تاثیر شکل مقطع در عملکرد FRP

بررسی ها در مورد وضعیت اجرای ساختمان های بتن مسلح نشان میدهد که بسیاری از ساختمان ها موجود در مقابل زلزله شدیدا آسیب گذیر می باشد که سبب می شود، تعمیر و تقویت سازه ای در موارد مختلف، به منظور جلوگیری از آسیب های احتمالی امری ضروری باشد. در این سازه ها، ستون ها که تحت بار خمشی-محوری یا محوری خالص قرار می گیرند، جزء اعضا حساس و حیاتی محسوب می شوند. روش های ابتدای مقاوم سازی ستون ها (ژاکت فولادی یا ژاکت بتنی) به دلیل افزایش وزن سازه و سختی اجرا و مقاوم نبودن فولاد در برابر شرایط محیطی سبب شد که جای خود را به روش نوین مقاوم سازی FRP دهد.

استفاده از FRP جهت دورپیچ کردن ستون های بتن آرمه باید به گونه ای باشد که جهت الیاف  در جهت دورپیچ الیاف باشد. استفاده از دورپیچ باعث محصور سازی ستون بتن آرمه بتعث محدود شدن انبساط عرضیی ستون می شود و به دنبال آن با به تعویق انداختن جدا شدگی پوسته ی بتنی از کمانش آرماتور های طولی ستون جلوگیری کرده و در نهایت باعث به تاخیر انداختن نابودی ستون می شود.

شکل زیر نشان می دهد که محصور شدگی در هسته بتن با توجه به سطح مقطع ستون به دلیل تفاوت در توزیع تنش، متفاوت می باشد. در مقاطع دایره ای توزیع فشار جانبی به صورت یکسان بوده است ولی در مقاطع چهارگوش، در گوشه های این مقاطع فشار محصور شدگی بیشتری نسبت به نواحی دیگر می باشد و توزیع فشار جانبی یکسان نبوده است.

مطالعات زیادی در مورد تاثیر شکل مقاطع ستون در مقدار محصور شدگی با استفاده از FRPشده است که به شرح زیر است:

میرمیران و همکاران در سال 1998 اثر شکل مقطع،نسبت طول به قطر و چسبندگی شیمیایی و مکانیکی را بر رفتار ستون های محصور شده در GFRP تحت بار محوری فشاری بررسی کردند. این محققین با انجام آزمایش بر 12 نمونه ی مربعی و 30 نمونه دایره ای، نتیجه گرفتند که مقاطع مربعی به اندازه مقاطع دایره ای تحت تاثیر محصور شدگی قرار نمی گیرند. زیرا مقاطع دایره ای فشار محصور شدگی یکنواختی دارند ولی در مقاطع مربعی بیشترین فشار محصور شدگی در گوشه ها و کمترین مقدار در وسط اضلاع می باشد.

در سال 2001 کول و بلاریی کارایی پوشش FRP  برای محصور کردن ستون های بتن آرمه مستطیلی را بررسی کردند. آنها اثر پارامترهای مانند نوع الیاف، ضخامت لایه، نسبت ابعاد مقطع و شعاع گوشه را بر مقاومت و کرنش محوری مورد توجه قرار دادند. نتایج آزمایش ها نشان داد که به دنبال افزایش تیزی گوشه و نیز افزایش نسبت ابعاد، ظرفیت نهایی ستون کاهش می یابد و الیاف شیشه در محصور کردن ستون های چهار گوش موثرتر از الیاف کربن و آرامید می باشد.

یوسف و سالوم د سال 2007 به صورت تحلیل و آزامیشگاهی تاثیر شعاع گوشه را بر نمونه های بتنی چهارگوش محصور در کامپوزیت FRP بررسی کردند. در این آزمایشات 20 نمونه تحت آزمایش قرار گرفت. نتایج نشان داد که با افزایش شعاع انحنا گوشه ها پارگی الیاف FRP در گوشه ها به تعویق می افتد، در آزمایشات مشاهد شد که با افزایش انحنا گوشه ها از 5 میلیمتر به 50 میلیمتر، مقاومت ستون نیز به همین نسبت افزایش می یابد.

در سال 2010 ال ماداوی و همکاران تاثیر شکل مقاطع و نحوه بارگذاری را بر عملکرد ستون محصور شده با CFRP یررسی کردند. آنها 32 ستون بتن آرمه با مقاطع دایره ای،مربع و مستطیل با دو نسبت مختلف را تحت بارگذاری محوری، بار خارج از مرکز و خمش خالص قرار دادند. نتایج نشان داد که افزایش مقاومت ستون محصور شده تحت بار محوری خالص، 23% و 44% و افزایش شکل پذیری 250% و 350% به ترتیب در مقاطع مستطیلیو دایره ای تغییر میکند. و با افزایش خروج از مرکزیت مقدار مقاومت و شکل پذیری کاهش پیدا میکند. با این وجود در حالت خمش خالص، شکل پذیری خمشی قابل ملاحضه ای مشاهده گردید.

