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.

ترکیب بتن سبز با استفاده از ضایعات جامد و نانو ذرات به عنوان جایگزین – بررسی

Green Concrete mix using solid waste and nanoparticles as alternatives – A review

Abstract

The process of manufacturing of ordinary Portland cement (OPC) is energy intensive and creates various environmental problems such as pollution and emission of CO2. There is a need for the an alternative eco-friendly Green Concrete. The waste materials from agriculture, industries, bio-waste, marine waste and e-waste can be recycled and used as a supplementary Green Concrete materials. This will reduce environmental impact of the production of OPC and reduces energy consumption. The application of nanotechnology for a Green building in the current and future is very much significant. The production and implementation of Green Concrete is still in its infancy stage. Academicians and R & D need to step in by promoting application at the industry level. The focus of this review paper is to create awareness to utilize the discarded materials as well as to highlight the new technology to manufacture Green Concrete.

1 Introduction

The economy of any country grows based on the infrastructure available. Infrastructure covers roads, bridges, buildings, warehouses, airports, harbors, container terminals etc. As the demand for infrastructure grows, so does the need for concrete, which leads to the demand of more cement. Cement concrete is in great demand in the construction industry and at the same time it is an environmental concern, as it produces hazardous gases in various stages of production. We generally know that any concrete mix has cement, aggregates, sand, water and additives as per design need. With growing demand to control pollution and use waste materials from different industries, this is an attempt to replace standard materials with alternative substitutes. It covers the effects on compressive strength, setting time, cost effectiveness and reduction of pollution levels. Natural resources are not perennial, so we need to find alternatives to replace them without compromising on the quality and effective parameters of the ultimate product. The cement kilns produce hazardous gases and contribute to global warming. Animals are also adversely affected by the pollution caused by cement plants. During transport of cement bags from manufacturing site to end user, it undergoes wear and tear and cement dust flies into the environment. It causes breathing diseases and effects the labor who used to transfer, dump and redistribute the stored cement bags. Solid waste management is a major concern due to increase of quantity of waste materials and industrial by-products. This is increasing the land filling problems and recycling cost of waste materials. Utilization of these materials as Green Concrete is the only option to reduce the disposal concern. The Green Concrete is made from the eco-friendly waste materials and ushers in a revolution in the concrete industries by its technology. The waste products can be reused directly as a partial substitute of cement and save the energy consumption during the production of cement. Some waste materials are having pozzolans properties. Pozzolans is a material rich in silica and alumina which itself possess little or no cementing property, but in the presence of water, it chemically reacts with calcium hydroxide at ordinary temperature to form the cementitious properties [1].

The complete process of cement manufacturing, right from crushing and transport of lime stone, heating of kilns and crushing is all polluting. The river sand is used as fine aggregate for the concrete mixes which is obtained from the river beds and erodes the valuable top soil. Since sand mining is a lucrative business does not benefit the government economically and disturbs the ecology of the rivers. Water flow is uneven and the river bed is degraded. Coarse aggregate is gravel powdered and pounded to sizes from granite and blue stones. This also makes mining and blue metal companies to chip and blast mountains. Most of the mountains are completely chipped off which influences the rainfall pattern. Pollution and ash dust flying in the air is a major disadvantage of blue metal quarrying. It is also powdered to manufacture Msand, a cheaper alternative to river sand. Volcanic materials and thermally processed materials can be also used as lightweight aggregates as natural resources. Water is a major commodity and usually potable grade water is best suited for cement concrete mix manufacturing. Water is depleting and recycled water must be replaced in the system to have a sustainable supply of water. Concrete mix causes release of green house gases (CO2) and pollutes the atmosphere. Concrete is the most used material in construction industry and it undergoes various types of deterioration due to environmental effects.

An enormous amount of waste materials from different surroundings, environments and industries are produced every day. The waste materials such as rice husk ash (RHA), saw dust ash (SDA), rubber crump, plastic waste, coconut husk and shell, textile waste (sludge and fiber) etc lead to waste disposal crisis. Recycle of such types of wastes can be used as an admixture to make the Green Concrete structures. This will reduce the quantity of cement used and CO2 emission and reduce the global warming. In this paper, the explanation is about the waste materials as an admixture which provides better strength and durability of concrete than the existing one which not only solves the environmental and ecological problems but also significantly improves the microstructures and durability properties of concrete. The demolished building waste is mixed in concrete which saves the space required to dispose them and at the same time they get recycled and fresh material is not needed. This paper explains the three different types of resources such as resources of agriculture, industries and bio-waste. By implementing nanotechnology, the properties of concrete structures can be improved.

تجزیه و تحلیل عناصر محدود و مطالعه تجربی بر روی عملکرد لرزه ای سازه های فروسمنت یا (ملات با تور سیمی) – کامپوزیتی در یک ساختمان کامل

Finite Element Analysis and Experimental Study on Seismic Performance of Ferrocement-Composite Shell in a Full-Scale Building

Abstract

Design of reinforced-concrete shell is most challenging for structures in seismic zones. Ferrocementmasonry buildings require seismic evaluation. However, a seismic code has not yet developed for ferrocement building. The complexity of structures’ geometry substantially contributes to structural performance when an earthquake occurs [1]; the more complex the geometry is, the more likely building elements are to not move together. Ferrocement composite in low-rise buildings is a cost-effective solution in developing countries because it requires minimal skilled labor. Woven square mesh reinforcement decreases crack propagation and ferrocement enhances homogeneity of the concrete matrices [3]. Additionally, ferrocement is used for rehabilitation of existing reinforced-concrete (RC) structures. Some studies result indicated ferrocement higher in-plain shear and moment capacity compared to fiber reinforced polymer (FRP) [2]. In this research, the behavior of ferrocement masonry building incorporating steel-fiber reinforcement was assessed under dynamic load. Steel fiber and ferrocement increased stress capacity and reduced shrinkage, crack propagation, early fatigue mechanism, and failure under cyclic load. The main objective of this research is to simulate ferrocement shell in a high seismic zone and assess it with finite-element method (FEM). Structural damage zones, failure mechanism under static and seismic loads were designed by Sap 2000 software (Version 11.07). Numerical FEM analysis was based on fabricating steel-square meshes and ferrocement matrices as homogenized and isotropic laminates. The experimental result of this research in a full-scale building indicated 70% reduction in construction costs compared to conventional masonry building.

