در سال های اخیر پژوهش های فراوانی در استفاده از کامپوزیت های FRP در زمینه مقاوم سازی و بهسازی سازه های بتنی انجام شده است. با این وجود بیشتر پژوهش ها روی اعضای منفرد مانند تیر، ستون، اتصال تیر-ستون انجام شده است. پس، پژوهش در زمینه بررسی رفتار کلی یک قاب بتنی تقویت شده به وسیله ی الیاف پلیمری در برابر بارهای سیکلی محدود است. قاب های بتن آرمه چهارچوب اصلی و باربر سازه های بتن آرمه را تشکیل می دهند، مقاوم کردن و بهسازی آنها نقش مهمی در مقاوم سازی کل سازه ایفا می کند.
تا قبل از دهه 70 میلادی سازه های بتنی تحت بارهای ثقلی و بدون توجه به بارگذاری لرزه ای طراحی شده است .با وقوع زلزله های مخرب دهه 70 میلادی مانند زلزله 1971 سنفرناندوی کالیفرنیا، بحث طراحی لرزه ای سازه ها و ایجاد شکل پذیری کافی در آن ها مطرح شد و آیین نامه های جدیدی برای طراحی لرزه ای سازه ها تدوین شدند. با وقوع زلزله های مخرب دهه 90 میلادی مانند زلزله 1994 نورتریچ آمریکا و 1995 کوبه، آسیب زیادی به سازه ها از جمله سازه هایی که طبق آیین نامه های قدیمی تر ساخته شده بودند، وارد آمد. اتصالات تیر-ستون سازه ها، یکی از اعضای بحرانی سازه ها است، که طراحی آنها طبق آئین نامه های قدیمی و در نتیجه کمبود آرماتورگذاری در این نواحی هنگام زلزله شدید موجب خرابی کلی سازه می شود . هزینه بالای نوسازی سازه هایی که در معرض زلزله های متوسط و شدید قرار می گیرند و همچنین مراحل قانونی و پروسه اداری آن، سازندگان را بر آن می دارد که توجه ویژهای به مقاوم سازی سازه ها با توجه به آئین نامه های لرزه ای جدید داشته باشند .یکی از روش های تقویت و بهسازی که به تازگی مورد توجه قرار گرفته است، استفاده از کامپوزیت های الیافی FRP است. استفاده از پوشش های FRP برای تقویت هم زمان ظرفیت برشی و خمشی اعضای بتنی در دو دهه ی اخیر مطرح شده است، که با توجه به سختی های روش های پیشین مانند افزایش سطح مقطع اتصال با بتن ریزی مجدد ، محصور کردن ناحیه اتصال با ورق های فولادی و غیره و به ویژه با توجه به ملاحظات معماری از جایگاه ویژه ای برخوردار است. از مزایای پوشش های FRP می توان به : مقاومت در برابر خوردگی و فرسودگی، وزن بسیار کم، مقاومت در برابر بارهای متناوب، دینامیکی و تکراری، افزایش رفتار شکل پذیر سازه، رفتار تقریبا یکسان از لحاظ انبساط و انقباض با بتن و صرفه اقتصادی اشاره کرد .تاکنون آزمایش های زیادی در زمینه بررسی رفتار اعضای بتنی به صورت جداگانه مانند تیر، ستون، اتصال با استفاده از پوششهای FRP انجام شده است. مجموعه ی پژوهش های این پژوهشگران چشم انداز مناسبی از تقویت اعضای بتنی با استفاده از FRP در پیش رو قرار می دهد. با این وجود، پژوهش های کمی در زمینه بررسی رفتار قاب بتنی وجود دارد. بالسامو و همکاران در زمینه تقویت یک قاب بتنی که اتصالات تیر به ستون آن به وسیله ی الیاف CFRP دورپیچ شده بود و تحت بار شبه دینامیکی قرار داشته، مطالعاتی انجام داده اند. از مهم ترین نتایج مطالعات آنان افزایش ظرفیت باربری و جذب انرژی بدون هیچ گونه خسارت بحرانی در ناحیه تقویت شده با FRP را می توان اشاره کرد. از دیگر پژوهش ها در این زمینه می توان به مطالعات زو و همکاران اشاره کرد. در این پژوهش دو نمونه قاب درگاهی با مقیاس 1:3 تحت بار سیکلی قرار داده شد .نتایج آزمایش های آن ها بیانگر افزایش قابل توجه شکل پذیری و مقاومت نمونه تقویت شده نسبت به نمونه کنترل بود. پس با توجه به پیچیدگی و تنوع مکانیزم خرابی قاب های بتنی تقویت شده به وسیله ی الیاف FRP آنالیزهای عددی انجام شده در این زمینه محدود است.
