Amir R. Haddadi 9164 اشتراک گذاری ارسال شده در 10 فروردین، ۱۳۸۹ ١-مقدمه يكي از روشهاي جديد ترميم و تقويت سازهها، استفاده از مواد كامپوزيتي به صورت پليمرهاي مسلحشده با الياف كه در يك رزين پليمري قرار دادهشدهاند، ميباشد. رزين به منظورنگهداري و حفاظت از الياف و انتقال تنش برشي مورد استفاده قرارميگيرد. برخي از مزاياي اين مواد نسبت به ساير مصالح مورد استفاده در تعمير و تقويت سازههاي بتنمسلح كه سبب گرديده است اين مصالح از توجه خاصي برخوردار باشند، عبارتنداز: نسبت بالاي مقاومت و سختي به وزن، مقاومت در برابر خوردگي، نارسانا بودن، مقاومت در برابر حملات شيميايي، راحتي نصب و هزينة پايين مراقبت و نگهداري. ٢- انواع شكست خمشي برپاية مطالعات انجام گرفته توسط محققان مختلف، انواع شكست خمشي نمونههاي تقويتشده عبارتنداز: ١) تسليم فولادهاي طولي به همراه گسيختگي پليمرهاي اليافي؛ ٢) خردشدن بتن در فشار قبل از گسيختگي پليمرهاي اليافي؛ ٣) جداشدن انتهاي پليمرهاي اليافي از سطح بتن به همراه پوشش بتن روي ميلگردهاي طولي؛ ٤) جداشدن انتهاي پليمرهاي اليافي از سطح بتن به همراه قسمتي از پوشش بتن؛ ٥) جداشدن پليمرهاي اليافي از سطح بتن به همراه قسمتي از پوشش بتن به علت ترك خمشي؛ ٦) جداشدن پليمرهاي اليافي از سطح بتن به همراه قسمتي از پوشش بتن به علت ترك خمشي-برشي. جداشدن انتهاي پليمرهاي اليافي از سطح بتن(حالتهاي ٣و٤) به علت ايجاد تمركز تنشهاي برشي و قائم در انتهاي ورقهاي پليمري اليافي ميباشد. مقدار تنش برشي ماكزيمم در انتهاي صفحة پليمري اليافيبا افزايش ضخامت ورقهاي پليمري اليافي و مدولالاستيسيتة چسب، افزايش و با افزايش ضخامت لاية چسب كاهش مييابد. همچنين، مقدار تنش كششي قائم ماكزيمم، با افزايش ضخامت لاية چسب كاهش مييابد. اين حالت شكست به صورت آزمايشگاهي، تحليلي و مدلهاي اجزاي محدود در مراجع ]٥-١[ بررسي شدهاست. حالت ديگر از شكستهاي خمشي نامبرده شده، جداشدن پليمرهاي اليافي از سطح بتن به همراه قسمتي از پوشش بتن به علت ترك خمشي-برشي يا ترك خمشي ميباشد. اين نوع شكست بستگي به رفتار تنش پيوستگي-لغزش بين ورقهاي پليمري اليافي و بتن دارد و در اعضاي لاغر و اعضايي كه با لاية نازكي از ورقهاي پليمري اليافي تقويتشدهاند، محتملتر است. همچنين، خوردگي فولادهاي طولي و كاهش ناگهاني در سطح مقطع فولادهاي طولي در محل لنگرهاي خمشي و نيروهاي برشي بزرگ، احتمال اين نوع شكست را افزايش ميدهد]٧و٦[. ٣- كار آزمايشگاهي ٣-١- مصالح طراحي اوليه نمونهها براساس مقاومت فشاري استوانهاي بتن ٢٥ مگاپاسكال انجام گرفت. طرح اختلاط بتن مورد استفاده در جدول ١ آورده شده است. همچنين در هنگام ساخت نمونهها، آرماتورهاي مورد استفاده تحت آزمايش كشش