بررسی رفتار ستون بتن مسلح تقویت شده با پوشش FRP تحت بار چرخه ای

مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی با پوشش FRP

امروزه استفاده از پوشش FRP در سازه‌های بتنی با توجه به مزیت‌های آن در حال رشد است. سازه‌هایی که بر اساس دستورالعمل‌های گذشته طراحی و ساخته شده‌اند در برابر زلزله عملکرد نامناسبی مانند مقاومت جانبی پایین، پتانسیل کم در جذب انرژی،کاهش سریع مقاومت و… از خود نشان می‌دهند.

بنابراین با توجه به دو فاکتور شکل‌پذیری و مقدار جذب انرژی در اثر بار جانبی، همواره می‌بایستی از موادی بهره بگیریم که این نیاز را برطرف نماید. در این بحث سعی شده تا به صورت اجمالی اثر پوشش الیاف کربن CFRP بر ستون بتن آرمه و تغییرات حاصله بر روند انرژی را با استفاده از شبیه‌سازی آن در نرم‌افزار آباکوس مورد تحلیل قرار دهیم.

همانطور که می‌دانیم یکی از روش‌های تقویت مقاطع، استفاده از محصورشدگی این اجزا با استفاده از سایر مصالح مناسب است که نوع انتخاب مصالح محصورکننده حائز اهمیت می‌باشد، در این انتخاب نکاتی از جمله مقاومت در برابر خوردگی، اثر وزن، نحوه به کارگیری این مصالح، ضریب ارتجاعی، میزان فضای اشغال شده و… دخیل هستند. پس با توجه به این عوامل، استفاده از فیبرهای پلیمری تقویت‌شده (CFRP,GFRP,AFRP)گزینه مناسبی می‌باشد اما در کنار همه‌ی مزایای گفته‌شده باید به این نکته توجه شود که اگر بخواهیم از فیبرهای پلیمری تقویت‌شده پیش‌تنیده نشده در سازه‌ای استفاده کنیم نمی‌توان از تمام ظرفیت آن بهره برد.

هنگامی که مهندس محاسب قصد طراحی یک سازه را دارد، بایستی تا حد امکان دید کافی نسبت به نحوه ایجاد رفتار غیر خطی در سازه‌اش داشته باشد و از توانایی مفصل پلاستیک (که از پتانسیل‌های خوب برای اتلاف انرژی زلزله هستند) استفاده کند.

در رابطه با این موضوع دو مکانیزم می‌تواند در طراحی سازه‌ها مطرح شود:

1- مکانیزم حرکت جانبی ستونی، در این مکانیزم مفاصل پلاستیک اغلب در ستون‌ها خواهد بود و بحرانی‌ترین حالت این مکانیزم وقتی است که مفاصل پلاستیک تنها در ستون‌ها تشکیل شده و هیچ تیری مفصل پلاستیک نداشته باشد.

2- حرکت جانبی تیری، تلاش می‌شود که تسلیم در تیرها قبل از ستون‌ها شروع شود و در نهایت مفاصل پلاستیک اغلب در تیرها خواهند بود. آیین‌نامه‌های طراحی بتن ضوابط خود را به گونه‌ای تنظیم می‌کنند که مکانیزم دوم (حرکت جانبی تیر) در هنگام رخ دادن زلزله بر سازه حاکم شود، این موضوع که به قاعده تیر ضعیف-ستون قوی معروف است، در روح  ضوابط آیین‌نامه‌ها حاکم است.

مدل‌سازی در نرم‌افزار

برای مدل‌سازی از یک ستون بتن مسلح  با ابعاد  30×30 سانتی‌متر و به طول 2 متر شکل(1) که با پوشش CFRP در دو وجه عمود بر بار (عمود بر راستای y) تقویت ‌شده بود، استفاده شد، این ستون یک سر آن گیردار و سر دیگر آن تحت بار چرخه‌ای به مدت 2 ثانیه قرار گرفت و رفتار آن با نمونه بدون پوشش تقویتی مقایسه شده است.