1 Introduction

Ferrocement composite materials include cement, fly ash, sand, wire mesh, skeletal steel [4, 20-22, 24]. Steel bar is considered a costly material for reinforcing concrete. Additionally, crack propagation along rebar is a crucial issue [6-7, 9]. However, ferrocement provides less expensive composite, reduces the number of rebars, develop fewer cracks on and within the concrete due to wire mesh and steel fibers [14, 8, 24, 26]. Ferrocement research begun by Lambot and offered a various residential and commercial applications for reinforced concrete in 1850. However, in almost hundred years, ferrocement research had little improvement until Nervi introduced thin-wall by using ferrocement in 1940 [11]. Ferrocement became popular because it was not only a cost-effective solution, but also provides better physical and mechanical properties for thin-wall, boat, and prefabricate-building panel [30-32]. In 1988, American Concrete Inistitute (ACI) Committee 549 report, “State-of-the-Art Report on Fiber Reinforced Concrete”, developed physical and mechanical, performance, applications, and research for ferrocement structures [13]. In 1989, ACI Committee provided a manual for ferrocement rehabilitation of existing constructions [23]. There is no standard developed for ferrocement buildings, but researchers modified ACI code and suggested ferrocement for low-rise building and limited its application to a two-story residential building [17].

تجزیه و تحلیل لرزه ای و طراحی ستون های دیوار برشی کامپوزیت بتن ورقه فولادی

Seismic analysis and design of steel-plate concrete composite shear wall piers

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب)

متغیرهای طراحی در این مطالعه عبارتند از: نسبت طول به عرض دیوار (AR)، نسبت آرماتور (RR)، نسبت باریکی صفحات فولادی (SR)، نسبت بار محوری (AL)، مقاومت بازدهی صفحات فولادی (SS) و مقاومت فشرده بتن (CS). نسبت آرماتور به عنوان نسبت سطح مقطعی صفحات فولادی به سطح مقطعی دیوار SC تعریف می­گردد. نسبت باریکی صفحات فولادی فاصله بین اتصالات بوده (ستون­های میله­ای) که بوسیله ضخامت صفحه فولادی تقسیم می­گردد. نسبت بار محوری همان نسبت نیروی فشرده محوری کاربردی و مساحت کلی دیوار است.

اطلاعات مربوط به آنالیز عنصر محدود و نتایج آنالیز واریانس (ANOVA) و مشتقات معادلات قابل پیش بینی در قسمت­های زیر ارائه می­گردد.

1. تحلیل عنصر محدود دیوارهای SC

هدف کلی کد عنصر محدود LS_DYNA جهت انجام مطالعه آماری استفاده گردید. مدل عددی تأیید شده ستون دیوار SC برای محاسبات واکنش چرخشی معکوس و سطح غیر ارتجاعی بطور خلاصه در زیر بیان شده است. اطلاعات جزئی در مورد عناصر محدود، اندازه توری و مطالعات همگرایی مربوطه و فرمول بندی اتخاذ شده را می­توان در (9،26) پیدا کرد. دو مشخصه مدل بدین صورت هستند: (a) استفاده از مدل ساختاری Winfrith بوده که انتقال نیروی برشی در شکاف­ها، باز و بسته کردن شکاف­ها، از بین رفتن مقاومت و سختی در مسیر موازی با شکاف­ها و فشار سفت کننده را نشان داده و (b) الگوریتم تماس جهت در نظر گرفتن اصطکاک بین بتن پر و صفحات فولادی را و جهت امتناع از نفوذ به بتن از طریق فولاد و بالعکس استفاده از رویکرد مبتنی بر مجازات را ممکن ساخته است.

مدل بتن Winfrith در LS-DYNA که توسط Broadhouse توسعه یافته برای بتن پر مورد استفاده قرار گرفت. در این سه سطح (پایین، متوسط و بالا) برای مقاومت بازده صفحات فولادی و مقاومت فشرده بتنی مورد استفاده قرار گرفت. مقاومت­های فشرده بتنی 27.5 MPa, 42 MPa, and 55 MPa جهت نشان  دادن مقادیر پایین، متوسط و بالای مقاومت فشرده استفاده شده­اند. ویژگی­های مادی برای ورودی مقاومت­های فشرده بتنی در مدل LS-DYNA در جدول 1 نشان داده شده است. مدول یانگ برای بتن با استفاده از معادله (19.2.2.1(b)) of ACI 318-14 [29]: محاسبه گردید. مقاومت کششی و انرژی ترک (شکستگی) بتن در هر بخش  2.1.3.3.1 و 2.1.3.3.2 (30) با توجه به اندازه کلی 19mm برای تمام درجه بندی­های بتن محاسبه گردید. عرض شکاف به عنوان  محاسبه گردید. مدل پلاستیسیته-خطی-تکه­ای در LS-DYNA برای صفحات فولادی و اتصالات استفاده گردید. صفحه فولادی ASTM  و  جهت نشان دادن مقادیر مقاومت بازده کم، متوسط و بالا مورد استفاده قرار گرفته است. شکل 1 روابط تنش به افزایش طول نسبی که برای فولادهای ASTM A36, A588, A852 فرض شده برای صفحات فولادی بکار می­روند. بازده اسمی و مقاومت نهایی ستون­ها و میله­ها 345 وMPa  450 فرض شده و برای تحلیل تغییر نمی­کند. ویژگی­های مادی ورودی برای LS-DYNA برای درجات مختلف فولاد رد جدول 2 ارائه شده است.

