بررسی شکل پذیری و رفتار لرزه ای ساختمانهای بتن مسلح با اعضاء محصور شده با FRP

1.علت تقویت و بهسازی

امروزه تقویت و بهسازی سازههای موجود بخش اعظم فعالیتهای ساختمانی را به ویژه در کشورهای پیشرفته تشکیل می‌دهد. وجود ضعف اولیه در طراحی و اجرا، تغییر کاربری برخی سازه ها و افزایش بارهای وارده و همچنین کاهش سطح عملکرد سازه های بتن مسلح به علت گذشت زمان و زوال بتن از دلایل نیاز به بهسازی و تقویت سازه های بتن مسلح می‌باشند

روشهای مختلفی جهت مقاوم سازی سازه های بتن مسلح وجود دارد که در این بین استفاده از پوششFRP یکی از بهترین و موثرترین روشها است. درسال ۱۹۰۶ میلادی نخستین مطالعات پیرامون تاثیرمحصورشدن بتن دربهبودباربری آن توسط کنسایدر صورت پذیرفت

محصورسازی اجزا بتن مسلح با پوشش پیرامونی FRP باعث بهبود رفتارتنش- کرنش بتن و افزایش مقاومت، سختی و کرنش نهایی آن می‌گرددکه درنهایت باعث بهبود عملکرد لرزه‌ای سازه خواهد شد. در پژوهش حاضر، ابتدا مکانیسم محصورشدگی، رفتار بتن محصورشده و عوامل موثر بر این رفتار مورد بررسی قرار گرفته‌است. در ادامه شش ساختمان بتن مسلح پنج طبقه در حالت بدون تقویت و تقویت شده با FRP مورد بررسی قرار گرفته‌اند. برای انجام تحلیل لرزه‌ای ازنرم افزار Seismostruct که قابلیت درنظرگرفتن خصوصیات بتن محصور شده با FRP ر ادارا می‌باشد، بهره گیری شده‌است. تاثیر شکلهای مختلف محصورشدگی سازه با FRP و رفتار لرزه‌ای آن با اعمال حداکثر شتابهای مختلف زمین (PGA)به سازه مورد بررسی قرار گرفته‌است. قبل از انجام تحلیلها به منظور بررسی و ارزیابی دقت نرم افزار در تحلیل غیرخطی ساختمانهای بتن مسلح، یک نمونه آزمایشگاهی که نتایج آن موجود می‌باشد با کمک نرم افزار مدل‍‍‍‍‍‌‌‍‌سازی و با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده‌است. که در ادامه به طور مشروح ذکر خواهد شد.

2.رفتار تنش- کرنش بتن محصورشده با FRP

1.2.رفتار بتن تحت بار محوری یکنوا

 در بتن محصور شده با FRP به دلیل مقاومت روپوشهای پیرامونی در برابر انبساط جانبی بتن، به این روپوشها تنش کششی و به بتن تنش فشاری اعمال می‌شود. که این تنش فشاری جانبی باعث افزایش مقاومت فشاری بتن و همچنین کرنش نهایی آن می‌گردد. در شکل (۱ )مکانیسم محصور شدگی بتن نشان داده شده‌است.

با  توجه به شکل (۱) و تعادل تنشها، تنش محصور کننده شعاعی r δ  از رابطه زیر بدست میاید

که در آن  δ h  تنش محیطی  ( تنش در ماده محصور کننده ) وt ضخامت ماده محصور کننده و R شعاع نمونه بتنی می‌باشد.

 E frpمدول الاستیسیته

 εh کرنش محیطی ماده محصور کننده

لذا تنش فشاری جانبی از رابطه 3 بدست می‌آید

با افزایش تنش محوری، انبساط جانبی و به تبع آن فشار جانبی محصور کننده بتن افزایش می‌یابد و این عمل ادامه می‌یابد تا این که ماده 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 و اگر ماده محصور کننده FRP باشد، گسیخته شده و تنش جانبی به صفر می‌رسد شکل (۲ )به صورت شماتیک رفتارتنش-کرنش بتن معمولی و محصور شده را نشان می‌دهد.

عوامل مختلفی در رفتار بتن محصور شده موثر است که از بین آنها می‌توان به مقدار و جنس FRP ، مقاومت هسته بتنی، شکل مقطع و مقدار فولادهای عرضی به کاررفته در مقطع اشاره کرد. مدلهای مختلفی توسط محققان مختلف برای بیان این رفتار با در نظر گرفتن تمام یا بخشی از پارامترهای ذکر شده ارائه شده‌است که از آن جمله میتوان به مدل زیا او و وو  و مدل وو و لو اشاره کرد

2.2.رفتار بتن محصور شده تحت بار جانبی رفت و برگشتی

آزمایشهای مختلفی برای بیان رفتار بتن محصور شده تحت بار رفت و برگشتی انجام شده‌است. در این آزمایشها تاثیر عوامل مختلف از جمله اثر تعداد لایه های frp مقدار بار محوری و اثر مقاومت بتن در نظر گرفته شده‌است.

