یکی از مهم‌ترین کاربردهای الیاف پلیمری FRP استفاده برای مقاوم‌سازی تیرها و اعضای بتنی و صفحات جانبی تیر برای افزایش ظرفیت برشی تیرها می‌باشد. در سال‌های اخیر مطالعات و آزمایش‌ها وسیعی در عرصه استفاده از تقویت برشی سازه‌های بتنی به روش ” تسلیم بااتصال خارجی ” EBR صورت گرفته است که موجب پیشرفت‌های زیادی در آنالیز و مدل‌سازی این روش گردیده است.
یکی از متداول‌ترین روش‌های تقویت سازه‌های بتن آرمه، استفاده از ورق‌های تقویتی FRP جهت بالا بردن مقاومت خمشی وبرشی اعضاء بتنی می‌باشد. نسبت بالای مقاومت به وزن, مقاومت در برابر خوردگی و حمل و نصب آسان، مواد FRP را به‌عنوان گزینه‌ای موردتوجه در بسیاری از پروژه‌ها مطرح کرده است. مدول الاستیسیته ورق‌های FRP با بتن تفاوت زیادی دارد که این مسئله منجر به جداشدگی سریع صفحات تقویتی از سطح بتن می‌گردد. به‌طوری‌که اگر روش مرسوم آماده‌سازی سطحی EBR برای اتصال این صفحات به کار گرفته شود، استفاده از مقاومت نهایی ورق‌های FRP بسیار مشکل است. برای این منظور روش‌های جدیدی جهت تقویت تیرهای بتنی مطرح گردید که مؤثرترین این روش‌ها روش “نصب در نزدیک سطح “NSM که بر اساس ایده‌ی کار گذاشتن مصالح مقاوم کننده در شیارهای تعبیه‌شده در سطح تیرها شکل‌گرفته است.
این مقاله شرح برنامه آزمایشگاهی جهت آزمایش تیر بتنی RC 5در مقیاس واقعی و در شرایطی کاملاً کارگاهی جهت شناخت بهتر ظرفیت و رفتار تیرهای بتنی RCتقویت‌شده به روش NSM دربرش و مقایسه ظرفیت و رفتار این تیرهای تقویت‌شده با روش EBR را در این روش تقویت بیان نماییم. پارامترها و متغیرهای در نظر گرفته‌شده برای این آزمایش عبارت‌اند از:
نحوه پوشش و تقویت تیرهای RC و فاصله قرارگیری میلگردهای FRP و همچنین فاصله قرارگیری این میلگردها با در نظر گرفتن شرایط کارگاهی می‌باشد. همه تیرهای تقویت‌شده افزایش مقاومتی را نسبت به تیر کنترل از خود نشان دادند که به‌تفصیل در ادامه به آن خواهیم پرداخت.
برای انجام این آزمایش تیر بتنی RCبه طول 399mmو با مقطع عرضی مستطیلی و به ابعاد 349mm× 349mmشکل در نظر گرفته شد.
همگی تیرها توسط آرماتور طولی در بخش خمشی به نحوی طراحی و ساخت گردید که مکانیزم غالب شکست تیرها مکانیزه برشی گردد. برای همین منظور 4عدد میلگرد 24mmدر قسمت کششی تیر و 2عدد میلگرد 24mmدر بخش فشاری تیر استفاده گردید شکل . بخش برشی تیر که متشکل از دو ناحیه از خاموت فولادی بسته می‌باشد، ناحیه کنترل 3شکل مقطع Aکه نصف تیرها و ناحیه قوی 5شکل مقطع Bنصف دیگر تیرهای مورد
آزمایش را تشکیل می‌دهد علت این تقسیم‌بندی صرفه‌جویی در میزان میلگرد GFRPمصرفی در آزمایش می‌باشد. در این آزمایش تنها بخش کنترل تیرها با FRPتقویت‌شده و استرین گیج های کنترل در آن بخش نصب شد. طراحی صورت گرفته برای سیستم برشی تیر با توجه به دو ناحیه برشی تیر شامل خاموت بسته میلگرد 8mmدر فواصل 175mmدر ناحیه کنترل شکل مقطع Aو خاموت بسته میلگرد 12mmدر فواصل 75 mmدر ناحیه قوی شکل مقطع Bمی‌باشد. ضخامت بتن و پوشش‌های در نظر گرفته‌شده در شکل نشان داده‌شده است.
