مدل سازی المان محدود سه بعدی برای تست های خمشی و خروجی دال های مرکب

دال های کامپوزیت با عرشه فولادی پیش ساخته و بتن ریخته شده در محل با آرماتور فولادی به طور گسترده ای در ساخت و ساز استفاده می شود. راحتی یک مفهوم سبک وزن با یکپارچگی انعطاف پذیر در روسازه های مختلف ساختمان، آنها را به گزینه ای جذاب برای کفپوش تبدیل می کند. با این حال، مشخصات مکانیکی دال مرکب و تغییر شکل‌ها پیچیده هستند: دال بتنی تحت بارهای مختلف و شرایط مرزی که رفتارهای غیرخطی را معرفی می‌کنند دچار ترک خوردگی و خرد شدن می‌شود. لغزش نسبی بین عرشه فولادی و دال بتنی در شرایط خمشی به برهمکنش‌های غیر ثابت و سه بعدی بین مواد تبدیل می‌شود. همچنین، فولاد و بتن تحت تغییر شکل‌های مشابه، رفتار تنش‌های متفاوتی را نشان می‌دهند.

شکست در دال های مرکب می تواند ناشی از خمش، برش عمودی یا طولی به عنوان تابعی از توزیع بار، طول دهانه و میزان اندرکنش بین مواد باشد. با این حال، شکست برشی طولی عامل حاکم بر رفتار شکل پذیر است که در اکثر عرشه های فولادی تجاری رایج است. مقاومت برشی طولی τu، که به عنوان پیوند برشی نیز شناخته می شود، از ترکیب پیوند شیمیایی اولیه، اصطکاک بین بتن و فولاد، و سپس قفل مکانیکی، که در درجه اول توسط نقش برجسته های عرشه فولادی ایجاد می شود، حاصل می شود. هدف طراحی این گونه منبت ها افزایش انتقال تنش باند برشی در امتداد سطح مشترک ورق فولادی و دال بتنی و جلوگیری از لغزش بین سطوح تماس است. از نظر مفهومی، هنگامی که مقاومت اولیه از پیوند شیمیایی فراتر رفت، دال بتنی بالای عرشه فولادی می لغزد و هر دو ماده ظرفیت تحمل بار مستقل خود را حفظ می کنند. بنابراین درک رفتار پیوند برشی در تحقیقات دال مرکب مرکزی است. چنین حالت های عملکرد و خرابی کامپوزیت غیر پیش پا افتاده نیاز به آزمایش های آزمایشگاهی در مقیاس کامل دارد.

نیاز به آزمایش فیزیکی نمونه ها برای درک عملکرد و رفتار کامپوزیت، توانایی بهبود طراحی محصول کامپوزیت و به ویژه طراحی ورق فولادی با فرم سرد را محدود می کند. در واقع، علاوه بر تلاش و هزینه برای اجرای آزمایش‌ها، نمونه‌های آزمایشگاهی و آماده‌سازی آزمون به زمان قابل‌توجهی نیاز دارند و در معرض تغییر هستند، مانند روش پخت بتن، که بر نتایج آزمایش تأثیر می‌گذارد. به طور مشابه، نمونه های طراحی عرشه فولادی جدید باید به صورت دستی یا از طریق شکل دهی سرد تولید شوند. شکل‌دهی سرد نیاز به سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی بدون اطمینان در عملکرد کامپوزیت دارد و منجر به توانایی یا انگیزه محدودی برای بهبود طراحی عرشه فولادی پس از آزمایش‌های فیزیکی می‌شود.

هزینه‌ها و ماهیت زمان‌بر تست‌های خمشی آزمایشگاهی، انگیزه اولیه برای محققان برای کشف رویکردهای جایگزین برای آزمایش‌های فیزیکی مورد نیاز آیین‌نامه‌های ساختمانی بود. به طور خاص، آزمون‌های مقیاس کاهش‌یافته، تحلیل‌های المان محدود (FE)، و روش‌های عددی مورد بررسی قرار گرفتند. در میان آن‌ها، مدل‌های FE به‌عنوان یک پلت فرم امیدوارکننده مورد توجه قرار گرفته‌اند که یا با رویکردهای مقیاس کاهش‌یافته [16]، [22]، [36]، [9]، [1]، [18] یا مستقیماً از خمش در مقیاس کامل و آزمایش‌های بیرون‌کشی [2]، [13]، [19]، [23] می‌توانند خصوصیات اسلب‌های مرکب را ساده‌تر کنند. توسعه مدل‌های کامپیوتری ارزان قیمت و پیشرفت سریع در روش‌های محاسباتی، نوید یک رویکرد قوی برای شبیه‌سازی تست‌های آزمایشگاهی را می‌دهد.

هدف از مطالعه ارائه شده در این مقاله، پیشبرد خصوصیات دال‌های مرکب از طریق ترکیب جدید مدل‌های FE در مقیاس کامل و تکنیک‌های شبیه‌سازی است. یوروکد 4 [12] دو روش طراحی نیمه تجربی را برای تحلیل مقاومت برشی ارائه می کند. روش‌های پیشنهادی “mk” و “تعامل جزئی” نیاز به آزمایش‌های گران قیمت و زمان‌بر در مقیاس کامل دارند. تست‌های استاندارد خمش و بیرون‌کشی Eurocode برای ورق عرشه فولادی پروفیل تجاری INCO70 مدل‌سازی شد. شکل 1 را ببینید. شبیه‌سازی‌های خمشی در ابتدا با نمونه‌های آزمایشگاهی برای تایید استحکام مدل‌های FE مقایسه شدند. متعاقباً، شبیه‌سازی‌های بیرون‌کشی بدون هیچ‌گونه نتایج آزمایشگاهی ایجاد شد، بنابراین صرفه‌جویی قابل توجهی در زمان و هزینه را ممکن کرد. هندسه برجستگی ها به طور دقیق مدل سازی شد و بنابراین، اثر سطح شیب دار بین بتن و ورق فولادی باعث تبدیل لغزش طولی به خمش عرضی موضعی ورق فولادی در مدل ها می شود. با انجام این کار، میکرومکانیک کامپوزیت را می توان آنالیز کرد. از جمله مقاومت برشی طولی τu، محورهای خنثی ورق فولادی و دال بتنی، و رفتارهای جداسازی مصالح فولادی و بتنی مورد بررسی قرار گرفتند.  چنین پارامترهایی اجزای حیاتی عملکرد کامپوزیت هستند.

ساختار بقیه این دست نوشته به شرح زیر است. بخش 2 تنظیمات آزمایشی را برای نمونه های آزمایشگاهی ارائه می دهد. بخش 3 مدل های FE را شرح می دهد. بخش 4 نتایج را برای هر دو شبیه سازی خمش و بیرون کشیدن توضیح می دهد. بخش 5 مشارکت های مطالعه در حوزه میکرومکانیک دال های مرکب را خلاصه می کند.