار دو خطی بتن در کشش تک محوره…………………………………………………………………………………………. 49
شکل 3-4- سطوح شکست درکر-پراگر و موهر-کولمب……………………………………………………………………………………. 50
شکل 3-5- سطوح شکست دراکر- پراگر و وان- مایسز در فضای سه‌بعدی……………………………………………………….. 50
شکل 3-6- نمودار تغییرات حجم بتن فشاری…………………………………………………………………………………………………… 51
شکل 3-7- جهت‌های اصلی مصالح FRP تک جهته………………………………………………………………………………………… 52
شکل 3-8- انواع خانواده‌ی المان‌ها در برنامه‌ی آباکوس……………………………………………………………………………………. 56
شکل 3-9- نحوه‌ی مش‌بندی ستون دورپیچ شده الف) بتن ب) FRP…………………………………………………………… 57
شکل 3-10- مقایسه نتایج آزمایشگاهی با مدل‌سازی جزء محدود با استفاده از روش بتن آسیب دیده…………….. 59
شکل 3-11- منحنی زاویه‌ی اتساع به‌دست آمده از نتایج آزمایشگاهی برای نمونه‌ی C38CF4……………………….. 60
شکل 3-12- منحنی زاویه‌ی اتساع به‌دست آمده از روابط جیانگ و همکاران برای نمونه C38CF4…………………. 62
شکل 3-13- منحنی زاویه‌ی اتساع به‌دست آمده از روابط جیانگ و همکاران برای نمونه‌ی غیر محصور……………. 62
شکل 3-14- سطح تسلیم خطی در صفحه نصف‌النهاری…………………………………………………………………………………… 63
شکل 3-15- تحلیل حساسیت مدل به اندازه‌ی مش………………………………………………………………………………………… 65
شکل 3-16- نتایج صحت‌سنجی نمونه‌های تحلیل شده توسط فن جزء محدود با نتایج آزمایشگاهی…………………. 66
شکل 3-17- نتایج صحت‌سنجی نمونه‌ی غیرمحصور تحلیل توسط فن جزء محدود با نتایج آزمایشگاهی………….. 67
شکل 4-1- نمودارهای تنش-کرنش برای نمونه‌های دورپیچ شده توسط FRP با مدول الاستیسیته‌ی 70 گیگاپاسکال 73
شکل 4-2- نمودارهای تنش-کرنش برای نمونه‌های با مقاومت فشاری ثابت 35 مگاپاسکال و ضخامت FRP برابر با 5/0 میلی‌متر 74
شکل 4-3- روند تغییرات پارامترهای مورد بررسی برای 27 نمونه‌ی مورد مدل‌سازی……………………………………….. 76
شکل 4-4- تغییرات حداکثر فشار محوری در برابر فشار جانبی برای بتن محصورشده………………………………………. 77
شکل 4-5- تغییرات حداکثر کرنش محوری در برابر فشار جانبی برای بتن محصورشده……………………………………. 77
شکل 4-6- نمودارهای خطوط هم‌تراز تنش و کرنش در نمونه‌ی غیر محصور الف) تنش شعاعی ب)کرنش شعاعی 80
شکل 4-7- نمودارهای خطوط هم‌تراز تنش و کرنش در نمونه‌ی محصورشده الف) تنش شعاعی ب)کرنش شعاعی 80
شکل 4-8- نمودارهای خطوط هم‌تراز تنش و کرنش در ورق FRP الف) تنش شعاعی ب)کرنش شعاعی……… 80
شکل 5-1- بررسی تغییرات نسبت مقاومت فشاری برای نمونه‌های محصورشده با تعداد 3، 5 و 10 عدد نوار……. 86
شکل 5-2- بررسی تغییرات شکل‌پذیری محوری برای نمونه‌های محصورشده با تعداد 3، 5 و 10 عدد نوار……….. 86
شکل 5-3- بررسی تغییرات جذب انرژی برای نمونه‌های محصورشده با تعداد 3، 5 و 10 عدد نوار…………………… 87
شکل 5-4- نحوه‌ی‌چینش نوارها در شش دسته‌ی نمونه‌های دورپیچ شده………………………………………………………… 88
شکل 5-5- تغییرات تنش در برابر کرنش محوری و جانبی برای نمونه با مقاومت 20 مگاپاسکال و A25%……… 90
شکل 5-6- تغییرات تنش در برابر کرنش محوری و جانبی برای نمونه با مقاومت 20 مگاپاسکال و A50%……… 90
شکل 5-7- تغییرات تنش در برابر کرنش محوری و جانبی برای نمونه با مقاومت 20 مگاپاسکال و A75%……… 90
