بهسازی لرزه‌ای ستون‌های مربعی RC توسط الیاف کربنی FRP و میله‌های GFRP

بهسازی لرزه‌ای

بسیاری از ساره های بتن مسلح موجود که قبل از کاربرد آئین نامه‌های مدرن طراحی مقاوم در برابر زلزله طراحی و ساخته شده بودند، در برابر زلزله‌های فوق در مقیاس متوسط آسیب‌پذیر هستند. ستون های بتن مسلح به دلیل استفاده از آرماتورگذاری عرضی با جزئیات نادقیق به طور خاصی آسیب‌پذیرند. به همین دلیل این ستون‌ها شکل‌پذیری کافی را ارائه نمی‌دهند و احتمال وقوع شکست برشی، شکست مفصل برشی یا شکست وصله‌ی پوششی در یک زلزله شدید وجود دارد. در نتیجه بهسازی این ستون‌های RC از اهمیت زیادی در توانبخشی به سازه‌های موجود برخوردار است.

رایج ترین روش بهسازی؛ ژاکت‌گذاری بتنی و فولادی است که در سال‌های اخیر به دلیل سرعت و آسانی نصب، کاهش تعمیر و نگهداری، مقاومت بالا، وزن سبک، دوام بالا و افزایش کمتر در سختی سازه بجای فولاد از محصولاتی نوین چون پلیمر تقویت شده با الیاف (FRP) در ژاکت‌گذاری استفاده می‌شود که موجب یک افزایش کمتر در نیروی اینرسی لرزه‌ای می‌شود.

پارامترهایی مانند مقاومت بتن، انواع الیاف FRP و رزین، کسر حجمی الیاف و جهت‌گیری فیبر در ژاکت، ضخامت ژاکت (یا تعداد لایه) و باند رابط بین هسته و ژاکت (به عنوان مثال مکانیکی و یا شیمیایی) و در نهایت شکل مقطع در مقاومت و انعطاف‌پذیری بتن محصور شده با الیاف FRP اثر می‌گذارند. مثلأ در ستون‌های دایره‌ای درجه پیش تنیدگی تحت کنترل باشد و از 0/25 بیشتر نشود، همچنین سطح ستون ساییده شده و ورقه‌های CFRP با چسب اپوکسی به سطح ستون چسبانده شوند، بسیار موثر است. در صورتی که بهسازی خمشی ستون‌های RC مربعی یا مستطیلی بوسیله ژاکت‌گذاری به دلیل محصورشدگی ضعیف بتن در وسط جنب‌های ستون، به خصوص برای ستون‌های بزرگ کارآمدی زیادی ندارد.

تلاش‌های زیادی برای بهبود اثربخشی ژاکت‌گذاری برای ستون‌های مربعی/مستطیلی انجام شده است. از جمله این روش ها :

• تغییر شکل مستطیلی به شکل دایره‌ای
• استفاده از سخت کننده‌های اضافی در مفصل پلاستیک برای افزایش سختی خارج از صفحه از ژاکت
• موج دار کردن ورق فولادی برای افزایش سختی خمشی خارج از صفحه
• استفاده از بولت‌های مهاری برای تقویت اثربخشی محصورشدگی

در این مقاله به بررسی یک طرح بهسازی یا مقاوم سازی با تکنیک الیاف تقویت کننده FRP در جهت عرضی یک ستون بهره می‌برد، پیشنهاد و بررسی شد.

در این تکنیک، میلگردهای FRP کوچک در جنب‌های یک ستون در منطقه مفصل پلاستیک قرار داده می‌شوند. این میله‌های کوچک به عنوان تقویت کننده‌های عرضی در روشی مشابه با الیاف در بتن الیافی تقویت شده (FRC) عمل می‌کنند تا ترک خوردگی را محدود کنند و شکل‌پذیری بتن را افزایش دهند. اثربخشی این طرح جدید با آزمایش نیم ستون نشاند داده شده است.

