ارزیابی لرزه ای تیرهای فولادی تقویت شده با GFRP و CFRP
محورهای موضوعی : آنالیز سازه - زلزلهمهدی خانلو 1 , حیدر دشتی ناصر آبادی 2 * , مرتضی جمشیدی 3
1 - عضو هیات علمی دانشگاه آزاد اسلامی واحد نوشهر
2 - گروه مهندسی عمران، واحد چالوس، دانشگاه آزاد اسلامی، چالوس ، ایران
3 - استادیار وعضوهیات علمی گروه عمران دانشگاه آزاداسلامی واحد چالوس.
کلید واژه: مقام سازی تیر های فولادی, الیاف پلیمری, کامپوزیت پلیمری شیشه ای, کامپوزیت پلیمری کربنی, مطالعه عددی, آباکوس.,
چکیده مقاله :
برای تقویت تیرهای فولادی آسیب‌دیده از الیاف تقویتی، به‌ویژه کربنی و شیشه‌ای، استفاده می‌شود تا ظرفیت خمشی و سختی آن‌ها افزایش یابد و تسلیم تأخیر بیفتد. این مواد برای تعمیر تیرهای آسیب‌دیده، مقابله با خوردگی و افزایش عمر سازه مؤثرند. الیاف کربنی برای تقویت بال و الیاف شیشه‌ای برای تقویت جان تیر مناسب‌ترند. موضوع اصلی این تحقیق ارزیابی لرزه ای تیرهای فولادی تقویت شده به صورت عددی با نرم افزار المان محدود آباکوس می باشد. به منظور بررسی نحوه اثرگذاری تقویت تیر ها با الیاف های کامپوزیت پلیمری کربنی و شیشه ای در این پژوهش، از 7 تیر نیمه پهن متداول در ایران استفاده شده است. الیاف ها نیز در سه موقعیت: زیر بال تحتانی و دوطرف جان تیر و یا همزمان در هر دو، نصب و مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که تقویت تیر فولادی با الیاف تقویتی تأثیر کمی بر سختی اولیه (۳ تا ۱۰ درصد) دارد اما سختی ثانویه را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد. نصب الیاف زیر بال کششی، رفتار تیر را غیرخطی‌تر و نصب در دو طرف جان، رفتار آن را خطی‌تر می‌کند. همچنین نتایج نشان می دهد که پس از تسلیم، سختی تیر ۸۰ تا ۹۷ درصد کاهش می‌یابد که این کاهش در کامپوزیت پلیمری کربنی بیشتر از شیشه ای است. ضمنا، شکل‌پذیری تیر با کامپوزیت پلیمری بین ۱۱ تا ۱۶ درصد کاهش می‌یابد و نصب الیاف در دو طرف جان، شکل‌پذیری بیشتری نسبت به سایر حالات دارد. تقویت ترکیبی (بال + جان)، بیشترین سختی ثانویه را ایجاد می‌کند که در این حالت، کامپوزیت پلیمری شیشه ای عملکرد بهتری نسبت به کربنی دارد. نتایج از نظر جنبه اقتصادی نشان می دهد که کامپوزیت پلیمری کربنی تا ۵۵ درصد گران‌تر از شیشه ای است و هزینه تقویت در سه حالت زیر بال، دو طرف جان و ترکیبی، به‌ترتیب ۵۴٪، ۴۸٪ و ۴۵٪ بیشتر از شیشه ای برآورد شده است.
To strengthen damaged steel beams, fiber-reinforced materials—particularly carbon and glass fibers—are utilized to enhance their flexural capacity and stiffness while delaying yielding. These materials are effective for repairing damaged beams, mitigating corrosion effects, and extending structural service life. Carbon fibers are more suitable for flange strengthening, whereas glass fibers are preferable for web reinforcement. The primary focus of this study is the seismic performance assessment of steel beams numerically strengthened with Fiber Reinforced Polymer (FRP) composites using the finite element software ABAQUS. In this research, seven IPE (I-beam) sections commonly used in Iran were analyzed. The FRP fibers were applied in three different configurations: beneath the bottom flange, on both sides of the web, and a combination of both. These configurations were examined and analyzed accordingly. The results of the study indicate that FRP reinforcement has a limited effect on initial stiffness (increasing it by 3% to 10%), but significantly enhances post-yield stiffness. Installing fibers beneath the tensile flange leads to more nonlinear beam behavior, while installation on both web sides results in a more linear response. Furthermore, the findings reveal that after yielding, the beam stiffness reduces by 80% to 97%, with carbon fiber composites experiencing a greater reduction compared to glass fibers. Ductility of beams reinforced with FRP composites decreased by 11% to 16%, with web-side reinforcement exhibiting higher ductility than other configurations.The combined reinforcement (flange + web) yields the highest post-yield stiffness, where glass FRP composites outperform carbon FRP in this configuration. From an economic perspective, the study shows that carbon FRP is up to 55% more expensive than glass FRP. The reinforcement costs in the three configurations—under the bottom flange, on both web sides, and combined—were estimated to be 54%, 48%, and 45% higher, respectively, compared to glass FRP alternatives.
