ارزیابی ستون‌های دوبل ناودانی

ارزیابی رفتار ستون‌های دوبل ناودانی فولادی دارای نقص ناشی از جوشکاری مقاوم‌سازی شده با الیاف CFRP

خلاصه

در سال‌های اخیر مهندسان با مشکلات سازه‌ای زیادی از قبیل کمانش، خوردگی و بارگذاری بیش از حد در سازه‌های فولادی آسیب‌دیده مواجه بوده‌اند. اشتباه نیروی کار در هنگام جوشکاری و همچنین تخریب جوش از جمله مشکلات عدیده در سازه‌های فولادی می‌باشد. از این رو مقاوم‌سازی و ترمیم محل جوش در سازه‌های فولادی امری اجتناب‌ناپذیر است. در این مقاله به بررسی تأثیر پلیمرهای مسلح به الیاف کربن برای مقاوم‌سازی ستون‌های دوبل ناودانی فولادی. دارای نقص ناشی از جوشکاری پرداخته شده است. برای این منظور هفت ستون فولادی در نرم افزار المان محدود آباکوس مدل‌سازی گردید.

یک ستون شاهد به عنوان اولین نمونه که هیچ نقصی بر روی آن ندارد. و سرتاسر جوشکاری شده مدل‌سازی گردید. بقیه نمونه‌های دارای نقص با استفاده از الیاف CFRP مقاوم‌سازی شدند. از طرفی تقویت با استفاده از الیاف CFRP در جهت بهبود محل نقص‌، به شکل دقیق برای سه نمونه مورد بررسی قرار گرفت. مقاوم‌سازی این مقاطع با استفاده از الیاف CFRP نه تنها روش مؤثری برای افزایش حداکثر نیروی قابل تحمل محوری در این ستون‌ها می‌باشد.

بلکه کمک شایانی در جهت بهبود مقاومت و به تأخیر انداختن کمانش موضعی در آنها کرده است. با توجه به نتایج مشاهده گردید که در بین تمامی نمونه‌ها، حداکثر ظرفیت باربری مربوط به نمونه 2UW3 بوده. و به ترتیب در نمونه آزمایشگاهی و مدل‌سازی عددی به میزان 29/9 , 21/7 درصد. نسبت به نمونه 2UW3C1 افزایش یافته است. علاوه بر این نمونه‌های 2UW3C1 و 2UW1C1 به ترتیب در بین نمونه‌های آزمایشگاهی و مدل‌سازی عددی بیشترین سختی را دارند.

1-مقدمه

به طور کلی استفاده از کامپوزیت‌ها از دهه 1940 آغاز و مانند بسیاری از فنون و تکنولوژی‌های دیگر. ابتدا کاربرد نظامی داشت و بیشتر در صنایع هوا و فضا استفاده می‌گردید. به گونه‌ای که پس از جنگ جهانی دوم کاربرد پلیمرها و کامپوزیت‌های پلیمری در صنایع موشک‌سازی در اروپای غربی و آمریکا. به میزان هشتاد درصد افزایش یافت. با توجه به وزن کم و استحکام بالای آن بسیار مورد توجه قرار گرفت. و در سایر زمینه‌ها از جمله صنعت ساختمان‌سازی، صنعت خودروسازی، ساخت اسکله‌ها و شناورها، کشتی‌ها. و قایق‌های تندرو و سازه‌های دریایی نیز به کارگیری شد [1].

در صنعت ساختمان، نخستین کاربرد سازه‌ای کامپوزیت‌هادر دهه 60 میلادی در چندین سازه در انگلستان و آمریکا انجام گردید. ولی تا دهه هشتاد میلادی چندان توجهی به این مصالح نمی‌شد [2]. در اواسط سال 1980 میلادی در سوئیس اتصال کامپوزیت‌ها در مورد تیرهای بتنی و عرشه پل‌ها مورد آزمایش قرار گرفت. و نتایج حاصل بسیار موفقیت‌آمیز بود. همچنین ستون‌ها و بسیاری دیگر از المان‌های سازه‌ای با استفاده از کامپوزیت‌ها دورپیچ شدند.

پس از آن مهندسین ژاپنی دریافتند که این شیوه، روش مناسبی برای مقاوم‌سازی سازه‌ها در برابر زلزله‌های شدید می‌باشد. و از آن‌ها در تعمیر و تقویت سازه‌ها استفاده کردند [3]. پوشش‌های CFRP به منظور مقاوم‌سازی سازه‌های بنایی، چوبی و فولادی مورد استفاده قرار می‌گیرند. پوشش‌های CFRP به عنوان جایگزین روش‌های دیگر مانند استفاده از صفحات فولادی ، غلاف ستون‌های بتنی یا فلزی، کاربرد دارند [3]. طیف گسترده‌ای از چسب را می‌توان برای پیوند بین CFRP و مواد فلزی به کار برد از جمله عناصر اپوکسی، پلی‌یورتان و اکریلیک [4]. در ادامه مواردی از مطالعات انجام شده ارائه می‌شود.

قلم‌دوست و همکاران [15] رفتار ساختاری ستون‌های کوتاه فولادی ناقص را مورد مطالعه قرار دادند. با توجه به نتایج نشان دادند که ورق‌های CFRP می‌توانند از دست رفته به دلیل نقص را تا حد زیادی جبران نمایند. همچنین ظرفیت باربری افزایش می‌یابد و کمانش موضعی نیز به تأخیر خواهد افتاد. یانگ Yang و همکاران [6] عملکرد فشاری محوری ستون‌های فولادی تقویتی را با روش‌های آزمایشگاهی و عددی ارزیابی کردند.