قرارگرفتند كه مقاومت تسليم آنها بين٣٦٥ تا ٤٠٦ مگاپاسكال قرارداشت. جدول١:طرح اختلاط بتن آب سيمان ماسه شن* ١٦٤(kg/m3) ٣٥٠(kg/m3) ١١٠٠(kg/m3) ٧٨٠(kg/m3) * اندازة حداكثر دانهها ١٤ميليمتر ميباشد جدول٢: مشخصات مكانيكي الياف كربنيC-Sheet240 ضخامت هر لايه(mm) كرنشنهايي(%) مقاومت كششي(MPa) مدولالاستيسيته(GPa) ١٧٦/٠ ٥٥/١ ٣٨٠٠ ٢٤٠ براي تقويت نمونهها از ورقهاي پليمري اليافي يك جهتي كربني استفاده شد كه مشخصات مكانيكي آنها در جدول ٢ آورده شدهاست. قبل از اعمال ورقهاي پليمري اليافي، به منظور برداشتن روغن و شيرة بتن از سطح نمونهها، سطح نمونه ها با استفاده از دستگاه فرز سائيدهشد. چسب مورد استفاده از دو قسمت رزين و سختكننده به نسبت وزني ٢ به ١ ساختهشد. چسب با استفاده از قلممو بر روي سطوح اعمال گرديد و سپس ورقهاي پليمري اليافي به صورت خشك بر روي نمونهها قرار دادهشدند و براي خارجنمودن هواي محبوس از لولة غلطكي استفادهشد و سپس يك لايه چسب بر روي پليمرهاي اليافي اعمال گرديد. در صورت اعمال چند لايه، فرآيند فوق تكرار شد. حداقل زمان لازم براي عملآوري چسب قبل از بارگذاري يك هفته در نظر گرفتهشد. ٣-٢- نمونههاي آزمايشگاهي دوازده نمونه به عرض مقطع ١٥٠، ارتفاع ٢٠٠ و طول ٢٠٠٠ ميليمتر، جهت بررسي تقويتخمشي با درصدهاي مختلف فولاد كششي (مقطع با فولادكم، متوسط و زياد) ساختهشد. در تمامي نمونهها از دو ميلگرد به قطر ١٠ ميليمتر جهت تسليح فشاري، ميلگردهاي به قطر ١٢، ١٦ و٢٠ ميليمتر جهت تسليح كششي و ميلگرد ساده به قطر ٨ ميليمتر جهت تسليح عرضي استفاده شد. ابعاد هندسي و آرايش ميلگردهاي طولي و عرضي هر يك از نمونهها در شكل١ آورده شده است. همچنين، جزئيات نمونههاي آزمايشگاهي در جدول ٣ ارائه شده است. شكل١: ابعاد هندسي تيرها، آرايش ميلگردهاي طولي و عرضي نمونهها و بارهاي اعمالي(ابعاد برحسب ميليمتر ميباشند) نه نمونه با ورقهاي پليمري اليافي كربني، با عرض و تعداد لايههاي مختلف تقويتشدند و سه نمونة ديگر به عنوان نمونة كنترلي تقويتنشده مورد آزمايش قرارگرفتند.نمونهها به صورت كلي Ba-bD-cLd نامگذاري شدهاند كه a، b، c و d به ترتيب شمارة نمونه، قطرآرماتورهاي كششي، تعداد لايهها و عرض ورقهاي پليمرياليافي ميباشد. نمونههاي ٢B، ٣B و٤B به منظور بررسي تمركز تنشهاي برشي و قائم در انتهاي ورقهاي پليمري اليافي به ترتيب با يك لايه، دولايه و سه لايه تقويتشدند. در اين نمونهها فاصلة انتهاي ورقهاي پليمري اليافي از تكيهگاه ١٠٠ ميليمتر درنظرگرفتهشد. با توجه به تحقيقهاي انجام شده توسط محققان مختلف، استفاده از تسمههاي پليمرياليافي و بستهاي فولادي كه به دور مقطع تير درانتهاي جدول٣: جزئيات نمونههاي آزمايشگاهي فاصلة انتهاي پليمرهاي اليافي از