بخشی از مقاله
خلاصه
درسالهای اخیر، استفاده از مواد کامپوزیت در صنعت ساختمان رواج بسیاری یافته است. یکی از این مواد که کاربرد وسیعی در مقاومسازی سازههای بتن مسلح دارند، پلیمرهای مسلح الیافی - FRP - میباشند که به روشهای مختلف استفاده میشود. روش نصب در نزدیک سطح - NSM - ، یک روش بسیار مفید در به کارگیری میلگردها و نوارهای FRP در مقاومسازی ستونهای بتن مسلح است. مطالعاتانجام شده در زمینه استفاده از میلگردهای FRP به روش NSM نشان میدهد که این میلگردها ظرفیت باربری خمشی ستونها را افزایش میدهد. علیرغم افزایش ظرفیت خمشی توسط میلگردهای NSM-GFRP، این روش تقویت باعث کاهش شکلپذیری و ظرفیت اتلاف انرژی ستونها میشود. علاوه بر مشکلات ذکر شدهی این روش، عدم استفاده کامل از ظرفیت تحمل بار میلگردهای GFRP، یکی دیگر از عیبهای روش مذکور میباشد که این نقص با استفاده از ترکیب این روش با محصورکنندهی CFRP از بین میرود. در این مطالعه با بررسی آزمایشگاهی بر روی 5 نمونه بتن مسلح مقاومسازی شده به روشهایNSM-GFRP و NSM-GFRP در ترکیب با محصورکننده CFRP، اثر پوشش بتن بر روی ظرفیت تحمل بار و ظرفیت اتلاف انرژی بررسی شد. نتایج نشان میدهد با افزایش پوشش بتن ظرفیت تحمل بار و ظرفیت اتلاف انرژی کاهش مییابد و همچنین تأثیر محصورکننده CFRP با افزایش پوشش بتن به طور چشمگیری کاهش مییابد.
کلمات کلیدی: مقاومسازی، محصورکننده CFRP، NSM-GFRP، بار چرخهای، پوشش بتن.
1. مقدمه
سازههای بتن مسلح به دلایل مختلف شاملخطا در طراحی و یا ساخت، تغییرکاربری سازه، خوردگی و نیاز به مقاومسازی دارند. به دلیل به صرفه نبودن جایگزینی سازه موجود با سازه جدید از لحاظ اقتصادی و غیرممکن بودن این کار در برخی مواقع، یافتن یک روش مناسب برای تقویت سازههای بتن مسلح بسیار چالشبرانگیز است. یکی از قسمتهای مهم سازه که در معرض نیروی فشاری و لنگر خمشی هستند، ستونها میباشند.طی دهههای گذشته استفاده از غلاف بتنی و فلزی برای تعمیر و تقویت ستونهای بتن مسلح رواج زیادی داشتهاست و امروز هنوز جزء روشهای متداول میباشد. اگر چه این روشها در افزایش ظرفیت سازه مؤثر هستند اما نیاز به تجهیز و نیروی کار نسبتاً زیادی دارند و گاهی اوقات مشکل در پیادهسازی دارند، علاوه بر این سیستم غلاف بتن مسلح منجر به یک افزایش قابل توجهی در مقطع عرضی ستون میشود و سیستم غلاف فلزی به صورت ضعیف در برابر شرایط نامطلوب محیطی عمل میکند. ازاینرو، یک سیستم مقاومسازی ابتکاری، پایدار، آسان برای نصب و مقرون به صرفه در عوض این روشهانیاز است.[1]
یکی از این مواد جدیدی که کاربرد وسیعی در مقاومسازی ستونهای بتن مسلح دارند، پلیمرهای مسلح الیافی - FRP - میباشند. برتری این مواد نسبت به غلافهای فلزی شامل نسبتهای زیاد مقاومت به وزن و سختی به وزن، مقاومت بالا در مقابل کنشهای محیطی، سبکی، دوام و راحتی کاربرد آنها است. از جمله روشهای به کارگیری FRP در مقاومسازیستونهای بتن مسلح را میتوان روش نصب در نزدیکی سطح - NSM - ، روش محصور کردن ستون - Confinement - و روش نصب خارجی . - EBR -
ایده تقویت NSM در اواخر دهه 1940 میلادی در اروپا با میلگردهای فولادی متولد شدBarros .[2] و همکاران [3] در سال 2006 اولین تحقیق روی مقاومسازی خمشی ستونها با روش NSM-CFRP انجام دادند. در سال 2008، یک مطالعه آزمایشگاهی بر روی 12 ستون بتنمسلح تقویت شده به روش NSM با استفاده از نوارهای CFRP با دو نسبت تقویت فولادی مختلف توسط Barros و همکاران [4] انجام شده است. آنها نشان دادند افزایش مقاومت تأمین شده به وسیله نوارهای CFRP برای ستونها با نسبت تقویت فولادی طولی کمتر، بیشتر است. همچنین نشان دادند در این تکنیک مقاومسازی درصد افزایش انرژی تلف شده کم است یعنی این تکنیک مقاومسازی ظرفیت اتلاف انرژی را بهبود نمیدهد و اثر باریک شدن منحنیهای هیسترزیس در این روش تقویت دیده میشود.Coelho و همکاران [5]در سال 2015 نشان دادند که استفاده از روشNSM نسبت به روش EBR، 4 مزیت دارد: -1 کاهش در عملیات لازم برای آمادهسازی، -2 کاهش احتمال جدا شدن پیش از موعد تقویت کنندهها، -3 محافظت بیشتر در برابر عوامل محیطی مخرب و -4 تأثیر بصری کمتر.