در اینجا قصد بر آن است که ابتدا شرح مختصری از روند پژوهش و نتایج آزمایشگاهی انجام شده که در آزمایشگاه سازه دانشکده مهندسی عمران دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام شده ارائه شود و سپس نتایج مطالعات پارامتریک در زمینه جنس الیاف، تعداد لایه ها و نوع آرایش لایه ها برای به دست آوردن بهینه ترین روش مقاوم سازی و بیان رفتار کلی قاب ارائه شده است.
جزئیات مدل آزمایش مطابق آنچه در شکل های زیر مشاهده می شود می باشد. سه نمونه یکی بعنوان نمونه کنترل و دومی با همان مشخصات ولی تقویت شده با الیاف CFRP به صورت الیافL شکل و حالت دورپیچ (Wrap) در اطراف تیر و ستون و سومی با تقویت U شکل و دورپیچ در اطراف ناحیه اتصال در آزمایشگاه ساخته شده و بعد از اعمال بار سیکلی جانبی بر محور تیر، نتایج به وسیله ی برنامه المان محدود LS-DYNA ارزیابی می شود.
مشخصات آرماتور مصرفی
| فولاد مصرفی | قطر به میلیمتر | نوع فولاد | تنش تسلیم (MPa) |
| آرماتور طولی تیر | 10 | S300 | 330 |
| آرماتور طولی ستون | 12 | S445 | 400 |
| آرماتور عرضی | 8 | S300 | 330 |
مشخصات بتن مصرفی
| مقاومت فشاری (MPa) | مقاومت کششی (MPa) | ضریب پواسون | |
| بتن مصرفی | 30 | 2.9 | 0.29 |
مشخصات تقویت قاب ها
تقویت قاب ها با دو رویکرد کلی تقویت خمشی و تقویت برشی قاب انجام شد. به منظور تقویت خمشی قاب، با توجه به ثابت بودن تراز بار ثقلی، الیاف کربن به صورت L شکل در بالا و پایین اتصال مطابق شکل زیر نصب شدند. میزان امتداد این الیاف از بر اتصال به اندازه 2برابر بعد اتصال در نظر گرفته شد(30 سانتی متر). در این نمونه ها وجود ناحیه اتصال فاقد تقویت بود. همان گونه که در شکل نشان داده شده است در نواحی با آرایش شبکه ای از دو لایه FRP استفاده شده است. همچنین به منظور تقویت برشی ناحیه اتصال در قاب الیاف کربن به صورت U شکل مطابق شکل مورد استفاده قرار گرفتند. در نواحی ابتدایی و انتهایی تیر و ستون ها دورپیچی به عرض 30 سانتی متر اجرا شد و همچنین در دو مدل در نواحی اتصال ستون به فنداسیون از دورپیچی به طول 30 سانتی متر استفاده شده است. مشخصات الیاف مصرفی در جدول ارائه شده است. ضخامت الیاف مصرفی 0.167 میلی متر است.