با توجه به نتایج نشان دادند که مقاوم‌سازی، سختی محوری و حداکثر بار ستون‌ها را افزایش می‌دهد. تنگ Tong و همکاران [7] مطالعه تجربی رفتار خستگی صفحات فولادی جدار نازک دارای جوش لب به لب. تقویتی با استفاده از ورق‌های CFRP را مورد بررسی قرار دادند. اتصالات فولادی مورد جوش دهی در سازه‌ها مستعد شکست خستگی هستند. در این زمینه، الیاف CFRP دارای قابلیت قابل توجهی برای تقویت خستگی سازه‌های فولادی هستند.

اثر تقویت CFRP بر رفتار خستگی با تغییر طرح تقویت (یک طرفه یا دو طرفه) و تعداد لایه‌های ورق CFRP مورد بررسی قرار گرفت. نتایج آزمایش نشان داد که عمر خستگی صفحات فولادی جوش لب به لب با تقویت CFRP. در مقایسه با عمر خستگی صفحات فولادی جوش لب به لب بدون تقویت CFRP تقریباً یک یا ده برابر افزایش یافت. همچنین بیان شد که نمونه‌های سه لایه دو طرفه بهترین اثر را بر عمر خستگی نشان می‌دهند.

ارزیابی ستون‌های دوبل ناودانی

هو Hu و همکاران [8] تحلیل رفتار کمانشی ستون‌های فولادی مورد تقویت با CFRP از طریق المان محدود و شبکه عصبی را بررسی کردند. ابتدا مدل‌های المان محدود ستون‌ها تحت فشار محوری و خارج از مرکز تولید شد. منحنی‌های نیرو-جابجایی، حالت‌های شکست، و منحنی‌های تنش-جابجایی حاصل از مطالعه عددی و تجربی مطابقت خوبی داشتند. با توجه به نتایج مورد بیان، شبکه‌های عصبی مصنوعی می‌توانند مسائل غیرخطی دارای پیچیدگی بسیار. و محاسباتی را مدیریت کنند و یک ابزار عملی برای پیش‌بینی ظرفیت کمانش ستون‌های فولادی مورد تقویت با CFRP می‌باشد. رضا دوست و همکاران [9] تأثیر الیاف FRP بر مقاومت نهایی و تغییر شکل اتصالات لوله‌ای X شکل. تحت بارگذاری محوری فشاری را مورد بررسی قرار دادند.

ابتدا نتایج حاصل از مدل‌های المان محدود با نتایج آزمایشگاهی اعتبارسنجی شد. برای بررسی متغیرهای مختلف در مقاوم‌سازی اتصالات لوله‌ای X شکل با استفاده از الیاف FRP. از جمله جنس، طول، زاویه دورپیچ و تعداد لایه‌ها، 75 اتصال در حالت‌های تقویت‌شده ایجاد و تحلیل شدند. تا رفتار استاتیکی غیرخطی آنها مورد مطالعه قرار گیرد. در این مدل‌ها، تماس بین لایه‌های FRP و اعضای فلزی مدنظر قرار گرفت.

همچنین پروفیل جوش در محل تقاطع عضو اصلی با عضوهای فرعی مدل‌سازی گردید. نتایج نشان داد که نحوه قرارگیری این پوشش‌ها روی اتصال و اندازه طول آنها روی عضو اصلی، تأثیر محسوسی بر روی بهبود عملکرد اتصال دارند. همچنین این پوشش‌ها می‌توانند مقاومت نهایی اتصال را تا 125 درصد افزایش و جابجایی‌ها را تا 84 درصد کاهش دهند. نصیرائی و رضا دوست [10] ظرفیت استاتیک اتصالات لوله‌ای X شکل مورد مقاوم‌سازی با الیاف تحت بار فشاری را مورد مطالعه قرار دادند.

آنها سختی اولیه، ظرفیت نهایی، نسبت ظرفیت و مکانیسم‌های شکست اتصالات لوله‌ای X شکل مورد مقاوم‌سازی با الیاف FRP تحت بار فشاری را بررسی کردند. ابتدا یک مدل المان محدود ایجاد شد و با داده‌های تجربی موجود اعتبار سنجی گردید. سپس 109 مدل المان محدود برای بررسی کارایی لایه‌های FRP، و هندسه، بر عملکرد استاتیکی اتصالات X شکل مورد مقاوم‌سازی شده شد. در مدل‌های المان محدود، اثرات پروفیل جوش و تماس بین FRP و اعضا مد نظر قرار گرفت. نتایج نشان داد که FRP می‌تواند به طور قابل ملاحظه‌ای سختی، ظرفیت نهایی و مکانیسم‌های شکست را بهبود بخشد.

با توجه به مطالعات فوق مشاهده شد که تحقیقات چندانی در مورد مقاوم‌سازی محل نقص جوش در ستون‌های دوبل ناودانی انجام نشده است. علاوه بر این استفاده از جوش مجدد در محل‌هایی که نقص در جوش موجود در ستون‌های فولادی. ناشی از اجرای نادرست، خوردگی ناشی از شرایط محیطی به وجود می‌آید. مشکلاتی از قبیل ایجاد گرمای زیاد در محل جوش و تخریب محل نقص. ایجاد تنش پسماند ناشی از جوشکاری، عدم اجرای صحیح جوش در ستون‌های موجود در ستون‌های تحت بار و ضمن بهره‌برداری را به دنبال خواهد داشت.

