چکیده :
مقاوم­سازی ساختمانهای دولتی مهم، تأسیسات زیربنایی و شریان­های حیاتی با توجه به افزایش حملات تروریستی در سراسر دنیا و امکان بمب گذاری در نزدیکی ساختمان ها و اماکن شهری، از مهمترین بحث­های پیش رو در علم مهندسی عمران خصوصاً در کشور ما می­باشد. یکی از پرکاربردترین مصالح جهت تقویت سازه ها استفاده الیاف های پلیمری کربنی معروف به(FRP) می باشد.
در این پایان نامه روش های 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 ۱۰۰ مدل اجزا محدود به کمک نرم­افزار آباکوس (ورژن ۶.۱۰.۱) و با در نظرگرفتن 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 مقاومسازی معلوم شد بهترین عملکرد مربوط به استفاده از لایه چینی با زاویه ۲۰ درجه نسبت به محور طولی دال می باشد. همچنین لایه چینی بصورت طولی و عرضی یعنی زاویه ۰ و ۹۰ درجه نیز نتایج مناسبی را در پی خواهد داشت. تحلیل ها نشان داد با افزایش تعداد لایه از ۱ به ۲ و از ۲ به ۳ لایه به ترتیب تا ۵۰% و ۲۳% کاهش تغییرمکان را شاهد هستیم. اما پس از ۳ لایه، افزایش تعداد لایه ها کارایی چندانی ندارد. همچنین امتداد فیبرها در نوار(FRP) تاثیر زیادی روی پاسخ دال ها دارد. بهتر است امتداد فیبرها در راستای باربری دال باشد.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

کلمات کلیدی: : مقاوم سازی،دال بتن مسلح، بار انفجار،کامپوزیت(FRP)،تغییرمکان حداکثر
فصل اول:
کلیات تحقیق

۱-۱ مقدمه

به منظور تقویت ساختمان در برابر انفجار، باید با بهره گرفتن از مصالح ساختمانی باعملکرد بالا مثل الیاف مسلح پلیمری(FRP) تغییر مکان و مقاومت کافی فراهم شود. برای اینکه مصالح ساختمانی اصلاح شده، اثربخش باشد، لازم است طراحی به طور دقیق مبتنی بر پاسخ های دینامیکی مصالح تحت بارهای انفجار مورد ارزیابی قرارگیرد [۱۷].
عموما بتن در مقایسه با دیگر مصالح، به عنوان مصالح ساختمانی با مقاومت بالا در برابر بارگذاری انفجار در نظرگرفته می شود. با وجود این سازه های بتنی برای بارهای بهره برداری با کرنش نرمال طراحی می شود که به اصلاح ویژه نیاز دارد تا مقاومت سازه ها را در برابر بارگذاری انفجار افزایش دهد. روش تقویت ساختمان به صورت اتصال اجزاء سازه ای یا تکیه گاه های زیاد برای افزایش مقاومت در برابر انفجار، به دلیل افزایش هزینه و از بین رفتن فضای قابل استفاده غیرمطلوب است. همچنین اینکار معمولا مقاومت کلی سازه را در برابر بار انفجار خیلی افزایش نمی دهد. بنابراین ورقه ها و صفحه ای پلیمر مسلح شده که ارزان تر و مناسب تر هستند به عنوان اتصالات سطحی برای اصلاح مناطق ویژه ی اجرای سازه ای استفاده می شود. اتصالات سطحی بدون از بین بردن فضای قابل استفاده و بدون نیاز به زمان طولانی برای ساخت و ساز که در نتیجه باعث صرفه جویی پول می شود، مقاومت سازه را در برابر بار انفجار به طور قابل توجهی افزایش می هد. برای اصلاح سازه های بتنی برای مقاومت در برابر انفجار انتخاب نوع(FRP) ، از اهمیت برخوردار است. (FRP) انتخاب شده باید سخت شدگی، مقاومت و تغییر شکل پذیری سازه ی اصلاح شده را بهبود بخشد تا مقاومت قابل اطمینان مورد نیاز در برابر انفجار را فراهم کند و انرژی انفجار را جذب کند که به موجب آن مود گسیختگی سازه ای تغییرکرده و به جای اینکه سازه بشکند، تغییر شکل می دهد [۱۷].
به منظور تحلیل و طراحی سازه های مسلح شده با(FRP) تحت بارهای انفجار، هم مطالعات آزمایشگاهی لازم است و هم مطالعات عددی، اخیرا به منظور بهبود روش های تحلیلی ساده شده، مطالعاتی در زمینه روش های تحلیل دقیق انفجار به کمک مدل های مصالح صحیح و مدل های المان محدود برای برآورد رفتار سازه بتنی، درستی نتایج تحلیل را پیگیری می کند [۲۹]. تحلیل ها اگر معتبرباشد، به عنوان جایگزینی برای آزمایشات پرهزینه ی انفجار سازه استفاده می شود. به علاوه حتی وقتی تسهیلات آزمایش ویژه و منابع مرتبط در دسترس باشد، از طریق چنین آزمایشات عملی برخی شرایط و آمار آسانتر به دست می آید. به همین دلایل ایجاد ابزارهای اثربخش تحلیل برای سازه های بتنی اصلاح شده و نوساز تحت بارگذاری انفجار برای پیش بینی رفتارهای سازه ای، انتخاب مصالح اصلاح شده بهینه و اطمینان ازمکانیسم های گسیختگی مطلوب، ضروری می باشد [۲۹].

