ارزیابی عددی مقاومت تیر های مقاوم سازی شده با CFRP در حرارت بالا و یخ زدگی

اثر-گرما-بر-مدول-یانگ-با-سنگ-دانه-مختلف

 

 

 

 

 

از جمله پیشرفت های اخیر در صنعت مقاوم سازی، استفاده از روکش های تقویت کننده پلیمر های مسلح شده با الیاف (FRP )است که برای مقاوم سازی سازه های بتنی، فولادی، بنائی و حتی چوبی به کار گرفته میشود. پذیرش روش مقاوم سازی با سیستم FRP ارتباط نزدیکی با سطح اعتماد مهندسان سازه، مسئولان و کارفرمایان به این روش دارد. اعتماد کافی میتواند از طریق انجام آزمایش های استاندارد و درک بهتر رفتار سازه های تقویت شده با FRP در شرایط مختلف بدست آید. درک درست از رفتار سازه در شرایط عادی، دمای بالا ودمای پایین،برای پذیرش این روش ضروری است.

مشخصات-نمونه-تست
مشخصات-نمونه-تست

در سال 2003 میلادی،برای بررسی نیاز های تحقیقاتی در حوزه مواد FRP برای مقاوم سازی سازه های بتنی، کمیته ای تشکیل شد. در این بررسی ها مشخص شد که “دوام” و “مقاومت در برابر آتش” سیستم های FRP ،نیازمند بررسی های جدی است. یکی از جنبه های “دوام” این بررسی ها که ارتباط نزدیکی با مقاومت در برابر آتش دارد، اثر دمای بالا بر رفتار سازه های تقویت شده با FRP است.

در مطلاعه ای دیگر که برای شناسایی و اولویت بندی اطلاعات مهم مرتبط با دوام ورق ها و میلگرد های FRP انجام شد، مشخص شد که اطلاعات موجود در رابطه با سازه های تقویت شده با FRP ،زمانی که در معرض دماهای بالا و یا چرخه های یخ و ذوب قرار می گیرند،بسیار اندک است.

در نشریه شماره 345 سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور، اثر آتش سوزی روی سازه های تقویت شده با FRP بصورت یک بار ویژه بهشمار میرود که در آن سهم FRP در مقاومت، ناچیز در نظر گرفته میشود . این موضوع بدان معناست که پس ازنبود FRP ،سازه باید توانایی مقاومت در برابر بارهای وارده با ضرایب ایمنی مورد نظررا (ضرایب بار و مصالح) داشته باشد. اعتقاد بر این است که بدین ترتیب از ریزش ناگهانی سازه تقویت شده با FRP پس ازبین رفتن یک باره چسبندگی بین بتن و FR (بطور مثال در هنگام آتش سوزی و یا خرابکاری) جلوگیری می شود .

این پیشنهاد ها، مقدار حداکثرافزایش مقاومت حاصله را به تفاوت ضرایب ایمنی مربوط به ترکیب بارهای ویژه و ترکیب بارهای نهایی محدود می کند. در مطالعات صورت گرفته، مشخص شده است که چسبندگی موجود بین بتن و لایه FRP ،در نزدیکی و یا بالای دمای گذار شیشه ای چسب یعنی Tg ،از بین میرود. رفتار FRP های تقویتی میتواند تحت تاثیر تغییرات دمایی محیط بهره برداری، به دلیل اختلاف زیاد بین ضرایب انبساط دمایی بتن و FRP باشد. وجود این اختلاف، تنش های حرارتی در محل اتصال FRP با چسب وچسب با بتن را موجب می‌‌شود که بر رفتار سازه تاثیر می گذارد. علاوه بر این، مشخصات فاز های مختلف بتن، چسب، FRP و مرز بین آنها تحت تاثیر قرار می گیرند. گفته میشود که افزایش دما، تاثیرات منفی خاصی روی چسب موجود، حتی در دماهای پایین تر از دمای گذار شیشه ای چسب دارد.

