بخشی از مقاله
خلاصه
سازه های موجود تحت تاثیر عواملی از قبیل گذر زمان، عوامل محیطی، طراحی و اجرای ضعیف و نیز زلزله، دچارکاهش مقاومت درتیرها، ستونها و درنتیجه خرابیهای جزئی یا کلی میشوند که مهندسان عمران همواره به دنبال راهحلی برای جلوگیری، کاهش یا ترمیم این آسیبها بودهاند. پیشرفتهای اخیر در زمینه بهبود و ارتقای کیفیت مصالح و روشها و تکنولوژیهای مقاومسازی سازهها، منجر به تولید پلیمرهای تقویت شده با الیاف - FRP - شده است که این مصالح به دلیل مقاوت کششی بالا و نصب آسانشان مورد استقبال مهندسین عمران قرار گرفتهاند.
نتایج آزمایشات انجام شده روی ستونهای بتن مسلح نشان میدهند که تقویت این ستونها با استفاده از الیاف FRP، میتواند سبب بهبود عملکردشان گردد. هدف تحقیق حاضر، بررسی عملکرد لرزهای ستونهای بتن مسلح محصور شده با FRP و نیز ارزیابی میزان تاثیر استفاده از الیاف FRP بر شکلپذیری آنها میباشد.
نتایج مطالعات تجربی و تئوری صورت گرفته نشان میدهند که ستونهای بدون پوشش FRP، رفتاری بسیار ترد و شکننده از خود نشان میدهند و ظرفیت جذب انرژی آنها نیز بسیار اندک میباشد. در صورتی که مقاومت، شکل پذیری و میزان جذب انرژی در ستونهای مقاوم-سازی شده با FRP، افزایش مییابند.
1. مقدمه
ستونهای بتن مسلح، مهمترین اعضای سازه برای مقاومت در برابر بارهای ثقلی و بارهای جانبی ناشی از زلزله میباشند. ستونهایی که دارای محصورشدگی جانبی کافی نمیباشند، از شکلپذیری مناسبی نیز برای جذب انرژی کافی برخوردار نیستند و آسیب جدی آنها میتواند آغازی برای فروپاشی سازه باشد. هدف اصلی از مقاومسازی سازههای واقع در نواحی زلزلهخیز، افزایش ظرفیت لرزهای ستونهای بتن مسلح آنها میباشد.
برای دستیابی به این هدف مهم، در سالهای اخیر استفاده از پلیمرهای تقویت شده با الیاف - FRP - رایج شده است. نتایج تلاشهای محققین در دهههای اخیر و به ویژه پس از زلزلههای نورتریج - 1994 - ، کوبه - 1995 - و تایوان - 1999 - ، باعث شده است تا مقاومسازی سازهها با استفاده از مصالح کامپوزیت FRP مرسومتر گردد این نتایج نشان دادهاند که مصالح FRP، مقاومت برشی و شکلپذیری ستونها را افزایش میدهند
اساس مقاومسازی با FRP که در واقع محصورکردن ستون و ایجاد فشار جانبی بر بتن آن است بر این اصل استوار است که وجود فشار محیطی بر روی یک المان بتنی، سبب افزایش مقاومت فشاری و شکلپذیری آن میشود. محبوس کردن برای اعضای تحت فشار کاربرد دارد و با هدف افزایش ظرفیت تحمل بار، یا در مورد مقاومسازی لرزهای، برای افزایش شکلپذیری استفاده میشود.
دلایل اصلی استفاده از مصالح FRP در تقویت و مقاومسازی اعضای بتن مسلح، شامل وزن کم، عدم نیاز به داربست و جک، کاربرد راحت-تر در فضاهایی با دسترسی محدود، ایمنی و مصونیت در برابر زنگزدگی و خوردگی، مقاومت کششی بسیار بالا در برابر بارگذاری کوتاه مدت و بلندمدت، پایین آوردن هزینه نیروی کار و قابلیت تغییرشکل بالا و امکان ساخت FRP در ابعاد و اندازههای گوناگون میباشند. از معایب آن نیز می-توان به آسیبپذیری آن در مقابل آتش و حرارت اشاره کرد. عیب دیگر مصالح FRP، آنست که برخلاف فولاد که رفتاری شکلپذیر دارد، کامپوزیت FRPعموماً تا مرحله شکست بدون تغییر باقی میماند و سپس دچار شکست ناگهانی میشود.
مصالح FRP متشکل از تعداد زیادی الیاف کوچک، پیوسته و جهت داده شده غیر فلزی میباشند که درون یک رزین قرار میگیرند. الیاف FRP را میتوان به دو صورت پیشساخته و یا اجرای در محل بر روی اعضای سازه نصب نمود که البته روش پیشساخته، بیشتر برای سطوح صاف استفاده میشود. انواع رایج الیاف FRP مورد استفاده در سازهها، از جنس کربن - CFRP - ، شیشه - GFRP - و آرامید - AFRP - میباشند که هر کدام دارای معایب و مزایایی میباشند. الیاف کربن مقاومت بیشتری نسبت به الیاف شیشه و آرامید دارد ولی هزینه آن نیز بیشتر است. در این تحقیق از الیاف کربن - CFRP - استفاده شده است.
