بررسی عددی و آزمایشگاهی ستون های فولادی توخالی مقاوم سازی شده با کامپوزیت های مسلح به الیاف کربن

نوع مقاله: علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی سازه، گروه مهندسی عمران، واحد علوم و تحقیقات تهران، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی عمران، واحد علوم و تحقیقات تهران، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

3 استاد، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهید با هنر کرمان، کرمان، ایران

چکیده

در این تحقیق ستون های فولادی قوطی شکل توخالی که در سطح خارجی بوسیله ورقهای CFRP دور پیچ شده و تحت فشار محوری قرار گرفته، بررسی شده اند. روشهای متداول مقاوم سازی از جمله استفاده از ورقهای فولادی ضمن اینکه وزن سازه را افزایش می دهد در بعضی موارد دشوار و حتی غیر ممکن است. تحقیق حاضر در دو مرحله، به صورت تست آزمایشگاهی و مدل سازی به روش اجزای محدود و به کمک نرم افزار ANSYS  انجام شده است. به منظور تعیین میزان افزایش بار نهایی فشاری ستون های فولادی قوطی شکل توخالی، تعداد 7 نمونه قوطی توخالی به ابعادmm  5/2 × 90 × 90  که با CFRP تقویت شده بودند، و دو نمونه شاهد  مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج حاصل از نرم افزار با نتایج آزمایشگاهی صحت سنجی گردید. سپس نمونه ها با استفاده از نرم افزار  ANSYS شبیه سازی شد. نتایج نشان داد، وقتی که پوشش لایه های CFRP کامل نباشد، CFRP تاثیری در افزایش بار محوری فشاری ستون ها ندارد. همچنین نتایج نشان داد که، موقعیت قرارگیری، تعداد، جهت و درصد پوشش لایه های CFRP در افزایش ظرفیت فشاری ستون های فولادی قوطی شکل توخالی موثر می باشند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical and experimental investigation of hollow steel columns strengthened with carbon fiber reinforced polymer

نویسندگان [English]

  • Amir Hamzeh Keykha 1
  • Masoud Nekooei 2
  • Reza Rahgozar 3
1 PhD student in Structural Engineering, Department of Civil Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Assistant professor Department of Civil Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran
3 Professor, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
چکیده [English]

In this research the hollow steel columns that strengthened with CFRP under axial compression has been investigated.Retrofit methods such as the use of steel plates increases the structural weight and in some cases using such method is difficult and impossible. This paper reports experimental and numerical modeling using ANSYS software. To determine the ultimate load of square hollow section (SHS) steel columns, seven samples of SHS steel columns with dimensions of 90 × 90 × 2.5 mm which were strengthened with CFRP  and two control samples were tested. The results of numerical model was validated with experimental results. The results showed that, when the coverage of CFRP layers is not complete, CFRP has no effect on increase of the compressive axial load of SHS steel columns. In addition, the results showed that, the number, direction, and the coverage of CFRP layers can be effectively increase the pressure capacity of SHS steel columns.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Steel columns
  • strengthening
  • CFRP
  • Finite element method Laboratory method
[1]    ACI Committee 440, “Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures”, ACI440.2R-02, Farmington Hills, MI, American Institute, 2002.

[2]       Teng, J. G., Hu, Y. M., “Behavior of FRP jacketed circular steel tubes and cylindrical shells under compression”, International Journal of Construction and Building Materials, Vol. 21 (2007) 827–838.

[3]       Kalavagunta, S., Naganathan, S., Bin Mustapha K. N., “Proposal for design rules of axially loaded CFRP strengthened cold formed lipped channel steel sections”, Thin-Walled Structures, Vol. 72 (2013) 1-14.

[4]       Jiao, H., Zhao, X. L., “CFRP strengthened butt-welded very high strength (VHS) circular steel tubes”, Thin-Walled Structures, Vol. 42(7) (2004) 963–78.

[5]       Tao, Z., Han, L. H., Wang, L. L., “Compressive and flexural behavior of CFRP-repaired concrete-filled steel tubes after exposure to fire”, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 63 (2007) 1116–1126.

[6]       Kalavagunta, S., Naganathan, S., Bin Mustapha K. N., “Proposal for design rules of axially loaded CFRP strengthened cold formed lipped channel steel sections”, Thin-Walled Structures, Vol.72 (2013) 1-14.

[7]       Gao, X. Y., Balendra, T., Koh, C. G., “Buckling strength of slender circular tubular steel braces strengthened by CFRP”, Engineering structures, Vol. 46 (2013) 547-556.

[8]       Shaat, A., Fam, A., “Axial loading tests on CFRP-retrofitted short and long HSS steel columns”, Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 33, No.4 (2006) 458–70.

[9]       Haedir, J., Zhao, X. L., “Design of short CFRP-reinforced steel tubular columns, Journal of Constructional Steel Research”, Vol. 67 (2011) 497–509.

[10]    Bambach, M. R., Elchalakani, M., “Plastic mechanism analysis of steel SHS strengthened with CFRP under large axial deformation”, Thin-Walled Structures, Vol. 45 (2007) 159–170.

[11]    Sundarraja, M. C., Sivasankar, S., “Experimental investigation on FRP confined HSS tubular members under compression”, Journal of structural Engineering, Vol. 40 (2013) 298-304.

[12]    Sundarraja, M. C., Ganesh Prabhu, G., “Experimental study on CFST members strengthened by CFRP composites under compression”, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 72 (2012) 75-83.

[13]    Tao, Z., Han, L. H., Wang, L. L., “Compressive and flexural behavior of CFRP-repaired concrete-filled steel tubes after exposure to fire”, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 63 (2007) 1116–1126.

[14]    Feng, P., Zhang, Y., Bai, Y., Ye, L., “Strengthening of steel members in compression by mortar-filled FRP tubes”, Thin-Walled Structures, Vol. 64 (2013) 1–12.

[15]    Narmashiri, K., Sulong, N. H. R., Jumaat, M. Z., “Failure analysis and structural behavior of CFRP strengthened steel I-beams”, Construction and Building Materials, Vol. 30 (2012) 1-9.