نتایج کلی این آزمایشها به صورت خلاصه به شرح زیرمی‌باشد

1.هر چه تعداد لایههای FRP استفاده شده بیشترباشد افزایش مقاومت ستون بیشتر خواهد بود

2.هر چه مقدارFRP استفاده شده جهت محصور سازی ستون بیشترباشد نرمی و شکل پذیری ستون افزایش پیدا می‌کند

3.هر چه بار محوری ستون بیشترباشد نرمی و شکل پذیری کمتری داشته و در اثربار جانبی، زودتربه گسیختگی خواهد رسید.

3.مدلسازی یک نمونه آزمایشگاهی با کمک نرم افزار STRUCT SEISMO و ارزیابی نتایج

در این بخش یک ستون بتن مسلح تقویت شده با FRP که در سال ۲۰۰۲ توسط شمیم و شیخ مورد آزمایش قرار گرفت، مدلسازی می- شود. ابعاد و مشخصات این ستون در شکل (۳ )موجود است. این ستون با استفاده از یک لایه پوشش CFRP به ضخامت ۵/۰ میلیمتر در پیرامون ستون تقویت شد و الیاف کامپوزیت به صورت عرضی و عمود بر محور طولی ستون به دور ستون پیچیده شده بود. چون در ساختمانهای واقعی تمام ستونها دارای بار محوری نیز هستند، در هنگام آزمایش نیروی محوری به میزان ۲۷ درصد کل ظرفیت ستون به آن اعمال می‌شد.

در شکل ۴پوش نمودار تاریخچه زمانی لنگر- انحنا برای نتایج حاصل از تحلیل و نتایج آزمایشگاهی ترسیم شده‌است که با توجه به اینکه رفتار بتن در ناحیه غیرخطی مورد بررسی قرار گرفته و عدم قطعیت رفتاربتن به دلیل ماهیت آن، انطباق نسبتا خوبی بین نتایج تحلیل و آزمایش مشاهده می‌گردد ونشان دهنده دقت بالای نرم افزار در مدلسازی وتحلیل بتن محصور شده با FRP می‌باشد.

4.ساختمان های مورد بررسی

برای تحلیل سعی شده تا رفتار ساختمانهای بتن مسلح معمولی و رایج مورد بررسی قرار گیرد. به همین جهت در ابتدا یک ساختمان پنج طبقه بتنی مسلح با قاب خمشی متوسط و سقف تیرچه بلوک با ضوابط بارگذاری آییننامه ۵۱۹ ایران و همچنین بارگذاری لرزهای آییننامه ۲۸۰۰ زلزله ویرایش سوم و ضوابط آییننامه طراحی ساختمانهای بتنی ایران (آبا) طراحی شده و سپس با حالتهای مختلف تقویت با FRP مورد بررسی قرار می‌گیرد.در شکلهای (۵ )و (۶ )این ساختمانها نمایش داده شد است.

در این ساختمانها با اعمال زلزله طبس شکل (۷ ) که برای مقادیر مختلف شتاب حداکثر زمینPGA   مقیاس شده‌است تحلیل دینامیکی غیرخطی انجام می‌شود. خروجیهای تحلیل شامل تغییرمکان حداکثربام، برش پایه، نمودار تاریخچه زمانی تغییرمکان حداکثر بام- برش پایه، تغییرمکان حداکثر طبقات، برش طبقات و تغییرمکان نسبی طبقات می‌باشد.

با توجه به نتایج به دست آمده از تحلیلها موارد زیرقابل مشاهده است

1.در زلزله با حد اکثر شتاب زمین کم (۳٫۰, ۲٫۰=PGA ( تمام ساختمانها با و بدون تقویت، در برابر بارهای وارده مقاوم بوده و رفتار تقریبا یکسانی از خود نشان می‌دهند

2.ساختمانNS-۵ که سازه بدون تقویت است، در زلزله با حداکثر شتاب زمین (۷٫۰=PGA ( قابلیت تحمل بارهای وارده را نداشته و فرو می‌ریزد. به این معنی که تعداد و محل مفاصل پلاستیک ایجاد شده در سازه به نحوی است که دیگر توان تحمل بار جانبی را نداشته و تغییرمکان آن به سمت بینهایت میل می‌کند

