بررسی رفتار غیر خطی دیوار آجری غیر مسلح تقویت شده با پوشش FRP

علت استفاده از FRP در دیوار

با نگاهی گذرا به حوادث غیر متقربه ایران در طی دو دهه اخیر ملاحظه می‌گردد،که زلزله همواره یکی از مخرب ترین حوادثی بوده است که توانسته خسارات مالی و جانی زیادی را به بار آورد.

 از بین ساختمان های موجود ساختمان های با مصالح بنایی غیر مسلح، خصوصاٌ آجری درصد زیادی از ساختمان های موجود را به خود اختصاص می‌دهند. که در اکثر آن ها ضوابط و معیار های لازم برای مقاومت در برابر زمین لرزه رعایت نشده است.

 از اینرو توجه به اینگونه ساختمان ها و برنامه ریزی در جهت ارزیابی مقاومت لرزه ای و در صورت لزوم، ارائه روش بهسازی وتفویت آن ها حائز اهمیت است.

عنصر اصلی باربر ثقلی و جانبی در اینگونه ساختمان ها دیوار های برشی آجری می‌باشد که بار سقف از طریق این دیوار ها به پی منتقل می‌شود. نقطه ضعف اصلی در اینگونه ساختمان ها نبودن اتصال مناسب بین اجزای تشکیل دهنده مثل اتصال واحد های بنایی به یکدیگر، اتصال دیوار ها، اتصال دیوار و سقف است.

ساختمان های مصالح بنایی در برابر بار های قائم از مقاومت نسبتا خوبی برخوردار هستند، ولی مشکل اصلی کمبود شکل پذیری مناسب آن ها به هنگام وقوع زلزله است.

ساختمان های مصالح بنایی غیر مسلح طیف گسترده ای از ساختمان های موجود در کشور را تشکیل می‌دهد.

بررسی آمار مرگ و میر و انهدام در ساختمان ها موید این مطلب است،که ساختمان های بنایی بیشترین صدمات ناشی از زلزله را به خود دیده است. همچنین این ساختمان ها رفتار لرزه ای مناسبی را از خود نشان ندادند، که علت اصلی آن را می‌توان کمبود شکل پذیری مناسب آن ها جستجو کرد.

تن ها عناصر سازه ای این گونه ساختمان ها دیوار های برشی آجری می‌باشدکه نقش باربری ثقلی و جانبی را بر عهده دارند، به همین دلیل تکنیک های ترمیم وتقویت دیوار ها و همچنین آزمایش نمونه های واقعی ومدل های مقیاس شده توجه محققین را به خود معطوف کرده است.

در این مقاله نتایج آنالیز غیر خطی المان محدود نرم افزار ANSYS با نتایج آزمایش انجام گرفته بر روی دیوار بنایی غیر مسلح مقایسه شده وصحت مدلسازی مورد ارزیابی قرار گرفته است. رفتار داخل صفحه دیوار های بنایی غیر مسلح تقویت شده با FRP در چند آرایش مختلف دو طرفه با ضخامت های تقویت متفاوت توسط الیاف CFRP تحت اثر توام بار های قائم و برش درون صفحه بصورت بار افزون Pushover مورد بررسی و تحقیق قرارگرفت.

نتایج نشان دهنده کارایی موثر کامپوزیت های FRP دو طرفه در افزایش ظرفیت باربری جانبی، افزایش بار ترک خوردگی، افزایش شکل پذیری و بهبود رفتار داخل صفحه دیوار بنایی غیر مسلح می‌باشد.

روش های متداول زیادی برای مقاوم سازی ساختمان های بنایی غیر مسلح URM که از نظر لرزه ای آسیب پذیر می‌باشند، وجود دارد از جمله این روش ها به شاتکریت، تزریق ملات، ایجاد کلاف فولادی، پس تنیدگی و.. اشاره کرد.

هر کدام از این روش ها دارای معایب و مزایایی هستند. برخی از معایب این روش ها عبارتند از: طولانی شدن زمان اجرا، کاهش فضای موجود، مزاحمت برای ساکنین، تاثیر بر زیبایی ساختمان موجود و…علاوه بر این جرم افزوده شده سازه می‌تواند باعث افزایش نیروی زلزله شود که آن نیز منجر به مقاوم سازی فونداسیون می‌شود.

