تقویت خمشی دیوارهای آجری غیر مسلح با استفاده از الیاف پلیمری تقویت شده

با توجه به شرایط لرزه ای، جغرافیایی و الزامات آیین نامه ای کشورها، در برخی از مناطق جهان یکی از مطرح ترین گزینه های ساخت و ساز سازه های کم ارتفاع به شمار می رود. این سازه ها عمدتا دارای دیوار باربر بوده و به دلیل ضعف های فراوان اجرایی، دچار آسیب پذیری زیادی می شود؛ در این پژوهش، تقویت خمشی دیوارهای بنایی غیرمسلح با استفاده از الیاف پلیمری تقویت شده با کربن بررسی و مطالعه شده است؛ بدین منظور با استفاده از نرم افزار اجزای محدود آباکوس و با تکنیک مدل سازی میکروی ساده شده، یک نمونه دیوار آجری غیر مسلح، مدل سازی شده و تحت اثر بارگذاری لرزه ای بصورت کنترل تغییر مکان قرار گرفته است؛ سپس نتایج تحلیل دیوار با نمونه آزمایشگاهی مشابه مقایسه شده است تا دقت مدلسازی کامپیوتری به این روش آشکار گردد. سپس همان دیوار با توجه به مود شکست آن، توسط لایه های پلیمر تقویت شده با کربن که حجم و مشخصات آنها با هم برابر بوده اما نحوه استقرار و آرایش قرارگیری متفاوتی بر سطح دیوار دارند، مقاوم سازی و تحلیل گردیده است تا مناسب ترین آرایش مقاوم سازی دیوار توسط الیاف پلیمری بدست آید؛ برای بررسی این دیوارها، رفتار درون صفحه ای آنها تحت اثر توأمان سربار قائم و بار لرزه ای بصورت تغییر مکان جانبی اولیه بررسی و منحنی پوش ظرفیت – تغییر مکان و پارامترهایی همچون شکل پذیری و سختی الاستیک در وضعیت بهسازی نشده آن با پارامترهای هم ارز درحالات بهسازی شده مقایسه شده است.

در بسیاری از مناطق جهان، ساختمان سازی با مصالح بنایی تا شروع قرن بیستم که مصالح ساختمانی نظیر بتن مسلح و فولاد جای آن را گرفت، به عنوان عمده سیستم سازه ای برای ساختمان های کوتاه مرتبه تا متوسط رواج داشت.

درحال حاضر نیز بسته به شرایط لرزه ای و جغرافیایی، دسترسی به مصالح و الزامات آیین نامه ای هر کشور، سازه بنایی در کنار اسکلت فلزی، بتون آرمه، سازه های چوبی، سازه های فولادی سبک ، سازه های ساخته شده از تایل های پیش ساخته و غیره یکی از گزینه های تعیین سیستم سازه ای یک ساختمان کوتاه مرتبه پیش از احداث می باشد.

در برخی از کشورهای اروپایی سازه های متعددی با کاربری های مختلف متشکل از میان قاب های بنایی یا سازه های بنایی مقاوم سازی شده دیده می شود، بسیاری از کشورهای دنیا، آیین نامه ها و استانداردهای بخصوصی برای مصالح و اجزای سازه های بنایی دارند که مرتبا با نتایج آزمایشات و تحقیقات جدید به روز می شوند.

سازه های بنایی به دلیل عدم رعایت اصول و ضوابط فنی از ایمنی لازم برخوردار نیستند و هنگام وقوع زلزله کاملا آسیب پذیر می باشند. دیوار آجری به عنوان عناصر اصلی باربر جانبی سازه های بنایی، رفتاری شکننده با انعطاف پذیری کم داشته که در خلال زلزله دچار آسیب های متعددی از قبیل ترک های قابل رویت تا خردشدگی و فروپاشی کلی میگردد درحالت کلی مصالح بنایی تمایل به داشتن دوره الاستیک کوتاه دارند، به گونه ای که پس از ترک خوردن وارد مرحله غیر خطی می شوند.  از آنجا که در تمامی موقعیت های زمانی و مکانی دسترسی به یک آزمایشگاه مجهز جهت بررسی رفتار دیوارهای بنایی و همچنین یافتن الگوهای بهینه برای مقاوم سازی وجود ندارد، وجود مدل کامپیوتری که نتایج حاصل از آن با نتایج آزمایشگاهی سازگار بوده و طرح را به سرعت و با صرف هزینه کم به سمت جلو هدایت کند یک ضرورت مهم تلقی شده و روش انتخابی ما برای بررسی این سازه ها بوده است.

در سال های اخیر استفاده از الیاف پلیمری تقویت شده به عنوان یک راهکار مناسب جهت بهبود رفتار سیستم مقاوم جانبی و حفظ ایستایی ساختمان های بنایی موجود مطرح بوده و عوامل متعددی بر کیفیت این نوع مقاومسازی تأثیرگذار می باشد. در این پژوهش، به بررسی تأثیر نحوه استقرار لایه های پلیمری بر مقاوم سازی دیوارهای با مصالح بنایی پرداخته شده است؛ بدین منظور ابتدا نمونه کامپیوتری با نمونه آزمایشگاهی صحت سنجی شده سپس تقویت و مقاوم سازی دیوار آجری، مورد بررسی قرار گرفته است.