[1] Bastani A, Das S, Kenno S. Rehabilitation of carbon fabric in thin-walled structures. Thin-Walled Structures. 2019; 143: 106215. https://doi.org/10.1016/j.tws.2019.106215.
[2] Elkhabeery OH, Safar SS, Mourad SA. Flexural strength of steel I-beams reinforced with carbon sheets at tension flange. Journal of Constructional Steel Research. 2018; 148: 572-588. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2018.05.038.
[3] M'Bazaa I, Missihoun M, Labossiere P. Strengthening of reinforced concrete beams with carbon sheets. First International Conference on Composites in Infrastructure. 1996-1-15 to 1996-1-17.
[4] Choi DU, Kang THK, Ha SS, Kim KH, Kim W. Flexural and bond behavior of concrete beams strengthened with hybrid carbon-glass fiber-reinforced polymer sheets. ACI Structural Journal. 2011; 108(1): 90. https://doi.org/10.14359/51664206.
[5] Deng J, Jia Y, Zheng H. Theoretical and experimental study on notched steel beams strengthened with carbon plate. Composite Structures. 2016; 136: 450–459. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.10.024.
[6] Deng J, Li J, Xie W. Numerical study on notched steel beams strengthened by carbon plates. Construction and Building Materials. 2018; 163: 622–633. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.12.110.
[7] Jagtap PR, Pore SM. Strengthening of fully corroded steel I-beam with carbon laminates. Materials Today: Proceedings. 2021; 43: 2170–2175. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.12.106.
[8] Yu QQ, Wu YF. Fatigue retrofitting of cracked steel beams with carbon laminates. Composite Structures. 2018. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.02.090.
[9] Altaee M, Cunningham LS. Practical application of carbon strengthening to steel floor beams with web openings: A numerical investigation. Journal of Constructional Steel Research. 2019; 155: 395–408. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2019.01.006.
[10] Gholami M, Mohd Sam AR, Marsono AK. Performance of steel beams strengthened with pultruded carbon plate under various exposures. Steel and Composite Structures. 2016; 20(5): 999–1022. https://doi.org/10.12989/scs.2016.20.5.999.
[11] Li J, Deng J, Wang Y. Experimental study of notched steel beams strengthened with a carbon plate subjected to overloading fatigue and wetting/drying cycles. Composite Structures. 2019; 209: 634–643. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.11.020.
[12] Madhavan M, Sanap V, Verma R. Flexural strengthening of structural steel angle sections using CFRP: Experimental investigation. Journal of Composites for Construction. 2016. https://doi.org/10.1061/(ASCE)CC.1943-5614.0000578.
[13] Selvaraj S, Madhavan M. Carbon strengthened steel beams: Improvement in failure modes and performance analysis. Structures. 2017. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2017.08.008.
[14] Katrizadeh E, Narmashiri K. Experimental study on failure modes of MF-carbon strengthened steel beams. Journal of Constructional Steel Research. 2019; 158: 120–129. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2019.03.027.
[15] Bastani A, Das S, Lawn D. Rehabilitation of shear deficient steel beams using strengthening fabric. Structures. 2019; 19: 349–361. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2019.01.019.
[16] ABAQUS-V6.16-1. Finite element analysis software. Johnston, RI, USA: Dassault Systèmes Simulia Corp; 2015. ABAQUS/Standard theory manual.
[17] Al-Emrani M, Kliger R. Performance with carbon laminate – Part 1: Laboratory tests. Composites Part B: Engineering. 2010; 41(7): 509–515. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2009.07.002.
[18] Zhang D, Wang Q, Dong J. Simulation study on carbon strengthened reinforced concrete beam under four-point bending. Computers and Concrete. 2016; 17(3): 407–421. http://dx.doi.org/10.12989/cac.2016.17.3.407.