دانلود مقاله بررسی اثر پوشش های پلیمری کربنی در تقویت و ترمیم تیرهای پیوند

بخشی از مقاله

چكيده :
در اين پژوهش، اثر پوشش های پلیمری CFRP در تقويت لرزه اي و ترميم تيرهاي پيوند بتني بررسي مي شود. براي اين منظور سه تير پيوند با آرماتور گذاري هاي مختلف و يا الگوهاي تقويت متفاوت، آزمايش شده و نتايج ظرفيت، شكل پذيري، سختي و جذب انرژي آنها مورد ارزيابي قرار گرفته است. همچنین، دو عدد از نمونه ها پس از شکست نيز مجدداً توسط CFRP ترميم وسپس آزمایش شده اند. در برخی نمونه ها، اثر مقيد سازي طولي ناشي از ديافراگم کف در نظر گرفته شده است. بررسي حاضرنشان مي دهد كه استفاده از پوشش های CFRP در نمونه هاي با آرماتور گذاري معمولي موجب افزايش ظرفيت مي شود و تغيير جدي در شكل پذيري تیر های پیوند ايجاد نمي كند. وجود دیافراگم کف، باعث کاهش شکل پذیری و افزایش سختی تیر ها می گردد. همچنین با ترمیم تیرهای پیوند توسطCFRP مي توان به ظرفیت اولیه و حتي بيشتر ازآن دست يافت ولي اين عمل باعث کاهش پارامترهای سختی و شکل پذیری می شود.

کلید واژه : تیر پیوند، دیوار برشی، دیوار بتنی، دیوار همبسته، پوشش پلیمری

1- مقدمه :
رفتار ديوار برشي همبسته بسيار متاثر از سختي، ظرفيت و شكل پذيري تير پيوند مي باشد. لذا تا كنون مطالعات بسيار زيادي در رابطه با رفتار اين نوع تيرانجام شده است. نخستين بار پائولي[1,2]، نشان داد كه تير هاي پيوند با نسبت دهانه به ارتفاع كم با آرماتورگذاري متعارف داراي شكست بسيار ترد بوده و رفتار لرزه اي مناسبي ندارند. وي استفاده از آرماتورگذاري قطري را براي افزايش شكل پذيري پيشنهاد نمود[3]. اين نوع آرماتور گذاري شكل پذيري تير را به نحو چشمگيري افزايش مي دهد ولي معمولا اجرا ی آن بسيار مشكل و دست وپا گير است. پس از آن مطالعات گسترده اي براي ارائه يك آرايش مناسب ميلگردگذاري انجام شد [4,5,6]. در پاره اي از تحقيقات نيز استفاده از ورق ويا تير فولادي مورد بررسي قرار گرفت[7,8]. در این پژوهش، با توجه به گسترش کاربرد مواد پلیمری در صنعت ساختمان

اثر این نوع مواد درتقويت وترميم تيرهاي پيوند مطالعه مي شود. در بسياري از مواقع به علت تغيير آيين نامه هاي طراحي و يا خطاهاي محاسباتي، تيرهاي پيوند نياز به تقويت دارند. در اين مورد استفاده از كامپوزیت CFRP با توجه به ظرفيت بالا و سهولت اجرا مي تواند مفيد باشد. همچنين مي توان از اين كامپوزیت ها براي بازسازي و ترميم عناصرآسيب ديده در زلزله نيز استفاده نمود. در قسمتهاي بعدي كارايي اين مواد در بهبود مشخصات لرزه اي تير پيوند مورد مطالعه قرار مي گيرد. اكثر مطالعات آزمايشگاهي در خصوص تيرهاي پيوند، بدون در نظر گرفتن اثر مقيد كننده دال ديافراگم بوده است و حتي در برخي از آنها افزايش طول تیرگزارش شده است[9,10]. با توجه به اينكه مقيدسازي طولي تیر ظرفيت و شكل پذيري آن را تغيير مي دهد[10]، تیرها به صورت مقيد و نامقيد طولي بررسي شده اند.

2- برنامه آزمايش :
2-1- نمونه ها و متغيرها
این پژوهش حاصل قسمتی ازمطالعات یک طرح پژوهشی است که دردانشگاه فردوسی در حال انجام است. درنخستین بخش اين پژوهش3 تيرپيوندآزمايش شد. پس از انجام اولين مرحله آزمايش،2عددازتيرهاي يادشده مجددا ترميم گرديدند.آرماتورگذاري کلیه نمونه ها به صورت متعارف مي باشد. متغيرهاي اصلي آزمايشها عبارتند از: نحوه تقويت با FRP، شرايط مقيد سازي طولي ومیزان آرماتورهاي برشي و خمشي. ابعاد نمونه ها به همراه آرماتورگذاري كلي آن در شكل 1 نمايش داده شده است.

