بخشی از مقاله
چکیده
بتن و ساختمان های بتن مسلح از جمله سیستم های ساختمانی می باشند که در سراسر دنیا مورد استفاده قرار می گیرند. این دسته از ساختمان ها در اثر ضعف سازه، مرور زمان و همچنین مشکلات اجرایی نیاز مبرمی به بهسازی و مقاوم سازی پیدا می کنند. روش های مختلفی برای بهسازی و مقاوم سازی این دسته از ساختمان ها موجود است و یکی از این روش ها استفاده از الیاف FRP می باشد.
از ویژگی های اصلی کامپوزیت های پلیمری می توان مقاومت مناسب در برابر خوردگی، سادگی اجرا در محل نصب و سبکی آن ها را برشمرد .در این مقاله سه سازه بتن مسلح قاب خمشی متوسط با تعداد طبقات مختلف مدل سازی و طراحی می شوند. سپس با استفاده از نرم افزار SeismoStruct 7.0.6 تاثیر مقاوم سازی ستون های سازه های مورد بررسی را توسط الیاف مختلف FRP بر روی ظرفیت برش پایه و با توزیع بار یکنواخت را به طور جداگانه مورد بحث و بررسی قرار می دهیم.
-1 مقدمه
تا اوایل دهه 1990، دو روش برای تقویت ستون های بتن مسلح متداول بودند : روش اول اجرای یک قفس بتنی در اطراف ستون و روش دوم نصب یک پوشش فولادی در اطراف ستون بوده است. هر کدام از این روش ها دچار مشکلاتی از جمله بالا بردن وزن سازه و ابعاد ستون و مشکلات اجرائی و هزینه بالا و همچنین ضعف در برابر عوامل مخرب محیطی شدند. در این میان تقویت ستون های بتن مسلح با مصالح مرکب 1FRP متداول و جایگزین روش های قبلی شد.
مقاومت بالای کامپوزیت ها به منظور بهبود مقاومت در برابر زلزله در ستون مقاوم سازی شده بسیار موثر است. تاکنون تعداد زیادی تحقیقات آزمایشگاهی در زمینه کامپوزیت ها برای بهبود عملکرد اعضای تحت بار محوری انجام شده است. - کمیته ACI 440، . - 2002 کامپوزیت ها اساسا در مورد بتن مورد استفاده قرار می گیرد و باعث بهبود و ارتقاء خواص از جمله مقاومت فشاری و یا ظرفیت نیروی محوری می شود.
روش های گوناگونی برای تقویت ستون های بتن مسلح با مصالح FRP ارائه شده است. روش های تقویت را به سه گروه عمده می توان دسته بندی کرد: دور پیچ کردن مقطع ستون، پیچیدن الیاف به روش صنعتی، پوشاندن با پوسته های پیش ساخته.
روش دورپیچ کردن مقطع ستون از متداولترین روش تقویت ستون ها با مصالح FRP است. در این روش صفحات یا نوارهای FRP با الیاف یک جهته - تک راستا - و یا صفحاتی با الیاف بافته شده با رزین آغشته و طی فرایند چسباندن تر به دور ستون پیچیده می شوند.دورپیچ کردن ستون ها می تواند یک لایه یا چند لایه روی هم یا به حالت مارپیچی باشد.در این حالت نوار یا صفحه FRP قطع نمی شود و پیوسته است
شکل -1 نمای شماتیک یک ستون دورپیچ
انهدام و یا صدمات شدید وارد شده به بسیاری از ساختمان ها و پل ها در زلزله های اخیر - نظیر زلزله 1994 نورتریج2 آمریکا و 1995 کوبه3 ژاپن - نیاز به بهسازی و تقویت عملکرد لرزه ای سازه های ضعیف را مشخص کرده است. ستون های بتن مسلح به عنوان اعضای کلیدی در تحمل بارهای جانبی و قائم و در برابر نیروهای ناشی از زلزله حساس و آسیب پذیر است.
