کمانش پافیلی و مقاوم‌سازی پوسته‌های استوانه‌ای جدار نازک فولادی با استفاده از مصالح کمپوزیتی FRP

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فنی، دانشگاه ارومیه

2 گروه عمران، دانشکده فنی، دانشگاه ارومیه

چکیده

پوسته­های استوانه‌ای از زمان‌های طولانی به عنوان مخازنی در ابعاد کوچک یا بزرگ جهت ذخیره‌سازی انواع مواد مانند نفت و مشتقات آن مورد استفاده قرار گرفته‌اند. نسبت شعاع به ضخامت این پوسته‌ها در رده‌هایی مانند 1000 و 2000 قرار می‌گیرد که بر این اساس این سازه‌های جدار نازک به علت فروریختگی در کمانش مورد توجه طراحان و آیین نامه­ها قرار گرفته‌اند. در این مقاله ناپایداری الاستوپلاستیک پوسته استوانه‌ای در نزدیکی تکیه‌گاه تحت عنوان کمانش پافیلی مدنظر قرار گرفته ‌است. این فرم از کمانش تحت فشار داخلی بالا به همراه فشار محوری رخ می‌دهد. در مقاله حاضر ابتدا کمانش پافیلی مورد بررسی قرار گرفته و سپس روش جدید مقاوم‌سازی پوسته­های استوانه‌ای با استفاده از مصالح کمپوزیتی FRP ارائه شده است. این مسئله به روش عددی مورد بررسی قرار گرفته و نتایج آن در مقاومت کمانشی پوسته‌های استوانه‌ای ارزیابی می­شود. بررسی ظرفیت نهایی مخازن مقاوم­سازی شده در فشارهای داخلی متفاوت نشانگر تأثیر مثبت مصالح کمپوزیتی FRP در مقاومت کمانشی مخازن و افزایش آن در شرایط مختلف تا حد دو برابر می­باشد. همچنین نتایج تغییرات ارتفاع و موقعیت FRP در روند مقاوم‌سازی بررسی شده و مطابقت آن با ارتفاع و موقعیت رخداد پافیلی به عنوان بهترین نتیجه ارائه گردیده ‌است.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Elephant Foot Buckling and Retrofitting of Steel Thin Walled Cylindrical Shells Using FRP Composite Materials

نویسندگان [English]

  • Morteza Vakili 1
  • Hossein Showkati 2
1 Department of Civil Engineering, Urmia University
2 Department of Civil Engineering, Urmia University
چکیده [English]

Steel tanks designed in cylindrical forms are one of the shell structures which are widely used in industrial facilities. In geometric terms, these tanks have a very small thickness compared to the other dimensions and thus are categorized as thin walled structures which should consider the buckling failures. The buckling failure of tanks containing liquids is possible in various modes. In this paper instability of cylindrical shell wall which occurs under simultaneous loading of axial compression and high internal pressure, is considered. This instability generally occurs near the base. The present study demonstrates that increasing the internal pressure and the yielding of the wall near the base, decreases flexural stiffness and increases the local displacement of the cylindrical shells. In other words, the resultant circumferential membrane stress increases and inelastic buckling occurs. This instability near the base is known as “Elephant Foot Buckling”. This paper provides a proposal for strengthening cylindrical shells against elephant foot buckling using FRP. Some efforts have been done on this subject [1-3]. The aim of this paper is to investigate the strengthening of thin metallic cylindrical shells by local application of FRP to increase the elephant’s foot buckling strength. Finite element analysis of shells has been used in the present paper in order to obtain the effect of strengthening tanks using FRP on the increase of elephant foot buckling resistance. In order to achieve the behavior of cylindrical shell when being strengthened by FRP, accurate modeling of composite fibers and adhesive has been applied, and its appropriate dimensions and locations are presented.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cylindrical shells
  • Elephant foot buckling
  • Strengthening
  • FRP
[1]        Chen, J. F., Rotter, J. M., Teng, J. G., "A Simple Remedy for Elephant's Foot Buckling in Cylindrical Silos and Tanks", Advances in Structural Engineering, 2006, 9 (3), 409-420.
]2[    شوکتی، ح.، طلوعی اردلانی، ق.، نیک­آذر، م. اسماعیلی تیمورلویی، هـ.، "رفتار خمشی تیر ورق­های فولادی تقویت شده با لمینیت CFRP در بال کششی"، نهمین کنگره بین­المللی مهندسی عمران، اصفهان، دانشگاه صنعتی اصفهان، 1391.
]3[      شوکتی، ح.، اسماعیلی، هـ.، "مطالعه پارامتری ظرفیت تیر ورق پل­های فولادی با ناکاملی، تقویت شده با CFRP در بال و جان"، پایان­نامه کارشناسی­ارشد، دانشگاه ارومیه، 1390.
]4[        شوکتی، ح.، نیک­آذر، م.، "بررسی آزمایشگاهی تقویت جان تیرورق­های پل­های فولادی با CFRP در برابر کمانش قطری"، پایان­نامه کارشناسی ارشد، دانشگاه ارومیه، 1390.
[5]        Teng, J. G., Hu, Y. M., "Suppression of Local Buckling in Steel Tubes by FRP Jacketing", The 2nd International Conference on FRP Composites in Civil Engineering, Adelaide, Australia, 2004.
[6]        Teng, J., Hu, Y. M., "Behaviour of FRP-Jacketed Circular Steel Tubes and Cylindrical Shells under Axial Compression", Construction and Building Materials, 2007, 21, 827-838.
[7]        Batikha, M., Chen, J. F., Rotter, M., "Fibre Reinforced Polymer Composites to Increase the Buckling Strength of Imperfect Cylindrical Shells", International Conference on Structures and Granular Solids-From Scientific Principles to Engineering Applications, Edinburgh, England, 1-2 July, 2008, 177-181.
[8]        Batikha, M., Chen, J., Rotter, J., Teng, J., "Strengthening Metallic Cylindrical Shells against Elephant's Foot Buckling with FRP", Thin-Walled Structures, 2009, 47, 1078-1091.
[9]        Al-Kashif, M. A., Ramadan, H., Rashed, A., Haroun, M. A., "Effect of FRP Composites on Buckling Capacity of Anchored Steel Tanks", Steel and Composite Structures, 2010, 10 (4), 361-371.
[10]     ABAQUS, Version 6.10.1. ABAQUS/ Standard User’s Manual, ABAQUS Inc., US, 2010.
[11]     Rotter, J. M., "Elephant’s Foot Buckling in Pressurized Cylindrical Shells", Stahlbau, 2006, 75 (9), 742-747.