مقاوم سازی خمشی تیرهای بتن
مسلح مقاومت بالا توسط ورقهای FRP
ورق های FRP به سبب نسبت مقاومت به وزن بالا ، مقاومت در برابر خوردگی و مواد شیمیایی ، مقاومت در برابر خستگی ناشی از بارگذاریو همچنین نصب سریع در چند سال اخیر جهت امر بهسازی و ترمیم سازه ها خصوصا سازه های بتنی به دشت مورد توجه قرار گرفته اند . لایه های FRP با وزنی معادل 20% وزن فولاد غالبا مقاومتی در حدود 2 تا 10 برابر فولاد از خود نشان می دهند که وجود این خاصیت سبب استفاده گسترده از الیاف فوق در صنایع گوناگون گردیده است . سالهای زیادی است که از الیاف FRP در صنایع هوا فضا استفاده می گردد اما در گذشته بهای نسبتا سنگین این الیاف سبب گردیده بود که استفاده از آنها در صنعت ساختمان ناچیز و محدود باشد لیکن امروزه به دلیل گسترش تولید این مواد و به طبع آن کاهش بهای آنها و همچنین به سبب برتری های خاص این الیاف ، میت وان توجیه ماسب اقتصادی برای استفاده از آنها ارائه نمود .
با توجه به نو پا بودن این تکنیک تقویت ، از اواسط دهه نود فعالیت های گسترده ای بر روی بررسی رفتار این پلیمرها در مقاوم سازی خمشی تیرهای بتنی به وسیله چسباندن این الیاف به ناحیه تحت کشش مقطع انجام شده است که همگی آنها بر بهبود رفتار مکانیکی افزایش مقاومت خمشی تیرهای تاکید دارند . [5ـ1].
جهت بررسی کامل تیرهای بتنی مقاوم سازی شده واضح است که علاوه بر جنبه های مقاومتی ، عملکرد اعضاء تحت شرایط بهره برداری نیز باید رضایت بخش باشند و این امر با تامین مقاومت کافی برای عضو خود به خود تحقق نمی یاید . در یک عضو که به روش مقاومت نهایی طرح شده است ممکن است تغییر مکان های ایجاد شده تحت بارهای بهره برداری بیش از اندازه بزرگ باشد به طوری که سبب آسیب رساندن به قسمت های غیر سازه ای شود و یا از سوی دیگر ، ترکهای ایجاد شده در تیرها ممکن است به اندازه ای بزرگ باشند که خوردگی آرماتورها را موجب شود و از نظر ظاهری نیز نا مطلوب باشد .
در این تحقیق آزمایشگاهی اثر ورقهای FRP در مقاوم سازی خمشی تیرهای بتن مسلح حاوی بتن با مقاومت بالا مورد بررسی قرار گرفته است . میزان آرماتور کششی و تعداد لایه FRP در ساخت نمونه ها و تقویت آنها به عنوان متغیر در نظر گرفته شده است . تعداد شش تیر بتنی دارای سطح مقطع ، طول و میزان میلگرد فشاری و برشی یکسان حاوی بتن با مقاومت بالا ، دارای آرماتور کششی برابر با و ساخته شده و تحت آزمایش خمش چهار نقطه ای قرار گرفته و عملکرد آنها مورد بررسی قرار گرفته است . از شش نمونه ذکر شده دو نمونه بدون FRP به عنوان نمونه شاهد و چهار نمونه دیگر با یک و چهار لایه FRP مقاوم سازی شده اند .
در این تحقیق 6 تیر بتن مسلح حاوی بتن با مقاومت بالا ، با سطح مقطع و طول یکسان ساخته شده و تا لحظه شکست تحت آزمایش خمش چهار نقطه ای قرار گرفتند . تیرها با توجه به مقدار آرماتور کششی آنها به دو گروه تقسیم شده و از هر گروه یک نمونه به عنوان تیر کنترل و بدون مقاوم سازی مورد آزمایش قرار گرفته و بقیه نمونه ها با یک و چهار لایه الیاف کربن مقاوم سازی شده و سپس تحت بارگذاری قرار گرفتند . طول همه تیرهای مورد آزمایش 300 سانتیمتر بود که بر روی تکیه گاههایی با دهانه 270 سانتیمتر مورد بارگذاری و آزمایش قرار گرفتند . با توجه به نتایج آزمایشات گذشته [6] ، جهت افزایش اثر مقاوم سازی و تاخیر در جداشدگی FRP از سطح بتن ، طول FRP مصرفی برابر با 260 سانتیمتر در نظر گرفته شده است که تقریبا تمامی طول دهانه تیر را پوشش می دهد .