شکل ۱-۱ نمای خارجی گسیختگی دیوار خارجی ساختمان federal [30].

۱-۲ سازه های مقاوم در برابر انفجار

سازه های بتنی معمولا به عنوان ساختمان های محافظ مورد استفاده قرار می گیرند یکی از بحث های مهمی که در سازه های بتنی وجود دارد، چگونگی تاثیر امواج انفجاری بر روی این سازه ها، حجم تخریب آن ها بر اثر انفجار و مقدار نفوذ موج انفجاری در سازه می باشد.
ساختمان ها و سازه ها در برابر انفجاری به شکل های مختلفی تخریب و فرو می ریزد. که این امر بستگی به ویژگی های بارگذاری دارد، که مهمترین این ویژگی ها شامل:
الف) شدت و قدرت انفجار ب) میزان فاصله انفجار تا هدف است.
این دو مشخصه تا حدود زیادی شکل مودفروپاشی و تخریب سازه را برای طراح ساختمان امن معین می کند.
معمولا انفجار های نزدیک و مماس به هدف موجب ایجاد حفره و سوراخ بر روی عنصر مربوطه و حالت تورق را دراطراف آن ایجاد می کند. این دو مکانیسم تخریب، موجب تضعیف آن قسمت شده و ناحیه مشارکت بین تورق و حفره به راحتی فرو می ریزد. قابلیت مواد و مصالح مختلف در برابر سوراخ شدن و یا حالت تورق، و در نهایت نفوذ موجب تعیین ضخامت مورد نیاز برای حفظ یکپارچگی آن المان می شود.
معمولا نوع و شکل رفتار مواد و مصالح، روش و حالت تغییر شکل و درنتیجه مود فروپاشی را تعیین می کند. برخی از مصالح و مواد از نظر مقاومت کششی بسیار ضعیف هستند و در هنگام قرارگرفتن در برابر نیروی کششی شدید که بیش از حد توان آن آماده باشد گسیخته می شود. نمونه ای از این مصالح که دارای کاربرد بسیار فراوان در ساختمان است مصالح بتنی می باشد. مقاومت کششی بتن بسیار کمتر از مقاومت فشاری آنهاست و برای رفع این نقیضه و افزایش مقاومت بتن در برابر انفجار، از آرماتور در بتن استفاده می شود. آرماتورهای فولادی باعث افزایش مقاومت برشی و مقاومت کششی بتن می شود. حال اگر میزان و قدرت انفجار بیش ازمقاومت عضو بتن مسلح شود آنگاه گسیختگی بوجود می آید.
طراحی یک قسمت برای مقاومت در برابر آثار انفجارمحلی و شدید شاید همواره کاری معقول نباشد، به خصوص وقتیکه محل دقیق انفجار مشخص نیست. بدین ترتیب باید مفهوم تخریب محدود و محلی مورد توجه قرار گیرد.

شکل ۱-۲ نمای خارجی گسیختگی دیوار خارجی برج ها khobar[30]

۱-۳ مقاوم سازی با بهره گرفتن از الیاف مسلح پلیمری(FRP)

