عملکرد دال‏های بتنی مسلح به الیاف هیبرید و پوزولان پومیس در برابر انفجار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه قم

2 دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

چکیده

امروزه به علت افزایش حملات تروریستی و اتفاقات پیش ‏بینی ‏نشده، پدیده انفجار مورد توجه طراحان سازه قرار گرفته است. بنابراین محاسبه بارهای دینامیکی نهایی ناشی از این انفجارها باید به شکل معیاری به منظور طراحی سازه و محافظت از ساختمان‏ های نظامی، غیرنظامی و تاسیساتی مورد توجه قرار گیرد. استفاده از مصالح ارزان قیمت مانند الیاف پلیمری و پومیس به ترتیب به عنوان جایگزین الیاف فولادی و سیمان مورد توجه قرار گرفته است. با این حال تا کنون، عملکرد دال ‏های بتنی مسلح به الیاف هیبرید (ترکیب فولادی و پلی ‏الفین) و پوزولان پومیس در برابر انفجار بررسی نشده است. در این تحقیق، ابتدا الیاف فولادی به مقدار 1، 1/5، 2 و 2/5 درصد حجمی به طرح ‏های اختلاط اضافه گردید. سپس با انجام آزمایش ‏های مکانیکی بر روی نمونه‏ های فشاری، کششی و خمشی درصد بهینه الیاف فولادی انتخاب شد. نتایج آزمایش‏ های مکانیکی نشان داد که با افزودن 2 درصد حجمی الیاف فولادی (SF-2.0%) خواص مکانیکی بهینه هستند. در مرحله دوم تحقیق، به ترتیب 30، 40 و 50 درصد از الیاف فولادی بهینه با الیاف پلی‏ الفین جایگزین گردید و آزمایش ‏های مکانیکی بر روی آن‏ها تکرار شد تا طرح اختلاط بهینه مسلح به الیاف هیبرید تعیین شود. براساس نتایج به دست آمده طرح اختلاط SPF-60-40 که در آن 40 درصد الیاف فولادی با الیاف پلی‏ الفین جایگزین شده است، طرح بهینه است. در مرحله نهایی تحقیق، با انتخاب طرح بهینه به دست آمده از مرحله اول و دوم تحقیق، عملکرد دال ‏های بتنی مسلح به الیاف هیبرید و پوزولان پومیس در برابر انفجار بررسی شده است. بدین منظور آزمایش مقاومت انفجاری به صورت خرج تماسی بر روی دال های 10×100×100 سانتی‌متر مکعب انجام گرفت. قطعات شامل 6 سری دال بتنی به صورت یک دال غیرمسلح و پنج دال مسلح به الیاف بودند. همچنین جهت تعیین مدل ‏های گسیختگی، ماده منفجره C4 به صورت مماس بر روی دال قرار داده شد. مطابق نتایج به دست آمده وجود انواع الیاف به طور چشمگیری موجب استحکام دال بتنی در برابر بار انفجار شده است. جایگزینی الیاف فولادی با الیاف پلی‏ الفین و همچنین جابه ‏جایی بخشی از سیمان با پوزولان پومیس اگر چه منجر به افزایش جزئی آسیب شده است (تبدیل حفر کوچک به حفر متوسط) اما همچنان دال شکل ظاهری خود را حفظ کرده و الیاف از متلاشی شدن ناگهانی جلوگیری می‏ کند. در حقیقت نتایج این مطالعه نشان داد که با جایگزینی بخشی از الیاف فولادی و سیمان مصرفی به ترتیب با الیاف پلی‏ الفین و پوزولان پومیس با هزینه ‏ای به مراتب کمتر از طرح ‏های متداول، می‏ توان اقدام به ساخت المان‏ های بتنی مقاوم در برابر بارهای استاتیکی و دینامیکی نظیر انفجار کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Behavior of pumice hybrid-fiber reinforced concrete slabs under blast loading

نویسندگان [English]