یکی از روش های جدید بهسازی سازه های بنایی که اخیرا متداول شده است، استفاده از الیاف تقویت شده پلیمری FRP می‌باشد.

در این تحقیق به روش های مدلسازی و بررسی رفتار داخل صفحه یک دیوار بنایی غیر مسلح تقویت شده با الیاف پلیمری تحت اثر توام بار های قائم و برش درون صفحه بصورت بار افزون Pushover به کمک نرم افزار المان محدود ANSYS مورد بررسی قرار گرفته است.

مکانیزم گسیختگی دیوار های منفرد تحت زلزله

نحوه و انواع آسیب در دیوار های با مصالح بنایی در شکل -1 الف نشان داده شده است. زلزله در صفحه عمود ید بر وار اعمال شده است یروین، ی که به جرم دیوار اثر می‌کند باعث واژگون شدن آن می‌شود. مقاومت در برابر زلزله در دیوار، بوسیله وزن و مقاومت کششی تأمین می‌شود، که مسلماً بسیار کوچک می‌باشد ید. وار بعلت حرکت زمین واژگون خواهد شد.

دیوار در شکل ب -1 روی زمین ثابت شده، تحت نیروی ناشی از زلزله که در راستای صفحه دیوار وارد می‌شود، به علت نسبت طول به ارتفاع کم مقاومت بیشتری از خود نشان داده و دچار لغزش در راستای خود می‌شود چنی ین د واری به صورت دیوار برشی عمل خواهد نمود.

انواع خسارت وارد بر دیوار برشی غیر مسلح به نسبت طول به ارتفاع آن بستگی دارد. یدر ک دیوار با نسبت طول به ارتفاع متوس ط که محصور شده باشد، اساساً یک ترک قطری ناشی از تلاش های برشی ایجاد می‌شود. شکل ج-1

 های برشی ایجاد می‌شود شکل -1. ج در دیوار با نسبت طول به ارتفاع زیاد در هر دو طرف دیوار و ترک های قطری ناشی از کشش و ترک افقی در وسط دیوار، همانطور که در شکل د -1 نشان داده شده بوجود می‌آید.

آزمایش برش درون صفحه دیوار آجری

جهت بررسی صحت مدلسازی نیاز است که یک نمونه دیوار تحت آزمایش عملی قرار گرفته و همان دیوار به عنوان یک مثال توسط روش ارایه شده مدلسازی شده و صحت روش تحلیل و مدلسازی با مقایسه نتایج حاصل از مدلسازی آزمایش، مورد بررسی قرار گیرد. از این رو نمونه آزمایشگاهی تست. شده با مقیاس به،در دانشگاه شیراز مورد بررسی قرار گرفته است.

یک نمونه دیوار آجری با طول 160 سانتی متر، ارتفاع 140 سانتی متر و ضخامت یک آجر تهیه شده است. آجر ها بصورت اشباع با سطح خشک برای ساخت مورد استفاده قرار گرفته، بعد از ساخت نیز نمونه تا 28 روز تحت مراقبت کامل رطوبتی قرار گرفته است. در ضمن ساخت ملات نیز از ماسه ریزدانه با دانه بندی قرار گرفته در محدوده استاندارد ASTM استفاده شده است. از ا ن رو چسبندگی سطوح آجر وملات زیاد بوده و ملات نیز از مقاومت کافی برخوردار است.

اجزا اصلی عبارتند از:

• قاب عکس العمل
• کف مقاوم
• جک های هیدرولیکی افقی و قائم 30 تنی

بارگذاری نیز از طریق جک هیدرولیکی افقی و قائم انجام شده است. در حقیقت جک افقی نیروی جانبی درون صفحه را به نمونه اعمال می‌کند و جک قائم که بطور همزمان کار می‌کند، دیوار را به رفتار برشی وا می‌دارد.

آزمایش بصورت استاتیکی بار افزون با گام های بارگذاری حدود 3 کیلو نیوتن انجام گرفته است. همچنین در هر مرحله از بارگذاری تغییر شکل های نمونه با استفاده از 4 جابجایی سنج، نصب شده بر روی دیوار ثبت شده است. بارگذاری تا شکست کامل نمونه ادامه یافته ودر نهایت منحنی های ن،روی جابجایی نمونه استخراج شد.

