بخشی از مقاله
بررسی پارامترهای مؤثر بر مکانیزم گسیختگی جداشدگیـ در تیر بتن مسلح تقویت شده خارجی توسط FRP
چکیده
از آنجایی که امروزه بسیاری از زیرسازه های بتنی در جهان بیش از 50 سال عمر داشته و نیز بسیاری از این سازه ها در معرض زوال و از بین رفتن قرار دارند، استفاده از مواد پلیمری تقویت شده با الیاف ( (FRP، که بصورت لایه ای خارجی به سطوح اعضای بتنی چسبانده می شود، بشکل ابزاری مقبول جهت مقاوم سازی، تعمیر و نهایتا" افزایش عمر بهره برداری این نوع سازه ها مطرح گردیده است. تحقیقات انجام یافته در سال های اخیر بیانگر این موضوع است که با وجود ظرفیت نهایی بالای تیرهای بتن مسلح تقویت شده با FRP، حصول این ظرفیت با توجه به عواملی نظیر: جداشدگی لایه FRP از سطح بتن قبل از رسیدن به تنشهای نهایی، ایجاد ترک های افقی و گسیختگی ترد اعضا، ممکن نبوده در نتیجه، این امر اهمیت بسزای بررسی خصوصیات بین سطحی بتن و لایه FRP و نیز آنالیز پارامترهای تأثیرگذار بر این نوع گسیختگی را بیش از پیش تبیین می دارد. از این رو جهت طراحی ایمن و مقرون به صرفه چنین سیستم هایی، درک صحیحی از رفتار بین سطحی بتن و لایه FRP مورد نیاز است؛ چراکه مکانیزم غالب گسیختگی در این المان ها، جداشدگی بخشی از بتن در مجاورت سطح تماس این بخش با لایه FRPمی باشد. فلذا تعیین خصوصیات مکانیکی بتن در این ناحیه و بررسی پارامترهای اثرگذار نیز ضروری به نظرمی رسد. این مقاله مروری است بر پاره ای از پیشرفت های بدست آمده در این زمینه.
-1 مقدمه
در سال های اخیر گسترش مواد مرکب و سیستم های کامپوزیتی بواسطه کاهش پیوسته در هزینه ها، سهولت نصب و اجرا و دارا بودن ویژگی های منحصربفردی، نظیر نسبت بالای سختی به وزن، مقاومت به وزن و دوام زیاد در برابر شرایط محیطی، این مواد را بعنوان جایگذین مناسبی برای مصالح متداول مقاوم سازی و تعمیر سازه ها مبدل نموده است. موارد استفاده از این مواد در حال شتاب روزافزون بوده و بهمراه آشنایی بیشتر مهندسین با تحلیل، طراحی و ساخت مواد کامپوزیتی، کاربرد این نوع مواد حتی سریع تر نیز خواهد شد؛ کاربردهایی که دامنه آن از ایجاد سازه های زیربنایی همچون پل ها تا استفاده در صنایع هوایی، پزشکی، نظامی، ورزشی و . . . گسترده شده است [1]، تا آنجا که چالش عظیم نهادهای کوچک و بزرگ در جوامع پیشرفته امروزی، تقویت سازه و از بین بردن ضعف سازه ای موجود در ساختمان های کهنه شده و دارای مقاومت پایین است که روزانه بر تعداد آنها افزوده می شود. از بین بردن ضعف سازه ای از جمله تامین سختی، مقاومت مورد نیاز جهت باربری ثقلی و جانبی و همچنین اطمینان از عملکرد و شکل پذیری مورد نیاز سازه تحت بارهای لرزه ای، از طریق روشهای تقویت سازه ای انجام می یابد . بدین منظور و با در نظر گرفتن مشخصات سازه ها ، دو روش ، ( (1 تقویت جزیی المانهای آسیب پذیر و (2) اضافه نمودن المانهای جدید -یا ترکیب این دو- در مقاوم سازی مورد استفاده قرار میگیرد. در روش اول، سیستمهای تقویت با FRP، ژاکت های بتنی و فلزی و ...، با هدف تقویت خمشی، برشی و یا فشاری المانهای خطی، صفحه ای و پوسته ای و در روش دوم سیستمهای مهاربندی فلزی و دیوار های برشی در مقاوم سازی و یا بهسازی لرزه ای ساختمان های موجود قرار میگیرد. کارایی و تأثیر مقاوم سازی با مواد مرکب FRP عمدتا" به مواد مورد استفاده و نوع عضو مقاوم سازی شده بستگی دارد.
