مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

مخلوط بتن و قالب گیری
مخلوط بتن مورداستفاده برای گرید 34 Mpa در جدول 3 نشان داده‌شده است. مخلوط بتن مورداستفاده از سیمان پرتلند معمولی، ماسه طبیعی و سنگ دولومیت طبیعی شکسته شده با حداکثر اندازه اسمی 10 میلی‌متر تهیه شد. نمونه‌های آزمایش به‌صورت عمودی در قالب‌های چوبی که توسط مهارها برای حفظ فرم و شکل دادن به آن‌ها تثبیت‌شده‌اند ریخته شده است.

روش تست
نمونه‌ها در دستگاه تست بین سر جک و قاب فولادی قرار گرفتند. کرنش‌سنج‌ها، بارسنج‌ها و مبدل جابجایی ولتاژ خطی (LVDT) همه به سیستم جمع‌آوری داده‌ها که به کامپیوتر وصل بود، متصل می‌شدند. بار توسط یک بارسنج با ظرفیت kN 5000 تحت کنترل قرار گرفت و از طریق صفحات فولادی، برای تأمین سطوح اتکا یکنواخت، به ستون‌های بتن مسلح منتقل شد. شکل 3 یک نمای کلی از برپایی آزمایش را نشان می‌دهد. یک سیستم سنجش داده کنترل‌شده برای ثبت مداوم مقادیر بارسنج الکتریکی استفاده شد، دو عدد سنجشگر مدرج با دقت 0.01 میلی‌متر(LVDT) که تغییر شکل افقی ستون در دو جهت عمود، کرنش‌سنج‌های آرماتور و همچنین کرنش‌سنج‌های ژاکت فولادی را اندازه می‌گیرد.

برای اطمینان از اینکه شکست در بدنه نمونه و نه سر آن اتفاق خواهد افتاد، انتهای بالا و پایین نمونه‌ها با جعبه‌های فولادی ساخته‌شده از صفحات فولادی با ضخامت 10 میلی‌متر محصورشد. تمام رکوردهای تست‌ها به‌صورت اتوماتیک در فایل کامپیوتری برای به‌کارگیری اطلاعات بیشتر و ترسیم ذخیره می‌شد. تمام آزمایش‌ها در آزمایشگاه مواد مرکز تحقیقات ملی مسکن و ساختمان(HBRC) انجام گرفت.

کار تحلیلی با استفاده از مدل اجزاء محدود
برنامه اجزاء محدود ANSYS 12.0 [1] برای شبیه‌سازی تست آزمایشگاهی با معرفی مدل عددی مورداستفاده قرار گرفت. ستون‌های آزمایش‌شده در کار آزمایشگاهی برای تعیین بارها و کرنش‌های شکست در هر نمونه مدل‌سازی شدند. مقايسه ای بین نتايج آزمايش و F.E صورت گرفت.

تعریف خواص مواد
رابطه تنش-کرنش بتن
بتن تعریف‌کننده المان Solid 65 نیاز به خواص مواد ایزوتروپیک خطی و ایزوتروپیک چندخطی دارد تا بتن به‌درستی مدل شود [6, 7] مواد ایزوتروپیک چندخطی از معادلات زیر برای محاسبه منحنی تنش-کرنش ایزوتروپیک چندخطی استفاده می‌کنند.

پیاده‌سازی مدل ماده
پیاده‌سازی مدل مواد نیاز به تعریف ثابت‌های مختلف دارد. ضریب انتقال برشی استاندارد از 0.0 تا 1.0، با 0.0 نشان‌دهنده ترک‌خوردگی (از دست دادن کامل انتقال برش) و 1.0 نشان‌دهنده یک ترک عمیق (بدون از دست دادن انتقال برش) است. ضرایب انتقال برش برای ترک های باز و بسته به‌عنوان اساس توسط Kachlakev و همکاران [8] تعیین شد. مشکلات همگرایی درزمانی رخ می‌دهد که ضریب انتقال برش برای ترک باز به کمتر از 0.20 کاسته شد.[8] تنش ترک‌خوردگی غیرمحوری بر اساس مدول گسیختگی محاسبه شد. این مقدار با استفاده از معادله 4 تعیین می‌شود.

ساخت مدل
شکل 6-11 هندسه مدل ها را پس از ساخت مدل نشان می‌دهد. در هنگام ایجاد مدل نصف ارتفاع ستون در نظر گرفته می‌شود برای همه نمونه‌ها از تقارن ستون بهره گرفته می‌شود شبیه‌سازی صحیح شرایط مرزی و بارها لحاظ می‌شود.

شرایط مرزی و بارها
شرایط مرزی برای شبیه‌سازی شرایط آزمایش انتخاب شدند. انتقال افقی تمام مفاصل تکیه‌گاه در سه جهت محدود شد. شکل 12 و 13 شرایط مرزی و روش بارگذاری نمونه را به ترتیب نشان می‌دهند.

نتایج آزمایشگاهی
حالت‌های شکست و بارهای شکست
مودهای شکست و بارهای شکست بسته به تنظیمات ژاکت فولادی و همچنین آرایش آن متفاوت است.
ازآنجایی‌که المان های تقویت بیشتر بدنه نمونه را پوشش می‌داد، امکان مشاهده ترک‌های اولیه یا بار ترک‌خوردگی نمونه‌ها نبود؛ بنابراین فقط بار خرابی ثبت شد. بار شکست حداکثر بار ثبت‌شده در طول آزمایش در نظر گرفته می‌شود که در آن نمونه نمی‌تواند هیچ بار اضافی تحمل کند. جدول 6 بارهای شکست برای همه نمونه‌ها و درصد افزایش نسبت به نمونه مرجع (Col.00) را نشان می‌دهد درحالی‌که شکل 14 بر آسیب مشاهده‌شده در هر نمونه در شکست متمرکز است.

نمونه.Col.00 رفتار هر دو ستون مرجع مشابه بود. زمانی که بار افزایش افزایش یافت، ترک‌های مایل شروع به پدیدار شدن در قسمت بالای بخش سرستون کردند. با افزایش بار، تعداد این ترک‌ها افزایش یافت و عمیق‌تر شدند. در تقریباً 92 درصد بار شکست ستون (140 kN) پوشش بتنی خردشده و یک کمانش محسوس آرماتور طولی با خمیدگی خارجی یک طرف از آرماتور عرضی (خاموت) رخ داد بصورتی که در شکل 14a نشان داده شده است. هنگامی که بار به kN 1250 رسید، آسیب خرد شدن مشاهده شد و فروپاشی کلی نمونه رخ داد.
نمونه.Col.01.L.3P با افزایش بار، ترک های کوچک شروع به ظاهر شدن درست در زیر صفحه بارگیری کردند. افزایش بیشتر بار منجر به ترک های عمده در قسمت پایین ستون شد. سپس در تقریبا 98٪ بار شکست (1780 kN)، پوشش بتنی شروع به خرد کردن کرد و در هر دو آرماتور طولی و نبشی گوشه کمانش آشکار شد. در بار شکست (1821 kN)، جوش مهار پشتی پایینی به علت گسترش جانبی بتن همانطور که در شکل b14 نشان داده شده است باعث صدای انفجار شد.

نمونه.Col.02.L.6P این نمونه با ترک های جزئی زیر ورق بارگیری آغاز شده است. در قسمت پایین ستون، به علت گسترش جانبی بتن، ترکهای عمده ای تشکیل شدند. همانطور که بار افزایش یافته است، پوشش بتنی خرد می شود و جوش دو عدد مهار قرارگرفته در پایین شکافته می شود. این در تقریبا 1649 kN رخ داده است همانطور که در شکل 14c نشان داده شده است.
نمونه.Col.03.C.3P در قسمت بالای قسمت ستون در زیر صفحه بارگذاری ترک های مایل کوچکی ظاهر می شود. با افزایش بار تعداد این ترک ها افزایش یافت و عمیق تر شدند. در تقریبا 1480 kN، یک کمانش قابل توجه در یک بال و جان ژاکت ایجاد شد و به همراه ترک اصلی باعث خرد شدن پوشش بتنی شد. در نهایت، نمونه در حدود 1545 kN، همانطور که در شکل 14d نشان داده شده است گسیخته شد.

نمونه.Col.04.C.6P در قسمت بالای قسمت ستون در زیر صفحه بارگذاری ترک های مایل کوچکی ظاهر می شود. با افزایش بار ترک های عمده ای شروع به ظاهر شدن در قسمت پایین می کنند و گسترده تر می شوند که باعث می-شود پوشش بتنی خرد شود و آرماتورها آشکار شوند. در نهایت نمونه در تقریبا 1841 kN با یک کمانش کوچک در مهارهای پایین و بال ناودانی، همانطور که در شکل 14e نشان داده شده است گسیخته شد.
نمونه.Col.05.Pl این نمونه با استفاده از صفحات فولادی که تمام ستون را پوشش می داد و با صفحات عمودی که بهم متصل می شدند، تقویت شد؛ بنابراین، امکان مشاهده نه ترک های بتنی و نه رفتار آرماتور، وجود نداشت. در پایان آزمایش، یک کمانش قابل توجه در یک طرف نمونه در قسمت فوقانی رخ داد، در حالی که در سمت دیگر کمانش خفیفی رخ داد که موجب شد شکست بصورتی که در شکل 14f نشان داده شده است اتفاق بیفتد.