تاکنون تحقیقات آزمایشگاهی بسیاری بر روی رفتار لرزهای ستونهای محصور شده با FRP واقع در ساختمانهای نیازمند مقاومسازی، بخصوص ستونهای تحت بار محوری کم انجام شدهاند . ولیکن تحقیقات اندکی در زمینه ستونهای تحت بارهای محوری بزرگ صورت گرفته است. هدف تحقیق حاضر، مطالعه و پیشبینی دقیق رفتار لرزهای ستون محصورشده با FRP، جهت مقاومسازی مناسب ستونهای بتن مسلح واقع در ساختمانهای موجود میباشد.
2. مشخصات نمونهها
بر اساس آزمایشات انجام شده توسط Wang و همکاران [6]، هشت ستون بتن مسلح مدور، در مقیاس یک سوم و با استفاده از فولاد معمولی مطابق با آئیننامهی طراحی چین - 1989 - که معادل آئیننامه طراحی ACI پیش از سال 1971 میباشد، ساخته شدهاند. دو ستون بتن مسلح بدون FRP، به عنوان نمونههای کنترل استفاده میشوند تا تاثیرات مقاومسازی با CFRP را در شش ستون دیگر که در ناحیهی مفصل پلاستیک با CFRP مقاومسازی شده-اند را ارزیابی کنند.
هر نمونه شامل یک ستون مدور با 180 میلیمتر قطر و 1260 میلیمتر طول میباشد. ضخامت پوشش بتن در این مدل 8 میلیمتر میباشد و شش میلگرد طولی نیز باقطر12میلیمتربه طور یکنواخت بصورتدایروی در ستون قرار گرفتهاند.
همچنین برای میلگردهای عرضی از میلگردهایی با قطر 4 میلیمتر استفاده شده است. فاصلهی این میلگردها در دو انتهای نمونهها 60 میلیمتر میباشد. در آخر نیز، پوششهای CFRP به صورت دورپیچ بر روی سطح صاف و صیقلیشده ستون چسبانده میشوند. جزئیات این ستونها در شکل 1 و مشخصات نمونهها و مصالح به ترتیب در جداول 1 و 2 نشان داده شده است.
شکل -1 جزئیات ستون
جدول -1 مشخصات ستونها
جدول -2 مشخصات مصالح
3. مدلسازی
تمام تحلیلهای انجام شده در این تحقیق - ستونهای بدون پوشش CFRP و ستونهای محصور شده با - CFRP با استفاده از روش استاتیکی غیرخطی - پوشآور - انجام شده است. در تحلیل استاتیکی غیرخطی، بار ثقلی، ثابت فرض میشود و بار جانبی گام به گام و به تدریج به صورت فزاینده تا زمانیکه که تغییرمکان نقطه کنترل به مقدار مشخصی بنام تغییرمکان هدف برسد، به سازه اعمال میشود. - مطابق پیوست 2 آییننامه 2800 ویرایش چهارم - .
مدلسازیها در این تحقیق با استفاده از نرمافزار OpenSees انجام شدهاند. OpenSees، یک نرمافزار اجزای محدود رایگان و کد باز برای انجام تحلیلهای غیرخطی میباشد. در نرمافزار OpenSees برای هر پارامتری از سازه، یک دستور منحصربفرد ایجاد شده است. به عنوان مثال، برای مدلسازی FRP در نرمافزار OpenSees، از دستور uniaxialMaterial ConfinedConcrete01 استفاده میشود.
این دستور برای مدلسازی مصالح تک محوره بتن محصورشده با پوشش FRP یا بدون پوشش FRP میباشد که بر اساس تحقیقات Braga، Gigliotti و Laterza - مدل BGL - ، در سال 2006 ایجاد شده است.[8] در این مدل بتن، مقاومت کششی نداشته و دارای سختی خطی کاهشیافته باربرداری/ بارگذاری مجدد شده، طبق پیشنهاد Karsanو - 1969 - Jirsa میباشد.[9] مدل BGL اثرات محصورشدگی را با توجه به آرایشهای مختلف آرماتور عرضی یا مقاومسازیهای خارجی، مانند پوششهای فولادی یا پوششهای FRP محاسبه میکند. همچنین این دستور، پارامترهای مربوط به مدل کردن FRP، مانند فاصله نوارهای FRP، مساحت کل، مقاومت نهایی و مدول الاستیسیته پوششهای FRP را در نظر میگیرد.
در این تحقیق، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، ستونها با استفاده از مدل فایبر - Fiber - ، تحلیل میشوند. مدل Fiber، مقطع ستون را به قطعات کوچکتر تقسیم میکند و سپس آن را تحلیل میکند. این تحلیل با استفاده از دستور section Fiber انجام میشود. مقطع فایبر، از 3 قسمت تشکیل شده است که شامل پوشش CFRP، بتن محصور شده با آرماتور عرضی - هسته بتن - و بتن محصور شده با CFRP - پوشش بتن - میباشد - شکل. - 2 نوع المان نیز، تیر-ستون غیرخطی میباشد که با توزیع پلاستیسیته گسترده مدل شده است.