استفاده از(FRP) در مقاوم سازی سازه های بتنی طی چند سال اخیر توسعه بسیاری یافته است. مقاوم سازی به منظورهای مختلف از جمله تقویت خشمی، تقویت برشی، افزایش محصور شدگی، ترمیم آسیب های ناشی از خوردگی و مانند آن ها با بهره گرفتن از این مصالح صورت می گیرد. (FRP) به دلیل وزن کم، سهولت اجرا، مقاومت کششی بالا در برابر شرایط محیطی سخت، تا حدود زیادی جایگزین فولاد که دارای مشکلات زیادی از جمله سنگینی، سختی اجرا و خوردگی می باشد، شده است. در مقاوم سازی دال های بتن آرمه، استفاده از(FRP) بیشتر به منظور تقویت خشمی صورت می گیرد. این تقویت با چسباندن(FRP) به وجه کششی دال در ناحیه دارای لنگر ماکزیمم صورت می گیرد، که باعث افزایش چشم گیری در ظرفیت جذب انرژی دال می شود. لیکن استفاده از(FRP) در تقویت برشی دال ها کمتر مورد توجه قرار گرفته و به تحقیقات محدودی منحصر شده است. امروز استفاده از(FRP) جهت افزایش ظرفیت خشمی سازه ها بسیار مورد توجه قرار گرفته است و تحقیقات بر روی آن ادامه دارد. با توجه به محدودیت­ها و مشکلات مربوط به انجام مطالعات آزمایشگاهی از جمله محدودیت مربوط به ابعاد نمونه­ ها، مشکلات نصب و اجرا، هزینه و زمان بالا و …، با انجام تحلیل های عددی صحیح می توان نتایج آزمایشگاهی را به محدوده صحیحی از سازه ها که امکان آزمایش عملی برای آنها وجود ندارد تعمیم داد. لذا در این پایان نامه، سعی خواهد شد با انجام مطالعات پارامتریک عددی با بهره گرفتن از مدل­های اجزامحدود، تأثیر(FRP) بر رفتار خمشی دالها با ابعاد هندسی مختلف ارزیابی و با ارائه راهکارهایی جهت ارتقای عملکرد این کامپوزیت­ها اطلاعات وسیعتری نسبت به آنچه که تاکنون از آزمایشهای انجام گرفته حاصل شده بدست آورد. با بهره گرفتن از لایه چینی­های مختلف و بررسی وضعیت سازه تحت بارگذای انفجاری در نهایت، یک هندسه مناسب برای بکارگیری این ورقه­ها پیشنهاد می­گردد.
فصل دوم
مروری بر تحقیقات انجام شده

۲-۱ خلاصه ای از تحقیقات پیشین

در مورد تاثیر امواج ناشی از انفجارات بر سازه ها در مقابل آن تحقیقات وسیعی انجام شده که در اینجا با توجه به موضوع این پایان نامه تنها به مواردی که بررفتار سازه های بتنی و به ویژه دال های بتن مسلح اشاره خواهد شد.
Low و همکاران [۲۲] در سال(۱۹۹۸) به بررسی عددی پاسخ دال های بتن مسلح تحت بار های انفجار پرداختند. نتایج حاصل از مدل سازی نشان داد استفاده از ورق های کامپوزیتی باعث بهبود عملکرد دال و کاهش تغییر شکل ها و همچنین کاهش بروز ترک در دال می گردد.
Low و Hao [23]در سال(۲۰۰۱) قابلیت اطمینان دال های بتن مسلح در برابر بارهای انفجاری را با بهره گرفتن از مدل سازی عددی بررسی نمودند و نشان دادند که تاثیر انفجار بر روی عضو سازه ای پهنه وسیعی از شرایط را در بر می گیرد و قابلیت پیش بینی چندانی ندارد. با این وجود در محدوده های خاصی از بار انفجار می توان وضعیت رفتار دال را پیش بینی نمود.
Luccioniiو Luege [24] در سال(۲۰۰۶) به بررسی رفتار دال های روسازی بتنی تحت بارهای انفجار پرداختند. هدف از انجام ازمایش سنجش میزان خرابی و ترک های احتمالی در روسازی های بتنی بر اثر بار شوک ناشی از انفجار در بالای آن بود. همچنین دو روش برای تحلیل مساله انفجار بر روی دال های بتنی عرضه گردید.
Pedro F.silva,binggeng Lu[25] امکان استفاده از مصالح کامپوزیت جدید را برای بهبود ظرفیت مقاومت در برابر انفجاردال های بتن مسلح یک طرفه مورد بررسی قرار دادند. به منظور دستیابی به این هدف ۵ دال تحت بارهای انفجار واقعی مورد آزمایش قرار می گیرند(شکل ۲-۱).
یکی از دال ها به عنوان واحد کنترل در نظر گرفته می شود. تا خط مبنایی را برای مقایسه ۴ دال دیگر ایجاد کند. این ۴ دال با الیاف کربن و پلیمر های مسلح شده با الیاف فولاد مقاوم می شوند که ۲ دال ازیک طرف اصلاح شده و۲ دال دیگر از هر دو طرف اصلاح شده اند. نتایج آزمایش نشان می دهد زمانی که دال ها از یک طرف اصلاح شوند افزایش قابل توجه مقاومت در برابر انفجار مشاهده نمی شود با وجود این در دال هایی که از دو طرف اصلاح می شوند افزایش قابل توجهی در مقاومت در برابر انفجار مشاهده می شود.

