ظرفیت مشترک اتصالات آستین پیوندی در اجزای پلیمری تقویت‌شده با الیاف لوله‌ای
اتصالات آستین پیوندی که با تلسکوپینگ یک اتصال‌دهنده لوله فولادی برای بست پیچی ایجاد می‌شود، ابزار موثری برای مونتاژ اجزای پلیمری تقویت‌شده با الیاف لوله‌ای (FRP) در ساختارهای بسیار پیچیده مانند فریم‌های مسطح یا فضایی هستند. در این مقاله از یک فرمول نظری برای بررسی ظرفیت چنین اتصالاتی در بارگذاری محوری استفاده شده است و نتایج به‌دست آمده نیز توسط نتایج تجربی که انواع مختلفی از هندسه و طول پیوند را پوشش می‌دهند، به اثبات رسیدند. این فرمول بر رابطه سازنده دوخطی باند-اسلیپ با درنظر گرفتن رفتار الاستیک، نرم‌کنندگی و جداشدگی در ناحیه اتصال چسب متکی است. تحلیل عنصر محدود (FE)، نیز برای تخمین ظرفیت اتصال و تفسیر توزیع تنش برشی در لایه چسب انجام شده و نتایج نظری را تأیید می‌کند. بنابراین این فرمول نظری بیشتر برای مطالعه اثرات پارامترهای طراحی همچون طول باند و نسبت سختی چسبندگی کاربرد دارد که مجددا با نتایج حاصل از تحلیل FE تایید شده است. طول باند موثر را می‌توان با کمک این فرمول نظری به‌منظور بررسی ظرفیت اتصال در حد الاستیک و حالت نهایی با دقت پیش‌بینی کرد. در طول باند به دست آمده، یک نسبت سختی چسبندگی بهینه برای دستیابی به حداکثر ظرفیت اتصال در حد الاستیک یا حالت نهایی قابل مشاهده است.
اجزای ساختاری پلیمر تقویت شده با الیاف (FRP) به دلیل دارا بودن خواصی مانند نسبت استحکام به وزن بالا، مقاومت خوردگی بالا و شرایط نگهداری آسان در صنعت ساخت‌و‌ساز به‌خوبی شناخته شده و کاربرد گسترده‌ای دارند. کامپوزیت‌های FRP شیشه (GFRP) با استحکام و سختی مناسب همراه با هزینه ساخت متوسط، به‌عنوان مصالح ساختمانی به بازار معرفی شده است. با استفاده از تکنیک ساخت پالتروژن، تولید انبوه اجزای ساختاری GFRP با سطح مقطع ثابت با کاهش هزینه و کنترل کیفیت مطلوب همراه بوده است. چنین اجزایی به‌عنوان عرشه پل، تقویت کننده، سازه‌های سقف، خرپاها، سیستم‌های کف و اجزای هیبریدی به شکل باز یا بسته کاربرد دارند. با این حال، استفاده از آنها در ساخت سازه همچنان به توسعه رویکردهای قابل اعتماد، به‌ویژه برای مقاطع لوله‌ای نیاز دارد. تلاش‌های اولیه برای توسعه اتصالات لوله‌ای GFRP در سازه‌های فولادی انجام شده است؛ برای مثال، استفاده از صفحات پیچ و مهره‌دار یا گیره‌های زاویه‌دار برای اتصالات ستون-تیر. با گذر زمان، یک اتصال سرآستین برای بخش‌های لوله‌ای GFRP پالترود شده پیشنهاد شد که افزایش استحکام و سفتی را نشان داد. اخیراً مزایای اتصال آستینی که با تلسکوپینگ فولاد و اعضای لوله‌ای GFRP ایجاد می‌شود، در ساختارهای فریم فضایی قابل استفاده هستند. کانکتور آستین فولادی نه تنها اشکال اتصال همه کاره را فعال می‌کند، بلکه حالت شکست انعطاف پذیر را ازطریق تسلیم فولاد فراهم می‌کند. در چنین اتصالاتی، تلسکوپینگ فولاد-GFRP یا آستین ازطریق باندینگ چسب یا بست مکانیکی به‌صورت ترکیبی عمل می‌کند. اگرچه بست مکانیکی ساخت در محل را تسهیل می‌کند، اما استفاده از آن در تثبیت اتصالات آستین، استحکام برشی نسبتا ضعیف مواد ناهمسانگرد GFRP را نشان می‌دهد و اگر از پروفیل‌های دایره‌ای استفاده شود، چنین استفاده‌ای نامناسب است. اگر از باندینگ چسب استفاده شود، بیشتر انتقال تنش یکنواخت در مواد GFRP حاصل می شود. اتصالات آستین پیوندی نیز به سناریوی تیر-ستون توسعه می‌یابند که در آن از GFRP پالترود شده و لوله‌های فولادی مربع استفاده می‌شود.