رفتار ساختاری پوسته بافت سبک وزن، بتن تقویت شده نساجی

Structural behavior of a lightweight, textile-reinforced concrete barrel vault shell

Buckling and stability behavior in response to compressive stresses within a thin-walled shell structure.

In order to set the present work within the broader context of existing modeling approaches, we will shortly review recent developments in the field of numerical modeling and experimental observations in relation to the three aforementioned phenomena in the following subsections.

(I) Uniaxial tensile behavior. Based on the need to understand and characterize the tensile behavior of quasi-ductile composites, several modeling approaches have been developed in recent years with the intention of reflecting the elementary damage mechanisms of matrix cracking and the debonding of the fabric from the matrix. Mesoscale models with explicit representation of the reinforcement layout within the cross section enable the study and understanding of the damage evolution process in the composite, and can be used to identify suitable combinations of materials, fabric geometries, short fiber volume fractions, and lengths [6, 7, 8, 9, 10]. Special attention has been paid to the modeling of the local disintegration process within the inherently heterogeneous bond structure in cementitious composites reinforced with multi-filament yarns in the crack bridge and its vicinity [11].

Experimental studies of cementitious composites reinforced with textile fabrics or with short fibers have also been reported (e.g., in [12, 13]). Experimental research on the tensile behavior of textile-reinforced concrete has been presented in [14, 15, 16]. A standardized tensile test setup for textile-reinforced concrete has been recently published in a RILEM recommendation [17].

(II) Two-dimensional, anisotropic damage propagation. Modeling approaches reflecting the interaction between the matrix and reinforcement within a thin plate in a finite element model have been presented by several authors [18, 19]. These models describe the bond between fabrics and matrix as a two-dimensional, zero-thickness interface with slip displacement governed by a predefined bond law. These approaches are suitable for sparsely reinforced cross sections with one or two reinforcement layers. Another example of this modeling approach was presented in [20], in which two bond interfaces were used: one between the concrete matrix and sleeve filament, and the other between the sleeve and core filaments. The model considers a nonlinear elasto-plastic material model for the concrete matrix, and an idealized linear elastic behavior with tension stiffening for the fabric reinforcement.

The modeling approach followed in this paper uses a smeared representation of the material structure within a cross section, describing the cracking and debonding phenomenologically in terms of an anisotropic damage tensor. Such an idealization assumes a homogeneous layout of reinforcements over the cross-sectional height. The applied numerical representation of a cross section is sketched in Fig. 2, indicating the types of cross sections that can be addressed by the smeared modeling approach; namely, cementitious composites with randomly distributed short fibers (i), regularly distributed, continuous fabrics (ii), or combinations of both (iii). It is possible to reflect both strain-softening and strain-hardening composites using dispersed, finely distributed reinforcements.

The numerical idealization described here is related to approaches for modeling ordinary steel-reinforced concrete shells developed in recent decades [21, 22]. The modeling approaches were developed for the simulation of large-scale shell structures, such as cooling towers or power plants. In these structures, the development of a crack pattern with very small crack distances compared to the size of the structure justifies a smeared approach to model the material behavior at the level of a shell cross section. Examples of finite element shell formulations combined with an elasto-plastic damage model to simulate reinforced concrete shells under monotonic and cyclic loads have been presented in [23], employing a Drucker-Prager type elastoplastic damage model in compression and a continuum damage model with a Rankine stress limit in tension. Using the same material model, the damage evolution and failure of large cooling towers was investigated in [24], considering a two-dimensional failure mode within the shell elements. In another numerical framework for the nonlinear analysis of the damage evolution in steel-reinforced concrete shells, three major topics that may affect the accuracy of the simulations were covered: (1) the formulation of adequate finite elements to describe the shell geometry, as well as the boundary and load conditions; (2) the development of realistic material models; and (3) the estimation of discretization errors [25].

The modeling methods described provide valuable insight for the formulation of design models that realistically reflect the ultimate limit state assessment of shell structures. Examples of design tools developed were provided, for example, in [26], which describes a framework for the integrated design, analysis, and assessment of the loadbearing capacity of segmented concrete shell structures. The development of numerical techniques in the coupled analysis of the manufacturing process and anisotropic material behavior of fiber-reinforced polymer thin-walled shells was presented in [27]. Meanwhile, the safety and reliability analysis of reinforced concrete shells is presented in [28], using response surface methods and axisymmetric nonlinear finite element analysis. An example of a design model for the prediction of the moment-curvature relationship of a TRC cross section has been presented in [29], which derives design equations and charts for flexural composite members. The general framework for dimensioning and assessing thin-walled, regularly reinforced TRC shells reflecting the two-dimensional interaction between normal forces and bending moments has been presented by the authors of[4]. The application of this design model to a large-scale pavilion with a TRC roof has been described in [2].

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

چکیده:
چارچوبی برای ارزیابی مقاومت متراکم بتون در ساختمان های موجود تعریف شده است و بی ثباتی های بکار رفته در برنامه ریزی تحقیق و مقاومت بتون ها را کنترل می کند. این چارچوب گسسته سازی و جداسازی مقاومت بتون را برای ساختمان ها و جمعیت محدود موارد موردنظر ارائه می دهد. موارد آماری مربوط به جمعیت محدود، برای مرتبط ساختن تعدادی از آزمایشاتی به کار می روند که در هر جمعیتی اجرا می شوند و با بی ثباتی هایی در میانگین و ضرایب متغیر مربوط به مقاومت بتون همراه هستند. روشی برای ارزیابی CoV مقاومت بتونی با استفاده از CoV آزمون چکش ارتجاعی، نیز برای غلبه بر نیاز به آزون های مخرب پیشنهاد شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهند که روش پیشنهادی به صورت موثری بی ثباتی موجود در برآورد تغییرپذیری مقاومت بتون را در جمعیت هایی کنترل می کند که شبیه به بی ثباتی موجود در برآورد مقدار میانگین مقاومت های بتونی می باشند.
کلمات کلیدی: مقاومت بتون، بی ثباتی، جمعیت محدود، آزمون های غیرمخرب، ساختمان های RC
1. مقدمه:
در ارزیابی ایمن ساختمان های موجود، بررسی کمّی مصالح به کار رفته، بسیار مهم می باشد، که دلیل آن تاثیری است که بر برنامه های متوالی روش های ارزیابی ایمن دارد. در موارد مربوط به بتون های تقویتی ساختمان ها (RC)، مقاومت فشرده ی بتون مربوط به موادی است که به رسیدگی و توجه زیادی نیاز دارند، و دلیل آن تغییرات ذاتی آن می باشد. این مورد سبب توجه و رسیدگی متداول به مقاومت بتونی به عنوان یک متغیر تصادفی می شود که سطح نامشخص خاصی از بی ثباتی را دارا می باشد. این مورد به تغییرات ذاتی مقاومت بتون های سفت شده در ساختارهای موجود مربوط می باشد که می توانند به مقادیر بزرگی برسند، و اغلب اوقات بیش از یک ضریب تغییرات دارند. در میان این عوامل، این متغیر با اقداماتی درباره ی ترکیب، قالب گیری و مراقبت انجام می شود، که به میزان قابل توجهی از مهارت نیاز دارد. پژوهش های بسیاری تاثیر مهارت رت بر مقاومت بتون های سفت شده مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند و دریافتند که این مورد می تواند انواع متعددی از تغییرپذیری ها را تحمیل کند که وابسته به سیستم ساختاری بوده و مورد تحلیل قرار می گیرند. اصولا، تغییرپذیری های قابل انتظار را می توان به تغییرپذیری بسته به بسته ای مربوط دانست که با موارد تصادفی سروکار دارند که عمدتا مربوط به مدیریت و برنامه ریزی ساخت بوده و با کنترل کیفی همراه هستند. همچنین، تغییرپذیری عضو به عضو به دلیل تاثیر مهارت در انجام اقدامات رخ می دهد. تغییرپذیری مقاومت بتون را نیز می توان در هر یک از عوامل ساختاری انتظار داشت که به دلیل عواملی رخ می دهد که پیشتر بیان شدند. علاوه براین، بررسی که اخیرا انجام شده نیز، شکستگی، آسیب و انتخاب موقعیت های آزمایشی را در طول عوامل ساختاری به عنوان منبع تغییرپذیری بالقوه شرح می دهد.
علاوه بر بی ثباتی های ذکر شده که در مقاومت بتن ها وجود دارند، بی ثباتی های شناختی نیز به دلیل عدم آگاهی از عوامل ساختاری بررسی شده بوجود می آیند. به این دلیل که برنامه های تحقیقاتی تنها شامل آزمایشاتی در عوامل ساختاری اندکی می باشد که برای به حداقل رساندن آسیب ها و هزینه های عملیات بازرسی، انتخاب مجموعه ی ارائه شده از این عواملی که باید به جای سایر موارد مورد آزمایش قرار گیرند را با شک انجام می دهد. این شک و عدم قطعیت، بسیار مهم است و دلیل آن تعداد اندک آزمایشات انجام شده روی مواد اولیه ای است که بصورت کلی در ساختمان های موجود انجام می شوند، و روندی است که تا حدی توسط هنجارهای موجود پشتیبانی می شوند.

