ارزیابی و مدل سازی تیر بتنی خود متراکم و مقاوم سازی شده با الیاف کربن و شیشه

بتن خود متراکم علاوه بر مزایای نسبی فراوان اثبات شده، می تواند سرعت ساخت اعضاء بتنی را افزایش دهد و باعث اقتصادی شدن همراه با افزایش کیفیت گردد. یک از ضروریات استفاده از بتن پیش تنیده استفاده از بتن با مقاومت بالا می باشد ، به همین دلیل استفاده از بتن خود متراکم با مقاومت بالا می تواند باعث مقرون به صرفه شدن ساخت اعضاء پیش و پس تنیده گردد.در ایران جهت بررسی عملکرد این نوع بتن، در دو کاربرد تکنولوژی بتن و استفاده سازه ایی آن در این مقاله با استفاده از نرم افزار اجزاء محدود مورد بررسی قرا می گیرد و همچنین امروزه مواد کامپوزیت یا مواد مرکب به عنوان یکی از پیشرفته ترین و کاربردی ترین مواد در جهان صنعتی تلقی می شود و رشد و تکنولوژی این مواد در حال افزایش است. صنعت و تکنولوژی این مواد در کشور به عنوان یک صنعت نو مطرح است. استفاده از سازه های بتنی در ایران روبه افزایش است و بدلائل مختلف از جمله تغییر کاربری سازه ها و بازنگری آیین نامه های بارگذاری، تیر سراسری اغلب نیاز به ترمیم و تقویت دارند. پیش تنیده کردن سازه های بتنی باعث افزایش ظرفیت خمشی این گونه تیرها شده و باعث افزایش مقاومت سازه و افزایش طول دهانه تیرها می شود. که هم از لحاظ اقتصادی و هم از لحاظ سازه ای مقرون به صرفه است. نیاز به ترمیم و تقویت و افزایش ظرفیت خمشی اعضای بتنی را می توان با روشهای استفاده از مواد مرکب انجام داد. استفاده از مواد مرکب در ساختمان های بزرگ و تجاری و ابنیه های تاریخی که و هزینه تخریب و بازسازی آنها زیاد است، مورد توجه می باشد.

بشر برای استفاده از بتن به عنوان ماده ساختمانی ارزان در سازه ها، آن را به وسیله میلگردهای فولادی مسلح کرد، اما همواره در جستجوی راهی برای کاهش عرض ترک های خمشی و افزایش باربری آن بود. ایده کاهش و یا حذف کشش در بتن در عضو بتن مسلح و یا پیش تنیدگی، ایده ایی قدیمی می باشد. در تاریخ مهندسی نوین، ایده پیش تنیده کردن بتن به پیش از یک قرن پیش برمی گردد. تا مدت ها، توفیقی در این ایده بدست نیامد که علت آن هم افت شدید نیروی پیش تنیدگی به علت ضعف مصالح بود.

در ابتدای امر، فلسفه استفاده از بتن پیش تنیده، فائق آمدن بر ضعف ذاتی بتن مسلح در کشش بود، در نتیجه با استفاده از این تکنیک ترک خوردگی عضو در کشش کاهش و در بعضی مواد حذف شد و در نتیجه باعث کاهش خیز تیر در بارهای سرویس و همچنین دوام بیشتر سازه های بتنی شد. زمانی که استفاده از بتن پیش تنیده گسترش عمومی پیدا کرد، در اعضاء بتن پیش تنیده می توان از نیروی کمتر فولادهای پیش تنیده استفاده کرد، بعبارت دیگر تحلیل خدمت آنها همراه با ترک قابل رؤیت با عرض کم باشد، که در این صورت عضو را پیش تنیده جزیی (Partially Prestressed Concrete) و در غیر این صورت )در اعضاء بدون ترک( آن را پیش تنیده کامل گویند. پیش تنیدگی جزیی مجموعه ایی از مزایای پیش تنیدگی کامل و بتن مسلح را به همراه دارد.

در اعضاء پس کشیده شده یا تاندون بدون پیوستگی، مفهوم پس تنیدگی جزیی از اهمیت ویژه ایی برخوردار است، زیرا یک عضو پس کشیده که در آن از فولاد معمولی استفاده نشده باشد، دارای رفتار نامطلوبی در حالت نهایی از خود نشان می دهد. این گونه اعضاء پس از ترک خوردگی مانند قوس مهار شده و یا بلوک هایی بتنی که توسط کابلی به هم فشرده شده اند، عمل می کنند که این رفتار نامطلوب بوده و از شکل پذیری ناچیزی برخوردار خواهد بود. در مقابل اگر در این گونه اعضاء از میلگرد معمولی استفاده شود، بخشی از انتقال نیرو از طریق پیوستگی بین میلگرد معمولی و بتن اطراف صورت می گیرد و این باعث رفتار شکل پذیرتر و ترک خوردگی گسترده تر بتن می گردد، وجود میلگرد معمولی در اعضاء پس کشیده با تاندون های بدون پیوستگی می تواند باعث افزایش لنگر اسمی مقطع شود. علاوه بر این مزایا، در اعضاء پس تنیده جزیی با تاندون های بدون پیوستگی، هرچند با سطح نیروی پس تنیدگی پایین، هیچ گونه ناپایداری مشاهده نگردیده است.