مطالعات در مقادیر گزارش برای ضریب اصطکاک بین فولاد و بتن بین 0.2 و 0.7 می­باشد. دومین مورد از این مطالعات مرتبط ترین بررسی به مطالعات گزارش شده در اینجا محسوب می­گردد. Rabbat و همکاران 15 بلوک بتنی بر صفحات فولادی را مانند ساختار بررسی شده دیوار SC مورد آزمایش قرار دادند. نتایج حاکی از آن بود که ضریب اصطکاک بین ورقه استیل صاف و بتن موجود بین 0.57 و 0.7 تغییر می­کند. ضریب اصطکاک بین صفحات فولادی و بتن پر به کمترین مقدار در محدوده (0.57) Rabbat و همکاران تعیین گردید. تأثیر اصطکاک بین صفحات فولادی و بتن پر در واکنش سراسری درون سطح ستون­های دیوار SC توسط نویسندگان نشان داده شد زیرا فشارهای نرمال بر سطح مشترک بسیار کم بود.

 فرمول سازی سطح به سطح اتوماتیک تماس در LS-DYNA بمنظور نمونه سازی اصطکاک بین بتن پر و صفحات فولادی مورد استفاده قرار گرفت. فرمول سازی GRANGE- در LS-DYNA جهت اتصال ستون­ها و میله­ها به عناصر بتنی پر استفاده گردید.

ستون­ها و میله­ها با استفاده از عناصر پرتو به شکل معینی ایجاد گردید. بتن پر و صفحات فولادی با استفاده از عناصر جامد 8 گره­ای 25.4 _ 25.4 _ 25.4 mm وعناصر پوسته 4 گره­ای بصورت نمونه شکل گرفتند. فرمول سازی فشار ثابت (ELFORM = 1 در LS-DYNA و Belytschko-Tsay بدنه ساختمان استفاده میشوند. مقطع برشی که عنصر پرتو را یکپارچه ساخته (Hughes-Liu beam in LS-DYNA [27]) برای اتصالات بکار می­رود. مدل­های LS-DYNA دیوارهای SC در شکل 2 نشان دادخ شده است.

طول و ضخامت دیوارها 1524mm و 304.8mm جهت مقایسه نتایج آزمایشی تنظیم شده­اند [8–10]. ارتفاع دیوارهای SC جهت دستیابی به نسبت طول به عرض مورد هدف در محدوده 0.3 تا 3 انتخاب می­گردند.

2. مطالعه پارامتری دیوارهای SC با استفاده از ANOVA

طراحی آزمایشات (DOE) (35) جهت کشف موثر و کارآمد تأثیر متغیرهای طراحی بر واکنش درون سطح ستون­ها دیوارهای SC و توسعه رابطه جابجایی نیروی جانبی سه خطی استفاده شده که آنالیز لرزه­ای ساختارهایی که چنین ستون­هایی را ترکیب کرده ممکن میسازد. شکل 3 نشان دهنده هندسی طراحی کارخانه­ای (فاکتوریل) د ویا سه سطحی به همراه طراحی کامپوزیت مرکزی سه فاکتور A، B و C است.

طراحی فاکتوریل دو سطحی (شکل3a) غالبا استفاده می­گردد زیرا نیازمند حداقل تعداد شبیه سازی­ها برای یک مشکل با متغیرهای طراحی بسیار می­باشد. (35). بهرحال یک طراحی فاکتوریل دو سطحی فرض می­کند که واکنش در محدوده متغیرهای طراحی در نظر گرفته شده در آنالیز خطی خطی هستند. این فرض ممکن است برای سیستم­ها با واکنش خطی قابل اجرا نباشد. در این مطالعه، یک طراحی فاکتوریل سه سطحی، شش فاکتوری و کسری جهت ایجاد ترکیبات مختلف متغیرهای طراحی استفاده گردید: ساخته شده توسط طراحی کامپوزیت اصلی صورت محور (شکل 3b) بوسیله نقاط مرکز و محوری صورت محور (در شکل  نشان داده شده3b) در طراحی فاکترویل کامل 6 فاکتور افزایش یافت. طراحی کامپوزیت مرکزی که از دو طراحی فاکترویل دو سطحی با  محوطه (حدود) تشکیل شده،  تعداد فاکتورها،  محوطه محوری،  محوطه مرکزی بوده و جهت ایجاد مدل­های سطحی واکنش مرتبه دوم بمنظور جلوگیری از انجام آزمایش فاکتوریل کامل سه سطحی استفاده می­گردد (شکل 3c). روش طراحی کامپوزیت مرکزی تأثیرات دوره مرتبه اول و دوم در واکنش (  ) را در نظر می­گیرد.

سه سطح (پایین، متوسط و بالا) برای هر متغیر طراحی در نظر گرفته شده است. سطوح پارامترهای طراحی استفاده شده در آنالیز عددی در جدول 3 نشان داده شده است. مقادیر موجود در پرانتزها مقادیر رمز گذاری شده در آنالیز را نشان می­دهند؛ سطوح پایین، متوسط و بالا فاکتورها با 1- و +1 مشخص شده­اند.

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].