علاوه بر این سهولت استفاده از الیاف CFRP، مقاومت ایجادی زیاد نسبت به وزن ناچیز آن. و همچنین عدم نیاز به جوشکاری مجدد در ستون‌ها می‌تواند از جمله مزیت استفاده از این الیاف نسبت به اجرای جوش مجدد می‌باشد. لذا در پژوهش حاضر به بررسی تأثیر الیاف CFRP برای مقاوم‌سازی ستون‌های دوبل ناودانی فولادی ناشی از نقص در جوش می‌پردازد. تأثیر سختی، جابجایی محوری قائم، شکل و محل قرارگیری ناحیه نقص در طول ستون مربعی شکل فولادی مورد بررسی قرار می‌گیرد.

2-مشخصات ستون‌های مورد استفاده

سطح مقطع ستون‌های مورد استفاده 5×100×100 میلی‌متر و ارتفاع هر کدام از ستون‌ها نیز 1000 میلی‌متر می‌باشد. شرایط تکیه‌گاهی در دو انتهای ستون در بالا به صورت مفصلی و در پایین به صورت صلب مدنظر قرار گرفت. به طوری که در بالا یک صفحه فولادی با شرایط تکیه‌گاهی مفصلی و در پایین یک صفحه فولادی. به همراه هشت لچکی برای استحکام بیشتر در انتهای ستون‌ها جوش دهی گردید. همچنین به دلیل ایجاد نمونه‌هایی با شرایط تکیه‌گاهی گیرداری که همواره در عمل نیز امکان‌پذیر است.

مقدار طراحی ضریب طول مؤثر کمانش جهت ستون‌های مورد بحث 0/7 در نظر گرفته می‌شود. ستون انتخابی در محدود ستون‌هایی با کمانش غیر ارتجاعی بوده، به گونه‌ای که ستون در رده ستون‌های متوسط قرار می‌گیرد. ضریب لاغری (λ=KL/r) برابر 18/66 در ستون‌های متوسط قرار می‌گیرد. ضریب نمونه‌های مورد استفاده، 2U نشان دهنده دوبل ناودانی، W نشان دهنده محل نقص در جوش. C نشان دهنده الیاف CFRP و عدد بعد از آن تعداد لایه CFRP دورپیچ را نشان می‌دهد. مشخصات نمونه‌ها، پارامترهای نقص در جوش و ضخامت الیاف CFRP در جدول 1 معلوم و مشخص است.

ارزیابی ستون‌های دوبل ناودانی

همانطور که در نمونه‌های فوق بیان شد، پوشش الیاف CFRP در محل‌ها به ترتیب برای نقص‌هایی با طول 750,500,250 میلی‌متر مدنظر قرار دارد. ارتفاع تمامی ستون‌ها 1000 میلی‌متر مدنظر قرار گرفت. مشخصات مصالح فولادی مورد بکارگیری طبق آزمایش تست کششی حاصل گردید. شکل 1 مشخصات تمامی نمونه‌ها، ارتفاع نقص در جوش و همچنین الیاف CFRP مورد استفاده را نشان می‌دهد. منظور welding defect، منطقه بدون جوش می‌باشد.

3-مشخصات مواد و مصالح

1-3-مشخصات فولاد

برای حاصل آوری مشخصات فولاد مورد استفاده، نمونه‌های دمبلی شکل که از ستون‌های فولادی انتخاب و توسط دستگاه CNC برش دهی گردید. در آزمایشگاه مکانیک خاک بیرجند تحت آزمایش تست کششی قرار گرفتند. لازم به ذکر است که نحوه انتخاب مشخصات نمونه‌های دمبلی شکل فولادی و نحوه انجام آزمایش تست کششی فولاد. بر اساس آیین‌نامه استاندارد ASTM370 و ASHTOT299 انتخاب شد.

شکل شماره 2 مشخصات نمونه‌های دمبلی شکل و تست آزمایش کششی. و شکل 3 نتایج حاصل از تست کششی در آزمایشگاه برای فولاد مورد استفاده را نشان می‌دهد. از طرفی نتایج حاصل از تست کششی در جدول شماره 2 نمایان و مشخص است.

2-3-مشخصات فولاد

مشخصات فولاد مورد استفاده پس از انجام آزمایش تست کششی در جدول شماره 2 معلوم و مشخص می‌باشد. با توجه به نتایج مورد حاصل، فولاد مورد استفاده بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ایران از نوع فولاد نرمه ST37 می‌باشد.

ارزیابی ستون‌های دوبل ناودانی

3-3-مشخصات CFRP

الیاف CFRP، مورد استفاده در این پژوهش، از نوع یک جهته با نام C-Sikawrap230. و مشخصات کارخانه‌ای ارائه شده در جدول 3 می‌باشد.

4-3-مشخصات چسب

چسب مورد استفاده به منظور اتصال بین فولاد و الیاف CFRP، وظیفه انتقال نیرو بین آن دو را بر عهده دارد. و اجرای سازه‌ای یکپارچه‌ای را برای ستون و کامپوزیت‌ها به وجود می‌آورد. ورق‌های CFRP با چسب اپوکسی 330-Sikadur به سطح ستون متصل می‌باشد. جدول 4 مشخصات چسب مورد استفاده را نشان می‌دهد.

ارزیابی ستون‌های دوبل ناودانی

4-جهت انجام امور آزمایشگاهی، تعداد هفت ستون برای انجام آزمایش در آزمایشگاه سازه دانشگاه آزاد استلامی واحد زاهدان انتخاب شدند. نمونه‌ها تحت بارگذاری محوری توسط دستگاه جک بارگذاری فشاری با ظرفیت 1000 کیلونیوتن و لودسل با ظرفیت 450 کیلونیوتن تا شکست تحت آزمایش قرار گرفتند.

