بخشی از مقاله
چکیده:
در سالیان اخیر استفاده از میلگردهای کامپوزیت FRP به منظور افزایش عمر بهرهبرداری سازهها و کاهش خسارات ناشی از خوردگی میلگرد و هزینههای تعمیر و نگهداری سازه، رشد قابل توجهی در سراسر جهان داشته است. این میلگردها به دلیل مقاومت کششی بالا، وزن کم، مقاومت در برابر خوردگی و دوام جایگزین مناسبی برای میلگردهای فولادی به ویژه برای سازههای در معرض خوردگی میباشند.
از سوی دیگر، استفاده از میلگردهای کامپوزیتی FRP به دلیل ماهیت الاستیک- شکننده تغییر مکان بیشتری نسبت به سازههای بتن آرمه با میلگردهای فولادی دارند. از این رو، در این مقاله به بررسی تیرهای بتن آرمه با ترکیبی از میلگردهای فولادی و میلگردهای کامپوزیت شیشه - GFRP - پرداخته شده است تا تاثیر استفاده ترکیبی این میلگردها بر تغییر مکان قائم تیر بتن آرمه بررسی گردد.
در ابتدا یک نمونه تیر بتن آرمه با میلگرد GFRP به کمک نرم افزار آباکوس با مدل آزمایشگاهی صحتسنجی گردید و سپس هشت تیر بتن آرمه با چیدمان مختلفی از میلگردهای فولادی و GFRP با هدف بررسی تاثیر چیدمان و نسبت میلگرد فولادی به میلگرد GFRP بر تغییر مکان قائم تیر بتن آرمه ترکیبی مورد بررسی قرار گرفت. پس از تحلیل مشخص شد که تیر با یک ردیف میلگرد کششی که میلگردهای فولادی در قسمت گوشههای مقطع تیر قرار دارند، تغییر مکان قائم کمتری تا حدود ده درصد نسبت به تیر با همان درصد و نسبت آرماتور با دو ردیف میلگرد دارند.
-1 مقدمه
کامپوزیتهای FRP در اشکال مختلفی از قبیل پوشش، لمینیت، پروفیل، کابل پیش تنیدگی، مش و میلگردهای FRP کاربرد دارند. مقاومسازی برشی و خمشی تیرهای بتنی با استفاده از چسباندن مصالح FRP به صورت خارجی در سالهای اخیر در کانون توجه محققان و پژوهشگران متعددی قرار گرفته است
در دو دهه اخیر استفاده از میلگردهای کامپوزیتی FRP در سازههای بتنی در مقایسه با میلگردهای فولادی معمولی به دلیل دوام بالا، مقاومت بسیار خوب در برابر خوردگی، خواص غیرمغناطیسی و نسبت مقاومت به وزن بالا، به سرعت گسترش یافته است. از سوی دیگر، میلگردهای کامپوزیتی GFRP مدول الاستیسیته پایینتری در مقایسه با میلگردهای فولادی دارند و به این دلیل، تغییر مکان قائم بیشتر و عرض ترکهای بزرگتری در اعضای بتن آرمه با میلگرد GFRP در مقایسه با اعضای بتن آرمه با مقدار یکسان میلگرد فولادی مشاهده میشود. هر چند در طراحی چنین اعضایی غالبا حالت حدی سرویس حاکم میباشد
بیشترین کاربرد این میلگردها در ساخت سازههای بتن آرمه در معرض خوردگی است ولی برای تقویت و مقاومسازی سازههای موجود نیز استفاده میگردد. با ایجاد شیار و چسباندن این میلگردها به وسیلهی رزین میتوان سازهی موجود را تقویت نمود
از آنجا که تفاوتهای زیادی در خصوصیات مکانیکی و فیزیکی میلگردهای فولادی و FRP وجود دارد، جایگزینی مستقیم آرماتورهای FRP به جای فولاد امکانپذیر نمیباشد. یکی از اصلیترین تفاوتها بین فولاد و FRP این است که فولاد یک ماده همگن و الاستوپلاستیک است در حالی که FRP یک مادهی غیر همگن و الاستیک خطی به شمار میآید .[4] استفاده از کامپوزیتهای FRP سبب کاهش عوارض زیست محیطی میشود. بسیاری از مواد پلاستیک و شیشه بازیافتی را میتوان برای استفاده مجدد در کامپوزیتها مورد استفاده قرار داد، که باعث کاهش دفن زباله و آثار زیست محیطی میشود
تیرهای بتن آرمه به عنوان یکی از اعضای سازه، اهمیت ویژهای در عملکرد و ایمنی سازه دارند. تحقیق حاضر به بررسی تاثیر استفاده ترکیبی میلگردهای FRP و میلگردهای فولادی بر میزان تغییر مکان قائم در تیر بتنی میپردازد.
مصطفی 1 و حسن[6] 2 یک مدل المان محدود غیر خطی برای بررسی رفتار هیبریدی میلگرد FRP و فولاد ارائه نمودند. در تیرهای بتنی مورد مطالعه انواع مختلف FRP، CFRP و GFRP، همراه با میلگردهای فولادی استفاده شد. مطالعه نشان داد که با جایگزینی میلگردهای فولادی در تیرهای بتنی، شکل پذیری تیرها بهبود مییابد و شکست ترد نامطلوب تیر بتنی حذف میگردد.