بنابراین در سال های اخیر اجرای پروژه های مقاوم سازی ستون ها با استفاده از مصالح مرکب FRP در سراسر جهان به سرعت رو به ازدیاد است. سازه هایی که مطابق آئین نامه ها و ضوابط جدید طراحی لرزه ای محاسبه شده اند در مجموع عملکرد خوبی در زلزله های اخیر از خود نشان داده اند اما سازه هایی که مطابق آئین نامه های قدیمی طراحی و اجرا شده اند اغلب شرایط و نیاز های اصلی یک سازه را برای پایداری و شکل پذیری در مقابل بارهای ناشی از زلزله را ندارند. بنابراین اهمییت بهسازی سازه های قدیمی در کشورهای لرزه خیز احساس می شود1]،.[2در سال 1990 دو دیدگاه برای تقویت و بهسازی پایه پل های بتنی با استفاده از مصالح FRP ارائه شده است:
· بهسازی از نظر مقاومت ستون
· بهسازی از نظر شکل پذیری ستون
در روش اول صفحات FRP به صورت طولی به ستون چسبانده شده تا مقاومت خمشی آن افزایش یابد. در روش دوم الیاف FRP دور ستون پیچیده شده و در واقع تشکیل حلقه داده تا شکل پذیر ستون افزایش یابد. هر دو روش سبب افزایش قابلیت جذب انرژی ستون می شدند - شکل. - 2 از آن پس مطالعات زیادی در این زمینه انجام شد که در اکثر آن ها دورپیچ کردن ستون نتایج بهتری را نشان می دهد.
شکل -2 نمودار نیرو - تغییر مکان برای افزایش مقاومت و شکل پذیری
با توجه به این که ایران از نظر لرزه خیزی در منطقه فعال جهان قرار دارد و به گواهی اطلاعات مستند علمی و مشاهدات قرن بیستم از خطرپذیرترین مناطق جهان در اثر زمین لرزه های پرقدرت محسوب می شود.گرچه جلوگیری کامل از خسارات ناشی از زلزله های شدید بسیار دشوار است، لیکن با افزایش سطح اطلاعات در رابطه با لرزه خیزی کشور، شناسایی و مطالعه آسیب پذیری ساختمان ها و ایمن سازی و مقاوم سازی صحیح و اصولی آن ها می توان تا حد مطلوبی تلفات و خسارات ناشی از زلزله های آتی را کاهش داد.
به همین منظور در این مقاله سازه های اولیه از کاربری مسکونی به آموزشی تغییر کاربری داده اند و بار زنده طراحی آنها نیز افزایش یافته است، این روش با توجه به این که سازه های بسیاری در حال حاضر دچار تغییر کاربری می شوند، می تواند به عنوان یکی از راهکارهای بهبود عملکرد ساختمان های بتنی قرار گیرد. در این راستا ابتدا در بحث آنالیز خطی توسط نرم افزارETABS9.7.4 سه ساختمان بتنی متقارن 4، 8 و 12 طبقه با شکل پذیری متوسط در منطقه ای با لرزه خیزی خیلی زیاد مدل سازی شده است. سپس برای آنالیز غیر خطی سازه های موجود از نرم افزار SeismoStruct 7.0.6 استفاده و نتایج مورد ارزیابی قرار گرفته است
رفتار بتن محصورشده
به طور کلی بتن محصور شده مقاومت فشاری بسیار بالاتری نسبت به بتن محصور نشده دارد. محصور کردن ستون باعث ایجاد فشار جانبی بر بتن می شود و وجود فشار محیطی بر عضو بتنی سبب افزایش مقاومت فشاری و شکل پذیری آن می شود. محصورشدگی با جلوگیری از گسترش بارهای خارج از محور در ستون، ظرفیت تحمل بار محوری را افزایش می دهد. در مورد بتن محصورشده با کامپوزیت های با مقاومت بالا، در بارهای کم، محصور شدگی غیر فعال است. در بارهای کم انبساط بتن بسیار کوچک و متناسب با ضریب پواسون است. همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است در بتن محصور شده مقاومت فشاری و کرنش افزایش می یابد.