در نمونه‌های مورد مقاوم‌سازی، الیاف CFRP برای محصور کردن نمونه‌ها در اطراف محل نقص. به صورت دورپیچ کامل شامل دو لایه، اولین لایه عمود بر جهت اعمال بار و لایه دوم در جهت اعمال بار. و با ارتفاعی متناظر با طول هر کدام از نقص‌ها اعمال گردید [13]. همچنین تعداد هشت لچکی در کف هر کدام از ستون‌ها در چهار وجه استفاده شد.

به منظور بررسی و تحلیل ظرفیت باربری و عملکرد ستون‌ها تحت نیروی فشاری محوری جهت ایجاد شرایط گیرداری. تکیه‌گاهی و شاقولی، نمونه‌های آزمایشگاهی انتخابی، به گونه‌ای روی تکیه‌گاه قرار دهی شد. تا اطمینان حاصل شود که خط مرکزی آن دقیقاً هم تراز با محور جک باشد. ابعاد نقص و نمونه‌ها قبل از بارگذاری به دقت اندازه‌گیری شدند. با فشاری محوری با استفاده از جک هیدرولیک بر روی ستون‌ها اعمال گردید. تغییر مکان توسط دو میله متحرک خطی (LVDT) که جهت اندازه‌گیری تغییر مکان عمودی در دو سر لودسل تعبیه گردیده، ثبت شد. و نمودار نیرو-تغییر مکان آنها توسط نرم افزار Lab view به دست آمد.

در هر مرحله بارگذاری بر روی ستون‌ها، دقت دستگاه با بررسی نحوه صحیح قرار گیری LVDTها. و ستون در زیر جک دستگاه مورد بررسی قرار گرفت. سپس بار محوری توسط پمپ اعمال بار به آهستگی با سرعت بارگذاری ثابت اعمال گردید. و ستون با اعمال بار فشاری با افزایش‌های اندک تحت آزمایش قرار گرفت. و مشاهده رخدادهایی مانند تغییر شکل محوری و بار نهایی توسط نرم‌افزار و دیتالاگر 16 کاناله به دقت ثبت گردید. شکل 4 نمونه‌ای از ستون‌های مورد بحث، ابزارهای متصل و مشخصات آزمایشگاهی را برای ستون تحت اثر بار محوری نشان می‌دهد. در ادامه به بررسی نحوه آماده‌سازی نمونه‌ها برای انجام آزمایش فشاری پرداخته خواهد شد.

1-4-آماده‌سازی نمونه‌ها

1-1-4-برش دادن نمونه‌ها

برای ساخت نمونه‌هایی آزمایشگاهی انتخابی، ابتدا چهارده ناودانی شماره 10 به ارتفاع 1000 میلی‌متر. تقسیم‌بندیم می‌شود و به صورت قوطی‌های مربعی شکل که هر وجه آن بعد از جوشکاری 100 میلی‌متر می‌باشد. مهیا می‌شود.

سپس برای تراز بودن دقیق سطح ستون‌ها، هفت صفحه فولادی به ابعاد 5×15×200 میلی‌متر. در سر ستون‌ها جهت اعمال بار به صورت محوری و در کف ستون‌ها جهت ایجاد تکیه‌گاه مدنظر قرار می‌گیرد. جهت گیرداری کف ستون‌ها از هشت لچک در چهار وجه دور تا دور ستون که سهم هر وجه. دو لچکی به ابعاد 5×5×100 میلی‌متر می‌باشد، استفاده شد. در ادامه با توجه به الگوهای نقص مورد بیان در نمونه‌ها. نقص‌هایی به ارتفاع 250 میلی‌متر برای ستون‌های 2UW1 و نقص‌هایی به ارتفاع 500 میلی‌متر برای ستون‌های 2UW2. و همچنین نقص‌هایی به طول 750 میلی‌متر برای ستون‌های 2UW3 در نظر گرفته شد. علت انتخاب نقص‌ها با توجه به نسبت ارتفاع ستون‌های مورد نظر انتخاب گردید.

2-1-4-سندبلاست نمونه‌های مورد آزمایش

ابتدا کلیه وسایل، تجهیزات و مصالح مورد نیاز از قبیل کمپرسور باد، میکسر بادی، همزن. پمپ ارلس، ماسه و داربست به محل انجام کار منتقل می‌شوند. کلیه ماشین‌آلات، تجهیزات، ابزار و مصالح مورد استفاده در عملیات‌های سندبلاست باید مطابق استانداردهای ذیربط بوده و مورد تأیید واحد نظارت باشد.

به لحاظ شرایط جوی و مساعد بودن هوا، سندبلاست که عمدتاً براساس استاندارد سوئدی 21SA/1 انجام می‌گیرد. شروع و پس از اتمام سندبلاست هر ناحیه، در همان روز 20 دقیقه بعد از هواگیری و تمیز نمودن سطح کار مراحل بعدی صورت می‌پذیرد. البته پس از تأیید دستگاه نظارت و رعایت مسائل فنی از قبیل ضخامت مناسب لایه. تمیزکاری و عدم وجود هر نوع خلل و فرج سطح رنگ و هر نوع عیب دیگر، عملیات اجرا می‌شود. شکل 5 فرآیند سندبلاست را نشان می‌دهد.

3-1-4-آماده کردن ستون‌های فولادی و مقاوم‌سازی محل نقص

قبل از انجام مراحل مقاوم‌سازی باید تمام آلودگی‌های سطح فولاد و الیاف عاری از هرگونه رطوبت و ماده دیگری باشد. سپس به منظور چسب زدگی الیاف CFRP بر روی ستون‌های فولادی، چسب که از دو بخش A و B متشکل است. به نسبت 4 به 1 مخلوط می‌شود و حداقل به مدت سه دقیقه دو جزء با هم ترکیب می‌شوند. این عمل باید به وسیله یک سر مته مخلوط کن که به یک مته الکتریکی به آن متصل است با سرعت کم انجام شود.