هدف اصلی تحقیقاتی که نتایجش در این مقاله آورده شده است، درک صحیح از رفتار تیرهای بتنی مقاوم شده با CFRP انعطاف پذیر و سخت، تحت شرایط دمایی بالا و نیز یخ زدگی بوده است که با بکارگیری تیر های بتنی و چسباندن ورق های CFRP و تعیین مقاومت نهائی آنها در خمش، نوع شکست این نمونه ها نیز مورد بررسی قرارگرفت. بدین منظور 24 نمونه تیر بتنی بدون آرماتور به ابعاد 350×100×100 میلیمتر ساخته شدند. در این نمونه ها از سه رده مقاومتی بتن استفاده وسپس با CFRP سخت وانعطافپذیر بصورت خمشی تقویت شده و تحت سیکل های تغییر دمایی C °-20 ,C °+50 و C °+80 قرار گرفته و بوسیله دستگاه آزمون خمشی 4 نقطه ای تست شده و با نمونه های شاهد قرار گرفته در محیط اتاق از نظر مقاومت نهایی، نوع شکست و غیره مقایسه شدند.

بیشتر بخوانید:   مقاوم سازی برج تهران

اثر گرما برخواص مواد

یک سازه بتنی مقاوم شده با FRP از موادی مانند بتن، میلگرد، FRP و چسب تشکیل شده است. بعضی از این مواد بیشتر تحت تاثیر حرارت قرار میگیرند، بویژه مشخصات چسب بطور قابل توجهی حدود دمای گذار شیشه ای تغییر می کند. دمای گذار شیشه ای دمایی است که در آن مواد بیشکل مانند شیشه یا پلیمرهایی با جرم مولکولی بالا، از حالات شکنندگی به حالات خمیری تبدیل می شوند.

بتن

اثر گرما بر خواص بتن توسط بسیاری از پژوهشگران مورد بررسی قرار گرفته و بعضی ها به این نتیجه رسیده اند که گرما منجر به تبخیر آب از بتن و تغییرات در ترکیب شیمیایی و ساختار فیزیکی آن میشود. معمولا این تغییرات محدود به خمیره سیمان هستند و سنگدانه ها تاثیر کمی می پذیرند. در دمای 90 درجه سانتیگراد، مقاومت فشاری بتن به 65 تا 90 درصد مقاومت اولیه کاهش می یابد. این کاهش مقاومت عموما” به دلیل تبخیر آب آزاد بتن و از دست رفتن چسبندگی بین خمیره سیمان و سنگدانه ها به دلیل وجود اختلاف ضریب انبساط دمایی بین مواد است.

به همین منظور، در آئین نامه ((R89-216 ACI)2001))نمودارهایی برای کاهش مقاومت فشاری بتن در دماهای بالا بر اساس نوع سنگدانه های بکار رفته در بتن ارائه شده است.

همچنین گفته میشود مدول یانگ بتن با افزایش گرما به دلیل فقدان چسبندگی در ریز ساختارهای خمیره سیمان، کاهش مییابد. مقایسه نتایج تحقیقات مختلف انجامشده به دلیل تاثیرات رطوبت، خشک شدن بتن، بارگذاری اولیه و نرخ گرمادهی مشکل است. شکل(1)اثر دماهای بالا برمدول یانگ بتن های ساخته شده با سه نوع سنگدانه را نشان میدهد. این اطلاعات از مطالعاتی بدست آمده است که در آن از یک روش اپتیکی استفاده شده است. همچنین نشان داده شده است که نوع سنگدانه و مقاومت بتن تاثیر قابل توجهی بر مدول یانگ بتن در دماهای بالا ندارند.