سطح مقطع تمامی تیرها مستطیلی و به ابعاد 25×15 سانتیمتر در نظر گرفته شده است . آرماتور فشاری تمامی تیرها دو عدد میلگرد با قطر 10 میلیمتر و آرماتور کششی نمونه های سری الف دو عدد میلگرد با قطر 16 میلیمتر و برای نمونه های سری ب دو عدد میلگرد با قطر 22 میلیمتر منظور شده است . برای تمامی تیرها از آرماتور برشی یکسان استفاده شده است که عبارت است از خاموت بسته به قطر 10 میلیمتر که در فاصله 9 سانتیمتر از یکدیگر در دهانه های برشی تیر پخش شده اند و طراحی این خاموتها به گونه ای است که از شکست برشی تیرها جلوگیری شده و شکست نمونه ها به صورت خمشی اتفاق بیفتد . برای بارگذاری از دو بار متمرکز متقارن که به فاصله 90 سانتیمتر از یکدیگر قرار گرفت اند استفاده شده است . به این ترتیب ، مقدار دهانه برش برابر با 90 سانتیمتر و نسبت طول دهانه برشی به عمق موثر برابر با 1/4 می شود که این مقدار ، تیرهایم ورد نظر را در رده تیرهای معمولی قرار می دهد .
در شکل 1 ، ابعاد تیرهای مورد آزمایش به همراه محل نصب کرنش سنج ها و همینطور محل قرار گیری خز سنج ها آورده شده است .
کرنش سنجهای الکتریکی بر روی آرماتور کششی ، فشاری ، برشی و همچنین سطح بتن و FRP در نقاط مختلف چسبانده شده تا در بارهای مختلف قادر به اندازه گیری میزان کرنش در مقاطع مختلف بوده تا با استفاده از خیز سنجهای الکتریکی با دقت بالا که در نقاط مختلفی از تیر قرار گرفته اند ، روند افزایش خیز تیر نیز به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است . با استفاده از دوربین ترک سنج ، عرض بزرگترین ترک خمشی و برشی نیز اندازه گیری و با هر افزایش باری قرائت و ثبت می وشند .
نام هر تیر از دو حرف تشکیل شده است که حرف اول نشان دهنده میزان آرماتور کششی (سری A یا B) و نام دوم نشان دهنده تعداد لایه FRP مصرفی جهت مقاوم سازی نمونه می باشد . در جداول 1 مشخصات تیرهای ساخته شده در این تحقیق آورده شده است .
برای هر تیر تعداد 3 عدد نمونه مکعبی 10×10×10 سانتیمتر در هنگام بتن ریزی نمونه ها ساخته شده و در شرایط مشابه به تیرهای به عمل آوری شدند . این نمونه ها در سن 28 روزه تحت آزمایش فشار قرار گرفته و میانگین مقاومت فشاری آنها برابر با 962 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع بدست آمد . برای تبدیل مقاومت فشاری نمونه های مکعبی به مقاومت فشاری نمونه استوانه ای استاندارد از ضریب 8/0 استفاده شد که بدین ترتیب مقاومت فشاری بتن مصرفی در تمامی تیرهای ساخته شده در این تحقیق برابر با 770 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع در نظر گرفته می شود . میلگردهای آجدار مصرفی ساخت کارخانه ذوب آهن اصفهان و دارای تنش تسلیمی برابر با 4200 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع می باشند . FRP مورد استفاده در این تحقیق از نوع کربن با جرم حجمی 78/1 گرم بر سانتیمتر مکعب بوده و ضخامت هر لایه آن برابر با 045/0 میلیمتر می باشد .رفتار این ماده تا لحظه شکست به صورت خطی بوده که کارخانه سازنده تنش کششی حداکثر و مدول الاستیسیته آن را به ترتیب برابر با 38500 و 105×23 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع اعلام کرده است . کرنش شکست FRP مصرفی برابر با 7/1 درصد می باشد .