تقویت پل های بتنی تقویت شده با استفاده از ترکیب های سیمان پلی اورتان (PUC)

Strengthening of a Reinforced Concrete Bridge with Polyurethanecement Composite (PUC)

چکیده
1- مقدمه
2- طراحی و تحلیل
2-1 توصیف پل
2-2 مشخصه مواد
2-3 تحلیل مقاومت
3- روند تقویت

چکیده
این مقاله یک ماده ی جدید، یعنی ترکیب های سیمان پلی اورتان ( PUC) را برای تقویت کردن یک پل تقویت شده ی 29 ساله با تیر های T شکر در هاربین چین را توصیف میکند.ترکیب های سیمان های پلی اورتان (PUC) با مواد خام پلی اورتان و سیمان ترکیب میشود. این تکنیک با ریختن ترکیب های سیمان پلی اروتان (PUC) در قالب، به دست می آید. ظرفیت تحمل نهایی این پل بعد از تقویت کردن، بر اساس نظریه ی ساختار بتن مورد بررسی قرار میگیرد. توانایی انعطافی این پل با تیر های T بتنی که با استفاده از ترکیب های سیمان پلی اورتان تقویت شده است (PUC) با استفاده از مقاومت انعطافی طراحی ترکیب های سیمان پلی اورتان ( PUC) کنتر میشود. مهم ترین روند ساختاری در این روش معرفی میشود که شامل فرآوری های سیمان سطحی، نصب کردن قاب جدید و ریختن سیمان ها میباشد. برای ارزیابی انعطاف روش های مقاومت، تست های بار قبل و بعد از تقویت انجام میشود. نتایج کرنش های بتنی و انحراف، نشان میدهد که ظرفیت پل تعمیر شده ، شامل مقاومت خمشی و میزان سفتی آن، بهبود پیدا کرده است. اندازه گیری های مرتبط با ترک ها ، نشان میدهد که این روش میتواند موجب افزایش تحمل پل شود. ازین رو، این تکنیک تقویت شده با استفاده از ترکیب های سیمان پلی اورتان (PUC) قابل اجرا میباشد و احتمال زیاد این روش موجب میشود که محدودیت های باری پل از بین برود.
1- مقدمه
اخیرا، بسیاری از قسمت های پشتیبانی ساختار های حمل و نقل، تحت تقویت ها و یا تعمیر های شدید برای تحمل بار گرفته اند که این موضوع به دلیل بار، سایش میله های فولادی و کهنه شدن بتن ها میشود. آخرین تحقیقات در این زمینه نشان میدهد که تقویت و هزینه های تعمیر برای پل ها، به خصوص آن هایی که در معرض محیط های نا مناسب قرار دارند، به صورت تدریجی در دهه های اخیر افزایش پیدا کرده است.
برای بهبود توانایی کاری پل های بتنی، تکنیک های بسیاری در تقویت این بتن ها مورد استفاده قرار گرفته است. رایج ترین روش ها برای تقوت تیر ها، استفاده از پلیمر های تقویت شده از جنس فیبر کربن (CFRP) ، صفحه های فولادی ، تقویت های پیش تنش و دیگر روش ها میباشد که این روش ها به صورت گسترده در حال حاضر مورد استفاده قرار میگیرد. مواد CFRP دارای عملکرد ساختاری مناسبی میباشند. اما، این مواد مشکلات خودشان را هم دارد. مهم ترین مشکل این مواد، هزینه ی بالای آن ها میباشد. صفحه های فولادی اتصالی نیز ضعف هایی دارند که به دلیل اتصال های ضعیف در اثر سایش فولاد، افزایش بار وزن مرده و مشکلات تطبیق با مشخصات سطحی بتن، ایجاد میشود. تمرکز تنش ممکن است در قسمت انتهایی تیر ها برای روش تقویت پیش تنش خارجی ایجاد شود که به صورت نامطلوب بر روی تیر ها تاثیر دارد.
معرفی مواد ساخت و ساز جدید مانند سیمان های پلی اورتان (PUC) در مهندسی عمران میتواند راه حمل پتانسیل برای این مشکلات باشد. PUC یک نوع از ترکیب مواد متشکل از مواد خام پلی اورتان است که با سیمان ترکیب میشود. پلی اورتان یک پلیمر با عملکرد بالای الاستیک است که در اصل مبتنی بر ترکیب های شیمیایی پلی ایزوسیانات و پلیول پلی استر میباشد. گستره ی سفتی PU از 10 تا 100 (IRHD) متغیر است و عملکرد جذب سایش، مقاومت نسبت به سایش، سفتی و چسبندگی خوبی دارد. PUC دارای فوایدی از جمله کیفیت سبک، مقاومت محسوس در فشردگی و خمش میباشد. PUC دارای ویژگی های اتصالی و چسبندگی بسیار خوبی با مواد بتنی میباشد و نیازی به ماده ی چسبنده ی اضافه برای تقویت تیر ها ندارد.
PUC به صورت موفق در تقویت شبکه های تیر های T شکل مورد استفاده قرار گرفته است و این موضوع در آزمایش های جامع نیز تایید شده است . Haleem گزارش داده است که 10 تیر را استفاده از PUC تحت شرایط باری مختلف تقویت شده است و نتایج نشان میدهد که ظرفیت تحمل این تیر ها به صورت محسوس افزایش پیدا کرده است .Nguyen گزارش داده است که شش ستون کوتاه تقویت شده با استفاده از پودر پلی اورتان ( PUFA) با ضخامت های مختلف تحت آزمایش قرار گرفته است و نتایج نشان داد که این ماده میتواند به صورت محسوس موجب بهبود ظرفیت تحمل بار و انعطاف ستون ها شود. در هر صورت، این پروژه های تحقیقاتی با مقیاس آزمایشی انجام شده و تحلیل ها نیز در همین سطح معتبر میباشد. اعمال کردن و به دست آوردن نتایج کاربردی در مهندسی امری ضروری میباشد.
این مطالعه مواد PUC استفاده شده برای تقویت یک پل با تیر های T شکل 29 ساله ، شامل طراحی، کاربرد های میدانی، تست و تحلیل میدانی را نشان میدهد.
.