بخشی از مقاله انگلیسی:

Abstract

A framework is defined to evaluate the concrete compressive strength in existing buildings and control the uncertainty associated to the survey planning and to the concrete strength randomness. The framework proposes the discretization and disaggregation of the concrete strength in a building into finite populations of elements. Finite population statistics are used to correlate the number of tests performed in each population with the uncertainty about the mean and the coefficient of variation (CoV) of the concrete strength. A method to estimate the CoV of the concrete strength using the CoV of rebound hammer test results is also proposed to overcome the need for a high number of destructive tests. Results show that the proposed approach effectively controls the uncertainty in the estimate of the variability of the concrete strength in a population as well as the uncertainty in the estimate of the mean value of the concrete strength.

1. Introduction

In the safety assessment of existing buildings, quantifying the ‘‘as-built” material properties is of the utmost importance due to the impact that it has on the subsequent application of safety assessment methods. In the case of reinforced concrete (RC) buildings, the concrete compressive strength is a material property that requires careful consideration [1] due to its inherent variability. This fact leads to the usual consideration of the concrete strength as being a random variable that has a certain (unknown) level of aleatory uncertainty [2]. This aleatory uncertainty is related to the inherent variability of the hardened concrete strength in existing structures [3] which can reach large values [4,5], often exceeding a coefficient of variation (CoV) of 20% [6]. Among other factors, this variability is associated with mix, casting and curing operations, which require a significant level of workmanship. Several studies (e.g. see [3,7,8]) have analyzed the impact of workmanship on the strength of hardened concrete and found that it can induce several types of variability depending on the structural system being analyzed. Primarily, expected variations can be associated to batch-to-batch variability, involving the randomness related mainly with the construction management and planning and with quality control. Likewise, member-to-member variability can occur due to the influence of workmanship in casting operations. Variations of the concrete strength can also be expected within each structural member due to the previously mentioned factors. Moreover, a recent study [9] also described cracking, damage and the selection of the testing positions within the length of a structural element as sources of potential variability. In addition to the aleatory uncertainty associated with the concrete strength, epistemic uncertainty will also be generated due to the lack of knowledge associated with non-surveyed structural elements. Since survey plans only comprise tests on a few structural members in order to minimize the damage and the cost of inspection operations, the selection of a given set of elements to be tested instead of another will generate uncertainty. This uncertainty is even more important due to the low number of material tests that are generally carried out in existing buildings, a trend partially supported by existing norms (e.g. [10–13]). Often, standards regulating the assessment of existing buildings require a limited number of tests/inspections to be performed at each storey and for each type of primary component that is part of the building in order to obtain estimates of the mean values of the material properties. Nonetheless, as referred in [14], current building codes do not address the uncertainty level in the survey results and neglect the impact that sampling may have on the estimate of the dispersion of concrete strength (specifically on the estimate of the CoV) and on the corresponding estimate of the mean value. Therefore, controlling the epistemic uncertainty about the CoV of the concrete strength is a key component of a survey framework since it will affect the variability of the estimate (i.e. its precision), especially when it is based on a reduced number of tests. Moreover, this uncertainty is also seen to depend on the relation between the number of structural elements that are not tested during survey operations and the total number of structural elements of the population. To control the extent of this uncertainty in survey operations and its impact on the estimate of the mean value of the concrete compressive strength in existing buildings, a method based on finite population statistics is proposed herein. The proposed approach will enable to effectively control the uncertainty in the estimates of the variability and of the mean value of the concrete strength in a population to improve their reliability. By accounting for the number of structural elements that are not tested during survey operations, the proposed method overcomes limitations of current standard methods and enables the development of more consistent survey frameworks to assess concrete strength in existing buildings.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

هدف اصلی از تحقیق پیش رو، ارائه مدل و برنامه ای است که رفتار عرشه یک پل بتنی را که در معرض چره بار ترافیکی سنگین است پیش‌بینی نماید. در این تخقیق، این کار توسط یک برنامه المان محدود پیشرفته مطلب موسوم به «ریزویت دات ام » انجام می شود. این برنامه اثر خطای تخمینی و بی قطعیتی را بر عملکرد و سطح سرویس پل ارزیابی می‌نماید.
شاخصهای اطمینان‌پذیری برای حالت های حدی سرویس دهی عرشه در شرایط زمانی مختلف مورد محاسبه قرار گرفته‌اند. در مقررات استاندارد یوروکد، نتایج آنالیز اطمینان‌پذیری به عنوان اساس ارزیابی بحرانی مورد استفاده قرار می‌گیرد و سپس این استاندارد در این راستا اصلاحات و توصیه‌هایی را پیشنهاد داده است.

2. مصالح و روش ها
2.1. تخمین پارامترهای اطمینان‌پذیری عرشه پل
المان بار در پل ها بزرگراهی را می توان به چندین گروه تقسیم نمود از جمله بار مرده، بار زنده، (استاتیک و دینامیک)، بارهای محیطی (دما، باد، زمین لرزه، فشار هوا، یخ) و بارهای دیگر (خوردگی، بار ناشی از ترمزگیری). المان های بار، متغیرهای تضادفی محسوب می شوند و تغییرات آنها توسط تابع توزیع تجمعی (CDF) توصیف می‌شود یعنی یک مقدار میانگین و یک ضریب پراکندگی [8]. ابتدایی‌ترین ترکیب بار برای پل های بزرگراهی در مطالعه پیش رو به صورت ترکیب بار مرده، بار زنده و بار دینامیک (بارهایHA و HB) در نظر گرفته شده است.

2.2. مدل پل
مطالعه موردی استفاده شده یک عرشه پل ساده است که از دو دهانه مساوی 15 متری ساخته شده و هر کدام طول 30 متر را پوشش موثر می دهد و موقعیت آن در یک فضای باز است. این پل دارای یک سطح مقطع باز با 7 عدد تیر بتون آرمه طولی از نوع پیش‌ساخته است که با فاصله مساوی 1.7 متر از یکدیگر قرار داده شده‌اند. لبه های بالایی تیرهای طولی پیش ساخته به قطعه دالعرشه به عمق 0.2 متر سوار است که خود به یک شمش تخت پیش ساخته با ضخامت 0.05 متر متصل است. قسمت روی سازه از صفحات تکیه گاه به قسمت تحتانی سازه متصل شده است. فونداسیون پل متشکل است از شمع‌های بتون آرمه با دال های بتنی (سرشمع). عرض کل پل 11 متر است. راه ماشین‌رو 7.3 عرض و پیاده راه آن در هر سمت به عرض 1.5 متر است.

2.3. مصالح ساختمانی
مصالحی که انتخاب شده مطابق با استاندارد اروپایی یوروکد2، بخش 2، بتن کلاس C40/C50 ، و تقویت آن از نوع فولاد S500 است.
وزن مخصوص بتن γ=25.0KN/m3 است، وزن وخصوص بتن آسفالت برابر با 23.5KN/m3 است. وزن دیوار جان‌پناه ‌0.5KN/m است.

2.4. ارزیابی حالت حدی
مقررات طراحی سازه های بتن آرمه در استاندارد یوروکد 2، تابع فاکتورهای ایمنی در راستای برطرف‌سازی عدم قطعیت است. هرچند، موثرترین راه برای برطرف کردن این ابهامات و بی‌قطعیتی‌ها در تحلیل سازه، استفاده از روش اطمینان‌پذیری است [12].