آزمایش بر روی نمونه تا شکست کامل ن هایی نمونه ادامه پیدا می‌کند. در شکل،4 نحوه ایجاد شکست برشی که بصورت ترک قطری در نمونه است نشان داده شده است. ملاحظه می‌شود در این حالت ترک قطری به طور کامل از آجر و ملات عبور کرده و هیچگونه لغزشی بین سطح آجر و ملات دیده نشده است.بدین ترتیب نتایج این آزمایش جهت کالیبره کردن وصحت کار مدل سازی در این تحقیق استفاده می‌شود.

همچنین منحنی نیرو – جابجایی مربوط به جابجایی سنج های مختلف استخراج شده اند که منحنی های مربوط به دو جابجایی سنج قطری و جانبی در شکل،5 نشان داده شده است.

ارامتر های مقاومتی و رفتاری مصالح مورد استفاده درآزمایش، که از آزمایش های انجام شده برای مصالح طبق استاندارد ASTMبدست آمده اند در جدول 1 ارائه شده است.

تحلیل عددی به روش المان محدود

مدلسازی عددی دیوار آجری به طورکلی به دو دسته مدلسازی میکرو Modeling Micro و مدلسازی ماکروModeling Macro تقسیم می‌شود. دیوار آجری یک ماده مرکب از 3 جزء اصلی می‌باشد، آجر، ملات و سطح تماس آجر و ملات.

در مدلسازی میکرو هر کدام از اجزاء دیوار آجری به طور جداگانه مدلسازی می‌شوند شکل 6 هر چند که مدلسازی در این روش از دقت قابل توجهی برخوردار است، اما از نظر محاسباتی و شیوه مدلسازی بسیار پیچیده است و برای مدلسازی در ابعاد بزرگ کاربردی ندارد.

در مدلسازی ماکرو، دیوار آجری به صورت یک ماده هموژن و یکدست، با خواص مکانیکی معادل فرض می‌شود شکل7 مدلسازی در این روش ساده بوده و حجم محاسبات نیز بسیار کمتر از مدلسازی میکرو می‌باشد.

جهت مدلسازی در این تحقیق از مدلسازی ماکرو استفاده شده است. Modeling Macro که این مدل در سال 1997 م یلادی توسط Lourenco و همکارانش در دانشگاه Minho ارائه شده است. همچنین تعدادی دیگر به مدل سازی ماکرو ساختمان های آجری در ابعاد بزرگ در نرم افزار ANSYS و ABAQUS پرداخته اند. فعالیت های Kappos و همکاران، Giordano و همکاران در سال 2002، از این جمله اند، در این روش آجر ها، ملات و سطح مشترک ملات وآجر به صورت یک ماده همگن معادل فرض می‌شود.

جهت مدلسازی دیوار بنایی غیر مسلح از المان سه بعدی ایزوپارامتریک 65 Solid استفاده شده است. المانSolid65 یک المان شش وجهی هشت گره ایی با سه درجه آزادی انتقالی در هر گره است.

مصالح دارای قابلیت ترک در تنش های کششی و شکست در تنش های فشاری در سه جهت متعامد و نیز تغییر شکل های پلاستیک و خزش می‌باشد. امکان مسلح نمودن در هر سه امتداد با فولاد یا سایر مواد توسط کاربر امکان پذیر است شکل 8 دیوار یک ماده ایزوتروپیک با مصالح معادل که دارای خواص الاستیک کلی پانل بنایی می‌باشد مدل می‌شود.

برای پارامتر های پلاستیک از معیار Concrete استفاده می‌شود. ماده بتن در نرم افزار ANSYS که توانایی مدل سازی رفتار مواد ترد را دارا می‌باشد، استفاده شده است. عملکرد این نوع ماده در نرم افزار ANSYS بر اساس معیار زوال warnke@Willam می‌باشد.

به این ترتیب که اگر تنش کششی از مقاومت کششی ماده فراتر رود ماده ترک خورده و اگر ترکیب تنش های موجود از مقاومت فشاری ماده فراتر رود خرد شدگی در ماده در سه جهت متعامد و نیز تغییر شکل های پلاستیک و خزش رخ می‌دهد. رفتار غیر خطی شامل ترک و شکست وکاهش سختی در اثر ایجاد ترک، خزش و پلاستیسیته می‌باشد.

