پایاننامه عمران دال بتن مسلح مصالح FRP بارانفجار اجزاء محدود

165 هزار تومان 130 هزار تومان
افزودن به سبد خرید

جهت خرید و دانلود پایاننامه عمران دال بتن مسلح مصالح FRP بارانفجار اجزاء محدود افزودن به سبد خرید یا با ایمیل زیر در ارتباط باشید.

sellthesis@gmail.com


پایان نامه کارشناسی ارشد عمران سازه پاسخ دینامیکی یک دال بتن مسلح تقويت شده با مصالح FRP تحت اثر بار انفجار به کمک روش اجزاء محدود


پایاننامه عمران دال بتن مسلح مصالح FRP بارانفجار اجزاء محدود


چکیده

مقاوم سازی ساختمانهای دولتی مهم، تأسیسات زیربنایی و شریان های حیاتی با توجه به افزايش حملات تروريستی در سراسر دنيا و امکان بمب گذاری در نزديکی ساختمان ها و اماکن شهری، از مهمترین بحث های پیش رو در علم مهندسی عمران خصوصاً در کشور ما می باشد. 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 نرم افزار آباکوس (ورژن 6.10.1) و با درنظرگرفتن 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 مقاوم سازی 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 دالها دارد. بهتر است امتداد فیبرها در راستای باربری دال باشد.