  • Mohmmad Hossein Taghavi Parsa 1
  • Mojtaba Tabatabaeian 2
1 Ihu-Qom Uni
2 Civil Engineering Department, Sharif University of Technololgy, Tehran, Iran
چکیده [English]

Nowadays, the explosion phenomenon has been considered by structural engineers due to the increase in terrorist attacks and unforeseen events. Therefore, the calculation of the final dynamic loads resulting from these loadings should be considered as a criterion in order to design structures and protect military buildings. In this investigation, the behavior of pumice hybrid-fiber reinforced concrete slabs under blast loading was assessed. To evaluate the performance of pumice hybrid-fiber reinforced concrete, contact explosion test on slabs with dimensions 100×100×10 cm3 was conducted. Six slabs, including one unreinforced concrete slab and five fiber-reinforced concrete slabs, were prepared. Also, C4 explosive material was used to investigate different failure modes of slabs. The results showed that the addition of various types of fibers improved the behavior of slabs. Also, it is concluded that the replacement of cement and steel fibers with pumice and polyolefin fibers, respectively, led to a slight increment in the number and extent of cracks; however, the costs were significantly decreased.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Concrete slab
  • Hybrid fiber
  • Pumice
  • Blast loading
  • Failure mode

مراجع

[1] M. Morishita, H. Tanaka, M. Ito, H. Yamaguchi, Damage of reinforced concrete slabs subjected to contact detonations, Journal of Structural Engineering A, 46 (2000) 1787-1797.
[2] H. Tanaka, M. Tsuji, Effects of reinforcing on damage of reinforced concrete slabs subjected to explosive loading, Concrete Research and Technology, 14(1) (2003) 1-11.
[3] M. Morishita, H. Tanaka, T. Ando, H. Hagiya, Effects of concrete strength and reinforcing clear distance on the damage of reinforced concrete slabs subjected to contact detonations, Concrete Research and Technology, 15(2) (2004) 89-98.
[4] K.K. Antoniades, T.N. Salonikios, A.J. Kappos, Evaluation of hysteretic response and strength of repaired R/C walls strengthened with FRPs, Engineering structures, 29(9) (2007) 2158-2171.
[5] M.M. Ali, D. Oehlers, M. Griffith, R. Seracino, Interfacial stress transfer of near surface-mounted FRP-to-concrete joints, Engineering structures, 30(7) (2008) 1861-1868.
[6] S.A. Sheikh, Y. Li, Design of FRP confinement for square concrete columns, Engineering Structures, 29(6) (2007) 1074-1083.
[7] V.C. Rougier, B.M. Luccioni, Numerical assessment of FRP retrofitting systems for reinforced concrete elements, Engineering structures, 29(8) (2007) 1664-1675.
[8] G.-J. Ha, Y.-Y. Kim, C.-G. Cho, Groove and embedding techniques using CFRP trapezoidal bars for strengthening of concrete structures, Engineering structures, 30(4) (2008) 1067-1078.
[9] C. Wu, D. Oehlers, M. Rebentrost, J. Leach, A. Whittaker, Blast testing of ultra-high performance fibre and FRP-retrofitted concrete slabs, Engineering structures, 31(9) (2009) 2060-2069.
[10] D.-Y. Yoo, N. Banthia, Mechanical and structural behaviors of ultra-high-performance fiber-reinforced concrete subjected to impact and blast, Construction and building materials, 149 (2017) 416-431.
[11] L. Mao, S.J. Barnett, A. Tyas, J. Warren, G. Schleyer, S. Zaini, Response of small scale ultra high performance fibre reinforced concrete slabs to blast loading, Construction and building materials, 93 (2015) 822-830.
[12] M. Ohtsu, F.A. Uddin, W. Tong, K. Murakami, Dynamics of spall failure in fiber reinforced concrete due to blasting, Construction and Building Materials, 21(3) (2007) 511-518.