تکنیک آنالیز مبتنی بر اطمینان‌پذیری یک فرایند احتمالات محور است و برای جایی استفاده می‌شود که بارها و استقامت مصالح ساختمانی و سطح مقطع‌ها همگی توسط توزیع های شناخته شده و بدیهی و بر حسب نوع توزیع و انحراف متوسط و انحراف معیار آنها نمایش داده می شود [11]. در این مقاله از آنالیز اطمینان‌پذیریبرای آزمون تاثیر عدم‌قطعیت‌ها در طراحی سازه ها به کار برده می شود.
در این مقاله، افت میزان ظرفیت یک قطعه در بتن آرمه سازه که ناشی از برش و خمش باشد، لحاظ و توابع حالت حدی نیز ارائه شده است. توابع حالت حدی زیر با استفاده از روشاطمینان‌پذیری درجه اول مورد ارزیابی قرار گرفته است
فرایند آنالیز کامپیوتری
برنامه مطلب ریزویت ام. با استفاده از الگوریتم اطمینان‌پذیری درجه اول برای عرشه پل RC پشتیبانی شده برنامه نویسی شده است (که قابل مشاهده در شکل های 4 و 5 است). این برنامه برای ارزیابی توابع حالت حدی (معادلات 7، 11 و 20) و احتمالات شکست و بررسی شاخص های ایمنی تحت مودهای شکست ناشی از خستگی استفاده شده است. در این مودها خمش و برش مطابق با مشخصه های استاندارد یوروکد و تحت تاثیر شرایط مختلف زیر ثبت شده اند:
1. عمق های مختلف دال عرشه (بتن و آسفالت) (200 تا 300 میلی متر)
2. ضریب تغییرات بر حسب عدم قطعیت مدل بار ترافیکی تحت شرایط خمش دال (5% تا 20%)
3. تغییر در عمق تیر بر حسب برش (1 تا 1.2 متر)
4. شریب تغییرات بر حسب برش تیر در استقامت بتن (5% تا 20%)
5. ضریب تغییرات بر حسب عدم قطعیت مدل استقامت تحت شرایط خمش تیر (5% تا 20%)

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

1. مقدمه
پلیمر تقویت شده فیبری (FRP) یک ماده تقویتی برای اعضای بتن مسلح می باشد و دلیل استفاده از آن به خاطر وجود مزایای مختلف این ماده از قبیل وزن سبک، سهولت کاربرد، مقاومت و سختی بالا می باشد. طراحی نادرست، بارهای غیر منتظره، تغییر در نوع استفاده، خطاهای ساخت و ساز، بعضی از دلایلی هستند که منجر به تقویت نمودن سازه های موجود می شود. رفتاراعضای بتن مسلح (RC)تقویت شده با FRP پیچیده تر از اعضای RC تقویت نشده است بنابراین، درک روشنی از رفتار آنها تحت انواع مختلف بارگذاری مهم می باشد. در گذشته، مطالعات فراوانی برای درک رفتار تیرهایRCتقویت شده با FRP تحت خمش و برش [1-2] انجام شده است. با این حال، با توجه به وقوع مکرر این نوع نیروها در بسیاری از ساختارهای مهم مهندسی، اما به رفتارهای پیچشی توجه جدی نشده است. اگرچه در اکثر موارد پیچش به عنوان یک اثر ثانویه در نظر گرفته می شود در اینچه این نیرو در مواردی مانند اتصال تیرها، خم شدن بیرونی و ستونهای پل، بحرانی می باشد. بنابراین، می بایست رفتار اعضای RC را تحت جزئیات بارگذاری پیچشی درک کنیم. علاوه بر این، اثربخشی تقویت FRP از لحاظ بهبود قدرت و سختی در بارگیری پیچشی به خوبی قابل درک نیست و این فقدان به علت ماهیت پیچیده اثر اندرکنشFRP برروی نرم شدن و تثبیت بتن و افزایش مقاومت کششی بتن است. این مطالعه تلاش می کند تا شکاف دانش موجود در این منطقه حیاتی تحقیق را با انجام مطالعات تحلیلی و FE مورد بررسی قرار دهد. رفتار تیر RC تقویت شده با FRP را می توان از مونتاژ المان های غشایی با شرایط تعادل اضافی و سازگاری درک نمود. شکل 1 جریان برشی موجود در یک تیر RC تقویت شده با FRP را نشان می دهد که یک گشتاور پیچشی خارجی T دارد. عنصر غشایی ‘E’ تحت جریان برشی ‘q’ نیز در شکل 1 نشان داده شده است.

2. مروری بر ادبیات
تعداد کمی از محققان در گذشته به طور آزمایشی رفتاراعضای RC تقویت شده با FRP تحت بارگذاری پیچشی را مورد بررسی قرار داده اند. Ghobarah [3] به طور تجربی اثر CFRP (پلیمر تقویت شده با فیبر کربنی) و GFRP (پلیمر تقویت شده با فیبر شیشه ای) را بر روی رفتارهای پیچشی RC بررسی کرد. در این مطالعه، پیکربندی های مختلفی مورد استفاده قرار گرفت و نویسندگان به این نتیجه رسیدند که جهت گیری 45 درجه از فیبر موثر تر از تنظیمات محوری 0 و 90 درجه از لحاظ افزایش قدرت پیچشی است. Zhang و همکاران [4] رفتار پیچشی تیرهای RC را با استفاده از ورق های CFRP که به عنوان تقویت خارجی مورد استفاده قرار گرفتند، بررسی نمودند. Pan-chacharam و Belarbi [5] نیز یک مطالعه تجربی از رفتار پیچشی تیرهای RC تقویت شده با کامپوزیتهای FRP انجام دادند. پارامترهای مطالعه تعداد سلول ها، جهت گیری فیبر و تعداد وجوه تقویت شده تیر بود. نویسندگان نتیجه گرفتند که تقویت با ورق های GFRP به طور قابل توجهی قدرت نهایی و پیچش مربوطه را افزایش می دهد. آنها همچنین خاطر نشان کردند که فیبرهایی که در محدوده 90 درجه به سمت محور می چرخند، موثرترین محصورکنندگی را ارائه می دهند. Ronagh و Dux [6]؛ و Hii و Al-Mahiadi [7] همچنین اثر FRP را بر رفتار چرخشی اعضای RC بررسی کردند. آنها نتیجه گرفتند که CFRP خارجی نسبت به نمونه های شاهد منجر به افزایش مقاومت در برابر ترک خوردگی و مقاومت نهایی به ترتیب تا 40٪ و 78٪ شده است. Jing و Grunberg [8] رفتارهای تیرهای باکسی بتونی تقویت شده با ورق های CFRP را تحت عمل ترکیبی خمش، برش و پیچشی مورد بررسی قرار دادند و یک مدل ریاضی بر اساس نظریه میدانی فشاری قطری پیشنهاد کردند. این مدل اساسا برای تیرهای جعبه ای(باکسی) که تحت نسبت گشتاور پیچشی کم و نسبت گشتاور برشی کم قرار گرفته است، طراحی شده است. Ameli و همکاران [9] اثر CFRP و GFRP را بر رفتار پیچشی تیرهایRC بررسی کردند. این نویسندگان همچنین یک مطالعه عددی با استفاده از نرم افزار المان محدود ANSYS را انجام دادند و نتیجه گرفتند که این مدل المان محدود توانسته است گشتاور پیچشی نهایی را جذب کند و هم چنین اختلاف موجود نسبت به مشاهدات تجربی کمتر از 13 درصد است، اما رفتار پس ترک دقت کمتری داشت. He و همکاران [10] اثر CFRP را بر روی رفتار ستون های RC پل آسیب دیده که در آن میلگردهای طولی شکسته شده اند را مورد مطالعه قرار دادند. این ستون ها به صورت خارجی در هر دو جهت های طولی و عرضی تقویت شده اند. این نویسندگان دریافتند که ستون های تقویت شده در بازسازی قدرت ستون های بدون میلگردهای شکست خورده موفق بوده اند. He و همکاران [11] رفتار پیچشی ستون آسیب دیده RC تقویت شده با نوارهای CFRP را در هر دو جهت طولی و عرضی مورد بررسی قرار دادند. آنها دریافتند که تقویت CFRP قادر به بازگرداندن قدرت و سختی ستون های آسیب دیده است. تحقیقات مشابهی نیز توسط Yang و همکاران انجام شده است. [12]. این نویسندگان به طور تجربی به بررسی رفتار ستون های RC تقویت شده با FRP که در آن از قبل میلگردهای طولی دچار کمانش شده اند، پرداختند. این ستون های تقویت شده تحت بار محوری ثابت و بار جانبی سیکلی مورد آزمایش قرار گرفتند که منجر به عملکرد ترکیبی خمش، برش و پیچشی شد.
این نویسندگان نتیجه گرفتند که این ستونها توانایی خود را از لحاظ مقاومت جانبی و انعطاف پذیری در برابر بارگذاری سیکلی بهبود می بخشند. Chalioris [13] یک مدل تحلیلی گسترده ای را برای میلگردهای RC تقویت شده با FRP مورد استفاده قرار داده است که برای آن مدل خرپای کلاسیک نرم شده، مبنای کار می باشد. در این مدل از منحنی فشار محصورشدگی FRP و نرم شدگی برای بتن استفاده شده است. این نویسنده نتیجه گرفت که این مدل پيشنهادی در پيشبينی سختی پس از ترک خوردگی رضايت بخش است. Moslehy و همکاران [14] تاثیر FRP را بر روابط سازنده عناصر بتنی تقویت شده بررسی کردند. این محققان ضریب همبستگی را اصلاح کردند تا اثر FRP را در نظر بگیرند. Ganganagoudar و همکاران [15] رفتار پیچشی ستون های دایروی RC را تحت بارگذاری پیچشی مورد بررسی قرار داد. این نویسندگان یک SMMT را برای ستون های دایره ای ارائه دادند که در آن به تغییرات کرنش و روابط سخت شدن کشش اصلاح شده توجه ویژای شده است. این مطالعه از بهبود مدل های تحلیلی موجود با استفاده از روابط سازنده بهتر بتن در فشار و کشش استفاده می شود. در این مطالعه، داده های تجربی به دست آمده از ادبیات موجود برای مقایسه استفاده می شود تا اعتبار نتایج حاصل از مدل های المان محدود و تحلیلی ارائه شده را بررسی کنند.