اولین و معتبرترین تحقیقات صورت گرفته در زمینهیستونهایمحصورشدهFRP از سوی Antonio Nanni انجام گردیدهاست.Nanni و[6Bradford] در سال 1994 میلادی یک مطالعه آزمایشگاهی بر روی نمونههایبتنی پوشیده شده با 3 نوع FRP با مقاومت معمولی تحتبارگذاری فشاری تک محوری انجام دادند. این تحقیقها نشان میدهند که استفاده از FRP برای محصور کردن ستونها مقاومت فشاری و شکلپذیری را افزایش میدهد. اما محصور کنندههایFRP تأثیر کمتری تحت بارگذاری خارج از مرکز یعنی اثر توأم خمش و فشار دارد .[7] باید دقت شود که در شرایط عملی، ستونهای بتن مسلح در معرض ترکیب بارگذاریخمشی و محوری قرار میگیرند.
باید دقت شود که در روش NSM از ظرفیت کامل میلگردهایNSM، به دلیل کمانش پیش از مؤعدمیلگردها استفاده نمیشود. همچنین همانطور که ذکر شد محصورکننده FRP اثر قابل توجهی بر روی افزایش ظرفیت خمشیستونهای بتن مسلح ندارد. بنابراین برای افزایش اثر توأم خمش و فشار و همچنین استفاده از ظرفیت کامل میلگردهایNSM، Bournas و 8Triantafilla] و [9 در سال 2008، مطالعهای آزمایشگاهی بر روی تقویت ستونهای بتن مسلح با استفاده ترکیب دو تقویت محصورکنندهی FRP و NSM انجام دادند. آنها در این مطالعه نشان دادند در نمونههایی که از ترکیب دو روش تقویت استفاده شده است، حلقههای هیسترزیس ثابت و توپرتری و همچنین افزایش ظرفیت بار و شکلپذیری بیشتری نسبت به نمونههای مشابه خود که تنهاباتقویت NSM مقاومسازی شدهاند، دارند.
با بررسی تحقیقات انجام شده در زمینهی روش ترکیبی تقویت - میلگردNSM با محصورکننده - FRP، اثر پوشش بتن در این مطالعات بررسی نشده شده است. در این مطالعه به بررسی تقویت ستونها بتن مسلح با استفاده از روش NSM-GFRP و روش NSM-GFRP با محصورکنندهی CFRP به منظور بررسی اثر پوشش بتن بر روی ظرفیت تحمل بار و ظرفیت اتلاف انرژی پرداخته میشود.5 نمونه ستون بتنمسلح تحت بارگذاری همزمان فشاری ثابت و بار جانبی سیکلی آزمایش شدند، که شامل نمونه کنترل، نمونههای تقویت شده با NSM-GFRP، نمونههای تقویت شده با NSM-GFRP و محصورکننده CFRPبا 2 پوشش بتن 20 و 40 میلیمتر بودند. نتایج نشان میدهد اثر پوشش بتن بر روی نمونههای تقویت شده با استفاده از ترکیب NSM-GFRP همراه با محصورکنندهیCFRP بیشتر است.
2. برنامه آزمایشگاهی
.1,2 جزئیات نمونهها
5 ستون بتن مسلح مربعی به ابعاد 250×250×1200 میلیمتر با مقیاس تقریبی 1 به 2/5 آزمایش شدند. ستونها در قسمت پایین به یک فونداسیون بتن مسلح برای اعمال بار چرخهای جانبی و اتصال آنها به کف صلب متصل شدند. جزئیات و ابعاد نمونهها در شکل -1 - الف - نشان داده شده است. کلیه ابعاد بر حسب میلیمتر است. نمونهها شامل 4 آرماتور طولی فولادی با قطر 10 میلیمتر و خاموتهای فولادی با قطر 6 میلیمتر با فاصله مرکز به مرکز 50میلیمتر بودند.
جزئیات نمونهها در جدول - 1 - آورده شده است. متغیرهای آزمایش روش تقویت و پوشش بتن میباشد. نمونههای این آزمایش شامل 5 نمونه، نمونه کنترل، 2 نمونهی تقویت شده با 2 میلگرد GFRP به قطر 10 میلیمتر در 2 وجه مقابل ستون به روش NSM با پوششهای 20 و 40 میلیمتر و 2 نمونه تقویت شده به صورت حالت قبل اما با 2 لایه ورق CFRP به عنوان محصورکننده میباشد.طول مهاری میلگردهای NSM در پی برای همه نمونهها ثابت و برابر 20 سانتیمتر بود. آرایش میلگردهای NSMدرشکل -1 - ب - نشان داده شده است.
جدول : - 1 - جزئیات نمونهها
شکل : - 1 - الف- جزئیات و ابعاد نمونههای آزمایشگاهی، ب- محل قرارگیری شیارها در مقطع عرضی
. 2,2 مشخصات مصالح
همهی ستونها و فونداسیونها با استفاده از بتن آماده ساخته شدهاند. متوسط مقاومت فشاری 28 روزهی بتنهای پی و ستون به ترتیب 24/5 و 18/2 مگاپاسگال بود - براساس 4 نمونه در شرایط محیطی یکسان با ستونها - .
میلگردهای فولادی مورد استفاده در نمونهها، از نوع A و A بوده است. از میلگردهای نوع 1 فقط برای خاموتها و از میلگردهای نوع 2 برای آرماتورهای طولی استفاده شده است. مشخصات مکانیکی میلگردهای مورد استفاده در این مطالعه بر اساس آزمون کشش بر طبق آیین نامه DIN EN [1010002]به دست آمد. تنش جاری شدن و تنش نهایی میلگرد با قطر 6 میلیمتر به ترتیب 337 و 475 مگاپاسگال و برای میلگرد با قطر 10 میلیمتر 408 و 660 مگاپاسگال بوده است.
