پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد » عمران «

گرایش: مهندسی عمران – سازه هیدرولیکی

عنوان:

مدلسازی واکنش قلیایی در آنالیز بتن با روش اجزاء محدود

 

 

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                    صفحه

چکیده ………………………………………………………………………………………………………………………………………..۱

مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………….۲

 

فصل اول : کلیاتی در خصوص پدیده واکنش قلیایی سنگدانه ها…………………………………………………………۵

۱-۱-مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………………۶

۱-۲-انواع واکنش قلیایی سنگدانه ها……………………………………………………………………………………………….۶

۱-۲-۱-واکنش قلیایی سیلیسی………………………………………………………………………………………………………۶

۱-۲-۲-واکنش قلیایی سلیس- سیلیکاتی………………………………………………………………………………………..۷

۱-۲-۳-واکنش قلیایی کربناتی……………………………………………………………………………………………………….۷

۱-۳-مکانیسم واکنش قلیایی سنگدانه ها…………………………………………………………………………………………۷

۱-۳-۱-واکنش قلیایی سیلیسی (ASR ) ………………………………………………………………………………………7

1-3-2-واکنش قلیایی کربناتی (ACR )……………………………………………………………………………………….9

1-4-شرایط لازم برای واکنش قلیایی سنگدانه ها……………………………………………………………………………۱۰

۱-۵-مراحل فرایند واکنش قلیایی…………………………………………………………………………………………………۱۱

۱-۵-۱-مرحله نهفتگی ………………………………………………………………………………………………………………۱۱

عنوان                                                                                                                  صفحه

۱-۵-۲-مرحله ایجاد ترک…………………………………………………………………………………………………………۱۱

۱-۵-۳-مرحله تثبیت………………………………………………………………………………………………………………..۱۲

۱-۶- نشانه های واکنش قلیایی سنگدانه ها………………………………………………………………………………….۱۲

۱-۷-ارزیابی نرخ خرابیها…………………………………………………………………………………………………………..۱۴

۱-۸-پیشگیری از واکنش قلیایی………………………………………………………………………………………………….۱۶

۱-۹- مدیریت سازه های تحت تاثیر واکنش قلیایی سنگدانه ها……………………………………………………….۱۹

۱-۱۰-روشهای بهبود وضعیت سازه متاثر از واکنش قلیایی سنگدانه ها ……………………………………………۲۰

۱-۱۱-نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………………..۲۱

 

فصل دوم : مطالعات علمی و تجربی گذشته…………………………………………………………………………………..۲۲

۲-۱-مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………….۲۳

۲-۲- تحقیقات در مورد مدلهای ارائه شده……………………………………………………………………………………۲۳

۲-۲-۱- مدل دو فازی……………………………………………………………………………………………………………….۲۴

۲-۲-۲- تحقیقات Wen  ………………………………………………………………………………………………………۲۵

۲-۲-۳–مدل ترمودینامیکی……………………………………………………………………………………………………….۲۶

۲-۲-۴- مدل ترمومکانیک واکنش قلیایی……………………………………………………………………………………۲۷

عنوان                                                                                                                  صفحه

۲-۲-۵- مدل پارامتریک واکنش قلیایی……………………………………………………………………………………….۲۸

۲-۲-۶- تحقیقات Romera…………………………………………………………………………………………………..29

2-2-7-تحقیقات seignol………………………………………………………………………………………………………32

2-2-8-مدل Larive……………………………………………………………………………………………………………..34

2-2-9- تحقیقات Turanli……………………………………………………………………………………………………35

2-2-10- تحقیقات Swamy…………………………………………………………………………………………………37

2-2-11 -تحقیقات Hamada………………………………………………………………………………………………40

2-3-نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………………۴۳

 