3.مشاهده می‌شود ساختمان بدون تقویت( (NS-۵  و همچنین ساختمان( (FS-۵  که در آن ستونهای طبقه اول و دوم به وسیله محصورشدگی با FRP تقویت شده‌اند، هنگامی که در معرض زلزله با ۸۵٫۰=PGA واقع می‌شوند توان تحمل نیروهای وارده را نداشته و تخریب می‌گردند. سایر سازهها گرچه تغییرمکانهای بسیار بزرگی را از خود نشان می‌دهند، اما زلزله را بدون فروپاشی تحمل می‌کنند. در بین ساختمانهایی که زلزله با حداکثر شتاب ۸۵٫۰=PGA تحمل کردهاند CS-۵ و BCS-۵ و PS-۵ و JS-۵ ، سازه PS-۵  که در آن ستونهای محیطی تقویت شده بودند، رفتار نامناسبتری نشان داده و تغییرمکانهای آن بیشتر از سایر سازهها می‌باشد. این مطلب نشان می‌دهد که تقویت سازه کافی نبوده و در مقایسه با سایرروشهای تقویت، نامناسب می‌باشد. در شکل (۱۰ ) این مطلب قابل مشاهده‌است

4.رسم نمودار رفتار هیسترزیسی یک سازه که در آن، تغییرات برش پایه در مقابل تغییر مکان بام به نمایش درآمده‌است می‌تواند به خوبی رفتار کلی سازه را در بارگذاریهای لرزهای مشخص نماید. به طوریکه میتوان توسط این نمودارها مقادیر حداکثر برش و تغییرمکان و تغییرات سختی سازه را مشاهده نمود. بر این اساس در شکل (۹ ) رفتار هیسترزیسی سازههای FS-۵ و BCS-۵ ترسیم شده‌است. همان- طور که در شکل (۹ )  مشاهده می‌شود، استفاده از FRP بیشتر در سازه BCS-۵   قابلیت جذب و اتلاف انرژی را افزایش داده به طوریکه سازه FS-۵ در حین زلزله ناپایدار شده و فرو می‌ریزد اما سازه BCS-۵ زلزله را تا انتها تحمل می‌کند.

5.نتایج

تغییر رفتار بتن محصور شده با FRP که باعث افزایش مقاومت و شکل پذیری آن می‌گردد در عملکرد لرزهای ساختمانهای بتن مسلح حائز اهمیت است. به نحوی که سازه بدون تقویتی که در زلزله شدید تخریب می‌شود، می‌تواند با محصور شدگی به وسیله FRP همان زلزله را بدون فروپاشی تحمل کند. با این توضیح در این پژوهش سعی گردیده تا ضمن آشنایی با رفتار بتن محصور شده، تاثیر محصور شدگی در کاهش تغییر مکان و برش پایه مورد بررسی قرار گیرد

با توجه به نمودارها و نتایج تحلیل که در قسمت قبل ارئه شده‌است، نتایج زیرقابل استنباط است

1.محصور کردن ساختمانهای بتن مسلح با FRP می‌تواند در هنگام زلزله حداکثر تغییر مکان بام و برش پایه را برای ساختمانهای تحلیل شده، بین ۱۰ تا ۱۵ درصد کاهش دهد که این میزان بستگی به شکل ونحوه محصور شدگی دارد

2.با توجه به جدول (۲ )برای ساختمان پنج طبقه که در آن مقدار FRP مصرف شده در هر ساختمان و میزان کاهش تغییر مکان بام برای زلزله طبس با حداکثر شتاب برابر شتاب مبنای طرح ۳g.۰=PGA درج شده‌است، مشاهده می‌شود اقتصادی ترین حالت که اثر بخشی مناسبی هم دارد، کاربرد FRP در محل اتصالات تیر و ستون می‌باشد که تغییر مکان حداکثر بام به میزان ۶/۹ درصد کاهش پیدا کرده‌است و در مقایسه با سازه CS-۵ ،۶/۱۲ درصد و در مقایسه با سازه BCS-۵ ، ۹/۶۹ در صد در مصرف FRP صرفه جویی می‌شود.

3.استفاده از تکنیک محصور شدگی در تقویت ساختمانهای بتن مسلح باعث افزایش شکل پذیری و قابلیت استهلاک انرژی سازه می‌گردد و رفتار سازه را در محدوده غیر خطی و تغییر شکلهای بزرگ بهبود می‌بخشد. به نحوی که ساختمان بدون تقویت که در یک زلزله خاص تحمل نیروی زلزله و تغییر شکلهای بزرگ را نداشته‌است، در حالتی که با تکنیک محصور سازی به شکل مناسب تقویت شود می‌تواند قابلیت تحمل نیروی زلزله و تغییر شکل های بزرگ را داشته باشد.