بخشی از مقاله
مطالعه ی آزمایشگاهی رفتار ستونهای بتن آرمهی دایرهای تقویت شده با کامپوزیت CFRP به صورت طولی و دورپیچ
خلاصه
یکی از راههای تقویت ستونهای بتن آرمه، استفاده از پوششهای کامپوزیتی FRP به دور ستون است. بیشترین کاربرد این پوششها به صورتی است که الیاف کامپوزیت در جهت عمود بر محور طولی ستون یا جهت حلقوی قرار گیرند. در صورتی که از کامپوزیت با الیاف در راستای محور طولی استفاده شود، کامپوزیت در اثر فشار وارده کمانش کرده و از سطح بتن جدا میگردد . در این تحقیق، به منظور بررسی تأثیر جهت قرارگیری الیاف در کامپوزیت FRP در رفتار ستون، 12 ستون بتن آرمه با مقطع دایرهای به قطر 150 میلی متر و ارتفاع 500 میلی متر تحت بار محوری با خروج از مرکزیتهای 0، 30 و 60 میلی متر قرار گرفت. نتایج نشان داد که در کل، تأثیر دورپیچ FRP در افزایش مقاومت ستون بیشتر از FRP طولی است؛ اما با افزایش خروج از مرکزیت، تأثیر دورپیچ FRP در افزایش مقاومت ستون کاهش و تأثیر FRP طولی افزایش مییابد.
1. مقدمه
تأثیر کامپوزیتهای FRP در تقویت ستونهای بتنآرمه تحت بار محوری خالص و یا بار خارج از محور در تحقیقات زیادی مورد بررسـی قـرار گرفتـه اسـت؛ در اکثر این تحقیقات، مطالعه پیرامون رفتار ستون تقویت شده با دورپیچ FRP ) FRP با جهت الیاف عمود بر محور ستون) انجام گرفتـه اسـت کـه در آن کامپوزیـت FRP تحت کشش حلقوی قرار میگیرد. در واقع، در این تحقیقات از ظرفیت کششی FRP در تقویت ستون استفاده شـده اسـت؛ ایـن در حـالی اسـت کـه منـابع مختلفی اذعان دارند که کامپوزیتهای FRP قادر به تحمل تنشهای فشاری نیز میباشند. آیـین نامـهی مؤسسـهی بـتن آمریکـا، ACI440.2R-08، در زمینـهی تقویت سازههای بتنی با ورقههای FRP تصریح می کند که کامپوزیتهای FRP قادر به تحمل فشار هستند؛ اما حداکثر تنش فشاری قابل تحمل توسـط ایـن دسـته از مواد کمتر از مقاومت کششی آنها میباشد .[1] بر اساس تحقیقات وو، مقاومت فشاری کامپوزیتهایFRP با الیاف شیشه، کربن و آرامید به ترتیـب 55، 78 و 20 درصد مقاومت کششی آنها است .[2] همچنین بر اساس تحقیقات احسانی، مدول الاستیسیتهی فشاری کامپوزیتهایFRP با الیاف کربن، شیشـه و آرامیـد بـه ترتیب برابر با 80، 85 و 100 درصد مدول الاستیسیتهی کششی آنها میباشد .[3]
طبق آنچه گفته شد، میتوان نتیجه گرفت که در تقویت ستون میتوان از کامپوزیت طولی FRP نیز استفاده نمـود؛ در ایـن حالـت جهـت الیـاف FRP موازی با محور طولی ستون بوده و شرایطی فراهم میگردد که کامپوزیت FRP در معرض فشار قرار گیرد. در بین تحقیقات انجام گرفته، تنهـا تعـداد محـدودی از FRP طولی جهت تقویت ستون استفاده کرده اند؛ که هدف اکثر آن ها بررسی جهت قرارگیری الیاف FRP در محصور کردن ستون و یا بررسی سـتون تحـت بـار خارج از محور بوده است و تأثیر FRP تحت فشار بر رفتار ستون را بررسی نکردهاند. لی و هم کاران به منظور بررسی تأثیر جهت الیاف بر رفتار سازهای ستونهـای تقویت شده با GFRP، تعدادی نمونهی استوانهای را مورد آزمایش فشاری قرار دادند. در این میان، تعدادی از نمونهها با دو لایه FRP تقویت شدند و با توجـه بـه جهت الیاف در هر لایه (الیاف با زوایای مختلف 0، 30، 60، 45، -45 و یا 90 درجه)، 6 نوع تقویت متفاوت مورد بررسی قرار گرفت؛ همچنین برخـی نمونـههـا بـا چهار لایه FRP با جهات یکسان پوشانده شدند، به طوری که هر چهار لایه در جهت طولی و یا همگی در جهت افقی قرار گرفته بودند. ایشـان نتیجـه گرفتنـد کـه الیاف مورب نسبت به الیاف افقی و یا قائم تأثیر کمتری در افزایش مقاومت نمونه دارند .