مدلسازی کامپوزیت‌های بتنی تقویت شده با فولاد در آباکوس

اهداف آموزش: با مطالعه این آموزش کاربردی با مفاهیم اصلی در مدلسازی و آنالیز فرآیند شکست و آسیب کامپوزیت‌های بتنی تقویت شده “Fibre Concrete Composites” در آباکوس آشنا خواهید شد. همچنین قادر خواهید بود الزامات مورد نیاز در مدلسازی شکست و آسیب بتن‌های تقویت شده، نحوه وارد کردن پارامترهای شکست بتن‌های تقویت شده و مراحل مدلسازی مورد نظر در ABAQUS را فراگیرید و بنا به نیاز، مفاهیم اصلی این آموزش را در مدلسازی انواع هندسه، بارگذاری، شرایط مرزی و . . . در حوزه مسائل گوناگون مهندسی عمران بکار گیرید.

بتن‌ها را باید از مهمترین مواد مورد استفاده در مهندسی عمران به شمار آورد. زمانی که این ماده تحت بارهای فشاری دچار تغییر شکل می‌شود، در کنار استحکام بالای فشاری رفتاری غیرخطی از خود نشان می‌دهد. اما زمانی که بتن تحت بارگذاری کششی قرار می‌گیرد به شدت ضعیف عمل کرده و به دلیل شکل‌گیری ترک‌ و شکست ترد، استحکام کششی محدودی پیدا می‌کند. مهندسین برای برطرف کردن این ضعف، افزودن میله‌های فولادی در بستر بتنی را پیشنهاد دادند. در کنار این موضوع SFRCها به دنیای مهندسی عمران معرفی شدند. این نوع از بتن‌ها از الیاف ناپیوسته کوچک فولادی بجای میله‌های تقویتی در بتن بهره می‌بردند.

فلسفه استفاده از هر دو گزینه (میله تقویتی و SFRC) ارتقای رفتار ترد بتن در کشش و سوق دادن رفتار آن به سمت رفتار نرم است. شکل زیر گویای همین موضوع است.

آنچه که اتفاق می‌افتد اینست که زمانیکه بتن تحت کشش ترک می‌خورد، الیاف SF بار کششی را تحمل کرده و منجر به شکل‌گیری یک رفتار نرم در بتن تحت کشش می‌شوند.

سطح مشترک الیاف تقویتی و زمینه بتنی در کامپوزیت‌های بتنی تقویت شده

به‌منظور مدلسازی فرایند توضیح داده شده در بخش قبلی به کمک نرم‌افزارهای اجزا محدود، نیاز داریم تا یک مدل دقیق از سطح مشترک بین الیاف تقویتی و زمینه بتنی در اختیار داشته باشیم. تصویر شماتیک دو بعدی از سطح مشترک بتن و الیاف در شکل زیر نشان داده شده است.

در این تصویر، ناحیه سطح مشترک با خطوط قرمز نشان داده شده است. رفتار SFRC به کمک تست بیرون کشیدن (Pull Out test) یک فیبر از بستر بتنی مورد مطالعه قرار می‌گیرد. نیروی بیرون کشیدن و مکانیزم شکست مرتبط با تست بیرون کشیدن رشته فولادی به سه رفتار متفاوت وابسته است که باید در ناحیه تماس مشترک بتن تقویت شده در نظر گرفته شود: پیوند چسبنده، جدایش و رفتار اصطکاکی.

رفتار پیوند چسبنده در کامپوزیت‌های بتنی تقویت شده

در طول اولین مرحله از بیرون کشیدن رشته فولادی، رفتار حاکم با مطالعه چسبندگی بین بستر بتنی و رشته فولادی توصیف می‌شود. این اتصال بین دو ماده به دلیل روش ساخت کامپوزیت است. تنش‌های برشی از طریق رشته‌های فولادی و در ناحیه مرز مشترک، به بستر بتنی منتقل می‌شود که این موضوع تعریف رابطه لغزش-اتصال را ضروری می‌سازد.

رفتار جدایش در Fibre Concrete Composites

با ادامه دادن به بیرون کشیدن رشته فولادی از بستر بتنی، مقدار تنش برشی موجود بین فیبر و بتن افزایش می‌یابد. در یک مقدار مشخص از تنش برشی ماکزیمم، چسبندگی و اتصال بین رشته و بستر بتنی شروع به از بین رفتن می‌کند. لازم به‌ذکر است که این موضوع ناگهانی نبوده و به تدریج رخ می‌دهد. تنش‌ها تا زمانی که ماکزیمم تنش حاصل شود به شکل معمول و بدون مشکل انتقال پیدا می‌کنند. رسیدن به تنش برشی ماکزیمم آغاز زمانی است که جدایش اولیه اتفاق می‌افتد. پس از این نقطه و با آغاز جدایش، مقادیر پایین‌تری از تنش از طریق سطح مشترک انتقال پیدا کرده تا اینکه سطح مشترک دچار شکست شود (و مرحله جدایش تکمیل شود).

