بررسی تحلیل غیرخطی و مدل سازی عددی تیرعمیق بتن مسلح دارای بازشو تقویت شده با FRP توسط نرم افزار اجزاء محدود

ایران از نظر لرزه خیزی در منطقه فعال جهان قرار دارد و به گواهی اطلاعات مستند علمی و مشاهدات اخیر از خطر پذیرترین مناطق جهان محسوب می شود. در این راستا یکی از برنامه های دولت و مردم برای کاهش خطر‌پذیری کشور در برابر زلزله، برنامه مطالعه و اجرای مقاوم سازی ساختمان های دولتی مهم، تأسیسات زیربنایی و شریان های حیاتی کشور است. موفقیت در مقاوم سازی لرزه ای به عنوان جزئی از بهسازی لرزه ای منوط به بهره بردن از فنون و مهارت های نوین مقاوم سازی است. در میان این نوآوری ها، الیاف مقاوم شده با پلیمر از جایگاه ویژه ای برخوردار است.
در این میان، تیرهای عمیق بتن آرمه بطور گسترده در ساختمان های بلند مرتبه، مخازن، سیلوهای مستطیلی، دیافراگم های کف، دیوارهای برشی، دال‌ها و شاه‌تیرهای انتقال در سازه های دریایی و فونداسیون ها، دیوارهای پناهگاه های زیرزمینی و همپنین در دیوارهای باربر ساختمان ها و غیره مورد استفاده قرار گرفته شده است. وجود بازشوهای جان فراوان در این گونه تیرها، جهت ایجاد دسترسی مانند درب ها و پنجره ها و یا جهت عبور تاسیسات اصلی مانند لوله های تهویه، آب، برق، فاضلاب،کولر و غیره مورد نیاز است.
از سوی دیگر، رفتار اعضای سازه ای بتن مسلح در طول بارگذاری برای بهبود ایمنی و کارایی سازه بسیار مهم است. روش های مختلفی برای بدست آوردن پاسخ اعضای سازه ای تاکنون به کار برده شده است. مطالعات آزمایشگاهی به عنوان روشی برای آنالیز المان های سازه ای به طور گسترده ای به کار رفته اند. اگرچه این روش نتایجی به دست می دهد که تا حد زیادی منطبق بر واقعیات است، اما بسیار وقت گیر و پرهزینه است. استفاده از روش آنالیز اجزاء محدود برای مطالعه ی اعضای سازه ای، یکی دیگر از روش هایی است که امروزه به کار می رود. در گذشته مطالعات اولیه در این زمینه با توجه به امکانات سخت افزاری و نرم افزاری ضعیف وقت گیر بود. اما در سال های اخیر استفاده از آنالیز اجزاء محدود به علت پیشرفت دانش و بالا رفتن ظرفیت سخت افزاری و نرم افزاری، افزایش یافته است. استفاده از نرم افزارهای رایانه ای برای مدل کردن این المان ها بسیار با صرفه تر و سریع تر است.
داده های به دست آمده از یک آنالیز المان محدود مفید نخواهد بود، مگر آن که گام های لازم برای فهمیدن این که درون مدل ایجاد شده نرم افزار چه می گذرد، برداشته شود. همچنین باید کنترل های لازم در نقاط کلیدی برای اطمینان از خروجی نرم افزار انجام شود.
۱-۱- تیر عمیق
تیر عمیق تیری است که عمقش قابل مقایسه با طولش باشد. بعضی از تیرهای بتن مسلح به نسبت دهانه ی شان دارای ارتفاع بزرگتر از معمول می باشند. در این تیرها نیروهای خارجی و واکنش های تکیه گاهی در صفحه ی عضو قرار دارند و یک حالت تنش صفحه ای در بتن به وجود می آید، به چنین تیرهایی تیر عمیق می گویند.
طراحی این تیرها به حد کافی توسط آیین نامه های ملی پوشش داده نشده است؛ برای مثال آیین نامه ی فعلی بریتانیا B ۸۱۱۰ صریحاً بیان می دارد که “برای طراحی تیرهای عمیق باید به نشریات تخصصی مراجعه شود.” آیین نامه های مهمی که تا حدودی در مورد تیرهای عمیق بحث کرده اند، عبارتند از آیین نامه ی ACI و CIRIA Guide ۲ که البته راهنمای شماره۲ CIRIA اطلاعات جامع تری در اختیار می گذارد و به طور مشابه پیش نویس Eurocod EC/۲ بیان می کند “این کد در مورد تیرهای عمیق به کار نمی رود”. آیین نامه های طراحی مهم عبارتند از: آیین نامه ی ACI (امریکا)، آیین نامه ی CAN-A۲۳.۳-M۸۴ (کانادا) و آیین نامه یCIRIA GUIDE ۲. از این میان تنها CIRIA GUIDE ۲ دارای توصیه های نسبتاً جامعی می باشد.

۱-۲- بازشوی جان
غالباً جهت آسان کردن اجرای سرویس های اساسی مثل مجراها، کانال های هوا، دسترسی به کابل های شبکه های الکتریکی و رایانه ای، تاسیسات مکانیکی یا حتی رفت و آمد از اتاقی به اتاق دیگر، در جان تیرهای عمیق بتن مسلح بازشوهایی را اجرا می کنند.