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


فهرست مطالب

عنوان صفحه
چکییده 1
فصل اول: کلیات تحقیق
1-1 مقدمه     3
1-2 سازه های مقاوم در برابر انفجار 4
1-3 مقاوم سازی با استفاده از الیاف مسلح پلیمری(FRP) 6
فصل دوم: مروری بر تحقیقات انجام شده
2-1 خلاصه اي از تحقیقات پیشین 8
فصل سوم:روش اجرای تحقیق
3-1 مبانی مدل سازی عددی 13
3-1-1 مقدمه 13
3-1-2 معرفی نرم افزار Abaqus 13
3-1-3 مشخصات مصالح 14
3-1-3-1 رفتار بتن 14
 3-1-3-1-1 رفتار تک محوری بتن در فشار 15
 3-1-3-1-2 رفتار تک محوری بتن در کشش 17
 3-1-3-1-3 سخت شدگی کششی بتن 19
3-1-4 مدلسازي فولاد 21
3-1-4-1 سخت شوندگي 21
3-1-4-2 سطح تسليم فن ميسز 23
3-1-5 مدلسازی کامپوزیت های(FRP) 25
3-1-5-1 مدلسازی(FRP) در نرم افزار آباکوس 26
3-1-6 تحليل اجزا محدود سازه هاي بتني به کمک نرم افزار Abaqus 27
3-1-6-1 مدل بتن ترک خورده 28
3-1-6-2 مدل بتن شکننده 28
3-1-6-3 مدل بتن آسيب ديده پلاستيک 29
 3-1-6-3-1 روابط تنش کرنش 30
 3-1-6-3-2 آسیب و کاهش سختی بتن 32
 3-1-6-3-3 تابع تسلیم 33
 3-1-6-3-4 قانون جریان 36
3-1-6-4 نحوه تعريف مدل ساختاري در آباکوس 38
3-1-6-5 مشخصات تحليل اجزا محدود 39
3-1-6-5-1 مدل سازی دال های بتن مسلح در این تحقیق 42
3-1-6-6 روش حل مسائل 46
3-2 بارگذاری انفجار ومشخصات مصالح تحت اثر بار انفجار 47
 3-2-1 تعریف انفجار 47
3-2-1-1 موج ضربه 49
3-2-1-2 موج فشار 50
3-2-1-3 انتشار موج انفجار 50
3-2-2 سطح بار انفجار 51
3-2-3 طبقه بندی بارهای انفجاری بر اساس مبحث 21 از مقررات ملی ساختمان 51
3-2-4 انفجار در هوا 53
3-2-4-1 فشار مبنای انفجار(pso) 53
3-2-4-2 فشار دینامیکی(qs) 55
3-2-4-3 بازتاب(انعکاس) موج انفجار و فشارهای ناشی از آن 56
3-2-4-4 پارامترهای مهم موج انفجار در هوا 56
3-2-5 سازه های بتن آرمه مناسب در برابر انفجار 58
3-2-6 مقاومت دینامیکی بتن مسلح تحت اثر انفجار 59
3-2-6-1 ضریب افزایش مقاومت (SIF) 61
3-2-6-2 ضریب افزایش دینامیکی (DIF) 61
3-2-6-3 تنش تسلیم در سازه های مقاوم در برابر انفجار 63
3-3 مدل سازی عددی و اطمینان از صحت نتایج 63
3-3-1 نمونه اول 63
3-3-1-1 آزمایش دال بتنی در اثر بار انفجار 64
 3-3-1-1-1 مشخصات هندسی و مصالح دال و شرایط مرزی 64
 3-3-1-1-2بارگذاری 65
3-3-1-2 مدل سازی دال بتنی آزمایش شده در اثر بار انفجار 66
3-3-1-2-1 المان بتن مسلح و اطلاعات ورودی نرم افزار 66
3-3-1-2-2 مشخصات مصالح 66
3-3-1-2-2-1 مشخصات مصالح بتن 66
3-3-1-2-2-2 مشخصات مصالح آرماتور فولادی 68
3-3-1-2-2-2 مشخصات مصالح ((CFRP 69
 3-3-1-2-3 تاریخچه بارگذاری و شرایط مرزی 69
 3-3-1-2-4 شبکه بندی 70
 3-3-1-2-5 نتایج تحلیل 70
3-3-2 نمونه دوم 74
3-3-2-1 آزمایش دال بتنی در اثر بار انفجار 74
 3-3-2-1-1 مشخصات هندسی و مصالح دال و شرایط مرزی 74
 3-3-2-1-2 شرایط مرزی 75
 3-3-2-1-3 بارگذاری 76
 3-3-2-1-4 تاریخ جابه جایی 76
3-3-2-2 مدل سازی دال بتنی آزمایش شده در اثر بار انفجار 77
3-3-2-2-1 المان بتن مسلح و اطلاعات ورودی نرم افزار 77
3-3-2-2-2 مشخصات مصالح 77
3-3-2-2-2-1 مشخصات مصالح بتن 77
3-3-2-2-2-2 مشخصات مصالح آرماتور فولادی 79
3-3-2-3 تاریخچه بارگذاری وشرایط مرزی 79
3-3-2-4 شبکه بندی 80
3-3-2-5 نتایج تحلیل 81
فصل چهارم:تجزیه و تحلیل و بیان نتایج حاصل از تحقیق
4-1 مقدمه 84
4-2 بررسی تاثیر لایه چینی های مختلف FRP بر عملکرد دال ها 85
4-2-1 مقدمه 85
4-2-2 مدل های مورد مطالعه 88
4-2-3 نتایج دالهای با یک لایه دو طرفه 92
4-2-4 بررسی تنش در دال با توجه به نوع لایه چینی(FRP) 103
4-3 بررسی تعداد لایه های در رفتار دال های مقاوم سازی شده 104
4-3-1 مقدمه 104
4-3-2 بررسی دالهای با دو لایه 105
4-3-3 بررسی نتایج مربوط به دال های با تعداد لایه های مختلف و بحث روی نتایج 112
4-4 بررسی امتداد فیبرها در میزان باربری سیستم 117
4-4-1 بررسی امتداد فیبرها در لایه های سرتاسری 121
4-4-2 بررسی امتداد فیبرها در آرایش بهینه 20deg 122
فصل پنجم:بحث و تفسیر و نتیجه گیری و جمع بندی
5-1 نتایج 126
5-2 پیشنهادات 128
 منابع:
منابع فارسی 129
منابع انگلیسی 129
پیوست
چکییده انگلیسی 131