فلسفه‌ی بهسازی

عملکرد یک ژاکت بر دو بخش تقسیم می‌شود :

• تامین تقویت کننده برشی اضافی برای از افزایش مقاومت برشی ستون
• تامین محصورشدگی برای افزایش مقاومت خمشی و شکل پذیری ستون

برای شکست خمشی، دو حالت شکست رایج وجود دارد : خردشدگی بتن در منطقه مفصل پلاستیک و شکست وصله پوششی از میلگردهای تقویت کننده کششی.

محصورشدگی موثر از یک ژاکت می‌تواند شکل‌پذیری مصالح بتن را افزایش دهد و در نتیجه شکل‌پذیری ستون افزایش می‌یابد. همانطور که در شکل 1 (a) نشان داده شده است، یک ژاکت مربعی/مستطیلی فقط می‌تواند در محدوده گوشه‌ها و مرکز یک ستون محصورشدگی موثر ایجاد کند. محصورشدگی در وسط یک جنب مستقیم، همانند قسمت‌های سایه نخورده در شکل 1 (a)، به دلیل مقاومت خارج از صفحه ضعیف، ژاکت ناکافی است. به عنوان یک نتیجه، شکل‌پذیری بتن در ناحیه‌ی محصور شده ضعیف، پایین است و نمی‌تواند تقاضای لرزه‌ای را برآورد کند. عامل کلیدی در بهسازی ستون‌های RC مربعی/مستطیلی افزایش شکل‌پذیری بتن در منطقه محصور شده ضعیف است.

شکل (1) : مکانیزم محصورشدگی FRP بوسیله میله‌های مدفون

افزایش شکل‌پذیری FRC از مقاومت الیاف‌ها در برابر بازشدگی ترک‌های کوچک در بتن به عنوان بازدارنده‌های ترک نشئت می‌گیرد. به خوبی می‌دانیم که ترک‌های طولی در یک ستون بتنی تحت بار فشاری گسترش می‌یابند. بدیهی است، تقویت کننده‌ها در جهت عرضی عمود بر بار یا ترک‌ها در محدود کردن بازشدن ترک‌های طولی بسیار کارآمدتر هستند و تقویت‌کننده های طولی ناکارآمد هستند. به صورت تجربی نشان داده شده است که الیاف فولادی با جهت افقی در افزایش شکل پذیری FRC کارآمد ترین مورد است و شکل‌پذیری FRC می‌تواند چند برابر بتن ساده باشد.

با توجه به مشاهدات قبلی، می‌توان تقویت‌کننده‌های عرضی یا افقی را در مناطقی از بتن با محصورشدگی ضعیف از مفصل پلاستیک مدفون کرد تا شکل‌پذیری بتن در آن منطقه افزایش یابد، همانطور که در شکل1 (a,b) نشان داده شده است. این موضوع در ترکیب با ژاکت‌گذاری مرسوم می‌تواند محصور شدگی موثری برای بتن حول گوشه‌ها و قسمت‌های داخلی ستون ایجاد کند،قرار دادن میلگردها می‌تواند یک روش موثر برای حل مشکل محصورشدگی ضعیف در ستون‌های RC مستطیلی ارائه دهد. برای ستون‌های کوچک مربعی/مستطیلی، ژاکت‌گذاری به خودی خود معمولأ برای تامین محصورشدگی مناسب برای ستون‌های RC کافی است.

برنامه‌ی آزمایشگاهی

برای آزمایش ستون، اعمال بار محوری قابل توجه حیاتی است. نمونه آزمایش معمولی یک ستون طره‌ای بلند 1320 mm با یک مقطع عرضی مربعی  بود. همانطور که در شکل (2) مشان داده شده است، ریشه ستون در ابعاد  به عنوان مفصل تیر – ستون یا یک پی ساخته شد. ضخامت کاور 25 میلی‌متر بود. آرماتورهای طولی 4Y16 با یک شکل «L» مانند به داخل ریشه ادامه پیدا کرده بودند. انتهای دیگر میلگردها به یک صفحه فولادی روی ستون به یک مفصل فولادی جوش داده شده بودند. ورق فولادی روی ستون به یک مفصل فولادی جوش داده شده بود که به فعال کننده بار محوری متصل شده بود. خاموت‌های R6 در فاصله 100 میلی‌متری از یکدیگر و یک قلاب 90 درجه و طول همپوشانی 45 میلی‌متری در یک گوشه داشتند، در کل شش ستون در این نمونه مورد آزمایش قرار گرفتند.