تكيهگاه(mm) تعداد لايههاي پليمرهاي اليافي عرض هر لايه از پليمرهاي اليافي(mm) d’ mm d mm سطح مقطع آرماتورهاي طولي(2mm) مقاومت فشاري استوانهاي بتن (MPa) نمونهها فشاري كششي ٠ ١٠٠ ١٠٠ ١٠٠ ٠ ١ ٢ ٣ ٠ ١٥٠ ١٥٠ ١٥٠ ٢٥ ٢٥ ٢٥ ٢٥ ١٦٦ ١٦٦ ١٦٦ ١٦٦ ١٥٧ ١٥٧ ١٥٧ ١٥٧ ٢٢٦ ٢٢٦ ٢٢٦ ٢٢٦ ٢/٢٥ ٢/٢٥ ٢/٢٥ ٢/٢٥ B١-١٢D-٠L B٢-١٢D-١L١٥ B٣-١٢D-٢L١٥ B٤-١٢D-٣L١٥ ٠ ٠ ٠ ٠ ٠ ١ ١ ٢ ٠ ١٠٠ ١٥٠ ١٥٠ ٢٥ ٢٥ ٢٥ ٢٥ ١٦٤ ١٦٤ ١٦٤ ١٦٤ ١٥٧ ١٥٧ ١٥٧ ١٥٧ ٤٠٢ ٤٠٢ ٤٠٢ ٤٠٢ ٨/٢٣ ٨/٢٣ ٨/٢٣ ٨/٢٣ B٥-١٦D-٠L B٦-١٦D-١L١٠ B٧-١٦D-١L١٥ B٨-١٦D-٢L١٥ ٠ ٠ ٠ ٠ ٠ ١ ١ ٢ ٠ ١٠٠ ١٥٠ ١٥٠ ٢٥ ٢٥ ٢٥ ٢٥ ١٦٢ ١٦٢ ١٦٢ ١٦٢ ١٥٧ ١٥٧ ١٥٧ ١٥٧ ٦٢٨ ٦٢٨ ٦٢٨ ٦٢٨ ١/٢٤ ١/٢٤ ١/٢٤ ١/٢٤ B٩-٢٠D-٠L B١٠-٢٠D-١L١٠ B١١-٢٠D-١L١٥ B١٢-٢٠D-٢L١٥ ورقهاي پليمري اليافي چسبانده ميشوند، سبب جلوگيري از جداشدن انتهاي ورقهاي پليمري اليافي از سطح تير خواهد شد. در صورت پيشتنيده نمودن اين وسايل مهاري، تنشهاي قائم فشاري بهوجودميآيد كه تمركز تنش كششي قائم بهوجودآمده را خنثي مينمايد]١٠و٩و٨[. در اين تحقيق به منظور جلوگيري از جداشدن انتهاي ورقهاي پليمري اليافي از سطح تير درنمونههاي تقويتشده٦B، ٧B، ٨B، ١٠B، ١١B و ١٢B، ورقهاي پليمري اليافي از روي تكيهگاه عبور داده شدند تا زمينه براي بررسي حالتهاي ديگر شكست (حالتهاي ١، ٥ و ٦) فراهم آيد. در صورتيكه اتصال ورقهاي پليمري اليافي با سطح بتن از مقاومت پيوستگي كافي برخوردار باشد، ورقهاي پليمرياليافي گسيخته خواهند شد؛ در غير اينصورت حالتهاي ٥ و ٦ شكست اتفاق خواهد افتاد. ٤- روش آزمايش نمونهها پس ازگذشت زمان عملآوري به صورت خمش چهار نقطهاي بارگذاري شدند. بارگذاري به صورت بار استاتيكي و يكنواخت انجام گرفت. تغييرمكان وسط نمونهها با استفاده از يك تغييرشكلسنج الكتريكي (LVDT) اندازهگيري شد. اطلاعات مربوط به بارها و تغييرمكانها توسط يك دستگاه ثبت اطلاعات (Data Logger) ثبت شدند. محل بارهاي اعمالي در شكل ١ مشخص شده است. ٥- نتايج آزمايشها ٥-١- نمودارهاي بار- تغييرمكان نمودارهاي تغييرمكان نمونهها برحسب بارهاي اعمال شده در شكلهاي ٢، ٣و٤ ارائه شدهاست. همچنين، بارها و تغييرمكانهاي متناظر با تسليم فولاد طولي و ظرفيت نهايي هريك از نمونهها در جدول ٤ آورده شدهاست. بارها و تغييرمكانهاي متناظر با تسليم فولاد طولي از تغيير در شيب نمودارهاي بار- تغييرمكان تخمين زده شدهاست. شكلهاي٢ الی٤ نشان ميدهندكه در مراحل اوليه بارگذاري (قبل از تركخوردگي خمشي بتن)، نمودارهاي بار- تغييرمكانهاي نمونهها تقريباً بر هم منطبق هستند. به تدريج با افزايش بار، نمونههاي تقويتشده سختي بيشتري از خود نشانميدهند. با توجه به جدول ٤، بار متناظر با حد تسليم فولادهاي طولي براي نمونههاي تقويتشده٢B