برای مدلسازی پوسته های FRP از المان غیر خطی سازه ای لایه ای SHELL181 پوسته با کرنش محدود، که المان پوسته ای سه بعدی چ هار گره ای است که دارای 6 درجه آزادی در هر گره می‌باشد. این المان قابلیت اعمال تمامی‌خواص غیر خطی به علاوه کرنش های کراندار را دارا می‌باشد. مدلسازی تا 255 لایه در این المان مجازاست شکل 10 اطلاعات مربوط به لایه ها توسط سطح مقطع پوسته ای به جای مقادیر ثابت وارد می‌شود.

همچنین معیار شکست وگسیختگی wu-Tsai را برای کامپوزیت FRP در نظر گرفته شد بنابر این از بین المان های موجود برای مدلسازی کامپوزیت ها، تن ها المان SHELL181 که دارای چ هار گره در صفحه بوده و توانایی تبادل صحیح نیرو بین دیوار وFRP دارد، استفاده شده است. با توجه به اینکه نیروی لازم برای جداشدگی بین دیوار وFRP مقدار بزرگی می‌باشد، چسبندگی بین دیوار و پوسته های FRP را بصورت ایده آل، چسبندگی کامل فرض می‌شود.

با توجه به شکل،11 اندازه سایز المان 5 سانتی متر و تعداد مجموع المان ها 2080 المان و تعداد گره ها در مجموع 4092 گره می‌باشد. جهت بارگذاری ثقلی ناشی از وزن سقف فشاری معادل 0.7 مگا پاسکال نیروی معادل این فشار را در مدت زمان بسیار کوتاهی 0.1 ثانیه بر روی 132 گره بالای دیوار قرار داده شد و پس از حل شدن توسط نرم افزار نیروی جانبی را بر روی همان 132 گره بالای دیوار بصورت تدریجی و مرحله ایی افزایش می‌دهیم تا مساله واگرا شود. قسمت پائین دیوار هم گیرداری لازم را ایجاد کرده که با شرایط کف صلب آزمایشگاه تطابق کامل دارد.

همانطور که نتایج جدول2 و شکل 12 نشان می‌دهد، منحنی کار عددی سخت تر از منحنی آزمایشگاهی شده است و از لحاظ ظرفیت باربری دارای 0.72درصد خطا و 99.28دقت و از لحاظ تغییر مکان ن هایی دارای5.9 درصد خطا و 94.1 درصد هم دقت برخوردار است، که درکل مدل عددی وآزمایشگاهی از دقت قابل قبولی برخوردار است و می‌توان گفت که نمونه از لحاظ عددی کالیبره شده است.

مشخصات مصالح کامپوزیتی

خصوصیات مصالح کامپوزیتی CFRP بکار رفته در مدلسازی نمونه بنایی تقویت شده با FRP مورد مطالعه در این بررسی در جدول 3 آورده شده است.

الگو های تقویت دیوار بنایی

بر اساس توصیف مود های شکست دیوار بنایی غیر مسلح الگو های مختلف FRP که می‌توان برای مقابله با این گسیختگی ها ارائه نمود در شکل 13 آمده است.لازم به ذکر است که تقویت با ضخامت 2 میلی متر، زاویه الیاف کربن صفر و نود، به صورت دوطرفه صورت گرفته است و عرض نوار های FRP در الگو های تقویت نوار های قائم، نوار های افقی، نوار های دور تا دور و نوار های قطری، 20 سانتیمتر در نظر گرفته شده است. نمودار های بار تغییر مکان ونتایج مقایسه بین روش های مختلف تقویت دو طرفه دبوار بنایی غیر مسلح در شکل 14 و جدول 4 آورده شده است.

همانطور که از شکل 14 و جدول،4 مشخص است بکارگیری CFRP باعث بهبود و افزایش شکل پذیری و ظرفیت باربری جانبی می‌شود. بکارگیری پوشش نوار های افقی دو طرفه CFRP به ضخامت 2 میلی متر و به عرض 20 سانتی متر، رفتار دیوارتقویت شده با استفاده از این روش بار هایی جانبی را به میزان 4/31 درصد افزایش می‌دهد، همچنین تغییر مکان دیوار را نیز تاحدی افزایش می‌دهد در واقع باعث افزایش شکل پذیری به میزان 9/9 درصد می‌شود پوشش نوار های قائم دو طرفه CFRP به ضخامت 2 میلی متر و به عرض نوار های 20 سانتی متری سبب افزایش بار هایی جانبی به میزان 35.97 درصد می‌شود، همچنین باعث افزایش شکل پذیری به میزان 16.9 درصد می‌شود.

