بخشی از مقاله
مقاوم سازی تیرهمبندِدیوار برشی بتن مسلح کوپله با استفاده از ورق های CFRP
چکیده
دیوار برشی بتن مسلح یکی از سیستم های مقاوم در برابر بارهای جانبی بوده که دارای عملکرد لرزه ای مناسبی مـی باشـد و در بیشـتر اوقـات تعبیـه بازشوهای منظم برای پنجره یا درب ها در دیوارهای برشی بنا به ملاحظات معماری ضروری بـوده و در چنـین مـواردی از دیوارهـای برشـی بازشـودار (کوپله) استفاده می شود. از سوی دیگر تیر همبند که یک عضو مهم در عملکرد و شکل گیری دیوارهای برشی کوپله می باشد ممکن اسـت بـه دلایـل مختلف به ترمیم و تقویت داشته باشند. روش های مختلفی جهت ترمیم و تقویت تیرهای عمیق وجود دارد کـه یکـی از آنهـا اسـتفاده از از پلیمرهـای کربنی مسلح شده به الیاف معروف به CFRP می باشد. در این تحقیق به بررسی اثر الیاف CFRP در تیر همبند دیوارهـای برشـی کوپلـه بـا هـدف افزایش ظرفیت باربری این دیوارها پرداخته شده است. بدین منظور یک دیوار برشی کوپله به روش اجزای محدود مدل سازی گردید و تیـر همبنـد آن در دو حالت چیدمانی مختلف توسط ورق های CFRP با ضخامت های ورق متفاوت تقویت گردید. نتایج حاصل نشان می دهد که اسـتفاده از پوشـش های CFRP می تواند تاثیر بسزایی در افزایش ظرفیت باربری دیواربرشی بتن مسلح داشته باشد.
واژه های کلیدی: تیر همبند، پلیمرهای کربنی مسلح شده به الیاف، دیواربرشی کوپله، روش اجزای محدود، CFRP
1
مقدمه
نگاهی به خسارت های ناشی از زلزله های گذشته نشان می دهد که درصد بالایی از ساختمان های بتن مسلح که تاکنون ساخته شده اند در برابر زلزله مقاوم نیستند و یا مقاومت کافی و قابل قبولی ندارند، زیرا سازه های بتن مسلح موجود بر اساس آیین نامه های قدیمی طراحی شده و اکثر آنها الزامات آیین نامه های جدید زلزله را ارضا نمی کنند. همچنین ضعف های اجرایی مزید بر علت شده و ساختمان ها را آسیب پذیر ساخته است. از این رو ضرورت تقویت این ساختمان ها به خصوص برای مقابله با نیروهای جانبی و با روش های مقام سازی قابل اعتماد، آسان، سریع و اقتصادی احساس می شود. از آنجا که تعداد قابل توجهی از ساختمان های آسیب پذیر قبلا ساخته شده اند، افزایش مقاوم سازی لرزه ای آنها به شیوه های گوناگون، کم و بیش مشکلات اجرایی و تغییر در معماری سازه را در بر خواهد داشت. به همین دلیل استفاده از ورق های FRP به منظور بهسازی لرزه ای در سال های اخیر بسیار گسترش یافته است. از دلایل مهم انتخاب این مصالح به عنوان تقویت کننده می توان به مقاومت کششی و گسیختگی بالای این مواد و وزن کم آن (در حدود 3 درصد ) و همچنین انعطاف پذیری این سیستم و مقاومت و دوام بسیار خوب در برابر خوردگی و سادگی و سرعت بالای اجرای آن اشاره کرد. تیر همبند که یک عضو مهم در عملکرد و شکل گیری دیوارهای برشی کوپله می باشد ممکن است به دلایل مختلف از جمله خطاهای طراحی، آسیب دیدگی ناشی از بلایای طبیعی، خطاهای اجرایی، تغییر در کاربری سازه، اعمال بارهایی بیش از بارهای پیش بینی شده در هنگام طراحی و .. نیاز به ترمیم و تقویت داشته باشند. روش های مختلفی جهت ترمیم و تقویت تیرهای عمیق وجود دارد که استفاده از ورق های پلیمری مرکب کربن معروف به CFRP با توجه مزایای اشاره شده در فوق نسبت به سایر روش ها بیشتر مورد توجه قرار گرفته است Teng)و همکاران، .(2002
خصوصیات ورق های CFRP
این الیاف ها بهترین نوع الیاف از لحاظ مقاومت، تاب خستگی و خزش هستند و در شرایط دمایی بسیار بالا مقاومت خـود را بـه سختی از دست میدهند. عیب این الیاف ها گرانی آن و همچنین کرنش بسیار کم گسیختگی میباشد که آن را به یک مصـالح تـرد تبدیل میکند. ورق های CFRP از دو بخش اصلی تشکیل شده اند که به ترتیب عبارتند از:
-1 الیاف غیرفلزی، جهت دار، پیوسته و کوچک با خصوصیات و ویژگی های خاص.
