مقاوم‌سازی فشاری ستون فولادی دایروی با خوردگی موضعی توسط CFRP

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا

2 دانشیار، مدیرگروه ارشد عمران-سازه-دانشگاه آزاد اسلامی-واحد کرمان-کرمان-ایران

3 استادیار، گروه مهندسی عمران، واحد زاهدان، دانشگاه آزاد اسلامی، زاهدان، ایران

4 گروه عمران، واحد سیرجان، دانشگاه آزاد اسلامی، سیرجان، ایران

چکیده

سازه‌های فولادی به دلایل متعدد مانند وارد شدن بارهای تصادفی، خوردگی و کاهش مقاومت دچار آسیب می‌شوند که نیاز به ترمیم و بهسازی دارند. در این تحقیق به ستون‌های دایروی شکل فولادی، آسیب به ‌صورت خوردگی موضعی اعمال شد و تأثیر استفاده از الیاف پلیمری تقویت ‌شده به فیبر کربن برای مقاوم‌سازی مطالعه شد. تعداد 19 ستون دایروی شکل فولادی با ارتفاع و ابعاد آسیب یکسان تحت بار فشاری با نرم‌افزار آباکوس مدل‌سازی شدند که از این تعداد 6 نمونه به ‌صورت آزمایشگاهی تحلیل شدند. در نمونه‌های آزمایشگاهی، از خوردگی پیش ‌رونده برای ایجاد آسیب در نمونه‌ها استفاده شد و در تحلیل نرم‌افزاری برای بالا بردن دقت تحلیل از روش ترکیبی برای مطالعه کمانش‌های ناحیه خمیری بعد از کمانش اولیه استفاده شد. به‌ این ‌ترتیب ابتدا نمونه‌ها تحت تحلیل کمانشی قرار گرفته و در ادامه از روش تحلیل غیرخطی ریکس با در نظر گرفتن ناکاملی به ‌صورت کلی و موضعی برای تحلیل نمونه‌ها استفاده شد. نتایج نشان داد که ستون‌های دارای خوردگی دچار کاهش ظرفیت باربری و سختی شدند و تخریب کامل ناحیه آسیب‌ دیده ظرفیت باربری را برای ستون با آسیب میانه به میزان 40% و برای ستون با آسیب نزدیک به تکیه‌گاه به میزان 21% کاهش داد، که نشان ‌دهنده بحرانی‌تر بودن آسیب در میانه‌ی ستون است. استفاده از الیاف کربنی توانست کاهش باربری را به میزان 33% جبران کند و تأثیر مناسبی را در کنترل گسیختگی‌ها و کاهش تنش‌ها در محل آسیب‌دیده نشان داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Compressive strengthening of steel columns with local corrosion using CFRP

نویسندگان [English]

  • Omid Yousefi 1
  • Amir Ahmad Hedayat 2
  • Kambiz Narmashiri 3
  • Ali Karbakhsh 4
1 PH.D student
2 Associate Professor, Department of Civil Engineering, Kerman-branch, Islamic Azad University, Kerman, Iran
3 Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Zahedan Branch, Islamic Azad University, Zahedan, Iran
4 Department of Civil Engineering, Sirjan Branch, Islamic Azad University, Sirjan, Iran
چکیده [English]