شکل 5-8- روند تغییرات نسبت مقاومت فشاری برای بتن با مقاومت 20 مگاپاسکال……………………………………….. 91
شکل 5-9- روند تغییرات نسبت مقاومت فشاری برای بتن با مقاومت 35 مگاپاسکال……………………………………….. 91
شکل 5-10- روند تغییرات نسبت مقاومت فشاری برای بتن با مقاومت 50 مگاپاسکال…………………………………….. 91
شکل 5-11- روند تغییرات نسبت شکل‌پذیری برای بتن با مقاومت 20 مگاپاسکال………………………………………….. 93
شکل 5-12- روند تغییرات نسبت شکل‌پذیری برای بتن با مقاومت 35 مگاپاسکال………………………………………….. 93
شکل 5-13- روند تغییرات نسبت شکل‌پذیری برای بتن با مقاومت 50 مگاپاسکال………………………………………….. 93
شکل 5-14- روند تغییرات نسبت انرژی جذب شده برای بتن با مقاومت 20 مگاپاسکال………………………………….. 94
شکل 5-15- روند تغییرات نسبت انرژی جذب شده برای بتن با مقاومت 35 مگاپاسکال………………………………….. 94
شکل 5-16- روند تغییرات نسبت انرژی جذب شده برای بتن با مقاومت 50 مگاپاسکال………………………………….. 94
شکل 5-17- نمودارهای خطوط هم‌تراز درنمونه‌ی A25%-N3………………………………………………………………………. 96
شکل 5-18- نمودارهای خطوط هم‌تراز درنمونه‌ی A75%-N5………………………………………………………………………. 96
شکل 5-19- نمودارهای تنش-کرنش برای نمونه‌های با حجم مصالح FRP برابر و ضخامت‌های متفاوت…………. 97
شکل 5-20- میانگین مقادیر نسبت مقاومت فشاری برای نمونه‌های با حجم مصالح و سختی FRP برابر و مقاومت‌های فشاری متفاوت………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 98
شکل 5-21- میانگین مقادیر شکل‌پذیری محوری برای نمونه‌های با حجم مصالح و سختی FRP برابر و مقاومت‌های فشاری متفاوت………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 98
شکل 5-22- میانگین مقادیر نسبت انرژی جذب شده برای نمونه‌های با حجم مصالح و سختی FRP برابر و مقاومت‌های فشاری متفاوت………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 99
فهرست جدول‌ها
جدول 2-1- مقایسه‌ی خصوصیات مکانیکی مصالح ……………………………………………………………………………………………….. 16
جدول 2-2- نسبت کرنش گسیختگی میانگین در نمونه‌های…………………………………………………………………………………. 19
جدول 2-3- مشخصات نمونه‌های مورد آزمایش توسط ژیائو و وو………………………………………………………………………….. 20
جدول 3-1- مشخصات نمونه‌های مورد آزمایش توسط ژیائو و وو………………………………………………………………………….. 20
جدول 3-2- مشخصات مکانیکی FRP در پژوهش (Xiao & Wu)…………………………………………………………………….. 60
جدول 3-3- مشخصات نمونه‌های آزمایشگاهی مورد استفاده جهت راستی آزمایی ……………………………………………… 66
جدول 3-4- مقایسه‌ی نتایج آزمایشگاهی با نتایج تحلیل جزء محدود …………………………………………………………………. 67
جدول 4-1- مشخصات نمونه‌های آزمایشگاهی مورد بررسی جهت مقایسه‌ی معیارهای گسیختگی …………………… 70
جدول 4-2- نتایج تحلیل نمونه‌ها با استفاده از روش ضریب تاثیر لم و همکاران …………………………………………………. 71
جدول 4-3- نتایج تحلیل نمونه‌ها با استفاده از روش معیار گسیختگی هاشین ……………………………………………………. 71
جدول 4-4- مشخصات نمونه‌های مورد مدل‌سازی در حالت محصوریت کامل …………………………………………………….. 72
جدول 5-1- جزئیات آرایش نوارها در نمونه‌هایی که 50% از سطح آن‌ها محصورشده‌است …………………………………. 85
جدول 5-2- جزئیات نوارهای دوپیچ کننده‌ی نمونه‌ها ………………………………………………………………………………………….. 88