[4] کویرتانت و کلمنت به بررسی رفتار ستونهـای مربعـی مسـلح، تقویـت شده با CFRP تحت بار خارج از محور پرداختند و از سیستمهای مختلف تقویت (از نظر نوع FRP مصرفی و یـا طـرز چسـباندن آن ) اسـتفاده کردنـد. در تمـامی ستونهای تقویت شده با FRP، به منظور تقویت خمشی ستون، از یک لایه کامپوزیت FRP با الیاف تک جهته در راسـتای محـوری اسـتفاده شـد و سـپس سـتون توسط نوارهای عرضی محصور گردید. لایهی دوم در یکی از گروه ها به صورت دورپیچ پیوسته و مارپیچی با زاویهی مارپیچ 20 درجه بود؛ در حـالی کـه در سـایر گروهها از نوارهای حلقوی غیر پیوسته به عنوان دورپیچ استفاده شد. همچنین، لایهی دوم در برخی گروهها به صورت ورق FRP با الیاف تـک جهتـه و در برخـی دو جهته بود. ایشان نتیجه گرفتند که استفاده ی توأم از FRP طولی و عرضی باعث افزایش مقاومت و شکل پذیری ستون میشود؛ امـا مقـدار ایـن افـزایش تـا حـد زیادی وابسته به سیستم تقویت مورد استفاده است .[5]
علت نادیده گرفتن مقاومت فشاری کامپوزیتهایFRP تحت فشار را میتوان در چگونگی گسیختگی فشاری آنها جستجو نمود. بـر اسـاس تحقیقـات انجام گرفته، گسیختگی کامپوزیت FRP تحت فشار وارد بر آن، تحت تأثیر عواملی چون سختی الیاف و ماتریس تشـکیل دهنـده ی کامپوزیـت و رفتـار غیرخطـی آنها، نحوهی قرارگیری و توزیع الیاف در ماتریس، چگونگی چسبندگی الیاف و ماتریس و نیز انحنا و خارج از محور بـودن اولیـهی الیـاف مـیباشـد. ایـن عوامـل موجب میشوند که مودهای مختلفی برای گسیختگیFRP وجود داشته باشد. مطالعات انجام گرفته مکانیزمهای گسیختگی مختلفی را نظیر ریزکمـانش عرضـی و برشی الیاف در ماتریس، گسیختگی ماتریس، در هم پیچیدگی الیاف، له شدگی الیاف در اثر فشار و جـدا شـدن الیـاف از مـاتریس بـرایFRP تحـت بـار فشـاری معرفی کردهاند؛ اما تحقیقات نشان داده است که مود غالب گسیختگی، ریزکمانش الیاف میباشدکه میتواند با تسلیم و رفتار غیرخطی مـاتریس همـراه گـردد .[6] علاوه بر وقوع ریزکمانش، ورقهیFRP مانند ورق تحت فشار معمولی دچار کمانش کلی شده و این پدیده باعث جداشدگی آن از سطح بتن مـیگـردد. بنـابراین میتوان گفت هنگامی که کامپوزیت FRP با الیاف محوری در تقویت ستون به کار میرود، با تحمل بخشی از فشار وارد بر ستون موجـب افـزایش بـاربری سـتون میگردد. اما با افزایش بار وارده، دچار کمانش شده و ظرفیت باربری خود را از دست میدهد. بنابراین جهت استفاده از ظرفیت فشاری واقعیFRP، لازم است بـه نوعی از کمانش این کامپوزیتها تحت فشار جلوگیری شود. برای جلوگیری از ایـن کمـانش، لازم اسـت ورقهـایFRP، تکیـهگـاه جـانبی کـافی داشـته باشـند. استفاده از نوارهایFRP با الیاف حلقوی (دورپیچ) به عنوان لایهی خارجی بر روی نوارهای طولی میتواند به عنوان تکیهگاه جانبی تلقی گردد و از کمانش آنهـا تحت فشار وارده جلوگیری کند. تحقیقاتی در زمینهی اثر محصور کردن ورقهای طولی FRP با دورپیچ در رفتـار سـتون تحـت فشـار انجـام شـده اسـت. تـان بـه بررسی مقاومت ستونهای مستطیلی تقویت شده با FRP تحت بار محوری پرداخت. تعـدادی از نمونـههـا بـا دورپـیچ FRP محصـور شـدند و تعـدادی عـلاوه بـر دورپیچ، با ورقهـایFRP طـولی بـه صـورت جعبـه ای (در سرتاسـر محـیط)، -U شـکل، -C شـکل و یـا -I شـکل تقویـت شـدند. طبـق نتـایج بـه دسـت آمـده، ورقهایFRP با الیاف عرضی، با محصورسازی بتن باعث افزایش مقاومت آن میشوند و ورقهای با الیاف طولی، تنها در صورتی کـه بـه طـور کـافی بـا دورپـیچ FRP محصور شده باشند، از کمانش آنها جلوگیری شده و با تحمل بار فشـاری بـه طـور مسـتقیم، مقاومـت سـتون را افـزایش مـیدهنـد .