-2 ملات های مایع سخت شونده: در این حالت الیاف هـا و رزیـن هـا جسـم یکپارچـه ای را بـه وجـود مـی آورنـد. ایـن قسـمت خصوصیات خود را حفظ کرده تا یک ترکیب مقاوم را به وجود آورد (حاجی رضایی، .(1393
مروری بر مطالعات پیشین
آزمایشاتی روی نمونههای بتنی محصورشده توسط تیوب انجام شد. در طی تحلیل اطلاعات آزمایش، نرخ انبساط جانبی بر حسب کرنش طولی ترسیم شد (منظور از نرخ انبساط جانبی، نرخ تغییرات کرنش جانبی به کرنش طولی میباشد). این ترسیم نشان داد که این نرخ ابتدا تا رسیدن به مقدار حداکثر افزایش یافته و سپس کاهش یافته و در نهایت به نرخ ثابتی میرسد تا اینکه نمونه گسیخته شود (میرمیران و شهاوی، .(1997 آزمایشات انجام شده و مدل های ارائه شده برای مقاطع مستطیلی اندک میباشد. مدلی برای مقاطع مستطیلی محصورشده توسط کامپوزیتها ارائه شد. این مدل از دوقسمت تشکیل شده است، قسمت اول آن سهمی شکل، و قسمت دوم منحنی به صورت خطی میباشد Teng)و همکاران، .(2002 بسیاری از مشاهدات پژوهشگران نشان میدهند که کرنش کشش نهایی تارهای جاکت قبل از گسیختگی بطور مشخص کمتر از کرنش نهایی الیاف در طی آزمایشات کشش میباشد. این امر ناشی از این علت میباشد کهاولاً تارها در آزمایش کشش در معرض بارهای محوری قرار میگیرند اما در جاکت علاوه بر بارهای محوری، بارهای عرضی نیز وجود دارند؛ثانیاً بتن محصورشده در معرض تمرکز تنش قرار داشته و منجر به شکست الیاف در کرنش های کمتر میگردد. تحقیقاتی آزمایشگاهی صورت گرفته در سال 2005 بروی 6 نمونه تیر عمیق دو سر ساده انجام شد و مقاومت
2
برشی تیرهای عمیق بتن مسلح مقاوم سازی شده با FRP مورد بررسی قرار گرفت Islam) و همکاران، .(2005 در سال 2005 آزمایشاتی بر روی 16 نمونه تیر عمیق دو سر ساده و با اشکال تقویت مختلف و بارگذاری های مختلف انجام شد Zhang) و Moren ، .(2005 در سال 2006 دو دیوار بنایی غیر مسلح و چهار دیوار بنایی توسط CFRP تقویت شده و تحت بارگذاری دوره ای داخل صفحه مورد بررسی قرار گرفت. برای تقویت دیوارها، از دو نوع چیدمان افقی و قطری لایه های FRP استفاده شد. نوارهای تقویتی FRP به کار رفته از الیاف بافته شده ی کربن بودند Herna) ، .(2006 در مطالعه حاضر به بررسی رفتار تیرهای بتن مسلح تقویت شده با پوشش CFRP به روش اجزای محدود با هدف افزایش ظرفیت باربری این تیرها پرداخته شده است.
شبیه سازی عددی
در مطالعه حاضر،یک دیوار برشی کوپله بتن مسلح در سه حالت مختلفِ معرفی شده در جدول (1) به روش اجزای محدود با استفاده از نرم افزار Abaqus شبیه سازی شده است. همان طور که در این جدول مشاهده می شود، در حالت اول یک دیوار برشی در حالت بدون مقاوم سازی، در حالت دوم یک دیوار برشی که تیر پیوند آن توسط ورق های CFRP موازی تیر همبند با ضخامت ورق 0/2 میلیمتر، در حالت سوم یک دیوار برشی که تیر پیوند آن توسط ورق های CFRP موازی تیر همبند با ضخامت ورق 0/4 میلیمتر شبیه سازی می گردد. بررسی رفتار و تاثیری که پوشش CFRP بر رفتار دیواربرشی کوپله بتن مسلح می گذارد به عنوان مهم ترین هدف تحقیق می باشد.