بخشی از مقاله انگلیسی:

1. Introduction

Fiber reinforced polymer (FRP) is a widely used strengthening material for reinforced concrete members owing to its various advantages such as light weight, ease of application, high strength and stiffness. Faulty design, unexpected loads, change in usage type, construction errors are few of the reasons which necessitate the strengthening of existing structures. The behavior of FRP strengthened reinforced concrete (RC) members is more complex than the unstrengthened RC members and therefore, a clear understanding of their behavior under different types of loading is important. A plethora of studies has been conducted in the past to understand the behavior of FRP strengthened RC beams under flexure and shear [1–2]. However, torsional behavior has not been given significant attention despite its frequent occurrence in many important engineering structures. Though torsion is considered as a secondary effect for most general cases, it becomes critical in cases such as connecting beams, outrigger bent, and bridge columns. Therefore, it is important to understand the behavior of RC members under torsional loading in detail. Moreover, the efficiency of FRP strengthening in terms of strength and stiffness improvement under torsional loading is relatively not very well understood. This is due to the complex nature of interaction effects of FRP on the softening and confinement of concrete and increased tension stiffening behavior of concrete. This study tries to fill the knowledge gap existing in this vital area of research by carrying out analytical and FE studies. Behavior of FRP strengthened RC beam can be understood from the assembly of membrane elements with additional equilibrium and compatibility conditions. Fig. 1 describes the shear flow in an FRP strengthened RC beam subjected an external torque ‘T’. Membrane element ‘E’ subjected to shear flow ‘q’ is also shown in Fig. 1.

2. Review of literature

Few researchers in the past have experimentally investigated the behavior of FRP strengthened RC members under torsional loading. Ghobarah [3] experimentally studied the effect of CFRP (Carbon fiber reinforced polymer) and GFRP (Glass fiber reinforced polymer) strengthening on torsional behavior RC beams. Different wrapping configurations were used in this study and the authors concluded that 45 degree orientation of the fiber is more effective than 0 and 90 degree oriented configurations in increasing the torsional strength. Zhang et al. [4] investigated the torsional behavior of RC beams using CFRP sheets as external reinforcement. Panchacharam and Belarbi [5] conducted an experimental study of the torsional behavior of RC beams strengthened with FRP composites. Number of plies, fiber orientation, and number of beam faces strengthened were the study parameters. Authors concluded that strengthening with GFRP sheets significantly increases ultimate strength and corresponding twist. They also noted that fibers oriented at 90 degrees to the beam axis provided the most effective confinement. Ronagh and Dux [6]; and Hii and Al-Mahiadi [7] also investigated the effect of FRP on the torsional behavior of RC members. They concluded that externally bonded CFRP increased cracking and ultimate strength by 40% and 78% respectively compared to control specimens. Jing and Grunberg [8] investigated the behavior of reinforced concrete box beams strengthened with CFRP sheets under combined action of bending, shear and torsion and proposed a mathematical model based on diagonal compression field theory. This model was basically developed for box beams subjected to low bending torque ratios and shear torque ratios. Ameli et al. [9] studied the effect of CFRP and GFRP on the torsional behavior of RC beams. The authors also performed a numerical study using ANSYS finite element software and concluded that the finite element model was able to capture the ultimate torque and discrepancy from the experimental observations are found to be less than 13% but post crack behavior is less accurately captured. He et al. [10] studied the effect of CFRP on behavior of damaged RC bridge columns that had fractured longitudinal bars. These columns were externally strengthened in both longitudinal and transverse directions. The authors found that strengthened columns were successful in regaining the strength of columns without fractured bars. He et al. [11] investigated the torsional behavior of RC damaged column strengthened with CFRP strips in both longitudinal and transverse directions. They found that CFRP strengthening was able to restore the strength and stiffness of damaged columns. Similar research was carried by Yang et al. [12]. The authors experimentally investigated the behavior of FRP strengthened RC bridge columns which had buckled longitudinal bars before strengthening. These strengthened columns were tested under constant axial load and cyclic lateral load that results the combined action of bending, shear, and torsion. The authors concluded that columns recovered their ability to perform against cyclic loading in terms of lateral strength and ductility. Chalioris [13] proposed an extended analytical model for FRP strengthened RC beams subjected to torsion for which classical softened truss model forms the basis. This model utilizes softened and FRP confined compression curve for concrete. Author concluded that the proposed model is found satisfactory in predicting the post crack stiffness. Moslehy et al. [14] studied the influence of FRP on the constitutive relationships of reinforced concrete elements. Researchers modified conventional softening coefficient to take the effect of FRP into account. Ganganagoudar et al. [15] investigated the torsional behavior of circular RC bridge columns under torsional loading. Authors proposed an improved SMMT for circular columns which considering the strain gradient effect and modified tension stiffening relationships. The present study is motivated from improving the existing analytical models by implementing better constitutive relationships of concrete in compression and tension. Experimental data available from the literature is used for comparison to check the validation of the results of proposed analytical and finite element models.

واکنش چرخه ای تیرهای مقاوم بتن مسلح اصلاح شده با تزریق اپوکسی

Cyclic Response of Reinforced Concrete Moment Resisting Beams Repaired with Epoxy Injection

Abstract

This paper presents the results of a quasi-static cyclic test carried out on a reinforced concrete special moment resisting beam in the Earthquake Engineering Center of UET Peshawar to study the efficiency of traditional repair techniques in restoring the strength and stiffness capacity of damaged RC beams. The beam was tested in a cantilever mode and was subjected to a standard loading protocol with increasing amplitude of displacement cycles. The final damage state of the beam consisted of severe cracking and spalling of the cover concrete. The cracks were repaired with low-viscosity injection epoxy and the spalled concrete was repaired with early-strength grout. The repaired specimen was subjected to the same loading protocol as the original specimen to study the efficiency of the repair technique employed. It was observed that epoxy injection is not effective in restoring the stiffness of beams due to bar slip and inelastic extension of longitudinal bars at the support end.

1 Introduction

Modern seismic design codes [1-3] design buildings with the objective to avoid collapse and save human lives. Structures are designed for seismic forces that are considerably smaller than the design-level forces, and therefore they are prone to damage during designbasis earthquake [4]. Reinforced concrete special moment resisting frames are designed according to the principles of capacity design; which states that damage should be concentrated at fixed locations in beams, often called plastic hinges. The plastic hinges are located at the ends of beams and should be proportioned and detailed to respond primarily in flexure mode rather than brittle modes of response such as shear. This philosophy forms the basis of almost all the modern seismic design codes [1-3]. However, the subject of reparability of damaged reinforced concrete structures, after being subjected to an earthquake, has been addressed rarely. The performance of reinforced concrete moment resisting frames, designed to modern codes, in the recent earthquake of Christchurch (2011) was satisfactory but raised the issue of reparability of reinforced concrete structural components [5-6]. A large number of damaged reinforced concrete frames had to be demolished due to the lack of sufficient experimental evidence to justify the use of traditional repair techniques in restoring the capacity of damaged reinforced concrete structural elements.

This paper addresses the issue of reparability of reinforced concrete structural elements through an experimental program. Since there has been a rampant increase in the construction of reinforced concrete frames around the world, therefore, it is considered necessary to bring the issue of reparability of reinforced concrete beams to the knowledge of concerned authorities and structural design engineers. To achieve this task, it was necessary to conduct an experimental program to study the efficiency of repair techniques and highlight the associated problems with different repair techniques, used locally in Pakistan for the past many years. Quasi-static cyclic testing, as proposed by Ahmad et al., (2016) for testing beams, is conducted on a special moment resisting beam to study the efficiency of epoxy injection and grout patching in restoring the strength and stiffness of a damaged beam. Epoxy injection repair technique was studied herein due to its ease of application and its widespread adaptation in local industry in Pakistan within the context of rehabilitation.