فهرست اشکال

فصل اول: کلیات تحقیق
شکل 1-1 نمای خارجی گسیختگی دیوار خارجی ساختمان federal
شکل 1-2 نمای خارجی گسیختگی دیوار خارجی برج ها khobar
فصل دوم: مروری بر تحقیقات انجام شده
شکل2-1 الگوی خرابی نمونه های آزمایش شده 9
شکل2-2 نمونه آزمایشی 10
شکل2-3 دال بتنی مسلح شده با الیاف پلیمر مسلح پلیمری مقابل بار انفجار 11
فصل سوم: روش اجرای تحقیق
شکل3-1 شکست بتن در فشار تک محوره 15
شکل3-2 مدل ساختاری بتن در فشار 16
شکل3-3 شکلگيري ناحيه FPZ و نرم شوندگي در بتن 18
شکل3-4 ترکخوردگي داخلي در بتن مسلح 19
شکل3-5 رفتار سخت شدگي کششي در بتن 21
شکل3-6 مفهوم سخت شدگی ايزوتروپيک 22
شکل3-7 مفهوم سخت شوندگی کينماتيک 23
شکل3-8 سطح تسليم فنميسز 24
شکل3-9 سطح تسليم فن ميسز در حالت تنش مسطح 25
شکل3-10 رفتار بتن در حين باربرداري 31
شکل 3-11 منحني هيسترزيس بتن 31
شکل3-12 نمايش اثر پارامتر 34
شکل3-13 سطح تسليم، الف) صفحه انحرافي ب) صفحه تنش مسطح 36
شکل3-14 تابع پتانسيل براي خروج از مرکزيتهاي متفاوت 37
شکل3-15 کرنشهاي مورد نياز در Abaqus
شکل3-16 انواع المانهاي موجود در Abaqus
شکل3-17 المانهاي مرتبه اول و دوم 41
شکل3-18 دال ساخته شده در اباکوس 42
شکل3-19 محدوده مجاز براي المانهاي مدفون 44
شکل 3-20 شبکه آرماتور دال صحت سنجی شده 45
شکل 3-21 لایه(FRP) ساخته شده در آباکوس 46
شکل3-22 مشخصات موج انفجار –موج ضربه 49
شکل3-23 مشخصات موج انفجار-موج فشار 50
شکل3-24 افت فشار نسبت به فاصله از محل انفجار 50
شکل 3-25 موقعیت بارهای انفجار 52
شکل 3-26 فشار مبنا psoبر اساس فاصله مقیاس شده(Z)
شکل 3-27 پارامترهای مختلف فاز مثبت انفجار برای انفجار در هوا در سطح دریا 58
شکل 3-28 منحنی تیر تنش –کرنش در بتن 60
شکل3-29 منحنی تیر تنش –کرنش در فولاد 60
شکل 3-30 جزئیات دال بتنی و نحوه بر پایی و چینش شرایط آزمایش 65
شکل 3-31 منحنی تنش کرنش بتن 67
شکل 3-32 منحنی دو خطی فولاد (میلگرد) 68
شکل 3-33 نحوه اعمال بار و شرایط مرزی 69
شکل3-34 مدل شبکه بندی شده 70
شکل 3-35 مدل شبکه بندی شده نمونه 72
شکل3-36 جابه جایی نقطه میانی دال در دو وضعیت تست آزمایشگاهی و مدل سازی عددی 72
شکل3-37 تاریخچه جا به جایی نقطه میانی دال را در مدل عددی برای حالت بدون (FRP)
شکل3-38 جابه جایی نقطه میانی دال وضعیت آزمایشگاهی و مدل عددی برای حالت با (FRP)