-2 مقاوم سازی
منظور از واژه مقاوم سازی، بکارگیری روش ها و تمهیدات فنی تایید شده توسط مراجع معتبر و یا سیستمهای از پیش آزمایش شده، جهت رفع آسیب پذیری و بازیابی سختی و مقاومت و همچنین دوام مورد انتظار مصالح بتن مسلح در المانهای سازه ای، می باشد . مقاوم سازی را می توان در المان های مختلفی نظیر تیرها، ستون ها، دال ها و دیوارها انجام داد که بسته به نوع المان، هدف از انجام مقاوم سازی می تواند یک یا ترکیبی از چند عامل ذکر شده در زیر باشد:
(1) افزایش ظرفیت باربری محوری، خمشی و برشی المان؛ ( (2 افزایش شکل پذیری جهت بهبود رفتار لرزه ای؛ ( (3 افزایش سختی جهت کاهش خیز در زیر بارهای بهره برداری و طراحی؛ ( (4 ارتقای عمر خستگی المان و ( (5 افزایش دوام در برابر شرایط محیطی.
بر اساس مقررات آیین نامه ACI 440.2R-08 ، آماده سازی سطح بتن قبل از نصب لایه های FRP از عوامل تعیین کننده در میزان مقاومت سطح مشترک بتن و لایه FRP بوده و بسته به هدف سیستم تقویت کننده FRP در سازه، به دو بخش (1) معیار پیوستگی و (2) معیار تماس تفکیک می گردد. تفاوت در این دو گروه، نیاز و یا عدم نیاز به عملکرد کامپوزیتی کامل پیوستگی- چسبندگی بین الیاف و سطح بتن می باشد. به عنوان مثال بکارگیری مواد FRP در تقویت خمشی و برشی سازه های بتنی در بخش معیار پیوستگی و در محصور نمودن ستون های بتنی، در بخش معیار تماس قرار می گیرند.[2]
-1-2تقویت خمشی با استفاده از FRP
اتصال FRP در وجه کششی المان های تحت خمش، بگونه ای که راستای الیاف در امتداد طول عضو قرار گرفته و در انتقال نیروهای کششی ناشی از خمش موثر باشد (همانند میلگردهای کششی)، می تواند مقاومت خمشی المان های بتنی را افزایش دهد. عوامل متعددی مانند هندسه عضو بتنی، مساحت و مشخصات مکانیکی میلگردها و لایه های FRP مورد استفاده و همچنین مقاومت فشاری بتن، در میزان افزایش مقاومت خمشی سازه های بتنی با استفاده از سیستم های FRP تأثیرگذار می باشند. در ادبیات فنی این افزایش مقاومت از 10 تا 160 درصد گزارش شده است.[3] لذا با توجه به محدودیت های موجود در خصوص شکل پذیری، ضوابط بهره برداری و دیگر محدودیت های آیین نامه ای، افزایش مقاومت خمشی سازه های بتنی تا حداکثر 40 درصد قابل قبول تلقی و توصیه شده است .(ACI 440.2R-08) با در نظر گرفتن رفتار ارتجاعی لایه هایFRP، استفاده از آن جهت تقویت خمشی المان های باربر لرزه ای و بویژه در نواحی مفاصل پلاستیک، مستلزم بررسی ها و ارزیابی دقیق و حصول اطمینان از عملکرد مورد انتظار سازه به لحاظ شکل پذیری تحت سیکل های رفت و برگشتی لرزه ای است. توجه به این نکته ضروری است که مقاطع تقویت شده بدین روش از ظرفیت چرخش و انحنا کمتری در حالت تقویت شده برخوردار بوده و در نظر گرفتن این موضوع در محاسبات الزامی است. مقاومت خمشی سازه تقویت شده بسته به مود شکست حاکم تعیین می گردد. جداشدگی بین سطح بتن و FRP در محل ترک های خمشی یا برشی، کنده شدن پوشش بتنی و جداشدگی از نزدیکی شبکه میلگردها در محل انقطاع FRP، یک مود شکست نامطلوب محسوب می شود.
