بررسی عملکرد لرزه ای اتصالات قاب خمشی بتن مسلح تقویت شده توسط CFRP

بررسی عملکرد لرزه ای اتصالات

در قاب های خمشی بتن مسلح

تقویت شده توسط ورق های کامپوزیت CFRP

 1.علت استفاده از CFRP

ساختمان های بتنی که بر اساس آیین نامه  های گذشته طراحی و ساخته شده اند غالبا در هنگام وقوع زلزله رفتار های نامناسبی از قبیل مقاومت جانبی ناکافی، توانایی ناچیز اتلاف انرژی، کاهش سریع مقاومت و مکانیزم  های نادرست تشکیل مفصل پلاستیک از خود نشان می دهند.

این رفتار های نامناسب می تواند به دلیل جزییات ناکافی آرماتورگذاری که منجربه تغییرمکان های شدید و در نهایت تخریب ساختمان می گردد، شود. از طرف دیگر، مشاهدات صورت گرفته از زلزله  های گذشته نشان می دهند که عملکرد ساختمان های بتنی که تن ها بر اساس بار های ثقلی طراحی شده اند بدلیل شکل پذیری محدود و ظرفیت ناکافی تحمل بار جانبی در برابر زلزله ضعیف بوده است.

 اینگونه جزییات ناکافی می تواند ناشی از مقاومت برشی ناکافی اتصال، ظرفیت برشی ناکافی ستون، طول مهاری ناکافی آرماتور های اصلی ستون، و مهار کم آرماتور های مثبت تیر در محل اتصال و مقاومت برشی ناکافی تیر باشد

اینگونه ساختمان ها دارای مقاومت کم در برابر نیرو های جانبی که منجر به تغییر شکل های غیر الاستیک زیاد می شوند می گردد و رفتارشان اصل “تیر ضعیف-ستون قوی” را ارضا نمی کند که منجربه ایجاد طبقه یا ستون نرم طی زمین لرزه می گردد

اینگونه رفتار ها و صدمات ناشی از آن ها تحت زمین لرزه  ها باعث گردیده تا مهندسین به فکر اصلاح و بهبود ضوابط آیین نامه ای به منظور دستیابی به سازه  های ایمن تر باشند. برای سازه های موجود بعضی از روش ها مانند مقاوم سازی، بهبود و تعمیر را می توان به منظور ارضا این هدف بکار برد

اتلاف انرژی و سلسله مراتب شکست دو فاکتور مهم در ارزیابی عملکرد لرزه ای در ساختمان های بتنی می باشند. ایستایی یک فاب می تواند توسط توانایی آن در ماندن در یک سطح الاستیک مقاومت در بین پاسخ غیر الاستیک توضیح داده شود. در بسیاری از ساختمان ها که بر اساس آیین نامه  های قدیمی طراحی شده اند مفصل های پلاستیک در نزدیکی اتصالات و در بر ستون تشکیل می گردد که می تواند منجر به ناپایداری کلی در سازه  ها گردد.

به مین دلیل، در بسیاری از آیین نامه  ها پیشنهاد شده است که اصل ستون قوی-تیر ضعیف به منظور انتقال مفاصل پلاستیک از بر ستون  ها مد نظر قرار گیرد. طی دهه  های اخیر، تحقیقات گوناگونی با هدف انتقال مفاصل پلاستیک به داخل تیر و بهبود عملکرد لرزه ای ساختمان های بتن آرمه صورت پذیرفته است. اما بیشتر این روش ها، مانند افزودن المان به سازه و یا بهبود جزییات آرماتوربندی تیر ها، تن ها می توانند برای ساختمان های در حال احداث استفاده شوند

واضح است که ساخت دوباره کل و یا قسمت هایی از یک ساختمان نیاز به اعتبارات مالی بیشتری نسبت به تعمیر سازه دارد. در سازه  هایی که اتصالات آن ها دارای جزییات آرماتوربندی نامناسب می باشند، تعمیر ناحیه اتصال تیر و ستون می تواند اقتصادی ترین روش برای بهبود عملکرد آن ها باشد. به همین منظور، استفاده از مواد کامپوزیتی در سال های اخیر بسیار مورد توجه بوده است.