تا٤B بين٣٣ تا ٤٤ درصد، براي نمونههاي تقويتشده٦B تا٨Bبين ٨ تا ١٨ درصد وبراي نمونههاي تقويتشده١٠B تا١٢B بين ٦/١ تا ١٥ درصد افزايش يافت. بعد از تسليم فولادهاي طولي، نمونههاي تقويتشده مقاومت و سختي بيشتري نسبت به نمونههاي كنترلي از خود نشان دادند. با توجه به شكل٥، در نمونههاي ٣B و ٤B به دليل ايجاد تمركز تنش برشي و قائم در انتهاي پليمرهاي اليافي، ابتدا ترك موربي در پوشش بتن اتفاق افتاد كه با افزايش بار، ترك ايجاد شده در امتداد آرماتورهاي كششي گسترش پيدا نمود و سبب ايجاد شكست ناگهاني در اين دو نمونه گرديد. شكل٢:روابط بار- تغييرمكان نمونههاي ١B،٢ B،٣B و ٤B شكل٣:روابط بار- تغييرمكان نمونههاي٥ B، ٦ B، ٧B و٨B شكل٤:روابط بار- تغييرمكان نمونههاي ٩B، ١٠ B، ١١ Bو ١٢B درنمونه ١١B به دليل ايجاد تركهاي برشي–خمشي در ناحية برش ثابت، ورق پليمري اليافي از سطح تير جدا گرديد. شكست پيوستگي بوجود آمده از نزديكي محل اعمال بارها آغاز گرديد و به سمت دوتكيهگاه گسترش پيدانمود. با توجه به شكل ٦، درنمونة١٢ B نيز ورق پليمري اليافي از سطح تير جدا گرديد؛ اما شكست پيوستگي بوجود آمده از نزديكي تكيهگاههاآغاز گرديد و به سمت ناحية با لنگر ثابت گسترش پيدانمود و با رسيدن به اين ناحيه متوقف گرديد و بدون اينكه باربري تير افزايش يابد بتن ناحية فشاري خرد شد. در جدول ٤ حالتهاي مختلف شكست نمونهها ارائه شده است. جدول٤: نتايج آزمايشها و مقايسه آنها با روابط آيين نامه ها حالت شكست شاخص شكلپذيري خيز نهايي (mm) خيز متناظربا تسليم فولاد طولي(mm) بارنهايي (Ptest) (kN) بارتسليم تخمينی (kN) نمونهها - ٩٢/٠ ٨٨/٠ ٨٥/٠ - ٨٦/٠ ٨٢/٠ ٧٧/٠ - ١ ٣ ٣ ٨/٣ ٥/١ ٥/١ ٧/١ ٣/٢٣ ٢/١٠ ١/٩ ٥/١١ ٠٣٤/٦ ٤٩٨/٦ ٠٨٤/٦ ٧٩٨/٦ ٤/٤٩ ٤/٦١ ٩/٧٠ ٤/٧٤ ٤/٣٨ ٤/٥١ ٤/٥٥ ٤/٥٥ B١-١٢D-٠L B٢-١٢D-١L١٥ B٣-١٢D-٢L١٥ B٤-١٢D-٣L١٥ - ١٨/١ ٢٥/١ ٢٥/١ - ٠٦/١ ١٠/١ ١١/١ - ١ ١ ١ ٩/١ ٥/١ ٦/١ ٥/١ ٥/١٥ ٠/١٢ ٠١/١١ ٩/١١ ٠٧٢/٨ ٧١٢/٧ ٨٢٨/٦ ٧٨٢/٧ ٩/٧٥ ٩/٨٤ ٩/٩٤ ٩/١٠٥ ٩/٦٠ ٩/٦٥ ٤/٧٠ ٩/٧١ B٥-١٦D-٠L B٦-١٦D-١L١٠ B٧-١٦D-١L١٥ B٨-١٦D-٢L١٥ - ٢٢/١ ٢٢/١ ٢٢/١ - ١٤/١ ١٦/١ ١٩/١ - ١ ٦ ٦ ٢/١ ٣/١ ٣/١ ٣/١ ٢/١٦ ٥/١٦ ١/١٩ ٣/١٩ ٢/١٣ ٤/١٢ ٨/١٣ ٦/١٤ ٤/٩٦ ٣/١٠٦ ٩/١٠٨ ٤/١١٣ ٩/٩٤ ٤/٩٦ ٩/٩٩ ٤/١٠٩ B٩-٢٠D-٠L B١٠-٢٠D-١L١٠ B١١-٢٠D-١L١٥ B١٢-٢٠D-٢L١٥ حالت١: تسليم فولادهاي طولي و گسيختگي پليمرهاي اليافي به همراه خردشدن بتن ناحية فشاري؛ حالت٣: جداشدن انتهاي پليمرهاي اليافي از سطح بتن به همراه پوشش بتن روي ميلگردهاي طولي؛ حالت٦: جداشدن پليمرهاي اليافي از سطح بتن به همراه قسمتي از پوشش بتن به علت ترك خمشي-برشي. ٥-٢- شكلپذيري تغيير مکان با توجه به تعريف شكلپذيري تغييرمكاني، اگر شاخص شكلپذيري تغييرمكاني را