روش مدل سازی دیوار

با توجه به ناهمگنی مصالح بنایی به دلیل ترکیب آجرها و بستر ملات، مدلهای ارائه شده در ادبیات فنی به دو گروه متفاوت میکرو و ماکرو دسته بندی میشوند. در مدل میکرو از آنجا که واحدها و درزهای ملات به طور جداگانه دارای مواد مختلف تشکیل دهنده ساختمانی هستند، لذا تحلیل سازهای نیز باید با توجه به مواد تشکیل دهنده مصالح بنایی صورت گیرد. مشخصات مکانیکی واحدهای بنایی و درزهای ملات که در مدل معرفی میگردند، به صورت مجزا و از طریق آزمایش بر روی مواد تعیین می شود. در رویکرد ماکرو، آجر و ملات بصورت پیوسته مدل می شوند و یک مدول الاستیسیته معادل برای واحد بنایی تعیین شده و مشخصات مصالح مربوط به واحد آجر کاری که شامل ملات و آجر میباشد، بدون در نظر گرفتن وجه تمایز بین رفتار آجرها و ملات، به نرمافزار داده میشود. رویکرد ما در این مطالعه استفاده از شیوه میکروی ساده شده در مدل سازی است. به گونه ای که از مدلسازی مستقل حجم ملات صرف نظر گردیده و نصف ضخامت ملات در درزهای افقی به آجر فوقانی و نصف حجم باقی مانده به آجر تحتانی افزوده شده است. در درزهای قائم نیز به طریق مشابه عمل شده و خواص چسبندگی و رفتار ملات با استفاده از قابلیت های نرم افزار آباکوس تعریف شده است.

المان های مورد استفاده

مشخصات مصالح:

معرفی نمونه های مقاوم سازی شده:

نتیجه گیری:

در دیوارهای آجری مقاوم شده در این تحقیق، رفتار غیر خطی زودتر از دیوار مقاوم نشده و حدودا از جابجایی 0/005 یعنی موقعی که تنها 14 % از فرآیند بارگذاری سپری شده است، آغاز می شود؛این رخداد برای دیوار غیر مسلح از جابجایی 0/001 یعنی پس از طی شدن 23 % مسیر بارگذاری آغاز می شود؛ پس از مقاوم سازی دیوار با چسباندن دو ردیف الیاف در یک طرف، با کاهش کرنش الاستیک به نصف حالت اولیه، سختی دیوار حداقل 2 برابر شده و ضریب شکل پذیری آن بعد از مقاوم سازی تا 2 برابر افزایش می یابد. میزان انرژی جذب شده توسط سازه نیز به نسبت مساحت زیر دو نمودار بطور چشم گیری بیشتر خواهد بود. در نمونه ها، چه در حالت ضربدری و چه در حالت قائم با مقاوم سازی دیوار سختی الاستیک آن تقریبا 2 برابر شده و نوع تقویت تاثیر چندانی بر روی میزان افزایش سختی نداشته، سختی با هر نوع تقویت به یک میزان ثابت و مشخص افزایش یافته است. علت آن نیز تشابه کامل رفتار نمونه های تقویت شده تا جابجایی0/005(محدوده خطی الاستیک)می باشد. میزان انرژی جذب شده توسط نمونه ها نیز به مساحت زیر نمودار ظرفیت هر مدل بستگی داشته و در مقایسه نمونه های هم ارز تقویت قائم و ضربدری، سطح زیر نمودار مدلهای تقویت شده با ورق های ضربدری بیشتر است، بنابراین انرژی بیشتری از سازه را مستهلک می کنند.

نمودارهای پوش ظرفیت بدست آمده از مدل سازی نشان می دهد در تقویت دیوار آجری با الیاف پلیمری با آرایش قائم و ضربدری، حالت ضربدری در مقایسه با حالت قائم، با بکار گیری مقدار یکسانی از مصالح مقاوم سازی، ظرفیت بالاتری بدست می دهد.

از برآیند مطالعات بر روی مدل های انجام یافته چنین بر می آید که مناسب ترین و مقرون به صرفه ترین حالت مقاوم سازی یک دیوار باربر بنایی بدون بازشو با مود شکست خمشی و مساحت تقریبی یک متر مربع توسط الیاف CFRP و با در نظر گرفتن مقدار مصالح پلیمر مورد استفاده، مربوط به دولایه ورق بصورت ضربدری می باشد که در آن عرض هر نوار 100 میلی متر و ضخامت آن 0/13 میلی متر است و در یک طرف دیوار چسبانده شده است؛ در این حالت ظرفیت دیوار نسبت  مقاوم نشده تا 39 درصد افزایش می یابد.