بخشی از مقاله
بررسی وعملکرد صفحات کامپوزیتی FRP درتقویت وبهسازی سازه های بتنی
چکیده:
استفاده از کامپوزیتهای FRP در مهندسی عمران در سالهای اخیر توجه بسیاری را به خود جلب کرده است چون صفحات کامپوزیتی FRP سبک وزن بوده ومقاومت زیادی دارند وموادی هستند که ازدوقسمت عمده اجزای میکروسکوپی- وغیرقابل حل دریکدیگرتشکیل می شوند و یکی ازمهمترین دلایل استفاده ازFRP درصنعت ساختمان مقاومت بالای آنها در برابر خوردگی می باشد که نسبت به مصالح دیگراستحکام ومزایای بهتری دارد. ورقهای کامپوزیتی ( چه کامپوزیتهای فلزی - بتونی-و چه کامپوزیتهای پلیمری و الیافی) به دلیل اینکه ورق های ارتو تروپ هستند ودر دو جهت متعامد ، مصالح یا هندسه ورق مشابه نیستند این اختلاف گاه ناشی از جنس مصالح و گاه از نحوه طراحی و هندسه مقطع و سازه ایجاد می شود دراین مقاله سعی شده است که مزایای پوششهای کامپوزیتی وکارکردن آن را به عنوان یک مصالح درسازه درنظرگرفته که باعث تقویت بالای سازه می شود، اگر از ورقه های FRP درناحیه اتصال بصورت مناسب استفاده شود باعث بهبود قابل توجه روی شکل پذیری اتصال شده، می توان فقدان آرماتورعرضی کافی را با استفاده ازFRP برطرف نمود.دراین مقاله سعی شده است که با یک مدل محصور شده بتنی با استفاده ازمشخصه رفتاری الاستوپلاستیک وشکست مورد بررسی قرارداده شود وپس ازمدل سازی دربهسازی عملکرد آن نشان دهیم که بسیاری ازاعضا بتن مسلح به دلیل نقائص طراحی یا اجرا ،مقاومت کافی را در برابر بارهای وارده برخوردارنیستند و با استفاده از ورق های FRP سعی در رفع این نقیصه داریم.هدف از این تحقیق بررسی عملکرد اجزای تقویت شده بتنی با ورقهای پلیمری مرکب تحت بارهای استاتیکی و تکراری است و به این نتیجه می رسیم که استفاده از ورق های FRP موجب افزایش ظرفیت خمشی، سختی تیرها، کاهش ترکها ،میزان بازشدگی آنها و تمرکز خرابی در محل پارگی ورقها می باشد .
کلید واژه: -FRP بهسازی- کامپوزیت- بتن محصورشده- نقائص طراحی
_1مقدمه:
از مهمترین دلایل استفاده از کامپوزیت ها در صنعت ساختمان مقاومت بالای آنها در برابر خوردگی ، استحکام و مزایای است نسبت به دیگر مصالح جایگزین دارا می باشد . به کارگیری پروفیل ها و آرماتورهای کامپوزیتی تولید شده به روش های پالتروژن ، تزریق رزین و ذخیره رطوبت باعث افزایش عمر و کاهش هزینه های ساخت و ساز و نگهداری در محیط های خورنده ساحلی و دریایی گردیده است ، کاربرد کامپوزیت ها در شرایط خورنده آب های شور و سواحل دریایی قابل توجه می باشد . . امارها در سطح جهان نشان می دهد که سالیانه دو میلیارد دلار صرف جبران خسارت خوردگی در سازه های ساحلی در حاشیه دریا می شود . نیاز به کاهش هزینه تعمیر و نگهداری سازه های عظیم و متعدد ساحلی و فرا ساحلی ، و استفاده از مواد نوینی که دارای مزیت های نسبی نسبت به نمونه های مشابه استفاده ( بتن ، فولاد ، چوب ) دارا می باشد ، سوق داده است.
کامپوزیت ها موادی هستند که از دو قسمت تشکیل شده اند . از دیر باز مهندسان عمران با انواع گوناگونی از کامپوزیت ها کار کرده اند از چوب می توان به عنوان یک کامپوزیت طبیعی نام برد تخته های چند لایی به عنوان کامپوزیت های ورقه ای و در نگاه کلی بتون به صورت کامپوزیت با اجزای قابل تمایز از دیگر مواد مرکب در ساخت سازه ها بوده است.