پس از بتن ریزی ، نمونه ها به مدت 28 روز تحت شرایط کاملا مرطوب عمل آوری دشند . دو عدد از تیرها به عنوان نمونه کنترل بدون انجام مقاوم سازی تحت بارگذاری قرار گرفتند . سطح کششی تیرهای دیگر ابتدا توسط سنگ فرز به میزان 1 تا 2 میلیمتر ساب زده شده و س=س توسط استون به طور کامل تمیز می گردند . چسب مورد استفاده برای لایه اول (بین سطح بتن و FRP) از نوع EP-TX بوده که چسبی دو جزئی بوده که پس از اختلاط ، توسط کاردک به طور کامل روی سطح بتن مالیده شده و اولین لایه FRP روی آن قرار گرفته و کاملا توسط چسب اشباع می گردد . برای چسباندن لایه های بعدی (بین ورقهای FRP) از چسبی دو جزئی با نام تجاری EP-IN استفاده می شود . این چسب توسط فرچه معمولی روی FRP مالیده شده و سپس لایه بعدی روی آن قرار می گیرد . خصوصیات چسب های مصرفی در این تحقیق در جدول 2 آورده شده است .
پس از کامل شدن عملیات مقاوم سازی نمونه ها حداقل به مدت 7 روز در شرایط آزمایشگاه نگهداری شده و پس از نصب کرنش سنج های الکتریکی لازم روی سطح FRP و بتن ، تحت بارگذاری قرار می گیرند . بارگذاری نمونه ها توسط جک هیدرولیکی به صورت مرحله ای با کنترل با افزایش پیدا می کند . پس از هر افزایش بار ، مشاهدات عینی ، قرائت کرنش سنج ها و خیز سنج ها و همینطور نحوه گسترش ترکها روی سطح تیر به همراه عرض عریض ترین ترک های خمشی و برشی به طور کامل ثبت می گردد . در شکل 2 نمای کلی از سیستم بارگذاری و محل نصب ابزار دقیق مصرفی آورده شده است .
تیرهای شاهد AH0 و BH0 (بدون مقاوم سازی) ، دارای شکست نرم بوده و پس از تسلیم آرماتورهای کششی ، کرنش در دورترین تار فشاری بتن از 0035/0 در هر دو نمونه تجاوز نموده و با پکیدن بتن ناحیه فشار ، مقطع تخریب می شود . در شکل 3 نحوه شکست برای تیر AH0 آورده شده است .
نمونه های مقاوم سازی شده در این تحقیق همگی به واسطه گسیختگی ورقهای FRP تخریب شده اند . این شکست به طور ناگهانی بوده و از نو شکستهای ترد محسوب می شود . در شکل 4 ، تیرهای AH4 و BH4 در حالت نهایی و در شکل 5 گسیختگی FRP از نمای نزدیک نشان داده شده است .
با افزایش تعداد لایه های FRP ، تعداد ترکها افزایش پیدا کرده و فاصله بین ترکها کاهش می یابد که نتیجه آن کاهش عرض ترک در نمونه های مقاوم سازی شده می باشد . همچنین می توان به ازدیاد ترکهای خمشی ـ برشی به علت ازایش مقاومت نهایی و ثابت بودن آرماتورهای برشی به علاوه ایجاد ترکهای افقی در تراز آرماتورهای کششی به علت چسبندگی خوب FRP و سطح بتن اشاره کرد . در شکل 6 نقشه گسترش ترک ها برای نمونه های سری B آورده شده است .
در جدول 3 مقادیر بار ، خیز و کرنش آرماتورها ، بتن و FRP برای مقطع وسط دهانه در حالت نهایی آورده شده است
برای بررسی سختی و تغییر مکان تیرهای مقاوم سازی شده نسبت به نمونه های کنترل ، منحنی بار ـ خیز تیرهای کنترل و تیرهای تقویت شده در شکل 7 آورده شده است .
همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است ، منحنی تیرهای مقاوم سازی شده ، از ابتدا تا انتهای مرحله رفتار خطی نمونه ها به خوبی بر روی نمونه کنترل نظیر خود منطبق است لذا می توان نتیجه گرفغت که در حالت بهره برداری ، سختی و تغییر مکان نمونه های مقاوم سازی شده (صرفنظر از تعداد لایه FRP) ، با نمونه کنترل کاملا همخوانی دارد . اما در ناحیه پلاستیک و تا لحظه شکست ، با افزایش تعداد لایه FRP ، سختی تیر افزایش پیدا کرده ولی خیز آن به مقدار زیادی کاهش پیدا می کند که این امر بر کاهش سطح زیر منحنی بار ـ تغییر مکان و در نتیجه کاهش جذب انرژی نمونه های مقاوم سازی شده نسبت به نمونه کنترل دلالت دارد . لذا استفاده از این روش مقاوم سازی (جهت اعضای تحت خمش) در مناطق زلزله خیز و به طور کلی مواردی که نیاز به سطح خاصی از شکل پذیری دارند باید با محاسبات کافی همراه باشد .
مصالح شکل پذیر به موادی گفته می شوند که در حین تحمل بار کرنش های زیادی از خود نشان می دهند . کاربرد چنین بیانی برای اعضاء وسازه های بتن مسلح ،عبارت از توانائی حمل تغییر شکل های غیر ارتجاعی (inelastic) قابل توجه قبل از تخریب (Collapse) عضو می باشد . به عبارت دیگر یک ماده یا سازه ترد با رسیدن به بار حداکثر به طور ناگهانی شکسته می شود . در شکل 8 رابطه نیرو ـ تغییر شکل که بیانگر رفتار اعضای ترد و شکل پذیر است نشان داده شده است [7].
در شکل 8 نیرو ممکن است بار ، لنگر یا تنش باشد ، در حالیکه تغییر شکل می تواند تغییر طول ، انحناء ، خیز یا چرخش باشد . در این شکل خیز تسلیم مربوط به تسلیم میلگرد در یک مقطع یا مربوط به یک انحراف عمده از منحنی بار ـ خیز یک عضو یا سازه است . عبارت است از خیز نهائی که بعد از آن منحنی بار ـ خیز دارای شیب منفی شود . خیز نهائی که بعد از آن منحنی بار ـ خیز دارای شیب منفی شود . خیز نهائی را می توان با توجه به شکست موضعی منطقه فشاری در بعضی نقاط عضو با توجه به پایداری و هر شرایط دیگری که منجر به شکست مقطع ، عضو یا سازه مورد نظر می گردد ، تعیین نمود . با توجه به شکل 8 نسبت شکل پذیری به صورت ، یا شکلی از این نسبت ها (نسبت چرخش نهائی به چرخش تسلیم و یا نسبت انحناء نهائی به انحناء تسلیم ) تعریف می شود . [7] .
در جدول 4 مقادیر بار و تغییر مکان وسط دهانه تمامی تیرها در حالت تسلیم و نهایی آورده شده و با استفاده از آن در جدول 5 مقادیر نسبت شکل پذیری جابجایی و انحناء محاسبه و آورده شده است .
جهت اعضای بتن با مقاومت بالا نسبت شکل پذیری جابجایی حداقل ، خصوصا در مناطق زلزله خیز ، در حدود 3 تا 5 در نظر گرفته می شود [8] ، لذا با توجه به جدول 5 نمونه BH4 از نظر ضوابط شکل پذیری مناسب برای مناطق زلزله خیز نمی باشد .
تغییرات کرنش دورترین تار فشاری بتن نسبت به ممان جهت کلیه نمونه ها در شکل 9 آورده شده است .
شکل 9 نشان می دهد که تا زمانی که هنوز تیرها از رفتار الاستیک برخوردارند و بتن ترک نخورده است ، بین نمونه های تقویت شده و تیرهای کنترل اختلاف چندانی مشاهده نمی گردد . تیرهای کنترل پس از ترک خوردگی تا نقطه تسلیم دارای رفتار خطی بوده و پس از تسلیم آرماتورهای کششی ، کرنش تارهای فشاری بتن به سرعت افزایش پیدا کرده تا به مرحله شکست (پکیدگی بتن) برسند . اما در نمونه های تقویت شده ، با افزایش تعداد لایه های FRP ، کرنش تار فشاری بتن نیز تمایل بیشتری به رفتار خطی تا لحظه شکست از خود نشان می دهد که این مساله به خوبی در شکل های 8 و 9 جهت تیرهای AH4 و BH4 قابل مشاهده است .
در شکل 9 تغیرات کرنش در فولاد کششی ، سطح FRP و تار فشاری بتن برای مقطع وسط دهانه جهت تیرهای AH4 و BH4 آورده شده است . علاقمندان می توانند جهت مطالعه نتایج تمامی نمونه ها به مرجع [9] مراجعه نمایند .