فصل سوم : مروری بر نتایج آزمایش مبناء………………………………………………………………………………………۴۴

۳-۱-مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………..۴۵

۳-۲-مقاومت  فشاری متوسط نمونه ها…………………………………………………………………………………………۴۵

۳-۳نحوه ساخت تیره ها و درصد آرماتور آن ها …………………………………………………………………………۴۵

۳-۳-۱-نحوه آماده کردن تیرهای بتنی جهت بارگذاری …………………………………………………………………..۴۶

۳-۴-بررسی نتایج آزمایش ها و تجزیه و تحلیل آنها……………………………………………………………………….۴۷

۳-۴-۱-مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………۴۷

عنوان                                                                                                                  صفحه

۳-۴-۲ مقایسه کرنش در بتن تیرهای با سنگدانه های فعال و غیر فعال………………………………………….۴۸

۳-۴-۳- مقایسه کرنش های ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه ها در تیرهای بتنی ……………………………. ۵۲

۳-۸-بررسی تعیین ظرفیت خمشی تیرهای بتنی مسلح …………………………………………………………………..۵۵

۳-۹-بررسی نتایج آزمایش مبناء با تحقیقات گذشته……………………………………………………………………….۵۷

 

فصل چهارم : مدل کردن تیرها با روش عناصر محدود…………………………………………………………………….۵۸

۴-۱-مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………………………۵۹

۴-۲-مدل سازی………………………………………………………………………………………………………………………..۵۹

۴-۲-۱-مدل کردن فشار داخلی…………………………………………………………………………………………………..۶۱

۴-۲-۲-مدل کردن آرماتورها (فولاد) ………………………………………………………………………………………….۶۶

۴-۳-مقایسه نتایج مدل و آزمایش……………………………………………………………………………………………….۶۶

۴-۴- محدودیتهای مدل عددی ………………………………………………………………………………………………….۸۱

۴-۵- روش گام به گام مدل کردن………………………………………………………………………………………………۸۱

۴-۶-نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………………………۸۲

 

فصل پنجم : نتیجه گیری……………………………………………………………………………………………………………۸۳

نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………………………………۸۴

عنوان                                                                                                                  صفحه

فصل ششم : پیشنهادات……………………………………………………………………………………………………………….۸۵

پیشنهادات………………………………………………………………………………………………………………………………….۸۶

پیوست  الف………………………………………………………………………………………………………………………………۸۷

پیوست ب……………………………………………………………………………………………………………………………….. ۹۲

فهرست مراجع………………………………………………………………………………………………………………………….. ۹۷

چکیده انگلیسی………………………………………………………………………………………………………………………..۱۰۴

 

فهرست جداول

عنوان                                                                                                                  صفحه

 

 

جداول فصل اول

جدول ۱-۱-ضرایب وزنی برای هر یک از نشانه های خرابی حاصل از  ASR...……………………………… 14

جدول۱-۲-شاخص DRI برای پنج مغزه سد   Mactaquace …………………………………………………… 15

جدول۱-۳-شاخص DRI برای چند سد  …………………………………………………………………………………… ۱۶

جدول ۱-۴ آزمایشهای پیشنهادی    ASTM Standard………………………………………………………………17

 

جداول فصل دوم

جدول ۲-۱- جابجایی دو نقطه سد   mm ………………………………………………………………………………… 31

 

جداول فصل سوم

جدول  ۳-۱- مشخصات نمونه های استوانه ای و تیرهای بتنی مسلح  …………………………………………..۴۶

 جدول ۳-۲- بار نهایی برای تیرهای فعال و غیر فعال…………………………………………………………………….۵۶

 

عنوان                                                                                                                     صفحه

 

جداول فصل چهارم

 

جدول ۴ – ۱- مقایسه تنش بتن فشاری و آرماتور کششی تیرهای  تا  مدل و آزمایشگاه در سن ۱۲۰روزگی………………………………………………………………………………………………………………………………. ۷۱

جدول ۴-۲- مقایسه تنش بتن فشاری و آرماتور کششی تیرهای  تا  مدل و آزمایشگاه در سن ۱۵۰روزگی……………………………………………………………………………………………………………………………….۷۱

