تحلیل تئوری و اجزای محدود ستون‏های HPFRCC در پل‏های راه و راه‏آهن تحت بار خارج از مرکز

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری سازه، گروه عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد سمنان

2 استاد ممتاز، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان

3 استادیار، گروه عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد سمنان

10.22075/jtie.2020.20423.1454

چکیده

پل‏های بتن آرمه از مهمترین عناصر سازه­ای در سیستم حمل­ و نقل جاده­ای و ریلی می‏باشند. استفاده از مصالح جایگزین بر پایه سیمان که رفتار مطلوب­تری در کشش نسبت به بتن داشته باشند، همواره مورد توجه است. مصالح کامپوزیت‏های سیمانی الیافی توانمند (HPFRCC)، به علت رفتار سخت­شوندگی کرنشی پس از ایجاد اولین ترک در کشش و ایجاد پل‏های بین ترک­ها به علت وجود الیاف در این مواد، رفتار مقاوم­تر و شکل­پذیرتری نسبت به بتن معمولی در کشش از خود نشان می‏دهند. در این مطالعه، رفتار ستون‏های بتنی و HPFRCC در پل‏ها که تحت بار محوری خارج از مرکز ناشی از بار مرده عرشه پل می‏باشند، با استفاده از روش اجزای محدود، به کمک نرم‏افزار ABAQUS و روش تئوری، پس از صحت‏سنجی با نتایج آزمایشگاهی، با یکدیگر مقایسه و بررسی شده است. همچنین، اثر پارامترهای بیشینه مقاومت فشاری، کرنش نهایی کششی کامپوزیت‏های سیمانی و مقدار آرماتورهای طولی بر تغییرات منحنی اندرکنش بار محوری لنگر خمشی در ستون‏ها مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان می‏دهد که توان باربری ستون‏های بتن مسلح و HPFRCC مسلح در ناحیه کنترل فشار منحنی اندرکنش بار محوری- لنگر خمشی به یکدیگر تقریباً نزدیک است. ولی مقدار خروج از مرکزیت متعادل و توان باربری ستون HPFRCC مسلح در ناحیه کنترل کشش منحنی، به علت تغییر رفتار کامپوزیت‏های سیمانی در کشش نسبت به بتن بیشتر از ستون بتن مسلح است. مقدار این افزایش توان باربری متغیر و وابسته به مقدار خروج از مرکزیت بار محوری بوده و بین 2/5 تا 7/42 درصد می‏باشد. همچنین، مقدار افزایش خروج از مرکزیت متعادل 20% است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Theoretical and finite element analysis of HPFRCC columns in road and railways bridges under eccentric load

نویسندگان [English]

  • Moammadjavad Memar 1
  • Ali Kheyroddin 2
  • Ali Hemmati 3
1 Ph.D Candidate, Department of Civil Engineering, Semnan Branch, Islamic Azad University, Semnan , Iran.
2 Department of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, Iran
3 Department of Civil Engineering, Semnan Branch, Islamic Azad University, Semnan, Iran.
چکیده [English]

Reinforced concrete bridges are one of the most important structural elements in road and rail transportation systems. The use of cement-based alternative materials that have a better tensile behavior than concrete is always considered. The material of high performance fiber reinforced cementitious composite (HPFRCC) is of more resistance and ductility than normal concrete in tension, due to the strain hardening behavior under tension after formation of first cracking and bridges between the cracks by the fibers present in this material. In this study, the behavior of concrete and HPFRCC columns in bridges, that are under the eccentric load due to the dead load of the bridge deck, using finite element method with ABAQUS software, and theoretical method after validation with based on the experimental approach, have been compared. Also, in reinforced HPFRCC column, the effects of peak compressive stress, ultimate tension strain of HPFRCC and longitudinal reinforcement on variation of axial load-bending moment interaction curve have been investigated. The results show that the load carrying capacity of reinforced concrete and HPFRCC columns in the compression control area of axial load-bending load interaction curve is almost close to each other. But, the amount of balanced eccentricity and load carrying capacity of the HPFRCC column in the tension control area curve is higher than of the reinforced concrete column due to the change of the HPFRCC behavior in the tension compared to the concrete. The value of this increase in load carrying capacity varies and depends on the amount of eccentricity of axial load and is between 5.2% and 42.7%. Also, the amount of increase in balanced eccentricity is equal to 20%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • column of road and railway bridges
  • HPFRCC
  • Finite element
  • axial load-bending moment interaction
  • balanced eccentricity
ارشدی، ح.، خیرالدین، ع. و نادرپور، ح. 1398. "مطالعه آزمایشگاهی شاخص­های خرابی اتصالات تیر- ستون پل‏های بتنی راه‏آهن با فولاد مقاومت بالا تحت بار سیکلیک". مهندسی زیرساخت­های حمل و نقل، 19: 51-70.

