چسبندگی بتن و آرماتور در روش NSM

پیوستگی بتن و آرماتور در روش NSM FRP

1– مقدمه

برقراری پیوستگی مطلوب میان مصالح تقویت کننده و سازه‌ی اصلی را می‌توان مهم‌ترین چالش فرا روی تمام سیستم‌های تقویت با FRP به حساب آورد. از آن جا که پیوستگی، عامل انتقال تنش از بتن به FRP می‌باشد یک فاکتور بسیار مهم و بحرانی محسوب می‌شود که عملکرد سازه ای اعضای تقویت شده با FRP را کنترل می‌کند و هرگونه نقص در عملکرد آن باعث جداشدگی زودرس عامل تقویت کننده می‌شود و از بسیج شدن کامل ظرفیت مصالح تقویت کننده ممانعت به عمل می‌آورد. جداشدگی مسلح کننده های FRP معمولاً به صورت ناگهانی اتفاق می‌افتد و این شکست‌ها همواره ترد و همراه با کاهش قابل توجه در شکل پذیری عضو تقویت شده می‌باشند. بنابراین درک کامل و درست از ویژگی‌های پیوستگی مسلح کننده های FRP به منظور مقاوم سازی و ترمیم موفق سازه­های بتنی بسیار ضروری می‌باشد [Hassan and Rizkalla, 2006]. در این فصل ابتدا معرفی مختصری از انواع آزمایش‌های پیوستگی به عمل می‌آید و در ادامه نیز رفتار پیوستگی روش NSM و مطالعات صورت گرفته در این زمینه بیان می‌گردد.

2- انواع آزمایش‌های پیوستگی

1-2- آزمایش بیرون کشیدگی

آزمایش بیرون کشیدگی (شکل 3-1) قدیمی‌ترین، ساده‌ترین، ارزان‌ترین و سریع­ترین روش برای تعیین تنش پیوستگی است. در این ‌آزمایش، آرماتور در یک نمونه­ی بتنی به شکل استوانه یا مکعب قرار داده می‌شود و سپس در حالی که بتن در جای خود ثابت نگه داشته شده است، آرماتور به سمت خارج کشیده می‌شود. از آن جا که آرماتور تحت کشش قرار دارد و بتن تحت فشار، کرنش نسبی به وجود آمده سبب ایجاد لغزش نسبی می‌گردد.

این آزمایش می‌تواند مقایسه­ی خوبی میان مقاومت پیوستگی و طول‌های گیرایی متناظر ارائه دهد. با این حال، این آزمایش، تنش پیوستگی را بیشتر از تنش پیوستگی واقعی که دریک تیر خمشی ایجاد می‌شود، نشان می‌دهد. دلیل این امر را می‌توان به ایجاد فشار طولی در بتن و قید اصطکاکی ایجاد شده توسط صفحه­ی تکیه‌گاه^[1] نسبت داد. بنابراین می‌توان گفت، اگرچه آزمایش بیرون­کشیدگی، ساده‌ترین روش برای مطالعه­ی اثر پارامترهای مختلف بر پیوستگی می‌باشد-همان­طور که در ASTM C234-91a [1991] اشاره شده است- این روش آزمایشگاهی برای تعیین مقادیر پیوستگی برای اهداف طراحی مناسب نیست.

آزمایش بیرون کشیدگی توسط بسیاری از محققان برای مطالعه اثر پارامترهای مختلف بر مقاومت پیوستگی مورد استفاده قرار گرفته است. در این آزمایش برای ایجاد تنش‌های پیوستگی یکنواخت در طول آرماتور از طول‌های گیرایی کوتاه استفاده می‌گردد که به آن پیوستگی موضعی^[2] گفته می‌شود.