شكل 1 : ابعاد نمونه و آرماتورگذاري(ابعاد بر حسب cm مي باشند)

شكل 2 : نحوه تقويت وترمیم تيرها با CFRP
در نمونه هايي كه داراي تقويت CFRP مي باشند ازالگوی شكل2 استفاده شده است. جزئيات نمونه ها، شامل ميزان آرماتور طولي وعرضي، خصوصيات مصالح بتن و فولاد، نحوه مقيد سازي طولي و وضعیت تقويت در جدول 1 ارئه شده است. جدول 2 نیز خصوصیات نمونه های ترمیمی را نمایش می دهد. ضخامت كليه نمونه ها، 15 سانتيمترمي باشد. تک لایه های CFRP از نوع C-Sheet 240 با ظرفیت 3800 مگاپاسکال و ضریب کشسانی 240گیگا پاسکال می باشند. ضخامت هر لایه 0.176 میلیمتر و کرنش نهایی آن 1.55 درصد است.
نمونه هایP1 وP3 دارای آرماتورگذاری مشابه می باشند با این تفاوت که در نمونهP1،6 خاموت ودر نمونه P3، 4 خاموت به کار رفته است. در واقع مهمترین تفاوت P1 وP3 شرایط مقید سازی طولی آنها است. در نمونهP1 تغییر مکان طولی نمونه آزاد ودر نمونه P3این تغییر مکان مقید می باشد. نمونه های P1 وP3 پس از آزمایش مجدداً تقویت شده اند. برای بررسی اثر کامپوزیتCFRP در افزایش ظرفيت برشی تیر پیوند، نمونه S2 با نوارهاي CFRP مطابق شكل 2 تقويت شده است. مقدار آرماتور برشي در اين نمونه نصف نمونه P1 درنظرگرفته شده است.

جدول 1 : جزئيات نمونه ها
تقويت برشي آرماتور عرضي آرماتور طولي مياني آرماتوراصلي قيدطولي
(MPa) نمونه
fy (MPa) fy (MPa) fy (MPa)
- 8 6
12 4
16 2 2
نا مقيد 20.1 P1
515.57 460.75 510
- 8 4
12 4
16 2 2
مقيد 20.1 P3
515.57 460.75 510
مطابق شكل 2 8 3
8 4
16 2 2
مقيد 32.2 S2
427.31 427.31 510

جدول 2 : جزئيات نمونه هاي ترميمي
نمونه نمونه اوليه مقاومت فشاری بتن (مگاپاسکال)
قید طولی تقويت برشي
P1 - RE P1 24.77 نامقید مطابق شكل 2
P3 - RE P3 24.77 مقید مطابق شكل 2

2-2- دستگاه آزمایش :
دستگاه آزمایش در شکل 3 نمایش داده شده است. مطابق شکل، یک انتهای تیر آزاد بوده و طرف دیگر توسط بولتهای فولادی به کف صلب محکم شده است. جابجایی لازم توسط یک جک هیدرولیک و با استفاده از یک تیر فولادی نسبتاً صلب به انتهای آزاد تیر اعمال می گردد. محور نیروهای اعمالی دقیقاً از وسط تیر عبور می نماید. بنابراین وسط تیر نقطه عطف بوده و در دو انتهای آن دو لنگر پاد متقارن تولید می شود. این شرایط، مشابه وضعیت تیر پیوند واقعی است. جابجایی های خارج از صفحه توسط ادوات مناسب کنترل شده است. در این مرحله از آزمایش، بارگذاری به صورت نموی بوده و جابجایی ها با استفاده از یک عدد LVDT اندازه گیری شده اند. برای اعمال اثرات مقیدسازی دال، قبل از بتن ریزی یک لوله پلی اتیلن با قطر 30 میلیمتر در وسط نمونه تعبیه شده است. با عبور دادن یک میلگرد فولادی پر ظرفيت با قطر 20 میلیمتر از داخل این لوله و محکم کردن دو انتهای آن از انبساط و افزایش طول نمونه جلوگیری می شود. با توجه به یافته های پائولی، نمونه همواره تمایل به افزایش طول دارد، لذا میلگرد یاد شده نیز همواره در کشش خواهد بود[9]. این نیرو توسط دستگاه نیروسنج (Load Cell) قرائت می گردد. درطول آزمايش نيروها و تغيير مكانها توسط يك سامانه رایانه ای دريافت اطلاعات، ثبت شد.

