مطالعات و بررسی های عددی و پارامتری بر روی ساختارهای کامپوزیتی بتن الاستیک – فولاد
چکیده
این مقاله مروری بر روی پیشرفت ساختارهای کامپوزیتی بتن الاستیک- فولاد (SECC) ارائه می دهد. 16 آزمون بیرون کشیدن (push-out) و شش آزمون اندازه گیری تیر از نظر مقاومت ارائه شده بودند تا رفتار استحکام نهاییِ ساختار SECC را از سطح جزء تا سطح ساختار نشان دهند. مدل های سه بعدی المان محدود (FEMها) توسعه داده شده اند تا رفتار استحکام نهاییِ ساختارهای SECC شبیه سازی شوند. FEMهای توسعه یافته ویژگی های مکانیکیِ غیر- خطیِ فولادها و بتن الاستیکی درونِ ساختار، غیرخطی های هندسی، و تعاملات پیچیده بین ستون های سردار (نوک دار)، تیر I، و قطعات بتنی را در نظر گرفتند. اعتبارسنجی های گسترده ی تحلیل های عددی در مورد شش آزمون اندازه گیری تیر از نظر استحکام و آزمون بیرون کشیدن که گزارش شده اند اثبات کرده اند مدل های FEM توسعه یافته شبیه سازی های منطقی و معقولی را در خصوص رفتار استحکام نهاییِ ساختار SECC از سطح جزء تا سطح ساختار از لحاظ مقاومت نهایی، رفتارهای بار- لغزش (یا تغییرشکل)، و مودهای شکست ارائه کرده اند. یک بررسی پارامتری پس از آن برای بررسیِ اثرات محتوای لاستیک (رزین) در بتن الاستیک و استحکامِ تیر I بر روی رفتار استحکام نهاییِ تیرهای SECC انجام شد. درنهایت، روش های تجزیه و تحلیل گام به گام المان محدود (FE) بر روی ساختارهای SECC بر اساس این بررسی ها و اعتبارسنجی های عددی توصیه و پیشنهاد شدند.
1. مقدمه
بتن الاستیک، یعنی بتنی با افزودنِ لاستیک تایر، بهبودهای را در مقاومت ترک خوردگی و خستگی آن نشان می دهد. ذرات رزین افزوده شده در بتن الاستیک معمولاً از لاستیک زباله ی خردشده (برای مثال، تایرهای اتومبیل) بازیافت می شوند که می توانند آلودگی محیطی را کاهش داده، منجر به ساختمان های سبز شده، و انتشار دی اکسید کربن را کاهش می دهند. بتن الاستیکی در ابتدا برای مسیرهای پیاده رو در سال 1990 توسعه داده شد. تحقیقات آزمایشیِ انجام شده توسط ادلین (Eldin) و سنوچی (Senouci) نشان دادند که بتن با خرده های تایرو لاستیک خردشده نسبت به بتنِ بدون لاستیک، استحکام کمتر اما رفتار نرم تری (قابل انبساط تری) را تحت فشار نشان می دهد. کارهای مداومِ انجام شده توسط تاپکو (Topcu) و توتانجی(Toutanji) نیز اثبات کردند که بتن الاستیک با لاستیک تایر میزان سختی (چقرمگی) آن را بهبود می بخشد. آزمون های بیشتر نیز نشان دادند که بتن الاستیک حاوی لاستیک های خردشده کاهش هایی را در استحکام کششی خمشی نشان داده اما کشش شکست را افزایش می دهد. آزمون های خمش سه نقطه ای تحت بارگذاری خستگی توسط فنگ (F eng) و همکاران اثبات کرد که مقاومت خستگی بتن الاستیک به میزان قابل توجهی بهبود یافت. از جمله بهبود چقرمگیِ شکست، تغییرشکل پذیری و مقاومت خستگی، بتن الاستیک مزیت هایی را در خصوص رفتارهای بهتر صوتی، مقاومت فرسودگی و سایش نسبت به بتن معمولی با وزن طبیعی نیز نشان داد. این نوع ماده ی نسبتاً جدید به طور گسترده به عنوان سنگ فرش های جاده ها و پل ها، توقفگاه های بدون سقف (پارکینگ ها)، و محوطه های ورزشی استفاده شده است. اخیراً، این ماده در ساختارهای کامپوزیتیِ بتن- فولاد، یعنی ساختارهایکامپوزیتی بتن الاستیک- فولاد (SECC) استفاده شده است.