مواد مرکب FRP:

تنزل سطح عملکرد سازه های بتنی در طول زمان تحت تاثیر عوامل محیطی و آسیب های ناشی از بارگذاری و حتی بارهای سنگین وارد بر سازه ها در اثر تغییر کاربری اجتناب ناپذیر بوده و لذا لزوم تدوین روش های عملی جهت تقویت و یا تعمیر اینگونه سازه ها اجباری می باشد.

انواع الیاف:

الیاف شیشه:

الیاف شیشه رایج ترین و پر مصرف ترین الیاف در صنعت مواد مرکب است و از جمله مزایای آن می توان به، استحکام کششی بالا و مقاومت شیمیایی بالای آنها اشاره کرد.

الیاف کربن:

الیافی به مراتب نازکتر از موی انسان است که می توان به مزایای اصلی این الیاف مطابق زیر اشاره کرد. نسبت بسیار زیاد استحکام به وزن، مقاومت بالا در مقابل خردگی، نسبت بالای مدل کششی به وزن و استحکام بالای خستگی می توان نام برد.

الیاف آرامید:

میزان لیفت بالا از ویژگی های الیاف آرامید هستند.

نتایج حاصل از مدل سازی : نتایج عددی مقادیر نمودارهای بار-   خیز ، بار  افزایش تنش و لنگر –  انحنا در حالت استفاده از یک تاندون فولادی حاصل از مدل سازی آباکوس در نمودارهای زیر نشان داده شده است.

نتایج عددی مقادیر نمودارهای بار- خیز ، بار افزایش تنش و لنگر- انحنا در حالت استفاده از یک تاندون فولادی حاصل از مدل سازی آباکوسدر نمودارهای زیر نشان داده شده است.

در نمودار بار خیز آزمایش شده نمودار زیر وقوع اولین ترک خمشی در بار حدود 131 کیلونیوتن اتفاق افتاده است. در حالت مدل سازی تقریبا 121 کیلونیوتن و تسلیم فولاد کششی در حالت آزمایشگاهی در بار تقریبا 181 کیلونیوتن و در حالت مدل سازی شده حدود 211 کیلونیوتن می باشد شکل های زیر می باشد.

نتیجه گیری:

• در صورت تعبیه حداقل میلگرد معمولی در چنین اعضائی، امکان 16 درصد باز توزیع لنگر در چنین اعضایی با فولاد بدون پیوستگی ایجاد کرد.
• می توان در تیرهای پس تنیده سراسری با فولاد بدون پیوستگی تقویت شده با مواد مرکب( CFRP,GFRP)  وقوع ترک را به تاخیر انداخت.
• استفاده از ورق های frp با تقویت خمشی در وجه خارجی تیرهای مزبور، منجربه حدود 14 درصد نسبت به تیر مقاوم سازی نشده گردید است.
• در تیر ارزیابی شده، تنش در فولاد بدون پیوستگی بیش از تنش تسلیم این فولاد است.
• مقایسه نتایج مدل سازی و آزمایشگاهی نشان می دهد که مقدار تنش در تیر با هر دو روش محافظه کارانه می باشید. این به آن علت است که تحقیقات انجام شده آیین نامه، برای تکیه گاه ساده است نه برای اعضا نامعین که در آنها امکان تسلیم فولاد پس کشیده بدون پیوستگی فراهم تر است.
• با توجه به مقایسه تیر آزمایش شده و مدل سازی شده می توان دریافت پس تنیدگی عضو سراسری باعث افزایش شکل پذیری شده است.
• علیرغم اینکه تیرهای پس تنیده با فولاد بدون پیوستگی اجرا شده اند، و مقایسه آنها با روابط تئوریک مربوط به چنین اعضائی با فولاد پیوسته صورت گرفته است.  مشاهده می گردد نتایج آزمایشگاهی و مدل سازی در اعضای پس تنیده با فولاد بدون پیوستگی وجود دارد.
• با افزایش تنش موثر پیش تنیدگی در اعضا بدون پیوستگی ، بار ترک خوردگی و سختی خمشی عضو در حالت الاستیک افزایش می یابد.
• می توان به کمک سختی خمشی (EI) الاستیک تیرها، یا شیب نمودار لنگر انحنا به میزان ترک خوردگی مقاطع پی برد.