در این میان استفاده از مواد کامپوزیتی موسوم به FRP و با ترکیبات کربن، آرامید و شیشه به دلیل مقاومت کششی قابل ملاحظه، مقاومت در برابر خوردگی، سبکی و سادگی اجرا بیشتر مورد توجه بوده است. این ورقه  ها بوسیله اپوکسی و یا رزین به سطح کار چسبانده شده و یک ترکیب ازورق و اپوکسی را که پلیمرالیافی مسلح شده نامیده می شود را بوجود می آورند

مطالعات اخیر نشان داده اند که ظرفیت تحمل بار و سرویس پذیری سازه  های موجود بوسیله استفاده از ورق های FRP در سطوح خارجی المان  های سازه افزایش می یابد. مواد FRP می توانند در گستره وسیعی از مدول الاستیسیته، مقاومت و مشخصات تطبیق پذیری مورد استفاده قرار گیرند. اینگونه مواد دارای مقاومت/سختی زیاد، انعطاف در طراحی و نصب و همچنین مقاومت کافی تحت شرایط نامناسب محیطی می باشند

کامپوزیت های FRP از دو بخش اصلی تشکیل شده اند :

1. الیاف غیرفلزی، جهت دار، پیوسته و کوچک با خصوصیات و ویژگی های خاص
2. ملات های مایع سخت شونده

 در این حالت هم الیاف و هم رزین  ها نیاز هستند تا یک جسم یک پارچه را بوجود آورند. این قسمت ها خصوصیات خود را حفظ کرده تا یک ترکیب مقاوم را بوجود آورند. پارامتر  های مهمی که بر رفتار FRP  ها تاثیر گذارند عبارتند از :

• خصوصیات مکانیکی الیاف
• جهت الیاف، طول
• شکل و ترکیب الیاف
• خصوصیات مکانیکی رزین
• چسبندگی بین الیاف و رزین

2.مفاصل پلاستیک

اتصالات یکی از مهمترین قسمت های یک سازه می باشند، زیرا که تیر و ستون ها را به یکدیگر متصل کرده و انواع بار ها را تحمل می کنند. رفتار یک قاب بستگی به رفتار اتصالات ان و رفتار اتصال به جزییات اتصال بستگی دارد. در طراحی  ها، ترتیب ایجاد مفاصل پلاستیک باید مورد توجه و بررسی قرار گیرد. اگر اتصال بطور صحیحی طراحی نشود، در نتیجه احتمال وقوع مفاصل پلاستیک در ستون ها زیاد می گردد. تشکیل مفصل پلاستیک در ستون ها بدلایل زیربسیار اهمیت دارد:

1. مکانیزم شکست ستون ها در بار های ن هایی پایین تری اتفاق می افتد
2. ظرفیت جذب انرژی مفاصل پلاستیک در ستون ها بدلیل نحوه آرماتورگذاری و بار محوری کمتراست
3. اگرمفصل پلاستیک در محل اتصال تیربه ستون تشکیل گردد، دوران های بسیار زیادی هم در ستون و هم در تیراتفاق می افتد (شکل 1)
4. شکست ستون واتصال بطور معمول خطرناک تر از شکست تیرمی باشد (شکل 1)

زلزله  های اخیر نشان داده اند که اتصالات بتنی که بر اساس آیین نامه  های قدیمی طراحی و ساخته شده اند ممکن است دچار خرابی  های گسترده طی زمین لرزه گردند. اینگونه ساختمان ها معمولا برای تحمل تن ها بار های ثقلی طراحی شده اند و فاقد شکل پذیری و ترتیب کاهش مقاومت کافی می باشند که می تواند باعث مکانیزم شکست کلی ساختمان بر اثر بار های جانبی گردد. در اینگونه ساختمان ها معمولا ابعاد مقاطع و آرماتور های طولی ستون ها ناکافی می باشند و بنابر این ستون ها توانایی ارضا نیاز های خمشی و برشی طی زلزله  ها را ندارند.

 این رفتار می تواند باعث بوجود آمدن اصل تیر قوی-ستون ضعیف و در نتیجه ایجاد مفاصل پلاستیک در ستون ها گردد. مد شکست مربوطه باعث ایجاد اشکال در ترتیب کاهش مقاومت شده و باعث القا یک رفتار شکننده و در نهایت شکست سازه می گردد.

اینگونه نقایص می تواند بوسیله اعمال اصل تیر ضعیف-ستون قوی مرتفع گردد. بر اساس اصل تیر ضعیف-ستون قوی، تشکیل مفاصل پلاستیک باید در تیر ها اتفاق بیافتد تا انرژی زلزله را در حالتی که ستون ها در مرحله الاستیک باقی مانده اند مستهلک نماید.

این مفاصل باید به اندازه کافی از ستون ها دور باشند  Priestly and Paulay پیشنهاد کردند که مفاصل پلاستیک نباید در فاصله کمتر از hb یا 500 میلیمتر تشکیل گردند. آرماتور های برشی در منطقه اتصال بدلیل طبیعت برش که در منطقه اتصال انتقال می یابد و پیچیده می باشد دارای اهمیت زیادی هستند.

مطالعات آزمایشگاهی و عددی نشان داده اند که تنش  های برشی بر رفتار اتصالات در قاب ها حاکم است. به همین دلیل یک روش مرسوم برای انتقال مفاصل پلاستیک از بر ستون اضافه نمودن جزییات آرماتورگذاری در اتصال می باشد.