بهتر است که میلگردهای فولادی به عنوان میلگردهای بالایی در تیرهای بتنی با میلگرد هیبریدی استفاده شوند. در تیرهای بتنی تقویت شده هیبریدی GFRP و فولاد، کاهش قابل توجهی در سختی و افزایش قابل توجهی در تغییر مکانهای قائم بعد از شکل گیری اولین ترک و تسلیم شدگی میلگرد فولادی مشاهده میشود. از سوی دیگر، تیرهای بتنی هیبریدی تقویت شده با CFRP و فولاد عملکرد بهتری در طول شکل گیری و گسترش ترک خوردگی نشان میدهند.
رفای 3 و همکاران [7] با آزمایش تیرهای بتن آرمه دریافتند که تیرهای بتن آرمه با ترکیبی از میلگردهای GFRP و میلگردهای فولادی با نسبت آرماتور بالا، نسبت به تیرهای بتنی مشابه که تنها با میلگردهای GFRP تقویت شدهاند، مقاومت و شکل پذیری بالاتری دارند. بر اساس نتایج آزمایشات، یک ضریب پیوستگی برای پیشبینی عرض ترک در تیرهای بتن آرمه ترکیبی با استفاده از معادلات ACI-440.1R.06 ارائه نمودند.
کین4 و همکاران [8] به کمک نرم افزار آباکوس به بررسی نسبت میلگردهای GFRP و فولادی در تیرهای بتن آرمه ترکیبی با نسبت آرماتور زیاد و نسبت آرماتور کم پرداختند. آنها دریافتند که برای تیرهای بتن آرمه با نسبت آرماتور بالا، برای تامین مقاومت پس از الاستیک تیر با سختی و شکل پذیری کافی، نسبت میلگرد ترکیبی - Af/As - باید در محدوده 1 تا 2/5 طراحی گردد
کُو و همکاران [9] با بررسی رفتار خمشی تیرهای بتن آرمه با میلگردهای GFRP و فولادی، پاسخ نیرو- تغییر مکان تیرهای تقویت شده با GFRP و فولاد را به سه فاز تقسیم نمودند که در فازهای دوم و سوم سختی خمشی با افزایش نسبت میلگرد موثر، افزایش مییابد. آنها دریافتند که میلگردهای فولادی، شکل پذیری تیرهای بتن آرمه ترکیبی را بهبود میدهد و برای پیش بینی دقیق منحنیهای نیرو - تغییر مکان در سطوح مختلف بارگذاری، اثرات سخت شوندگی کششی به خصوص در نسبتهای پایین میلگرد باید در نظر گرفته شود و مدل سخت شوندگی کششی نیال6 و رشید را برای پیشبینی منحنیهای نیرو- تغییرمکان تیرهای بتن آرمه ترکیبی GFRP و فولادی مناسب دانستند.
- نمونه آزمایشگاهی
از نمونه آزمایشگاهی آل سونا2 و همکاران [11] که در دانشگاه شفیلد انگلستان انجام شده است، به منظور بررسی نتایج مدلسازی عددی و قیاس آن با نتایج آزمایشگاهی استفاده گردید. بر این اساس مقاومت فشاری 28روزه استوانهای بتنی 41/6 مگا پاسکال و مقاومت کششی 3/6 مگا پاسکال در نظر گرفته شد. ابعاد مقطع تیر بتنی مستطیلی 150×250 میلی متر مربع و طول آن 2550 میلیمتر و فاصله بین دو تکیه گاه انتهایی 2300 میلیمتر میباشد. نحوهی آرماتورگذاری در شکل - 1 - نشان داده شده است.
میزان پوشش بتنی برابر 25 میلی متر در نظر گرفته شده است. دهانه برشی 767 - میلی متر - با خاموتهای فولادی برای جلوگیری از شکست برشی تقویت شده است. فاصلهی خاموتها 75 میلیمتر میباشد. میلگردهای GFRP با قطر اسمی 6 میلیمتر به عنوان میلگرد فشاری در دهانه برشی برای نگهداری خاموتها استفاده شد. بارگذاری بر روی تیر در آزمایش به صورت خمش چهار نقطهای است.
شکل-1 ابعاد هندسی و آرایش میلگردهای طولی و عرضی نمونه آزمایشگاهی
-3 مدلسازی اجزا محدود
به منظور صحت سنجی یک نمونه تیر بتنی با 4 میلگرد کششی GFRP به قطر 19 میلیمتر با مشخصات بیان شده در نرم افزار آباکوس مدل شده است.. مشخصات بتن مورد استفاده در مدلسازی در جدول - 1 - ارائه شده است. برای مدلسازی رفتار بتن از مدل آسیب دیده پلاستیک، 3 - CDP - استفاده شده است. در این مدل با استفاده از مفاهیم الاستیک آسیب دیده ایزوتروپیک و پلاستیک کششی و فشاری، رفتار غیر خطی بتن بیان میگردد. در مدل پلاستیک آسیب دیده بتن، دو مکانیزم برای انهدام بتن پیش بینی شده است. مکانیزم اول، ترک خوردگی بتن تحت کشش است و مکانیزم دوم، خُردشدگی بتن تحت فشار میباشد.
جدول-1 مشخصات مکانیکی بتن
