مقاوم سازی ستون فولادی کوتاه قوطی شکل دارای نقص با کامپوزیت CFRP

مقاوم‌سازی ستون فولادی کوتاه قوطی شکل دارای نقص

در سال‌های اخیر توجه به مقاوم‌سازی سازه‌های فرسوده، بهسازی لرزه‌ای و بالا بردن ظرفیت خمشی اعضای فولادی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. همچنین جهت بهبود و اصلاح روش‌های سنتی، روش‌های نوین مقاوم‌سازی در جهت سهولت مقاوم‌سازی و بالا بردن ظرفیت سازه‌ها جایگزین شده‌اند و باعث شده تا مهندسین سازه به استفاده از سیستم‌های پلیمری تقویت شده با الیاف تقویت کننده پلیمری روی بیاورند. اکثر تحقیقات صورت گرفته در جهت تقویت سازه‌های فولادی با CFRP، بر روی تیرهای فولادی و جهت تقویت خمشی و برشی بوده است. تقویت اعضای فولادی با بارگذاری محوری کمتر مورد تحقیق قرا گرفته است. لذا در این تحقیق به بررسی ظرفیت بار فشاری ستون فولادی کوتاه قوطی شکل تقویت‌شده با CFRP پرداخته‌شده است. استفاده از FRP به شرط تأمین شرایطی نظیر مقاومت چسبندگی، نه تنها برای بازیابی مقاومت از دست رفته مقطع فولادی تحت اثر خوردگی، بلکه برای افزایش ظرفیت باربری مقاطع سالم، افزایش عمر خستگی و جلوگیری از رشد ترک نیز می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. علیرغم آنچه تصور می‌شود ، پارامترهای مربوط به بار و مقاومت در طراحی اعضای سازه‌ای کمیت‌های قطعی نیستند و متغیرهای تصادفی هستند ، بنابراین طراحی سازه‌ای کاملاً ایمن غیر ممکن است و استفاده از رویکرد احتمالاتی برای محاسبه قابلیت اطمینان اعضای سازه‌ای در طراحی امری اجتناب‌ناپذیر است.

مقاوم‌سازی با الیاف CFRP

الیاف(FRP (Fiber Reinforced Polymer نوعی کامپوزیت است که به آن پلیمر الیاف مصنوعی نیز گویند که از فیبر یا الیاف تقویتی و ماتریس (ماده دربرگیرنده) یا رزین از جنس پلیمر تشکیل‌شده است.

شکل 1 : ورقه FRP ساخته‌شده از فیبرهای ناهمسانگرد یک‌طرفه، عمده تنش بوسیله فیبر تحمل می‌شود.

بررسی و مطالعه راهکارهای مقاوم‌سازی ستون

ستون‌ها اجزایی از ساختمان فلزی هستند که قسمت اعظم نیروهای وارد به آن‌ها فشاری می‌باشد و اغلب به صورت عمود بر سطح زمین قرار دارد. عمده خرابی موجود در ستون‌های فولادی شامل کمانش موضعی و کلی و گسیختگی در محل درزها و وصله‌ها می‌باشد.

راهکارهای متداول برای مقاوم‌سازی ستون‌های قوطی شکل کوتاه فلزی

اضافه نمودن ورق‌های پوششی به بال ستون

عامل اصلی کاهش تغییر شکل، افزایش ضخامت بال ستون متصل به اتصال صلب می‌باشد. از جمله راه‌های افزایش ظرفیت خمشی و محوری ستون، اضافه نمودن ورق‌های پوششی به بال ستون می‌باشد. در این روش با افزایش ضخامت بال از کمانش موضعی بال ستون نیز جلوگیری می‌گردد.

استفاده از ورق‌های سخت‌کننده در داخل ستون

استفاده از ورق‌های سخت‌کننده در داخل ستون میزان تغییر شکل‌های ایجادشده در جداره ستون را در محل اتصال به مقدار قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌دهد و بهترین راه‌حل برای کنترل تغییر شکل‌های جداره ستون می‌باشد.

استفاده از ورق‌های تقویتی در داخل ستون

برای تقویت ستون می‌توان جداره آن را با ورق‌های تقویتی پوشاند. در این روش استفاده از ورق تقویتی در محل اتصال صلب تا حدود 20 % ارتفاع ستون، به میزان قابل ملاحظه‌ای تغییرشکل‌های ستون را کاهش می‌دهد لذا به‌عنوان دومین ارجحیت از دیدگاه اقتصادی پس از استفاده از سخت‌کننده می‌توان به تقویت ستون در محل اتصال تیر بصورت موضعی پرداخت. ورق تقویتی فوق‌الذکر بر روی بال ستون در محل اتصال نصب می‌گردد که اتصال آن به بال ستون می‌تواند توسط جوش گوشه و یا جوش گوشه توأم با جوش کام یا انگشتانه صورت گیرد.

