تقویت سازه‌های بتن مسلح به کمک ورق‌های پلیمری برای مقاوم سازی نسبت به روش‌های سنتی دارای مزیت‌هایی نظیر افزایش مقاومت و سختی زیاد، سبکی وزن، مقاومت در برابر خوردگی ،ضخامت کم و حمل و نقل و نصب آسان است. پس از چسباندن FRP، پاسخ سازه در مودهایی مانند شکل پذیری ،مقاومت و نوع شکست با رفتار تقویت نشده متفاوت است. سیستم‌هایFRP، می‌توانند به‌منظور بازسازی و یا استحکام یک عضو سازه‌ای فرسوده مرمت یا مقاوم سازی عضو سازه‌ای سالم به‌منظور تحمل بارهای افزایش یافته به سبب تغییر در کاربری سازه و یا جبران خطاهای طراحی و اجرا بکار روند. مهندس مشاور قبل از انتخاب نوع سیستم FRP، باید ارزیابی نماید که آیا یک سیستمFRP روش مناسبی برای مقاوم سازی مسئله مورد نظر می‌باشد یا خیر؟ برای استفاده از سیستم FRP در پروژه‌های خاص لازم است وضعیت موجود سازه از قبیل ظرفیت باربری، شناسایی نقایص و عوامل آن و شرایط سطوح بتن ارزیابی شود. ارزیابی کمی می‌تواند شامل بازرسی دقیق میدانی، اخذ اطلاعات لازم مروری بر مدارک طراحی موجود سازه اجرا شده و تحلیل سازه باشد. به کار بردن سیستم سازه‌ای بتنی پیش‌تنیده، راه حلی برای رفع ترک‌های دائمی ،کاهش وزن سازه ،داشتن دهانه‌های بزرگ و داشتن معماری خاص در سازه است. در هنگام مقاوم سازی یک سازه با استفاده از مصالح FRP، به‌صورت غیر پیش‌تنیده، اغلب استفاده کامل از ظرفیت مصالح FRP، امکان پذیر نیست، از این رو پیش‌تنیده کردن این مواد راه حل اساسی جهت افزایش باربری و استفاده مطلوب از ورق‌های FRP به شمار می‌رود.
به‌طور کلی، به سه روش می‌توان از FRP پیش تنیده در تقویت سازه‌ها استفاده نمود:[1] [2]
- کابل‌های پیش تنیده FRP جاسازی شده داخل بتن
- ورق‌های پیش تنیده FRP چسبانده شده بر روی سطح خارجی تیر بتنی
- میلگردهای پیش تنیده FRP جاسازی شده در نزدیک سطح بتن
رفتار تنش کرنش بتن محصور شده با FRP
در بتن محصور شده با FRP، به دلیل مقاومت پوشش‌های پیرامونی در برابر انبساط جانبی بتن، به این پوشش‌ها تنش کششی و به بتن تنش فشاری اعمال می‌شود. این تنش فشاری باعث افزایش مقاومت فشاری بتن و همچنین کرنش نهایی آن می‌گردد. و با افزایش تنش محوری ،انبساط جانبی و به‌تبع آن فشار جانی محصور کننده بتن افزایش و این عمل تا جایی ادامه می‌یابد که ماده‌ی محصور کننده مقاومت باربری خود را از دست بدهد. اگر ماده محصور کننده فولاد باشد تسلیم شده و با افزایش بار محوری تنش محصور کننده ثابت می‌ماند. اگر ماده محصورکننده FRP باشد، گسیخته شده و تنش جانبی به صفر می‌رسد. عوامل مختلفی در رفتار بتن محصور شده مؤثر است که از بین آن‌ها می‌توان به مقدار و جنسFRP ، مقاومت هستهی بتنی، شکل مقطع و مقدار فولادهای عرضی به‌کاررفته اشاره کرد. آزمایشات زیادی برای رفتار بتن محصور شده تحت بار رفت و برگشتی انجام شده است. در این آزمایشات تأثیر عوامل مختلف از جمله تعداد لایه‌های FRP، مقدار بار محوری و اثر مقاومت بتن در نظر گرفته شده است که نتایج کلی این آزمایش‌ها به‌صورت زیر است:
- هر چه تعداد لایه‌های FRP بیشتر باشد، مقاومت ستون بیشتر می‌شود.
- هر چه مقدار FRP استفاده شده جهت محصورسازی بتن بیشتر باشد، نرمی و شکل پذیری ستون افزایش می‌یابد.
