بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از مصالح کامپوزیتی درمقاومسازی و بهسازی سازهها یکی ازجدیدترین مباحث علمی جهان میباشد وتاکنون تحقیقات گستردهای درخصوص بکارگیری مواد مرکب به عنوان روکش ترمیم وتقویت انجام گرفته است. در این پژوهش، رفتار ستون بتنی مسلح مستطیلی تقویت شده با نوار FRP، تحت بارگذاری محوری مورد مطالعه قرار گرفت. ستون مذکور با نوار CFRP تقویت شد . متغیرهای مورد بررسی چیدمان نوارهای FRP و ضخامت نوار FRP بود. تحلیل ستون با استفاده از نرم افزار المان محدود ABAQUS انجام گرفت. نتایج نشان داد، تقویت ستون بتنی مسلح با نوار FRP، موجب افزایش چشمگیری در ظرفیت مقاومت و شکل پذیری ستون خواهد شد.
واژههای کلیدی: ستون بتنی مسلح، پلیمرهای مسلح به الیاف، روش المان محدود، بارگذاری محوری
مقدمه
ستونهای بتن آرمه به عنوان اعضای سازهای که بار محوری را با و یا بدون لنگر خمشی منتقل میکنند، از اهمیت ویژهای در عملکرد و ایمنی سازه برخوردارند. امروزه به دلایل گوناگونی هم چون تجدید نظر در ضوابط آیین نامه های طراحی، تغییر در کاربری سازه نیاز به طراحی اعضای سازه احساس میشود. قرارگیری بتن تحت تنشهای فشاری چند محوره باعث افزایش مقاومت و شکل پذیری بتن میگردد که این افزایش مقاومت و شکل پذیری بدلیل جلوگیری از گسترش ترکهای عرضی در بتن است. تنشهای چند محوره بوسیلهی محصور کردن بتن توسط فولادهای عرضی، ورقهای فولادی و یا کامپوزیتها صورت میگیرد. جدیدترین روش تقویت اچزای سازههای بتنی، استفاده از مواد کامپوزیت و پلیمرهای مسلح شده به الیاف - FRP - هستند. این مواد به دلایل مختلف از جمله وزن کم و مقاومت بسیار زیاد گزینهای مناسب برای صنعت مذکور به شمار میآید.
تاکنون تحقیقات گستردهای در زمینهی تقویت ستون بتنی با FRP، صورت گرفته است. هادی [1] در سال 2005، رفتار ستون بتنی تقویت شده با FRP تحت تأثیر بارگذاری خارج از مرکز را مورد بررسی قرار داد. نتایج نشان داد که دورپیچ کردن ستون با تعداد مناسبی لایهی FRP، باعث افزایش مقاومت، شکلپذیری میشود. یاکوب و همکاران [2] در سال 2010، مطالعه آزمایشگاهی را برای بررسی ظرفیت محوری ستون بتنی مسلح دایرهای پسگرمایشی ترمیم شده با FRP کربنی یا شیشهای انجام دادند. یاکوب و همکاران [3] در سال 2011، نتایج مطالعه آزمایشگاهی را برای بررسی اجرای ستون بتنی مربعی تقویت شده با FRP مورد بررسی قرار دادند؛ نتایج آزمایشگاهی، تاثیر CFRP یا GFRP را بر روی اجرای ستون مربعی در موارد شکل پذیری و مقاومت نهایی مورد بررسی قرار داد. رهایی و همکاران [4]
در سال 2013، 8 ستون RC با مقیاس بزرگ با مقطع عرضی مستطیلی تحت بار فشاری در مرکز، مورد آزمایش قرار دادند. وینسنت و همکاران [5] در سال 2013، 55 نمونهی بتنی تقویت شده با FRP را تحت فشار محوری و یکنواخت مورد آزمایش قرار دارند. نتایج آزمایشها بیان میکند که نمونههای تقویت شده با FRP، رفتار شکلپذیر بالایی را نشان میدهد. کوارتانت و کلمنت [6] در سال2011، اجرای ستونهای با بارگذاری خارج از مرکز را که با FRPهای متفاوتی تقویت شدند، مورد بررسی قرار دادند. نتایج آزمایشگاهی ارائه شده در این مقاله، افزایش قابل توجهی در ظرفیت مقاومت، ظرفیت تغییرشکل و شکلپذیری ستونها را نشان میدهد.