استفاده از روکش بتنی

با افزودن میلگردهای طولی و خاموت‌های عرضی و یک پوشش بتنی در اطراف ستون می‌توان ستون را تقویت کرد. این عمل باعث افزایش سختی، مقاومت و شکل‌پذیری ستون می‌شود.

استفاده از روکش FRP

استفاده از این مصالح در مقاطع بسته همانند مقاوم‌سازی ستون‌های بتنی می‌باشد که در آن الیاف به طور دورپیچ ستون‌های فولادی را محصور می‌کند و باعث افزایش مقاومت فشاری آن‌ها می‌گردد. این امر همچنین باعث افزایش شکل‌پذیری اعضا تحت ترکیب نیروهای محوری و خمشی می‌شود. بعضی از سخت‌کننده‌ها برای افزایش مقاومت در زمان حمل FRP و برخی برای جلوگیری از واکنش‌های سطحی و حساس باید در فرآیند تولید FRP به ماتریس اپوکسی اضافه شوند.

تحلیل قابلیت اطمینان در سازه‌های فولادی

تعریف قابلیت اطمینان بر تعریف وقوع خرابی بنا شده‌است.  برای اندازه‌گیری قابلیت اطمینان یک سیستم ابتدا سیستم به اجزایی شکسته می‌شود و قابلیت اطمینان سیستم برحسب قابلیت اطمینان اجزای آن بیان می‌گردد. برای محاسبه قابلیت اطمینان هر جزء بر اساس داده‌های آماری در دسترس، مدلی برای نرخ وقوع خرابی انتخاب می‌شود و پارامترهای آن بر اساس داده‌های موجود تخمین زده می‌شوند.

ارزیابی قابلیت اعتماد ساختمان‌های موجود می‌تواند به دلایل متعددی انجام گیرد که از جمله آن‌ها موارد زیر است :

1. کاربری از سازه که مستلزم افزایش بار می‌باشد .
2. نگرانی در رابطه با خطاهای طراحی و ساخت و یا کیفیت مصالح ساختمانی
3. ارزیابی اثرات استهلاک در سازه
4. ارزیابی آسیب‌ها و خسارات ناشی از حوادث طبیعی و غیر مترقبه)همچون طوفان یا زمین‌لرزه(

تابع شرایط حدی و معیار خرابی:

برای بیان احتمال خرابی معمولاً از یک تابع شرایط حدی به شرح زیر معادله استفاده می‌شود:

\[ g(R,Q)=R-Q \]

که در آن g(R.Q) تابع شرایط حدی، R تابع مقاومت سازه و Q تابع اثرات بار بر سازه است. در معادله بالا هر یک از دو تابع مقاومت و بار متشکل از چند متغیر تصادفی با توابع توزیع احتمال متفاوت می‌باشند که به ماهیت ابعاد و نوع مصالح مورد استفاده بستگی داشته و بر اساس آن انتخاب می‌گردند. برای این تابع می‌تواند سه حالت مطابق شکل (2) به وجود آید که هر یک بیانگر وضعیت خاصی از سازه از حیث خرابی و سلامتی است.

شکل (2) : نمایش شماتیک تابع شرایط حدی و مرز خرابی و ایمنی

مدل‌سازی به روش اجزای محدود، معرفی نمونه‌ها و تحلیل نتایج با نرم‌افزار آباکوس

المان محدود امروزه کاربردهای فراوانی در شاخه‌های مختلف مهندسی پیدا کرده است. اگرچه در ابتدا برای محاسبات سازه‌ها از آن استفاده شد اما هم‌اکنون در بسیاری از علوم مهندسی در محاسبات انتقال حرارت، مکانیک سیالات، الکترومغناطیس و رفتار مصالح فواید خود را نشان داده است.

به طور کلی برای حل فیزیکی مسائل سه روش موجود است :

(Solution Exact) روش تحلیلی دقیق

(Solution Numerical) روش عددی دقیق

(Method Experimental) روش تجربی

کارهای آزمایشگاهی :

مراحل گام‌به‌گام اجرای الیاف FRP برای تقویت و مقاوم‌سازی به شرح زیر است.