Mr    نسبت ظرفیت خمشی ستون به تیر است که در بسیاری از آیین نامه  ها بعنوان یک فاکتور مهم به منظور اطمینان از برقراری اصل تیر ضعیف-ستون قوی در قاب های مقاوم خمشی معمولی مورد استفاده قرار می گیرد وبصورت زیر تعریف می گردد:

• Mc ظرفیت خمشی ستون ها در محل اتصال
• Mb ظرفیت خمشی تیر ها در محل اتصال
• آیین نامه بتن ایران (آبا) و آیین نامه استرالیا (AS3600] بترتیب مقادیر 4/1 ،2/1 و 5/1 را برای MR پیشنهاد می کنند.

 3.مشخصات اتصالات مورد مطالعه

به منظور ارزیابی اثرات استفاده از کامپوزیت های FRP بر روی اتصالات بتنی، اتصالی که توسط مهینی و همکاران تحت آزمایش قرار گرفته بود بررسی گردید. مهینی و همکاران یک اتصال خارجی را از یک ساختمان هشت طبقه بتنی که در بریزبن استرالیا احداث شده بود تحت آزمایش قرار دادند.

 ابعاد سطح مقطع تیر و ستون بترتیب برابر 180×230 و 180×220 میلیمتر و طول تیر و ستون بترتیب برابر 1246 و 1402 میلیمتر می باشد. برای ارزیابی رفتار بار-جابجایی نوک، یک بار مونوتونیک بر تیر نمونه کنترلی و تقویت شده اعمال گردید.

مشخصات نمونه کنترلی بصورت:

• مقاومت فشاری بتن = 40 مگا پاسکال،
• مدول الاستیسیته بتن = 6.27 گیگا پاسکال،
• مقاومت تسلیم آرماتور های طولی = 500 مگا پاسکال،
• مدول الاستیسیته آرماتور طولی = 194 گیگا پاسکال،
• مقاومت تسلیم آرماتور های عرضی = 382 مگا پاسکال
• مدول الاستیسیته 200 گیگا پاسکال
•  یک بار ثابت برابر 305 کیلو نیوتن به منظور در نظر گرفتن بار های ثقلی طبقات بالاتربر ستون ها اعمال گردید.

سپس جان نمونه کنترلی بوسیله لایه  های کامپوزیتی FRP از نوع کربنی تقویت گردید. ورق های تک محوره مسلح شده کامپوزیتی بصورت موازی با محور طولی تیر ها قرار داده شدند.

مشخصات ورق های FRP:

• مقاومت کششی برابر 3900 مگا پاسکال
• مدول الاستیسیته 240 گیگا پاسکال

در حالیکه رزین مورد نیاز برای چسباندن لایه  های FRP بر رویه بتنی دارای مقاومت کششی حداقل برابر 50 مگا پاسکال، مقاومت فشاری حداقل 80 مگا پاسکال و مدول الاستیسیته برابر 3000 مگا پاسکال می باشد.

برای اینکه بتوان رفتار لرزه ای اتصالات را پس از تقویت بوسیله مواد FRP بررسی نمود، در ابتدا نمونه کنترلی و تقویت شده در نرم افزار المان محدود ABAQUS مدل گردید. بدین منظور سه بخش (part )متفاوت شامل بتن، آرماتور و صفحه فولادی در نرم افزار ساخته شد.

 جهت جلوگیری از ناپایداری  های موضعی المان ها در مجاورت محل اعمال نیرو، صفحه ای فولادی بر روی ستون قرار داده شد. مدل های رفتاری مناسبی جهت تعریف رفتار بتن، فولاد و FRP مورداستفاده قرار گرفت

همچنین، رفتار بتن تحت بار یکنواخت (مونوتونیک) بوسیله damaged concrete plasticity مدل گردید. در نرم افزار ABAQUS می توان رفتار بتن را بوسیله تنش تسلیم در مقابل کرنش غیر خطی تعریف کرد. تنش  ها بوسیله منحنی  هاگنستاد بدست آمده و کرنش ها بصورت غیر خطی مدل گردید. همچنین برای تعریف مدول الاستیسیته از مدول سکانت که برابر است با شیب خط مستقیمی که مبدا را به نقطه ای با مختصات fc 0/4  متصل می کند، استفاده گردید. برای انجام آنالیز بر روی نمونه سه مرحله (step )در نرم افزار بکار برده شد.

در مرحله نخست شرایط تکیه گاهی به سازه اعمال شد و در مرحله دوم بار افزایشی بر روی ستون اعمال گردید، بطوریکه در طول مرحله بعدی بصورت ثابت باقی می ماند. در مرحله آخر در نوک تیر بار افزایشی و با کنترل جابجایی اعمال شد. در این تحلیل برای مدل سازی بتن در ABAQUS المان های C3D8R و با 8 درجه آزادی در هر گره آن،برای آرماتور ها المان های خطی دو گره ای T3D2 وبرای FRP المان S8R بکار برده شد.

