عنوان : بهسازی لرزه ای پایه پل های بتن آرمه با FRP

دانشگاه محقق اردبیلی

دانشکده­ی فنی و مهندسی

گروه آموزشی عمران

پایان­نامه برای دریافت درجه­ی کارشناسی ارشد

در رشته­:مهندسی عمران گرایش سازه

عنوان:

بهسازی لرزه ای پایه پل های بتن آرمه با FRP

استاد راهنما:

دکترهوشیار ایمانی

استاد مشاور:

دکترملک محمدرنجبر

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
فهرست مطالب:
فصل اول: کلیات
1-1- مقدمه …………………………………………………………………………………..2
1-2- اظهار مسئله ……………………………………………………………………………3
1-3- پیشینه پژوهش ………………………………………………………………………..3
1-4- ضرورت، اهمّیت و هدف پژوهش ………………………………………………………8
1-5- ساختار پژوهش ……………………………………………………………………….9
فصل دوم: آشنایی با مصالح کامپوزیتی FRP
2-1- معرفی ورق های FRP ………………………………………………………………
2-1-1- مقدمه………………………………………………………………………………12
2-1-2- انواع ورق های کامپوزیت FRP ………………………………………………..
2-1-3- رزین های تشکیل دهندهFRP ………………………………………………..
2-1-4- انواع فیبرهای تشکیل دهنده FRP …………………………………………..
2-1-5- خصوصیات الیاف………………………………………………………………..13
2-1-6- ویژگی های مکانیکی کامپوزیت های FRP …………………………………
2-1-7- مقایسه عملکرد انواع کامپوزیت های FRP در مقاوم سازی سازه ها…… 15
2-1-8- ضریب ایمنی …………………………………………………………………… 16
2-1-9- روش های مقاوم سازی ……………………………………………………..16
2-1-10- ملاحظات اجرایی ……………………………………………………………..19
2-1-11- اصلاح شکل مقطع …………………………………………………………….20
2-1-12- ضوابط طراحی و بهسازی ستون ها با FRP ………………………………..
فصل سوم: روش های مدل سازی و تحلیل لرزه ای پل ها
3-1- مقدمه ………………………………………………………………………………29
3-2- روش بدست آوردن تغییر مکان هدف در FEMA-356 ………………………..
3-3- روش بدست آوردن جابجایی تقاضا در ATC-40 ……………………………..
3-3-1- روش طیف ظرفیت برای بدست آوردن نقطه عملکرد سازه بر اساس آیین نامه ی ATC-40
3-4- رفتار اعضای سازه ………………………………………………………………..50
3-5- مقاومت مصالح ……………………………………………………………………51
3-5-1- روش بدست آوردن کرانه ی پایین مقاومت مصالح و مقاومت مورد انتظار مصالح در طراحی..52
3-6- ضریب آگاهی …………………………………………………………………….54
3-7- کاربرد ضریب آگاهی در بهسازی و طراحی بر اساس عملکرد………………..56
3-8- معیارهای پذیرش برای روش های غیر خطی …………………………………56
3-9- معیارهای پذیرش برای سازه های بتن آرمه بر اساس دستورالعمل بهسازی و FEMA-356…….
3-9-1- مقاومت مورد انتظار در اعضای بتن مسلح بر اساس FEMA-356………..
3-9-2- مقاومت مورد انتظار در اعضای بتن مسلح بر اساس دستورالعمل بهسازی….58
فصل چهارم: معرفی سازه مورد مطالعه و تحلیل آن
4-1- مقدمه ……………………………………………………………………………64
4-2- معرفی سازه مورد مطالعه ……………………………………………………..64
4-2-1- مشخصات مصالح و پل مورد مطالعه ……………………………………….64
4-3- بارگذاری ………………………………………………………………………….70
4-3-1- بار زنده ………………………………………………………………………….70
4-3-2- اثر جریان آب ……………………………………………………………………72
4-3-3- فشار جانبی خاک ……………………………………………………………..72