به منظور مدلسازی این جدایش، معمولاً به یک قانون جدایش کششی (Traction Separation Law) نیاز است. این قانون باید شروع آسیب (ماکزیمم تنش برشی) و رشد آسیب (توصیف ریاضی فرآیند جدایش) را به خوبی توصیف کند.

رفتار اصطکاکی در کامپوزیت‌های بتنی تقویت شده

زمانی که مقادیر آستانه آسیب متناسب با جدایش، حاصل شد، رفتار اصکاکی وارد عمل شده و نقش بازی خواهد کرد. با ادامه دادن به بیرون کشیدن رشته فولادی از بستر بتنی در این مرحله، تنش‌های ایجاد شده در سطح مشترک فیبر و زمینه از هر دو موضوع اصطکاک و رشد آسیب اثر خواهد پذیرفت (پروسه جدایش). تنش‌های حاصل از اصطکاک تا زمانی که رشته فولادی به شکل کامل از بستر بتنی بیرون کشیده شود، همچنان به ایفای نقش می‌پردازد.

به منظور در نظر گرفتن این رفتار ناشی از اصطکاک در سطح مشترک، باید از اصطکاک کولمب استفاده کنیم. این رفتار اصطکاکی، تنش برشی ایجاد شده بین دو سطح را به عنوان کسری از تنش عمودی موجود بین سطوح در نظر می‌گیرد.

مدلسازی کامپوزیت‌های بتنی تقویت شده با فولاد در آباکوس

قصد داریم در این بخش، نحوه وارد کردن پارامترهای فوق در آباکوس را مرور کنیم. این  موارد می‌تواند در مدلسازی مدلسازی تست Pull out در آباکوس بکار گرفته شود. برای این منظور، پس از مدلسازی هندسی مسئله مورد نظر (که بسته به مسئله مورد نظر شما می‌تواند متفاوت باشد و طیف گسترده‌ای از مدل‌های هندسی را در بر گیرد)، وارد ماژول Interaction شوید و در قسمت Create Interaction Property گزینه Contact را انتخاب نمایید.

تنظیمات Cohesive Behavior در مدلسازی کامپوزیت‌های بتنی تقویت شده توسط آباکوس

برای تعریف رابطه لغزش-اتصال در مدلسازی رفتار چسبنده بین سطوح، بر روی گزینه Cohesive Behavior از قسمت Mechanical در آباکوس کلیک کنید.

در پنجره باز شده، مانند شکل زیر مقادیر مربوطه را وارد نمایید. توجه داشته باشید برای تسلط بر مفاهیم و مقادیر وارد شده باید Documentation را به شکل کامل مطالعه نمایید.

تنظیمات Damage در آباکوس

همچنین برای تعریف مقادیر شروع آسیب، بر روی گزینه Damage از بخش Mechanical در آباکوس کلیک کنید. این مقادیر در تعریف خواص جدایش در لحظه شروع آسیب بکار گرفته می‌شود.

در ادامه، برای تعریف مقادیر مربوط به رشد آسیب، وارد زبانه Evolution شده و مقادیر مربوطه را وارد نمایید.

تعریف رفتار اصطکاکی کولمب در آباکوس (تنظیمات Tangential Behavior)

در گام آخر با هدف تعریف رفتار اصطکاکی کولمب، گزینه Tangential Behavior را انتخاب کرده و مقدار مربوط به ضریب اصطکاک دلخواه را وارد می‌کنیم.

با اطلاع از روند وارد کردن پارامترهای فوق، قادر خواهید بود روش کار را در مورد هر مسئله دلخواه (فارغ از هندسه و بارگذاری و . . ) بکار بگیرید.

تذکر: به شما توصیه میکنم حتما مقاله آموزشی ” مدل‌سازی میله‌های تقویتی در سازه توسط نرم‌افزار آباکوس” و ” تحلیل رشد ترک سه‌بعدی ورق کامپوزیتی با روش XFEM در آباکوس” که قبلا در سایت درج شده است را نیز مطالعه بفرمایید. همچنین در پستی بصورت مفصل پیرامون آموزش آباکوس در مهندسی عمران پرداختیم.

منبع: آکادمی نرم‌افزارهای مکانیک

Biaxial stresses in steel fibre reinforced concrete: modelling the pull out-behaviour of a single steel fibre using FEM (master student thesis: an der Aa, P. J., 28 Feb 2014, TU/E- Department of built environment)