ساختمان

استفاده از GFRP در تقویت سازه های مترو در برابر بارهای انفجاری

[ad_1]

مقاوم سازی سازه های مترو

با توجه به آسیب هایی که به روش های مختلف به سازه های بتن آرمه وارد می شود، روش های مختلف مقاوم سازی این سازه ها روز به روز در حال گسترش است. این روش ها شامل استفاده از غلاف یا ژاکت بتن مسلح، غلاف فولادی، ورق فولادی و ورق FRP می باشد.

استفاده از ورق های پلیمری تقویت شده با الیاف (FRP) روش جدیدی است که به دلیل خواصی مانند نسبت وزن به وزن بالا، مقاومت خوب در برابر خوردگی و حملات شیمیایی، سهولت حمل و نصب به دلیل انعطاف فوق العاده و عدم افزایش آن ها گسترش یافته است. در ابعاد عنصر .

در گذشته معمولاً از مصالح سنتی برای تقویت یا بهبود سازه های موجود به منظور تحمل بارهای بیشتر یا رفع ضعف سازه یا افزایش شکل پذیری استفاده می شد. با معرفی مواد کامپوزیت در مهندسی عمران، این مواد با خواص مکانیکی مناسب گزینه مناسبی برای بهسازی شدند. کامپوزیت های مورد استفاده در مهندسی عمران پلیمرهای تقویت شده با الیاف FRP هستند. FRP ها مواد سبک وزن، بادوام و بادوام هستند که امروزه به راحتی در دسترس هستند. ضخامت نسبتا نازک ورق های FRP باعث می شود که آنها را بسیار آسان اجرا کنند و در اکثر سطوح قابل اجرا هستند. لازم به ذکر است که FRP ها مانند هر ماده ای دارای نقاط ضعفی مانند حساسیت به آتش و ضعف در تحمل تنش های فشاری هستند.

استفاده از سیستم های FRP برای بهبود و تقویت سازه های بتنی در اواسط دهه 1980 در اروپا و ژاپن آغاز شد. در این 25 سال کاربرد این روش به سازه های بتنی محدود نمی شود و برای انواع سازه های بنایی، چوبی و فولادی مورد استفاده قرار گرفته است.

تاکنون تحقیقات نظری و آزمایشگاهی زیادی بر روی مواد و بارهای انفجاری انجام شده است. امروزه با گسترش ناگوار حملات تروریستی، تحلیل و طراحی سازه های مقاوم در برابر انفجار توسعه یافته و مقررات متعددی از سوی مراجع مختلف برای تحلیل و طراحی مواد منفجره ارائه شده است. آنها دیدگاه جدیدی برای مقابله با این رویدادها در بهبود ساختارهای موجود ارائه کرده اند.

استفاده از چیدمان نواری در برابر دیوارپوش های کامل بر عملکرد سازه در برابر بار انفجاری تأثیر می گذارد، حداکثر جابجایی و نشانه آسیب را کاهش می دهد. تجزیه و تحلیل های انفجاری سابقه ای چند قرنی دارند. 13 و 14 بعد از میلاد

در یکی از این مطالعات، رفتار دال های بتنی تحت اثر بار انفجار بررسی شد. ابتدا دال بتنی در آزمایشگاه تحت بار انفجاری قرار گرفت و سپس نتایج با مدل‌سازی توسط نرم‌افزارهای Ansys و Abaqus مقایسه شد و پس از نمایش دقت مدل‌سازی، سعی شد رابطه‌ای بین قطر انفجار، وزن انفجار و وزن انفجار ارائه شود. محل انفجار در نهایت، مقایسه ای بین مدل ها و نرم افزارهای مورد استفاده انجام شد و در هر مورد، نقاط قوت و ضعف آنها تشریح شد. فیوز و همکاران همچنین رفتار سازه‌های فولادی و بتنی با شکل‌ها و شرایط مختلف تحت تأثیر بارگذاری انفجاری و تأثیر شکل و سایر خواص بر عملکرد سازه‌ها برای فولاد و بتن توسط نرم‌افزار اجزای محدود آباکوس مورد بررسی قرار گرفت. و عملکرد سازه های بتنی را در وضعیت کلی تری گزارش کرد.