Abstract

This paper describes a new material, polyurethane-cement composite (PUC), used to strengthen a 29-year-old reinforced T-beam bridge in Harbin, China. Polyurethane-cement composite (PUC) is mixed with polyurethane raw material and cement. This technique is completed by pouring Polyurethane-cement composite (PUC) into the template. Ultimate bearing capacity of the bridge after reinforcement was discussed based on the concrete structure theory. The flexural strength of reinforced concrete T-beam bridges strengthened with Polyurethane-cement composite (PUC) was controlled by the design flexural strength of Polyurethane-cement composite (PUC). The main construction process was introduced which included concrete surface treatment, installing template and pouring. To investigate the feasibility of the strengthening method, load tests were conducted before and after strengthening. The results of concrete strain and deflection show that the capacity of the repaired bridge, including the bending strength and stiffness, is enhanced. The crack width measurement also indicates that this technique could increase the durability of the bridge. Thus, this strengthened technique with polyurethane-cement composite (PUC) is feasible, the bridge load posting possibly is removed through this technique..

1- Introduction

Recently, many structural members supporting transport infrastructures have undergone serious strengthening or repair because of load, steel-bar corrosion and concrete aging [1]. The latest surveys showed that reinforcement and maintenance costs for bridges, especially those exposed to unfavourable environment, had gradually increased in the past few decades [2].

To improve the working ability of concrete bridges, many techniques have been used in strengthening. The most common methods for strengthening beams have been the use of Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP), steel plate bonding, external pre-stressing reinforcement and others, these methods are widely used at present [3]. CFRP materials have good structural performance, high strength and light weight. CFRP can be easily installed, as they can be attached to a curved profile. However, these materials have their own shortcomings. The major drawback of CFRP is the high cost [4]. Bonding steel plates have the disadvantages of weakened bonding caused by steel corrosion, increased dead load weight and difficulties in adapting to the concrete surface profile [5]. Stress concentration can be caused at the end zone of the beam for the external pre-stressing reinforcement method, which unfavourably influences the beam [6].

The introduction of new construction materials such as polyurethane-cement composite (PUC) to civil engineering can provide a potential solution. PUC is a kind of composite material composed of polyurethane raw materials mixed with cement [7]. Polyurethane (PU) is a high performance polymer elastic material mainly based on the chemical compounds of polyisocyanate and polyester polyol. The hardness range of PU is from 10 to 100 (IRHD), with good abrasion resistance performance, corrosion resistance, toughness and cohesiveness. PUC has the advantages of light quality, significant strength in compressive and blending [7, 8]. PUC has excellent bonding and adhesive properties with concrete materials, and it does not need additional adhesiveness for beam reinforcing [8].

PUC has been successfully used in strengthening T-beam girders, as proven through comprehensive laboratory tests. Haleem reported 10 beams strengthened with PUC under different load conditions, and the results showed that the bearing capacity of beams was greatly improved [9]. Nguyen reported six short columns strengthened with Polyurethane Fly Ash (PUFA) of different thicknesses, and the results showed that PUFA could significantly improve the bearing capacity and ductility of the columns [10]. Nevertheless, these research projects were performed with laboratory-scale tests and corresponding analyses. Applying and obtaining the application results in engineering are essential.

This study describes PUC as a material used to strengthen a 29-year-old reinforced T-beam bridge, including design, field application, field test and analysis..

تقویت پل های بتنی تقویت شده با استفاده از ترکیب های سیمان پلی اورتان (PUC)

Strengthening of a Reinforced Concrete Bridge with Polyurethanecement Composite (PUC)

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) (ترجمه به صورت ناقص انجام شده است)

در این مقاله، اثر پارامترهای ورودی مختلف مدل پلاستیسیته آسیب بتن (CDPM) با رفتار یکنواخت ستون های بتنی محصور FRP مورد مطالعه قرار گرفته است. در نتیجه یک CDPM اصلاح شده پیشنهاد شده تا پاسخ های تنش محوری – کرنش محوری یکنواخت ستون های بتنی محصور FRP و محصور فعال و همچنین انبساط جانبی بتن محصور FRP را پیش بینی کند. رویکرد اتخاذ شده به کالیبره کردن زاویه انبساط و قانون سخت شدگی/ نرم شدگی اتکا دارد که به ترتیب انبساط جانبی نظری مقاطع دایره ای محصور FRP و منحنی های تنش – کرنش بتن محصور فعال را پیش بینی می کنند. بر این اساس، حالت های جدیدی از زاویه انبساطی بتن محصور FRP در مقاطع دایره ای و ورودی قانون سخت شدگی / نرم شدگی بتن محصور فعال ایجاد شده است. حالت زاویه انبساط برای حالتی که مقاطع غیردایره ای از روش یو و همکاران [25] استفاده می کنند، عمومی سازی شده است. همچنین برای اطلاعات سخت شدگی فشاری منحنی هایی که در بتن محصور – فعال کالیبره شده اند به عنوان تابع مشخصات مصالح ورودی فشار محصور برای بتن محصور FRP مورد استفاده قرار گرفته است. دقت مدل پیشنهادی در برابر نتایج آزمایشگاهی 15 فیبر پلیمری تقویت شده کربن (CFRP) نمونه های بتنی با مقاطع عرضی متفاوت (دایره ای، مستطیلی، و مربعی) اعتبارسنجی شده و به صورت آزمایشگاهی به وسیله همان گروه تحقیقاتی [9] و همچنین در برابر دیگر نتایج آزمایشگاهی موجود در سوابق پژوهش مورد آزمایش قرار گرفته است.