-2-2تقویت برشی با استفاده از FRP
استفاده از FRP به صورت دورپیچ ( دورپیچ کامل، U شکل و در دو طرف جان ) و قرارگیری الیاف در امتداد عرضی مقطع یا عمود بر راستای ترک های محتمل برشی، بطور موثری سبب افزایش مقاومت برشی المان های بتنی می گردد. اضافه مقاومت برشی ایجاد شده بدین روش به پارامترهای مختلفی مانند: ابعاد المان، حالت دورپیچ، مقاومت بتن موجود و ... وابسته است. لذا همواره میزان این افزایش مقاومت بسته به ضوابط بهره برداری و متناسب با شرایط باربری عضو محدود است.
-3-2 تقویت محوری- فشاری خالص
سیستم های FRP، در ایجاد محصورشدگی از طریق ژاکت (دورپیچ کامل) و جهت افزایش مقاومت فشاری المان های بتنی مورد استفاده قرار می گیرند. در این روش، قرارگیری الیاف در امتداد عمود بر محور طولی عضو به صورت دورپیچ کامل، سبب ایجاد محصورشدگی غیر فعال (Passive) در عضو می گردد. از این رو، FRP تا زمان بارگذاری و رخداد تغییرشکل های عرضی در المان بتنی غیر فعال بوده و تحت تنش قرار نگرفته و تاثیری در باربری عضو ندارد. اطمینان از چسبندگی کامل بین بتن و FRP در این روش مقاوم سازی بسیار حائزاهمیت می باشد. در شکل (1)، منحنی تنش – کرنش یک ستون بتن مسلح در حالت های محصور شده و محصور نشده در سطوح مختلف محصورشدگی نشان داده شده است. این شکل بخوبی گویای تاثیر محصورشدگی در افزایش مقاومت فشاری عضو بتنی بوده و علاوه بر آن نشان دهنده تاثیر محسوس محصورشدگی بر افزایش کرنش نهایی بتن می باشد. این موضوع افزایش شکل پذیری المان بتنی محصور شده را به همراه خواهد داشت.
-4-2 تقویت ترکیب فشاری – خمشی
دورپیچ کامل یا ژاکت FRP، جهت ایجاد محصورشدگی و در نتیجه افزایش مقاومت المان های بتنی تحت ترکیب نیروهای فشاری و خمشی مورد استفاده قرار می گیرد، در این خصوص افزایش قابل ملاحظه مقاومت تنها در صورتی قابل حصول است که نقطه متناظر با نیروی فشاری و خمشی نهایی در بالای خط متصل کننده مبدا به نقطه تعادل در منحنی اندرکنش P-M باشد. در شکل (2)، دیاگرام P-M در دو حالت محصور شده و محصور نشده نشان داده شده است. این منحنی بیانگر این نکته است که افزایش مقاومت در نتیجه محصورشدگی تنها برای المان های با مود شکست حاکم فشاری قابل ملاحظه می باشد.
-5-2 تقویت محوری – کششی خالص
با توجه به ویژگی خطی – ارتجاعی مصالح FRP، مشارکت FRP در انتقال نیروها در المان های تحت کشش خالص، بطور مستقیم به میزان کرنش المان وابسته بوده و مطابق اصل هوک قابل محاسبه است. در این مورد شرایط طراحی و میزان کرنش موثر FRP بسته به مشخصات المان و شرایط پیوستگی بین سطح بتن و FRP، مشابه سیستم های تقویت برشی با استفاده از FRP است.
-3مکانیزم های گسیختگی:
مکانیزم های گسیختگی در تیرهای مسلح خمشی تقویت شده خارجی با لایه FRP بر اساس پارامترهای تیر و میزان مقاوم سازی به صور زیر رخ می دهند: ( (1 خرد شدن بتن قبل از تسلیم آرماتور؛ ( (2 تسلیم فولاد ناشی از گسیختگی FRP؛ (3) تسلیم فولاد ناشی از خرد شدگی بتن؛ ( (4 جداشدگی پوشش بتن؛ ( (5 جداشدگی لایه 5] FRP،. [4 در شکل (3) انواع مکانیزم های ممکن گسیختگی خمشی نشان داده شده است.