[13] C. Pantelides, T. Garfield, W. Richins, T. Larson, J. Blakeley, Reinforced concrete and fiber reinforced concrete panels subjected to blast detonations and post-blast static tests, Engineering structures, 76 (2014) 24-33.
[14] J.-W. Nam, H.-J. Kim, S.-B. Kim, N.-H. Yi, J.-H.J. Kim, Numerical evaluation of the retrofit effectiveness for GFRP retrofitted concrete slab subjected to blast pressure, Composite Structures, 92(5) (2010) 1212-1222.
[15] H. Sadraie, A. Khaloo, H. Soltani, Dynamic performance of concrete slabs reinforced with steel and GFRP bars under impact loading, Engineering Structures, 191 (2019) 62-81.
[16] H. Soltani, A. Khaloo, H. Sadraie, Dynamic performance enhancement of RC slabs by steel fibers vs. externally bonded GFRP sheets under impact loading, Engineering Structures, 213 (2020) 110539.
[17] J. Li, C. Wu, H. Hao, Y. Su, Z. Liu, Blast resistance of concrete slab reinforced with high performance fibre material, Journal of Structural Integrity and Maintenance, 1(2) (2016) 51-59.
[18] X. Yu, B. Zhou, F. Hu, Y. Zhang, X. Xu, C. Fan, W. Zhang, H. Jiang, P. Liu, Experimental investigation of basalt fiber-reinforced polymer (BFRP) bar reinforced concrete slabs under contact explosions, International Journal of Impact Engineering, 144 (2020) 103632.
[19] X. Zhou, V. Kuznetsov, H. Hao, J. Waschl, Numerical prediction of concrete slab response to blast loading, International Journal of Impact Engineering, 35(10) (2008) 1186-1200.
[20] Z.S. Tabatabaei, J.S. Volz, J. Baird, B.P. Gliha, D.I. Keener, Experimental and numerical analyses of long carbon fiber reinforced concrete panels exposed to blast loading, International journal of impact engineering, 57 (2013) 70-80.
[21] H. Aoude, F.P. Dagenais, R.P. Burrell, M. Saatcioglu, Behavior of ultra-high performance fiber reinforced concrete columns under blast loading, International Journal of Impact Engineering, 80 (2015) 185-202.
[22] B. Luccioni, F. Isla, R. Codina, D. Ambrosini, R. Zerbino, G. Giaccio, M.C. Torrijos, Experimental and numerical analysis of blast response of High Strength Fiber Reinforced Concrete slabs, Engineering structures, 175 (2018) 113-122.
[23] P.W. Cooper, Explosives engineering, John Wiley & Sons, 2018.
[24] K. shuppan, Energy Material Handbook Explosives Society, Tokyo: Japan 1993.
[25] A. C150, Standard specification for Portland Cement, in, American Standards for Testing and Materials, 2012.
[26] A. C33, Standard specification for concrete aggregates, in, American Standards for Testing and Materials, 2003.
[27] B. 1881, Testing Concrete. Methods for analysis of hardened concrete, in, British Standards, 2015.
[28] A. C496, Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Cylindrical Concrete Specimens, in, American Standards for Testing and Materials, 2017.
[29] A. C78, Standard Test Method for Flexural Strength of Concrete (Using Simple Beam with Third-Point Loading), in, American Standards for Testing and Materials, 2021.
[30] H.J. Reimer D., Explosive and Demolitions, Department of the Army, Headquarters 1998.
[31] F. Moodi, A. Kashi, A.A. Ramezanianpour, M. Pourebrahimi, Investigation on mechanical and durability properties of polymer and latex-modified concretes, Construction and Building Materials, 191 (2018) 145-154.
[32] U.A.E.W.E. Station, TM5-855-1 Fundamentals of protective design for conventional weapons, US Army, Navy and Air Force, US Government Printing Office, Washington DC,  (1986).
نشریه مهندسی عمران امیرکبیر
دوره 54، شماره 6
شهریور 1401
صفحه 2081-2100

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار