تاثیر SPIKE در جدایش از سطح و عملکرد FRP

پارامتر های مانند رشد جمعیت، افزایش بار، خرابی های زیست محیطی، آسیب ها و نقص های طراحی برخی از دلایلی می باشند که باعث میشود ساختمان های موجود نیاز به مقاوم سازی و بهسازی پیدا میکند. کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با فیبر(FRP) به روشی پرطرفدار برای مقاوم سازی اعضا ساختمان موجود در خمش، برش، پیچش، نیرو محور تبدیل شده است. مواردی مانند مقاومت کششی بالا، مقاومت در برابر خوردگی، وزن پایین، نداشتن محدودیت در شکل مقاطع، سهولت نصب  باعث شده است این مصالح از دیگر مصالح مقاوم سازی مانند فولاد بیشتر مورد استفاده قرار گیرد.

آزمایشات انجام شده ثابت کردند که استفاده از الیاف کامپوزیت (FRP)  به صورت دور پیچ و یا تقویت خمشی تیرها، باعث افزایش ظرفیت باربری و جبران مقاومت ناکافی المان بتنی می شود و در تقویت ظرفیت برشی و خمشی اعضا موثر است. این آزمایشات نشان داد که در بعضی از نمونه های تقویت خمشی شده، مورد آزمایش قرار گرفتند و به دلیل جدا شدن پوشش بتن و یا جدا شدن الیاف از سطح بتن، مانع رسیدن الیاف کامپوزیت (FRP) به بیشنه ظرفیت باربری خود (کرنش بیشینه) می شود. تحقیقات و آزمایش های مختلفی برای به تعویق انداختن یا جلوگیری از پدیده جدایش در روش مقاوم سازی با  FRP ، انجام شد، که یکی از راهکار های موثر برای جلوگیری یا به تعویق انداختن جدایش ارائه شده، استفاده از Spike کامپوزیتی می باشد. استفاده از Spike کامپوزیتی در مقاوم سازی با FRP باعث افزایش کرنش محوری و استحکام درگیری بین سطح و الیاف کامپوزیت (FRP) استفاده شده می شود، به همین خاطر باعث افزایش کارایی الیاف کامپوزیت (FRP) می شود.

آزمایشی برای تاثیر وجود spike ها در عملکرد الیاف کامپوزیت توسط  Togay Ozbakkaloglu وهمکاران انجام شد. در این آزمایش 33 عدد نمونه یکسان به طول 350 و ارتفاع 150 و عرض 250 میلیمتر و برای تست برش انکر های FRP  ساخته شده است. میانگین مقاومت فشاری این نمونه ها براساس تست سیلندری،  49.6 مگاپاسکال اندازه گیری شده است. در آماده سازی نمونه ها، 33 عدد ورق FRP یکسان که درای ضخامت 0.167 میلیمتر یک جهته کربن استفاده شده است. 4 لایه الیاف به عرض 100 و طول 500 و ضخامت کلی 2.6 میلیمتر به روش تر WET LAY-UP)) استفاده شده است. گسیختگی در الیاف اتفاق نیفتاد و شکست به دلیل جدایش بود به همین دلیل تاثیر انکر های FRP را در رفتار پیوند سطح مورد بررسی قرار گرفت. مقدار طول درگیر با سطح 270 میلیمتر و فاصله تا لبه 40 میلیمتر و 40 میلیمتر لبه بتن را برای جلوگیری کردن از شکست لبه نمونه بتن، با الیاف درگیر نشده است. زبانه آلومنیومی به طول 140 و عرض 100 میلیمتر برای اطمینان از پخش صحیح بار به الیاف  روی لبه بیرونی الیاف نصب شده است. از ورق های مشابه کربن یک طرفه برای ساخت انکر های FRP نیز استفاده شده است. از انکرها با دو طول مختلف(40 و 60 میلیمتر) استفاده شده است(شکل3). انکر های 40 میلیمتری با پیچاندن ورق های کامپوزیت به ابعاد 100*150 میلیمتر و انکرهای 60 میلیمتری با ورق های 150*120 تهیه شده است. جدول زیر پارامترهای اندازه گیری شده، شامل تعداد spike(یک،دو یا چهار عدد)، الگو انکرها (طولی یا عرضی)، نشان می دهد. سه عدد از  نمونه ها بدون هیچگونه انکری  به عنوان گروه کنترل، و سه عدد نمونه با دو طول مختلف انکر و یک شکل انکر گذاری ، و دو نمونه برای هر یک از مدل های انکر گذاری شده، مورد آزمایش قرار گرفته است.