اثر-گرما-بر-مدول-یانگ-با-سنگ-دانه-مختلف
اثر-گرما-بر-مدول-یانگ-با-سنگ-دانه-مختلف

الیاف FRP

اطلاعات در مورد مشخصات FRP در دماهای بالا محدود است. به علاوه، اثر گرما بر خواص مواد تشکیل دهنده FRP در تولیدات مختلف تفاوت دارد، چون FRP از چند نوع الیاف (شیشه، آرامید و کربن) و چند نوع ماتریس (وینیل استر، پلی استر و اپوکسی) تشکیل شده است. بویژه اینکه خواص ماتریس در دماهای بالا تغییر می کند که میتواند روی خواص FRP نیز تاثیر بگذارد. با افزایش دما، مقاومت انواع مختلف FRP ، کاهش می یابد. همچنین باور این است که کاهش مقاومت کششی مصالح FRP ،بیشتراز کاهش مقاومت الیاف است که دلیل آن وجود ماتریسی است که الیاف در آن قرار دارند.همچنین روابطی برای تاثیر دما بر مقاومت کششی انواع FRP پیشنهاد شده است. بر اساس این روابط، با اینکه مقاومت کششی CFRP و AFRP تا 1000C بدون تاثیر می ماند، مقاومت کششی GFRP با افزایش دما بطور ناگهانی کاهش می یابد.

چسب

اثرات گرما بر چسب هایی که برای چسباندن FRP به بتن استفاده می شوند مانند مواد ماتریس است، چون در اصل آنها مشابه هستند. چسب ها رفتار متفاوتی در مقابل گرما داشته و ضرایب انبساط حرارتی متفاوتی دارند. به هر حلا ضریب انبساط حرارتی چسب به مراتب پایین تر از مواد ماتریس است.

چسب مورد استفاده در این تحقیقات یک چسب دو جزئی است که رزین آن با نام تجاری اپیکوت828 و جزء سخت کننده آن با نام تجاری اپیکور  شناخته میشود . رزین اپوکسی بر پایه دیگلیسریل اترفنول و اف205 سخت کننده بر پایه جزء عمل آورنده آمینی است. طبق اطلاعات کارخانه تولید کننده چسب، نسبت استوکیومتری اختلاط این دو جزء بصورت 58 جزء عمل آور به ازای 100 واحد وزنی رزین اپوکسی است.

یکی از محققین تحقیقات گسترده ای بر روی دمای گذار شیشهای و همچنین مدول الاستیسیته اپوکسی مورد نظر با تغییر نسبت جزء سختکننده انجام داده است. او این پارامترها را به عامل نسبت(r )مربوط کرده است. مقادیر مختلف نسبت اختلاط و r مربوط به هر کدام در جدول  (1) آورده شده است.

بیشتر بخوانید:   19 روش مقاوم سازی ساختمان‌های بتنی و فولادی
نسبت-نمونه-ها-رزین-اپوکسی
نسبت-نمونه-ها-رزین-اپوکسی

دمای گذار شیشه ای می تواند با افزایش سیکل های دمایی افزایش یابددر این ارتباط، اثر دما بر روی چسب مورد استفاده در این تحقیقات نیز در شکل (4 )آورده شده است.

اثر-گرما-بر-مدول-یانگ
اثر-گرما-بر-مدول-یانگ

 

گسیختگی سازه های بتنی مقاوم شده با FRP درخمش

برای پی بردن به اثرات دمای بالا و پائین بر عملکرد سازه های بتنی مقاوم شده با FRP ،باید رفتار سازه های مقاوم شده با FRP در دماهای عادی مورد توجه قرارگیرد. بطور کلی حالات گسیختگی این سیستم هارا می توان به گسیختگی خمشی، گسیختگی برشی و جداشدگی لایه های FRP از بستر بتنی تقسیم نمود. گسیختگی خمشی و برشی یک تیر همان حالات گسیختگی معمول در سازه های بتن مسلح معمولی است

حالات اول گسیختگی خمشی معمولا جاری شدن فولاد به دنبال گسیختگی FRP( شکل5(a ))حالات دوم گسیختگی خمشی جاری شدن فولاد به دنبال خرد شدن بتن یا خرد شدن بتن بدون جاری شدن فولاد(شکل5( b))و حالات سوم گسیختگی خمشی گسیختگی خمشی، جداشدگی لایه FRP است.