- هرچه بار محوری ستون بیشتر باشد، نرمی و شکل پذیری کمتری داشته و در اثر بار جانبی زودتر به گسیختگی خواهد رسید. [4] [6 ] [7]
مشخصان FRPهای مورد مصرف در پیش تنیدگی
مواد مرکب FRP شامل الیاف و چسب می‌باشند که در اکثر FRPها، الیاف به‌صورت یک جهته داخل چسب قرار دارند. الیاف ظرفیت باربری FRP را تعیین می‌کنند و چسب تنش‌ها را بین الیاف منتقل کرده، الیاف را به‌صورت یکپارچه کنار یکدیگر نگه می‌دارند. الیاف تعیین کننده خصوصیات مکانیکی FRP ها هستند. تفاوت اصلی میان تیرهای بتنی با کابل‌های پیش تنیده فولادی و تیرهای بتنی با کابل‌های پیش تنیده FRP در باربری مرحله تسلیم است. چرا که FRP ها تا لحظه شکست دارای رفتار خطی می‌باشند و برخلاف تیرهای بتنی با کابل‌های فولادی که می‌توان از روی تغییر مکان زیاد متوجه خرابی تیر شد (تسلیم). خرابی تیر بتنی با کابل‌های پیش تنیده FRP زمانی رخ می‌دهد که یا بتن و یا FRP از بین رود؛ یعنی هیچ گونه هشداری وجود ندارد. FRPهای با الیاف کربن، شیشه و آرامید متداول‌ترین نوع FRP هستند. الیاف آرامید به اشعه ماورا بنفش حساس بوده و از این رو برای پیش تنیدگی داخل مناسب‌ترند. الیاف شیشه به علت عملکرد ضعیف در خزش و حساس بودن به محیط‌های بازی مانند بتن، به‌صورت محدود در پیش تنیدگی استفاده می‌شوند. الیاف کربن دارای بهترین عملکرد برای پیش تنیدگی هستند ولی هزینه استفاده از آن بیشتر از الیاف آرامید و شیشه می‌باشد. [2] [3]
محصورشدگی
محصور شدن بتن از روش‌های بسیار مؤثر در بالا بردن کرنش شکست و افزایش مقاومت و همچنین جذب انرژی است. مطابق با پژوهشی که توسط نیک‌خو و زنجانی انجام شد، نمودار تنش – کرنش محوری شکل 1 به دست آمده است که همان‌گونه که قابل مشاهده است، با استفاده از پوشش CFRP در ازای با 1200 کیلو نیوتن، کرنش شکست به 5/2 % می‌رسد. در صورتی که در ستون بتن مسلح فاقد پوشش در ازای بار تقریباً 1000 کیلو نیوتن کرنش شکست تقریباً به 2% می‌رسد. [6]
در ادامه، این پژوهشگران، تیر و ستون مدل‌سازی شده را به‌صورت قاب تحت بارگذاری جانبی و ثقلی قرار دادند. بار جانبی به‌صورت سیکلی با حداکثر دامنه مشخص و بار ثقلی (مرده و زنده) 17500 نیوتن بر متر به قاب وارد شد و تغییر مکان نقطه‌ای از اتصال در هر دو حالت با پوشش و بدون پوشش بررسی گردید. در حالت با پوشش، تیر به‌صورت پیش تنیده و ستون‌ها به‌صورت عادی به کار رفته‌اند. در بررسی‌های انجام شده در صورت استفاده از پوشش، تغییر مکان نقطه RP در راستای z به 028/0- میلی متر می‌رسد؛ در طرف مقابل در صورت عدم استفاده از پوشش، این مقدار برابر با 085/0- است. یعنی تغییر مکان در مدل مفروض در حدود 67 درصد کاهش پیدا کرده است.
نتیجه گیری
در این مقاله، سعی شد تأثیرات استفاده از الیاف FRP به‌منظور تقویت عملکرد لرزه‌ای و بهبود مقاومت فشاری ستون و تیر بتن مسلح ارزیابی شود و بدین منظور نتایج برخی از پژوهش‌های عددی و آزمایشگاهی مورد بحث و بررسی قرار گرفت. مطابق با بررسی‌های این پژوهش‌ها، استفاده از الیاف باعث افزایش کرنش شکست و افزایش ظرفیت باربری ستون می‌شود. بهره گیری از این الیاف، برای بهبود رفتار جانبی ستون به دلیل افزایش شکل پذیری و افزایش انرژی مستهلک شده، پیشنهاد می‌شود. تکنیک پیش تنیده کردن باعث استفاده حداکثر از ظرفیت الیاف و افزایش مقاومت و بهبود رفتار لرزه‌ای نسبت به حالت بدون پیش تنیده می‌شود. در نتیجه به‌کارگیری این الیاف به‌طور هم‌زمان در قاب بتنی باعث افزایش ظرفیت باربری و کاهش تغییر مکان در برابر بار وارده می‌شود که می‌تواند بهبود عملکرد لرزه‌ای قاب را به همراه داشته باشد.
این مقاله به همت آقای سامان ناصری تهیه شده است.
منابع
[1] نشریه 345، (1385)، راهنمای طراحی و ضوابط اجرایی بهسازی ساختمان‌های بتنی موجود با استفاده از مصالح تقویتی FRP [2] اسلامی، ع. گلتپه (1393)، بررسی عملکرد خمشی تیرهای بتنی تقویت شده با FRP پیش تنیده به 3 روش، پانزدهمین کنفرانس دانشجویان عمران سراسر کشور، 11-13 شهریور [3] هاشمی، ح. مستوفی نژاد، د، و همکاران، (1393)، مقاوم سازی سازه‌های بتن آرمه با استفاده از مصالح پیش تنیده FRP به روش نصب در نزدیک سطح NSM، همایش تکنولوژی های نوین ساختمان [4] شاه بیگی، ح. قلعه نوعی، م، (1389)، بررسی رفتار غیرخطی ستون‌های بتن آرمه تقویت شده با FRP به روش اجزای محدود، پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران، دانشگاه فردوسی مشهد، 14-16 اردیبهشت [5] نیک‌خو، ع. زنجانی، (1395)، بررسی تاثیر الیاف FRP و FRP پیش تنیده در تقویت رفتار لرزه‌ای قاب بتن مسلح، کنفرانس بین المللی مهندسی عمران، تهران]6[ Weichen ,X.Tan,Y.& Colleagues ,(2010), “Flexural response predictions of reinforced concrete beams strengthened with prestressed CFRP plates,” Composite Structures, vol. 92, pp. 612–622 .
]7[ Faustino,P.Chastre,C.(2015) “Analysis of loadestrain models for RC square columns confined with CFRP,” Composites Part B, vol. 74, pp. 23-41.