4-3-4- اثر باد ……………………………………………………………………………72
4-3-5- اهداف عملکردی …………………………………………………………….73
4-3-6- بارهای جانبی …………………………………………………………………75
4-3-7- اثر P-∆  ………………………………………………………………………
4-4- روش تحلیل دینامیکی پل ها ………………………………………………..81
4-4-1- روش تحلیل دینامیکی طیفی (با بهره گیری از تحلیل مدها)………………82
4-4-2- روش تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی ……………………………………84
فصل پنجم: واکاوی مدل و مطالعه نتایج
5-1- مقدمه …………………………………………………………………………..93
5-2- مدل سازی در نرم افزار اجزای محدود ABAQUS…………………………….
5-2-1- مدل سازی بتن در نرم افزار ABAQUS ……………………………………
5-2-2- مدل سازی FRP در ABAQUS …………………………………………….
5-2-3- مدل سازی آرماتور در ABAQUS ………………………………………….
5-3- ارزیابی صحت مدل تحلیلی ………………………………………………….100
5-4- تحلیل دینامیکی غیر خطی …………………………………………………..102
5-4-1- اثر CFRP بر جابجایی و برش پایه ………………………………………..102
5-4-2- نمودارهای تاریخچه زمانی جابجایی پایه ها ……………………………108
5-4-3- اثر CFRP بر انرژی ………………………………………………………………138
5-5-  نتایج حاصل از اثر باد بر روی پل ها …………………………………………..155
فصل ششم: جمع بندی و نتیجه گیری
6-1- کلیات …………………………………………………………………………157
6-2- اختصار پژوهش و نتیجه گیری ……………………………………………..157
6-3- پیشنهادات برای تحقیقات آینده ……………………………………………158
مراجع …………………………………………………………………………………159
چکیده:
امروزه بسیاری از سازه های بتن آرمه که در حال بهره برداری هستند، عمری بیش از 75 سال دارند و به دلیل حوادث طبیعی از قبیل زلزله و باد و یا بر اثر خستگی مصالح و یا عوامل خورنده آسیب دیده اند. نگهداری از سازه ها به دلیل هزینه ساخت و تعمیر بسیار مهم می باشد. با مطالعه رفتار سازه های بتنی مشخص می گردد عوامل متعددی مانند: اشتباهات طراحی و محاسبه، عدم اجرای مناسب، تغییر کاربری سازه ها از دوام آنها می کاهد ضمنا تغییر آیین نامه های ساختمانی ) باعث تغییر در بارگذاری و ضرایب اطمینان می گردد) نیز سبب ارزیابی و بازنگری مجدد طرح و سازه می گردد تا در صورت لزوم بهسازی و تقویت گردد.
روش های متنوعی برای تعمیر و تقویت سازه های بتن آرمه بهره گیری می گردد. از آن جمله می توان تقویت با پوشش فلزی و بتنی را نام برد، که در مقایسه، پوشش فولاد نسبت به بتن از نظر وزن مزیت دارد اما فولاد نیز دارای نقصان های متعددی مانند هزینه سنگین و سختی در اجرا و همچنین آسیب پذیری در محیط های خورنده می باشد. ماده جدید FRP سال هاست که به سبب ویژگی های منحصر به فرد مانند تقویت و مقاوم سازی سازه های موجود در موردها خمشی و برشی و دور گیری و مقاومت بالا در برابر خوردگی و . . . در مقاوم سازی و بهسازی سازه ها به کار می طریقه.
ستون های بتن مسلح، اعضای اصلی مقاوم در برابر بارهای افقی و قائم در سازه های بتنی به شمار می آید پس مقاوم کردن ستون ها در برابر نیروهای زلزله می تواند تأثیر مهمی را در مقاوم سازی کل سازه اعمال کند. در نتیجه بهره گیری از کامپوزیت های  FRPجهت مقاوم سازی ستون های بتنی مسلح در دنیا گسترش یافته می باشد و مطالعه در این زمینه از طرف محققین زیادی انجام می شود.
