بخشی از مقاله
مقاوم سازي دال هاي تخت بتن آرمه در برابر برش پانچ با استفاده از FRP
چکیده
در سالهاي اخیر تقویت سازه هاي بتن آرمه با استفاده از کامپوزیت هاي FRP مورد توجه زیادي قرار گرفته که در این میان تقویت دالهاي دوطرفه به خصوص جهت افزایش مقاومت پانچ کمتر مورد مطالعه قرار گرفته است. مزایاي دالهاي دوطرفه مخصوصاً دالهاي تخت سبب کاربرد زیاد این نوع سازه شده است؛ ولی این سیستم ها با مشکلاتی نظیر خیز زیاد و برش پانچ مواجه هستند. در این مقاله تقویت دالهاي تخت با استفاده از صفحات FRP و فولادي براي تقویت ظرفیت برش پانچ مورد مطالعه قرار گرفت. براي این منظور ابتدا مدل اجزا محدود دال در نرم افزار ABAQUS توسعه داده شد و خصوصیات غیرخطی مصالح منظور گردید. پس از کالیبره کردن نرم افزار، تاثیر جنس الیاف، تعداد نوارها و تعداد لایه هاي FRP و همچنین دو نوع الگوي متفاوت مقاوم سازي مورد بررسی قرار گرفت. نتایج این بررسی نشان داد که صفحات FRP در دالهاي تخت، علاوه بر افزایش ظرفیت برش پانچ، افزایش سختی نمونه و کاهش انرژي جذب شده را به همراه داشت.
واژههاي کلیدي: دال تخت، برش پانچ، مقاوم سازي با FRP، مقاوم سازي با صفحه فولادي، .ABAQUS
-1 مقدمه
دال تخت بتن مسلح یکی از سیستمهاي مرسوم سازهاي است. عدم وجود تیر در این دالها، موجب سهولت اجرا، افزایش سرعت ساخت و ساز، افزایش ارتفاع خالص طبقه و کاهش ارتفاع کلی ساختمان میگردد. با این وجود، خطر شکست ترد پانچ در اتصالات دال ستون باعث میشود که این سیستمها مستعد خرابی پیش روندهاي باشند که با بروز گسیختگی در یک اتصال همراه خواهد بود. این نوع شکست با تغییرشکلهاي کمی همراه است و بدلیل ماهیت ترد آن که فاقد علائم هشدار دهنده قبل از بروز میباشد، مطلوب نیست .[1]
دالهاي تخت صرفاً براي تحمل بارهاي قائم طراحی میشوند و سیستمهاي باربر جانبی وظیفه تحمل نیروهاي جانبی ناشی از زلزله را دارند، با این وجود برشهاي چشمگیري در محل اتصال دال به ستون به وجود میآید. در زلزله 1985 مکزیکوسیتی، 91 سازه دال تخت ویزان شدند و 44 سازه نیز بعلت گسیختگی پانچ خسارات شدیدي دیدند .[2] یکی از موثرترین راه هاي کاهش خسارات ناشی از زمین لرزهها، مقاوم سازي ساختمانهاي موجود میباشد. حساسیت این موضوع با توجه به بافت فرسوده نقاط زلزله خیز، ساخت و ساز بدون رعایت استاندارد اجرایی و نیز استفاده از آئین نامه هاي طراحی قدیمی در دهه هاي گذشته دو چندان شده است.
شکل -1 دال تخت[1]
براي تقویت و مقاومسازي اتصالات دال به ستون تا مدتها از تقویت فلزي استفاده میشد و هنوز نیز تحقیقاتی بر روي تقویت فلزي دالها صورت میگیرد. تقویت فلزي با افزایش محصورشدگی و نیز افزایش سطح تحمل کننده برش، سبب افزایش ظرفیت برش پانچ میشود؛ ولی بنا به دلایلی نظیر خوردگی، سختی اجرا، وزن زیاد و عدم انعطاف پذیري مناسب، تقویت با صفحات فلزي با مشکلاتی روبروست .[3] به موازات کاربرد صفحات FRP در تقویت سایر اجزاي بتنی، استفاده از آن براي تقویت اتصال دالها در برابر برش پانچ نیز توسط برخی محققین توسعه داده شده است که میتوان به روش هراجلی و سودکی[4] و روش بینیسی [5] اشاره کرد. هراجلی و سودکی در آزمایش خود نمونه هایی که براي تجربه برش پانچ طراحی شده بودند را با چسباندن ورقه هاي FRP به سطح کششی دال تقویت کرده و تاثیر عواملی از جمله میزان آرماتور، ضخامت دال و مساحت ورقه هاي FRP را مطالعه کردند و افزایشی بین 17 تا 45 درصد در ظرفیت برشی اتصال مشاهده نمودند.
