بررسی اثرات FRP روی رفتار ستون بتن آرمه

ساختمان‌های بتن آرمه به دلیل ویژگی‌هایی همچون ارزانی و سهولت اجرا همواره نظر سازندگان را برای به‌کارگیری آن در ساخت‌و‌ساز جلب کرده است. در سال‌های اخیر بهسازی و تقویت ساختمان‌های موجود از موضوعات اصلی صنعت ساختمان و همچنین تحقیقات دانشگاهی به شمار رفته است. هدف از بهسازی می‌تواند افزایش مقاومت، شکل‌پذیری و یا کاهش اثرات حرارت بر روی المان باشد. مقاوم‌سازی اعضای بتنی با انواع مصالح کامپوزیتی FRP روش نسبتاً جدیدی به شمار می‌رود. مصالح FRP  خواص فیزیکی مناسبی دارند که می‌توان به مقاومت کششی بالا و ضخامت و وزن کم آن‌ها اشاره کرد. در تقویت ستون‌های بتنی با استفاده از FRP ضمن افزایش ظرفیت برشی ستون، مد گسیختگی آن را از حالت برشی به خمشی تغییر داده و شکل‌پذیری را به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. دور پیچی اعضای فشاری با الیاف FRP باعث افزایش مقاومت فشاری آن‌ها نیز می‌شود. این امر هم‌چنین باعث افزایش شکل‌پذیری اعضا تحت ترکیب نیروهای محوری و خمشی می‌شود. در این مقاله می‌خواهیم اثرات FRP را بر روی رفتار ستون بتن آرمه بررسی کنیم. موارد بررسی شده نشان می‌دهد که استفاده از FRP تأثیر به سزایی در مقاومت و همچنین شکل‌پذیری دارد.

حالت‌های شکست یک ستون بتن‌آرمه

به طور کل دو حالت برای شکست ستون بتن آرمه در حالت حد نهایی باربری در نظر گرفته شده است:

شکست فشاری ستون

در این حالت ستون با خرد شدن بتن شروع به شکست می‌کند و سپس با افزایش فشار، فولادهای مقطع نیز تسلیم  می‌شوند و در نهایت شکست کامل می‌گردد.

شکست کششی ستون

در این وضعیت نیز شکست مقطع ستون با تسلیم قسمتی از فولادهای مقطع در کشش در یک طرف مقطع آغاز شده و سرانجام با خرد شدن بتن در وجه دیگر ستون تکمیل می‌شود.

وقوع هریک از حالت شکست به نسبت لنگر خمشی به بار محوری وارد بر ستون بستگی دارد؛ به طوری که در یک ستون با فولادگذاری متفاوت و در یک محدوده‌ی وسیع تغییر خروج از مرکزیت از e=0  تا e=∞ ، شکست مقطع به طور تدریجی از شکست فشاری تا شکست کششی تغییر خواهد کرد. حالت‌های مختلف شکست ستون در ادامه بحث شده است.

الف) بارمحوری خالص

در این حالت فرض می‌گردد بار محوری بدون کوچک‌ترین خروج از مرکزیتی بر ستون اعمال ‌گردد. این امر سبب می‌شود که لنگر خمشی بسیار ناچیز شود و همه‌ی نقاط مقطع همزمان به  برسد. در این حالت فولادهای مقطع نیز به تنش تسلیم می‌رسند.

ب) لنگر خمشی خالص

این وضعیت درست بر خلاف وضعیت قبلی است. در این حالت مقدار خروج از مرکزیت بی‌نهایت در نظر گرفته می‌شود و عملاً کل مقطع به کشش در می‌آید. گسیختگی در این حالت کاملاً کششی است.

ج) حالت بالانس

در این حالت ترکیب بار محوری و لنگر خمشی به گونه‌ای است که قسمتی از مقطع تحت کشش قرار گرفته است و درست در همان لحظه‌ای که بتن در قسمت فشاری به کرنش نهایی 0.003 می‌رسد، فولادهای کششی نیز به کرنش تسلیم می‌رسند. این حالت یک حالت مرزی بین شکست فشاری و شکست کششی محسوب می‌شود.

شکل 1 : منحنی اندرکنش بار محوری و لنگر خمشی در ستون

اما در حالت‌های مابین موارد ذکر شده رفتار المان بستگی به خروج از مرکزیت بار محوری دارد. اگر در حالتی خروج از مرکزیت کمتر از e_b  بود ما با گسیختگی فشاری مواجهیم حال اگرچه مقدار خروج از مرکزیت از مقدار بالانس بیشتر باشد شکست کششی را شاهد خواهیم بود.

  اثرات FRP روی رفتار ستون بتن آرمه

سیستم کامپوزیتFRP می‌تواند به منظور افزایش مقاومت اعضای فشاری به وسیله محصورسازی استفاده شود. محصورسازی یک عضو بتنی به گونه‌ای صورت می‌گیرد که الیاف به صورت عرضی در راستای طولی ستون قرار گرفته‌ باشند. در این صورت الیاف عرضی به مانند خاموت‌های عرضی کار خواهند کرد. پوشش FRP محوریت غیر‌فعال برای عضو فشاری فراهم خواهد کرد به صورتی که لایه‌های FRP تا لحظه شروع ترک‌ها در عضو بدون تنش باقی می‌مانند. در حقیقت FRP در این وضعیت با محصور سازی جلوگیری از ترک بردن بتن کرده و شکل‌پذیری را تا حد زیادی بالا می‌برد. این افزایش شکل‌پذیری همچنین با افزایش مقاومت حد نهایی همراه است. با محصورسازی توسط FRP رفتار ستون به مانند منحنی C یا D خواهد شد.