شکل3-39 تاریخچه جا به جایی نقطه میانی دال را در مدل عددی عددی برای حالت با (FRP)
شکل 3-40 تصویر شماتیک دال آزمایش شده 75
شکل3-41 شرایط مرزی نمونه 75
شکل3-42 شرایط آزمایش 76
شکل3-43 محل قرارگیری مبدل های اندازه گیری تاریخ جابه جایی و فشار 76
شکل 3-44 منحنی تنش کرنش بتن در مدل صحت سنجی شده 78
شکل3-45 نحوه اعمال بار 80
شکل3-46 مدل شبکه بندی شده نمونه 80
شکل3-47 تاریخچه تغییرمکان حاصل از آزمایش و منحنی متناظر که از روابط تحلیلی 81
شکل 3-48 نتایج حاصل از مدل اجزا محدود 82
فصل چهارم:تجزیه و تحلیل و بیان نتایج حاصل از تحقیق
شکل4-1 استفاده از لایه های کامپوزیت در جهات گوناگون 86
شکل4-2 مثال هایی از کامپوزیت های لایه ای 88
شکل4-3 انواع آرایش های(FRP) جهت مقاوم سازی مدلهای این تحقیق 91
شکل4-4 تاثیر آرایش(FRP) روی پاسخ تغییرمکان دال 92
شکل4-5 مقایسه آرایش(FRP) روی تغییرمکان دال شماره 1 94
شکل4-6 تاثیر آرایش(FRP) روی پاسخ تغییرمکان دال شماره 2 95
شکل4-7 تاثیر آرایش (FRP) روی پاسخ تغییرمکان دال شماره 3 96
شکل4-8 میزان آسیب دیدگی در دالهای مختلف 99
شکل4-9 تاثیر آرایش (FRP) روی پاسخ تغییرمکان دال شماره 4 100
شکل4-10 مقایسه آرایش(FRP) روی تغییرمکان دال شماره 4 101
شکل4- 11 تاثیر آرایش(FRP) روی پاسخ تغییرمکان دال شماره 5 102
شکل4-12 تغییرات حداکثر تنش ایجاد شده در دال 4 به ازای ارایش های مختلف(FRP)
شکل4-13 تاریخچه زمانی تغییرمکان وسط دهانه برای دالهای مقاومسازی با 1و2 لایه(FRP)
شکل 4-14 مقایسه تاثیر افزایش تعداد لایه ها برای آرایش های گوناگون(FRP) روی پاسخ دال 107
شکل4-15 تاثیر افزایش لایه از 1 عدد به 2 لایه در دال شماره 3 108
شکل4-16 تاریخچه زمانی تغییرمکان وسط دهانه برای دال شماره 4 با یک و دو لایه(FRP)
شکل4-17 تاثیر افزایش تعداد لایه های برای انواع آرایش های مقاوم سازی دال 114
شکل4-18 شمایی از امتداد فیبرها در یک ورقه کامپوزیت 118
شکل4-19 تغییر امتداد فیبر 119
شکل4-20 نمایش نوار(FRP)
شکل4-21 تاثیر امتداد فیبرهای نوار(FRP) روی پاسخ دال 121
شکل4-22 نمودار تغییرمکان وسط دال شماره 2 با آرایش 20deg به ازای جهات مختلف فیبر 123
شکل4-23 نمودار تغییرمکان وسط دال شماره 3 با آرایش 20deg به ازای جهات مختلف فیبر 123
شکل4-24 نمودار تغییرمکان وسط دال شماره 5 با آرایش 20deg به ازای جهات مختلف فیبر 124