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

چکیده: این مقاله، مکانیسم های انتقال برشی و رفتار نهایی سیستم های ترکیبی شامل نیروهای بتن آرمه مسطح. که به ستون فولادی سازه ای متصل شده است را مورد بررسی قرار می دهد. یک سری شامل پنج آزمایش مقیاس بزرگ بر روی مونتاژهای سازه ای که در آن، بازوهای برش فولادی مستقیماً بر ستون های فولادی جوش خورده است و در تیرهای دبتن آرمه گنجانده شده اند، ارائه شده است. پس از توصیف ترتیب آزمایشی و جزئیات نمونه، نتایج و مشاهدات اصلی که از این آزمایشات بدست آمده، ارائه و توصیف شده است. ارزیابی مستقیمی از رفتار برش نهایی یک چنین سیستم های ترکیبی را نشان می دهد. یافته های آزمایشی، این امکان را فراهم می کند که مقایسه ای با پیش بینی های مقاومت که از مدل های تحلیلی که کاربرد متداولی در طراحی اعضای بتن آرمه معمولی دارند، انجام شود. توضیحات و ارزیابی مقایسه ای که در این مقاله ارائه شده است، بینشی در مورد تأثیرات مکانیسم های مختلف انتقال برشی ارائه می کند که مقاومت عرفی، نواحی فشاری، تنش کششی باقی مانده، همبندی پایدارکنندۀ بتن، و پیوند فاصل میانی بین پروفیل فولادی و بتن را شامل می شود. فعالسازی و نقش مکانیسم های اصلی انتقال برش از نظر افزایش ترک که به طور آزمایشی بررسی شده است و الگو و مسیر، ارزیابی شده است و مقایسه ای بین روش های تحلیلی که تطابق گسترده ای دارند، صورت گرفته است. این نتایج نشان می دهد که نقس هر مکانیسم انتقال، تابعی از سیماتیک (جابجایی) ترک و سطح بار وارد شدۀ مطابق آن می باشد. در نهایت، اصلاحات روشهای تحلیلی موجود برای اجزای بتن آرمه معمولی، به این منظور ارائه شده است که ارزیابی مطمئنی از ظرفیت برش نهایی یک چنین سیستم های ترکیبی ارائه کند. عبارات درباره تأثیر خصوصیات بازوی برشی بر مقاومت بار نهایی، بیان شده است و پیش بینی واقعی تری از این رفتار در مقایسه با ملاحظات طراحی بتن آرمۀ معمولی ارائه می کند. کلید واژگان:سیستم های ترکیبی، مونتاژهای فولاد/ بتن آرمه، مکانیسم های انتقال برش، رفتار برشی، طراحی برشی.

1- مقدمه: شرایطی که در آن باید اجزای ساختمانی بتن آرمه را با اعضای فولاد عمودی ترکیب کنیم، غالباً در ساختمان-های چند طبقه می باشد که یا به محدودیت های عملکرد و یا به بارگذاری مربوط است یا در نتیجۀ ملاحظات سازه ای و کاربردی می باشد. بهرحال طراحی یک چنین اعضای ترکیبی فولادی و بتن آرمه ای در جهت کاربردپذیری قوانین آیین نامه ای است، که اساساً ایجاد شده و برای ترکیب بندی های فولاد سازه ای یا بتن آرمه معمولی، ایجاد شده و اثبات شده است. بسیاری از بررسی های قبلی، عملکرد شکل های مختلف اجزای ترکیبی بتن/ فولاد را مورد بررسی قرار داده اند. برای مثال، ارزیابی های مختلفی در زمینه عملکرد تیرهای که بر اجزای دیوار بتن آرمه متصل شده اند، صورت گرفته است. [4-1] و در مورد رفتار اتصالات بین تیرهای فولادی و ستون های بتن آرمه هم ارزیابی صورت گرفته است. [7-5] چندین بررسی اخیر هم عملکرد اتصالات ستون ترکیبی یا دال مسطح به لوله فولادی را [1-8] را بوسیلۀ بازوهای برشی گنجانده شده مورد ارزیابی قرار داده اند. با این وجود، هنوز هم ارزیابی های اساسی در زمینۀ مکانیسم های انتقال برشی و رفتار نهایی سیستم های ترکیبی و تیر بتن آرمه ای با فولاد، وجود ندارد. وجود یک عامل فولادی گنجانده شده در یک عضو بتن آرمه، یک ناپیوستگی در دو ناحیۀ مجزا ایجاد می کند. (یعنی سطوح ترکیبی و غیرترکیبی) و خصوصیات رفتاری بسیار پیچیده تری در مقایسه با خصوصیات رفتاری که در اعضای بتن آرمۀ معمولی وجود دارد، مشاهده کردیم. تعدادی ا زحالت های گسیختگی ممکن است در دو ناحیۀ عضو ترکیبی ایجاد شود که یا در ناحیه برشی و یا در ناحیۀ خمشی می باشدو مورد دوم، مکانیسم های رفتاری بسیار پیچیده تر و وابسته به هم را نشان می دهد. در یک بررسی شبیه سازی عددی که نویسندگان انجام داده اند [12] مکانیسم های اصلی گسیختگی برشی شامل تنش قطری یا شکست برشی است که در تیرهای ترکیبی ممکن است رخ دهد که مورد بررسی قرار گرفته است. چنانکه انتظار دارم مراحل اولیه این رفتار بوسیله ترک خمشی توضیح داده شده است.

وقتی گسیختگی خمشی، غالب نمی باشد، و نیروهای برشی زیاد، در مقطع، جابجا نمی شوند، ترک های قطری ایجاد می شود. گسیختگی برشی زمانی رخ می دهد که تنش ها نمی توانند از طریق فاصل ترک انتقال یابند و عضو به دو بدنۀ سختی تقسیم می شود که حول یک نقطه ثابت که در رأس ترک در منطقۀ فشار قرار گرفته است، دوران دارد. در انتقال برشی، چند مکانیسم نقش دارند که شامل ناحیه فشاری بتن، همبندی پایدارکننده بتن، عامل میلۀ پایدارکنندۀ بتن و مقاومت عرفی. [26-13] و همچنین پیوند فاصل بین عضو فولادی و بتن اطراف آن می باشد. [29-27] فعالسازی هر یک از این مکانیسم ها به اندازه عضو و جزئیات آرماتور و مقاومت ماده بستگی دارد. [15 و 14] ارزیابی هایی انجام دود که بر توزیع شش برش در ناحیه تنش تیرهای بتن آرمه با نظارت کرنشی با استفاده از یک جزئیات ترکیب کرنشی سنج های الکتریکی انجام گرفته است این نتایج نشان می دهد که قبل از ترک، توزیع تنش برشی، تقریباً معمولی است و نیرویی که در ناحیه فشار حمل می شود، به آهستگی افزایش یافته و تا 40-20% مجموع نیروی برش هنوز هم به گسل می رسد.

بخشی از مقاله انگلیسی:

Abstract

This paper examines the shear transfer mechanisms and ultimate behaviour of hybrid systems consisting of reinforced concrete beams connected to structural steel columns. A series of five large scale tests on structural assemblages, in which steel shear-arms are welded directly to the steel columns and embedded in the reinforced concrete beams, is presented. After describing the experimental arrangement and specimen details, the main results and observations obtained from the tests are provided and discussed. The test results offer a direct evaluation of the ultimate shear behaviour of such hybrid systems. The experimental findings also enable a comparison with the strength predictions obtained from analytical models which are commonly used in the design of conventional reinforced concrete members. The discussions and comparative assessments presented in this paper provide an insight into the influence of various shear transfer mechanisms including transverse reinforcement, compressive zones, residual tensile stresses, aggregate interlock, and dowel action, in addition to the interfacial bond between the steel profile and concrete. The activation and contribution of the key shear transfer mechanisms are assessed in light of the experimentally-monitored crack growth, path and pattern, as well as in comparison with widely-adopted analytical approaches. The results show that the contribution of each transfer mechanism is a function of the crack kinematics and corresponding level of applied load. Finally, modifications to existing analytical approaches for conventional reinforced concrete elements are proposed in order to provide a reliable evaluation of the ultimate shear capacity of such hybrid systems. The suggested expressions account for the influence of the shear-arms’ characteristics on the ultimate shear strength, and offer a more realistic prediction of the behaviour in comparison with conventional reinforced concrete design provisions.

1. Introduction

Situations in which reinforced concrete floor elements need to be combined with vertical steel members often arise in multi-storey buildings, either due to loading and performance constraints or as a result of practical and constructional considerations. However, the design of such ‘hybrid reinforced concrete/steel members’ often poses various uncertainties related to the direct applicability of codified rules which are typically developed and validated for conventional reinforced concrete or structural steel configurations. Many previous studies have examined the performance of various forms of hybrid steel/concrete elements. For example, various investigations have been carried out on the performance of composite steel coupling beams connected to reinforced concrete wall elements [1–4], and on the behaviour of connections between steel beams and reinforced concrete columns [5–7]. Several recent studies have also examined the performance of flat slab-to-tubular steel or composite column connections [8–11] by means of embedded shear-arms. Nevertheless, there is a dearth of fundamental assessments on the shear transfer mechanisms and ultimate behaviour of hybrid reinforced concrete beam-to-steel column systems. The presence of an embedded steel element within a reinforced concrete member creates a discontinuity within two distinct regions (i.e. composite and non-composite), and results in more complex behavioural characteristics than those occurring in conventional reinforced concrete members. A number of failure modes can occur within the two regions of the hybrid member, either in flexure or shear, with the latter involving more intricate inter-dependent behavioural mechanisms. In a recent numerical study by the authors [12], typical shear failure mechanisms involving diagonal tension or shear crushing that can occur in hybrid beams, were explored. As expected, early stages of behaviour are described by flexural cracking. When flexural failure is not governing and high shear forces are mobilised in the section, diagonal cracking occurs. Shear failure takes place when stresses cannot be transferred through the crack interfaces and the member divides into two rigid bodies rotating along a fixed point located at the crack tip in the compression zone. Shear transfer can include contributions from several mechanisms including the concrete compressive zone, aggregate interlock, dowel action and transverse reinforcement [13–26], as well as the interfacial bond between the steel member and surrounding concrete [27–29]. The activation of each mechanism depends on the material strength, reinforcement details and member size. Taylor [14,15] carried out investigations focusing on the distribution of shear stresses in the compression zone of reinforced concrete beams by monitoring the strains using a detailed arrangement of electrical strain gauges. The results showed that, before cracking, the shear stress distribution is nearly parabolic and the force carried by the compression zone increases slowly up to 20–40% of the total shear force until the beam approaches failure. It was reported that the tension zone of the beam can carry up to 75% of the total shear force, with the transfer through aggregate interlock contributing up to 33–50% of the total shear and the dowel action in the range of 15–25%; the latter two mechanisms decrease significantly when stirrups are present. The results presented by Swamy and Andriopoulos [22] are also in agreement with the above, and showed that shear transferred through aggregate interlock decreases with the increase in load. Several models have been proposed to estimate the contribution of aggregate interlock to the ultimate shear strength [e.g. 16,17,19,22,30]. The model proposed by Walraven and Reinhard [16] and Walraven [17] accounts for the physical behaviour of the interlocking crack faces and is based on a cumulative distribution function of the aggregates in the crack plane. Modified approaches incorporating other width-to-slip relationships have also been proposed by Ulaga [31] and Guidotti [32]. On the other hand, Dei Poli et al. [19] adopted an idealised crack model where the aggregate interlock contribution was assessed by assuming that the reinforced concrete beam behaves as a plane truss with shear and confinement stresses along the diagonal cracks. In general, shear transfer through aggregate interlock is often examined together with dowel action since they are strongly linked. Based on experimental observations, statistical assessments were carried out to estimate the interdependency between aggregate interlock and dowel action [22]. It was shown that the shear carried by the interface depends on the amount of longitudinal reinforcement, transverse reinforcement (spacing, intersection with governing crack and longitudinal reinforcement), concrete strength and moment-to-shear ratio.