در بارگذاری چرخه ای زمان مفهوم دارد و بارگذاری با دوره تناوب مشخصی انجام می شود لذا به لحاظ فیزیکی کاملا استاتیکی نیست. از طرف دیگر این بارگذاری کاملا دینامیکی نیست چرا که به آرامی و به گونه ای اعمال می شود که اثرات ناشی از اینرسی سازه به حداقل برسد. با توجه به موارد فوق الذکر می توان نتیجه گرفت که بارگذاری چرخه ای مورد استفاده در مطالعه اثر هیسترزیس به صورت شبه استاتیکی به سازه اعمال می شود.

شکل (1) ستون بتن مسلح قبل از پردازش در آباکوس

مشخصات مکانیکی CFRP

مدول الاستیسیته(Mpa)	مقاومت کششی (Mpa)	ضریب پواسون	ضخامت(MM)	چگالی(kg/mm3)
350000	3000	0.3	3	10-6

 

شکل (2) تنش فون میزز ستون بتن مسلح فاقد پوشش CFRP

شکل (3) تنش فون میزز ستون بتن مسلح دارای پوشش CFRP

همانطور که در مقایسه دو شکل بالا مشخص است با قرار دادن پوشش  CFRPدر صفحه‌ی XY برای شکل (3) تنش وارده بر بتن در پای ستون کاهش چشمگیری داشته و می‌توان گفت که آن را از تشکیل شدن مفصل پلاستیک در پای ستون دور کرده است و تنش وارده بر پای ستون را کاهش داده  که این کاهش تنش به میزان 17 درصد برای شکل (3) بوده است.

با توجه به اینکه سیستم‌های سازه‌ای اغلب رفتار غیرخطی در برابر تحریکات طبیعی مانند زلزله از خود نشان می‌دهند و با در نظر داشتن این شاخص که انرژی مستهلک شده معیار اندازه‌گیری خوبی برای آسیب‌دیدگی است و یا در حقیقت بازتاب تاریخچه بارگذاری است می‌توان گفت در این شرایط تحت نیروهای بازگشتی، ستون دارای پوشش CFRP رفتار قابل توجه از خود نشان می‌دهد بدین‌صورت که سطح زیر نمودار که در حقیقت مقدار انرژی مستهلک شده‌ی حاصل از بارها در ستون است بزرگ‌تر بوده و ستون دارای پوشش پتانسیل بیشتری در مستهلک کردن انرژی وارده داشته است.

شکل (4) نمودار میزان استهلاک انرژی بار جانبی وارد بر ستون

 با توجه به بار رفت و برگشتی وارد بر ستون می‌توان عکس‌العمل‌های پای ستون را به دست آورد که برای ستون دارای  CFRPمقدار عکس‌العمل بالاتری ثبت شده است ولی در ستون فاقد  CFRPاز یک زمان به بعد نیروی عکس‌العمل روند صعودی خود را از دست داده که می‌تواند ناشی از تشکیل مفصل پلاستیک در پای ستون باشد.

شکل(5) عکس‌العمل نیرو در پای ستون

 با توجه به بار رفت و برگشتی وارد بر ستون می‌توان عکس‌العمل‌های پای ستون را به دست آورد که برای ستون دارای  CFRPمقدار عکس‌العمل بالاتری ثبت شده است ولی در ستون فاقد  CFRPاز یک زمان به بعد نیروی عکس‌العمل روند صعودی خود را از دست داده که می‌تواند ناشی از تشکیل مفصل پلاستیک در پای ستون باشد. شکل(5)

نتیجه‌گیری

1- استفاده از CFRP باعث افزایش 53درصدی انرژی مستهلک شده در ستون شده است.

2- خرابی ستون‌ها در سازه از نوع پیش رونده است این موضوع یعنی خرابی ستون‌ها به سرعت به بقیه سازه منتقل می‌شود در حالی که خرابی تیرها از نوع موضعی بوده و به بقیه سازه منتقل نمی‌شود پس با توجه به مطالب گفته شده، استفاده از FRP می‌تواند به نوعی کمک‌کننده برای رسیدن به مکانیزم دوم (تیر ضعیف-ستون قوی) در ساختمان‌های در حال بهره‌برداری باشد.