بینیسی و بایراك روشی جدید براي افزایش ظرفیت برش پانچ دالها ارائه نمودند. آنها ورقه هاي FRP را عمود بر صفحه دال در اطراف ستون و عمود بر صفحه آرماتورهاي خمشی، به صورت آرماتور برشی در دال قرار دادند. آنها دورشدن صفحه مستعد ترك برشی از نزدیکی ستون و افزایش در حدود 50 درصد در ظرفیت برش پانچ را مشاهده نمودند.
-2 مدلسازي
براي مدلسازي دالها، از برنامه اجزا محدود ABAQUS 6.10 استفاده شد. در این برنامه از المان 8 گرهاي C3D8R براي مدلسازي بتن، تکیه گاه صلب و صفحه فشاري، و از المان دو گره اي میله اي T3D2 براي مدلسازي آرماتورها بهره برده شد. خواص غیرخطی فولاد و بتن نیز در برنامه اعمال گردید. پس از مدلسازي تمامی اجزا براساس اندازه هاي ساخته شده در آزمایشگاه، تمامی اجزا مونتاژ شده و قیدهاي درگیرکننده این عناصر به نرم افزار معرفی شد. یکی از مراحل مهم، نحوه اتصال ورق هاي FRP به دال بود؛ روشهاي موجود در نرم افزار عبارت بودند از: Tie، Shell to solid coupling و Contact که طبق بررسیهاي صورت گرفته، استفاده از قید Shell to solid coupling رضایت بخش تر میباشد .[6]
نرم افزار ABAQUS امکان معرفی رفتار بتن تحت مدلهاي مختلف را داراست. در مدلسازي دالها از مدل پلاستیک آسیب دیده بتن (Concrete Dameged Plasticity) استفاده شد. مدل پلاستیک آسیب دیده بتن مدل توانمندي است که براي بارگذاريهاي مختلف کاربرد داشته و با بیان رفتار مجزاي بتن در فشار و کشش، رفتار این ماده را به صورت واقعیتر بیان میکند. در این مدل با استفاده از مفاهیم الاستیک آسیب دیده ایزوتروپیک و پلاستیک کششی و فشاري، رفتار غیر خطی بتن بیان میشود .[6]
براي بررسی صحت مدلسازي، چندین نمونه آزمایشگاهی در برنامه مدل شدند. با تغیـیـر پـارامـتـرهایی مانند شـرایط تکیه گاهی، سخت شدگی کششی بتن، زاویه اتساع و غیره، سعی شد یک مدل واقع بینانه از نمونه در برنامه توسعه داده شود و نرم افزار کالیبره گردد. به منظور دستیابی به این هدف، یک نمونه دال بتن آرمه که در سال 2008 توسط آگبوسو و همکاران[7] در لابراتواري در فرانسه آزمایش شده بود، مدلسازي شد. ابعاد و مشخصات دال در جدول 1 آورده شده است.
-1-2 توصیف هندسه دال
آزمایش روي دالهاي مربعی با ابعاد 1200 در 1200 میلیمتر انجام شد. دالها روي چهار تکیه گاه ساده خطی به طول 1/2 متر قرار داشتند. بارگذاري با استفاده از جکی هیدرولیکی به صورت موضعی در سطحی به ابعاد 10 در 10 سانتیمتر اعمال گردید. بتن مصرفی در کلاس C30 تهیه شده و جهت ایجاد برش پانچ در دالها، از نسبت فولاد به بتن بالایی استفاده شد.
آرماتورهاي فولادي از نوع ST65 به صورت شبکه جوش شده مربعی
براي وجه تحتانی و فولاد ST35 به صورت شبکه جوش شده مربعی
براي وجه فوقانی استفاده شد.