شکل۲-۱ الگوی خرابی نمونه های آزمایش شده
Mosalam و Ayman S. Mosallam [18] مدل های عددی با بهره گرفتن از روش المان محدود برای تحلیل اجمالی غیرخطی دال های بتن مسلح شده که در معرض بارگذاری انفجار قرار می گیرند، مطرح کردند. این مدل ها استفاده می شود تا پارامترهای متفاوت از جمله مدت زمان بارگذاری و اثر اصلاح(CFRP) را بر تراکم آسیب، مورد بررسی قرارگیرد. نمایش محلی آسیب برحسب کرنشهای فولاد تقویتی مورد بحث قرار می گیرد. نتایج آزمایشگاهی نشان داد که در زمانی که از سیستم اصلاح با کامپوزیت(CFRP) استفاده می شود. ظرفیت تحمل بار تا ۲۰۰درصد افزایش می یابد به علاوه، حداکثر جابجایی با اصلاح(CFRP) ، در مقایسه با دال ساخته شده تا ۴۰ تا ۷۰ درصد، کاهش می یابد. رفتار دال اصلاح شده با(CFRP) زمانی که هر دو طرف دال اصلاح می شود، بهترین وضعیت را دارد.
Jin-Won Na و همکارانش [۱۷] مقاومت در برابر انفجار دال های بتن مسلح اصلاح شده(GFRP) را با بهره گرفتن از برنامه(LS-DYNA) مورد تحلیل قراردادند. همچنین کارآیی سیستم اصلاح شده با(GFRP) به وسیله مقایسه نتایج تحلیل برای دال های اصلاح شده و اصلاح نشده، مورد ارزیابی قرار گرفت و کارایی دال اصلاح شده با الیاف مسلح پلیمری را اثبات کردند(شکل ۲ـ۲).

شکل۲-۲ نمونه آزمایشی [۱۷]
توسطC.Wu و همکارانش [۱۱]، ۶ دال مورد آزمایش قرارگرفت تاواکنش آنها در مقابل بارگذاری انفجارتعیین کنند. ۶دال شامل این موارد می شوند: دو دال مسلح متداول(RC) برای نمونه های کنترل، دو دال بتن مسلح با الیاف مسلح پلیمری تقویت شده روی سطح فشار با یک دال ساخته شده با بتن بسیار مقاوم بدون فولاد گذاری و یک دال ساخته شده با بتن بسیار مقاوم با فولاد گذاری. اندازه بارهای انفجاری محدود به ۱ تا۲۰ کیلوگرمTNT با مسافت های فرضی(که در مورد آن توافقی وجود ندارد ) می باشد. شکل(۲-۳) تاریخ های فشار انفجاری روی سطوح دال و تاریخ های جابه جایی دال ها ثبت می شود. توزیع فشار مورد تحلیل قرار می گیرد. واکنش دال ها مشاهده می شود و جذب انرژی آنها با پیش بینی انجام شده با بهره گرفتن از تحلیل مقایسه می شود.

شکل۲-۳ دال بتنی مسلح شده با الیاف پلیمر مسلح پلیمری مقابل بار انفجار[۱۱]
C.F.Zhao , J.Y. Chen[31] به بررسی رفتار دینامیکی و آسیب دال بتن مسلح تحت بار دینامیکی انفجار پرداختند، و در این زمینه به تا ثیرات نرخ کرنش و فاکتور افزایش دینامیکی و معادلاتی برای بتن برای مکانیزم آسیب و پاسخ دینامیکی رسیدند.
محسن نجمی وزنه و ایرج محمود زاده کنی [۸] به تحلیل دینامیکی غیرخطی دو سازه متفاوت مقاوم در برابر حملات هوایی توسط برنامه کامپیوتری(ANSYS) پرداخته اند که در تحلیل های متفاوت با تغییرات در مدل سازی درصدهای فولاد و ضخامت های بتن مناسب را پیشنهاد کردند.
سیدجمال الدین موسوی و علی علوی نیا] ۷] به بررسی پارامترهای موثر بر ناحیه تخریب بتن بدلیل بارگذاری انفجاری پرداخته اند بهمین منظور از نرم افزار(LS-DYNA ) برای شیبه سازی عددی بارگذاری انفجاری شده است. نشان داده شده که افزایش استحکام فشاری، در صد میلگردهای تقویتی و چگالی بتن موجب کاهش حجم تخریب می شود و نیز تنش ها با افزایش استحکام فشاری بتن و درصد میلگردهای تقویتی بیشتر می شود در حالیکه تغییر چگالی بتن اثری بر تنش ها ندارد. تغییر ضریب پواسون بتن نیز برحجم ناحیه تخریب و تنش ها اثری ندارد.
فصل سوم
روش اجرای تحقیق

۳-۱ مبانی مدل سازی عددی