یکی از تیرها بدون تقویت و تیر دیگ 3ر در ناحیه ضعیف تقویت برشی شده‌اند. متغیرهای آزمایش عبارت‌اند از:
سیستم آزمایش : FRPتوجه این تحقیق به تقویت برشی تیر به روش NSMمی‌باشد لذا 2تیر به روش NSMتقویت‌شده و به‌منظور مقایسه بین این روش و روش تقویت خارجی EBRیکی از تیرها به روش پوشش دورتادور U-Warpو با توجه به آیین‌نامه‌های مربوطه با CFRP تقویت‌شده است.
زاویه قرارگیری میلگردهای NSMبا توجه به محور تیر : دو زاویه 09درجه Vertical Reinforcementو 54درجه جهت قرارگیری میلگردهای NSMدر نظر گرفته‌شده است.
فاصله قرارگیری میلگردهای : NSMفواصل قرارگیری میلگردهای NSMعبارتند از : 73 mmبرای میلگردهای 09درجه و 145 mmبرای میلگردهای 54درجه که همه این اندازه‌ها نسبت به محور تیر می‌باشد. نوع رزین مورداستفاده برای همه تیرها از یک نوع بوده و جزء متغیرها محسوب نمی‌گردد.
کدهای تیر متشکل از دو پارامتر بوده که قسمت اول نمایانگر نوع تقویت برشی که UWنمایانگر پوشش پوشَنی شکل توسط ورق CFRPو علامت NSنشان‌دهنده تقویت به روش NSMمی‌باشد. قسمت دوم بیانگر زاویه قرارگیری میلگردها و الیاف پلیمری می‌باشد.
سطح تیری که با روش EBRتقویت‌شده است کاملاً آماده‌سازی شده و خلل و فرج‌های باقی‌مانده نیز توسط بتونه اپوکسی پرشده و دوباره سطح آن پرداخت گردید تا سطحی کاملاً صاف و پرداخت‌شده و آماده جهت نصب ورق CFRPداشته باشیم. تیرهای که با میلگردهای NSM تقویت‌شده‌اند برای جاسازی میلگردها از شیارهای به عرض 29میلیمتر و عمق 59میلیمتر استفاده گردید که = bعرض شیار ، = aعمق شیار می‌باشد. قبل از جاسازی میلگردها نیز ابتدا سطح این شیارها کاملاً پرداخت گردیده و سپس با جاسازی میلگردهای 2میلیمتر آجدار GFRPدر داخل این شیارها توسط رزین پر گردید.
تیرها بر روی تکیه‌گاه ساده و تحت بارگذاری 5نقطه‌ای قرارگرفته و دهانه خالص بارگذاری 2699میلیمتر بوده و دهانه برشی در طرفین میلیمتر 999 می‌باشد. شکل سه عدد LVDTجهت ثبت میزان خیزهای ایجادی در وسط دهانه و dاز بر تکیه‌گاه در ناحیه کنترل و ناحیه قوی نصب‌شده است و جهت اعمال بارگذاری بر روی تیر از جک 99تنی با میزان تغییر مکان 0.02 mm/sاستفاده‌شده است.
مصالح تشکیل‌دهنده این آزمایش را می‌توان به بتن، آرماتور فولادی، آرماتور ،GFRPورق CFRPو رزین تقسیم‌بندی نمود.
مقاومت فشاری بتن استفاده‌شده در ساخت تیرها 29.23 Mpaنمونه مکعبی 4 x 4سانتی‌متر بوده و دارای مدول الاستیسیته 25410 Mpaمی‌باشد. آرماتورهای فولادی دارای مشخصات مقاومتی به شرح جدول 2بوده و دارای مدول الاستیستیه 211.3 Gpaمی‌باشد.
ویژگی‌های ساختاری میلگردهای FRPبر اساس آیین‌نامه .ACI440.3R-04بوده و میلگردهای استفاده‌شده در این آزمایش از نوع میلگردهای آجدار ساخت شرکت FiRePکشور سوئیس می‌باشد و دارای مشخصات به شرح جدول 3می‌باشد.