شکل – 2 نمونه آزمایشگاهی دال آزمایش شده توسط آگباسو و همکاران [7]
نمودار تغییرمکان وسط دال در برابر بار اعمالی، رسم شد که در این مورد نتایج حاصل از نرم افزار با نتایج آزمایشگاهی تطابق خوبی داشت. نمونه هاي r0 و r1 به ترتیب نمونه هاي آزمایشگاهی مقاوم نشده و مقاوم شده با FRP و مدل هاي R0 و R1 نمونه هاي شبیه سازي شده در ABAQUS بودند.
شکل -3 مقایسه نمودارهاي بار – تغییرمکان نمونه هاي آزمایشگاهی و تحلیل
-3 تشریح نمونه هاي تحلیل شده
در این بخش مقاوم سازي دالهاي تخت با الیاف پلیمري مورد بررسی قرار میگیرد. جهت انجام مطالعات مقاوم سازي، ابتدا تعدادي نمونه مشابه با نمونه کنترلی مدلسازي و سپس به صورت خارجی با استفاده از صفحات CFRP، GFRP، AFRP و فولادي و با الگوهاي مختلف مقاوم سازي شدند. الگوهاي مورد مطالعه الگوي شطرنجی موازي آرماتورهاي طولی (با نام (H، الگوي شطرنجی مورب (با نام (O و الگوي مستطیلی (با نام (R بودند.
-1-3 الگوهاي پوشش شطرنجی
در این بخش از دو الگوي موازي با آرماتورهاي طولی (با اسم (H و مورب (با اسم (O استفاده شد. در نامگذاري مدلها، حرف اول نشان دهنده نوع قرارگیري الیاف (موازي با آرماتورهاي طولی یا مورب)، حرف دوم نشان دهنده الگوي شطرنجی مقاومسازي، حرف سوم نشان دهنده نوع الیاف، عدد اول نشان دهنده تعداد لایه هاي صفحات و عدد آخر مربوط به تعداد نوارها میباشد. در زیر دالهاي HMC1-3 و OMC1-3 آورده شده است.
با مقایسه پاسخ بار تغییرمکان نمونه ها، مشاهده می شود که مقاوم سازي با صفحات CFRP، سختی خمشی نمونه ها را افزایش داده و باعث بهبود در ظرفیت مقاومت اتصال میگردد. در میان نمونه هاي مقاوم سازي شده در این بخش، نمونه هاي HMC1-7 و OMC1-3 به ترتیب بیشترین و کمترین مقادیر ظرفیت باربري را از خود نشان میدهند. در بین نمونه ها، کمترین میزان ظرفیت تغییرشکل متعلق به نمونه OMC1-7 میباشد. همچنین با افزایش مساحت لایه هاي مقاوم سازي، مقاومت نهایی اتصال افزایش مییابد؛ این افزایش مقاومت در نمونه هاي گروه H بیشترین نمود را خواهد داشت.
شکل -5 نمودار بار تغییرمکان دال بتنی مقاوم سازي شده با الگو و تعداد نوارهاي متفاوت 1) CFRPلایه)
در هر دو الگوي مقاوم سازي با افزایش تعداد نوارهاي FRP، مقاومت نهایی افزایش یافته است که میزان این افزایش در الگوي مقاوم سازي H (موازي آرماتورهاي طولی) به میزان متوسط %7 بیشتر از مورد مشابه در الگوي O می باشد. همچنین با افزایش تعداد نوارها، ظرفیت تغییرمکان کاهش می یابد. این کاهش در الگوي مقاوم سازي O به میزان متوسط %16 بیشتر است. با افزایش تعداد نوارها، انرژي جذب شده در نمونه کاهش می یابد. با این حال متوسط انرژي جذب شده در نمونه هاي H به میزان %20 بیشتر از الگوي مقاوم سازي O می باشد.
با توجه به افزایش بیشتر در ظرفیت مقاومت اتصال در نمونه هاي مقاوم سازي شده با الگوي H (موازي آرماتورهاي طولی) نسبت به الگوي O (مورب)، میتوان نتیجه گرفت اثر نوارهاي FRP هنگامی بهینه خواهد بود که الیاف این نوارها در راستاي آرماتورهاي طولی قرار گرفته باشند.
-1-1-3 بررسی تاثیر جنس صفحات بر ظرفیت اتصال