مواد کامپوزیت از موادی تشکیل شده اند که از لحاظ مکانیکی ، رفتار مجزایی دارند ولی ماده کامپوزیت حاصل می تواند خواص کاملا متفاوتی نسبت به مواد تشکیل دهنده خود داشته باشد.
در بحث مدول الاستیسیته و مقاومت کششی یک کامپوزیت FRP که به وسیله فرآیند ذخیره رطوبت ساخته شده عموماضخامت FRP به سختی کنترل و یا دقیقا معین و مشخص می شوند و نتیجتا مدول الاستیسیته و مقاومت کششی به تعریف و تعیین ضخامت بستگی دارد.
FRPرفتار تنش - کرنش مشابهی دارند یکی از خصوصیات مهم در فرایند استفاده از کامپوزیت های FRP در هنگامی که نمونه آزمایش تحت فشار قرار دارد نشان دادن رفتار خطی تا لحظه شکست و گسیختگی نهایی می باشد. منحنی های تنش - کرنش این الیاف ، یک همسنجی و قیاس شفاف بین رفتار شکست FRP و انعطاف پذیری و چکش خواری فلز به ما می دهند . از جمله نتایجی که می توان از گفته های بالا دریافت کرد این است که این مواد خاصیت چکش خواری فلزات را دارا نیستند و شکستشان ممکن است رفتار چکش خواری اعضای بتنی تقویت شده با کامپوزیت FRP را محدود کند با این وجود این مواد هنگامی که در بتن استفاده می شوند می توانند مقاومت و چکش خواری ستون ها را به مقدار زیادی بالا ببرند.
_2مقاوم سازی برشی تیر بتن آرمه با ورقه : FRP Shear Strengthening of Beams
گسیختگیهای برشی و خمشی از مهمترین مدهای گسیختگی برای تیرهای تقویت نشده میباشند. گسیختگی خمشی به دلیل نرم بودن عموما بر گسیختگی برشی به دلیل ترد بودن ارجح میباشد. زیرا در گسیختگی نرم امکان باز توزیع تنش وجود دارد و میتواند هشداری برای کاربر باشد. در حالی که در گسیختگی ترد و ناگهانی به دلیل عدم اخطار قبلی میتواند سبب فاجعه گردد. در مقاوم سازی خمشی به کمک ورقههای خارجی FRP نشان داده شده که شکل پذیری تیر نسبت به حالت مقاوم سازی نشده بسیار کمتر میباشد. با این وجود این مد گسیختگی از گسیختگی برشی نرمتر می باشد. بنابراین یک تیر مقاوم سازی شده باید دارای ظرفیت برشی کافی بوده به طوری که ظرفیت خمشی برسد. زمانی که یک تیر بتن آرمه در برش ضعف داشته باشد یا ظرفیت برشی آن از ظرفیت خمشی تیر کمتر باشد پس از انجام مقاوم سازی خمشی ، مقاوم سازی برشی باید مورد توجه قرار گیرد. باید دانست که اندازه گیری ظرفیت برشی تیر مقاوم سازی شده بسیار مهم میباشد. مقاوم سازی برشی ، برخی مواقع نقشی کلیدی در استراتژی مقاوم سازی برشی تیرها وجود دارد. اخیرا استفاده از نوارهای FRP بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. در کنار سایر نتایج عالی FRP ها از جمله مقاومت در مقابل خوردگی و مقاومت بالا در مقابل وزن کم انعطاف پذیری FRP ها جهت فیت شدن با سایر شکل ها و گوشه ها همواره برای مقاوم سازی سودمند واقع شده اند. مطالعات بر روی مقاوم سازی برشی از سال 1990 شروع شده است و هم چنان ادامه دارد.
_3اگوهای مختلف تقویت برشی تیر بتن آرمه با ورقه : FRP
به طور کلی 3 نوع الگوی پیوند در تقویت برشی در تیرها وجود دارد
-1 ورقه FRP دور تا دور تیر را در برگیرد مطابق شکل a -2
-2 پوشش U شکل FRP مطابق شکل b -2
-3 ورقه FRP دو طرف تیر چسبانده شود مطابق شکل c -2
الگوی ( ( c که ورقه FRP دو بر تیر چسبانده می شود رایجترین الگو میباشد.
الگو ی ( ( b یا FRP U Warp روشی عملی برای افزایش مقاومت برشی مقاطع بتن آرمه میباشد ولی در نواحی لنگر مثبت عمدتا موثر میباشد. چون در نواحی لنگر منفی ترکهای اولیه عمدتا در نزدیکی دال بتن آرمه رخ داده و این الگوی تقویتی قادر به کنترل و جلوگیری از گسترش ترک های اولیه نبوده ، بنابراین این ترکها باز شده و این الگوی تقویتی تاثیری در کنترل ترک در ناحیه لنگر منفی ندارد.