عوامل موثر بر رفتار تیرهای عمیق بتن مسلح دارای بازشوی جان
­ نسبت دهانه به عمق
­ سطح مقطع تیر (مقطع مستطیلی، Tشکل و …)
­ مقدار و محل آرماتور طولی
­ مقدار و نوع آرماتورگذاری جان
­ خواص بتن و فولاد
­ نسبت دهانه ی برش خالص به عمق تیر
­ نوع بار و محل آن
­ اندازه، شکل، محل بازشو و …

۱-۳- اهمیت این مطالعه
تیرهای عمیق بتن آرمه بطور معمول در ساختمان های بلند مرتبه، سازه های دریایی و ساحلی، شاهتیرهای انتقال دهنده، برخی دیوارها و سرشمع ها استفاده می شود. وجود بازشوهایی در جان تیر در بعضی از تیرهای عمیق به سبب ایجاد دسترسی مانند درب ها و پنجره ها یا به سبب نیازهای تاسیساتی و معماری و یا به سبب تغییر در کاربری ساختمان اجتناب ناپذیر است که این امر موجب کاهش ظرفیت عضو می گردد، بنابراین می بایستی برای خطر چنین ضعفی، چند راه حل ایمن ارائه گردد. تا به امروز، مطالعات محدودی بر روی رفتار و مقاومت تیرهای عمیق بتن آرمه دارای بازشو در مقالات گزارش شده است. نتیجه ای که از این مطالعات بدست آمده این است که، وجود بازشو موجب کاهش قابل توجه مقاومت تیر عمیق بتن مسلح می گردد. در مواقعی که وجود این چنین بازشوهایی اجتناب ناپذیر است، می بایست راهکارهای مناسبی جهت تقویت تیر و جبران کاهش مقاومت پیش بینی گردد. روش های مختلفی جهت ترمیم و تقویت تیرهای عمیق وجود دارد که استفاده از الیاف های پلیمری مرکب معروف به FRP در تقویت تیرهای بتن مسلح معمولی بطور کاملاً گسترده ای توسط محققین مورد بررسی قرار گرفته است که نتایج این تحقیقات بیانگر تاثیر چشمگیر کاربرد ورق های FRP در افزایش مقاومت تیرهای بتن مسلح بوده است. با وجود تحقیقات گسترده در زمینه تیرهای کم عمق بتن مسلح، در مورد تقویت تیرهای عمیق بتن مسلح فعالیت های تحقیقی کمی انجام شده است. در این رابطه نظریات مختلفی از محققین مبنی بر تاثیر و یا عدم تاثیر ورق های FRP در افزایش مقاومت نهایی تیرهای عمیق بیان گردیده است.

۱-۴- هدف این مطالعه
هدف از این مطالعه بررسی تحلیل غیر خطی و عددی تیرهای عمیق بتن آرمه دارای بازشو تقویت شده توسط CFRP می باشد. در این مطالعه، آزمایش خمش یک نقطه ای مدل سازی و مورد مطالعه قرار گرفته است و جهت مدل سازی و مطالعه دقیق عددی از نرم افزار قوی اجزاء محدود Abaqus استفاده گردیده است.
در این تحقیق پس از بررسی انواع تحلیل های خطی و غیر خطی و تعیین نقاط ضعف و قوت هر کدام از روش های تحلیل ، روش های پیشرفته آنالیز استاتیکی غیر خطی مورد بررسی قرار می گیرد.
در این تحقیق با استفاده از روش اجزاء محدود غیر خطی، ۹ نمونه تیر عمیق با تکیه گاه های ساده تحت بار متمرکز، مدل سازی و میزان اثر بخشی CFRP بر مقاومت نهایی تیرهای عمیق بتن مسلح دارای بازشو مورد مطالعه قرار گرفته است. به این منظور از یک نمونه تیر عمیق بتن مسلح بدون بازشو به عنوان تیر شاهد، ۴ تیر عمیق بتن مسلح دارای بازشو دایره ای و مربعی بدون تقویت و ۴ نمونه تیر عمیق بتن مسلح دارای بازشو دایره ای و مربعی تقویت شده با ورقه های CFRP به صورت دورپیچ U استفاده شده است. در این مطالعه نمونه های دارای بازشو تا حد شکست بارگذاری می شوند و اثر افزایش مقاومت در تیرهای عمیق دارای بازشو که توسط CFRP تقویت شده اند، بررسی می شود.
در این نمونه ها در محل اعمال بار از یک صفحه فولادی به ابعاد ۱۰×۵۰×۱۵۰ میلی متر در بالای نمونه و برای اعمال بار تکیه گاهی از دو ورق فولادی به ابعاد ۱۰×۵۰×۱۵۰ در دو انتهای پایین نمونه استفاده شده است.
هدف بعدی که در فصل ۲ آمده است، بررسی رفتار این نمونه ها می باشد. در فصل ۳ ابتدا تیر شاهد منطبق بر تیر آزمایش شده محمد پناهی و همکاران [۴] در بسته نرم افزاری مربوطه ساخته و تحلیل و نتایج با آزمایش مقایسه می شود؛ تا مشخص شود که پیش بینی نرم افزار از رفتار این تیر تا چه حد با نتیجه نمونه آزمایشگاهی انطباق دارد. پس از آن مدل صحت سنجی می شود تا نزدیک به نتایج نمونه آزمایشگاهی شویم که در این فصل بطور کامل به این موضوع خواهیم پرداخت. در فصل ۴ نتایج تحلیل این تیرها بررسی خواهد شد و در فصل ۵ نتایج و پیشنهادات ارائه خواهد شد.