معرفی نرم افزار ABAQUS

نرم افزاری که از آن جهت مدل سازی نمونه استفاده شده است نرم افزار تحلیل المان محدود ABAQUS است. نرم افزار ABAQUS قابلیت های فراوانی برای تحلیل اجزای محدود انواع سازه ها، از تحلیل ساده استاتیک خطی تا تحلیل پیچیده دینامیکی غیرخطی را دارا می باشد به طور کلی برای مدل سازی یک سیستم توسط نرم افزار ABAQUS مراحل عمومی زیر باید انجام گیرد [2]. به عنوان یک گام اولیه در تحلیل اجزای محدود شبکه بندی مدل مورد نیاز می باشد، به عبارت دیگر مدل به تعدادی المان های کوچک تقسیم شده و پس از بارگذاری، تنش و کرنش نقاط گره ای این المان کوچک محاسبه می شوند. یک گام مهم در مدل سازی اجزای محدود انتخاب چگالی مش می باشد. همگرایی نتایج زمانی حاصل می شود که از تعداد مناسبی المان در مدل استفاده شود. این موضوع مخصوصا زمانی نمود پیدا می کند که یک افزایش در چگالی مش اثر قابل ملاحظه ای بر روی نتایج می گذارد. بنابراین در مدل سازی اجزای محدود به دست آورد چگالی مش مناسب به سعی و خطا نیاز دارد.

رفتار بتن

براي پيش بيني دقيق و قابل اطمينان پاسخ دالهای بتنی به يک مدل ساختاري چرخه اي مناسب براي بتن نيازمنديم. در اين مدل بايد به مباحث مهمي مثل رفتار چرخه اي در کشش و فشار، کاهش زوال تدريجي سختي، منحني هاي بارگذاري و باربرداري مجدد و اثرات محصورشدگي، سخت شدگي کششي و بسته شدن ترک توجه شود. اساسا بتن به عنوان يک ماده شبه ترد شناخته مي شود. رفتار آن به مقدار زيادي هم در کشش و هم در فشار غيرخطي است. تفاوت مواد ترد با شبه ترد در اين است که در مواد ترد تا تنش حداکثر، رفتار خطي و بعد از آن، ترک هاي بزرگ رخ مي دهد. اما در مواد شبه ترد، رفتار غيرخطي قبل از رسيدن به تنش حداکثر آغاز مي شود و ترک در بار حداکثر رخ مي دهد و سپس توانايي انتقال تنش کاهش مي يابد. بتن يک ماده شبه ترد است نه ترد.

مدلسازي فولاد

براي مدلسازي آرماتور فولادی از مدل پلاستيسيته کلاسيک فلزات موجود در آباکوس استفاده شده است. اين مدل از سطح تسليم ميسز با جريان پلاستيک وابسته استفاده مي کند که تسليم ايزوتروپيک را ممکن مي سازد. با استفاده از اين مدل، امکان تعريف رفتار پلاستيک کامل يا رفتار سخت شوندگي ايزوتروپيک و يا کينماتيک وجود دارد که در واقعيت سخت شوندگي فولاد ترکيبي از خصوصيات ايزوتروپيک و کينماتيک(مرکب) است.

تعریف FRP در آباکوس

ورقه های (FRP) براساس توضیحات بخش قبل، (FRP)ها بدلیل ضخامت ناچیز (0.165میلیمتر) به عنوان المان پوسته ای (Shell) به نرم افزار معرفی شده اند. از گزینه (Lamina) برای بیان ویژگی های مکانیکی آنها در اباکوس می توان استفاده کرد که در واقع برای مشخص کردن ویژگیهای الاستیک مواد ارتوتروپیک در حالت تنش صفحه ای بکار می رود. 

تعریف انفجار

انفجار واکنشی است که در آن نرخ سوختن مواد با سرعتی به مراتب بیشتر از سرعت صوت انجام می شود که در نتیجه دما و فشار بسیار بالایی ایجاد و موج انفجار بلافاصله تولید و با سرعت بسیار زیادی منتشر می شود. در واقع انفجار آزاد شدن بسیار سریع انرژی به صورت نور،گرما،صدا و موج ضربه ای می باشد. موج ضربه ای شامل هوای بسیار متراکمی می باشد که به صورت شعاعی از منبع انفجار به سمت خارج با سرعت مافوق صوت در حرکت است. با گسترش موج ضربه ای مقدار فشار به سرعت کاهش می یابد(متناسب با توان سوم فاصله) و پس از برخورد به یک سطح منعکس شده و مقدار آن ممکن است تا سیزده برابر افزایش یابد. مقدار ضریب انعکاس تابع نزدیکی ماده منفجره و زاویه موج برخوردی می باشد.