 در این پژوهش یک پل با ابعاد واقعی انتخاب و قاب های آن با نرم افزار اجزای محدود ABAQUS تحت بارهای ثقلی، باد، آب و زلزله قرار گرفته و با سه شتاب نگاشت زلزله، منجیل، Northridge و Chi Chi تایوان، تحت تحلیل استاتیکی ودینامیکی غیر خطی قرار گرفته و با چسباندن لایه های CFRP بر حسب نیاز هر پایه، تغییر در اندازه حداکثرجابجایی، اندازه برش و اتلاف انرژی پایه آنها  مطالعه شده  و اختلاف در نتایج دو روش استاتیکی و دینامیکی محاسبه شده می باشد.
فصل اول: کلیات
1-1- مقدمه
 زمین لرزه پدیده ای طبیعی و غیر قابل اجتناب می باشد که خود به خود سبب تلفات جانی و مالی نمی باشد، بلکه در کنش حرکات زمین با محیط های ساخته ی دست بشر می باشد که عدم توانایی در مقاومت ساخته ها باعث خسارت جدی می گردد. در پی زمین لرزه ها علاوه بر تلفات جانی، ثروت ملی نیز به هدر رفته و بار مالی زیادی بر اقتصاد کشورها به وجودمی آید که این امر در مورد کشور هایی با اقتصاد زودشکن اثرات جدی و دراز مدت به جا می گذارد (ناطق الهی،1390).
کشور ایران از نظر لرزه خیزی در یکی از فعال ترین مناطق جهان قرار گرفته می باشد. در سالهای اخیر به گونه متوسط در هر پنج سال یک زمین لرزه شدید در نقطه ای ازکشور اتفاق افتاده که باعث خسارات جانی و مالی بسیاری شده می باشد (حمره، 1387)، پل ها به عنوان سازه های استراتژیک ومهم و به واسطه آن که یکی از عناصر مهم در شریان های حیاتی هستند، بایستی به گونه ای طراحی شوند که در مدت زلزله و بعد از آن هم بتواند عملکرد خود را داشته باشد، عدم تخریب پل و خارج نشدن از بهره برداری پس ازیک زمین لرزه شدید ازبسیاری تلفات جانی و اقتصادی پس از حادثه خواهد کاست (زارع برزشی، 1391).
در چند دهه گذشته بموازات توسعه راه های کشور حجم قابل توجهی از بودجه های مربوطه جهت پل ها اختصاص یافته می باشد. متاسفانه علی رغم پیشرفت های فن آوری در مهندسی مواد هنوز این سازه ها با گذشت زمان به علت های  مختلف مانند شرایط محیطی نامناسب و ترافیک سنگین و حوادث طبیعی دچار خرابی های متعددی می شوند. این خرابی ها در صورت عدم در نظر داشتن موقع علاوه بر کاهش سطح بهره برداری و عمر مفید سازه هزینه های تعمیر و نگهداری را شدیدا افزایش خواهد داد. که اهمیت بکارگیری روشهای منطقی  و سینماتیک در مدیریت نگهداری پل ها به مقصود حفظ ایمنی بهره گیری کنندگان از پل و جلوگیری از هدر رفتن سرمایه های کشور را نمایان می سازد (رهگذر،1387). پس دست یابی به روش یا روش هایی جهت بهسازی لرزه ای پل هایی که در برابر زلزله به اندازه کافی مقاوم نیستند می تواند بسیار مهم باشد (مرادی، 1390).
برای بهسازی، روش های مختلفی مانند مرمت موضعی، بهره گیری از پوشش بتنی، بهره گیری از پوشش فولادی و غیره تحت عنوان “ روش های کلاسیک ” هست. یکی از روش های نوینی که در سال های اخیر مورد توجه صنعتگران قرار گرفته می باشد، مقاوم سازی یا بهسازی ساختمان های موجود با بهره گیری از کامپوزیت ها می باشد. در این زمینه تحقیقات زیادی صورت گرفته و آیین نامه هایی مقدماتی نیز برای بهره گیری از آنها تهیه شده می باشد (ناطق الهی، 1385). این مواد به دلیل داشتن مقاومت کششی بالا، ابزار مناسبی جهت افزایش ظرفیت اعضای بتنی و بنایی به شمار می آیند. امروزه درکشورهای پیشرفته حجم بالایی از بهسازی و تقویت سازه های بتنی و بنایی با بهره گیری از این مواد انجام می پذیرد (حمره، 1387).