[7] عیسـی و هـمکـاران ستونهای با مقطع دایرهای را که با آرایشهای متفاوت از کامپوزیتهای طولی و عرضیCFRP تقویت شدند، تحت بار محوری خالص قرار دادند. ایـن محققـین مشاهده کردند که وجود یک لایه FRP عرضی باعث افزایش ظرفیت فشاری ستون به میزان 41 درصد میشود. از طرفـی، در نمونـههـای دارای یـک لایـه FRP طولی و یک لایه FRP عرضی روی آن (لایهی طولی توسط دورپیچ مهار شده است)، افزایش مقاومتی برابر با 59 درصد مشاهده گردید؛ این در حـالی اسـت کـه در نمونه هایی که با یک لایه FRP عرضی و سپس یک لایه FRP طولی روی آن تقویت شدند، این مقدار 47 درصـد اسـت کـه نشـان مـیدهـد FRP طـولی در صورتی در ظرفیت باربری نمونه تأثیر دارد که به عنوان لایهی داخلی قبل از FRP عرضی مورد استفاده قرار گیرد .[8]
همان طور که گفته شد، در تحقیقات محدودی که پیرامون ستون تقویت شده با FRP طولی انجام گرفته است، FRP طولی به همراه دورپیچ در تقویـت ستون استفاده شده و تأثیر FRP طولی در افزایش مقاومت ستون به تنهایی مورد بررسی قرار نگرفته است. بنابراین در ایـن تحقیـق، در برخـی نمونـههـا از نوارهـای طولی FRP بدون دورپیچ استفاده شده است و این نمونهها با نمونههای تقویت شده با نوارهای طولی به همراه دورپیچ مقایسه گردیدهانـد. هـمچنـین، از آنجـا کـه اکثر ستون های موجود در سازه تحت بار توأم محوری و خمشی قرار مـی گیرنـد، نمونـههـای ایـن تحقیـق عـلاوه بـر بـار محـوری خـالص، تحـت بـار بـا خـروج از مرکزیتهای 30 و 60 میلی متر نیزمورد بررسی قرار گرفتهاند.
2. مشخصات نمونهها، مصالح مصرفی و دستگاه بارگذاری
نمونههای مورد آزمایش شامل 12 عدد نمونهی بتن آرمه با مقطع دایرهای به ارتفاع 500 میلی متر و قطر 150 میلی متر مـیباشـند. تمـامی نمونـههـا مسـلح بـه 6 عـدد میلگرد طولی به قطر 8 میلی متر هستند؛ بنابراین درصد آرماتورهای طولی به کار رفته در هر یک از نمونهها برابر با 1/71 درصد سطح مقطع ناخـالص نمونـه خواهـد بود. برای جلوگیری از کمانش آرماتورهای طولی در حین بارگذاری تا رسیدن به لحظه ی شکست نمونه، از 6 عدد خاموت به قطر 8 میلی متـر و فواصـل 85 میلـی متر از یک دیگر استفاده شده است، شکل.1 میلگرد مصرفی برای تقویت نمونهها از نوع آجدار AIII میباشد و تنش تسلیم و تنش نهایی آن به ترتیب برابر بـا 502 مگا پاسکال و 684 مگا پاسکال است. طرح اختلاط بتن برای ساخت نمونهها طبق آیین نامهیACI-211-89 برای رسیدن به مقاومـت فشـاری 28 روزهی 28 مگـا پاسکال تعیین گردید. نمونهها یک روز پس از بتن ریزی از قالب جدا شـده و بـه مـدت 28 روز در حوضـچهی آب بـا دمـای 20 درجـه سـانتی گـراد عمـل آوری میشوند. مقاومت فشاری 28 روزه و نیز مقاومت فشاری در زمـان آزمـایش بـا انجـام آزمـایش فشـاری بـر روی نمونـههـای اسـتوانهای اسـتاندارد مطـابق اسـتاندارد ASTM تعیین گردیده است. الیاف کامپوزیتی مورد استفاده در این تحقیق از نوع الیاف کربن (CFRP) با نام تجاری SikaWrap-300C و به صـورت تـک جهته میباشد. ورقهای CFRP مورد استفاده دارای ضخامت 0/17 میلی متر بوده و جهت استفاده در تقویت نمونهها به صورت نوارهایی با طول 500 میلـی متـر و عرض 60 میلی متر بریده شدهاند. چسب مورد استفاده جهت نصب ورق FRP نوعی رزین اپوکسی دو جزئی با نام تجاری Sikadur-330 مـیباشـد. مشخصـات مکانیکی الیاف و چسب مصرفی در جدول 1 ارائه شده است.