مقاله انگلیسی رایگان (PDF)

ترجمه فارسی رایگان (PDF)

خرید ترجمه با فرمت ورد

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

3-4- جواب مساله تعمیم :
اول اینکه روش TOPSIS از طریق فاز مشابهی اعمال شده است که قبلا هم در تحقیق قبلی انجام داده ایم. بویژه ، مراحل زیر دنبال شده اند 1- تریف ماتریس تعمیم نرمالسازی شده R(جدول 15) که گزینه هایی را که برمبنای معیار مقادیر فیزیکی متفاوتی می باشند، در نظر می گیرد. 2- محاسبه ماتریس تعمیم نرمالسازی شده موزون V (جدول 16) که با ضرب کردن هر ستون ماتریس R برای وزن مطابق بدست آمده است . 3- تعیین جواب های غلط و جواب های واقعی بهینه (جدول 17) . 4- محاسبه فاصله بین هرگزینه و گزینه های واقعی 5- محاسبه فاصله نسبی جواب بهینه (Ci) و ایجاد رده بندی مرتبه اولویت توالی (جدول8) . روش بکاررفته ، ثابت شده که سیستم فولاد شکل که در سرما شکل گرفته است، جواب بهینه ارتفاع بلند می باشد . نتایج هم از طریق یک تحلیل حساسیت معتبر می شود که برای اثبات این مطلب است که نتایج نهایی تحت تاثیر قضاوت های DM قرار نمی گیرد. در واقع ، با ارزیابی پارامترهای تعبیر درصد (PT) و تعبیر مطلق(AT) وزن معیار، اثبات شده که جواب، ثابت می باشد. در واقع، چنانکه جدول 19 نشان می دهد، C2,C3,C5 در تعبیرات دسته بندی مرتبه اولویت قرار می گیرد. در حالی که تاثیر تعبیر وزن معیار دیگر، کاملا اندک است و صرفا در چند مورد مرتبه اولویت متفاوت ایجاد می شود. دوم اینکه کاربرد روش ELECTRE ، ماتریس های R و V را ایجاد کرده که به ترتیب در جدول 20 و21 آمده است. با توجه به تحلیل ماتریس E ، ثابت می شود که گزینه های غالب برای افزودن عمودی، سازه های الوار لایه لایه چسبیده و فولاد شکل گرفته در سرما و پس از آن سیستم های بنایی و سیستم های غلطان گرم (در جایگاه دوم) و بتن آرمه (در موقعیت سوم) می باشد.
درنهایت، با توجه به VIKOR ، پارامترهای Si,Ri ابتدا محاسبه شدند که در جدول 23 مشاهده می شود. پس از آن، رده بندی گزینه ها بوسیله پارامتر Gi انجام می شود. (جدول 24) با مقایسه روشهای کلی جواب بهینه همواره با سیستم فولادی تشکیل شده به صورت سرد، که کمترین مقدار Gi را دارد، ایجاد می شود.

5- نتیجه گیری ها:

در این مقاله، گزینه جواب بهینه برای دو مداخله اصلاح سازه ای به نام های افزودن عمودی و بهسازی لرزه ای سازه های موجود بوسیله سه روش MCDM صورت گرفته که راه حل های متفاوتی توسط تصمیم گیرنده (DM) برمبنای چندین مقیاس مقایسه که پارامترهای محیطی و اقتصادی و سازه ای می باشند، انجام گرفته است. کار اخیر که در دو بررسی موردی صورت گرفته است، برای یافتن تمامی روشهای ارزیابی جواب های مساله MCDM می باشد و بنابراین به انتخاب های فردی تصمیم گیرنده بستگی ندارد.
اولین مداخله مبتنی بر نتایج عملیات آزمایشی در یک سازه بتن آرمه سه بعدی مقیاس واقعی ابزارهای بهسازی لرزه ای متفاوت انجام گرفت. تحلیل های MCDM با تمامی روشهای بکاررفته هم نتیجه مسابهی ارائه کرد که نقش پنل های برشی آلومینیوم، غالب بود. نتیجه مشابه هم در زمانی اثبات می شود که ارزیابی های دقیق تری با سه روش MCDM انجام گرفته باشد. در این موارد، که ترکیب وزن های معیار بزرگتر، در نظر گرفته شده است، نشان می دهد که عملکرد مطلوب با پنل های برشی فلزی، حاصل می گردد که باعث رده بندی کلی نهایی می شود که بلافاصله پس از آن سیستم تفکیک بستر و BRB فولادی و مهاربندی های مرکز است. در نتیجه، نقش اصلی که با دستگاه ابزارهای فلزی به عنوان روش بهسازی لرزه ای برای قاب های بتن آرمه موجود، حاصل می گردد، اثبات شده است. از سویی دیگر، به عنوان گونه شناسی مداخله دوم، افزودن عمودی واحدساطه ای بنایی موجود، بوسله فناوری های ابداعی و متداول، انجام گرفته است. نتایج بررسی که با استفاده از سه روش مشابه بدست آمده ، برای ارزیابی بهسازی لرزه ای سازه بتن آرمه تحت بررسی استفاده شده که به عنوان راه حل مطلوب می باشد و سیستم های فولادی تشکیل یافته سرد، مدیون پیش شرط هایی همچون سبکی، مقرون به صرفه بودن و پایداری می باشند. اطمینان پذیری راه حل ارائه شده با توجه به بررسی حساسیت انجام گرفته، اعتبار یافته است که سه تا از پنج معیار، قدرتمند بوده و تاثر تغییر وزن معیارهای دیگر، کاملا خفیف است که بندرت تغییر وضعیت در رده بندی ایجاد می کند. در نهایت هم ترکیب کاربرد سه روش MCDM ارزیابی شد . با مجوز کارشناسان ، با مداخله های اصلاح سازه ای ، ارتباط می یابد که بالاترین احتمال یک جواب بهینه هدف برای اهداف بهسازی و افزودن عمودی تحت نقطه نظرات سازه ای و محیطی و اقتصادی ، حاصل گردد.
.

بخشی از مقاله انگلیسی:

4.3. Decisional problem solution

First, the TOPSIS method has been applied through the same phases already accomplished in the previous analyses. In particular, the following steps have been followed: (1) definition of the normalised decision matrix R (Table 15), considering that alternatives are judged on the basis of criteria involving different physical quantities; (2) calculation of the weighted normalised decision matrix V (Table 16), obtained by multiplying each column of the matrix R for the corresponding weight; (3) determination of virtual optimal and worst solutions (Table 17); (4) distance calculation among each alternative and virtual ones; (5) relative distance calculation from the optimal solution (Ci ⁄ ) and establishment of a consequent preference order ranking (Table 18). The applied method has shown that the cold-formed steel system is the optimal super-elevation solution. The results have also been validated through a sensitivity analysis, used to verify that the final results are not influenced by the DM judgments. In fact, by assessing the absolute (AT) and the percentage (PT) variation parameters of the criteria weight, it has been shown that the solution is stable. In fact, as shown in Table 19, C2, C3 and C5 are strong criteria, since S = 1/PT = 0 (that is the C2, C3 and C5 criteria weight change does not involve modifications in the preference order classification), while the influence of other criterion weight variation is quite modest, it producing only in few cases different preference order. Second, the ELECTRE method application has provided the matrixes R and V, reported respectively in Tables 20 and 21. From the analysis of the matrix E it is shown that the dominant alternatives for vertical addition are cold-formed steel and glued laminated timber structures, followed by masonry and hot-rolled steel systems (2nd place) and the reinforced concrete one (3rd place) (Table 22). Finally, from the VIKOR method, the scalar parameters Si and Ri have been firstly calculated, as shown in Table 23. Afterwards, the ranking of alternatives is established by means of the parameter Qi (Table 24). Analogously to the previous methods, the optimal solution is always represented by the cold-formed steel system, which has the lowest value of Qi.