چنین اتصالات آستین پیوندی درمقایسه با اتصالات زاویه‌ای فولادی و اتصالات آستین پیچ و مهره سنتی از سفتی و استحکام قابل توجهی برخوردار هستند. اتصالات آستین پیوندی بارگذاری محوری را ازطریق برش بین پایبند های GFRP و فولاد منتقل می کنند. به‌عنوان نوع خاصی از اتصال لپ پیوندی، ظرفیت مشترک ممکن است ازطریق برش مکانیسم باندینگ چسب تعیین شود؛ زمانی‌که پایبندها (در فولاد و GFRP) به اندازه کافی قوی هستند. تحقیقات تئوری متعددی بر روی اتصالات چسب-پیوند یک و دو لبه به‌منظور درک چنین مکانیسم‌های برشی انجام شده است که فقط در رفتار باندینگ الاستیک یا الاستیک-پلاستیک در نظر گرفته شده اند. بنابراین ظرفیت اتصالات دربرابر تنش یا کرنش ماده مواد در نقاط بحرانی ارزیابی شد. این رویکردها محدود به شناسایی محل یا شروع شکست احتمالی هستند. رویکردهای مبتنی بر شکست مکانیک شکست بیشتر در درک رفتار گسترده طیف وسیعی از انواع مختلف اتصالات تک و دو لپ معرفی شده‌اند. این کار به درک رابطه لغزش-باند غیرخطی در ناحیه پیوندی نیاز داشت. ساده‌سازی این رابطه به شکل دوخطی توسعه راه‌حل‌های تحلیلی بسته برای ظرفیت مشترک و توزیع تنش برشی در لایه چسب را امکان پذیر می‌سازد. این رابطه دو خطی با یک مرحله صعودی خطی از تنش برشی، به‌دنبال کاهش خطی به تنش برشی صفر در لغزش دباندینگ (و لغزش ممکن است با صفر شدن تنش برشی، افزایش یابد) با لغزش مشخص می شود.
این مقاله یک فرمول نظری برای توصیف توزیع تنش برشی چسب و پیش‌بینی ظرفیت مشترک اتصالات آستین پیوندی ارائه می‌دهد. از رابطه دوخطی پیوند-لغزش در معادلات به‌منظور بررسی رفتار الاستیک، نرم‌کنندگی و دباندینگ در باندینگ پایبند استفاده شد. نتایج حاصل از محاسبه ظرفیت مشترک نهایی با شکل‌گیری نظری با نتایج حاصل از مدل‌سازی عنصر محدود (FE) و نمونه‌های تجربی در معرض کشش محوری سطوح مقطعی و طول باند مختلف تایید شد. با استفاده از مدل‌سازی نظری معتبر و FE، اثرات طول پیوند و نسبت سختی در توزیع تنش برشی چسب و ظرفیت مشترک برای چنین اتصالات آستین پیوندی مورد بحث و بررسی قرار گرفت. در اینجا، یافته‌های به‌دست آمده را بیان می کنیم:
1. استفاده از رابطه دوخطی باند-لغزش، زمانی که اتصال آستین پیوندی تا حد الاستیک بارگذاری شود، طول باند کامل در مرحله الاستیک و حداکثر تنش برشی (sf) در انتهای پایبندی نسبتا سفت ظاهر می‌شود. ظرفیت مشترک در حالت نهایی سه مرحله مختلف را نشان می‌دهد که هر کدام مربوط به توزیع تنش برشی هستند و دارای خواص نرم‌کنندگی در یک یا هر دو انتها یا در طول نقطه اتصال هستند.
2. مدل‌سازی FE می‌تواند باندینگ چسب را با استفاده از عناصر رابط چسبنده مرتبط با جداسازی حالت II و رابطه دوخطی پیوند-لغزش شبیه‌سازی کند. مدل سازی FE در مقایسه با مدل‌سازی تئوری، ظرفیت مشترک کمتری دارد که می‌تواند با نمایش محافظه کارانه ناحیه پیوند واقعی در مدل‌سازی FE و بررسی غیرخطی بودن مواد در پایبند تفسیر می شود.
3. برای مواردی که شکست پایبندی وجود ندارد، طول پیوند موثر برای ظرفیت‌های مشترک در حالت حد الاستیک و حالت نهایی قابل مشاهده است. فراتر از طول موثر، افزایش بیشتری در ظرفیت مشترک مشاهده نشد. چنین طول پیوند موثری می‌تواند به خوبی با کمک فرمول نظری تعیین شده و با نتایج حاصل از مدل‌سازی FE به اثبات برسد. دستیابی به اثربخشی طول پیوند ممکن است انتقال توزیع تنش برشی در حالت نهایی را افزایش دهد.
4. حداکثر ظرفیت مشترک در حد الاستیک (Pe) زمانی رخ می‌دهد که سختی‌های چسبنده‌ها متعادل باشد. این یافته با نتایج حاصل از اتصالات یک یا دو لپ مطابقت دارد. اگر سطح بهینه ظرفیت مشترک در حالت نهایی حدود 0.8 نسبت سختی باشد، تأثیر این نسبت سختی بر ظرفیت مشترک نهایی درمقایسه با اثر ظرفیت مشترک الاستیک بسیار کمتر است.
