چکیده

مطالعات قابل توجهی در زمینه مقاوم سازی سازه های بتن مسلح با استفاده از الیاف فـولادی (SFRC) انجـام شـده اسـت. بـا ایـن حـال بیشـتر ایـن مطالعات دارای پایه تجربی و آزمایشگاهی بوده و تعداد محدودی از آنها در زمینه مدلسازی عددی چنین سازه هایی با استفاده از روش اجـزای محـدود در دسترس می باشند. پژوهش حاضر، نتایج یک مطالعه عددی را که در آن از یک مدل آزمایشگاهی استفاده شـده اسـت را معرفـی مـی کنـد. هـدف، بررسی اثرات مختلف فرضیات شبیه سازیِ بین بتن و الیاف های فولادی به منظور پیش بینی رفتار سازه های بتن مسـلح تقویـت شـده بـا اسـتفاده از الیاف فولادی((SFRC می باشد. از این رو در ابتدا مدل اجزای محدود مورد نظر با استفاده از نرم افزار ABAQUS و با در نظـر گـرفتن نسـبت هـای مختلف الیاف فولادی به میزان ۰، ۲۰،۱۰ و۳۰ کیلوگرم در متر مکعب در بتن مورد بررسی، در نقـاط بحرانـی قـاب بـتن مسـلح کـه احتمـال تشـکیل مفاصل پلاستیک بیشتر است، استفاده شده است. نتایج مدل سازی نشان می دهد که با افزایش درصد مقادیر الیاف فـولادی در بـتن، ظرفیـت بـاربری قاب مورد بررسی افزایش قابل ملاحظه ای نسبت به قاب بدون الیاف داشته است.

واژه های کلیدی: الیاف فولادی (SFRC)، مقام سازی، روش اجزای محدود، Abaqus

۱

مقدمه

ایده اضافه کردن الیاف به مخلوط های ترد و شکننده که در مقابل کشش توان ناچیزی دارند، از زمان های قدیم وجـود داشـته است. علیرغم اینکه تکنولوژی استفاده از بتن الیافی در ایران کمتر شناخته شده است امروزه در دنیا انواع بسـیار متنـوعی از الیـاف برای کاربردهای گوناگون در سازه های بتنی وجود دارد که یکی از پرکاربردترین آنها، الیـاف فـولادی (SFRC1) مـی باشـد. اولـین تلاش اصلی برای مسلح کردن بتن بوسیله جاگذاری الیاف هـای فـولادی توسـط Ramualdi و Baston در اوایـل دهـه ۱۹۶۰ در کشورآمریکا صورت گرفت. بعد از آن، تحقیقات و کاربردهای صنعتی بسیار زیادی درباره بتن مسلح با الیـاف فـولادی انجـام گرفتـه است (درویش و همکاران، .(۲۰۰۸ الیاف فولادی دارای مدول الاستیسیته و کرنش شکست بالایی بوده که با توجه به قابلیت شـکل پذیری مناسب و مقاومت کششی بالا از مناسب ترین و اقتصادی ترین نوع الیاف به حساب می آید. این نوع الیاف به اشکال ظاهری گوناگون ( مستقیم، انتهای قلاب دار، دندانه دار و … ) جهت بهبود رفتار بتن قابل ساخت است و همچنین اختلاط آنها با دیگر مواد بتن به سهولت انجام پذیر است (خالو، .(۱۳۷۸ این مزیت ها سبب می شود که الیاف فولادی بیشترین کـاربرد را نسـبت بـه سـایر انواع الیاف ها داشته باشد. از جمله کاربردهای این الیاف می توان به سازه های تحت ضربه و انفجار، باند فرودگاهها، کـف سـالنهای صنعتی، لوله ها و پوسته های نازک، تونلها، کف سازی خیابانها، قسمتهایی که در معرض تغییـرات بـالای دمـا و حتـی در دماهـای بسیار بالا هستند و … اشاره کرد. با توجه به مزایای ویژه و کاربردهای وسیع بتن مسلح به الیاف فولادی جای آن دارد که در ضـمن شناخت بیشتر این تکنولوژی اقدامات لازم برای به کارگیری عملی آن صورت گیرد.

درسال های اخیر بحث تعمیر و استحکام ساختارهای موجود در بین مهندسین عمران رایج شده است . علل اولیه برای مقاوم نمودن ساختارسازه ها عبارت اند از:

-۱ بالا بردن استحکام برای افزایش مقاومت در زیر بارهای باقیمانده -۲ جلوگیری از شکست که منجر به ایجاد یک جزء نامناسب می گردد

-۳ بازگرداندن ظرفیت تحمل بار برای جلوگیری از غلبه بار، زمین لرزه و عوامل دیگر که باعث فرسایش یا سایش می گردند. کاربرد الیاف به منظور بهبود بخشیدن به خواص بتن کاربرد وسیع را در ساز ه های بتنی و بتن مسلح پیدا کـرده اسـت . دلیـل

کاربرد گسترده الیاف، مزایای بی شمار فنی و اقتصادی در جسم بتن می باشد. اثرات مثبت کاربرد الیاف در بتن به شـرح زیـر مـی باشد. -۱ افزایش مقاومت خمشی -۲ افزایش مقاومت برشـی – ۳ افـزایش مقاومـت کششـی -۴افـزایش مقاومـت در برابـر بارهـای دینامیکی بویژه بارهای ضربه ای -۵ افزایش میزان جذب انرژی -۶ افزایش مقاومت مقطع در قبـال تـرک خـوردگی -۷ کـاهش در میزان انقباض، خزش و سایش سطحی (خالو، .(۱۳۷۸

پیشینه پژوهش

بررسی ها نشان می دهند که تفکر استفاده از الیاف از روزگاران باستان وجود داشته است. مصریان قدیم از کاه برای مسلح کردن آجرهای گلی استفاده می کردند. همچنین الیاف پنبه نسوز برای مسلح کردن رس در ۵۰۰۰ سال پیش استفاده می شده است Felekoĝlu) و همکاران، (۲۰۰۷

Joseph Lambot در سال۱۸۴۷پیشنهاد کرد که با اضافه کردن الیاف پیوسته به شکل سیم به بتن یک ماده ساختمانی جدیدی می توان تولید کرد Mehta)، .(۱۹۸۶ در سال ۱۹۱۰ یک سری آزمایشات برای مقاومت بتن بوسیله الیاف های کوتاه توسط Porter انجام شد. او با اضافه کردن گل میخ۲ به بتن، افزایش مقاومت کششی و خردشدگی بتن را بدست آورد. در سالهای بعد از ۱۹۱۰ ساخت المان های کامپوزیت شامل سیمان و پنبه نسوز توسط Lhatshelc توسعه یافت. در سال ۹۱۹۱، Zitkevic یک روش برای بهبود رفتار بتن مسلح یافت. او از الیافهای سیم آهنی تقریبا به طول ۱۰۰میلیمتر و قطر ۱۰میلیمترکه به الیاف فولادی مورد استفاده

۱ steel fiber-reinforced concrete 2 nail

۲

در بتن امروزی بسیار شبیه بود استفاده کرد و نتیجه گرفت که مقاومتهای فشاری، کششی و برشی افزایش می یابند Antoine)، .(۱۹۸۵ از اوایل دهه ۱۹۶۰ تا کنون تحقیقات متعددی در زمینه بتن مسلح به الیاف فولادی صورت گرفته است. A Qureshi و همکاران خواص بتن با مقاومت بالا را با افزودن الیاف فولادی بررسی کردند. نتایج آزمایش نشان داد که با افزایش الیاف فولادی، مقاومت کششی به صورت خطی افزایش می یابد و سرعت افزایش در ۷ روز اول بیشتر می باشد Beddar)، M N Hadi .(2008 آزمایشی را جهت مقایسه رفتار دال بتنی مسلح با استفاده از الیاف فولادی و پلی پروپیلن انجام داد. نتایج آزمایش نشان می دهد که افزایش %۱ حجمی الیاف فولادی بهترین تاثیر را در شکل پذیری دالها دارد ( Quresh و همکاران، .(۲۰۰۸

مشخصات قاب مورد بررسی

ابعاد و مشخصات هندسی قاب مورد بررسی در این مطالعه قاب مورد بررسی در این مطالعه مطابق شکل (۱) می باشد که با درصد الیاف های فولادی ۰، ۱۰، ۲۰ و ۳۰ کیلوگرم در قسمت اتصال تیر به ستون مدلسازی گردیده است. همانطور که در شکل (۱) مشخص است در نقاط اتصال تیر به ستون از الیاف فولادی جهت مقاوم سازی استفاده گردیده است.

شکل :(۱) جزئیات اجرایی قاب مورد مطالعه

مدلسازی رفتار بتن

برای مدلسازی بتن در ابتدا با توجه به درصد الیاف های اشاره شده و باتوجه به روابط موبوط به مشخصات ناحیه فشاری و کششی، نمودار تنش-کرنش بتن حاوی الیاف فولادی با توجه به روابط هر ناحیه محاسبه گردید