1. آماده‌سازی سازه مقاوم‌سازی : سازه مورد نظر قبل از نصب و اجرای FRP باید آماده باشد. مشکل زنگ‌زدگی و خرابی و پوسیدگی نداشته باشد .
2. آماده‌سازی سطح : پس از تعمیر سازه آسیب‌دیده، سطح آن کاملاً صاف شده و نامنظمی‌ها و زوایای تند و تیز گوشه‌ها به وسیله ماسه پاشی سند بلست، و یا غیره گرد می‌شود.
3. تمیز کردن و کاربرد مصالح : FRP الیاف را با دقت با استفاده از استون تمیز کرده شکل (3) و روی سطح هموار و بدون هیچ‌گونه آلودگی مانند نداشتن هیچ‌گونه حباب هوای محبوس به صورت کاملاً صاف و مستقیم دقیق می‌چسبانند .
4. بریدن شیت : FRP بر روی یک سطح تمیز آماده که عاری از هر گونه آلودگی، چسب و ناصافی است ورقه FRP مطابق مشخصات و جزئیات ارائه شده بریده می‌شود.

شکل (3) : تمیز کردن FRP با استفاده از استون

در این پژوهش جهت تقویت ستون‌های فولادی قوطی شکل تحت بارگذاری فشاری، از الیاف کربن CFRP با مدل الاستیسیته 238000 مگاپاسکال با ضخامت 0.131 میلی‌متر به منظور تقویت عملکرد عضو فشاری استفاده شده است. خصوصیات الیاف کربنی در جدول (1) نمایش داده شده است.

جدول (1) : الیاف کربن CFRP

5. چسب اپوکسی دو جزئی : رزین‌های اپوکسی epoxy resin مصالحی دو جزئی (ترکیب رزین اپوکسی و هارنر) با خاصیت چسبندگی بسیار خوب به بسترهای مختلف و مقاومت شیمیایی (به‌ویژه در محیط‌های شدید اسیدی و قلیایی)، کششی، فشاری و خمشی بالا می‌باشند.

چسب مورد استفاده در این تحقیق به منظور تقویت عملکرد ستون‌های قوطی شکل با الیاف کربنی CFRP استفاده شده است.

مشخصات فولاد انتخابی :

سه نمونه فولاد بکار رفته شده در ساخت عضو فشاری کوتاه، توسط آزمایش کشش ساده که در شکل (4) نشان داده شده است در آزمایشگاه مکانیک خاک مورد بررسی قرار گرفت. تصویر نتیجه آزمایش در شکل (5) آورده شده است. فولادها دارای مقاومت نهایی 401 – 395 – 403 مگاپاسکال و کرنش نهایی 32 – 34 – 30 درصد می‌باشند که به صورت غیر خطی در نرم‌افزار مدل شده است. مدول الاستیسیته فولاد 200 گیگاپاسکال بوده و نسبت پواسون 3 / 0، در نظر گرفته شده است. برای تعریف خصوصیات فولاد با این خصوصیات در محیط نرم افزار، از گزینه‌ی کشسان خطی برای مدلسازی قسمت خطی فولاد با فرض ایزوتروپیک بودن آن و برای قسمت غیر خطی نمودار تنش-کرنش، در قسمت غیر کشسان فولاد استفاده می‌شود.

شکل (4) : نمونه فولادی جهت تست

شکل (5) : تصویر نتیجه آزمایش فولاد مقطع انتخابی

نحوه چسباندن FRP

مخلوط چسپ آماده را همانند شکل(6) به مقدار لازم در قسمتی که FRP چسبانده می‌شود قرار می‌دهیم؛ به کمک کاردک چسب را به در تمام قسمت آن پخش کرده و بعد از آن FRP را نصب می‌کنیم.

شکل (6) : مراحل چسباندن FRP به نمونه ستون فولادی

بارگذاری نمونه در آزمایشگاه :

نمونه‌ها برای دو حالت بدون الیاف CFRP و با الیاف CFRP در آزمایشگاه مقاومت مصالح تحت بارگذاری قرار گرفته که نمونه‌ای از نتیجه این آزمایشات در شکل (7) نشان داده شده است .