در سال 1393 مستوفی نژاد ،سلجوقیان، تاثیر محصور شدگی ستون های بتن آرمه  چهار گوش با کامپوزیت های CFRP تحت اثر بار محوری و لنگر خمشی را مورد بررسی قرار دادند. بدین منظور، محققین 4 نمونه ی ستون مربعی با خروج از مرکزیت صفر تا سی میلیمتر را مورد آزمایش قرار داند. نتایج بیانگر آن بود که محصور شدگی ستون های مربعی باعث افزایش ظرفیت باربری و بهبود شکل پذیری در خروجیت از مرکزیت های مختلف می شود.

طهماسب فلسفی،حسینعلی رحیمی، رضا مرشد و داوود مستوفی نژاد در سال 1388 با انجام یک فعالیت آزمایشگاهی به بررسی رفتار ستون های استوانه ای و مکعبی دورپیچ شده با FRP پرداخت اند. در این آزمایش با استفاده از 14 ستون کوچک مقیاس استوانه ای و مکعبی با مقاومت مشخصه 20 مگاپاسکال و استفاده از الیاف پلیمری کربن و شیشه به صورت یکلایه، دو لایه و سه لایه دورپیچ شدند و تحت بار محوری قرار گرفتند. نتایج بیانگر این می باشد که در ستون های استوانه ای تقویت شده با CFRP با یک لایه، دو لایه و سه لایه به ترتیب باعث افزایش 86% ، 199% و 251% و یک لایه، دو لایه و سه لایه دورپیچ با GFRP به ترتیب 63%، 129% و 168% در مقاومت فشاری می شود. و در ستون های مکعبی تقویت شده با CFRP با یک لایه، دو لایه و سه لایه به ترتیب باعث افزایش 55% ، 71% و 88% و یک لایه، دو لایه و سه لایه دورپیچ با GFRP به ترتیب 52%، 66% و 76% در مقاومت فشاری می شود. که نشان می دهد تاثیر دورپیچ های FRP روی نمونه ی مکعبی کمتر از استوانه ای دانست. ضمنا تاثیر دورپیچ الیاف کربن CFRP بیشتر از تاثیر الیاف شیشه GFRP بوده است.

جهت بهبود عملکرد FRP در مقاطع چهار گوش و افزایش فشار جانبی در وسط اضلاع جهت افزایش محصور شدگی راهکار های اجرایی وجود دارد که به شرح زیر می باشد:

• افزایش شعاع گرد شدگی گوشه ها:
  افزایش شعاع گرد شدگی، بر کارایی و شدت محصور شدگی افزوده می شود. اما باید به این نکته توجه کرد که مقدار پوشش بتن عامل محدود کننده در افزایش شعاع گرد شدگی است. مقدار تاثیر گردشدگی گوشه ها در مقدار محصور شدگی به حدی می باشد که می تواند تاثیر دورپیچ های FRP را به صفر برساند.
• اصلاح سطح مقطع:
  با توجه به کارایی کم محصور شدگی در ستون های با مقطع چهارگوش نسبت به ستون های دایره ای و بیضوی از یک شرف و محدودیت افزایش شعاع گردشدگی در گوشه ها از طرف دیگر، اصلاح سطح مقطع ستون می تواند به عنوان راه کاری مناسب جهت افزایش کارایی دور پیچ FRP در نظر گرفته شود. بدین منظور ابتدا به اجرای پوششی بتنی پیرامون ستون چهارگوش اقدام شده و پس از اصلاح سطح مقطع، به اشکال دایروی و یا بیضوی اقدام به درپیچ کردن پیرامون ستون می شود. اصلاح سطح مقطع به یکی از اشکال دایروی و یا بیضوی، با توجه به ملاحضات معماری و میزان افزایش باربری مورد نیاز انجام می شود.

در یک فعالیت توسط محمد حاج صادقی، امیرشاه محمدی و علیرضا جهانشاهی انجام شد، محقیین با مدل کردن 6 نمونه ستون بتن مسلح با مقاطع چهارگوش اصلاح شده در نرم افزار ANSYS به بررسی تاثیر محصور کنندگی FRP بر ستون های بتن مسلح غیردایروی توسط اصلاح سطح مقطع ستون، پرداخت اند.

در این فعالیت 6 نمونه اولیه و 6 نمونه اصلاح شده مانند مشخصات زیر بررسی شده است:

نتایج نشان می دهد که نمونه های مربعی و مستطیلی با افزایش تعداد لایه های دورپیچ، یکنواختی محصورشدگی افزایش یافته است. در حالی که در ستون های دایروی که یکنواخت ترین محصورشدگی را دارند ان افزیش، سبب یکنواخت تر شدن محصورشدگی شده است. در ستون های بیضوی که توزیع تنش فشاری در آن، مابین دو گروه ستون (دایره ای و چهار گوش) است ، افزایش تعداد لایه ها، سبب افزایش ناچیزی در نسبت تنش های فشاری می شود.

نموادرهای زیر، نسبت افزایش مقاومت فشاری نمونه های اولیه و اصلاح شده  و تاثیر افزایش دورپیچ ها در ستون بیضوی را نشان می دهد.

با بررسی نمودار بالا مشخص می شود که هر چه تعداد لایه های دورپیچ افزایش یابد  میزان تاثیر اصلاح مقطع، افزایش می یابدو با توجه به تفاوت قیمت الیاف FRP و بتن، منطقی به نظر می رسد که در صورت امکان قبل از اقدام به دورپیچ کردن، مقطع ستون به شکل مناسب اصلاح شود تا کارایی دور پیچ افزایش یابد.