شکل 3 : دستگاه آزمایش

3- تحليل نتایج آزمايش :
3-1- نمودار بار- تغییر مکان
شکل 4 نمودارهای بار تغییرمکان را در تیرهای نمونه نشان می دهد. همچنین درجدول 4 ظرفيت های به دست آمده با ظرفيت های محاسبه شده مقایسه گردیده است. محاسبه ظرفيت برشي وخمشي نمونه ها بر مبنای روابط كلاسيك برش وخمش آيين نامه ACI318-05 مي باشد[11] و در حالت وجود تقويت برشي CFRP ازروابط موسسه ISIS كانادا استفاده شده است [12]. لیكن درهرصورت حداکثر کرنش فشاری بتن 0.003 منظور شده است.کلیه ضرائب کاهش ظرفيت 1 در نظر گرفته شده اند.
ظرفيت برشی نوارهای CFRP بر اساس روابط موسسه كاناداييISIS مطابق رابطه(1) محاسبه شده است :
(1)

در رابطه فوق ، مدول ارتجاعی، ، سطح مقطع یک نوار، ، ارتفاع مقطع، ، فاصله نوارهاو ، کرنش مؤثر FRP می باشد. مقدار برای مقاطعی که به صورت دورپیچ تقویت شده اند برابر 0.004 در نظر گرفته می شود.

شکل 4: نمودارهای بار- تغییر مکان

جدول 3 : مقایسه ظرفيت تیرها
Beam (1)
Vc (2)
Vs (3)
V's (4)
VfrP,s (5)
Vb (6)
Vcal (7)
Vtest
P1 49.1 224.5 299.3 - 389.5 Vc+Vs = 273.6
Vc+V's =348.4 333.1
P3 49.1 149.7 199.5 - 389.5 Vc+Vs = 198.8

Vc+V's =248.8 256.0
S2 62.4 74.4 124.03 56.3 332.02 Vc+Vs+V frP,s = 193.1
Vc+V's+V frP,s = 242.7 248.7
P1-RE 49.4* 224.5 299.3 56.3 389.5 Vc+Vs+VfrP,s = 330.2
Vc+V's+VfrP,s = 405.0 353.0
P3-RE 49.4* 149.7 199.5 56.3 389.5 Vc+Vs+VfrP,s = 255.4
Vc+V's+VfrP,s = 305.2 313.9

(1) ظرفيت برشی بتن،kN ، (2)ظرفيت برشی فولاد با فرض ترک برشی 45 درجه مطابق آيين نامه ACI، kN ، (3) ظرفيت برشی فولاد با فرض ترک قطری (پائولی)، kN ،(4) ظرفيت برشیCFRP، kN ، (5)حداکثر برش وابسته به ظرفیت خمشی،kN ، (6) ظرفیت برشی محاسباتی،kN ، (7) برش حداکثر بدست آمده از آزمایش،kN .
* ظرفیت برش بتن به علت ترمیمی بودن نمونه بر اساس کمترین محاسبه شده است.
در محاسبه ظرفیت خمشی نمونه ها، اثرکلیه آرماتورهای طولی که در ارتفاع مقطع توزیع شده اند، اعمال شده است. محاسبه حداكثر برش وابسته به ظرفيت خمشي با استفاده از اصول استاتيك ورابطه زير انجام شده است:

(2)
دررابطه فوق ظرفيت خمشي مقطع و Lطول تيرپيوند مطابق آيين نامه ACI318-05 مي باشد.
در شکل 5 الگوی ترک و مود شکست نمونه ها نمایش داده شده است. همانطور که در اين شكل ملاحظه می شود، یک ترک قطری در تمام نمونه ها، ملاحظه می گردد ولی نحوه گسترش ترك در نمونه ها متفاوت مي باشد.

شکل 5 : الگوی ترک و مود شکست

شکست نمونه S2، به صورت کاملاً ناگهانی و توسط یک ترک قطری اتفاق افتاده است و به جز ترک قطری، ترک قابل ملاحظه دیگری دیده نمی شود. کلیه نوارهای FRP که در این نمونه برای تقویت برشی به کار رفته بودند، در مسیر ترک قطری گسیخته شدند.