این مطلب را هم بخوانید  تدوین ضوابط سازه ای بدون وقفه برای بیمارستان ها / هشدار نسبت به کاهش مصالح ساختمانی با افزایش قیمت

نویسندگان این تحقیق همچنین به بررسی آرماتوربندی دیوارهای بتنی با انواع ورق های FRP در ضخامت های مختلف در برابر بار انفجار و تأثیر آرماتور با استفاده از این ورق ها بر کاهش حداکثر جابجایی، علائم آسیب و تنش در میلگردهای بتنی در برابر بار پرداختند. انفجار مناسبی را ارزیابی کرد که در آن استفاده از ورقه‌های کربنی مناسب‌تر از ورق‌های شیشه و آرامید گزارش شد.

این مطالعه به بررسی کارایی استفاده از مصالح کامپوزیت بر عملکرد دیوارهای بتنی در برابر انفجار می پردازد. بنابراین، دیوار بتن مسلح تقویت شده با پلیمرهای تقویت شده با الیاف شیشه (GFRP) تحت تأثیر بار انفجاری قرار گرفته است.

به منظور بررسی اثر GFRP ها بر سازه های مترو با استفاده از نرم افزار المان محدود Abaqus، تاثیر این ورق ها بررسی شده است.

مدل عددی

در این مدل عددی، یک مدل تونل بتنی مترو با مقطع مستطیلی با استفاده از نرم افزار سه بعدی Abaqus در نظر گرفته شده است. این مدل با ورق GFRP پوشیده شده و در زمین و در حجمی از خاک قرار دارد. بالاتر از این حجم خاک، بار ترافیکی ناشی از وسایل نقلیه وجود دارد. همچنین در این مدل یک بار انفجاری بر روی سطح خاک اعمال می شود و بر خاک و ساختار مترو تأثیر می گذارد. این مدل عددی دارای ابعاد 5.5 متر و ضخامت 0.4 است که در داخل حجم خاک به ابعاد 25 در 15 متر قرار دارد و فاصله آن از سطح زمین از 5 تا 7.5 و 12.5 متر متغیر است. خاک از ماسه و سازه مترو از بتن ساخته شده است. شکل 1 بار انفجار بر روی سقف سازه ای را نشان می دهد که با ورق شیشه پوشانده شده است.

استفاده از GFRP در تقویت سازه های مترو در برابر بارهای انفجاری

شکل 1: نمای مدل

مواد خاکی

در تحقیق حاضر از ماسه به عنوان ماده خاک استفاده شده است. مشخصات این خاک مطابق جدول زیر در نظر گرفته شده است.

جدول 1: ویژگی های مواد خاک

استفاده از GFRP در تقویت سازه های مترو در برابر بارهای انفجاری

بتن

مقاومت فشاری بتن در مطالعه 35 مگاپاسکال است. برای مدلسازی بتن در ناحیه پلاستیک و بررسی تخریب در آن از مدل آسیب موم بتن استفاده شده است. مقادیر تنش و کرنش پلاستیک مورد نیاز در این مدل از گزارش نتایج تحقیقات آزمایشگاهی قبلی گرفته شده است. مشخصات مورد استفاده برای مدل سازی بتن در جدول 2 ارائه شده است.