3. مدل سازی FE
برنامه اجزا محدود آباکوس [23] کلی مورد نظر برای اجرای تمامی شبیه سازی ها مورد استفاده قرار گرفته است.

3.1 شرایط مرزی و تعاملات
یو و همکاران [25] گزارش کردند که ستون های محصور FRP با طولی دو برابر قطرشان، اثر محدود کننده های انتهایی بر روی رفتار در ناحیه میانی ارتفاع ستون قابل چشم پوشی است. بر این اساس، یو و همکاران [25] تنها مدل سازی بخشی را به جای مدل سازی کل نمونه و استفاده از شرایط مرزی محور تقارن را برای مدل سازی مقاطع دایره ای پیشنهاد کردند. در مطالعه حاضر، منحنی تنش محوری – کرنش محوری نمونه کامل که به صورت کامل FRP در اطراف آن قرار گرفته و با فرض انتهاهای گیردار در آباکوس شبیه سازی شده است، و با آن یک قطعه که دارای یک انتهای گیردار در برابر انتقال عمودی است مقایسه شده و مورد دوم برای اعمال بار برای جابجایی عمومی توصیف شده مورد استفاده قرار گرفته است. مقایسه میان دو مورد تفاوت های جزئی را نشان می دهد، بنابراین، برای بهینه سازی محاسبات، تنها قطعه ای از نمونه مدلسازی خواهد شد. همچنین، با توجه به شرایط مرزی متقارن مسئله، تنها یک چهارم مقطع عرضی مدلسازی شده و شرایط مرزی متقارن مطابق با شکل های 1a و 2 در نظر گرفته شده اند. برای نمونه هایی که به صورت نسبی بسته شده اند به صورت برابر FRP را توزیع کرده ایم، به این دلیل که ساده سازی قطعه نمی تواند مورد استفاده قرار گیرد، و به دلیل بهینه سازی محاسباتی، تنها نیمی از ارتفاع نمونه، با این فرض که شرایط مرزی متقارن مطابق با شکل 1b باشد، مدلسازی شده است.
محدودیت (قید) برای مدلسازی میان صفحات FRP و بتن مورد استفاده قرار گرفته، به گونه ای که گره ها در هر دو سمت گیردار شده اند تا به صورت مشابه جابجایی انجام شود. این فرض مطابق با نتیجه گیری ایسا و همکاران [15] است که اتصال میان بتن و FRP به صورت قابل توجهی بر روی رفتار محصور شدگی تاثیر نمی گذارد.

3.2 نوع مولفه و مش بندی
صفحه FRP به عنوان مولفه پوسته ای مدلسازی شده در حالیکه هسته بتنی به عنوان مولفه ای جامد و سخت مدلسازی شده است. 4 مولفه پوسته ای گره ای با ادغام کاهش یافته (S4R)، و 8 مولفه آجری گره ای با سه درجه آزادی انتقالی در هر گره (C3D8R) به ترتیب برای صفحات FRP و هسته بتنی مورد استفاده قرار گرفته اند.
مش ها به منظور جلوگیری از هر گونه ناپیوستگی در توزیع تنش¬ ها و کرنش ها در هسته بتنی و صفحه FRP تصحیح شده اند، و مطالعه همگرایی مش ها برای تعیین اندازه بهینه مش ها انجام شده که حلی دقیق را همراه با زمان تحلیل نسبتاً کوتاه فراهم می آورد.
3.3 مشخصات مواد
3.3.1 صفحات FRP
تحت بارگذاری کششی، صفحات FRP رفتار الاستیک خطی را پیش از گسیختگی ترد در تنشی برابر با تنش گسیختگی نهایی از خود نشان می دهند. مشخصات صفحات FRP با استفاده از نوع مصالح «LAMINA» مشخص شده که در آن مدول الاستیسیته E1 در مسیر حلقه مطابق با مقدار فراهم آمده توسط تولید کننده تعیین شده است، در حالیکه به مقادیر ناچیزی اختصاص داده شده است، و نسبت پواسون v برابر با صفر در نظر گرفته شده است.

3.3.2.1 رفتار کششی. با استفاده از CDPM، اطلاعات سختی کششی و آسیب کششی این امکان را فراهم می کنند تا رفتار کششی بتن را توضیح دهیم. با توجه به اینکه نمونه های بتنی صفحه ای مدل سازی شده اند، سختی کششی با استفاده از سختی کششی بتن ، نوع = GFI با مقاومت کششی غیرمحوری برابر با 0.1fc مشخص شده است. آسیب کششی صفر فرض شده به این دلیل که تنها بارگذاری یکنواخت در نظر گرفته شده است. توجه گردد که انتهاب مشخصات کششی بتن دارای اثر قابل توجهی بر روی رفتار ستون های بتنی محصور FRP نداشته، به این معنی که این ستون ها در معرض فشار سه محوری قرار دارند.