رفتار بتن پس از ترک خوردگی تحت تنش  های کششی می تواند بوسیله سخت شدگی کششی بیان شود. این سخت شدگی رفتار نرم شوندگی کرنش را در بتن ترک خورده مشخص می کند. بدین منظور در نرم افزار ABAQUS برای تعریف این رفتار از مشخص نمودن روش تعیین جابجایی ترک استفاده شده است.

شکل  های 2 و 3 بترتیب نمودار های بار-جابجایی برای نمونه کنترلی و تقویت شده را نشان می دهند. همانطور که مشخص است منحنی  های آزمایشگاهی و منحنی  های بدست آمده از نرم افزار تطابق قابل قبولی با یکدیگر دارند. بطوریکه تفاوت ماکزیمم نیروی اعمال شده در آزمایشگاه با نیروی بدست آمده از نرم افزار مقدار بسیار اندکی با یکدیگرتفاوت دارند.

با توجه به نتایج بدست آمده از آنالیز های انجام شده بر روی اتصال کنترلی و تقویت شده، در نمونه کنترلی محل وقوع تسلیم شدگی در نمونه اصلی به بر ستون نزدیک تر بود در حالی که در نمونه تقویت شده محل وقوع تسلیم شدگی در آرماتور ها از بر اتصال به داخل تیر انتقال پیدا می کند

همچنین براساس کانتور های ترک خوردگی در اتصال بتنی مشاهده گردید که ترک خوردگی بتن در اتصال بدلیل استفاده از ورق های کامپوزیتی FRP از بر ستون به داخل تیر و بعبارت دیگر به انت های محل قطع FRP  ها انتقال یافت. این بدان معنی است که این روش مقاوم سازی توانسته است اصل “تیر ضعیف-ستون قوی” که در بسیاری از آیین نامه  های لرزه ای به آن تاکید شده است را برآورده سازد.

پس از اطمینان از صحت مدل سازی اتصال انتخاب شده در نرم افزار ABAQUS ،منحنی  های ممان-دوران اتصالات ساده و تقویت شده بوسیله مواد کامپوزیتی FRP بر اساس روش ارائه شده توسط مستوفی نژاد و طلایی طبا  محاسبه گردید. بدین منظور برای محاسبه دوران، دو گره را که یکی در بر ستون و دیگری در انت های FRP قرار دارد را انتخاب و اختلاف تغییر مکان قائم این دو گره تقسیم بر فاصله بین این دو گره به عنوان دوران اتصال در نظر گرفته می شود.

 با ضرب نیروی اعمال شده بر نوک تیر در فاصله مابین محل اعمال نیرو تا اتصال، لنگر در هر لحظه محاسبه می گردد. شکل 4 منحنی لنگر-دوران را برای اتصال ساده و تقویت شده نمایش می دهد. بر اساس این نمودار، اتصال تقویت شده بوسیله لایه  های FRP دارای شیب اولیه، سختی و مقاومت بالاتر از نمونه کنترلی می باشد. همچنین، ماکزیمم ظرفیت ممان قابل تحمل اتصال در حدود 8/6 درصد افزایش پیدا می کند.

4.نتیجه گیری

در این مقاله تاثیرات استفاده از الیاف FRP به منظور تقویت اتصالات در ساختمان های بتنی بوسیله مدل سازی یک اتصال به کمک نرم افزار المان محدود ABAQUS مورد ارزیابی قرار گرفت. پس از آنالیز که در آن جان اتصال تقویت گردیده بود، نتایج حاصل از نرم افزار تطابق قابل قبولی با مشاهدات آزمایشگاهی داشتند.

همچنین مشاهده گردید که رفتار لرزه ای اتصال پس از تقویت می تواند اصل “تیر ضعیف-ستون قوی” را ارضا نماید. زیرا که ترک خوردگی بتن و تسلیم شدگی آرماتور ها که در نمونه ساده نزدیک اتصال اتفاق می افتاد، به محدوده انت هایی ورق های FRP انتقال پیدا می کند. پس از استخراج و بررسی منحنی لنگر-دوران اتصال ساده و تقویت شده مشاهده گردید که شیب اولیه، سختی، مقاومت و ماکزیمم ظرفیت ممان قابل تحمل اتصال تقویت شده بیشتر از نمونه کنترلی می باشد.

بنابر این استفاده از مواد پلیمری FRP به منظور تقویت اتصالات در ساختمان های بتنی می تواند رفتار آن ها را در هنگام رخداد زمین لرزه  ها اصلاح نماید.