Steel structures are damaged for a variety of reasons including accidental loads, corrosion and reduced strength which need to be repaired and improved. In this investigation, local corrosion was applied to the steel circular columns and the effects of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) for ‎strengthening have been studied. 19 specimens of steel Circular Hollow Section (CHS) column ‎with the same height and damage dimensions under compressive load were analyzed by ABAQUS software which six cases of them were performed experimentally. In laboratory cases, progressive corrosion was used to create damage to the specimens. In order to improve the accuracy of the analysis, a combined ‎method was used to study the post-buckling of the plastic zone. For this purpose, the ‎specimens were first subjected to elastic buckling analysis and then Riks non-linear analysis ‎with global and local imperfections was conducted. The results showed that the corrosion ‎reduces the bearing capacity and rigidity of the steel columns‏ ‏and complete destruction of the corroded area reduced the load bearing capacity by 40% for the column with corrosion in the middle and by 21% for the damage close to the base, which shows the former is more critical. Strengthening of columns retrofitted with carbon fibers restored ultimate load reduction by 33% and had a positive effect on controlling fractures and reducing stresses in the damaged area.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Strengthening
  • Corrosion
  • steel column
  • Column buckling
  • CFRP
‎[1] G. Malumbela, M. Alexander, P. Moyo, Variation of steel loss and its effect on the ultimate flexural capacity of RC beams corroded and repaired under load, Construction and Building Materials, 24(6) (2010) 1051-1059.
[2] Y. Ballim, J.C. Reid, Reinforcement corrosion and the deflection of RC beams–an experimental critique of current test methods, Cement and Concrete Composites, 25(6) (2003) 625-632.
[3] Y. Xu, H. Tang, J. Chen, Y. Jia, R. Liu, Numerical analysis of CFRP-confined concrete-filled stainless steel tubular stub columns under axial compression, Journal of Building Engineering, 37 (2021) 102130.
[4] M. Sundarraja, S. Sivasankar, Behaviour of CFRP jacketed HSS tubular columns under compression an experimental investigation, Journal of Structural Engineering, 39(5) (2013) 574-582.
[5] K.A. Harries, A.J. Peck, E.J. Abraham, Enhancing stability of structural steel sections using FRP, Thin-walled structures, 47(10) (2009) 1092-1101.
[6] G.G. Prabhu, M. Sundarraja, Behaviour of concrete filled steel tubular (CFST) short columns externally reinforced using CFRP strips composite, Construction and Building Materials, 47 (2013) 1362-1371.
[7] H. Jiao, X.-L. Zhao, CFRP strengthened butt-welded very high strength (VHS) circular steel tubes, Thin-walled structures, 42(7) (2004) 963-978.
[8] Z. Tao, L.-H. Han, J.-P. Zhuang, Using CFRP to strengthen concrete-filled steel tubular columns: stub column tests, in:  Fourth International Conference on Advances in Steel Structures, Elsevier, 2005, pp. 701-706.
[9] J. Haedir, X.-L. Zhao, Design of short CFRP-reinforced steel tubular columns, Journal of Constructional Steel Research, 67(3) (2011) 497-509.
[10] S. Sivasankar, T. Thilakranjith, M. Sundarraja, Axial Behavior of CFRP Jacketed HSS Tubular Members-An Experimental Investigation, International Journal of Earth Sciences and Engineering, 61(413) (2012) 1729-1737.
[11] D. He, J. Dong, Q. Wang, X. Chen, Mechanical behaviour of recycled concrete filled steel tube conlumns strengthened by CFRP, in:  2011 International Conference on Multimedia Technology, IEEE, 2011, pp. 1110-1113.
[12] S. Kalavagunta, S. Naganathan, K.N.B. Mustapha, Proposal for design rules of axially loaded CFRP strengthened cold formed lipped channel steel sections, Thin-Walled Structures, 72 (2013) 14-19.
[13] M. Shahraki, M.R. sohrabi, G. Azizian, K. Narmashiri, Reliability Assessment of CFRP-Strengthened Deficient Steel SHS Columns %J AUT Journal of Civil Engineering, 3(1) (2019) 23-36.
[14] A.H. Keykha, Structural performance evaluation of deficient steel members strengthened using CFRP under combined tensile, torsional and lateral loading, Journal of Building Engineering, 24 (2019) 100746.
[15] Y.-H. Wang, Y.-Y. Wang, X.-H. Zhou, R. Deng, Y.-S. Lan, W. Luo, P. Li, Q.-S. Yang, K. Ke, Coupled ultimate capacity of CFRP confined concrete-filled steel tube columns under compression-bending-torsion load, Structures, 31 (2021) 558-575.
[16] O. Yousefi, K. Narmashiri, M.R. Ghaemdoust, Structural behaviors of notched steel beams strengthened using CFRP strips, Steel and Composite Structures, 25(1) (2017) 35-43.
 
[17] M.R. Ghaemdoust, K. Narmashiri, O. Yousefi, Structural behaviors of deficient steel SHS short columns strengthened using CFRP, Construction and Building Materials, 126 (2016) 1002-1011.
 
[18] M. Karimian, K. Narmashiri, M. Shahraki, O. Yousefi, Structural behaviors of deficient steel CHS short columns strengthened using CFRP, Journal of Constructional Steel Research, 138 (2017) 555-564.
[19] O. Yousefi, K. Narmashiri, A.A. Hedayat, A. Karbakhsh, Strengthening of corroded steel CHS columns under axial compressive loads using CFRP, Journal of Constructional Steel Research, 178 (2021) 106496.
[20] F. Schué, FRP: strengthened RC structures. JG Teng, JF Chen, ST Smith and L Lam. John Wiley & Sons, Ltd, Chichester, UK, 2001. pp 245, ISBN 0-471-48706-6, 53(2) (2004) 232-233.
‎[21]  S.J.S.I. SikaWrap®-230 C, India, Product Data Sheet, (2019).‎
‎[22]  S.J.S.D. Sikadur, Ireland, 30 Product Data Sheet,  (2017).
[23] M. Secer, E.T. Uzun, Corrosion Damage Analysis of Steel Frames Considering Lateral Torsional Buckling, Procedia Engineering, 171 (2017) 1234-1241.
[24] A.A. Hedayat, Prediction of the force displacement capacity boundary of an unbuckled steel slit damper, Journal of Constructional Steel Research, 114 (2015) 30-50.