2-1- اظهار مسأله
در این پایان نامه به مقاوم سازی پایه پل های بتنی با ورقFRP  تحت بار دینامیکی زلزله پرداخته خواهد گردید،  پایه های پل با ابعاد واقعی ومحصور شده با FRR درنرم افزار ABAQUS مدل سازی می گردد، برای تحلیل پایه تحت بار زلزله از تحلیل دینامیکی غیر خطی بهره گیری شده می باشد تا اثرFRP بر روی پایه های پلی که تحت شتاب نگاشت هستند مورد مطالعه قرار گیرد.
3-1- پیشینه پژوهش
تکنولوژی بهره گیری از ورق هایFRP در مهندسی عمران اولین بار در سال 1984در سوئیس توسط پروفسورMeier  مطرح و مورد آزمایش قرار گرفت که در آن ورق های Carbon FRP (CFRP) جهت مقاوم سازی تیرهای بتنی آزمایش شدند. بزرگ ترین مزیت  FRPنسبت به فولاد داشتن نسبت مقاومت به وزن بالای آن می باشد. کاتسوماتا و همکارانش در سال1987 و 1988 روش بهره گیری ازFRP  را جهت مقاوم سازی ستون های بتنی مسلح ارائه دادند.
یکی از روش های معمول جهت مقاوم سازی و افزایش ظرفیت باربری ستون های بتن آرمه، ایجاد روپوش پیرامونی، جهت محدود کردن انبساط عرضی ستون بارگذاری شده می باشد. این شیوه علاوه بر جلوگیری ازکمانش آرماتورهای طولی ستون، با به تعویق انداختن جداشدگی پوسته بتنی، انهدام ستون را نیز به تاخیر می اندازد.
مطالعات پیرامون روش مقاوم سازی ستون های بتن آرمه در ابتدای قرن بیستم و در مورد ستون های مقاوم شده با روپوش فولادی صورت پذیرفت. این مطالعات نشان داد که وجود دورپیچ پیرامون ستون، سبب افزایش مشخصه های باربری آن می گردد اثر نامطلوب شرایط محیطی بر روپوش های فولادی و مراحل دشوار و زمان بر ایجاد این روپوش ها، سبب گردید که صفحات کامپوزیتی از جنس پلیمرهای مسلح شده با الیاف موسوم به ورقه هایFRP از بدو پیدایش به تدریج به عنوان جایگزین روکش های فولادی مورد بهره گیری قرار گیرند.
تحقیقات آزمایشگاهی  و نرم افزاری زیادی در زمینه بهسازی ستون های بتنی با  FRPدر ایران نیزانجام شده می باشد:
1- برقی، مصطفی و حداد، میثم، 1387، ارزیابی تقویت خمشی پایه پل بتن آرمه توسط GFRP تحت بارگذاری دوره ای، دانشگاه صنعتی خواجه نصیر طوسی.
در این پژوهش مدل ابعاد واقعی پایه یک پل به مقطع دایره ایجاد شده و رفتار آن تحت بارگذاری دوره ای تک محوره (بارگذاری همزمان ثقلی وجانبی قرار گرفته که بارگذاری جانبی آن به صورت دوره ای می باشد) مطالعه شده که در این پژوهش ستون معرفی شده توسط ورقه GFRP به ضخامت 1 میلی متر) در طول کل ستون) دورپیچ شده می باشد، پوش منحنی هیسترزیس برش پایه در دو حالت بدون محصور شدگی و با محصورشدگی توسطFRP  رسم گردید نتایج به این شکل می باشد:
آ. پوشش تقویتی GFRP(با ضخامت 1 میلی متر)باعث بالا بردن ظرفیت خمشی پایه پل های بتن آرمه به اندازه 8% شده می باشد.