مشخصات الیاف مصرفی
| الیاف مصرفی | EA | EB | EC | ضخامت (میلیمتر) |
| الیاف کربن | 23500 | 16780 | 16780 | 0.167 |
| الیاف شیشه | 70000 | 1000 | 1000 | 0.169 |
مقایسه نتایج آزمایشگاهی و تحلیل عددی
نمونه کنترل: با توجه به منحنی مشاهده می شود که بیشینه بار در کشش به ترتیب 22.80 و 24.86 کیلو نیوتن از آزمایش و تحلیل عددی و در فشار به ترتیب 25.53 و 26.34 کیلو نیوتن از آزمایش و تحلیل عددی است. همچنین مقادیر شیب اولیه و انعطاف پذیری هم خوانی مناسبی دارند. محل مفصل پلاستیک و در واقع شکست قاب بتنی در نمونه تحلیلی در محل اتصال تیر به ستون و پای ستون است که می توان این مکانیزم را در نمونه آزمایشگاهی هم مشاهده کرد. همان گونه که مشاهده می شود قاب به برش می شکند و طراحی FRP برای تقویت برشی باید مدنظر قرار گیرد.
نمونه تقویت شده با FRP به شکل L
این قاب با یک لایه کامپوزیت الیافی کربنی به ضخامت 167/0 و به طول 300 میلی متر از بر اتصال تیر و ستون قاب در جان آن ها تقویت شده است. این اتصال نیز مانند نمونه قبل تحت بارگذاری سیکلی مشابه قرار می گیرد. این تقویت L شکل برای مقاوم سازی خمشی مورد استفاده قرار گرفته است. در شکل زیر نمودارهای پوش مدل آزمایشگاهی و مدل تحلیلی آمده است که نشان دهنده ی تطابق خوبی است. در شکل بعدی مشاهده می شود که علاوه بر منحنی بار تغییر مکان که یک شاخصه کمی است از لحاظ کیفی یعنی آرایش ترک ها نیز هم خوانی مناسبی بین نتایج تحلیل المان محدود و آزمایشگاهی وجود دارد.
نمونه تقویت شده با FRP به شکل U
مقایسه نتایج کمی و کیفی در شکل های زیر انجام شده است. در این مدل با توجه به الگوی ترک ها راستای ترک ها در محل اتصال تیر به ستون و پای ستون از حالت مایل و برشی به حالت افقی درآمده است و تمرکز ترک ها از قسمت ناحیه اتصال به پای ستون منتقل شده است.
بررسی پارامترهای موثر در کارایی تقویت های FRP
در این قسمت پارامترهای مؤثر در رفتار قاب تقویت شده با الیاف FRP بررسی و اثرات تغییرات هر پارامتر در راستای دستیابی به یک آرایش بهینه برای تقویت مورد بررسی قرار گرفته اند. برای دستیابی به این آرایش مدل هایی با در نظر گرفتن اثر تعداد و ضخامت لایه ها(الیاف کربن یا الیاف شیشه) و اثر راستای الیاف مدلسازی شده است. در جدول زیر مشخصات مدل های ساخته شده وتفاوت آن ها ذکر شده است.
بررسی نتایج
بررسی نتایج از چند منظر تغییر در مکانیسم خرابی نمونه های تقویت شده و تقویت نشده، اختلاف در مقاومت نمونه ها با تغییر جنس الیاف و نوع تقویت و همچنین آثار آنها روی شکل پذیری اتصال و درپایان اثر تعداد لایه های تقویتی بر رفتار اتصال مورد بررسی قرار می گیرد.