جدول 2: مقادیر تنش و کرنش پلاستیک بتن در کشش و فشار

تنش فشاری (MPa)

کرنش در فشار تنش کششی (MPa)

کرنش در تنش

17.5

0.0000 5.3

0.0000

25.7

0.00038 5.31

0.000176

34.9

0.00189

8.5

0.001539

35

0.00218

28

0.00456

این مطلب را هم بخوانید  مقاومت ساختمان‌های جدید در مناطق زلزله‌زده استان کرمانشاه; تهدیدی که تبدیل به فرصت شد

ویژگی مواد

کامپوزیت مورد استفاده در این مطالعه GFRP است. به منظور بررسی تأثیر تغییر ضخامت بر پارامترها، ضخامت ورق های GFRP 1، 2 و 3 میلی متر در نظر گرفته شده است. مشاهده می شود که نامگذاری این ورق ها بر اساس وزن واحد سطح آنها بوده و همچنین استحکام کششی نهایی و مدول کششی الیاف شیشه در جدول 3 نشان داده شده است.

جدول 3: مشخصات فیزیکی و مکانیکی ورق های GFRP

استفاده از GFRP در تقویت سازه های مترو در برابر بارهای انفجاری

بارگذاری

بارگذاری مواد منفجره به دو پارامتر زمان و مکان بستگی دارد. در این تحقیق به منظور ساده سازی و کاهش زمان عملیات شبیه سازی کامپیوتری مدل ها، از وابستگی مکانی بار صرف نظر شده و تنها توزیع زمانی بار مورد مطالعه قرار گرفته است. به عبارت دیگر توزیع فشار ناشی از انفجار به صورت تابعی یکنواخت اما زمانی بر روی سطح خاک اعمال شد. این را می توان با مراجعه به کد انفجار انجمن سازه های فولادی آمریکا پذیرفت. بر اساس این آیین نامه در صورتی که فواصل محل انفجار تا سازه بیش از نصف کوچکترین بعد سازه باشد، با فرضی مناسب می توان فشار وارده بر سازه را یکنواخت در نظر گرفت. در این تحقیق فشار وارده معادل فشار ناشی از انفجار 95 کیلوگرم TNT در فواصل 5، 7.5 و 12.5 متری سازه می باشد. فشار در کل زمان 0.2 ثانیه اعمال می شود که در جدول 4 نشان داده شده است.

جدول 4: مدل محدوده زمانی بار و فشار اعمالی

فشار (Pa)

مدت (ثانیه)

0.00

0.0

700000

0.001

700000

0.010

0.00

0.020

شکل 2 نمودار بار انفجار را نشان می دهد.

استفاده از GFRP در تقویت سازه های مترو در برابر بارهای انفجاری

شکل 2: نمودار تاریخچه شارژ مواد منفجره

برای تحلیل مدل ها از نرم افزار آنالیزور Abaqus (Explic it) استفاده شد. این تحلیلگر در مواردی استفاده می شود که هدف آن تحلیل پویا مدل در زمان بسیار کوتاهی باشد. در طی آنالیز رفتار الیاف شیشه و ساختار مترو به مدت 0.5 ثانیه (20 پله) ثبت شد. حداکثر پارامترها در هر مدل محاسبه و با یکدیگر مقایسه می شوند. شکل 3 نمایی از مدل را پس از پایان تحلیل نشان می دهد.

استفاده از GFRP در تقویت سازه های مترو در برابر بارهای انفجاری

شکل 3 مدل را پس از پایان تحلیل نشان می دهد.

بررسی تاثیر افزایش ضخامت GFRP بر سازه:

در این قسمت تاثیر ضخامت GFRP بر پاسخ سازه بوده است.

الف) در این مطالعه GFRP با ضخامت های 1، 2 و 3 میلی متر بر روی سقف سازه در فاصله 5 متری از محل انفجار قرار گرفت. حداکثر جابجایی نقطه میانی سقف سازه در شکل 4 نشان داده شده است.

ب) در این تحقیق GFRP با ضخامت های 1، 2 و 3 میلی متر بر روی سقف سازه در فاصله 7.5 متری از محل انفجار قرار گرفت. حداکثر جابجایی نقطه میانی سقف سازه در شکل 5 نشان داده شده است.

ج) در این تحقیق GFRP با ضخامت های 1، 2 و 3 میلی متر بر روی سقف سازه در فاصله 12.5 متری از محل انفجار قرار گرفت. حداکثر جابجایی نقطه میانی سقف سازه در شکل 6 نشان داده شده است.