الگو قرار گیری spike	موقیعت spike	تعداد spike	عمق کاشت spike	نام نمونه
–	–	–	–	A-1,2,3
–	ناحیه 1	1	40	B40R1-1,2,3
–	ناحیه 1	1	60	B60R1-1,2,3
–	ناحیه 2	1	60	B60R2-1,2,3
–	ناحیه 3	1	60	B60R3-1,2,3
طولی	ناحیه 1&2	2	60	C60R1R2-1,2
طولی	ناحیه 1&3	2	60	C60R1R3-1,2
طولی	ناحیه 2 &3	2	60	C60R2R3-1,2
عرضی	ناحیه 1	2	60	D60R1R1-1,2
عرضی	ناحیه 2	2	60	D60R2R2-1,2
عرضی	ناحیه 3	2	60	D60R3R3-1,2
طولی و عرضی	ناحیه 1 & 2	4	60	E60R11R22-1,2
طولی و عرضی	ناحیه 1& 3	4	60	E60R11R33-1,2
طولی و عرضی	ناحیه 2 & 3	4	60	E60R22R33-1,2

شکل نمونه ها و نام گذاری:

جزییات نمونه ها در جدول شماره یک آورده شده است. نمونه ها به 6 گروه تقسیم شده اند(A,B,C,D,E,F)  و عدد بعد از آن عمق انکر ها و سپس حرف R  که نشان دهنده ناحیه می باشد  که انکر ها در آن قرار گرفته است و نمونه  های داری دو عدد انکر به صورت (C,D,E,)60R(1,2,3)R(1,2,3) نامگذاری شد.

نصب انکرها:

ورق های FRP حداقل به مدت 7 روز نگهداری شدند، سطح زیریت ورق ها برای از بین بردن رزین به ضخامت 0.3 میلیمتر برای ارتباط بهتر بین سطح بتن و ورق ها شسته شدند. علاوه بر این، قبل از استفاده از چسب، ورق های FRP را با استون تمیز کرده که تمام ذرات ریز از بین بروند. مساحتی از ورق های  FRP با آن در تماس می باشند را به سه قسمت  تقسیم کرده و با نام R نام گذاری شده اند،  محل قرار گیری انکر ها را با دایره مشخص شده است. قطر سوراخ های ایجاد شده 12 میلیمتر می باشد. و برای اطمینان از فرو رفتن کامل انکر ها در داخل سوراخ ها، عمق سوراخ ها را از ارتفاع انکر ها 3 میلیمتر بزرگتر در نظر گرفته شده است. برای اطمینان، تمام گرد و خاک ها از روی سطح بتن و در داخل سوراخ ها را با استفاده از دمنده هوا تمیز میکنیم.. از چسب MBRACE  برای اشباع کردن ورق های FRP ، سطح بتن و انکرها استفاده شده است. انکرها را به دلیل انعطاف پذیری بیشتر به این شکل قرار گرفتن، انکر های FRP به گونه ای قرار گرفتن که تمام عرض ورق های FRP را پوشش دهند. ناحیه Splay به دلیل داشتن دو ویژگی مهم کاربردی هستند. اولا، ناحیه Splay از شکست به حالت جدایش، جلوگیری میکند. دوما،splay های بزرگ باعث کارآمدن شدن انکر ها در انتقال نیرو میگردد، درنتیجه باعث میشود به ورق های FRP کمک کند تا به ظرفیت نهایی خود برسد. الگو های مورد استفاده در چیدمان انکر ها در شکل زیر آمده است. هیچکدام از شکست ها ناشی از جدایش از splay نبوده است درنتیجه طول ناحیه splay در این مطالعه مورد بررسی قرار نگرفته است.

 

 

نتایج  تست:

حالت شکست:

نمونه های  تست شده به چهارگروه (بدون انکر، تک انکر، دو انکر و چند انکر)، تقسیم می شوند. حالت شکست هر یک از نمونه ها را در جدول 5 آمده است.

