مدل‌سازی عددی تیرهای فولادی تقویت‌شده با نوارهای CFRP تحت بارگذاری خستگی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد سازه دانشکده مهندسی دانشگاه فردوسی مشهد مشهد ایران

2 استادیار دانشکده مهندسی دانشگاه فردوسی مشهد مشهد ایران

چکیده

تحلیل اجزای سازه‌ای تحت بارگذاری خستگی به علت پیچیدگی رفتار تحت این نوع از بارگذاری یکی از چالش‌ برانگیزترین مسائل در حوزه مهندسی عمران و سازه است. برای یافتن عمر خستگی یک عضو سازه‌ای باید از آزمایش‌های زمان‌بر و هزینه‌بر استفاده ‌شود و این در حالی ‌است که داده‌های بدست آمده دارای پراکندگی زیادی هستند و برای شرایط متفاوت قابل‌ استفاده نیستند. بنابراین ارایه‌ی یک مدل برای شبیه‌سازی شرایط خستگی ضمن کاهش هزینه‌های انجام آزمایش و صرفه‌جویی در زمان، می‌تواند یک راه‌حل جامع و نظام‌مند را برای شرایط گوناگون ارایه کند. بر این اساس، در پزوهش پیش رو، با بهره‌گیری از یافته‌های یک پژوهش آزمایشگاهی موجود، رفتار تیرهای فولادی تقویت‌نشده و تقویت‌شده تحت بارگذاری خستگی، با شبیه‌سازی در یک مدل عددی مورد بررسی قرار گرفته است. در این مطالعه، یازده تیر فولادی با بال کششی بریده شده (نیمرخ W5×10 از جنس فولاد A36) تقویت‌نشده و تقویت‌شده با نوارهای CFRP، در نرم‌افزار اجزای محدود مدل‌سازی شدند و در بازه‌های تنش 207 تا 379 مگاپاسکال با فرکانس 5 تا 10 هرتز تحت بارگذاری خستگی قرار گرفتند. نتیجه ها حاصل از مدل‌سازی عددی با نتیجه ها پژوهش آزمایشگاهی پیشین مقایسه و رابطه‌هایی جهت تخمین عمر خستگی نمونه‌های تقویت‌نشده و تقویت‌شده ارایه شد. روند افت سختی نسبی نمونه‌ها در مدل عددی نیز مورد بررسی قرار گرفت. نتیجه ها حاصل از درست آزمایی نشان داد که مدل عددی و رابطه‌های استخراج‌شده از دقت مناسبی برخوردار هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical modeling of steel beams strengthened with CFRP sheets under fatigue loading

نویسندگان [English]

  • Amin Hasheminasab 1
  • Mohammadreza Tavakkolizadeh 2
1 M.Sc. Student in Structural Engineering Faculty of Engineering Ferdowsi University of Mashhad Mashhad Iran
2 َAssistant Professor Faculty of Engineering Ferdowsi University of Mashhad Mashhad Iran
چکیده [English]