abstract
This paper provided an overview on the developments of the steel-elastic concrete composite (SECC) structures. 16 push-out tests and six beam tests were reported to demonstrate the ultimate strength behaviour of the SECC structure from the component level to the structure level. Three-dimensional finite element models (FEMs) have been developed to simulate the ultimate strength behaviour of the SECC structures. The developed FEMs considered the nonlinear mechanical properties of the elastic concrete and steels in the structure, geometric nonlinearities, and complex interactions among the headed studs, I-beam, and concrete slabs. Extensive validations of the numerical analyses against the reported 16 push-out tests and six beam tests proved that the developed FEMs offered reasonable simulations on the ultimate strength behaviour of the SECC structure from component level to the structural level in terms of ultimate resistances, load-slip (or deflection) behaviours, and failure modes. A subsequent parametric study was carried out to investigate the influences of the rubber content in the elastic concrete and strength of the I-beam on the ultimate strength behaviour of the SECC beams. Finally, step-by-step FE analysis procedures on the SECC structures were recommended based on these numerical studies and validations.
1. Introduction
Elastic concrete, i.e., concrete with addition of tire rubber, exhibits improvements on its crack and fatigue resistance. The added rubber particles in elastic concrete were usually recycled from the crushed waste rubber (e.g., automobile tires) that could reduce the environmental pollution, result in green constructions, and reduce carbon dioxide emission. The elastic concrete was initially developed for the road pavement in 1990s [1]. Pilot research by Eldin and Senouci [2] showed that the concrete with tire chips and crumb rubber exhibited lower strength but more ductile behaviour under compression than that of concrete without rubber. Continued works by Topcu and Toutanji [3,4] also proved that the elastic concrete with tire rubber improved its toughness [3,4]. Further tests [5,6] also showed that elastic concrete with crushed rubbers exhibited reductions in the flexural tensile strength, but increased its fracture strain. The three-point bending tests under fatigue loading by Feng et al. [7] proved that the fatigue resistance of the elastic concrete was significantly improved. Including the improved fracture toughness, deformability and fatigue resistance, the elastic concrete also exhibits advantages of superior acoustical behaviours, aging and wearing resistance over conventional normal weight concrete. This type of relative new material has been extensively used as the pavements for roads and bridges, parking lots, and sport court. More recently, it has been used in the steel-concrete composite structures, i.e., steelelastic concrete composite (SECC) structures.
چکیده
1. مقدمه
2. مطالعات آزمایشگاهی بر روی ساختار کامپوزیت بتن الاستیک- فولاد
2.1. مواد
2.2 آزمون های بیرون کشیدن
2.3 تیرهای کامپوزیتیِ بتن الاستیک- فولاد تحت بارگذاری دو نقطه ای
3. مدلسازی المان محدود
3.1. کلیات
3.2. مدل سازی بتن الاستیک
3.3. مدل سازیِ تیرهای Iشکل فولادی، ستون ها، و تقویت کننده ها
3.4. هندسه، انواع المان ها، و اندازه مش در مدل المان محدود
3.5 بارگذاری ها و برهمکنش های فولاد- بتن
4 اعتبارسنجیِ مدل المان محدود
4.1. اعتبارسنجی های مدل المان محدود در برابر آزمون های بیرون کشیدن
4.2 اعتبارسنجی های مدل المان محدود در برابر آزمون های اندازه گیری مقاومت تیرِ کامپوزیتیِ بتن الاستیک- فولاد
4.3. بررسی پارامتری
5. روش های پیشنهادیِ تجزیه و تحلیل المان محدود برای ساختارهای SECC
6. نتیجه گیری
abstract
1. Introduction
2. Experimental studies on the steel-elastic concrete composite structure
2.1. Materials
2.2. Push-out tests [31]
2.3. Steel-elastic concrete composite beams under two-point loading
3. Finite element modelling
3.1. General
3.2. Modelling of elastic concrete
3.3. Modelling of steel I-beams, studs, and reinforcements
3.4. Geometry, element types, and mesh size in finite element model
3.5. Loadings and steel-concrete interactions
4. Validations of the finite element model
4.1. Validations of the FE model against push-out tests
4.2. Validations of the FE model against steel-elastic concrete composite beam tests
4.3. Parametric study
5. Recommended finite element analysis procedures for SECC structures
6. Conclusions
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت ورد (word) با قابلیت ویرایش، بدون آرم سایت ای ترجمه
- ترجمه فارسی مقاله با فرمت pdf، بدون آرم سایت ای ترجمه