بکارگیری پوشش نوار های قائم و افقی دور تا دور دو طرفه CFRP به ضخامت 2 میلی متر و به عرض 20 سانتی متر بار ن هایی جانبی را به میزان 51.79 درصد افزایش می‌دهد، همچنین باعث افزایش شکل پذیری به میزان 42.4 در صد می‌شود. پوشش نوار های قطری دو طرفه CFRP به ضخامت 2 میلی متر و به عرض 20 سانتی متر، بار هایی جانبی را به میزان 13.6 درصد افزایش می‌دهد، ضمن آتکه باعث افزایش شکل پذیری به میزان 4.99 درصد می‌شود. بکارگیری پوشش کامل دو طرفه CFRP به ضخامت 2 میلی متر رفتار دیوار تقویت شده با استفاده از CFRP بار هایی را به میزان 63.8 درصد افزایش می‌دهد.

همچنین باعث افزایش شکل پذیری به میزان 25.5 درصد می‌شود. در واقع در همه حالت های تقویت، دیوار بنایی سخت تر شده و شکل پذیری نیز بیشتر شده است. اما بهترین حالت تقویت پوشش کامل CFRP می‌باشد، که باعث افزایش 63.8 درصد ظرفیت باربری جانبی می‌شود و بدترین عملکرد را نوار های افقی به میزان 4.31 درصد افزایش ظرفیت باربری جانبی را دارا هستند، اما از آنجا که نوار های دور تا دور که تشکیل Frame می‌دهد دارای عملکردی تقریباٌ مشابه پوشش کامل CFRP دو طرفه می‌باشد، از لحاظ اقتصادی مصالح کمتری مصرف می‌شود لذا در بین روش های تقویت، بهینه ترین روش می‌باشد.

7.نتیجه گیری

1. منحنی کار عددی سخت تر از منحنی آزمایشگاهی شده است و از لحاظ ظرفیت باربری دارای 0.72 درصد خطای ناشی از کالیبراسیون مدل اجزای محدود به کمک نرم افزار ANSYS در مقابل نتایج تجربی بدست آمده از آزمایش دکتر ماهری در دانشگاه شیراز و 99.28 درصددقت واز لحاظ تغییر مکان ن هایی دارای 5.9 درصد خطا و 94.1 درصد هم دقت برخوردار است که درکل مدل عددی وآزمایشگاهی از دقت قابل قبولی برخوردار است. مقایسه دو منحنی تحلیلی و تجربی حاکی از آن است که بار ن هایی مدل آزمایشگاهی برابر 140 کیلو نیوتن است. در حالیکه بار ن هایی در مدل تحلیلی برابر 139 کیلو نیوتن می‌باشد، همچنین تغییر مکان ن هایی در مدل آزمایشگاهی برابر 1 میلی متر بدست آمده در حالیکه این مقدار در مدل تحلیلی برابر 0.941 میلی متر می‌باشد و نشان می‌دهد مدل تحلیلی نسبت به مدل آزمایشگاهی سخت تر است
2. با استفاده از الیاف با کرنش گسیختگی بالا شکل پذیری و اتلاف انرژی دیوار افزایش می‌یابد و می‌توانند تمام مد های گسیختگی دیوار های بنایی را به تاخیر بیندازند
3. از میان الگو های معرفی شده سیستم نوار های دور تا دور که ایجاد Frame برای دیوار بنایی غیر مسلح می‌کند، دارای بهینه ترین عملکرد را دارا می‌باشد، زیرا از یک طرف در برابر هر سه مکانیزم گسیختگی مقاومت می‌کنند و از لحاظ اقتصادی مصالح کمتری مصرف می‌کنند
4. پوشش تقویت قطری و نوار های افقی CFRP دارای عملکرد ضعیف تری نسبت به سایر روش های ثقویت را دارا بودند