Analysis of structural components under fatigue loading due to the complexity of the loading is one of the most challenging problems in civil and structural engineering field. In order to find the fatigue life of a structural member, the costly and time-consuming experiments must be conducted while the collected data is very scattered and cannot be used for other conditions and problems. Therefore, finding effective numerical models to analyze a member subjected to fatigue load, could reducing time and expenses while could offer a systematic and general solution in variety of conditions. In this research, using the findings of a previous experimental study, the behavior of CFRP retrofitted and unretrofitted notched steel beams under fatigue loading has been studied by finite element by numerical modeling in a commercial finite element software. In this study, 11 notched CFRP retrofitted and unretrofitted steel beams (hot-rolled W5×10 made of A36 steel) were modeled and fatigue loaded until failure with stress range between 207 and 379 MPa under frequency of 5 to 10 Hz. The results of numerical modeling were compared with the results of previous experimental study and several equations were presented to estimate the fatigue life of unretrofitted and retrofitted specimens. The normalized stiffness losses of specimens were investigated as well. The verifications showed that numerical models and extracted equations have good agreement with the experimental results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Strengthening
  • Fatigue
  • Steel beam
  • CFRP
  • Numerical modeling
[1] Lorenzo, L. and Hahn, H. T. (1986). Fatigue Failure Mechanisms in Unidirectional Composites. Composite Materials: Fatigue and Fracture, 1, pp 210–232.
[2] Awad, Z. K.; Aravinthan, T.; Zhuge, Y. and Gonzalez, F. (2012). A review of optimization techniques used in the design of fibre composite structures for civil engineering applications. Materials and Design, 33, pp 534–544.
[3] Tavakkolizadeh, M. and Saadatmanesh, H. (2003). Fatigue strength of steel girders strengthened with carbon fiber reinforced polymer patch. Journal of Structural Engineering. 129 (2), pp 186-196.
[4]  Jiao, H.; Mashiri, F. and Zhao, X. L. ( 2012). A comparative study on fatigue behaviour of steel beams retrofitted with welding, pultruded CFRP plates and wet layup CFRP sheets. Thin-Walled Structures, 59, pp 144-152.
[5] Colombi, P. and Fava, G. (2015). Experimental study on the fatigue behavior of cracked steel beams repaired with CFRP plates. Engineering Fracture Mechanics. 145, pp 128-142.
[6]  Bocciarelli, M.; Colombi, P.; D'Antino, T. and Fava, G. ( 2018). Intermediate crack induced debonding in steel beams reinforced with CFRP plates under fatigue loading. Engineering Structures, 171, pp 883-893.
[7]  Hu, L.; Feng, P. and Zhao, X. L. ( 2017). Fatigue design of CFRP strengthened steel members. Thin-Walled Structures, 119, pp 482-498.
[8]  Li, J.; Deng, J.; Yi, W.; Guan, J. and Zheng, H. ( 2019). Experimental study of notched steel beams strengthened with a CFRP plate subjected to overloading fatigue and wetting/drying cycles. Composite Structures, 209, pp 634-643.
[9] Anderson, T. L. (1994), Fracture Mechanics, Fundamentals and Applications. 2nd Edition. CRC Press: Washington DC, 630.
[10] Hartloper, A. R.; De Castro e Sousa, A. and Lignos, D. G. (2021). Constitutive modeling of structural steels: nonlinear isotropic/kinematic hardening material model and its calibration. Journal of Structural Engineering, 147 (4), 04021031.
[11] Gorash, Y. and MacKenzie, D. (2017). On cyclic yield strength in definition of limits for characterization of fatigue and creep behavior. Open Engineering. 7 (1), pp 126-140.
[12] Amesweb-Advanced Mechanical Engineering Solutions, (2017). Profiles. Available at: https://amesweb.info/Profiles/Standard-Steel-I-Beam-Sizes-Chart.aspx.
[13] Hernandeza, D. A.; Alberto Soufen, C. and Ornaghi Orlandi, M. (2017). Carbon fiber reinforced polymer and epoxy adhesive tensile test failure analysis using scanning electron microscopy. Materials Research, 20 (4), pp 951-961.
[14] Ferreira Rodrigues, M.; Correia, J. A. F. O.; Pedrosa, B.; De Jesus, A. M. P. (2017). Static and fatigue behavior of Sikadur®-30 and Sikadur®-52 structural resins/adhesives. In: 2nd International Conference on Structural Integrity. Funchal, Madeira, Portugal: INEGI/Faculty of Engineering, 17.
[15] Kachlakev, D. I.; Miller, T. H.; Potisuk, T.; Yim, S. C. and Chansawat, K. (2001). Finite element modeling of reinforced concrete structures strengthened with FRP laminates. Oregon: Oregon department of transportation, 133.
[16] Wang, Y. C.; Lee, M. G. and Chen, B. C. (2007). Experimental study of FRP-strengthened RC bridge girders subjected to fatigue loading. Composite Structures. 81 (4), pp 491-498.
[17] Abaqus documentation, (2017). Three-dimensional conventional shell element library. Available at: https://abaqus-docs.mit.edu/2017/English/SIMACAEELMRefMap/simaelm-r-shellgeneral.html.
[18] Massachusetts Institute of Technology: MIT, (2017). Eight-node brick element with reduced integration (C3D8R and F3D8R). Available at: https://web.mit.edu/calculix_v2.7/CalculiX/ccx_2.7/doc/ccx/node27.html.
[19] Karolczuka, A.; Papuga, J. and Palin-Luc, T. (2020). Progress in fatigue life calculation by implementing life-dependent material parameters in multiaxial fatigue criteria. International Journal of Fatigue. 134, 105509.