آیین­نامه طرح و محاسبه پل‏های بتن آرمه. 1387. نشریه شماره 1389.

ثقفی، م. ح.، شریعتمدار، ه. و خیرالدین، ع. 1395. "بررسی آزمایشگاهی و کاربرد کامپوزیت‏های سیمانی الیافی توانمند در مقاوم سازی اتصالات تیر به ستون پل‏های راه‏آهن با قاب­های صلب". مهندسی زیرساخت­های حمل و نقل، 2(1): 33-51.

ABAQUS6.12. 2012. Simulia Inc., Providence, RI.

ACI318. 2014. “Building code requirements for structural concrete and commentary on building code requirements for structural concrete”. American Concrete Institute, Farmington Hills, MI.

Chellapandian, M., Suriya Prakash, M. and Rajagopal, A. 2018. “Analytical and finite element studies on hybrid FRP strengthened RC column elements under axial and eccentric compression”. Compos. Struct., 184: 234-248. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.09.109

Cho, C. G., Kim, Y. Y., Feo, L. and Hui, D. 2012. “Cyclic responses of reinforced concrete composite columns strengthened in the plastic hinge region by HPFRC mortar”. Compos. Struct., 94: 2246-2253. https://doi.org/ 10.1016/j.compstruct.2012.01.025

Elchalakani, M., Karrech, A., Dong, M., Mohamed, A. M. S. and Yang, B. 2018. “Experiments and finite element analysis of GFRP reinforced geopolymer concrete rectangular columns subjected to concentric and eccentric axial loading”. Struct., 14: 273-289. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2018.04.001

Federal Highway Administration (FHWA). 2017. “Deficient bridges by highway system”. Available online: https://www.fhwa.dot.gov/bridge/nbi/no10/defbr17.cfm

Gencturk, B. and Elnashai, A. S. 2013. “Numerical modelling and analysis of ECC structures”. Mater. Struct., 46: 663-682. https://doi.org/10.1617/s11527-012-9924-0

He, A., Cai, J., Chen, Q. J., Liu, X., Xue, H. and Yu, C. 2017. “Axial compressive behavior of steel-jacket retrofitted RC columns with recycled aggregate concrete”. Constr. Build. Mater., 141: 501-516. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.03.013

Hemmati, A., Kheyroddin, A. and Sharbatdar, M. K. 2013. “Flexural behavior of reinforced HPFRCC beams”. J. Rehabil. Civ. Eng., 1: 66-77. https://doi.org/10.22075/JRCE.2013.6

Hemmati, A., Kheyroddin, A. and Sharbatdar, M. K. 2014. “Proposed equations for estimating the flexural characteristics of reinforced HPFRCC beams”. Iran. J. Sci. Technol., Trans. Civ. Eng., 38: 395-407. https://doi.org/ 10.22099/IJSTC.2014.2417

Hemmati, A., Kheyroddin, A., Sharbatdar, M. K., Purk, Y. and Abolmali, A. 2016. “Ductile behavior of high performance fiber reinforced cementitious composite (HPFRCC) frames”. Constr. Build. Mater., 115: 681-689. https://doi.org/ 10.1016/j.conbuildmat.2016.04.078

Hognestad, E., Hanson, N. W. and McHenry, D. 1955. “Concrete stress distribution in ultimate strength design”. ACI J., 52(12): 455-479. Available: https://web.yonsei.ac.kr/yscon/course/CEE3402/Handouts /CEE3402_Concrete_stress_distribution_in_Ultimate_Strength_Design.pdf

Hosseini, F. and Gencturk, B. 2019. “Structural assessment of bridge columns with engineered cementitious composites and Cu-Al-Mn superelastic alloys”. Constr. Build. Mater., 203: 331-342. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.01.102

Kavashima, K., Zafra, R., Sasaki, T. and Kajiwara, K. 2012. “Seismic performance of a full-size poltpropylene  fiber reinforced cement composite bridge column based on E-defense shake table experiments”. J. Earthq. Eng., 16(4): 463-495. https://doi.org/10.1080/13632469.2011.651558

Labizadeh, M., Jamalpour, R., Jing, D. H. and Khajehdezfuly, A. 2019. “A numerical comparison between spiral transverse RC and CFST columns under loads of varying eccentricities”. Period. Polytech. Civ. Eng., 63(4): 1171-1182.https://doi.org/10.3311/PPci.14177

Li, L. Z., Bai, Y., Yu, K. Q, Yu, J. T. and Lu, Z. D. 2019. “Reinforced high-strength cementitious composite (ECC) columns under eccentric compression: Experiment and theoretical model”. Eng. Struct., 198(11): 109541. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.109541

Lin, J., Song, Y., Xie, Z., Guo, Y., Yuan, B., Zeng, J. and Wei, X. 2020. “Static and dynamic mechanical behavior of engineered cememtitious composites with PP and PVA fibers”. J. Build. Eng., S2352-7102(19): 31288-4. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2019.101097

Liu, Y. and Zhu, S. 2019. “Finite element analysis on the seismic behavior of side joint of performance cage system in prefabricated concrete frame”. Front. Struct. Civ. Eng., 3: 1095-1104. https://doi.org/10.1007/s11709-019-0538-2

Manjusha, K. T. and Anila, S. 2019. “Finite element investigation of ECC encased CFST columns under eccentric loading”. Int. J. Eng. Res. Technol., 8: 274-279.

Moncef, L. N. and Mohamed, A. E. M. A. 2019. “Experimental and numerical study of engineered cementitious composite with strain recovery under impact loading”. Appl. Sci., 9(5): 994. https://doi.org/10.3390/app9050994

Qiao, Z., Pan, Z., Xue, W. and Meng, S. 2019. “Experimental study on flexural of ECC/RC composite beams with U-shaped ECC permanent formwork”.  Front. Struct. Civ. Eng., 3: 1271-1287. https://doi.org/10. 1007/s11709-019-0556-0

Quang, K. M., Dang, V. B. P., Han, S. W.  Shin, M. and Lee, K. 2016. “Behavior of high-performance fiber-reinforced cement composite columns subjected to horizontal biaxial and axial loads”. Constr. Build. Mater., 106: 89-101. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.087

Salman, H. M. and Al-Sherraawi M. H. 2018. “Finite element modeling of a reinforced concrete column strengthened with steel jacket”. Civ. Eng. J., 4: 916-925. http://dx.doi.org/10.28991/cej-0309144

Singh, M., Saini, B. and Chalak, H. D. 2019. “Performance and composition analysis of engineered cementitious composite (ECC)- A review”. J. Build. Eng., 26: 10851. https://doi.org/10.1016/j.jobe .2019.100851

Truong, G. T., Kim, J. C. and Choi, K. K. 2017. “Seismic performance of reinforced concrete columns retrofitted by various methods”. Eng. Struct., 134: 217-235. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2016. 12.046

Tysmans, T., Wozniak, M., Remy, O. and Vantomme, J. 2015. “Finite element modelling of the biaxial behaviour of high-performance fibre-reinforced cement composites (HPFRCC) using concrete damaged plasticity”. Finite Elem. Anal. Des., 100: 47-53. https://doi.org/10.1016/j.finel.2015.02.004

Wang, Y. H., Guo, Y. F., Liu. J. P. and Zhou, X. H. 2017. “Experimental study on torsion behavior of concrete filled steel tube columns subjected to eccentric compression”. J. Constr. Steel Res., 129: 119-128. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2016.11.011

Wang, W., Liu, J., Agostini, F., Davy, C. A, Skoczylas, F. and Corvez, F. 2014. “Durability of an ultra high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC) under progressive aging”. Cement Concrete Res., 55: 1-13. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2013.09.008

Xin, J., Zhou, J., Zhou, F., Yang, S. X. and Zhou, Y. 2018. “Bearing capacity model of corroded RC eccentric compression columns based on hermite interpolation and fourier fitting”. Appl. Sci., 9(1): 24. https://doi.org/10.3390/app9010024

Yonas, T. Y., Temesgen, W. and Senshaw F. W. 2018. “Finite element analysis of slender composite column subjected to eccentric loading”. Int. J. Appl. Eng. Res., 13: 11730-11737. Available at: https://www.ripublication.com/ijaer18/ijaerv13n15_05.pdf

Zhang, R., Meng, Q., Shui, Q., He, W., Chen, K., Liang, M. and Sun, Z. 2019. “Cyclic response of RC composite bridge column with precast PP-ECC jackets in the region of plastic hinges”. Compos. Struct., 221:110844. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2019.04.016