شکل (2) : جزئیات آرماتورگذاری

ستون C1 یک نمونه بهسازی نشده بود که برای آزمایش بارگذاری یکنواخت به عنوان یک ستون کنترل مورد استفاده قرار گرفت. هدف دوم این آزمایش یکنواخت پیدا کردن جابه‌جایی تسلیم ستون بهسازی نشده بود که برای تعیین تاریخچه بارگذاری چرخه‌ای شکل (3) لازم بود. ستون C2 یک نمونه بهسازی نشده برای آزمایش چرخه‌ای بود که به عنوان معیاری برای مقایسه با دیگر ستون‌های بارگذاری شده به صورت چرخه‌ای و بهسازی شده مورد استفاده قرار گرفت. ستون های C6 – C3 توسط طراح‌های متفاوتی بهسازی شد. ستون C3 با قرار دادن میله‌های FRP شیشه‌ای (GFRP) بهسازی شد. ستون های C4 و C5 با ژاکت‌گذاری FRP کربنی (CFRP) به علاوه قرار دادن میله‌های یکسان مشابه ستون C3 بهسازی شدند. ستون C6 فقط با ژاکت‌گذاری و بدون قرار دادن میله بهسازی شد.

شکل (3) : تاریخچه بارگذاری برای بارگذاری رفت و برگشتی

اطلاعات بهسازی

قطر اسمی میله‌های GFRP ، 6mm ؛ مقاومت کششی میله ها، 850 مگاپاسکال و کرنش نهایی آن % 1/45 آزمایش نمونه‌های اصلی بود. میله‌ها به قطعه‌هایی با طول 100mm برش داده شده بودند. قبل از ساخت، گمانه‌هایی با عمق 100mm و قطر 10mm در منطقه مفصل پلاستیک ستون‌های C3، C4 و C5 حفر شدند. گرد و غبار داخل سوراخ‌ها با استفاده از یک جاروبرقی و پمپ از بین رفت.

برای قرار دادن میله‌ها، یک لوله نازک مخصوص برای تزریق اپوکسی به سوراخ ها استفاده شد تا اطمینان حاصل شود که سوراخ‌ها به صورت کامل با این ماده پر شده‌اند. سپس میله‌هایGFRP در سوراخ‌ها قرار داده شد تا فرایند نصب و راه‌اندازی کامل شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در رابطه با نصب یا اجرای صحیح انواع محصولات FRP، پیشنهاد می‌کنیم تا به مقاله جامع و پر کاربرد ” انواع روش‌های نصب و اجرای محصولات FRP ” مراجعه و مطالعه نمایید.

سیستم ورقه‌ای MBrace شامل ورقه‌های CFRP و یک اشباع‌کننده‌ی دو بخشی ساخته شده توسط شرکت MBT (سنگاپور) برای ژاکت‌گذاری مورد استفاده قرار گرفت. ضخامت اسمی کامپوزیت FRP یا ورق الیاف ، mm 0/165 بود و رزین اشباع با ترکیب بخش‌های A و B در نسبت حجمی 3:1 آماده شده بود.