کرنش بیشینه		حالت شکست	SMAX2 (mm)		PMAX2 (KN)		SMAX1 (mm)		PMAX1 (KN)		نام نمونه
میانگین	مقدار		میانگین	مقدار	میانگین	مقدار	میانگین	مقدار	میانگین	مقدار
0.32	0.32	PD	–	–	–	–	1.8	1.8	38.6	36.2	A-1
	0.36	PD		–		–		1.9		42.9	A-2
	0.26	PD		–		–		1.6		36.8	A-3
0.45	0.56	AP&PD	7.3	8.9	6.8	8.4	3.1	3.1	44.9	51.8	B40R1-1
	0.39	AP&PD		6.3		5.9		3.2		41.1	B40R1-2
	0.40	AP&PD		6.8		6.2		2.9		41.7	B40R1-3
0.62	0.66	AP&PD	7.7	8.1	14.2	12.1	2.7	3.1	48.7	49.5	B60R1-1
	0.64	AP&PD		8.6		19.8		2.5		46.7	B60R1-2
	0.56	AP&PD		6.5		10.8		2.4		50.0	B60R1-3
0.47	042	AP&PD	9.3	8.1	9.2	9.7	3.7	3.6	47.7	43.1	B60R2-1
	0.42	AR&PD		6.9		8.9		2.9		46.6	B60R2-2
	0.58	AP&PD		12.8		8.9		4.7		53.4	B60R2-3
0.38	0.44	AR&PD	5.6	7.4	7.8	7.9	2.2	2.6	40.1	42.9	B60R3-1
	0.34	AP&PD		5.3		7.1		1.5		38.1	B60R3-2
	0.36	AR&PD		4		8.4		2.6		39.3	B60R3-3
0.73	0.71	PS&PD	9.4	9.1	29.8	27.7	3.5	2.9	52.1	49.9	C60R1R2-1
	0.74	AP/R&PD		9.6		31.8		4		54.2	C60R1R2-2
0.66	0.80	AR&PD	8	9.2	31.4	37.3	2.7	2.5	42.3	44.7	C60R1R3-1
	0.53	AP&PD		6.7		25.4		2.9		39.8	C60R1R3-2
0.61	0.70	AP&PD	6.5	6.5	18.1	18.3	2.1	2.6	41.0	43.7	C60R2R3-1
	0.52	AP&PS/D		6.4		17.8		1.5		38.2	C60R2R3-2
0.70	0.83	AR&PD	10.8	10.0	29.8	32.8	3.4	3.5	54.1	57.2	C60R1R1-1
	0.56	AR&PD		11.6		26.8		3.2		50.9	C60R1R1-2
0.58	0.66	AP/R&PD	8.8	8.9	24.2	27.4	3.5	4.4	56.0	57.1	C60R2R2-1
	0.50	AR&PD		8.6		21.0		2.5		54.8	C60R2R2-2
0.36	0.40	AP&PD	8.4	10.4	16.6	19.3	2.3	2.3	38.0	35.9	C60R3R3-1
	0.31	AP&PD		6.3		13.8		2.3		40.1	C60R3R3-2
0.76	0.81	PS&PD	9.3	8.8	36.6	30.5	4.4	5.4	57.6	62.7	E60R11R22-1
	0.71	AP/R&PD		9.8		42.7		3.4		52.5	E60R11R22-2
0.91	0.80	AR&PD	8.3	9.0	46.5	40.2	3.8	4.2	58.3	55.0	E60R11R33-1
	1.02	AR&PS/D		7.6		52.7		3.4		61.6	E60R11R33-2
0.84	0.80	PS&PD	10.8	10.7	52.4	50.5	3.1	2.9	47.3	45.8	E60R22R33-1
	0.88	AR&PS/D		10.9		54.3		3.2		48.8	E60R22R33-2

PMAX1= بیشترین بار اعمال شده قبل از جدایش است در حالی که تمام انکر ها هنوز به بتن متصل می باشد

PMAX2= مقدار باری که اولین انکر یا ردیف انکر گسیخته یا بیرون کشیده شده است

Smax,1 and Smax,2 =  مقدار لغزش در بیشینه اول و دوم می باشد

PD =جدایش ورق الیاف از سطح

AP = بیرون آمدن Spike

AR =گسیختگی Spike

PS =لغزش ورق های الیاف

AP/R =گسیختگی و بیرون آمدن Spike به صورت همزمان

PS/D = لغزش ورق الیاف به همراه جدایش از سطح

تاثیر وجود یا عمق انکرها:

تاثیر وجود انکرها بر روی بیشنه ظرفیت  باربری،  در نمونه ها با استفاده از نتایج آورده شده در جدول 5  بررسی شده است. مقایسه های Pmax1 نمونه های گروه A و B نشان می دهد که زمانی از انکر 40 میلیمتری استفاده می شود Pmax1 افزایشی در حدود 16.3% دارد. نتایج گروه B نشان می دهد که افزایش عمق انکر از 40 به 60 میلیمتر در Pmax1  تاثیراندکی دارد(+8.5%)  ولی درPmax2  تاثیر زیادی دارد(+109%). پیش از این نشان داده شده بود که تغییر عمق انکرها تاثیر ناچیزی روی  ظرفیت نهای باربری ورق های FRP زمانی که شکست ناشی از پارگی انکر ها آغاز شود. نتایج این آزمایش نشان می دهد که زمانی شکست ناشی خروج انکرها باشد با افزایش عمق انکرها، Pmax1 و Pmax2 افزایش می یابد.

تاثیر موقیعت انکرها:

برای نشان دادن تاثیر موقیعت قرار گیری انکرها درظرفیت باربری سیستم Frp شده مجهز به انکراژ،  نتایج جدول 5 در یک گروه مقایسه شده است. با بررسی نمونه های 60 میلیمتری گروه B(B60R1 and B60R2 ) نشادن داده میشود که Pmax1 مشابهی دارند درحالی که Pmax2  گروه B60R1 مقدار قابل  ملاحضه ای(+54.3%) بیشتر از گروه B60R2 می باشد. از سوی دیگر،با مقایسه گروه های B60R2 and B60R3 مشخص می شود که Pmax2 یکسانی دارند ولی Pmax1 گروه B60R2 19% بیشتر از گروه B60R3 می باشد. در جدول 5 میتوان دید که از تمام نمونه های گروه C ، سری C60R1R2 دارای بالاترین میانگین  Pmax1 می باشد که از گروه C60R2R3 27.1% و از گروه C60R1R3 23.2% بیشتر است. علاوه بر این، نمونه های سری C60R1R2 and C60R1R3 دارای Pmax2 مشابهی  می باشند در حالی که نمونه های سری  C60R2R3 تقریبا 40% کمتر از دو گروه اول است.

میانگین Pmax2  گروه D60R1R1 23.1% بیشتر از گروه D60R2R2 بوده است.  سری     D60R2R2نسب به  D60R3R3 در  Pmax1 به مقدار 47.4% و  Pmax2 به مقدار 73.5% کاهش داشته است. با مقایسه نمونه های چند انکر مشاهد می شود که سری های E60R11R22 and E60R11R33 دارای Pmax1 یکسانی می باشد درحالی که Pmax2 سری E60R11R33 به مقدار 27% بیشتر از سری  E60R11R22 می باشد. شایان ذکر است که Pmax1 سری E60R11R22 کمی پایین تر از مقدار قابل انتظار بوده است. E60R22R33 کمترین مقدار Pmax1 را در بین نمونه های گروهE  دارا بوده است، در حالی که دارای بالاترین Pmax2 در تمام نمونه های تست شده در این آزمایش  را داشتند.

 

نتایج این بخش نشان می دهد که با افزایش فاصله میان انکرها و لبه انتهای در نمونه های تک انکر، منجربه کاهش در Pmax1 و Pmax2می شود. به عبارت دیگر با زیاد شدن فاصله انکر از انتهای ورق باغث کاهش کارایی انکر ها می شود. در نمونه های انکر شده طولی دوبل با افزایش فاصله انکر دوم با لبه انتهای الیاف، Pmax1 و Pmax2 کاهش یافته است، به عبارت دیگر اگر انکر دو تا لبه انتهای نزدیک به هم باشد باعث افزایش کارایی میشود ،که باعث به تاخیر انداختن جدایش می شود.