طبقه بندی بارهای انفجاری بر اساس مبحث 21 از مقررات ملی ساختمان

انفجارها از نظر موقعیت به دو دسته انفجار خارجی(خارج از سازه)، انفجار داخلی(داخل سازه) تقسیم می شوند. انفجار خارجی به سه دسته انفجار در هوا، انفجاردر سطح زمین و انفجار در داخل زمین تقسیم می گردد. در انفجار هوایی، مواج انفجارمستقیماً به سازه برخورد کرده و نحوه انتشار امواج در هوابه صورت کروی است. اگر انفجار در سطح زمین واقع گردد، انتشار امواج ناشی از نفجار بصورت نیم کره میباشد و علاوه بر انتشار امواج در هوا، انتشار امواج در زمین (مثل زمین لرزه) یعنی شوک زمین نیزرخ خواهد داد، لیکن اثر آن قابل توجه نیست. در انفجار در داخل زمین، انرژی انفجار به صورت موج فشاری و برشی در زمین منتقل شده و به علت انتشار امواج در زمین، شوک های شدید در زمین را ایجاد می نماید که می تواند، اثرات تخریبی شدیدی بر روی سازه های زیر زمینی داشته باشد. علاوه بر بارهای ناشی از انفجار، اثر ترکش های ناشی از انفجار نیز بعضا در نظر گرفته می شود. انفجارهای داخلی، بسته به شرایط ساختمان و نحوه تهویه آن به دو دسته محبوس و نیمه محبوس تقسیم می گردد.

سازه های بتن آرمه مناسب در برابر انفجار

به دلیل مقامت و جرم قابل توجه سازه های بتن مسلح، این مصالح به طور ویژه ای در برابر بارهای انفجاری، مناسب هستند. همچنین بتن ،مقاومت موثری را برابر آتش و نفوذ ترکش دارد. روش های ساده شده جهت طراحی انفجاری بتن مسلح بر اساس پاسخ خمشی بوده و مشروط به حذف مودهای شکست ترد شکن میباشند. برای رسیدن به پاسخ شکل پذیر برای بتن، جزئیات بندی مناسبی از میلگردها نیاز است. با افزایش تنش و کرنش در مقطعی از عضو ،میلگرد ها به تسلیم می رسند و اجازه شکل گیری مفصل پلاستیک می یابند. بتن در این نواحی در سطح کششی دچار ترک می شود و متعاقباً به حد کرنش فشرده شدن در سطح فشاری می رسد.

مقاومت دینامیکی بتن مسلح تحت اثر انفجار

اعضای سازه ای که تحت اثر بار انفجار قرار می گیرند ،مقاومت بالاتری نسبت به اعضای مشابه که تحت اثر بارگذاری استاتیکی قرار می گیرند نشان می دهند. این افزایش مقاومت که هم در بتن و هم در فولاد رخ می دهد، به دلیل نرخ بالاتری کرنش در اعضایی است که تحت اثر بار دینامیکی انفجار قرار می گیرند. این تنش های افزایش یافته که مقاومت دینامیکی نامیده می شود، برای محاسبه مقاومت دینامیکی اعضا تحت اثر بار انفجار استفاده می گردد. بنابراین مقاومت نهایی دینامیکی یک عضو تحت اثر بار انفجار بزرگ تر از مقاومت نهایی استاتیکی آن می باشد. همانطور که در بالا ذکر شد،بتن و فولاد تسلیح در بتن آرمه مقاومت بیشتری تحت اثر کرنش نرخ بالا نشان می دهد. این پدیده در طراحی سازه ها در برابر بار انفجار با استفاده از تنش های دینامیکی حداکثر در بتن و فولاد در نظر گرفته می شود.

مرور

هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است .