در این تحقیق با بررسی اثر لایه های فیبر کربن بر روی مقاومت خمشی تیرهای بتنی تقویت شده با FRP ، نتایج زیر حاصل گردید .
* استفاده از FRP در مقاوم سازی خمشی تیرهای بتنی حاوی بتن با مقاومت بالا ، روشی بسیار موثر و کار آمد در افزایش مقاومت نهایی تیر می باشد .
* در نمونه های تقویت شده ، با افزایش تعداد لایه های FRP ، کرنش تار فشاری بتن ، تمایل بیشتری به رفتار خطی تا لحظه کشست از خود نشان داده و تحت تاثیر ترک خوردگی و تسلیم آرماتورها قرار نمی گیرد . بعبارت دیگر می توان از FRP ها جهت کاهش کرنش فشاری بتن استفاده نمود .
* در صورتی که بتوان از جداشدگی FRP و سطح بتن جلوگیری نمود ، حالت بهینه زمانی است که دقیقا در لحظه گسیختگی FRP ، بتن نیز به کرنش فشاری حداکثر خود برسد .
* در مواردی که کاهش خیز (صرفنظر از شکست ترد) مورد نظر باشد ، استفاده از FRP ها بسیار موثر است .
* با افزایش مقدار آرماتورهای کششی ، اثر مقاوم سازی کاهش پیدا می کند به طوری که با FRP یکسان در تیری با 2 ، 1 درصد آرماتور کششی نزدیک 45 درصد افزایش مقاومت ، و برای همان تیر با 4 ، 2 درصد آرماتور کششی تنها 12 درصد افزایش مقاومت به دست امده است
* در حالت بهره برداری ، سختی و تغییر مکان نمونه های مقاوم سازی شده (صرفنظر از تعداد لایه FRP) ، با نمونه کنترل کاملا همخوانی دارد . اما در ناحیه پلاستیک و تا لحظه شکست ، با افزایش تعداد لایه FRP ، سختی تیر افزایش پیدا کرده ولی خیز آن ب مقدار زیادی کاهش پیدا می کند که این امر بر کاهش شکل پذیری نمونه های مقاوم سازی شده نسبت به نمونه کنترل دلالت دارد .
2 :
1. Toutanji , H., Zhao, L.and Anselm , E., "Verifications of design equations of beams externally strengthened with FRP composites " , Journal of Composites for Construction , 10 , 3, 2006 , pp 254-264.
2. Oh, B.H., Cho, J.Y. and Park , D.G., "Static and fatigue behavior of reinforced concrete beams strengthened with steel plates for flexture", Journal of Structural Engineering, 129 , 4 , 2003 , pp 527- 535.
3. Toutanji , H., Zhao , L.and Zhang , Y . , "Flexural behavior of reinforced concrete beames externally strengthened with CFRP sheets bonded with an inorganic matrix", Journal of Engineering Structures, Vol.28,2006. pp 557-566.
4. Chahrour , A. and Soudki , K., "Flexural response of reinforced concrete beams strengthened with end-anchored partially bonded carbon fiber-reinforced polymer strips", Journal of Composites for Construction , 9,2,2005, ppl 70-177
5. Alagusundaramoorthy , P., Harik . I.E. and Choo , C.C., "Flexural behavior of R/C beams strengthened with carbon fiber reinforced polymer sheets or fabric ", Journal of Composites for Construction , 7,4, 2003, pp292-301 .
6. Brena, S.F. and Marci , B.M., "Effect of carbon-fiber reinforced polymer laminate configureation on the begavior of strengthened reinforced concrete beams ", Journal of Composites for Construction , 8 ,3, 2004,pp229-240 .
7. مقصودی ، علی اکبر ، شکل پذیری سازه های بتن آرمه ویژه مناطق زلزله خیز ، انتشارات دانشگاه شهید باهنر کرمان ، 1375 .
8. MAGHSOUDI, A A AND AKBARZADEH , H. Flexural ductility of HSC members . Structural Engineering and Mechanics, Vol . 24, No , 2, September 2006 , pp . 195-213 .
9. HASHEMI , S H. Analytical and experimental study of HSC members strengthened with CFRP , thesis to be submitted for the degree of PhD, Civil Eng., Dept. of Kerman University, 2006, Kerman, Iran .