3.3.2.2 رفتار فشاری. رفتار فشاری غیرخطی بتن به سخت شدگی فشاری و آسیب فشاری تقسیم شده است.
به صورت گسترده در سوابق پژوهشی گزارش شده است که قانون سخت شدگی / نرم شدگی فشاری یکی از مهمترین پارامترهایی است که رفتار بتن محصور را در زمان مدلسازی با استفاده از نرم افزار آباکوس کنترل می کند [11، 14،25،36]. مدل پیشنهادی از سوی پرووکیز [37] که بعدها توسط مندر و همکاران [38] به منظور توصیف منحنی تنش – کرنش غیرمحوری بتن مورد استفاده قرار گرفت در اولین گام برای تعریف اطلاعات سخت شدگی فشاری بتن و همچنین برای اجرای تحقیقات پارامتری پارامترهای CDPM خاص کاربرد دارد. با این حال، بعداً برای نمونه های محصور شده نشان داده خواهد شد که قانون سخت شدگی / نرم شدگی متفاوتی از موردی که در نمونه های محصور نشده به کار رفته باید مورد استفاده قرار گیرد. توجه گردد که تائو و همکاران که ستون های کوتاه فولادی پر شده با بتن را تحت بارگذاری یکنواخت مدلسازی کردند همچنین یک تحقیق پارامتری را انجام دادند که به ارزیابی اثرات پارامترهای ورودی مختلف CDPM بر روی پاسخ تنش – کرنش محوری ستون ها می پرداخت.
با این حال، اثر ورودی قانون سخت شدگی / نرم شدگی بر روی کرنش جانبی بتن محصور FRP در نمونه های دایره ای باید پیش از انتخاب ورودی قانون سخت شدگی / نرم شدگی برای اجرای تحلیل حساسیت مورد ارزیابی قرار گیرد. بنابراین، دو نمونه دایره ای مشابه با سطح محصور شدگی مشابه مدلسازی شدند. برای یکی از این نمونه ها، ورودی قانون سخت شدگی / نرم شدگی که پیشتر تعریف شده بود و برای مورد بعدی مدل پاپوکیز [37] مورد استفاده قرار گرفته تا اطلاعات ورودی قانون سخت شدگی / نرم شدگی را پیش از تنش حداکثری تعریف نماید در حالیکه رفتاری کاملاً پلاستیک پس از حداکثر تنش فرض شده است.

مبتدی (مناسب برای درک مفهوم کلی مطلب) (ترجمه به صورت ناقص انجام شده است)

2.2. مدل رطوبت برای بتن داخلی
آب در داخل منافذ بتن به عنوان هر دو هم مایع و هم بخار،دارای منافذ ریز و مركب بطری با RH بالاتر وجود دارد. به طور کلی، آب مایع هنوز هم در منافذ ریز در شرایط پایینRHوجود دارد. بر اساس فرمول کلوین نشان داده شده در معادله (13)، حداکثر شعاع منافذ می‌تواند در شرایط مختلف RHبه شرح زیر محاسبه شود: که در آن R_eثابت گاز ایده آل در J/(mol K)است، γکشش سطحی آب مایع در N/m، ρ_1 چگالی آب مایع در kg/m^3 است و M_wجرم مولی آب در kg/molاست.
همانطور که در معادله (13) نشان داده شده است، شعاع اشباع منافذ باRHدر بتن متفاوت است. برای حفظ یک حالت تعادل، آب مایع و بخار آب می‌توانند از طریق تبخیر و تراکم مبادله شوند. اگر چه گرادیان دما، تنها تاثیر کمی در تغییر رطوبت در بتن دارد، در اکثر موارد، آب مایع در حفره توسط محاسبات نظری پیش بینی شده در معادله (13) وجود دارد. در نتیجه، آب مایع در حفره به بخار آب یا به حفظ حالت تعادل کمی متغیر یا ثابت در کوتاه مدتتبدیل خواهد شد. علاوه بر این، تخلخل کم و منافذ بسته‌ی بتن ساختار با نفوذپذیری بسیار عالی ارائه می‌دهد.

تنوع رطوبت در محیط خارجی و داخلی بتن
3.1. فرایندهای تجربی
در این مطالعه، سیمان 42.5 درجه پرتلند معمولی، بنابر استانداردهای چینی، با 0.48% Na_2 Oو 7.08% C_2 Aمورد استفاده قرار گرفت. علاوه بر این، کلاسIخاكستر بادی و کلاس S95خاکستر به عنوان مواد افزودنی شامل شدند. ذرات درشت در سراسر این کار شامل ماسه کوارتز سنگ آهک اعم از 5 میلی متر تا 20 میلی متر در قطر، یک عامل کاهنده آب از سری پلی، شن و ماسه رودخانه‌های محلی با مدول نرمی 2.9 و ضربه آب مورد استفاده قرار گرفت. نسبت اختلاط بتن برای این آزمایش سیمان بود: خاکستر: خاكستر بادی: شن و ماسه: شن: آب: کاهنده آب= 375: 85: 35: 720: 1085: 152: 5 در هر متر مکعب و مقاومت فشاری اندازه گیری 53 مگاپاسکال در 28 روز بود.
مکعب بتن استاندارد (150 میلی متر×150 میلی متر×150 میلی متر) ریخته شد. پس از یک عمل‌آوری استاندارد 28 روزه، نمونه استوانه‌ای، 100 میلیمتر در قطر×150 میلی متر در ارتفاع، از مکعب بتن استاندارد کشیده شد. سوراخ 10 میلی متر قطر در نمونه استوانه‌ای با عمق از سطح بتن از 5 میلی متر، 15 میلی متر و 35 میلی متر حفر شد. سنسور دما-رطوبت در سوراخ تعبیه شده و با همان درجه از بتنبسته شده است. در نهایت، کل نمونه در یک فلاسک Dewarبا همان درجه از بتن ساخته شد. تصویر شماتیک از نمونه بتن مورد استفاده برای تست رطوبت در شکل 1 نشان داده شده است.
قبل از اندازه گیری، نمونه‌ها در محیط برای زمان کافی در رسیدن به یک حالت تعادل قرار داده شدند. نمونه پس از آن در روی صفحه نمایش دماسنج 1.5 متر از زمین قرار داده شد، و رطوبت و درجه حرارت در بتن داخلی در زمان واقعی ثبت شد. علاوه بر این، RH و دمای محیط تحت نظر قرار گرفتند.