گسیختگی-خمشی-مقاوم-سازی-خرد-شدن
گسیختگی-خمشی-مقاوم-سازی-خرد-شدن

مراحل ساخت نمونه ها

پس از انجام دانه بندی و طرح اختلاط بتن مورد نظر، برای هر رده مقاومتی، در یک مرحله قلاب های آماده شده در سه لایه پر شده و هر بار با 25 ضربه متراکم شدند. همچنین به دیواره های قلاب با چکش پلاستیکی ضربه هایی وارد آمد تا تراکم مناسب حاصل شود. سپس قلاب ها روی میز لرزان قرار داده شدند و بوسیله ماله و یا خط کش فلزی سطوح بالایی تسطیح شدند. قلاب ها در شرایط آزمایشگاهی به مدت 24  ساعت باقیمانده و سپس قلاب ها به آرامی باز شده و اطلاعات مربوط به تاریخ و مقاومت هر نمونه روی آن نوشته شده و به حوضچه آب انتقلا یافته و به مدت 28 روز عملآوری شدند.

پس از 28 روز نمونه ها از آب خارج شدند تا سطح آنها خشک شده و برای چسباندن CFRP آماده شوند. قبل از چسباندن ورقه های CFRP ،سطح بتن بوسیله سمباده برقی برای از بین بردن لایه ضعیف رویی و گرد و غبار آماده شدند. سپس ورقه های CFRP به ابعاد مورد نظر بریده و با بکارگیری چسب مربوطه که شامل مخلوطی از مولفه های رزین اپوکسی و سختکننده با اوزان توصیه شده می شدند، چسبانده شده و به مدت یک هفته، برای عمل آوری چسب در محیط آزمایشگاه نگهداری شدند.

برای اعمال شرایط یخ زدگی به نمونه های تیرهای تقویت شده با CFRP  از ، استاندارد دستورلاعمل ASTM C884/C884M-98 استفاده شد. بر اساس این دستورلاعمل، پس از عمل آوری اپوکسی، نمونه ها در معرض 5 سیکل تغییر دما بین C °25 تا C °-21 قرارداده می شوند. بنابراین پس از عمل آوری چسب اپوکسی، تیر های تقویت شده به مدت 24 ساعت، درون فریزر با دمای C°-21  و سپس به مدت 24 ساعت در دمای اتاق (C °23±1 )قرار گرفت. این روند یک سیکل آزمایش را تشکیل میدادند.

برای اعمال شرایط دمای بالا نیز نمونه های تیر های تقویت شده، به همان ترتیب با 5 سیکل 48 ساعته در درون اون قرار گرفت. برای یک سیکل نمونه هابه مدت 24 ساعت در دمای 50 ویا 80 درجه و سپس به مدت 24 ساعت در دمای اتاق قرار داده میشوند. درون اون، سطح تقویت شده با CFRP رو به بالا قرار داده شدند.

مقاومت نهایی به عنوان تابعی از درجه حرارت

با مشاهده نتایج حاصل از انجام آزمون خمشی بر روی تیرهای تقویت شده با CFRP که در شکل های 15  و 16 نشان داده شدهاند، مشخص است که در نمونه های قرار گرفته در دمای بالاتر از دمای اتاق، کاهش مقاومت نهایی رخ داده است. همچنین مشاهده میشود که این کاهش مقاومت، در نمونه های تقویت شده با ورقه های CFRP انعطافپذیر در دمای C °80 +نسبت به دمای C °+50 بیشتر است. همچنین ملاحظه میشود که در نمونه های تقویت شده با CFRP سخت، این کاهش مقاومت با شیب کمتری ادامه مییابد. همچنین پیداست که مقاومت نهایی مربوط به دمای C °20 ،-نسبت به مقاومت متناظردردمای اتاق، افزایش مقاومت را در نمونه های با مقاومت فشاری MPa 19.68 و کاهش مقاومت نهایی را در نمونه های با مقاومت فشاری MPa 30.75 و MPa 39.55 را نشان می دهد.

بیشتر بخوانید:   استفاده از سازه های فضاکار در مقاوم سازی لرزه ای سازه های بتنی موجود
مقاومت-نهایی-تیر-های-تقویت-شده-باCFRP-در-مقابل-دما
مقاومت-نهایی-تیر-های-تقویت-شده-باCFRP-در-مقابل-دما

نتیجه گیری

از مباحث بالا می توان نتیجه گرفت که گرما هم بر روی مقاومت نهایی و هم بر روی نوع رفتار گسیختگی تیر های بتنی تقویت شده با CFRP تاثیر میگذارد. تصور اینست که تاثیر افزایش دما بر روی پخش تنش برشی در بتن، ناشی از سه عامل مهم: گسترش تنش های حرارتی در نتیجه اختلاف ضریب انبساط حرارتی، کاهش سختی چسب و کاهش مقاومت چسبندگی سطح تماس چسب-بتن، در دماهای بالا است.