تا اینکه به ماده‌ای نرم و طوسی رنگ تبدیل شود. از طرفی باید دقت شود که در هنگام مخلوط کردن چسب از هواگیری آن جلوگیری به عمل آید. در ادامه مخلوط چسب در ظرف تمیزی ریخته شده و مجدداً به مدت یک دقیقه با سرعت کم به هم زده می‌شود. تا میزان هوای محبوس در آن به حداقل برسد. شکل 6 نمونه‌ای از چسب و اپوکسی مورد استفاده و نحوه آماده سازی چسب را نشان می‌دهد.

با محاسبه طول و عرض الیاف مورد نیاز و مدنظر قرار دهی 20 میلی‌متر اورلب، به کمک یک قیچی ساده، الیاف CFRP برش دهی می‌شوند. علاوه بر این به منظور تمیز بودن سطح الیاف، ورق‌های CFRP که عملیات برش بر روی آنها انجام گردید. نیز توسط استون و پنبه تمیز می‌گردند. پس از آماده‌سازی الیاف، با استفاده از قلم موی رنگ آمیزی، ستون‌های فولادی و ورق‌های CFRP. به چسب آغشته شده و بر اساس الگوی مقاوم‌سازی، الیاف به دور ستون‌های مورد نظر در محل‌های نقص جوش پیچیده می‌شوند.

بر روی هر لایه از الیاف نیز مجدداً یک لایه چسب دیگر قرار دهی شد تا برای چسباندن لایه بعدی مهیا شود. سپس نمونه‌های دارای الیاف با توجه به بروشور الیاف CFRP به مدت یک هفته در محیط آزمایشگاه قرار دهی شد. تا برای انجام سایر مراحل آزمایش مهیا شوند. چسباندن الیاف CFRP به نمونه در شکل 7 نمایان و مشخص است. و همچنین شکل 8 تعدادی از ستون‌های مهیا بعد از مقاوم‌سازی با استفاده از الیاف CFRP. برای انجام آزمایش فشاری در زیر جک بارگذاری را نشان می‌دهد.

ارزیابی ستون‌های دوبل ناودانی

5-رول مدل‌سازی نمونه‌ها در نرم‌افزار آباکوس

برای مدل‌سازی نمونه‌ها از نرم‌افزار آباکوس ورژن 2-14-6 بکارگیری گردید. به منظور آنالیز رفتا ستون‌ها، کمانش‌های موضعی و کلی نمونه‌ها، مدل‌های فولاد، چسب و CFRP از المان‌های سه بعدی هشت نقطه‌ای (3D-8R) استفاده شد. روش آنالیز استاتیکی از نوع استاتیک ریکس برای مشاهده بهتر کمانش موضعی نمونه‌ها در ناحیه کمانش انتخاب گردید. مشخصات مصالح برای صفحات فولادی، الیاف CFRP، تنش جاری شدن و تنش نهایی ستون‌های دوبل ناودانی. برابر با مقادیر مورد حاصل از نتایج تست کششی مورد بکارگیری و ضریب پواسون برابر 0/3 مدنظر قرار گرفت.

تکیه‌گاه‌ها در یک طرف ستون‌ها گیردار و در طرف دیگر مفصلی مدنظر قرار گرفت. برای اتصال بین CFRP و چسب با ستون از دستور اتصال Tie استفاده گردید. و مشخصات غیر خطی و ایزوتروپیک Isotropic مصالح فولادی تعریف و مشخصات CFRP به علت یک جهته بودن از نوع خطی ارتوتروپیک Orthotropic معرفی شد.

ارزیابی ستون‌های دوبل ناودانی

بدین منظور ابتدا دقت نرم افزار با توجه به نتایج تحقیق پارک و همکاران [14] اعتبارسنجی گردید. معیار همگرایی در این شبیه‌سازها بر اساس نیرو-جابجایی و نیل به بار بحرانی ستون و بررسی رفتار پس از کمانش آن می‌باشد. با توجه به این سنجش مشخص شد که منحنی نیرو-تغییر مکان نمونه مورد مدل‌سازی. به روش اجزای محدود انطباق مناسبی با نمونه آزمایشگاهی داشته. و بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که پارامترهای مختلف مدل‌سازی از قبیل اندازه مش، شرایط مرزی و خواص مصالح به درستی انتخاب و اعمال گردید.

نتایج حاصل از دو حالت مورد مقاوم‌سازی آزمایشگاهی و مطالعه عددی توسط نرم افزار در شکل 9 نمایان و مشخص است. همچنین جهت تعیین اندازه سایز مش برای انجام مطالعات عددی، سه اندازه مش 50,20,10 میلی‌متر مطابق شکل 10 بررسی گردید. در ابتدا میزان حداکثر بار محوری فشاری برای نمونه مورد نظر با مد نظر قرار دهی هر یک از سایزهای مش مورد ذکر محاسبه گردید. سپس اندازه مشی که بزرگترین مقدار نیروی قابل تحمل محوری را با مشخص کردن مدهای پس از کمانش ستون. در بر داشته، به عنوان سایز مش مورد نظر برای تحلیل سایر نمونه‌ها مورد استفاده قرار گرفت.