3-2- اثرات مقید سازی
برخی از پژوهش های آزمایشگاهی نشان داده اند که تیرهای پیوند در هنگام بارگذاری افزایش طول می دهند[9,10]. ليكن در سازه های واقعی به علت وجود دیافراگم كف و همچنین سختی زیاد دیوارهای جانبی، عملاً نمونه امکان افزایش طول ندارد. در این پژوهش، برای بررسی دقیق تر رفتار تیرهای پیوند، از تغییر طول نمونه ممانعت به عمل آمده است. برای این منظور، قبل از بتن ریزی، یک لوله پلی اتیلن در داخل نمونه تعبیه گردیده و در هنگام آزمایش یک میلگرد از فولاد پر ظرفيت با قطر 20 میلیمتر از داخل لوله مزبور عبور داده شده است. این میله در دو انتها محکم شده است. در هنگام بارگذاری، به علت تمایل نمونه به افزایش طول، میلگرد یاد شده تحت کشش قرار می گیرد. این نیرو توسط نیروسنجی (Load Cell) که در انتهای میلگرد تعبیه شده است قرائت می گردد. نيروي اوليه اعمال شده به ميله طولي در حدود18 كيلونيوتن بوده است. جدول 4 میزان نیروی محوری نمونه هاي مقيد را در شرایط پیش از بارگذاری و در حین آن نشان می دهد. همچنین، اين جدول جابجايي متناظر با برش حداكثروجابجايي نمونه را درهنگامي كه نيروي محوري به مقدار بيشينه خود مي رسد، ارائه مي نمايد.

جدول 4 : وضعیت نیروی محوری نمونه ها
جابجایی نظیر Fmax
ــــــــــــــــــــــــ
جابجایی نظیر Vtest جابجایی نظیر Vtest
(mm) جابجایی نظیر Fmax
(mm) نیروی محوری حداکثر
Fmax (KN) نیروی محوری اوليه
F0 (KN) نمونه
- 23 قرائت نشد قرائت نشد قرائت نشد P3
1.068 28.217 30.145 32.71 18 S2
1 40.145 40.145 45.62 18 P3-RE

برای مقایسه اثرات مقیدسازی، نمونه هايP1 و P3 به صورت مشابه ساخته شده اند و تنها تفاوت مهم آن دو مقید بودن نمونه P3 می باشد. این دو نمونه، پس از ترمیم نیز مورد مطالعه قرارگرفته اند. در حالت اخیر نیز، نمونه P3-RE مقید و نمونه P1-RE نامقید می باشند. این نمونه ها در نمودارهای شکل 6 مقایسه شده اند. همانطور که انتظار می رود نمونه های مقید P3-REوP3 ، نسبت به نمونه های نامقید P1-RE وP1 در هنگام بارگذاری سختي بیشتری نشان می دهند و ظرفيت بیشینه در تغییر مکان های کوچکتری حاصل می شود. درنمونه هاي مقيد آرماتورهاي برشي كمتري بكار رفته است. بنابراين كاهش ظرفيت آنها به اين موضوع نسبت داده مي شود. در مورد بررسی اثر قید طولی بر ظرفیت و سختی نمونه ها، کار آزمایشگاهی دیگری برنامه ریزی شده است تا بر اساس آن بتوان به نتایج دقیق تری رسید.

شکل 6 : مقایسه اثرات قيد طولی در نمودار بار- تغییر مکان تیر

3-3- سختی و شکل پذیری
مطالعه حاضر نشان مي دهدکه سختی اولیه نمونه های ترمیمی به شکل قابل توجهی از سایر نمونه ها کمتر است. علت این مسئله وجود ترک های ریز اولیه در نمونه های P1-RE و P3-RE می باشد.
شکل پذیری هر نمونه نيز با استفاده از رابطه 3 قابل محاسبه است.
`
(3)
در رابطه فوق ، جابجایی نهایی و جابجایی تسلیم نمونه می باشند. برای تعیین مطابق شکل 7- الف از قانون سه چهارم استفاده شده است. همچنین جابجایی متناظر با هشتادوپنج درصد برش حداکثر می باشد. شکل پذیری نمونه ها در شکل 7-ب مقایسه شده اند.

الف : شکل پذیری استاتیکی ب : مقایسه شکل پذیری نمونه ها
شکل 7: تعريف و مقايسه شكل پذیری
4- نتیجه گیری :
در پژوهش حاضر رفتار تیرهای پیوند دیوارهای برشی مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس نتایج آزمایش های انجام شده و مقایسه آنها با مقادیر محاسبه شده آیین نامه ای، نتایج زیر قابل ارائه است:
• استفاده از پوشش های CFRP برای تقویت برشي تیرهای پیوند با آرماتورگذاری معمولی، اگرچه شکل پذیری را بهبود نمی بخشد ولی موجب کاهش جدی آن نیز نمی گردد. از این رو استفاده از آن در تیرهایی که به صورت متعارف آرماتورگذاری شده اند، خصوصاً در نقاطی که نیاز به شکل پذیری بالا نیست موجه به نظر می رسد.
• وجود دیافراگم كف در میانه تیر پیوند، باعث کاهش شکل پذیری و افزایش سختی نمونه می گردد.