اولین انکر ها نقش اصلی در ظرفیت باربری دارد وافزایش فاصله بین انتها ورق و انکر ها باعث کاهش کارایی انکر ها می شود.در نمونه های دارای چندین انکر در ناحیه های مشابه، با افزایش فاصله بین انکر دوم و انتها ورق سبب افزایش Pmax2 می شود.

تاثیر تعداد و چیدمان انکرها:

تاثیر تعداد و شکل انکر ها بر روی ظرفیت بیشنه بار با مقایسه نمونه های گروه E و B  بررسی شده است. مقایسه نمونه های گروه B  و C  نشان داد که وجود انکر دوم به صورت طولی باعث افزایش 8% Pmax1  می شود، اما افزایش قابل توجه ای در Pmax2 ایجاد شده(241%). با مقایسه Pmax1 و Pmax2 نمونه های گروه B  و D  نتایج تقریبا مشابهی به دست آمد، با اضافه کردن انکر دوم به صورت عرضی Pmax1 به مقدار 17% و Pmax2 به اندازه 163% افزایش یافت.

با مقایسه گروه C و D  مشخص می شود که Pmax1 و Pmax2 تقریبا یکسانی دارند. و با مقایسه نمونه های گروه C  و E نشان می دهد که وجود انکر دوم به صورت طولی باعث افزایش 20.5% در Pmax1 و افزایش 70.9% در Pmax2 می شود.

نتایج بالا نشان دهنده این می باشد که تعداد انکر تاثیر مستقیم به روی  Pmax1 و Pmax2 می گذارد، به شکلی که، افزایش  تعداد انکرها افزایش اندکی به روی Pmax1 و تاثیر قابل توجهی در Pmax2 می گذارد. درحالی که مقایسه  Pmax1 و Pmax2 نمونه های مقایسه شده نشان می دهد چیدمان طولی یا عرضی انکرها تاثیر زیادی ندارند.

 

کرنش ورق FRP :

بیشینه کرنش:

بیشینه کرنش ورق FRPرنمونه ها در جدول 5 آورده شده است.با مقایسه بیشینه کرنش نمونه های گروه Aو B مشخص می شود که با وجود انکر های FRP  ، در متوسط بیشنه کرنش 50% افزایش مشاهده می شود.با ارزیابی میانگین بیشینه کرنش در گروه B وc میتوان دید که افزایش تعداد انکر ها باعث افزایش(73.7%) کرنش می شود.و با مقایسه گروه C و D مشخص می شود با چیدمان طولی انکر ها به کرنش بالاتری دست می یابیم.

این نتایج نشان می دهد که بیشینه کرنش  با وجود انکر، افزایش تعداد انکر، افزایش می یابد.و وجود انکرها به صورت طولی نوثر تر زمانی می باشد که چیدمان به صورت عرضی می باشد.و با کاهش فاصله انکر از لبه انتهای کرنش افزایش می یابد.

نتیجه گیری:

این مقاله نتایج حاصل از یک آزمایش  در رفتار سیتم های FRP داریه انکر تحت کشش محور را ارئه میدهد.:

• با استفاده از انکر های FRP و افزایش تعداد و عمق آنها، مقدار بیشینه بار اولیه و ثانویه (. Pmax,1 و Pmax,2) ،مقدار کرنش طولی ورق های FRP افزایش می یابد.
• مقدار Pmax,1 و Pmax,2 نمونه های تک انکر با افزایش فاصله از انکر تا لبه انتهای  به ترتیب تا 17.7% و 45.1% کاهش می یابند.
• Pmax,1 نمونه طولی دوبل انکر  تا 21.3%  با افزایش فاصله تا 90 میلیمتر  بین انکر دوم و لبه انتهای  کاهش می یابد.به علاوه،افزایش این فاصله تا 180 میلیمتر باعث کاهش 39.3%   Pmax,2 می شود.
• در نمونه عرضی دوبل انکر وقتی که فاصله بین انکرهای عرضی و لبه انتهای از افزایش پیدا میکند ، Pmax,1 به اندازه29.8% و  Pmax,2 به مقدار 44.3% کاهش می یابد.
• در نمونه های دو انکر،ورق های FRP به شکل انکرهای دوطرفه دارای Pmax1 وPmax2 یکسانی دارا می باشد.به عبارت دیگر، ورق ها باانکرهای به شکل طولی به کرنش طولی بالاتری نسبت به ورق های با انکر به شکل عرضی می رسد.