5. Conclusions

In the current paper the choice of the optimal solution for two structural modification interventions, namely seismic retrofitting and vertical addition, of existing buildings has been individuated by means of three MCDM methods, where different alternatives are judged by a Decision Maker (DM) on the basis of several comparison criteria, that is structural, economic and environmental parameters. The novelty of the work, articulated into two case studies, is to find with all investigated methods impartial MCDM problem solutions, which, therefore, do not depend on the personal choices of the DM. The first intervention has been studied on the basis of the experimental campaign results performed on a real full-scale 3D RC structure upgraded with different seismic retrofitting devices. The MCDM analyses with all used methods have provided the same result, that is the dominating role exerted by aluminium shear panels. The same result has been confirmed also when more in depth investigations with the same three MCDM methods have been carried out. In these cases, where larger combination of criterion weights have been considered, it was shown that the optimal performances are provided by metal shear panels, which lead the final global ranking and are immediately followed by base isolation system and steel BRB and eccentric bracings. As a consequence, also the leading role occupied by metal devices as seismic retrofitting technique of existing RC frames has been proved. On the other hand, as second intervention typology, the vertical addition of an existing masonry structural unit by means of traditional and innovative technologies has been done. The study results, achieved by using the same three methods used for seismic retrofitting assessment of the examined RC structure, have provided as optimal solution the cold-formed steel systems thanks to their prerequisites, such as lightness, economy and sustainability. The reliability of the solution found has been validated from the performed sensitivity check, where three of five criteria are robust and the variation influence of other criterion weight is quite modest, it producing rarely the alternative position change within the ranking. Finally, the combined application of three investigated MCDM methods will allow the practitioners, dealing with structural modification interventions, to individuate with the highest probability an objective optimal solution for retrofitting and vertical addition purposes under the economic, structural and environmental points of view.

ارزیابی خستگی اتصالات مفصلی در تیر های بتن ارمه

Reinforced-concrete beam hinge joint fatigue assessment

Abstract

A major highway underbridge has been subjected to a complex fatigue assessment to determine its present and future serviceability. Similar to approximately 100 other structures within Great Britain, reinforced-concrete deck hinge joints are positioned within longitudinal beams providing rotational flexibility. Concerns were raised as to the fatigue condition of the hinge joints considering repetitive rotations applied by traffic loading and pitting corrosion found on reinforcement bars. This paper describes the assessment work and associated research relating to this structure including finite-element analysis, laboratory models and space frame modelling of the structure. Comments are made on the applicability of current codes of practice for fatigue assessment of reinforced-concrete deck hinge joints.

1 Introduction

1.1 Background

A major highway underbridge was subjected to a complex assessment and category 3 check (by an independent company) to determine its present and future serviceability, regarding the fatigue condition of the reinforced-concrete hinge joints. The author was involved on behalf of the checking organisation and managed the laboratory testing regime. The initial assessment check followed the philosophy outlined in the draft Assessment Approval in Principle document, including plane stress finite-element analysis (FEA) but differing by using Abaqus software. Similar results to that of the principal assessor were established, confirming concerns over the fatigue condition of hinge joints. For a period of four years, the author performed progressively more detailed non-linear finite-element modelling and conducted laboratory research, which verified the quality thereof. This paper briefly describes the work conducted by the author on behalf of the checking organisation, Atkins, throughout the project.

1.2 The structure

The in situ reinforced-concrete five-span twin-deck structure totals 135 m in length. Each deck is supported by four beams connected at the pier crossheads. Figure 1 shows general arrangement details of the underbridge. Each beam length includes reinforced-concrete beam hinge joints at the two points of contra-flexure in the central span and at the outer points of contra-flexure in the intermediate spans. The hinge joints transfer shear force and restrain longitudinal movement, but provide rotational flexibility at discrete points along the length of each beam. Thus, at the time of design, these points of contra-flexure were known and the structure would have been analysed as statically determinate, as shown in Figure 2. At hinge joints the beam decreases in depth to 432 mm (17 in), which is one third of that elsewhere, for a length of approximately 38 mm (1 1/2 in). Six triplets of bars cross through the joint, each including one horizontal dowel bar flanked by opposing ‘scissor’ bars inclined at 45° to the horizontal all of which have a diameter of 31·75 mm (1 1/4 in). Scissor bars are referred to as ‘tension’ and ‘compression’ barswith respect to the predominant forces experienced in each under shear load. Shear bars, of diameter 22·22 mm (7/8 in), referred to as ‘C-bars’, are positioned either side of the hinge throat, resisting cracking. Hinge details are shown in Figure 3. Such beam hinge details are also referred to as ‘thrust hinges’, and are similar to slab decks known as ‘deck hinges’.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) 

احتمال شرطی مربوط به خرابی است هنگامی که شدت y رخ دهد، نشان‌دهنده تابع چگالی شرطی مربوط به ظرفیت سازه در لحظه است، و تابع چگالی شرطی تقاضای سازه برای شدت مشخص y در لحظه است.
معادله 14 را می توانیم به روش انتگرال عددی حل کنیم، با این‌حال در این پژوهش، معادلات13 و 14 به وسیله یک رویکرد ساده با مفروضات زیر حل می‌شود(کورنل وهمکاران ، 2002):الف) منحنی خطرات محیطی v(y)، که به صورت تابع و حول شدت مورد نظر است، k وr پارامترهایی هستند که منحنی خطر زلزله را برازش می‌کند. ب) ظرفیت سازه به صورت لگاریتم نرمال با میانگین وانحراف معیار لگاریتم طبیعی برابربا است. ج) تابع مقدار میانه تقاضای سازه حول شدت موردنظر، و aوb منحنی تقاضای سازه را برازش می‌کند. تقاضای سازه یک توزیع لگاریتم نرمال با انحراف معیار لگاریتم طبیعی برای شدت مشخص y برابر با در نظر گرفته می‌شود.
با توجه به مفروضات a، b و c و معرفی سهم عدم قطعیت شناخت یک، مقدار موردانتظار تعداد خرابی در پایان بازه زمانی به صورت زیر بیان می‌شود(تورس و رویز 2007)

شدت بار محیطی مرتبط با ظرفیت میانه ،، در لحظه است، و به ترتیب واریانس لگاریتم طبیعی تقاضای سازه برای شدت داده شده و ظرفیت سازه با حالت حدی مورد نظر هستند، همچنین و به ترتیب واریانس عدم قطعیت شناخت یک مرتبط با تقاضای سازه و ظرفیت سازه هستند.
به منظور اینکه تعداد مورد انتظار خرابی را بدست‌آوریم، تغییرات زمانی تقاضا و ظرفیت سازه را باتوجه به خوردگی برای شدت داده شده در نظر می‌گیریم و همچنین لازم است که مفروضات زیر را لحاظ کنیم(علاوه بر فرضیات a،b وc)
d) میانه ظرفیت سازه() باتوجه به حالت خوردگی، بصورت خطی در زمان تغییر می‌کند

3.2 فاکتور اطمینان
در فرم طراحی ضریب تقاضا و ظرفیت(DCFD) فرض می‌شود که ( احتمال سالانه در سطح عملکرد بیش از حد نباشد) برابر با (هدف عملکرد) است. دراین مقاله، تعداد خرابی های مورد انتظار در پایان بازه زمانی را برابر با مقدار پیش‌فرض ضرب در بازه زمانی در نظر می گیریم،

4. مثالی گویا
در این بخش ضریب اطمینان، باتوجه به خوردگی برای یک ساختمان واقع در آکاپولکو درمکزیک مورد ارزیابی قرار گرفته است. سازه منظم بتن آرمه دارای چهارطبقه با هفت متر فاصله بین ستون است(شکل1 راببینید). ساختمان مطابق با کدساختمانی (RCDF-2004) در شهری از مکزیک طراحی شده است. از ضریب شکل پذیری Q=3 استفاده می‌شود.

4.1 خوردگی ساختمان
همان طور که در بخش2 ذکر شد، چندین بازه زمانی مربوط به خوردگی وجود دارد، زمان شروع خوردگی( معادله2 و3). فرض کنید مقادیر زیر وجود دارد:
(کاستانداوهمکاران‌سال1997)
آنگاه، نتایج ، هنگامی که ترک خوردگی بتن آغاز می شود(، معادله5) برابر با 46 سال دوم زمان موردنظر است فرض می‌کنیم ، آنگاه نتایج برابر با 9 سال است.
در پژوهش حاضر، قصد داریم قابلیت اطمینان سازه را پس از 46، 55، 75 و 100 سال از ساخت ساختمان را ارزیابی کنیم.