جدول (1) معرفی حالت های مورد بررسی در این مطالعه
حالت چگونگی آرایش الیاف های CFRP ضخامت الیاف (mm)
اول بدون الیاف -----
دوم الیاف موازی تیر همبند 0/2
سوم الیاف موازی تیر همبند 0/4
مشخصات هندسی دیوار برشی مورد مطالعه
دیوارهای برشی مورد مطالعه دارای ارتفاع 3/24 متر و عرض 4 متر می باشد (شکل.( 1 همان طور که در شکل ( (1 مشاهده می گردد، عرض تیرهمبند برابر 2 متر می باشد. ستون های اطراف تیر پیوند، به وسیله دو لایه میلگرد های فولادی به قطر 18 میلیمتر در فواصل 10 سانتیمتری مسلح شده اند. همچنین تیر پیوند نیز توسط میلگردهای طولی به قطر 16 میلیمتر مسلح گردیدند که در فواصل 10 سانتیمتری دارای خاموت هایی به قطر 10 میلیمتر می باشند.
شکل (1) جزئیات آرماتور گذاری دیواربرشی کوپله مورد مطالعه
3
در این بخش مشخصات مصالح مورد استفاده که به ترتیب شامل بتن، فولاد و CFRP باشد، تشریح گردیده است. رابطه بـین تـنش
– کرنش بتنی که در شبیه سازی عددی مورد استفاده قرار گرفته در شکل (2) نشان داده شده است. ضریب پوآسون بتن برابر 0/2 می باشد. مقاومت فشاری نهایی نمونه های استوانه ای بتن نیز برابر 27/50 مگاپاسکال می باشد.
شکل((2 منحنی تنش- کرنش بتن مورد استفاده در تیر بتن مسلح مورد بررسی
مشخصات مکانیکی میلگردهای طولی بر اساس نمودار شکل (3) در مدلسازی اعمال گردید. همان طور که در ایـن شـکل مشـاهده می گردد، مقادیر تنش – کرنش میلگرد ارائه شده است.
شکل((3 منحنی تنش – کرنش میلگردهای کششی
فرض شده است که فولاد مورد استفاده در تحلیل اجزای محدود تیر مورد نظـر، یـک مصـالح الاسـتیک – پلاسـتیک کامـل اسـت بطوریکه در فشار و کشش یکسان باشد. ضریب پوآسون فولاد مسلح کننده بتن برابر 0/3 می باشد.
همان طور که اشاره گردید تقویت تیرها با الیاف CFRP انجام شده است. مشخصات الیاف CFRP طبق گزارش کارخانهی سـازنده، در جدول (2) ارائه شده است.
جدول (2) خواص FRP مورد استفاده
کرنش نهایی مدول الاستیسیته مقاومت نهایی نوع الیاف
(%) (GPa) (MPa)
4
مدلسازی اجزای محدود
مطالعه اجزای محدود به کمک نرم افزار اجزای محدود Abaqus انجام گردید. Abaqus توانایی بررسی مدل های عددی ویژه ای را برای پاسخ غیرخطی بتن تحت بارگذاری استاتیکی و دینامیکی دارد. در مدلسازی تیر از المان های Beam استفاده گردید. این المان ها، از المان های سازه ای معمول قابل استفاده در نرم افزار Abaqus می باشند و اعضایی هستند که گره های آن در حالت دو بعدی دارای دو درجه آزادی انتقالی و یک درجه آزادی دورانی و چنانچه در فضا باشند، دارای سه درجه آزادی انتقالی و سه درجه آزادی دورانی هستند. این المان ها دارای مقاومت خمشی، برشی، پیچشی و محوری می باشند. برتری مهم المان های Beam ساده بودن از لحاظ هندسی و تعداد درجات آزادی کم این المان ها می باشد. همچنین در مدلسازی میلگردها نیز از المان truss استفاده شده است. در مدلسازی الیاف های CFRP نیز از المان Shell که خواص یک ناحیه ی پوسته ای را مشخص می کند، استفاده گردید. یک پوسته Shell عبارتست از ماده ای که یکی از ابعاد آن در مقایسه با دو بعد دیگر قابل صرف نظر کردن بوده و از توزیع تنش در طول آن بعد صرف نظر می شود.
در این مطالعه از مدلسازی ترک خوردگیConcrete damage plasticity استفاده شده است. این مدل دو فرض اصلی در مکانیزم گسیختگی در نظر می گیرد که شامل ترک خوردگی کششی و خرد شدگی فشاری می باشد ( babu و همکاران، .(2014
شکل (4) نیز مش بندی تیر مورد مطالعه را نشان می دهد. مش بندی یا شبکه بندی که به نمایندگی ازمدل مورد مطالعه قرارمی گیرد، به اندازه کافی خوب می باشد به طوری که این اطمینان را به وجود می آورد که نیروهای اعمال شده به طور دقیق محاسبه شوند. شکل المان های مربوط به مش بندی از نوع Hex و تکنیک آن از نوع Structed که مش بندی منظم می باشد، است. همچنین بعد مش ها برابر 10 میلیمتر در نظر گرفته شد.