ورقهای FRP به روش نصب سطحی EBR بر روی نمونه نصب میشوند. در این روش، ابتدا لایهی ضعیف بتن به وسیلهی دستگاه فرز مجهز به سـنگ سایش از بین میرود؛ به طوری که سطح سنگدانهها نمایان میگردد. بعد از آن، به منظور تمیز شدن سطح بتن از گرد و غبار و آلـودگیهـای سـطحی، از دسـتگاه کمپرسور هوای فشرده استفاده میشود. پس از آماده سازی سطح بتن، به وسیلهی کاردک، لایهای نازک و یکنواخت از رزین بر روی نمونه مالیده میشود؛ سـپس ورق FRP بر روی رزین قرار میگیرد. پس از اطمینان از اتصال کامل و یکنواخت ورق FRP به سطح بتن، لایهی دیگری از رزین بر روی ورق مالیده میشود تـا الیاف به طور کامل به رزین آغشته گردند.
نمونهها پس از تقویت با کامپوزیت FRP، حداقل به مدت 7 روز جهت گیرش مناسب رزین تحت مراقبت قرار میگیرند. پـس از آن، بـر روی نمونـههـا بارگذاری انجام میشود. در این تحقیق، جهت اعمال بار با خروج از مرکزیتهای متفاوت بر روی ستونهای بتن آرمه از دستگاه پرس بـا ظرفیـت 2000 کیلونیـوتن مجهز به ورق و کلاهک مخصوص بارگذاری خارج از محور استفاده شد. در زیر کلاهک مخصوص بارگذاری خارج از محور پنج شیار وجود دارد که مربوط بـه خروج از مرکزیتهای صفر، 30، 60، 90 و 120 میلی متر میباشند. با قرار گرفتن هر یک از شیارها بر روی نیم اسـتوانهی موجـود بـر روی ورق، بـار بـا خـروج از مرکزیت مربوطه به نمونه اعمال میشود. بارگذاری این نمونهها به صورت کنترل تغییر مکان و با سرعت 1 میلـی متـر بـر دقیقـه بـرای حرکـت فـک دسـتگاه انجـام میشود. برای اندازه گیری تغییر مکان محوری وجوه فشاری و کششی نمونه های تحت بار خارج از محور، از دو جابـهجـایی سـنج بـا دقـت 0/005 میلـی متـر در دو طرف نمونه استفاده شد. شکل 2 نحوهی قرارگیری نمونه در این دستگاه را به همراه جا به جایی سنجها و کلاهک بارگذاری خارج از محور نشان میدهد.
شکل- 2 نحوهی قرارگیری نمونه در دستگاه بارگذاری و کلاهک بارگذاری خارج از محور
3. نوع تقویت نمونه ها
همان طور که در قسمت قبل گفته شد، تعداد 12 عدد نمونهی بتن آرمهی استوانهای در این تحقیق مورد آزمایش قرار گرفته اند. این نمونهها در 3 گـروه طبقـهبنـدی شدهاند به نحوی که نمونههای موجود در گروههای اول تا سوم به ترتیب تحت بار با خروج از مرکزیتهای صفر، 30 و 60 میلـی متـر قـرار گرفتـهانـد. هـر یـک از گروهها شامل 4 نمونهی بتن آرمهی استوانهای میباشد که مشخصات آنها از نظر نوع تقویت در هر 3 گروه یکسان بوده و به صورت زیر میباشد:
الف- نمونههای شاهد (R-e)؛ این نمونهها بدون تقویت FRP میباشند و مبنای مقایسه برای ارزیابی تأثیر کامپوزیتهای FRP در افزایش بـاربری قـرار میگیرند.
