مقاوم سازی ستون های بتن آرمه
با گذشت زمان و پیشرفت تکنولوژی ارتقای کیفیت زیرساختی ساختمان‌ها نیز مورد توجه قرار گرفته است. ضعف و خرابی در دال‌ها، ستون های بتن آرمه ، تیرها و … تحت تأثیر عواملی مانند ضعف در اجرا یا طراحی، بالا رفتن سن سازه، تغییر کاربری و افزایش بارگذاری و یا حوادثی همچون زلزله می‌باشد.
سازه‌ها با روش‌های مختلفی مقاوم‌سازی می‌شوند. دیوارهای برشی، قاب‌های مقاوم خمشی، مهاربندهای برون محور فولادی هرکدام ویژگی گسیختگی خاص خود را دارند. یکی از روش‌های نسبتاً جدید تقویت اجزاء بتنی، محصورشدگی مناطق تحت تنش و برش با CFRP، GFRP و AFRP. این روش تقویت به علت خصوصیات مواد کامپوزیتی نظیر وزن سبک، رفتار الاستیک خطی تا نقطه گسستگی، مقاومت کششی و خستگی خیلی بالا، مدول الاستیسیته بالا، خواص ضد خوردگی و سهولت انطباق با هندسه المان‌های تقویت‌شده و … خیلی مرسوم گردیده‌اند. بکار بردن سیستم سازه‌های بتنی پیش‌تنیده راه‌حلی برای نداشتن ترک‌های دائمی، کاهش وزن سازه، داشتن دهانه‌های بزرگ و داشتن معماری خاص در سازه می‌باشد.
پیش‌تنیده کردن مواد کامپوزیتی راه‌حل اساسی جهت افزایش ظرفیت باربری و استفاده مطلوب از ورق‌های CFRP است. می‌توان از FRP های پیش تنیده در تقویت سازه‌های موجود و بستن ترک‌های ایجاد شده در سازه‌های موجود نیز استفاده کرد. اتلاف انرژی و سلسله مراتب شکست دو فاکتور مهم در عملکرد لرزه‌ای ساختمان‌های بتنی می‌باشد.
در بسیاری از ساختمان‌ها که براساس آیین‌نامه‌های قدیمی طراحی شده‌اند مفصل‌های پلاستیک در نزدیکی اتصالات و در بر ستون تشکیل می‌گردد که می‌تواند منجر به ناپایداری کلی در سازه‌ها گردد .به همین دلیل در بسیاری از آیین‌نامه‌ها پیشنهاد شده است که اصل ستون قوی-تیر ضعیف به منظور انتقال مفاصل پلاستیک از بر ستون‌ها مد نظر قرار گیرد .طی دهه‌های اخیر، تحقیقات گوناگونی باهدف انتقال مفاصل پلاستیک به داخل تیر و بهبود عملکرد لرزه‌ای ساختمان‌های بتن آرمه صورت پذیرفته است .اما بیشتر این روش‌ها، مانند افزودن المان به سازه و یا بهبود جزئیات آرماتوربندی تیرها، تنها می‌تواند برای ساختمان‌های در حال احداث استفاده شود.
اجزای تشکیل‌دهنده FRP
در مواد مرکب پلیمری عموماً سه ناحیه متمایز شامل فاز پیوسته (ماتریس)، فاز ناپیوسته (تقویت‌کننده) و لایه مرزی بین این دو فاز وجود دارد که تعیین‌کننده خواص و مشخصه‌های ماده مرکب می‌باشد. الیاف، نقش اصلی در مقاومت و مشخصات مکانیکی ماده مرکب دارد. ماتریس، نقش توزیع بار بین الیاف و محافظت آن در برابر عوامل محیطی دارد.
عوامل اصلی مؤثر در خواص فیزیکی کامپوزیت‌های FRP عبارتند از :
- خواص مکانیکی الیاف
- آرایش الیاف
- طول و جنس الیاف
- درصد ترکیب الیاف
- خواص مکانیکی ماتریس پلیمری
- چسبندگی و پیوند الیاف و ماتریس
استفاده از صفحات فولادی روشی بسیار رایج در مقاوم‌سازی سازه‌های بتن مسلح بوده است که این تکنیک برای پل‌ها و ساختمان‌ها و سطوح کششی و فشاری بتن بکار میرفته است. معایب این روش عبارت بودند از: 1). تخریب اتصال در حمل اتصال فولاد به بتن به دلیل خردگی فولاد 2). دشوار بودن کارکردی با صفحات در محل ساخت 3). ایجاد اتصالات نامناسب با توجه به محدودیت در حمل‌ونقل صفحات طویل. این معایب منجر به جایگزینی صفحات FRP بجای صفحات فولادی شد. صفحات FRP همچنین به طور گسترده جهت مقاوم‌سازی ستون‌ها توسط دور پیچ کردن استفاده می‌شوند.