3.2. تنوع رطوبت در محیط خارجی
تغییرات درجه حرارت وRH در محیط خارجی هر نیم ساعت توسط سنسور دما-رطوبت اندازه گیری شد، و ارزش WVDتوسط معادله (5)با استفاده از داده‌های اندازه گیری محاسبه شد. شکل 2 تغییراتRHو WVDدر محیط خارجی طبیعی را نشان می‌دهد. همانطور که در شکل 2 مشاهده می‌شود، نتایج اندازه‌گیری نشان می دهد که RHدر روزهای آفتابی نوسانات دوره‌ای ناشی از چرخه روزانه را نمایش می‌دهد. حداکثر دامنه نوسان RHحدود 35٪ با تنوع 10 درجه سانتی گراد است. بیش از یک روز تمام، در حالی که WVDتنها نوسانات جزئی را نشان می‌دهد(شکل a2). در روزهای بارانی، RHدر محدوده 95-85 ٪متفاوت است، نوسان نامنظم در کل روز. با این حال، WVDکمی در ابتدا افزایش و پس از آن کاهش می‌یابد، زمین مسطح به یک مقدار ثابت (شکل b2). RHمقدار نسبی است، که شامل اثر جفت بارش و دما، و ظهور تصادفی و عدم قطعیت می‌شود. WVDمطلق، مقدار مستقل از دما است و در نتیجه نظم کامل در روزهای بارانی را ارائه می‌دهد. این یافته نشان می‌دهد که نوسانRHبا درجه حرارت و آب و هواست اما WVDبا توجه به تغییرات دما است. شکل 2 همچنین نشان می‌دهد که منحنی‌های پیش بینی RH به خوبی با داده‌های اندازه‌گیری شده موافق است، که عقلانیت مدل RHارائه شده در این مطالعه را تایید می‌كند.

به همین دلیل، ما از داده های هواشناسی ارائه شده توسط یک ایستگاه هواشناسی محلی به منظور بررسی تنوعRHو WVDدر فصول مختلف استفاده كردیم. شکل 3 تغییرات درجه حرارت، RHو WVDدر ماه ژانویه (زمستان) و ماه اوت (تابستان) را نشان می‌دهد. همانطور که در بالا ذکر شد، RHحساسیت بیشتری نسبت به نوسانات در چرخه روزانه‌ای است كهWVDاست. محدوده نوسان RHدر ماه ژانویه و اوت حدود 30- 90٪و 40-90٪ بود، نشان می‌دهد که RHبا تغییر در فصل کمی تغییر می‌كند. بر خلاف RH، WVDبطور قابل ملاحظه بین زمستان (حدود 3.5±1 g/m^3) و تابستان (حدود 20±2 g/m^3) متفاوت است. تغییر ناچیزWVDدر جو را ممکن است به تعادل بین تبخیر، میعان و انتقال در میان زمین، جو و لایه ابر بالایی نسبت داد.
نتایج تجربی در شکل 2 و 3 نشان داده شده استو که RHمقدار نسبی در ارتباط با درجه حرارت را نشان می‌دهد؛ آناست که، آن حساس به دماست اما نه متغیر در فصل. بنابراین، WVDبر اساس RHممکن است راحت‌تر و دقیق‌تر برای تشخیص رطوبت در محاسبات مدل کمی و شبیه سازی آزمایشگاهی برای تحقیقات ساختار دوام بتن باشد.

3.3. تنوع رطوبت در بتن داخلی
شکل 4 تغییرات RH و WVDدر محیط خارجی طبیعی و در عمق 35 میلی متر در نمونه آزمون را نشان می‌دهد. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، تغییرات رطوبت در بتن داخلی متفاوت از محیط طبیعی است. در شکل 4 و 5، تغییرات درجه حرارت و رطوبت نسبی توسط سنسور دما-رطوبت اندازه گیری شد وWVDمحاسبه شده با معادله (5) در داده های اندازه گیری شده مبنا قرار داده شده بود. WVDنوسان دوره ای در محدوده g/m^326-44 ، در حالی است کهRHدر بتن داخلی نسبتا پایدار است و به سمت یک مقدار ثابت (حدود 94٪) تمایل دارد. از آنجا که از نفوذپذیری کم بتن، انتقال رطوبت بسیار به آرامی بین محیط خارجی و داخلی بتن می باشد. در مقایسه با صحبت، رطوبت در داخل بتن داخلی با تغییر دما و رطوبت شیب بین محیط خارجی و داخلی بتن متفاوت است. زیراآب مایع در فضاهای مركب بطری بتن داخلی و تبادل رطوبت کم، یک حالت خود تعادل پویا بین آب مایع و بخار آب ممکن است كه در بتن داخلی تحقق می‌یابد. بنابراین، رطوبت در فضاهای مركب بطری داخل بتن داخلی ممکن است آزاد به عنوان آب تغلیظ شده از طریق تبخیر و میعان در طول زمان توزیع شود. بنابراین، WVDدر منافذ بتن تابعی از درجه حرارت است و ممکن است با گذشت زمان در نوسان باشد. اطلاعات موجود در شکل 4 نشان می‌دهد که منحنی‌های نظریRHخوب با داده های تجربی هستند، که نشان می‌دهد مدلRHاستفاده شده در این مطالعه پیش بینی خوبیRHدر داخل بتن داخلی می باشد.

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%)