ریزمدلسازی اندرکنش بتن و میلگرد

بتن یکی از پر کاربردترین مصالح در مهندسی عمران می باشد. این ماده که در حقیقت یک نوع سنگ ساخته ی دست بشر است از مقاومت فشاری قابل قبول و مقاومت کششی بسیار پایین (در حدود 10 درصد مقاومت فشاری) و همچنین رفتاری ترد در کشش برخوردار است. از طرفی در بسیاری از قطعات سازه ای، کشش مستقیم و یا کشش ناشی از خمش ایجاد می شود. به همین جهت برای جبران ضعف مقاومت کششی بتن، ایده ی بتن مسلح ابداع شده است. فولاد مقاومتی بسیار بالا و همچنین رفتاری انعطاف پذیر تحت بارهای کششی از خود نشان می دهد. در اعضای بتن مسلح، بتن پیکره ی عضو را تشکیل می دهد و سختی و مقاومت عضو را تحت بارهای فشاری فراهم می آورد. میلگردهای فولادی در محل هایی که نیروهای کششی به وجود می آیند قرار داده می شوند تا هنگامی که بتن ترک می خورد وظیفه ی تحمل نیروهای کششی را بر عهده گیرند. در مصالح مرکب، نظیر بتن مسلح، رفتار مرکب نیازمند انتقال بار از یک ماده به ماده ی دیگر از طریق پیوند بین آن ها است. لذا شناخت ویژگی های پیوند و عوامل موثر بر آن برای پیش بینی رفتار پیوند در کارهای مهندسی و همچنین مدل سازی آن در تحلیل های سازه ای دارای اهمیت فراوانی است. در تحقیق حاضر به شبیه سازی رفتار پیوند تحت بارگذاری کششی وارد بر میلگرد در آزمایش برون کشی پرداخته می شود. در شبیه سازی مصالح بتن از رویکرد اجزای مجزا استفاده شده است. دانه های بتن به صورت کروی فرض شده اند. این دانه ها به کمک روش بازدارنده ی متوالی ساده و با لحاظ نمودن منحنی دانه بندی به صورت تصادفی در محیط چیده می شوند. اندرکنش بین این دانه ها به کمک میله های اتصال که مراکز دو دانه ی مجاور را به یکدیگر متصل می نمایند بیان می گردد. این میله ها از شبکه بندی دلونی بر روی مراکز دانه های موجود به دست می-آیند. مشخصات هندسی میله ها و رفتار آن ها در بارگذاری های مختلف بر طبق مدل شبکه ی برشی محصور بیان می-گردد. در شبیه سازی میلگرد فولادی از روش اجزای محدود استفاده شده است. المان های میلگرد از نوع چهار گرهی کرنش ثابت می باشند. رفتار فولاد به صورت ارتجاعی خطی در نظر گرفته شده است. از آن جایی که در تحلیل های انجام شده تنش های وارد شده از محل تماس به میلگرد از حد ارتجاعی فولاد تجاوز نمی نمایند فرض رفتار ارتجاعی واقع بینانه است. در شبیه سازی پیوند بین بتن و میلگرد از مفهوم پیوند- لغزش استفاده شده است. در انتقال نیرو بین دو ماده از مفهوم تماس نرم بهره گرفته شده است. بدین منظور در اطراف میلگرد یک لایه ی محافظ تعبیه شده است. وظیفه ی این لایه شناسایی دانه هایی از بتن که در هر لحظه وارد آن می شوند و اعمال نیروی جریمه به این دانه ها به نسبت طول نفوذ آن ها در این لایه می باشد. در انتگرال گیری عددی از روش صریح استفاده شده است. همچنین در هر گام زمانی برای محاسبه ی مقادیر لازم برای گام زمانی بعد از روش تفاضل مرکزی بهره گرفته شده است. نتایج حاصل از بارگذاری های فشاری تک محوره بر روی نمونه های مکعبی و استوانه ای بتن نشان می دهد که برنامه ی حاضر همانند تحلیل های موجود در مدل شبکه ی برشی محصور قادر به بیان رفتار بتن تحت فشار می باشد. همچنین نمودارهای تنش پیوند- لغزش حاصل از تحلیل برون کشی میلگرد صاف انطباق قابل قبولی با نمودارهای حاصل از آزمایش های تجربی دارد.