محصورشدگی
محصور شدن بتن از روش‌های بسیار مؤثر در بالا بردن کرنش شکست و افزایش مقاومت و همچنین جذب انرژی است. طبق پژوهش‌های صورت گرفته، نمودار تنش – کرنش محوری شکل 1 به دست آمده است که همان‌گونه که قابل مشاهده است، با استفاده از پوشش CFRP در ازای با 1200 کیلو نیوتن، کرنش شکست به 5/2 % می‌رسد. در صورتی که در ستون بتن مسلح فاقد پوشش در ازای بار تقریباً 1000 کیلو نیوتن کرنش شکست تقریباً به 2% می‌رسد.
برای مدلسازی و صحت سنجی ستون بتن آرمه از آزمایشات انجام شده استفاده شده است. رفتار ستون‌های بتنی با ابعاد و درصد آرماتورهای مختلف که با پوشش‌های کامپوزیتی تقویت‌شده‌اند تحت بارگذاری فشاری بررسی گردید و نتایج حاصله مبنی بر افزایش مقاومت و ظرفیت باربری می‌باشد و برای بررسی عملکرد ستون تقویت شده با پوشش‌های کامپوزیتی در برابر بار جانبی مدل مفروض طبق آیین‌نامه ATC-24 تحت بارگذاری چرخه‌ای قرار گرفته و منحنی چرخه‌ای در دو حالت با پوشش و بدون پوشش ترسیم شده است.
شکل 1 : توزیع تنش فون میزز ستون بتن مسلح به همراه پوشش CFRP
شکل 2 : توزیع کرنش پلاستیک ستون بتن مسلح با پوشش CFRP
شکل 3 : منحنی بار محوری –کرنش محوری ستون بتن مسلح
نتایج
با توجه به نتایج قابل مشاهده در منحنی بار محوری –کرنش محوری ستون که نتیجه حاصل از مدلسازی در نرم‌افزار اباکوس مطابقت خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد و در کل افزایش ظرفیت باربری ستون تقویت شده با دولایه CFRP را نشان می‌دهد، حداکثر بار قابل تحمل مدل فاقد پوشش تقریباً 96KN بوده است و وقتی نمونه توسط دو لایه تقویت می‌شود، حداکثر بار قابل تحمل به 120KN افزایش می‌یابد. یعنی در حدود 25 درصد افزایش ظرفیت باربری را به همراه دارد و افزایش کرنش محوری مبین افزایش شکل‌پذیری و جذب انرژی می‌باشد.
رفتار تک محوری بتن در فشار به دلیل وجود و گسترش ترک‌های ریز معمولاً به صورت غیر خطی می‌باشد تا زمانیکه بار وارده به بتن کمتر از 31 درصد ظرفیت باربری آن باشد ترک‌های موجود نسبتاً پایدار بوده و گسترش نمی‌یابند، بنابراین رفتار بتن در این ناحیه خطی است با افزایش بار تا نقطه‌ی ماکزیمم این ترک‌های موئی رشد کرده و سختی بتن را کاهش می‌دهند و موجب رفتار غیرخطی می‌شوند .افزایش ترک‌های مویی سبب انبساط حجمی و افزایش حجم بتن می‌گردند .پس از نقطه‌ی ماکزیمم ترک‌های موئی در داخل ملات افزایش یافته و سرانجام در هنگام خرابی ترک‌های موجود در ملات و ترک‌های انتقال به هم متصل گشته و سبب تخریب نمونه می‌گردند. منحنی تنش –کرنش فشاری بتن پس از نقطه‌ی اوج شیب نزولی دارد که بیانگر سختی و انعطاف‌پذیری کم و از دست رفتن پایداری در این منطقه است .که استفاده از ورق‌های FRP ضمن ایجاد محصورشدگی و افزایش ظرفیت جذب بار، باعث افزایش شکل‌پذیری و جلوگیری از شکست ناگهانی عضو می‌شوند.
منابع
- ارزیابی عملکرد ستون بتن مسلح تقویت‌شده با ورق‌های FRP در برابر بارگذاری جانبی، علی نیکخو، سمیرا زنجانی، کنفرانس بین المللی عمران، معماری، مدیریت شهری و محیط‌زیست در هزاره سوم، شهریور 1395.
- نشریه 345 ،”راهنمای طراحی و ضوابط اجرایی بهسازی ساختمان‌های بتنی موجود با استفاده از مصالح تقویتی FRP، 1385.