قبل از ژاکت‌گذاری ستون، گوشه تیز ستون بتنی سمباده کشیده شد تا یک شعاع گوشه 15 میلی‌متری ایجاد شود. در ساخت ژاکت الیاف FRP، ورق‌های کربنی با رزین اپوکسی مخلوط شده اشباع شده بودند و یک اندود اپوکسی به سطوح آماده شده ستون کشیده شد. سپس پارچه‌های اشباع شده حول ستون با جهت‌گیری الیاف در جهت بیرونی پیچیده شد. طول هم‌پوشانی 110mm بود. دو لایه ورق CFRP به ستون های C4، C5 و C6 اعمال شد. ژاکت‌گذاری فقط در منطقه مفصل پلاستیک در کف ستون قابل اعمال بود و ارتفاع ژاکت 250mm بود. یک فاصله 15 میلی‌متری بین ورق CFRP و ریشه خالی ماند تا از لهیدگی ژاکت در پایه جلوگیری شود. کنترل شدید مقاومت کششی و مدول یانگ فیبر کربن به ترتیب 449 و  مگاپاسکال آزمایش شده بودند. ازدیاد طول در پارگی حدود 1/78% بود. آزمایش نمونه‌های اصلی از میله‌های GFRP و ورق‌های CFRP نشان داد که مصالح تا زمان گسیختگی به صورت الاستیک خطی عمل می‌کنند.

میله‌های فولادی و بتنی

برای ساخت نمونه‌ها از بتن مخلوط آماده با مقاومت فشاری مشخص شده‌ی 402 مگاپاسکال استفاده شد. مقاومت بتن ارائه شده در جدول 1 برابر مقاومت ستون هم ارز  است که به صورت  محاسبه شده بود، که   مقاومت متوسط بتن از سه مکعب (mm 100  100  100) است که در همان روز در آزمایش ستون مربوطه آزمایش شده است. نتایج آزمایش‌های مصالح میلگردهای تقویتی در جدول موجود در تصویر (4) ارائه شده اند.

شکل (4) : جدول نتایج آزمایش تقویت‌ها

مشاهدات آزمایش

در آزمایش اول، ستون C1 به صورت یکنواخت تا زمان شکست بارگذاری شد. مشاهده شد که اولین ترک در جنب کششی رخ داد، هنگامی که جابه‌جایی جانبی به حدود  0/6 % نسبت به تغییر مکان جانبی رسید.

منحنی‌های واکنش این شش ستون در شکل (5) نشان داده شده‌‌اند.

برای مقایسه‌ی نتایج آزمایش و عملکرد ستون‌ها، مشخصات زیر مورد بحث قرار گرفت.

نسبت شکل‌پذیری

نسبت شکل‌پذیری به عنوان جابه‌جایی نهایی تقسیم بر جابه‌جایی تسلیم یا جابه‌جایی نهایی روی شاخه‌ی نرم، جایی که مقاومت به 5% مقاومت اوج کاهش می‌یابد، تعریف می‌شود.

نسبت شکل‌پذیری از دو ستون بهینه سازی نشده، C1 و C2، به ترتیب 1/71 و 1/88 است. در میان ستون‌های بهینه‌سازی شده، ستون C6 که با ژآکت‌گذاری بهینه‌سازی شده، کوچکترین نسبت شکل‌پذیری 3/2 را دارد، در حالی که ستون‌های C4 و C5 که هم ژاکت‌گذاری و هم با قرار دادن میله‌ها بهینه‌سازی شده بودند، بزرگترین نسبت شکل‌پذیری به ترتیب 4/99 و 5/1 را دارند. ستون C3 نیزکه با قرار دادن میله بهینه‌سازی شده بود، نسبت شکل‌پذیری 4/63 داشت.

بنابراین مشاهده شد شکل‌پذیری ستون‌ها می‌تواند به شدت توسط روش‌های بهینه‌سازی افزایش یابد. نسبت شکل‌پذیری ستون C3 نشان داد که قراردهی میله‌های افقی می‌تواند به طور موثر انبساط جانبی بتن را محدود کرده و در نتیجه زوال مقاومت بتن را به تاخیر بیاندازد.

نتایج نشان داد ژاکت‌گذاری به تنهایی نیز بسیار موثر است. زیرا اگر اندازه ستون کوچک باشد، ژاکت گذاری معمولأ برای ستون‌های مستطیلی کارآمد است.