شکل((4 مش بندی دیوار برشی مورد مطالعه
از آنجا که مصالح مورد استفاده در مدل تیر مورد نظر شامل بتن، فولاد و الیاف می باشند، لذا می بایست اندرکنش و تماس های بین سطوح به نحوی مناسب شبیه سازی گردد. برای این منظور از طریق ماژول Interaction که معمولا برای تعریف تماس ها و اندرکنش بین سطوح مورد استفاده قرار می گیرد، قید Tie برای تعریف اندرکنش بین فولاد و بتن و الیاف استفاده گردید. این قید از جمله قید های کاربردی در مهندسی عمران می باشد که می توان از آن برای یکپارچه سازی آرماتور و بتن، که در آن هر دو با المان های Solid مدل شده اند، استفاده نمود.
بارگذاری اعمال شده برروی دیواربرشی به صورت جانبی و از طریق کنترل جابجایی انجام شد و مساله غیر خطی نیز با استفاده از یک روش عددی دینامیکی Chen) و همکاران، (2009 به منظور غلبه بر مشکل متداول همگرایی در جریان مدلسازی حل گردید.
خروجی های حاصل از تحلیل توزیع تنش در نقاط مختلف دیواربرشی کوپله مورد مطالعه
5
شکل های ( (5، (6) و (7) مقادیر مربوط به توزیع تنش های کششی در نقاط مختلف دیوارهای برشی کوپله مورد مطالعه را در سه حالت اول، دوم و سوم بر حسب پاسکال نشان می دهد. همان طور که مشاهده می شود بیشینه تنش کششی ایجاد شده در دیوار برشی بدون پوشش CFRP برابر 7/996 مگاپاسکال شده است. از سوی دیگر در حالت دوم که در تیر همبند از ورق های CFRP موازی تیر و با ضخامت 0/2 میلیمتر استفاده شده است، بیشینه تنش کششی ایجاد شده برابر 12/65 مگاپاسکال می باشد. همچنین در حالت سوم که در تیر همبند از ورق های CFRP موازی تیر و با ضخامت 0/2 میلیمتر استفاده شده است، بیشینه تنش کششی ایجاد شده برابر 19/49 مگاپاسکال می باشد. بنابراین مشاهده می گردد که استفاده از ورق های CFRP در تیر همبند سبب شده است که مقدار دیوار برشی کوپله بتواند تنش های بیشتری را تحمل کند؛ به طوریکه در حالت مقاوم سازی با 0/2 CFRP میلیمتری مقدار مقدار تنش 1/56 برابر و در حالت مقاوم سازی با 0/4 CFRP میلیمتری مقدار تنش 2/43 برابر شده است. بنابراین می توان به این نتیجه دست یافت که مقاوم سازی با ورق های CFRP می تواند مقاومت کششی دیوارهای برشی کوپله و تیر همبند را افزایش دهد.
شکل (5) تنش های فشاری و کششی ایجاد شده (پاسکال) در دیوار برشی کوپله (حالت اول)
شکل (6) تنش های فشاری و کششی ایجاد شده (پاسکال) در دیوار شکل (7) تنش های فشاری و کششی ایجاد شده (پاسکال) در دیوار
برشی کوپله (حالت دوم) برشی کوپله (حالت سوم)
جابجایی دیواربرشی کوپله مورد مطالعه در جهت افقی
شکل های (8)، (9) و (10) مقادیر مربوط به جابجایی افقی دیواربرشی کوپله مورد مطالعه را در سه حالت اول، دوم و سوم نشان می دهد. همان طور که مشاهده می گردد در حالت بدون استفاده از ورق CFRP، حداکثر جابجایی ایجاد شده در جهت افقی برابر 2/746 سانتیمتر می باشد. همچنین در حالت دوم که در تیر همبند از ورق های CFRP موازی تیر و با ضخامت 0/4 میلیمتر استفاده شده است، بیشینه جابجایی ایجاد شده برابر 4/713 سانتیمتر است و درنهایت در حالت سوم که در تیر همبند از ورق های CFRP موازی تیر و با ضخامت 0/2 میلیمتر استفاده شده است، بیشینه جابجایی ایجاد شده برابر 7/615 سانتیمتر است.