همچنین می توان گفت که میزان کاهش مقاومت نهایی در دمای C °+80 نسبت به مقاومت نهایی در دمای اتاق، با بالا رفتن رده مقاومت بتن کاهش یافته و مقدار کاهش مقاومت نهایی در دمای اتاق تا رده مقاومتی MPa30.79 افزایش یافته و پس از آن کاهش می یابد. تیرهای تقویت شده با CFRP انعطاف پذیر، در هر سه رده مقاومتی بتن، نسبت به تیرهای تقویت شده با CFRP سخت، در دماهای C °+20 و C °+50 مقاومت نهایی بالاتری از خود بروز دادند.

تیرهای تقویت شده با CFRP قرار گرفته در دمای C °+50 و C °+80 در هر سه رده مقاومتی بتن و هر دو نوع CFRP ،مقاومت نهایی کمتری داشتند. نمونه های با CFRP انعطافپذیر با رده مقاومتی بتن MPa 19.68 که در دمای C°-20قرار گرفته اند، مقاومت نهایی بالاتری را نسبت به نمونه های دمای اتاق نشان دادند که میتواند ناشی از کنش تنش های حرارتی بر خلاف تنش های بارگذاری باشد. این مسئله در نمونه های با رده مقاومتی MPa 30.79 و MPa 39.55  دیده نمیشود که احتمالا ناشی از مشارکت کمتر تنش های حرارتی در مقاومت برشی کلی است، ولی نمونه های مقاوم شده با CFRP سخت که در دمای C°-20قرار گرفته اند، در هر سه رده مقاومتی بتن، مقاومت کمتری از خود نشان دادند.

روند شکست تیرهای بتنی مقاوم شده با CFRP انعطافپذیر بدین صورت است که در دماهای C °-+20 جداشدگی CFRP ،لایه نازکی از بتن چسبیده به لایه چسب باقی می ماند (گسیختگی در بتن) در حالیکه در دمای C°50 +و C°80 +پس از جداشدگی، بتن خیلی کمتری باقی می ماند (گسیختگی بین سطحی چسب-بتن)

روند شکست تیرهای بتنی مقاوم شده با CFRP سخت بدین صورت است که در دماهای C °20 -و C °20 +پس از جداشدگی CFRP ،لایه نازکی از بتن چسبیده به لایه چسب باقی می ماند (گسیختگی در بتن)، در حالیکه در دمای C °50 +پس از جداشدگی بتن خیلی کمتری متصل یه چسب روی CFRP باقی مانده (گسیختگی بین سطحی چسب- بتن) و در دمای C °80 +پس از جداشدگی هیچ بتن و چسبی روی CFRP باقی نمی ماند (سیختگی بین سطحی چسب-CFRP)

در دمای v 20 +در هر سه رده مقاومتی بتن، نتایج آزمایشگاهی تیر های مقاوم شده با CFRP انعطافپذیر تطابق بهتری با مقاومت بدست آمده از روابط آئین نامه های 02-ACI440 و نشریه 345 نشان دادند. در دماهای C °50 +و C °80 ،+در هر سه رده مقاومتی بتن، نتایج آزمایشگاهی تیر های بتنی مقاوم شده با CFRP سخت، تطابق بهتری با مقاومت بدست آمده از روابط آئین نامه های 440ACI-02 و نشریه 345 نشان دادند. در دمای C °20 -در هر سه رده مقاومتی بتن، نتایج آزمایشگاهی تیر های بتنی مقاوم شده با CFRP سخت، تطابق بهتری با مقاومت بدست آمده از روابط آئین نامه های 440ACI-02 نشان دادند.

5/5 - (1 امتیاز)
به اشتراک بگذارید:

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

Insert math as
Block
Inline
Additional settings
Formula color
Text color
#333333
Type math using LaTeX
Preview
\({}\)
Nothing to preview
Insert