شکل (7) : نتایج حاصل از بارگذاری ستون‌ها در آزمایشگاه

شکل (8) : مقایسه تنش به ترتیب از راست به چپ در نمونه بدون FRP و نمونه با FRP در نرم‌افزار آباکوس

شکل (9) : مقایسه نمودار نیرو – تغییر مکان در حالت مقاوم‌سازی شده

شکل (10) : مقایسه نمودار نیرو – تغییر مکان در حالت بدون مقاوم‌سازی

نتیجه

در این تحقیق روشی ساده و کارآمد برای مقاوم‌سازی اعضای قوطی شکل فولادی دارای نقص با استفاده از نرم‌افزار اجزای محدود ABAQUS ارائه‌شده است. در این مدل‌سازی عضو فشاری با استفاده از المان Solid چهار وجهی و به صورت تحلیل استاتیکی غیر خطی مدل شده است. عضو فشاری با سطح مقطع 90 × 90 میلی‌متر و ارتفاع 300 میلی‌متر و با ایجاد نقص‌های متفاوت در عرض با ارتفاع یکسان تحلیل شد و به کمک دو لایه الیافCFRP مقاوم‌سازی گردید. هدف اصلی این پژوهش، ارائه الگوی مقاوم‌سازی مناسبی جهت جبران کاهش مقاومت ایجاد شده در عضو فولادی بر اثر نقص می‌باشد.

پس از تحلیل 46 نمونه نرم‌افزاری (از نرم‌افزار ABAQUS استفاده گردیده است) و مقایسه نتایج نمونه‌ها با یکدیگر، از طریق صحت سنجی نرم‌افزار با نمونه‌های آزمایشگاهی، موارد زیر حاصل گردید.

• الیاف CFRP با محصور کردن قوطی فولادی باعث به تأخیر انداختن کمانش موضعی شده و در نتیجه ظرفیت باربری را افزایش می‌دهد. تعداد لایه‌های بیشتر CFRP تأثیر بسیار خوبی از خود در برطرف کردن ضعف ایجاد شده نشان داد.
• مدهای شکست در نمونه شاهد کمانش پافیلی و در نمونه‌های دارای نقص بدون CFRP کمانش موضعی در اطراف نقص می‌باشد. در خصوص نمونه‌های مقاوم‌سازی شده پارگی الیاف در اطراف نقص و جداشدگی در بالای نمونه‌ها مشاهده شد.
• با استفاده از دو لایه CFRP افزایش Pcr در کلیه نمونه‌ها مشاهده گردید که در محدوده20 % الی 31.47% افزایش را شاهد بودیم .
• برای دستیابی به ماکزیمم نیروی مقاومتی با توجه به مدلسازی و نتایج حاصله ابعاد ستون CDB 47.33-2F پیشنهاد می‌گردد.

منابع

1. تعیین ظرفیت ستون فولادی کوتاه قوطی شکل دارای نقص مقاوم سازی شده با الیاف CFRP، بهاره کشواری، مهدی شهرکی، کامبیز نرماشیری، کنفرانس بین المللی عمران ، معماری و شهرسازی ایران معاصر، 1396.
2. Narmashiri, K., Jumaat, M. Z., & Ramli Sulong, N. H. Failure Modes of CFRP Flexural Strengthened Steel I-Beams. Key Engineering Materials 2011, 471-472, 590-595.
3. کاربرد مصالح FRP به عنوان روشی نوین در مقاوم سازی سازه های فولادی، حیدری، محسن، اولین کنفرانس ملی مصالح و سازه های نوین در مهندسی عمران، کرمان، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، 1391.

4. سوالات متداول

5. لزوم مقاوم سازی ستون فولادی ؟

   بدلیل ضعف در طراحی و در نگرفتن اثرات لرزه ای و یا فرسوده شدن فولاد ناشی از گذشت زمان و یا خوردگی نیاز است تا نسبت به ترمیم و مقاوم سازی آن اقدام کرد.

   عمده خرابی های رخ داده در ستون فولادی چه مواردی است؟

   عمده خرابی موجود در ستون‌های فولادی شامل کمانش موضعی و کلی و گسیختگی در محل درزها و وصله‌ها می‌باشد.

   مزیتهای استفاده از CFRP جهت مقاوم سازی ستون فولادی چیست؟

   با توجه به ضخامت کم الیاف CFRP فضایی اشغال نمیشود و همچنین بدلیل وزن سبک این الیاف باعث سنگینی ستون نشده و با خاصیت ضد خوردگی که دارند ستون را در مقابل خوردگی محافظت می کند.

   عملکرد سازه ای الیاف CFRP در ستون های فولادی چگونه است؟

   الیاف CFRP با محصور کردن قوطی فولادی باعث به تأخیر انداختن کمانش موضعی شده و در نتیجه ظرفیت باربری را افزایش می‌دهد. تعداد لایه‌های بیشتر CFRP تأثیر بسیار خوبی از خود در برطرف کردن ضعف ایجاد شده نشان داد.