ب. اصلی ترین خاصیت پوشش تقویتی GFRP، افزایش کرنش گسیختگی به اندازه 50 % که منجر به شکل پذیری و اتلاف انرژی بیشتر می گردد و نیز عملکرد لرزه ای ستون را بهبود می بخشد.
2- صالحیان، حمید رضا و اصفهانی، محمد رضا “مطالعه آزمایشگاهی مقاومت ستون بتنی محصورشده با GFRP تحت اثر توام نیروی محوری و لنگر خمشی و مقایسه با مدل های تئوری” ،1388.
در این پژوهش نمونه های آزمایشگاهی ستون با مقطعی مربعی شکل مطالعه شده اند این پژوهش نشان می دهد که اعمال لنگر خمشی بر نمونه ستون های محصورشده با  FRP علاوه بر اندرکنش بار فشاری و لنگر خمشی، اثر کاهنده ای بر مقاومت فشاری بتن محصورشده می گذارد. اعمال لنگر خمشی بر مقطع ستون، سبب توزیع غیر یکنواخت تنش فشاری وارد بر مقطع و انبساط عرضی آن می گردد به همین دلیل بهره گیری از روابط تخمین مقاومت فشاری بتن محصور شده، با افزایش لنگر خمشی، به پاسخ های غیر واقعی و فاقد اطمینان می انجامد.
3- جلال، مصطفی” ارزیابی ظرفیت باربری پل های بهسازی شده با کامپوزیت FRP”1388.
در این مقاله، گزیده راهکارهای ارزیابی عملکرد یک پل بهسازی شده با بهره گیری از مصالح کمپوزیتی جدیدارائه گردیده می باشد. به این مقصود، آغاز یک سیستم سنجش عملکرد ایجاد شده و اندازه گیری های سنجش عملکرد به مقصود ارزیابی پارامترهای مختلف مشخص گردید، سپس یک الگوریتم نقص یابی و شناسایی سیستم به مقصود کمی سازی مقادیر هدف، انتخاب شده و در نهایت نتایج فعالیت های بهسازی به منظورسنجش تغییرات عملکرد پل، مورد ارزیابی و تجزیه و تحلیل قرار گرفت. در نهایت پس از اتمام کار بهسازی، نتایج به مقصود تعیین وقوع یا عدم وقوع هرگونه تغییر در عملکرد پل، مورد ارزیابی قرار گرفت، این روش افزایش در سختی سازه را در دوره زمانی سوم دسامبر 1999 تا می 2000 نشان می دهد.
4- عباسزاده ، مهدی “مقایسه دقت پیش بینی مدل های ارائه شده برای محصورشدگی ستون های بتنی دایروی محصور شده با الیاف FRP”1388.
این مطالعه بر پیش بینی حداکثر تنش و کرنش بتن محصور شده که مهمترین پارامترها از دید طراحی بوده و تاثیر زیادی در تقریب منحنی های تنش – کرنش دارند متمرکز شده می باشد. به این مقصود، مدل های محصور شدگی به دو گروه مدل های محصورشدگی پایه فولادی و مدل های محصورشدگی تجربی و تحلیلی طبقه بندی شده و روابط و ویژگی های منحصر به فرد هر مدل مرور گردید سپس، مقایسه بین مدل های مختلف در پیش بینی حداکثر تنش و کرنش نهائی محصور شدگی صورت گرفت. نتایج حاصل از ارزیابی های صورت گرفته نشان داد که مدل های موجود در پیش بینی رفتار واقعی محصورشدگی بتن به جواب های یکسان و قابل قبولی خصوصاٌ در پیش بینی کرنش نرسیده و تنها برای محدوده ای که برای آن کالیبره شده اند جواب های مطلوبی ارائه می دهند .
5- عباس نیا، رضاو رستمیان، مهدی” مطالعه رفتار تنش – کرنش ستون ها یا نمونه های بتنی مسلح و محصورشده با FRP”1389.
در این مقاله به مطالعه تحقیقات انجام شده در مورد رفتار تنش – کرنش ستون های بتنی مسلح مقاوم سازی شده با FRP پرداخته گردید و نتایجی مطابق زیر بدست آمد:
الف – اثر نسبت لاغری برروی ظرفیت باربری ستونهای بتنی محصور شده با ژاکت FRP چشم گیر تر از ستون های مسلح معمولی  می باشد.
ب – اثر مقاوم سازی با افزایش نسبت لاغری کاهش می یابد.
ت – در زمانی که نسبت لاغری کمتر از 5/87 باشد، ظرفیت باربری ستون مسلح شده با FRP هنوز 21 درصد بزرگتر از ستون بتن مسلح بدون ژاکت FRP (عادی) می باشد.
6- محمد کاظم، شربتدار و بهاری زاده، علی، سیوندی پور، عباس ” مطالعه نرم شدگی و سخت شدگی کرنش بتن محصور شده با ورق های FRP بر مقاومت و شکل پذیری اعضاء فشاری “1388.
در این مقاله به مطالعه مقاومت بتن محصور شده با انواع ورق های FRP در دو مرحله سخت شدگی کرنش و نرم شدگی کرنش و همچنین اثر محصور شدگی بر شکل پذیری اعضاء بتن مسلح پرداخته شده و این نتیجه حاصل شده که محصورشدگی اعضاء بتنی موجب افزایش مقاومت در هر دو مرحله سخت شدگی کرنش و نرم شدگی کرنشی و افزایش شکل پذیری و همچنین بهبود رفتار لرزه ای آن می گردد.
7- دانش، فخر الدین بهشتی اول و سید بهرام، شاهرودی، مهناز” تخمین پارامترهای اثرگذار بر رفتار غیرخطی ستون های دورپیچ شده با CFRP به روش اجزاء محدود”1388.
در این پژوهش برای صحت سنجی چگونگی مدل سازی، نمونه هایی از کارهای معتبر آزمایشگاهی با بار محوری ثابت و بار جانبی رفت و برگشتی cyclic)) با نرم افزار اجزاء محدود  ABAQUS مدل سازی شده اند. در این مرحله، بتن با المان حجمی هشت گرهی (C3D8)  و دورپیچ آن با المان های غشایی چهار گرهی  (M3D4)مدل شده اند و از معادل سازی و یکپارچه کردن مقطع بهره گیری نشده می باشد. نتایج بدست آمده، تطابق قابل قبولی با کارهای آزمایشگاهی دارد همچنین در مطالعه انجام شده بر روی پارامتر طول لایه های دورپیچ و تأثیر آن بر روی رفتار ستون ها نظاره گردید با افزایش پارامتر طول لایه های دورپیچ، اندازه ظرفیت ستون در تحمل تغییر مکان و برش پایه افزایش می یابد همچنین در این راستا مشخص گردید افزایش طول دورپیچ ها تأثیر چندانی بر بارتسلیم نداشته و فقط بار ماکزیمم سازه را افزایش داده می باشد و به این ترتیب باعث افزایش انعطاف پذیری رفتار سازه می گردد. با بهره گیری از نتایج بدست آمده نظاره گردید در یک نگاه کلی گرچه تأثیر لایه ها بر روی برش پایه قابل تحمل توسط ستون چندان قابل توجه نبوده می باشد لیکن تأثیر تعداد لایه ها بر روی نیروی قابل تحمل توسط ستون بیشتر از تأثیر طول لایه ها بوده می باشد به عنوان مثال با افزودن یک لایه 20 سانتی متری دورپیچ FRP حدود 3 درصد و با افزودن یک لایه 30 سانتی متری دورپیچ FRP حدود 4 درصد افزایش می یابد. در حالی که در حالت بهره گیری از دولایه دورپیچ این درصد افزایش نیروی قابل تحمل توسط ستون بترتیب حدود 4 و 6 در صد خواهد بود. همچنین نشان داده گردید شکل پذیری ستون نیز با افزایش قابل توجهی همراه می باشد لیکن بهره گیری از دو لایه دورپیچ بجای یک لایه دور پیچ افزایش نسبی زیادی در شکل پذیری ستون ایجاد نمی کند این نتیجه در مورد تغییر شکل بیشینه قبل از شکست نیز صادق می باشد.
تعداد صفحه : 185
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   پایان نامه کارشناسی ارشد رشته عمران سازه های هیدرولیکی: آبشستگی پایه پل ها

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

دسته‌ها: عمران