مدل سازي عددي تيرهاي بتني تقويت شده با CFRP انعطاف پذير در دماهاي بالا

Numerical modelling of the Concrete Beams Strengthened with externally bonded CFRP Fabrics at High Temperatures

مدتي است كه استفاده از پليمر هاي مسلح شده با الياف كربن (CFRP)، بعنوان يك روش كارآمد براي مقاوم سازي سازه‌‌ها رايج شده است. در پژوهش حاضر براي مدل سازي تيرهاي مقاوم شده با CFRP انعطاف پذير در دماهاي بالا، از روش المان محدود، و براي مدل سازي عددي، از نرم‌افزار المان محدود آباكوس استفاده شده است. نتايج بدست آمده از روش المان محدود با نتايج آزمايش‌هاي پيشين انجام شده توسط نويسندگان مقايسه شده اند. مطالعه نمونه‌ها با آزمايش چهار نقطه خمشي تيرهاي بتني مقاوم شده با CFRP انعطاف پذير با سه مقاومت بتني متفاوت در دماهاي 20، 50 و 80 درجه سانتي‌گراد انجام گرفت. مدل سازي نمونه‌ها، همانند روند آزمايشگاهي، در دو مرحله متوالي انجام گرفته است. در مرحله اول، نمونه ها تا دماهاي مورد نظر گرم شده و در مرحله بعد تحت همان دماي بالا، تحت بارگذاري مكانيكي تا گسيختگي، قرار گرفتند. نتايج مدل سازي با توجه به مقدار بارنهايي، روند منحني‌هاي بارنهايي- جابجايي و الگوي ترك خوردگي با نتايج آزمايشگاهي مقايسه گرديد كه نشان از تطابق خوب روند مكانيكي با مدل هاي عددي بود. همچنين تاثير كرنش هاي حرارتي نسبت به كرنش هاي ناشي از بار مكانيكي خارجي، مورد بررسي قرار گرفته و مشخص شد كه نقش عدم تناسب ضريب انبساط حرارتي ،كمتر از نقش كاهش مشخصات مكانيكي در اثر حرارت بوده است. در نهايت نتايج المان محدود با مدل هاي تحليلي ارائه شده براي محاسبه كرنش در CFRP، تنش برشي و نرمال در بتن ناشي از تغيير دما مقايسه و تطابق قابل قبولي مشاهده شد.

The use of externally bonded fiber reinforced polymer (FRP) has been proven to be an effective and efficient method to strengthen deficient concrete components and structures. This paper presents numerical investigations on the de-bonding behavior of concrete beams strengthened with externally bonded CFRP fabrics, at elevated temperatures. The numerical study was carried out, using the commercial package, “Abaqus”, for finite element analysis. The simulation was validated against laboratory four point bending tests of nine plain concrete beams previously performed by the authors. The behavior of concrete beams with three different design concrete strength of 20, 30 and 40 MPa which were externally bonded by CFRP fabrics were investigated at -20, +20, +50 and +80 Degree Celsius. Linear elastic isotropic and orthotropic models were used for the CFRP layer and a cohesive bond model was used for the concrete – CFRP interface. A plastic damage model was also used for the concrete. In the finite element analysis, similar to the laboratory tests, the specimens were first heated up to the elevated temperatures, and then loaded up to failure. The results show good agreement with the experimental data, regarding the failure loads, load–displacement response, and crack patterns. The finite element results of thermal strains in CFRP and stresses in the concrete are also compared with the thermal strains and stresses, determined by the analytically models.