ورق‌های CFRPبه‌کاربرده شده در این تحقیق ساخت کارخانه Korea RE & Tکره می‌باشد که از نخ‌های کربن تریکای آمریکا استفاده نموده است و دارای مشخصات به شرح جدول 5می‌باشد.
نتایج آزمایش :
نتایج اصلی آزمایش در جدول شماره 4آورده شده و توضیحات مربوط به آن در ادامه بیان‌شده است. در این جدول در ستون اول نام تیرها، ستون دوم بار نهایی تحمل شده، ستون سوم باربرشی تحمل شده، در ستون چهارم درصد افزایش ظرفیت باربری نسبت به تیر کنترل و ستون پنجم میزان نیروی برشی تحمل شده توسط FRPبیان‌شده است
در مدت بارگذاری تیر کنترل، ترک‌های قطری در دهانه برشی در وسط تیر شروع‌شده و این ترک‌ها از بار اعمالی 299کیلونیوتن نمایان شده و با افزایش بارگذاری به تعداد ترک‌ها افزوده‌شده و هنگامی‌که به محدوده بارگذاری 289اری کیلو نیوتن رسیده ترک برشی از فاصله dاز بر تکیه‌گاه و با زاویه 54درجه شروع گشته و تا محل بارگذاری ادامه پیدا می‌کند.
در تیر NS45در ابتدا ترک‌های برشی به‌صورت ترک‌های در داخل رزین و با زاویه 54درجه ایجاد گشته و با افزایش بار اعمالی ترک‌های از ناحیه خمشی تیر به سمت دهانه برشی امتداد پیداکرده و با ادامه پیدا کردن این ترک‌ها با زاویه 54درجه تا زیر محل بارگذاری موجب شکست تیر گردید. این تیر به دلیل جدایش میلگردهای GFRPاز رزین احاطه‌شده و ترک برداشتن شیارهای ایجادی در بار 403.86کیلونیوتن دچار شکست
گردید.شکل .4 در تیر NS90که میلگردهای GFRPبه‌صورت قائم در داخل شیارها جاسازی‌شده بودند، تردی ایجادی به علت کمی فاصله‌ها موجب شده بود که در هنگام بارگذاری 249کیلونیوتن تقریباً هیچ ترکی در تیر نمایان نبوده و بعدازاین حد بارگذاری بود که اولین ترک‌ها در رزین استفاده‌شده
نمایان گردید. این ترک‌های ابتدایی در داخل شیارها و با زاویه 54درجه تشکیل و نرخ رشد آن‌ها به سمت محل بارگذاری پدیدار گشت. در محدوده بارگذاری بین 329-249کیلونیوتن ترک‌های از ناحیه خمشی تیر شروع‌شده و به سمت محل بارگذاری در حال پیشروی بودند. با افزایش بارگذاری مشاهده گردید که ترک‌های برشی وجه جانبی تیر در حال افزایش هستند ولیکن ترک‌های عمیقی در انتهای محل شیارهای ایجادی تشکیل می‌شود شکل .6bکه در امتداد d از محل اعمال بار می‌باشد.
بر اساس گزارش‌ها مندرج در جدول 2تمامی تیرهای تقویت‌شده نسبت به تیر کنترل افزایش مقاومت داشتند به‌طوری‌که در تیر UW90که توسط ورق‌های CFRPبه روش پوشش کامل تقویت‌شده بود افزایش /64درصدی در مقاومت و تیر NS45و NS90که با میلگردهای GFRPو آن‌هم به روش جاسازی در نزدیک سطح تقویت‌شده بودند افزایش مقاومت برشی 6 /9تا 0/23درصدی را از خود نشان داده‌اند . برای تقویت تیرها با ورق‌های CFRPبه‌صورت چسباندن ورق‌ها در سطح صاف تیرها EBRروش‌های مختلفی جهت طراحی وجود
دارد . جهت محاسبه میزان VFRPبرای تیر UW90استاندارد آمریکا و اروپا و از مدل Teng and Chenاستفاده‌شده است . که در آن‌ها میزان 28/8-54/4 VFRPکیلو نیوتن بیان‌شده است .