6-بررسی و تحلیل نتایج آزمایشگاهی و مدل‌سازی

1-6-رفتار ستون CONTROL در گروه 1

گروه یک تنها شامل یک ستون به عنوان نمونه CONTROL با سطح مقطع 5×100×100 بوده که دارای یک جوش سرتاسری و بدون الیاف CFRP می‌باشد. در جدول 5 نتایج حداکثر نیروی محوری و سختی ستون در نمونه CONTROL، مورد حاصل در آزمایشگاه و مدل‌سازی نرم افزاری نمایان و مشخص است. شکل 11 و 12 به ترتیب نشان می‌دهد نیرو-تغییر مکان حاصل از نتایج آزمایشگاهی. و مدل‌سازی برای ستون CONTROL دارای جوش سرتاسری و بدون استفاده از الیاف CFRP می‌باشند. با توجه به این دو شکل می‌توان مشاهده کرد که تطابق خوبی بین نتایج وجود دارد.

علاوه بر این با توجه به جدول 5، حداکثر نیروی محوری برای ستون CONTROL در نمونه آزمایشگاهی نسبت به مدل‌سازی. به میزان 0/8 درصد کاهش یافت. همچنین میزان سختی برای این ستون در مدل‌سازی آزمایشگاهی نسبت به عددی به میزان 16/1 درصد افزایش یافت.

1-1-6- مدهای شکست در ستون CONTROL در گروه 1

در این گروه مدهای شکست ستون CONTROL در دو حالت آزمایشگاهی و مدل‌سازی مورد بررسی قرار می‌گیرد. مد شکست در این ستون‌ها به صورت کمانش کلی قابل مشاهده نیست. لذا در این حالت تغییر شکل‌های محلی به صورت کمانش موضعی در اطراف محل نقص در ستون‌های این گروه مشاهده می‌گردد. شکل 13 توزیع تنش و کمانش موضعی در بالای ستون CONTROL که بر اثر بارگذاری محوری ایجاد شده را نشان می‌دهد.

2-6-رفتار ستون‌ها در گروه 2

این گروه شامل دو ستون قوطی شکل فولادی 2UW1 و 2UW1C1 می‌باشد. جدول 6 حداکثر نیروی قابل تحمل محوری و سختی ستون‌های مورد نظر را نشان می‌دهد. نتایج حاصل از این جدول بیانگر آن است که نمونه آزمایشگاهی مورد مقاوم‌سازی با الیاف CFRP، نیروی قابل تحمل محوری را 4/8 درصد. و سختی را 65/9 درصد نسبت به نمونه غیر مقاوم‌سازی را افزایش می‌دهد. همچنین نمونه مدل‌سازی مورد مقاوم‌سازی با الیاف CFRP، نیروی قابل تحمل محوری را 4/4 درصد و سختی را 87/1 درصد. نسبت به نمونه غیر مقاوم‌سازی افزایش می‌دهد.

ارزیابی ستون‌های دوبل ناودانی

در نمونه آزمایشگاهی معلوم مشخص شد که نمونه مورد مقاوم‌سازی توانست نسبت به نمونه غیر مقاوم‌سازی. در حدود 2 کیلونیوتن بار محوری بیشتری را تحمل کند. همچنین در نمونه مدل‌سازی هم تمام نتایج نشان داد افزایش توان باربری محوری در نمونه مورد مقاوم‌سازی. نسبت به نمونه بدون الیاف و غیر مقاوم‌سازی می‌باشد. که این افزایش برای این نمونه در حدود 7/1 کیلونیوتن مشاهده شد.

همچنین نمونه آزمایشگاهی 2UW1، نیروی قابل تحمل محوری را 18/2 درصد و سختی را 20/3 درصد نسبت به نمونه CONTROL کاهش می‌دهد. همچنین نمونه مدل‌سازی 2UW1، نیروی قابل تحمل محوری را 19 درصد و سختی را 9/4 درصد نسبت به نمونه CONTROL کاهش می‌دهد. علاوه بر این نوع شکست در نمونه با الیاف CFRP بسیار شکل مناسب‌تری نسبت به شکل شکست در نمونه بدون استفاده از الیاف داشت.

به این صورت که در نمونه الیاف که در قسمت نقص مقاوم‌سازی گردید از هم‌گسستگی در این ناحیه نمایان نمی‌شود. لذا تمام تغییرات در قسمت میانی و پایینی ستون رخ داد که این از نتایج خوب مقاوم‌سازی در نیمه بالای ستون مورد نظر می‌باشد. همچنین مشاهده شد که در ستون غیر مقاوم‌سازی این گسستگی باعث ایجاد شیارهای بسیار در ناحیه نقص جوش شد. و با افزایش روند بارگذاری نیز با یک کمانش کلی همراه بود.

در نمونه مقاوم‌سازی شده در این گروه نیز دو کمانش موضعی و محلی در دو سمت ستون به همراه یک کمانش کلی مشاهده می‌شود. شکل‌های 14 و 15 نمودارهای نیرو به تغییر مکان محوری در نمونه‌ها. و همچنین جدول 5 نتایج حاصل از مقایسه آزمایشگاهی و مدل‌سازی را نشان می‌دهد.

با توجه به شکل‌های 14 و 15 و جدول 5 می‌توان نتیجه گرفت که نمونه‌ها در شرایط آزمایشگاهی. ظرفیت باربری بالاتری نسبت به نمونه‌های مدل‌سازی دارند. که این امر نشان دهنده انجام صحیح مقاوم‌سازی نمونه‌ها در آزمایشگاه و استفاده صحیح از چسب و الیاف می‌باشد.

1-2-6-مدهای شکست ستون‌های گروه 2

مد شکست در این ستون‌ها به صورت کمانش کلی قابل مشاهده است. لذا در این حالت تغییر شکل‌های محلی به صورت کمانش موضعی در اطراف محل نقص در ستون‌های این گروه مشاهده می‌گردد. شکل 16 توزیع تنش و کمانش موضعی در قسمت بالایی و میانی ستون که بر اثر بارگذاری محوری. در محل نقص ایجاد شده است را نشان می‌دهد.