شکل 2 : منحنی رفتاری المان در حالت محصور و غیر محصور

پسیکی و همکاران بر روی 8 نمونه از ستون، اثرات نوع و مقدار FRP در عملیات مقاوم سازی و همچنین شکل ستون را بر روی مقاومت محوری و منحنی های تنش کرنش بررسی کردند. در این آزمایش از 4 ستون دایره شکل و 4 ستون مستطیل شکل با نوع و مقدار FRP متفاوت استفاده گردید.

شکل 3 : نمونه‌های مورد آزمایش قرار گرفته در آزمایش مورد بررسی پسیکی

 در انتها نتایج زیر به دست آمد:

• ستون‌های دایره‌ای شکل رفتار بهتری نسبت به ستون مستطیل شکل در شکل‌پذیری دارند. این وضعیت برای هر دو حالت تقویت شده و تقویت نشده صدق می‌کند. پوشش FRP در مقاطع دایره به منظور محصور‌سازی عضو بتنی به صورت موثرتری عمل می‌کند. سیستم FRP وقتی به صورت عرضی نسبت به راستای طولی عضو قرار می‌گیرد یک فشار محصوریت پیرامونی یکنواخت در راستای شعاع عضو فراهم می‌نماید.
• رفتار ستون‌ها در حالت تقویت شده بستگی به مقدار FRP دارد این در حالت‌های C2 تا C4 در منحنی‌های زیر به خوبی دیده می‌شود.

شکل 4: منحنی تنش-کرنش نمونه های آزمایشی

• برای محدود کردن انبساط حجمی المان بتن آرمه باید ژاکت FRP از سختی کافی برخوردار باشد تا شکل‌پذیری مناسب به المان اعمال گردد و منحنی رفتاری به حالت محصور شده برسد.
• کرنش گسیختگی ژاکتی که در آزمایش به کار رفته بود کمتر از کرنش گسیختگی آن نمونه در تست کوپان کششی است.

اثرات FRP بر روی رفتار هیسترزیس

همانطور که در قسمت‌های قبل اشاره شد، FRP با محصور‌سازی مانع از گسترش رشد ترک در المان می‌گردد و همین امر باعث می‌شود که شکل‌پذیری المان افزایش یابد. علاوه بر این به دلیل جلوگیری از رشد ترک، المان رفتار بهتری در بارگذاری دینامیک پیدا می‌کند. پینچینگ یکی از عامل‌هایی است که به دلیل ترک در مدل رفتاری دینامیکی المان ایجاد می‌گردد. در این وضعیت  قسمتی از لنگر به جای افزایش انرژی در المان برای بستن ترک‌ها به کار می‌رود. در آزمایش‌های انجام شده توسط پانتلیدز و همکاران  بر روی دو نمونه اتصال تیر به ستون که در یک حالت بدون ژاکت FRP است و در حالت دوم با ژاکت FRP تقویت شده است.

برای آشنایی بیشتر با نقش FRP در مقاوم سازی سازه، مطالعه مقاله ” چگونه ساختمان خود را با FRP تقویت کنیم؟ ” ، پیشنهاد می‌گردد.

شکل 5 : محل قرارگیری FRP بر روی المان

هر دو نمونه تحت بارگذاری سیکلیک قرار داده شد و در نهایت افزایش شکل‌پذیری، مقاومت و همچنین جذب انرژی در نمونه‌ها مشاهده گردید.

شکل 6 : نمودار بار به تغییر مکان جانبی در حالت تقویت شده و غیر تقویت شده

از FRP فقط برای تقویت المان‌های ساختمانی استفاده نمی‌شود بلکه در بقیه سازه‌ها نیز کاربرد دارد. از دیگر انواع کاربردهای FRP، می‌توان به تقویت پایه پل‌ها در مقابل بار لرزه ای نام برد. شلیک و برنا ستون‌های پایه یک پل را در مقیاس کوچک شبیه‌سازی کرده بوند و بر روی آن بارگذاری سیکلیک اعمال کردند. نتایج بدست آمده به مانند آزمایش پانتلیدز بوده است.

نتیجه‌گیری

ژاکت‌های FRP با ایجاد محصورسازی توانستند شکل‌پذیری مناسبی در المان ایجاد کنند همچنین با افزایش شکل‌پذیری مقاومت المان نیز افزایش پیدا کرده است. علاوه بر موارد فوق، ژاکت‌های FRP با جلوگیری از رشد ترک در رفتار دینامیک منجر به بهبودی در جذب انرژی شده‌اند. این مزایا و مشخصات منحصر به فرد محصولات و کامپوزیت‌های FRP، سبب شده تا ژاکت‌های FRP جایگزینی مناسب برای راهکارهای سنتی مقاوم سازی سازه شود.

منابع

[1]  ACI 440-2R-2008, Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures

[2] Pantelides, Chris P., Chandra Clyde, and L. D. Reaveley. “Rehabilitation of R/C building joints with FRP composites.” 12th World Conference on Earthquake Engineering, Auckland, New Zealand. 2000.‏

[3] Schlick, Benjamin M., and Sergio F. Breña. “Seismic rehabilitation of reinforced concrete bridge columns in moderate earthquake regions using FRP composites.” Proc. of the 13th World Conference on Earthquake Engineering,(CD-Rom, paper n. 508), Vancouver, BC, Canada, August. 2004.‏

 

 

گردآورنده : محمد راسخی