الگوی ( ( a که پوشش دور تا دور میباشد موفقترین الگوی تقویت برشی است ولی به دلیل مسائل اجرایی و عدم دسترسی کامل به دور تا دور امکان اجرای این الگو به دلیل وجود دال بتن آرمه کم است. پوششها و توزیع ورقه را در تقویت برشی به 2 بخش -1 یکپارچه -2 منقطع تقسیم میکنیم ( مطابق شکل .( - 5 الگوی نوارهای منقطع یا Strips امکان تبخیر آب بتن ، عمل آوری و مصرف کمتر FRP را فراهم میسازد ولی از نظر اجرایی مشکلات خاص خود را داشته از طرفی امکان تشکیل مواد گسیختگی خطرناک عدم پیوند یا چسبندگی De - bonding در این حالت بیشتر است.
به طور کلی میتواند جهت نوارهای تقویت یا Strips و جهت فیبرهای اصلی در حالت یکپارچه متغیر بوده حتی از 2 نوار عمود بر هم با 2 لایه با فیبرهای عمود بر هم ( حالت ضربدری ) خصوصا تحت بارهای سیکلی استفاده میشود.
در جداول زیر به مقایسه انواع الگوهای برشی تقویت برشی تیر بتن آرمه با ورقه FRP پرداخته شده است.
-4 مودهای گسیختگی و رفتار مرسوم Failure Modes and Typical Behavior .4-1 گسیختگی خمشی : Flexural Failure
اگر انتهای ورقه FRP به صورت مناسب مهار شده باشد. ظرفیت نهایی خمشی تیر همراه با گسیختگی خمشی ورقه بر اثر خرد شدن بتن فشاری رخ می دهد. این موضوع بسیار شبیه مد گسیختگی خمشی کلاسیک تیر بتن آرمه است و تنها به دلیل ترد بودن رفتار ورقه FRP کمی تفاوت وجود دارد. گسیختگی ورقه FRP همراه با جاری شدن میلگردهای فولادی است. به هر صورت چنان چه میلگردهای فولاید فاصله زیادی از وجه کششی داشته ، ( به تار خنثی نزدیک باشند ) ممکن است جاری نشوند. تیری که بر اثر خرد شدن بتن فرو میریزد میتواند علتش زیاد بودن مقدار FRP و ترد شکستن قطعه باشد ، ضمنا با مهار انتهایی مناسب میتوان جلوی گسیختگی زود هنگام عدم چسبندگی مناسب با debonding را گرفت.
.5-2 گسیختگی برشی : Shear Failure
تیرهای بتن آرمه معمولی برای گسیختگی در مد خمشی که مد نرمتری نسبت به مد گسیختگی برشی که مد تردتری است طراحی میشوند و توجه به این نکته ضروری است که گسیختگی برشی بر اثر تقویت مد خمشی ممکن است رخ دهد. در بعضی مواقع برای اطمینان از این که گسیختگی خمشی قبل از گسیختگی برشی اتفاق افتد مقاوم سازی برشی و خمشی توأم انجام میشود.
.6 انواع مودهای گسیختگی خمشی
6B1 .گسیختگی ناشی از پارگی ورقه FRP
.6B2 گسیختگی ناشی از خرد شدگی
.6B3 گسیختگی برشی
مود اول اتفاق افتد تقویت خمشی ایده آل خواهیم داشت زیرا نه تنها گسیختگی نرم بوده بلکه از حداکثر ظرفیت خمشی تیر نیز استفاده شده است ولی مود دوم به دلیل خرد شدن بتن ناحیه فشاری ترد می باشد. توجه شود که بر اثر تقویت خمشی ممکن است تیر دچار گسیختگی ترد برشی شود که بایستی با تقویت برشی و خمشی توأم جلوی این مد ناگهانی را گرفت.
.6B4 گسیختگی ناشی از عدم پیوند انتهایی ورقه :
این گسیختگی زودرس بوده و نمیگذارد تیر به ظرفیت خمشی مطلوب خود برسد. در این حالت ورقه از سطح بتن در انتهای تیر جدا میشود و این مود میتواند با گسیختگی ناشی از جدایش پوشش بتنی ترکیب شود.
.6B5 گسیختگی ناشی از جدایش پوشش بتنی :