در شکل 17 کمانش به صورت موضعی در قسمت میانی و پایین نمونه 2UW1C1 مشاهده می‌شود. که در این حالت با توجه به مقاوم‌سازی قسمت دارای نقص در بالای ستون توسط الیاف این کمانش‌ها. به نیمه پایین ستون منتقل گردید. با توجه به شکل‌های 16 و 17 مدهای کمانش در دو حالت آزمایشگاهی و مدل‌سازی مشابه یکدیگر می‌باشند. همچنین می‌توان بیان کرد که استفاده از الیاف CFRP کمانش را به تعویق انداخته و مدهای شکست را به سایر قسمت‌های ستون منتقل کند.

ارزیابی ستون‌های دوبل ناودانی

3-6-رفتار ستون‌ها در گروه 3

این گروه شامل دو ستون قوطی شکل فولادی 2UW2 و 2UW2C1 می‌باشد. نتایج جدول 7 بیانگر آن است که نمونه آزمایشگاهی مورد مقاوم‌سازی با الیاف CFRP. نیروی قابل تحمل محوری را 1/5 درصد و سختی را 74/4 درصد نسبت به نمونه غیر مقاوم‌سازی افزایش می‌دهد. همچنین نمونه مدل‌سازی مقاوم سازی شده با الیاف CFRP. نیروی قابل تحمل محوری را 1/7 درصد و سختی را 66/3 درصد نسبت به نمونه مقاوم‌سازی نشده افزایش داده است.

ارزیابی ستون‌های دوبل ناودانی

در نمونه آزمایشگاهی نمایان شد که نمونه مورد مقاوم‌سازی توانست نسبت به نمونه غیر مقاوم‌سازی در حدود 600kg بار محوری بیشتری را تحمل کند. همچنین در نمونه مدل‌سازی نیز نتایج نشان می‌دهد افزایش ظرفیت باربری محوری در نمونه مورد مقاوم سازی نسبت به نمونه غیر مقاوم سازی می‌باشد.

که این افزایش برای این نمونه در حدود 721kg مشاهده شد. همچنین نمونه آزمایشگاهی 2UW2، نیروی قابل تحمل محوری را 18/9 درصد و سختی را 20 درصد نسبت به نمونه CONTROL کاهش می‌دهد. و همچنین نمونه مدل‌سازی 2UW2، نیروی قابل تحمل محوری را 19/3 درصد و سختی را 0/6 درصد نسبت به نمونه CONTROL کاهش می‌دهد.

همچنین نوع شکست در نمونه مورد مقاوم‌سازی با الیاف CFRP، نسبت به نمونه غیر مقاوم‌سازی بسیار شکل مناسب‌تری دارد. به این صورت که در نمونه مورد مقاوم‌سازی با الیاف CFRP که در قسمت نقص مقاوم‌سازی انجام گردید. از هم گسستگی در این ناحیه نمایان نمی‌شود.

در نمونه مورد مقاوم‌سازی، در این گروه فقط به کمانش موضعی و محلی در قسمت پایینی ستون نمایان می‌شود. شکل‌های 18 و 19 به ترتیب نتایج آزمایشگاهی و مدل‌سازی برای ستون‌های فولادی 2UW2 و 2UW2C1 را نشان می‌دهد.

1-3-6-مدهای شکست ستون‌های گروه 3

مد شکست در این ستون‌ها به صورت کمانش کلی قابل مشاهده است. لذا در این حالت تغییر شکل‌های محلی به صورت کمانش موضعی در اطراف محل نقص در ستون‌های این گروه مشاهده می‌گردد. شکل 20 توزیع تنش و کمانش موضعی در نیمه بالای ستون که بر اثر بارگذاری محوری در محل نقص ایجاد شده است را نشان می‌دهد.

شکل 20 نیز کمانش به صورت موضعی در قسمت پایینی نمونه 2UW2C1 را نشان می‌دهد. همچنین CFRP باعث می‌شود که کمانش موضعی در این ستون‌ها به تأخیر بیفتد. همانطور که از شکل‌های 20 و 21 مشخص است، مدهای کمانش در دو حالت آزمایشگاهی و مدل‌سازی مشابه یکدیگر می‌باشند.

همانطور که مشخص است در ستون 2UW2C1، اختلاف کمی بین نیروی قابل تحمل. برای دو ستون با و بدون استفاده از الیاف به میزان 1/5 و 1/7 به ترتیب برای نتایج آزمایشگاهی و مدل‌سازی وجود دارد. همچنین تمرکز تنش معلوم و مشخص در میانه ستون در تمامی موارد مدل‌سازی شده بیانگر این واقعیت می‌باشد. که تمام فشار توسط الیاف مهار شده است.

با توجه به اختلاف نیروی وارده محوری کم، مدهای شکست متفاوتی برای این دو ستون رقم خورده است. بنابراین می‌توان گفت که در این گروه با توجه به نزدیکی اعداد به یکدیگر شکست مشابهی در مدل‌های آزمایشگاهی و نمونه مدل‌سازی مشاهده می‌شود.

4-6-رفتار ستون‌ها در گروه4

این گروه شامل دو ستون قوطی شکل فولادی 2UW3 و 2UW3C1 می‎‌باشد. نتایج حاصل در جدول ۸ بیانگر آن است که نمونه آزمایشگاهی مورد مقاوم‌سازی با الیاف CFRP. نیروی قابل تحمل محوری را 29/9 درصد و سختی را 86/5 درصد نسبت به نمونه‌ای که مقاوم‌سازی نمی‌گردد افزایش می‌دهد. همچنین نمونه مدل‌سازی مورد مقاوم‌سازی با الیاف CFRP، نیروی قابل تحمل محوری را 21/7 درصد سختی را 33/9 درصد. نسبت به نمونه مقاوم‌سازی نشده افزایش داده است.

در نمونه آزمایشگاهی نمایان شد که نمونه مورد مقاوم‌سازی توانست به نمونه مقاوم‌سازی نشده، در حدود 10/3 کیلونیوتن بار محوری بیشتری را تحمل کند. همچنین در نمونه مدل‌سازی، نتایج نشان می‌دهد که افزایش ظرفیت باربری محوری نمونه مورد مقاوم‌سازی. نسبت به نمونه مقاوم‌سازی نشده می‌باشد. که این افزایش برای این نمونه در حدود 10/2 کیلونیوتن مشاهده شد.

همچنین نمونه آزمایشگاهی 2UW3، نیروی قابل تحمل محوری را 32/8 درصد و سختی را 49/8 درصد نسبت به نمونه CONTROL کاهش می‌دهد. همچنین نمونه مدل‌سازی 2UW3، نیروی قابل تحمل محوری را 32/3 درصد سختی را 21/4 درصد نسبت به نمونه CONTROL کاهش می‌دهد. علاوه بر این نوع شکست در نمونه مورد مقاوم‌سازی با الیاف CFRP نسبت به نمونه مقاوم‌سازی نگردید، بسیار شکل مناسب‌تری دارد. به این صورت که در نمونه مورد مقاوم‌سازی با الیاف، از هم‌گسستگی در این ناحیه نمایان نمی‌شود.

لذا تمام تغییرات در قسمت میانی و پایینی ستون رخ داد که این از نتایج خوب مقاوم‌سازی در نیمه بالای ستون مورد نظر می‌باشد. در نمونه مورد مقاوم‌سازی ، در این گروه نیز یک کمانش کلی در کنار یک کمانش موضعی و محلی. در قسمت پایینی ستون معلوم و مشخص است.

ارزیابی ستون‌های دوبل ناودانی

شکل 22 نتایج آزمایشگاهی ستون‌های فولادی 2UW3 و 2UW3C1 دارای نقص و مورد مقاوم‌سازی. با الیاف و بدون الیاف در پایین و شکل 23 نیز نتایج مدل‌سازی این ستون‌ها را با استفاده از نرم‌افزار المان محدود آباکوس. نشان می‌دهد. مقایسه عملکرد الیاف CFRP در تقویت محل نقص نشان می‌دهد که نمونه 2UW3C1 در شرایط آزمایشگاهی. دارای ظرفیت باربری بالاتری به میزان 5 درصد نسبت به نمونه مدل‌سازی 2UW3C1 هستند. همچنین این گروه با توجه به بیشترین طول نقص‌ها در هر دو نمونه آزمایشگاهی و مدل‌سازی. بیشترین اختلاف در تحمل نیروی محوری در حالت بین مقاوم‌سازی شده و نشده مشاهده می‌شود.

1-4-6-مدهای شکست ستون‌های گروه 4

شکل 24 و 25 توزیع تنش و کمانش موضعی را در اطراف محل نقص در ستون 2UW3 دارای نقص 750 میلی‌متر. به ترتیب برای حالت مقاوم‌سازی نشده و مقاوم‌سازی شده نشان می‌دهد. این نمونه ضعیف‌ترین نمونه در بین تمامی نمونه‌ها می‌باشد. و کمترین بار محوری به میزان 349/54 کیلونیوتن را می‌تواند تحمل کند. لذا مشاهده کمانش کلی به عنوان مد غالب کمانش و سپس کمانش موضعی در محل نقص‌ها. از جمله نتایج قابل قبول از نمونه‌های مورد نظر می‌باشد.

نتایج ناشی از شکست برای این نمونه نشان داد که جداسازی دو ناودانی از پایین تکیه‌گاه در بالا. تا محل شروع جوشکاری در انتهای ستون می‌باشد. مقدار حداکثر نیروی محوری بر روی این نمونه مقدار 34/4 کیلونیوتن می‌باشد. که این مقدار کمترین مقدار تحمل نیرو در بین تمامی نمونه‌های آزمایشگاهی است. همانطور که در تمامی شکل‌های مورد ارائه در این گروه مشخص است. تغییر شکل‌های حاصل از مدل‌سازی ستون‌ها با استفاده از نرم‌افزار، تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد.

همانطور که در شکل 25 مشاهده می‌شود وجود بزرگترین نقص در تمامی نمونه‌ها با طول 750 میلی‌متر. در صورت مقاوم‌سازی با الیاف CFRP می‌توانند بیشترین تحمل نیروی محوری را در بین تمامی نمونه‌ها. بعد از نمونه جوش سرتاسری داشته باشند.

ارزیابی ستون‌های دوبل ناودانی

استفاده از الیاف نقش به سزایی در مقاوم‌سازی بزرگترین طول نقص نسبت به تمامی نمونه‌ها دارد. همچنین استفاده از الیاف باعث کاهش تنش در محل تقویت می‌گردد. مدهای شکست در این ستون‌ها تقریباً مشابه ستون‌های گروه 2 می‌باشد. به طوری که اکثر مطالب بیان شده برای آن ستون‌ها، در اینجا نیز قابل قبول می‌باشد. همانطور که انتطار می‌رفت رفتار شکست در دو ستون با نقص‌های مشابه به گونه‌ای بود. که در ستون مقاوم‌سازی نشده، تا مرحله شکست کامل و جداسازی دو ناودانی پیش رفت.