نسبت تغييرمكان وسط تير در هنگام ظرفيت نهايي به تغييرمكان وسط تير درهنگام تسليم فولاد طولي در نظر بگيريم، در بيشتر نمونههاي تقويتشده اين شاخص نسبت به نمونههاي كنترلي كاهش يافتهاست. شاخص شكلپذيري نمونه ها در جدول ٤ آوردهشده است. شكل٥: جداشدن انتهاي پليمرهاي اليافي از سطح بتن به شكل ٦: جداشدن پليمرهاي اليافي از سطح بتن به همراه همراه پوشش بتن روي ميلگردهاي طولي، نمونة٤B. قسمتي از پوشش بتن بعلت ترك خمشي-برشي، نمونة١٢B ٦-مقايسه با روابط آييننامهها ٦-١- مقايسه با روابط پيشنهادي كميتة ISIS كانادا]١١[ كميتة ISIS كانادا كرنش نهايي بتن را ٠٠٣٥/٠ و تغييرات كرنش در عمق تير را خطي فرض مينمايد. براي محاسبة ظرفيت نهايي از بلوك تنش مستطيلي مطابق با روابط موجود تيرهاي خمشي تقويتنشده و فاكتورهاي كاهش ٦/٠، ٨٥/٠ و ٧٥/٠ به ترتيب براي بتن، فولاد و ورقهاي پليمري اليافي استفاده ميشود. نتايج نسبت بارهاي نهايي آزمايشگاهي به بارهاي بهدستآمده مطابق با روابط پيشنهادي اين كميته در جدول٤ ارائه شدهاست. ٦-٢- مقايسه با آييننامهACI440.2R-02]١٢[ اين آييننامه براي تعيين ظرفيت نهايي نمونههاي تقويتشده از بلوك تنش مستطيلي مطابق با روابط موجود تيرهاي خمشي تقويتنشده استفاده نموده و به منظور جلوگيري از شكستهاي زودهنگام و ناگهاني(حالتهاي ٦-٣) مطابق با روابط ١و ٢ كرنش نهايي پليمرهاي اليافي را محدود مينمايد. (١) (٢) در روابط فوق ، ، ، و به ترتيب كرنش نهايي، مدولالاستيسيته، ضخامت، كرنش مؤثر و تعداد لايههاي ورقهاي پليمري اليافي ميباشد. همچنين هنگام محاسبة ظرفيت خمشي طراحي، به منظور انعطافپذيري مناسب، كرنش فولاد در هنگام شكست نهايي بايد بيشتر از ٠٠٥/٠ باشد؛ در غير اينصورت از فاكتور كاهش ظرفيت خمشي اسمي استفاده ميشود. نتايج نسبت بارهاي نهايي آزمايشگاهي به بارهاي نهايي بهدستآمده مطابق با اين آييننامه در جدول ٤ آورده شده است. ٧- نتيجهگيري در اين تحقيق اثر ورقهاي پليمري در تقويت خمشي تيرهاي بتنمسلح مطالعه گرديد. براساس اطلاعات بهدستآمده از انجام آزمايشها, نتايج زير بهدستآمده است: ١- نمونههاي تقويتشده از مقاومت و سختي بيشتر و شاخص شكلپذيري كمتري نسبت به نمونههاي كنترلي برخوردار بودند. ٢- تقويت نمونهها سبب افزايش بار متناظر تسليم فولادهاي طولي گرديد؛ اما ميزان افزايش، با افزايش درصد فولادهاي طولي كاهش يافت. ٣- با توجه به مقايسة نتايج بهدستآمده با روابط آييننامههايACI440.2R-02و ISIS كانادا مشاهده ميشود كه روابط طراحی هر دو آييننامه اثر تقويت کنندگی ورق های FRP در مقاومت تيرهای خمشی با درصد فولاد كم را دستبالابرآورد می کند. همچنين، پيش بينی هر دو آييننامه براي مقاومت نمونههايي كه شكست آنها بهصورت جداشدن انتهاي