رفتار تیر T شکل بتن‌آرمه به همراه جان تقویت‌شده با FRP

مقاوم‌سازی تیر T شکل بتن‌آرمه

تئوری ستون قوی-تیر ضعیف که به‌منظور دستیابی به عملکرد لرزه‌ای مناسب، به‌طور گسترده موردقبول طراحان قرار گرفته است، در بسیاری از سازه‌های موجود که بر اساس آیین‌نامه‌های پیشین طراحی شده‌اند، رعایت نشده است. لذا روش نوین مقاوم‌سازی بر اساس تکنیک ضعف خمشی-مقاومت برشی (FWSS) برای مقاوم‌سازی چنین سازه‌هایی پیشنهاد گردید. بدین منظور در جان تیر T شکل به‌منظور کاهش مقاومت خمشی تیر، یک بازشو ایجاد می‌گردد. موضع موردنظر با FRP تقویت می‌شود تا از شکست برشی المان جلوگیری کرده و از وقوع شکست نرم در مقطع تیر اطمینان حاصل گردد.

در سازه‌های بتن‌آرمه تحت بارگذاری لرزه‌ای ایجاد مکانیزم در تیرها (مفصل پلاستیک در دو سر تیر) بر ستون‌ها ارجحیت دارد. چراکه شکست المان تیر معمولاً بر اجزای محدودی از سازه تأثیر می‌گذارد حال‌آنکه تخریب ستون می‌تواند نتایج مخربی ازجمله خرابی پیش‌رونده را به دنبال داشته باشد. بدین منظور فلسفه‌ی طراحی سازه بر اساس تئوری تیر ضعیف-ستون قوی توسعه یافت. گرچه اکثر آیین‌نامه‌های موجود به‌منظور اطمینان از ایجاد مکانیزم در تیرها، یک نسبت مقاومت خمشی (نسبت مجموع ظرفیت خمشی ستون‌ها به تیرها) بزرگ‌تر از یک تعیین کرده‌اند، اما مطالعه‌ی سازه‌ای تخریب‌شده در زلزله‌های شدید حاکی از آن است که مکانیزم به‌ندرت در تیرها تشکیل شده است. چراکه اکثر سازه‌های موجود بر اساس آیین‌نامه‌های قبلی طراحی و ساخته شده‌اند. ازجمله می‌توان به عدم توجه به سهم دال‌های درجا در مقاومت خمشی تیرها اشاره کرد.

در چنین شرایطی یک راهکار جهت دستیابی به مکانیزم ستون قوی-تیر ضعیف، تقویت ستون به‌منظور افزایش ظرفیت آن خواهد بود؛ اما به دو دلیل تقویت ستون به‌تنهایی معمولاً ناکافی است:

• استفاده از ژاکت بتنی یا فولادی منجر به افزایش جرم و/یا سختی ستون شده و بنابراین نیروی لرزه‌ای ستون را افزایش می‌دهد. همچنین پوشش FRP تأثیر چشمگیری در افزایش مقاومت ستون، علی‌الخصوص ستون‌های غیر دایره‌ای ندارد.
• حتی در صورت تأمین مقاومت کافی، موقعیت شکست به‌سادگی از انتهای ستون به فونداسیون و/یا محل اتصال تیر به ستون منتقل می‌گردد که مقاوم‌سازی آن‌ها امری بس دشوار است.

با توجه به محدودیت‌های فوق‌الذکر، روش نوین مقاوم‌سازی لرزه‌ای بر اساس مفهوم کاهش مقاومت خمشی انتهای تیر همراه با تقویت برشی موضعی توسعه یافت که از آن با عنوان FWSS یاد می‌شود.

به‌منظور کاهش مقاومت خمشی انتهای تیر سه روش پیشنهاد گردیده است:

• روش بازشو تیر (BO)
• روش کاهش سطح مقطع تیر (SR)
• روش شکاف دال (SS)

شکل (1) طرح شماتیک از بازشو تیر جهت کاهش مقاومت خمشی

در این مطالعه از روش بازشو تیر که شامل ایجاد بازشو در هر دو انتهای تیر T شکل همراه با نصب سیستم تقویت موضعی به‌منظور جلوگیری از شکست برشی در تیر می‌شود، استفاده شده است. چنانکه مطالعات نشان داده است پوشش‌های FRP تأثیر بسزایی در افزایش ظرفیت برشی تیرهای بتن‌آرمه دارند.

استفاده از روش بازشوی تیر از دو منظر دیگر نیز قابل‌توجه است:

1. بازشوی ایجادشده در جان تیر T شکل می‌تواند به‌عنوان داکت جهت عبور تأسیسات ساختمان مورداستفاده قرار گیرد.
2. از این تکنیک می‌توان به‌عنوان یک قاعده کلی در طراحی سازه‌های جدید استفاده کرد بدین ترتیب که از دیتیلینگ خاص برای دو انتهای تیر به‌جای استفاده از پوشش‌های FRP استفاده گردد.