بررسی نوع تقویت بر الگوی ترک و مودهای شکست
از منظر مکانیسم شکست می توان گفت شکست نمونه کنترل بررسی شده با توجه به منحنی هیسترزیس شکل 6نامتقارن به صورت برشی است زیرا مفصل پلاستیک در ناحیه اتصال تشکیل شده است. همچنین همان گونه که در شکل 6 دیده می شود منحنی هیسترزیس نمونه اصلی، در مرکز منحنی دارای نازک شدگی خصوصیات منحنیهای هیسترزیس با شکست برشی است، و حلقه های منحنی لاغر بوده که حاکی از اتلاف کم انرژی در این نمونه است. در طی مراحل بارگذاری الگوی ترک های ایجادشد ه در ناحیه اتصال در نمونه شاهد ترک های برشی xشکل در هر دو وجه اتصال و در هر دو ناحیه اتصال تیر به ستون قاب است. این ترک های برشی در راستای قطری ایجاد، و به سمت بیرون ناحیه اتصال گسترش یافتند .همچنین ترک های افقی در پای ستون در محل اتصال قاب به فونداسیون دیده شد. در قسمت های زیادی از هسته اتصال کرنش بتن در حدود 0.0018 است که نزدیک به کرنش بیشینه بتن است.
| نمونه | مقادیر نیروی ماکزیمم(KN) | درصد افزایش مقاومت نسبت به نمونه کنترل | انرژی مستهلک شده(ژول) | ||
| PUSH | PULL | PUSH | PULL | ||
| F | 24.86 | 26.34 | – | – | 4594.07 |
| FCLW | 44.36 | 47.84 | 78.4 | 81.62 | 10017.81 |
| FCUW | 31.64 | 35.98 | 27.3 | 36.6 | 6957.88 |
نمونه با لایه کربن به صورت L و W با الیاف L شکل نصب شده در نواحی داخلی و خارجی اتصالات به صورت خمشی تقویت شده بود. در این نمونه هیچ تقویتی در وجوه کناری اتصال به کار برده نشده بود. مطابق انتظار ترک های X شکل در ناحیه اتصال تشکیل شدند.
نمونه با الیاف U شکل در راستای تیر و ستون به صورت برشی تقویت شده بود. در این نمونه ها نیز محل تشکیل ترک ها ناحیه اتصال و پای ستون بود. تفاوت عمده در این نمونه با نمونه تقویت شده با الیاف L شکل در این بود که در این نمونه ترک های ایجاد شده در ناحیه اتصال افقی بوده و در انتهای بالایی ستون تشکیل شده بودند. این ترک ها از وجه داخلی اتصال آغاز و تا وسط ناحیه اتصال در وجه بیرونی ستون امتداد یافته اند. ترک های ایجاد شده در پای ستون راستای افقی دارند.
بررسی جنس الیاف و تعداد آنها بر رفتار قاب
الیاف FRP موجود به منظور بهسازی سازه های بتن مسلح مورد استفاده قرار می گیرند دارای ضخامت های مختلف است. الیاف CFRP نسبت به الیاف GFRP دارای مدول بالاتر و ضخامت کمتری است . همچنین این الیاف در تعداد لایه هایی بیش از یک لایه مورد استفاده قرار می گیرند . در این بخش اثر جنس و تعداد لایه ها بر رفتار قاب تقویت شده مورد بررسی قرار گرفته است . کلیه لایه های مورد بررسی در این بخش با زاویه الیاف صفر درجه در نظر گرفته شده اند. در جدول پایین نتایج حاصل از مقدار بار و شکل پذیری برای 6 مدل برای بررسی جنس و نوع تقویت آمده است. با در نظر گرفتن تفاوت ضخامت موجود بین الیاف کربن و شیشه مصرفی، که لایه های FRP قوی تری برای الیاف شیشه نسبت به الیا ف کربن را در پی داشته است، نتایج تحلیل ها نشان می دهند الیاف شیشه در زمینه استهلاک انرژی از الیاف کربن مؤثرترند، اما از منظر مقاومت الیاف کربن تا حدودی مؤثرتر از الیاف شیشه است. همان گونه که در شکل مشخص است افزایش تعداد لایه های تقویت بدون تغییر در آرایش آن ها باعث افزایش سختی قاب و افزایش در ظرفیت باربری قاب می شود. افزایش ظرفیت باربری برای تمام نمونه ها مشاهده شد . همچنین شکل پذیری نمونه های تقویت شده کمتر از حالت بدون تقویت است، ولی مقدار شکل پذیری وابسته به ضخامت لایه بوده و در صورت استفاده از ورق های FRP از (جنس شیشه یا کربن ) تعداد لایه ها به گونه ای انتخاب می شوند که حاصلضرب تعداد لایه با احتساب ضخامت لایه در مدول الاستیسیته دو نمونه FGUW و FCUW یکسان شود، باعث افزایش میزان جذب انرژی می شود. با توجه به تغییر ضخامت لایه ها می توان نتیجه گرفت افزایش ضخامت لایه تا حد مشخصی دارای تأثیر مثبت است و با افزایش ضخامت از این حد شکست ترد را در نمونه می تواند موجب شود.