بر اساس نتایج میزان VFRPتیر 22/ 2 UW90کیلو نیوتن به‌دست‌آمده و با توجه به استفاده یک‌لایه از ورق CFRPو آن‌هم با دانسیته پایین ، تقریباً از 77درصد پتانسیل مقاومتی ورق‌های CFRPاستفاده‌شده است . درصد اختلاف موجود را با توجه به گسیختگی صورت گرفته در ورق‌های CFRP در آزمایش را می‌توان در عواملی چون شرایط ساخت کارخانه‌ای و نصب ورق‌ها دانست .
§در تیرها NS90و NS45زاویه قرارگیری میلگردها تفاوت نموده است به‌طوری‌که در NS90میلگردها به‌صورت قائم و در NS45با زاویه 54درجه جاسازی‌شده است که همین امر باعث شده تا با کاهش زاویه 09به 54مقاومت تیرها نیز کاهش پیدا کند ولی با کاهش مقاومت سختی نیز کاهش پیداکرده و موجب رفتار نرم‌تر تیر NS45نسبت به تیر NS90گشته است .
§فاصله قرارگیری میلگردها رابطه مستقیم با ظرفیت برشی تیرها دارد به‌نحوی‌که با کاهش فاصله میلگردها افزایش مقاومت و سختی و کاهش انعطاف‌پذیری را شاهد هستیم . به عبارتی با کاهش فواصل جاسازی ظرفیت و مقاومت افزایش پیدا می‌کند. در تیرهای NS90و NS45فاصله قرارگیری میلگردها باهم اختلاف زیادی دارند به عبارتی این فواصل تقریباً دو برابر هستند. در تیر S = 146 mm ،S = 73 mm ،NS90
§تیرهای آزمایش‌شده همان‌طور که اشاره شد در شرایط کاملاً کارگاهی ساخته‌شده‌اند و طی مقایسه صورت گرفته با نتایج آزمایش‌ها در دسترس که تیرهای مورد آزمایش آن‌ها در شرایط کاملاً آزمایشگاهی و ایدئال ساخته‌شده‌اند.در تیرهای NS90و NS45کاهش مقاومت 39تا 49درصدی و تیر UW90کاهش مقاومت 36درصدی مشاهده گشته است که نشان‌دهنده عملکرد تقریباً ضعیف روش NSMدر استفاده از ظرفیت
FRPدر شرایط واقعی می‌باشد. و درحالی‌که درروش EBRاین اختلاف کمتر می‌باشد.
با افزایش فاصله قرارگیری و تغییر زاویه قرارگیری میلگردها رفتار تیرهای تقویت‌شده همانند تیر کنترل‌شده و عملکردی شبیه تیر کنترل از خود نشان می‌دهند نمودار ، و این در حالی است که چنین رفتاری در تیر UW90مشاهده نمی‌شود.
اساس نتایج به‌دست‌آمده در این تحقیق جواب به سؤالات مطرح‌شده در مقدمه این تحقیق که مقایسه روش‌های مقاوم‌سازی دربرش می‌باشد.
نتیجه گیری:
- تیر تقویت‌شده با میلگردهای GFRPو به‌صورت قائم NS90بیشترین میزان افزایش مقاومت را در مقابل کمترین میزان جابجایی از خودمشان داده است. تردترین رفتار را داشته است.
- تیر تقویت‌شده با میلگردهای GFRPو با زاویه جایگذاری 54درجه جابجایی مناسب و افزایش مقاومت کمی را داشته است. نرم‌ترین رفتار را از خود نشان داده است.
- میلگردهای GFRPاستفاده‌شده به‌صورت 54درجه و در فواصل زیادتر، بیشتر کشیده شده و از ظرفیت بیشتری از آن‌ها استفاده‌شده است. به عبارتی اگر میلگردها در فواصل بیشتر از 73میلیمتر استفاده شود از ظرفیت مناسبی از میلگردها می‌توان بهره برد.
- تیر جکت شده UW90عملکرد مقاومتی و تغییر شکلی مناسبی از خود نشان داده است ولی افزایش مقاومت آن به‌اندازه تیر NS90نمی‌باشد.
- کنده شدن تکه بزرگ از وجه برشی تیر NS90نشان‌دهنده یکی از ضعف‌های بزرگ این روش در هنگام نزدیک کردن شیارها به هم می‌باشد، چون با نزدیک شدن شیارها به هم احتمال کنده شدن کلی این شیارها زیادتر می‌شود.