با ایجاد بازشوهای فوق‌الذکر نیاز به افزایش ارتفاع طبقات جهت عبور داکت های تأسیسات و لوله‌ها وجود نخواهد داشت که موجب کاهش ارتفاع سازه و کاهش بارهای وارد بر آن می‌شود.

در میان طرح‌های مختلف تقویت تیر T شکل، استفاده از ژاکت U شکل FRP در کنترل ترک‌های برشی و شکست‌های برشی که از گوشه‌های المان شروع می‌شوند، مؤثرتر است.

درمجموع 8 تیر بتن‌آرمه با مقیاس واقعی، شامل یک تیر مستطیلی و 7 تیر T شکل تحت بارگذاری خمش سه‌نقطه‌ای مورد آزمایش قرار گرفتند. تأثیر ابعاد بازشو و FRP نیز مورد قرار گرفته است. مطابق جدول 1، دو نمونه اول فاقد بازشو در جان تیر هستند و به‌عنوان نمونه‌های مبنا در نظر گرفته شده‌اند.

جدول (1) مشخصات نمونه‌ها

CB-Rec تیر مستطیلی شکل است که جهت شبیه‌سازی شرایطی که سهم دال در مقاومت ناچیز است در نظر گرفته شده است. از سوی دیگر CB-T یک تیر T شکل است که شرایط یک سازه‌ی واقعی را نشان می‌دهد جایی که دال سهم قابل‌توجهی در مقاومت خمشی تیر ایفا می‌کند. سایر 6 نمونه مانند CB-T بوده با این تفاوت که دارای بازشو با ابعاد مختلف در یک یا دو دهانه هستند.

شکل (2) منحنی‌های بار-تغییرشکل. سمت چپ: تحت لنگر خمشی منفی و سمت راست: تحت لنگر خمشی مثبت

مطابق نمودارهای بالا دو نمونه‌ی بدون بازشو، رفتار بار-تغییرشکل مرسوم تیرهای بتن‌آرمه را نشان می‌دهند که از سه بخش (1) قبل از ترک بتن پایین مقطع در کشش (2) بعد از ترک‌های کششی بتن و (3) بعد از تسلیم آرماتورهای طولی پایین مقطع تشکیل شده است.

نمونه‌های با بازشو جان و بدون تقویت تحت لنگر خمشی منفی رفتار مشابه نمونه‌های بالا نشان دادند با این تفاوت که شیب ناحیه دوم منحنی آن‌ها به‌مراتب کوچک‌تر است. بعد از تقویت نمونه‌های فوق، بار منجر به ترک تقریباً بدون تغییر باقی می‌ماند، شیب ناحیه دوم اندکی افزایش می‌یابد. همچنین تخت‌شدگی بیشتر ناحیه‌ی سوم منحنی در نمونه‌های تقویت‌شده حاکی از افزایش ظرفیت تغییرشکل و شکل‌پذیری است. بااین‌حال بار تسلیم و نهایی نمونه‌های تقویت‌شده به‌مراتب کوچک‌تر از نمونه‌ی مستطیلی است که بیانگر آن است که ابعاد بازشو بیش از اندازه بزرگ در نظر گرفته شده‌اند به‌طوری‌که موجب ضعف کلی تیر شده است

شکل (3) نمونه ساخته‌شده جهت آزمایش بارگذاری

نتایج:

1. روش پیشنهادشده به‌طور مؤثر باعث کاهش ظرفیت خمشی منفی (بال تیر در کشش) و ظرفیت خمشی مثبت (بال تبر در فشار) تیر T شکل می‌گردد.
2. آزمایش‌ها نشان داد که افزایش ارتفاع بازشو نسبت به طول بازشو تأثیر بیشتری بر کاهش مقاومت خمشی تیر دارد.
3. سیستم تقویت پیشنهادشده با FRP که شامل پوشش کامل CFRP بر بال مقطع T شکل و دو ژاکت U شکل در جان تیر، نه‌تنها باعث افزایش مقاومت برشی تیر که شکل‌پذیری را به‌طور چشمگیری در فرایند شکست افزایش می‌دهد.
4. ابعاد بازشو موجود در نمونه‌ها منجر به کاهش مقاومت خمشی تا حدود 47% شد؛ اما در نمونه‌های واقعی و اجرایی مقاوم‌سازی، درجات کمتری از کاهش مقاومت کافی خواهد بود که البته نیاز به مطالعات بیشتر دارد.