هدف از انجام این مقاله بررسی اثر ضخامت و عرض و چیدمان نوار FRP بر رفتار ستون بتنی مسلح میباشد. برای انجام این کار ابتدا مدل آزمایشگاهی ویدیارسا و هادی [7] ، در نرمافزار آباکوس مدل گردیده و سپس مدلهای ایجاد شده با نتایج آزمایشگاهی ویدیارسا و هادی صحت سنجی شده است. سپس با اعمال تغییراتی برروی مدلهای ویدیارسا و هادی، مدلهای موردنظر ایجاد شده و ظرفیت باربری و شکلپذیری ستون بتنی مسلح تقویت شده با نوار FRP مورد بررسی قرار گرفت.
جزئیات نمونههای آزمایشگاهی
در سال 4،2013 نمونه ستون بتنی مسلح تقویت شده با کامپوزیت FRP توسط ویدیارسا و هادی، مورد بررسی و آزمایش قرار گرفت. در این پژوهش به منظور بررسی روند کامپیوتری ستونهای مورد مطالعه و اطمینان از صحت مدلسازی آنها، از نتایج آزمایشهای ویدیارسا و هادی استفاده گردیده است. نحوهی آرماتورگذاری در شکل1 نشان داده شده است.
مدل آزمایشگاهی مرجع
در مقالهی مرجع مورد نظر، 4 ستون مسلح بتنی کوتاه با سطح مقطع مربعی 200×200mm2 و ارتفاعی برابر با 800mm مدنظر است. تمامی ستونها با فولاد طولی به قطر 12 mm و مقاومت کششی اسمی برابر با 500MPa، و فولاد عرضی به قطر 8 mm و مقاومت کششی اسمی برابر با 250MPa تقویت شدهاند، که در آن فولادهای عرضی به فاصلهی هر 100mm از یکدیگر قرار گرفتهاند. تقویت داخلی و خارجی نمونههای ستون مورد بررسی در جدول نشان داده شده است.
خصوصیات مصالح
بتن مصرفی برای مصالح، بتن با مقاومت بالا بود. مقاومت فشاری بتن بر اساس آزمایش، روی نمونهی استوانهای با قطر 100mm انجام شد. مقاومت فشاری میانگین 28 روزه 79/5 MPa بود. الیاف کامپوزیت استفاده شده برای نمونههای موردنظر، از نوع کربنی بودند.
بارگذاری
به منظور جلوگیری از تمرکز تنش، در ناحیهی بارگذاری و محل تکیهگاهها، از ورقهای فولادی استفاده شد. اعمال بارگذاری توسط پلیت با ضخامت 50mm انجام شد. بارگذاری در تمام نمونهها، به روش کنترل تغییرمکان اعمال شد. در شکل 2 دستگاه آزمایش ستون مورد مطالعه نشان داده شده است. مقایسه نتایج با نتایج آزمایشگاهی در این قسمت 4 نمونهی فوق الذکر در نرمافزار آباکوس مدلسازی شده است. شرایط موجود در آزمایش توسط نرم افزار به مدلهای ایجاد شده اعمال شده است. نمودار بار تغییرمکان حاصل از تحلیل غیرخطی نمونهها در نرمافزار و همچنین نتایج آزمایشها در شکلهای زیر نشان داده شده است. با توجه به شکلهای 3 و 4، برای ستون بتنی مسلح فاقد تقویت و با خروج از مرکزیت برابر با 25 mm، درصد خطای صحت سنجی ستون موردنظر برای بار نهائی برابر %7/75، و برای جابجایی محوری وجانبی مطابق با بار نهایی، درصد خطای مدلسازی بترتیب برابر %4/82 و% 8 بدست آمد.