پليمرهاي اليافي از سطح بتن به همراه پوشش روي ميلگردهاي طولي ميباشد، دستبالاتراز حالتهاي ديگر شكست ميباشد. قدردانی: نمونه های آزمايشگاهی اين پژوهش توسط شرکت بنيان بتن تهيه گرديد. بدين وسيله از کمکهای بيدريغ اين شرکت قدردانی می شود. ٨-مراجع [1] Maalej, M., Bian, Y. ”Interfacial Shear Stress Concentration in FRP-Strengthened Beams”, CompositeStructures,Vol.54,2001,pp.417-426. [2] Malek, A.M., Saadatmanesh, H., Ehsani, M.R. “Prediction of Failure Load of R/C Beams Strengthened With FRP Plate Due to Stress Concentration at the Plate End”, ACI Structural Journal, Vol.95, No.1, 1998, pp. 142-152. [3] Ye, J.Q. “Interfacial Shear Transfer of RC Beams Strengthened by Bonded Composite Plates”, Cement &Concrete Composite, Vol.23, 2001, pp. 411-417. [4] Ascione, L., Feo, L. “Modeling of Composite/Concrete Interface of RC Beams Strengthened with Composite Laminates”, Composites Part B: Engineering, Vol.31, 2000, pp. 535-540. [5] Lau, K.T., Dutta, P.K., Zhou, L.M., Hui, D. “Mechanics of Bonds in an FRP Bonded Concrete Beam”, Composites Part B: Engineering, Vol.32, 2001, pp. 491-502. [6] Teng, J.G., Smith, S.T., Yao, J., Chen, J.F. “Intermediate Crack-Induced Debonding in RC Beams and Slabs”, Construction and Building Materials, Vol.17, 2003, pp. 447-462. [7] Sebastian, W.M. ”Significance of Midspan Debonding Failure in FRP-Plated Concrete Beams”, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.127, No.7, 2001, pp. 792-798. [8] Arduini, M., Nanni, A., Tommaso, A.D. ”Brittle Failure in FRP Plate and Sheet Bonded Beams”, ACI Structural Journal, Vol.94, No.4, 1997, pp. 363-370. [9] Brena, S., Bramblett, R.M., Wood, S.L., Kreger, M.E. ”Increasing Flexural Capacity of Reinforced Concrete Beams Using Carbon Fiber-Reinforced Polymer Composites”, ACI Structural Journal, Vol.100, No.1, 2003, pp 36-46. [10] Frostig, Y., Rabinovitch, o. ”High-Order Approach for the Control of Edge Stresses in RC Beams Strengthened with FRP Strips” Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.127, No.7, 2001, pp. 799-809. [11] ISIS CANADA ”Strengthening Reinforced Concrete Structures with Externally-Bonded Fiber Reinforced Polymers” Design Manual, No.4, 2001. [12] ACI Committee 440F ”Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures”, 2002. 4 لینک به دیدگاه
ارسال های توصیه شده