تحلیل عملکرد سازهای بتن های اصلاح شده با نانومواد و فولادهای پرمقاومت

در طراحی سازه های بزرگ نظیر ساختمان های مرتفع، سازه های صنعتی، وسیع پل ها و سازه های زیرساختی وزن مرده بتن سهم قابل توجهی در بارهای ثقلی و به ویژه نیروهای لرزه ای دارد. افزایش جرم سازه منجر به افزایش نیروی زلزله، بزرگ تر شدن ابعاد اعضای باربر، افزایش هزینه فونداسیون و کاهش بهره وری سازه می شود. بتن سازهای سبک به دلیل چگالی کمتر راهکاری موثر برای کاهش بار مرده محسوب می شود اما این نوع بتن به طور معمول دارای مدول الاستیسیته پایین تر، مقاومت کششی کمتر و رفتار تردتری نسبت به بتن معمولی است که می تواند ضریب اطمینان و عملکرد لرزه ای سازه های بزرگ را محدود کند. از این رو بهبود همزمان سبکی، مقاومت و شکل پذیری بتن سبک یکی از چالش های مهم مهندسی عمران محسوب می شود. در این پژوهش یک رویکرد ترکیبی نوین شامل استفاده از فولاد پرمقاومت به عنوان سیستم مسلح کننده اصلی و نانوپلاستیک به عنوان افزودنی اصلاح کننده ریز ساختار بتن سبک با هدف ارتقای رفتار مکانیکی و افزایش ضریب اطمینان سازه بررسی شده است. فولادهای پرمقاومت با تنش تسلیم بالا امکان کاهش مقدار آرماتور مصرفی، کاهش ازدحام میلگردها و افزایش ظرفیت باربری اعضا را فراهم می کنند. این امر به ویژه در سازه های بزرگ که مقاطع تحت نیروهای قابل توجه هستند موجب بهینه سازی ابعاد اعضا و کاهش وزن کلی سازه می شود. با این حال استفاده از فولاد پرمقاومت در بتن های ترد می تواند خطر شکست ناگهانی را افزایش دهد که لزوم اصلاح رفتار زمینه بتن را نشان می دهد. نانوپلاستیک ها به عنوان ذرات پلیمری در مقیاس نانو با نفوذ در ریز ساختار خمیر سیمان، کاهش تخلخل، بهبود ناحیه انتقالی خمیر و سنگدانه (ITZ) و کنترل رشد و انتشار ریزترک ها موجب افزایش مقاومت کششی، چقرمگی، کرنش نهایی و ظرفیت جذب انرژی بتن سبک می شوند. این اصلاح ریز ساختاری سبب تغییر رفتار بتن از حالت ترد به رفتار شبه نرم شده و شرایط مناسب تری برای بهره برداری موثر از ظرفیت شکل پذیری فولاد پرمقاومت فراهم می آورد. نتایج حاصل از بررسی های آزمایشگاهی و تحلیلی نشان می دهد که ترکیب بتن سبک اصلاح شده با نانوپلاستیک و فولاد پرمقاومت، ضمن حفظ کاهش قابل توجه وزن مخصوص بتن منجر به افزایش مقاومت فشاری و کششی، بهبود رفتار تنش کرنش، کاهش عرض و تمرکز ترک ها، افزایش ظرفیت جذب انرژی و تاخیر در گسیختگی ترد می شود. این بهبودها در نهایت سبب ارتقای ضریب اطمینان اعضای سازه ای در برابر بارهای ثقلی و جانبی، به ویژه بارهای لرزه ای می گردد. بنابراین سیستم پیشنهادی می تواند به عنوان راهکاری موثر برای بهینه سازی عملکرد سازه های بزرگ با تاکید بر سبکی، ایمنی و دوام سازه مطرح شود.

کلیدواژه ها:

بتن سازهای سبک ، فولاد پر مقاومت ، نانوپلاستیک ، شکل پذیری ، جذب انرژی ، ضریب اطمینان سازه های بزرگ