جدول ۴-۳- مقایسه تنش بتن فشاری و آرماتور کششی تیرهای  تا  مدل و آزمایشگاه در سن ۱۸۰روزگی……………………………………………………………………………………………………………………………….۷۲

جدول۴-۴- مقایسه تنش بتن فشاری و آرماتور کششی تیرهای  تا  مدل و آزمایشگاه در سن ۲۱۰روزگی………………………………………………………………………………………………………………………………۷۲

جدول۴-۵- مقایسه تنش بتن فشاری و آرماتور کششی تیرهای  تا  مدل و آزمایشگاه در سن ۲۴۰روزگی………………………………………………………………………………………………………………………………۷۳

جدول۴-۶- مقایسه تنش بتن فشاری و آرماتور کششی تیرهای  تا  مدل و آزمایشگاه در سن ۲۷۰روزگی………………………………………………………………………………………………………………………………۷۳

 

جداول پیوست الف

جدول الف-۱-نتایج آزمایش کشش سه آرماتو به قطر ۶ میلیمتر ………………………………………………….. ۸۸

 

عنوان                                                                                                                   صفحه

 

جدول الف-۲- نتایج آزمایش کشش سه آرماتو به قطر ۶ میلیمتر…………………………………………………  ۸۹

جدول الف- ۳- نتایج آزمایش کشش سه آرماتو به قطر ۱۰ میلیمتر……………………………………………… ۹۰

 جدول الف-۴-نتایج آزمایش کشش سه آرماتو به قطر ۱۲ میلیمتر………………………………………………. ۹۱

 

 

فهرست اشکال

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

اشکال فصل اول

 

شکل۱-۱-وقوع ترکهای ناشی از واکنش قلیایی سنگدانه ها……………………………………………………………… ۱۳

 

اشکال فصل دوم

شکل ۲-۱ مدل یک بعدی رفتار بتن تحت اثر AAAAR    …………………………………………………………………….۲۴

شکل ۲-۲- مشخصات تیر مدل شده ……………………………………………………………………………………………. ۲۵

شکل ۲-۳- تنش در آرماتور کششی …………………………………………………………………………………………….. ۲۶

شکل ۲-۴- مدل سه بعدی برای ۴/۱ تیر ………………………………………………………………………………………. ۳۲

شکل ۲-۵- منحنی کرنش طولی –زمان…………………………………………………………………………………………. ۳۳

شکل ۲-۶- منحنی تغییر مکان – زمان ………………………………………………………………………………………….. ۳۳

شکل ۲-۷- منحنی انبساط آزاد به دست آمده از آزمایش Isotermic………………………………………………  ۳۴

شکل ۲-۸ تاثیر افزایش میکروالیافها بر کرنش ناشی از واکنش قلیایی –آزمایش اول………………………………۳۵

شکل ۲-۹- تاثیر افزایش میکروالیافها بر کرنش ناشی از واکنش قلیایی –آزمایش دوم……………………………۳۶

شکل ۲-۱۰- مشخصات تیر Swamy……………………………………………………………………………………………37

 

عنوان                                                                                                                      صفحه

 

شکل ۲-۱۱- مدل شکست تیرها……………………………………………………………………………………………………..۳۸

شکل ۲-۱۲- منحنی بار تغییر مکان در تیرها………………………………………………………………………………………۳۹

شکل ۲-۱۳- منحنی بار کرنش بتن در تیرها…………………………………………………………………………………….. ۳۹

شکل ۲-۱۴- – منحنی بار کرنش بتن در تیرها ………………………………………………………………………………….۴۰

شکل۲-۱۵-مشخصات نمونه ها……………………………………………………………………………………………………….۴۱

شکل ۲-۱۶ نسبت کرنش طولی حالات ۳ تا ۸ به حالات ۲…………………………………………………………………۴۲

 

اشکال فصل سوم

 

شکل ۳-۱- مشخصات تیر مدل شده و نحوه قرارگیری تیرها جهت اعمال بارگذاری…………………………… ۴۷

 شکل ۳-۲- کرنش بتن در تیر    ……………………………………………………………………………………………. ۴۸

شکل ۳-۳- کرنش بتن در تیر     …………………………………………………………………………………………….. ۴۹

شکل۳-۴- کرنش بتن در تیر  ………………………………………………………………………………………………… ۴۹

شکل ۳-۵-کرنش بتن در تیر     …………………………………………………………………………………………… ۵۰

شکل۳-۶-کرنش بتن در تیر   ………………………………………………………………………………………………… ۵۰

شکل۳-۷- کرنش بتن در تیر    ………………………………………………………………………………………………. ۵۱

عنوان                                                                                                                    صفحه

 

شکل۳-۸- کرنش واکنش قلیایی بتن در تیر    ………………………………………………………………………… ۵۲

شکل۳-۹- کرنش واکنش قلیایی بتن در تیر  ………………………………………………………………………….. ۵۳

شکل۳-۱۰- کرنش واکنش قلیایی بتن در تیر …………………………………………………………………………. ۵۳

شکل ۳-۱۱-کرنش واکنش قلیایی بتن در تیر    ………………………………………………………………………. ۵۴

شکل ۳-۱۲- کرنش واکنش قلیایی بتن در تیر   ………………………………………………………………………. ۵۴

شکل۳-۱۳- کرنش واکنش قلیایی بتن در تیر …………………………………………………………………………. ۵۵

شکل۳-۱۴- بارگذاری تیرهای بتنی مسلح……………………………………………………………………………………..۵۶

 

 

اشکال فصل چهارم

شکل ۴- ۱- نمای سه بعدی از تیر مدل شده ………………………………………………………………………………. ۶۰  

 شکل ۴-۲-فشار داخلی بتن بدلیل تورم ژل ………………………………………………………………………………… ۶۱

شکل ۴-۳-نحوه اعمال نیروی گره ای ناشی از فشار داخلی در هر المان……………………………………………۶۴

 شکل ۴-۴-منحنی فشار داخلی – کرنش آزاد برای تیر بدون آرماتور………………………………………………. ۶۵

شکل ۴-۵-مقایسه نتایج مدل اول و دوم با نتایج آزمایشگاه برای تیر ………………………………………… ۶۷

 

عنوان                                                                                                                صفحه

 

شکل ۴-۶- مقایسه نتایج مدل با نتایج آزمایشگاه برای تیر  ………………………………………………….. ۶۸

 شکل ۴-۷- مقایسه نتایج مدل با نتایج آزمایشگاه برای تیر ………………………………………………….. ۶۸

 شکل ۴-۸- مقایسه نتایج مدل با نتایج آزمایشگاه برای تیر ………………………………………………….. ۶۹

 شکل ۴-۹- مقایسه نتایج مدل با نتایج آزمایشگاه برای تیر  …………………………………………………. ۶۹

شکل ۴-۱۰- مقایسه نتایج مدل با نتایج آزمایشگاه برای تیر  ………………………………………………… ۷۰

شکل ۴-۱۱-تنش در بتن فشاری در مقطع نصف دهانه تیر  ………………………………………………… ۷۴

شکل۴-۱۲-تنش در بتن فشاری در مقطع نصف دهانه تیر …………………………………………………… ۷۵

شکل ۴-۱۳- تنش در بتن فشاری در مقطع نصف دهانه تیر  ……………………………………………… ۷۵

شکل ۴-۱۴- تنش در بتن فشاری در مقطع نصف دهانه تیر  ……………………………………………… ۷۶

شکل ۴-۱۵- تنش در بتن فشاری در مقطع نصف دهانه تیر …………………………………………………۷۶

شکل ۴-۱۶- تنش در بتن فشاری در مقطع نصف دهانه تیر. ………………………………………………..۷۷

شکل ۴-۱۷- تنش در آرماتور کششی در مقطع نصف دهانه تیر ………………………………………….. ۷۷

شکل ۴-۱۸- تنش در آرماتور کششی در مقطع نصف دهانه تیر …………………………………………… ۷۸

شکل ۴-۱۹- تنش در آرماتور کششی در مقطع نصف دهانه تیر  ………………………………………… ۷۸

شکل۴-۲۰-تنش در آرماتور کششی در مقطع نصف دهانه تیر  …………………………………………… ۷۹

 

عنوان                                                                                                             صفحه

 

شکل ۴-۲۱- تنش در آرماتور کششی در مقطع نصف دهانه تیر ……………………………………….. ۷۹

شکل ۴-۲۲- تنش در آرماتور کششی در مقطع نصف دهانه تیر ……………………………………….. ۸۰

 

اشکال پیوست الف

 شکل ۱- نتایج آزمایش کشش آرماتور به قطر ۶ میلیمتر ………………………………………………………….. ۸۷

 شکل ۲- نتایج آزمایش کشش آرماتور به قطر ۸ میلیمتر…………………………………………………………….۸۸

شکل ۳- نتایج آزمایش کششی آرماتور به قطر ۱۰ میلیمتر …………………………………………………………۸۹

 شکل ۴- نتایج آزمایش کششی آرماتور به قطر ۱۲ میلیمتر ………………………………………………………. ۹۰

 

چکیده

 

 

بتن را  می توان به  عنوان یکی از محورهای شاخص سازه  و ابنیه  معرفی  کرد . در  کنار تمامی ویژگیهای مثبت و منحصر به فرد ،  بتن همانند  هر ماده  دیگری  در  جهان هستی  دارای   پاره ای خواص منفی نیز می باشد که  منجر به  بروز  چالشها  در استفاده از آن میگردد . از  جمله  می توان به مواردی چون خزش ، فرسایش ،… اشاره کرد . یکی دیگر از عواملی که در کنار  عوامل فوق  می تواند روی  بهره برداری  بهینه  از بتن موثر  باشد  تورم  سنگدانه های  موجود  در  بتن تحت تاثیر پدیده ای به نام واکنش قلیایی سنگدانه است .

واکنش قلیایی سنگدانه ها ، یک  واکنش شیمیایی  در  سنگدانه های  خاص و قلیایی موجود  در بتن است که منجر به تشکیل  یک ژل سیلیسی- قلیایی که تولید فشار کرده و در نهایت سبب انبساط و ایجاد ترک و کاهش مقاومت بتن می شود .

در این  پژوهش اثر این پدیده  در  دراز مدت روی تیر بتنی مسلح  و وضعیت تیر از لحاظ رفتار خمشی ، همچنین تاثیر درصد آرماتورهای کششی و فشاری و ظرفیت  باربری بررسی خواهد شد . تیرهای  بتن آرمه  بر اساس خواص مکانیکی  بتن  در  نظر گرفته  شده است . تیرها  mm1100  درازا  داشت  ̨  سپس  مدلی  به  روش  اجزاء  محدود  توسط  برنامه   ABAQUS برای واکنش قلیایی –  سنگدانه ها  طراحی  شده  است  .  در  مدل  ارائه  شده  واکنش  قلیایی  بصورت  فشار  داخلی  یکنواخت  و  با  معادلات  حاکم  بر  این  پدیده  منظور  گردیدند  و  نتیجه  کلی  واکنش قلیایی  باعث  افزایش  تنش آرماتور کششی  می گردد  که در هنگام طرح تیر بایستی در نظر گرفته شود . همچنین  برای بررسی صحت نتایج بدست آمده  از مدل با  نتایج  واقعی  با مطالعاتی که در گذشته در این زمینه صورت گرفته است به قیاس گذاشته شده است .

واژه های کلیدی : واکنش قلیایی سیلیسی سنگدانه ها ، انبساط ، تیر بتنی مسلح ، مقاومت خمشی

12000 تومان – خرید