جدول 5-3- مقادیر نسبت کرنش گسیختگی به کرنش کششی نهایی FRP ……………………………………………………. 101
جدول پ-2-1- نتایج تحلیل غیرخطی مربوط به نمونه‌های دورپیچ شده‌ی کامل…………………………………………….. 110
جدول پ-2-2- نتایج تحلیل غیرخطی مربوط به نمونه‌های دورپیچ شده توسط نوارهای فاصله‌دار با مقاومت 20 مگاپاسکال………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 111
جدول پ-2-3- نتایج تحلیل غیرخطی مربوط به نمونه‌های دورپیچ شده توسط نوارهای فاصله‌دار با مقاومت 35 مگاپاسکال………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 111
جدول پ-2-4- نتایج تحلیل غیرخطی مربوط به نمونه‌های دورپیچ شده توسط نوارهای فاصله‌دار با مقاومت 50 مگاپاسکال………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 112
جدول پ-2-5- نتایج تحلیل غیرخطی مربوط به نمونه‌های دورپیچ شده توسط نوارهای فاصله‌دار با سختی FRP برابر با 130 گیگاپاسکال و ضخامت متفاوت…………………………………………………………………………………………………………. 112
فهرست نمایه‌ها
مساحتی از مقطع که توسط خط مار از مرکز سطح آرماتورهای عرضی محصور گردیده است |
|
مساحت هسته‌ی بتنی |
|
مساحت هسته‌ی بتنی که به‌صورت موثر توسط FRPمحصور گردیده است |
|
سطح مقطع کل ستون استوانه‌ای |
|
D |
قطرستون بتنی |
d |
پارامتر سخت‌شدگی |
پارامتر خسارت در بتن تحت اثر کشش محوری |
|
پارامتر خسارت در بتن تحت اثر فشار محوری |
|
شیب ابتدایی بخش دوم منحنی در نقطه‌ی اتصال دو منحنی در نمودار تنش-کرنش بتن محصورشده |
|
مدول الاستیسیته‌ی بتن |
|
مدول الاستیسیته‌ی FRP |
|
انرژی جذب شده توسط نمونه‌ی بتنی غیرمحصور |
|
انرژی جذب شده توسط نمونه‌ی بتنی محصورشده |
|
مدول مماسی |
|
مدول الاستیسیته‌ی بتن تحت اثر کشش |
|
مقاومت فشاری مشخصه بتن |
|
مقاومت فشاری بتن محصورشده |
|
مقاومت فشاری حداکثر بتن محصورشده با فولاد |
|
مقاومت کششی FRP در جهت الیاف |
|
فشار محصورکننده‌ی جانبی موثربر بتن ناشی از دورپیچ فولادی |
|
فشار محصورکننده‌ی‌موثر |
|
نقطه‌ی تلاقی قسمت خطی نمودارتنش-کرنش در ناحیه‌ی دوم با محور تنش |
|
تنش نظیر ترک‌خوردگی بتن در کشش تک محوره |
|
مقاومت تسلیم آرماتورهای عرضی |
|
K |
نسبت تنش جریان |
ضریب محصورشدگی |
|
ضریب کرنش در بتن محصورشده |
|
ضریب تاثیر محصورشدگی |
|
s |
فاصله‌ی مرکز تا مرکز آرماتورهای عرضی یا نوارهای FRP |
فاصله‌ی خالص بین آرماتورهای عرضی یا نوارهای FRP |
|
SL |
مقاومت برشی طولی |
مقاومت برشی عرضی |
|
ضخامت FRP |
|
XC |
مقاومت فشاری طولی |
XT |
مقاومت کششی طولی |
YC |
مقاومت فشاری عرضی |
YT |
مقاومت کششی عرضی |
تنش محوری |
|
تنش جانبی |
|
تنش تسلیم |
|
کرنش سطحی |
|
کرنش محوری |
|
کرنش پلاستیک محوری |
|
کرنش نظیر ترک‌خوردگی بتن در کشش |
|
کرنش متناظر با تنش ترک‌خوردگی صفر |
|
کرنش فشاری محوری نهایی در بتن محصورشده |
|
کرنش جانبی در ناحیه‌ی غیر خطی |
|
کرنش در لحظه‌ی گسیختگی |
|
کرنش غیر الاستیک |
|
کرنش جانبی |
|
β |
زاویه‌ی اتساع پلاستیک |
زاویه اصطکاک |
|
ضریب ایمنی جزیی مصالح FRP |
|
ضریب ایمنی جزیی بتن |
|
نسبت مساحت آرماتورهای طولی به مساحت هسته‌ی بتنی |
|
نسبت حجمی فولاد های محصور کننده‌ی عرضی به حجم هسته‌ی بتن محصور |