این مطلب را هم بخوانید  5 ساختمان مقاوم در برابر زلزله در جهان

استفاده از GFRP در تقویت سازه های مترو در برابر بارهای انفجاری

شکل 4: نمودار حرکت با یک ورق شیشه در فاصله 5 متری از انفجار

همانطور که در شکل 4 مشاهده می شود، 0.05 ثانیه پس از شروع انفجار، جابجایی نقطه میانی سقف سازه با افزایش ضخامت GFRP کاهش یافت. میانگین جابجایی این نقطه از سازه برای GFRP با ضخامت های 1، 2 و 3 به ترتیب 5.27، 4.5 و 4.38 و حداکثر جابجایی به ترتیب 10.1، 9.6 و 9.4 میلی متر است.

استفاده از GFRP در تقویت سازه های مترو در برابر بارهای انفجاری

شکل 5: نمودار حرکت با ورق شیشه ای در فاصله 7.5 متری از انفجار.

همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، با افزایش GFRP و افزایش فاصله انفجار تا سازه، جابجایی نقطه مرکزی سازه کاهش می یابد. میانگین جابجایی این نقطه از سازه برای GFRP با ضخامت های 1، 2 و 3 به ترتیب 4.27، 4.58 و 4.41 و حداکثر جابجایی به ترتیب 9.5، 9.2 و 8.7 میلی متر است.

استفاده از GFRP در تقویت سازه های مترو در برابر بارهای انفجاری

شکل 6: نمودار حرکت با ورق شیشه ای در فاصله 12.5 متر انفجار

همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، با افزایش عمق، سازه دیرتر جابجا می شود اما تاثیر قابل توجهی بر جابجایی نقطه ای روی سازه ندارد و همچنین با افزایش ضخامت GFRP مشاهده می شود که میزان جابجایی کاهش می یابد. میانگین جابجایی این نقطه از سازه برای GFRP با ضخامت های 1، 2 و 3 به ترتیب 3.40، 3.45 و 3.23 و حداکثر جابجایی به ترتیب 8.8، 8.6 و 8.3 میلی متر است.

نتیجه

مدل ارائه شده در این تحقیق به بررسی اثر GFRP بر کاهش بار انفجار و میزان شکست سازه می پردازد و با توجه به تحلیل ها، نتایج زیر به دست می آید:

  1. آرماتوربندی با استفاده از ورق های GFRP بر عملکرد سازه در برابر بار انفجاری مؤثر بوده و در کاهش مقادیر جابجایی نیز تأثیر مثبت دارد.
  2. با افزایش فاصله سازه تا مرکز انفجار تاثیر مثبتی در کاهش مقادیر جابجایی دارد اما تاثیر قابل توجهی بر جابجایی ندارد و مقرون به صرفه نیست.

لازم به ذکر است که نتایج مربوط به خواص بوده و با تغییر خواص مواد ممکن است نتایج را نیز تغییر دهد و البته استفاده از آزمون های تجربی می تواند با تایید صحت این مدل سازی، در شناسایی خطاهای احتمالی مفید باشد.

منابع

  1. بهزاد جلیلی قاضی زاده، سید مجتبی موحدی، “تقویت سازه های مترو با استفاده از ورق های شیشه ای در برابر بارهای انفجاری”، کنفرانس بین المللی پژوهش های علوم و مهندسی، 1396.
  2. علیرضا رهایی، سعید نعمتی، 1383، “ارزیابی عملکرد و روش های مقاوم سازی سازه های بتنی”، انتشارات فدک ایساتیس.
  3. محیا فاضلی پور، محمدرضا توکلی زاده “بررسی تاثیر آرایش ورق GFRP بر تقویت دیوارهای بتنی در برابر بار انفجار”، ششمین کنگره ملی مهندسی عمران، 16 و 18 اردیبهشت 1390، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

همچنین ببینید
بستن
دکمه بازگشت به بالا