کاهش سختی

تمام ستون‌های (C1 تا C6) قبل از اینکه نسبت تغییر مکان جانبی حدود 2/5 % در شروع مقاومت اوج داشته باشند، کاهش سختی مشابهی داشتند. پس از آن، ستون‌های بهینه‌سازی نشده، C1 و C2، به لحاظ سختی سریعتر از ستون‌های بهینه‌سازی شده، C6-C3، خراب می‌شوند. در نتیجه واضح است که روش‌های بهینه‌سازی در شاخه نزولی منحنی واکنش، سرعت تخریب بتن را در مقایسه با ستون‌های بهینه‌سازی نشده آهسته‌تر می‌کنند. از دیگر نتایج این است که قراردهی میله در محصور کردن بتن و حفظ یکپارپگی ستون‌ها به میزان ژاکت‌گذاری موثر است. از آنجا که ژاکت‌گذاری در محصور کردن بتن برای ستون‌های بزرگ مربعی/مستطیلی کمتر کارآمد است، انتظار می‌رود که قراردهی میله برای بهینه‌سازی ستون‌های بزرگ کارآمدتر از ژاکت‌گذاری باشد.

اتلاف انرژی

اتلاف انرژی در ستون‌ بهینه‌سازی نشده C2 سریعتر است. به عبارت دیگر، در برون گردی جابه‌جایی مشابه، نسبت به ستون‌های بهینه‌سازی شده در ستون بهینه‌سازی نشده اتلاف انرژی بیشتری رخ می‌دهد. این به دلیل خردشدگی قابل توجه بتن در ستون بهینه‌سازی نشده است که انرژی بیشتری جذب می‌کند. این موضوع معقول است زیرا در یک عضو کاملأ الاستیک اتلاف انرژی رخ نمی‌دهد. در میان ستون‌ها C3 بیشترین و C6 کمترین اتلاف انرژی را داشتند.

نتایج اتلاف انرژی به وضوح نشان می‌دهد که هر دو روش بهینه‌سازی قرار دادن میله و ژاکت‌گذاری می‌تواند طاقت ستون‌ها را تا چندین برابر افزایش دهند. بدین منظور است که سیستم FRP به عنوان راهکاری مقرون به صرفه برای مقابله با کابوس زلزله و ارتعاشات ناشی از آن، شناخته می‌شود.

نتایج کلی

در این مقاله با قرار دادن میلگرد‌های تقویتی در منطقه مفصل پلاستیک یک روش جدید برای بهسازی ستون‌های RC مربعی/مستطیلی پیشنهاد و آزمایش شد. درواقع، مزایا و مشخصات مکانیکی برتر FRP، سبب شده تا سیستم FRP به عنوان جایگزین مناسب برای راهکارهای مرسوم مقاوم سازی تلقی گردد. هدف قرار دادن میله افزایش شکل‌پذیری بتن در منطقه‌ی مفصل پلاستیک بود و همچنین در صورت امکان طول مفصل پلاستیک را افزایش دهد. این آزمایش نشان داد که این روش در به تاخیر انداختن زوال بتن و جلوگیری از کمانش طولی آرماتورها موثر است بنابراین در افزایش شکل‌پذیری و اتلاف انرژی ستون‌های بهسازی شده تاثیر دارد.

منابع

مروری بر بهسازی لرزه ای ستون های چهارگوش بتن مسلح توسط الیاف FRP کربنی همراه با میله‌های GFRP ؛ حمید صابری ، شکوفه زارعی ؛ تیر ماه 1396.

Griffith, M. C., Wu, Y. F., and Oehlers, D. J. _2005_.“Behaviour of steel plated RC columns subject to lateral loading.” Adv. Struct. Eng., 8_4_,333–347

_1996_. “Retrofit of concrete columns with inadequate lap splices by the use of rectangular steel jackets.” Earthquake Spectra, 12_4_, 693–714