| نمونه | مقادیر ماکزیمم نیرو | درصد اختلاف با نمونه کنترل | درصد شکل پذیری | |||
| PUSH | PULL | PUSH | PULL | PUSH | PULL | |
| F | 24.86 | 26.34 | 0 | 0 | 2.87 | 2.92 |
| FCLW | 44.36 | 47.84 | 78.4 | 81.62 | 2.25 | 2.75 |
| FCUW | 31.64 | 35.98 | 27.3 | 36.6 | 2.01 | 2.88 |
| FGLW | 39.36 | 41.23 | 60.3 | 56.5 | 2.24 | 2.80 |
| FGUW | 28.8 | 31.74 | 15.8 | 20.5 | 2.28 | 2.83 |
نتیجه گیری
نزدیک بودن نتایج عددی و مشاهده ی آزمایشگاهی از مکانیزم های شکست و منحنی های هیسترزیس برای نمونه ها قبل و بعد از تقویت با FRP گویای این واقعیت است که مدلسازی عددی می تواند به عنوان یک ابزار عملی برای تحلیل و بررسی رفتار سیکلی قاب های بتن آرمه و تقویت شده با FRP به کار گرفته شود.
از آنجا که بررسی عملکرد قاب تحت اثر بارهای سیکلی به روش های آزمایشگاهی پرهزینه و وقت گیر است پس مهندسین طراح و پژوهشگران می توانند از روش اجزای محدود به منظور ارزیابی رفتار سیکلی و استخراج منحن های هیسترزیس استفاده کنند که با توجه به هزینه ی اندک تحلیل عددی در مقایسه با روش های تجربی در مراحل اولیه طراحی اهمیت خواهد داشت.
رفتار قاب بتن آرمه در ناحیه اتصال تیر به ستون بسیار پیچیده بوده و متغیرهای زیادی در تعیین عملکرد و مکانیسم خرابی در نوع تقویت نقش دارند .از جمله این پارامترها می توان به تعداد لایه های الیاف، جنس الیاف، زاویه قرارگیری آن ها اشاره کرد.
هرچند که افزایش تعداد لایه های کامپوزیت باعث افزایش ظرفیت باربری اتصال می شود اما به دلیل پدیده جداشدگی ورق های تقویتی (با توجه به در نظر گرفتن المان TIEBERAK ) افزایش بیشتر تعداد لایه های ورق تقویتی کارایی لازم را ندارد.
در صورت استفاده از ورق های FRP از جنس شیشه یا کربن تعداد لایه ها به گونه ای انتخاب می شوند که حاصل ضرب تعداد لایه، ضخامت لایه . مدول الاستیسیته دو نمونه FCUW,FGUW یکسان شود، باعث افزایش میزان جذب انرژی می شود. این امر می تواند به دلیل مدول الاستیسیته کمتر ورق های شیشه ای باشد.
استفاده از دورپیچ ستون به همراه ورقه های چسبیده در دوطرف تیر، تأثیر خاصی بر رفتار اتصال نشان نداد.