ب- نمونه های تقویت شده با نوارهای طولی FRP در کل محیط با به کار گیری روش نصـب سـطحی (LONG-e)؛ جهـت تقویـت ایـن نمونـههـا از 8 نوار طولی FRP به عرض 60 میلی متر و طول 500 میلی متر استفاده میشود که این نوارها به صورت مماس بـر هـم و بـدون هـم پوشـانی بـا روش EBR بـر روی سطح بتن نصب میشوند و کل نمونه را پوشش میدهند.
ج- نمونه های محصور شده با نوارهای دورپیچ (IW-e)؛ این نمونهها با 4 عدد نوار FRP به عرض 30 میلی متر و طول 580 میلی متـر محصـور شـدهانـد. این نوارها غیر پیوسته بوده و فاصلهی آزاد بین آنها برابر با 54 میلی متر میباشد.
د- نمونههای تقویت شده با نوارهای طولی و دورپیچ روی آنها با به کار گیری روش نصب سطحی( (LONG.IW-e؛ در ایـن نمونـههـا ابتـدا نوارهـای طولی با مشخصات مشابه با نوارهای استفاده شده در نمونههای LONG-e با روش EBR بر روی نمونه نصب میشوند و پـس از آن، نوارهـای دورپـیچ بـا عـرض 30 میلی متر، طول 580 میلی متر و فواصل آزاد 54 میلی متر از هم بر روی این نوارها چسبانده میشوند.
حرف e موجود در نام گذاری نمونهها نشان دهندهی نوع بارگذاری آنها بوده و خروج از مرکزیت بار را نشان میدهد. e بـرای گـروههـای اول تـا سـوم برابر با 0، 30 و 60 میباشد که به ترتیب خروج از مرکزیت 0، 30 میلی متر و 60 میلی متر را نشان میدهد.
4. بررسی نتایج حاصل از آزمایش
نتایج حاصل از آزمایش بر روی نمونههای گروههای مختلف در جدول 2 آورده شده است. همان طور که نتایج نشان می دهند، در تمامی گروهها نمونهی تقویت شده با یک لایه دورپیچ، با وجود مصرف میزان کمتر FRP (حدود 0/3 میزان FRP در نمونه های دارای نوارهای طولی (FRP، نسبت به نمونه های تقویت شده با FRP طولی ظرفیت باربری بسیار بالاتری از خود نشان میدهد . این موضوع نشان دهندهی تأثیر بسیار زیاد دورپیچ FRP نسبت به نوارهای طولی FRP در افزایش ظرفیت باربری ستون تحت بار با خروج از محوریت 0، 30 و 60 میلی متر است. در گروههای اول و دوم، نمونههای دارای FRP طولی و دورپیچ روی آن (LONG.IW)، با وجود ورق های طولی FRP، نسبت به نمونههای تقویت شده با دورپیچ تنها (IW) باربری کمتری داشته است. علت این موضوع تنش های کششی ایجاد شده در سطح زیرین ورق های FRP در حین کمانش آنها می باشد. این تنش های کششی به بتن منتقل شده و اثر تنشهای فشاری حاصل از محصور شدگی را از بین می برد. این در حالی است که در گروه سوم (خروج از محوریت 60 میلی متر) نمونهی LONG.IW-60 نسبت به نمونه ی IW-60 باربری بیشتری داشته است؛ این موضوع به دلیل کاهش فشار وارد بر ورقهای FRP در اثر افزایش خروج از مرکزیت بار میباشد که در نتیجه ی آن تنشهای کششی کمتری در سطح زیرین ورق FRP در اثد کمانش ایجاد خواهد شد. در این گروه، نمونهی LONG.IW-60 و نمونهی IW-60 به ترتیب نسبت به نمونهی شاهد 50/5 درصد و 35/1 درصد افزایش باربری داشتهاند. اختلاف این درصدها 15/4) درصد) در مقایسه با درصد افزایش باربری نمونه ی LONG-60 10/2) درصد) نشان میدهد که محصور کردن نوارهای طولی FRP با دورپیچ باعث افزایش کارایی این نوارها شده است.
با توجه به نتایج مربوط به کرنش های محوری در وجوه فشاری و کششی، مشاهده می شود که میزان این کرنشها در نمونه های دارای دورپیچ بیش تر از نمونههای فاقد دورپیچ میباشد. البته این موضوع در گروه سوم با توجه به کمتر بودن کرنش دو وجه در نمونهی IW-60 در مقایسه با نمونه ی LONG-60 نقض شده است که میتواند ناشی از خطاهای اندازهگیری کرنش در نمونه ی IW-60 باشد.