2-2– آزمایش کششی

از آزمایش کششی برای مطالعه مکانیک پیوستگی بین بتن و آرماتور استفاده می‌شود. نمونه‌های مورد آزمایش شامل یک آرماتور قرار داده شده در استوانه یا مکعب می‌باشند (شکل 3-2) که تحت اثر کشش محوری اعمال شده در دو سر آرماتور قرار می‌گیرند. با کمک این آزمایش می‌توان رابطه­ی بین لغزش آرماتور با تنش پیوستگی و نحوه­ی شکل‌گیری ترک‌ها را مشخص کرد. هم­چنین این آزمایش قادر است رفتار تیرهای بتنی مسلح بین دو ترک اولیه را شبیه سازی کند[Mirza et al, 1979] .

Goto و Yukimasa [1971] از این آزمایش برای مطالعه­ی رشد انواع مختلف ترک‌ها در اطراف آرماتور کششی استفاده کردند. تنش پیوستگی ایجاد شده در این آزمایش، پیوستگی سازگاری نامیده می‌شود؛ زیرا این تنش از شرایط سازگاری حاصل می‌شود.

3-2- آزمایش تیری

آزمایش تیری (شکل 3-3) به صورت اعمال خمش چهار نقطه‌ای بر نمونه­ی تیر وصله شده انجام می‌شود که از آن برای تعیین مقادیر مقاومت پیوستگی در طول وصله، به منظور اهداف طراحی سازه‌ها استفاده می‌شود. این آزمایش نسبت به آزمایش بیرون­کشیدگی دارای قابلیت اعتماد بیشتری است؛ زیرا اثر ترک‌های خمشی را نیز نشان می‌دهد. این در حالی است که این آزمایش نسبت به آزمایش بیرون­کشیدگی، گران‌تر و زمان برتر است. همچنین تفسیر نتایج حاصل از آزمایش­های تیری نسبت به نتایج حاصل از آزمایش­های بیرون­کشیدگی مشکل‌تر است. در این آزمایش، مقاومت پیوستگی بین بتن و آرماتور در تیرها، در ناحیه‌ای که لنگر ثابت است مورد مطالعه قرار می‌گیرد. در ناحیه‌ای که لنگر متغیر است، تنش‌های برشی موجود، مقاومت پیوستگی را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

همان‌طور که گفته شد، مقاومت پیوستگی حاصل از آزمایش­ها به نوع آزمایش پیوستگی بستگی دارد. Clark [1946] نشان داد که نتایج آزمایش تیری و بیرون کشیدگی با یکدیگر تفاوت چشم‌گیری ندارند. این در حالی است که Ferguson و همکاران [1954] نشان دادند، مقاومت پیوستگی حاصل از آزمایش بیرون­کشیدگی، به میزان ده درصد از آزمایش تیری بیشتر است.

نتایج آزمایش­های انجام شده توسطMathey  وWatstein  [1961] نشان می‌­دهد، تنش پیوستگی نهایی در نمونه‌های بیرون کشیدگی با مقادیر حاصل از نمونه‌های تیری که در آن‌ها از فولاد­گذاری با اندازه­ی کوچک (Φ4) استفاده شده تفاوتی ندارند، اما در مورد آرماتورهای بزرگ‌تر (Φ6) این امر صادق نیست.

4-2- آزمایش تیری طره‌ای

Kemp و همکاران [1968] برای غلبه بر برخی مشکلات مربوط به ‌آزمایش بیرون کشیدگی، آزمایش تیری طره‌ای را توسعه دادند. مزیت این آزمایش بر آزمایش تیری در این نکته است که نمونه‌های آزمایش طره‌ای نسبت به نمونه­های آزمایش تیری ارزان‌تر و کوچک‌تر است. از جمله معایب این روش می‌توان به این مطلب اشاره کرد که برای یک طول معین، طول بیشتری از بتن تحت اثر شکاف قرار دارد (نسبت به آنچه در اعضاء واقعی وجود دارد). این امر سبب می‌شود مقاومت پیوستگی ظاهری بسیار بزرگ‌تر گردد. اشکال دیگر این روش، فشار محصور کننده‌ای است که بر آرماتور توسط عکس‌العمل تکیه‌گاهی اعمال می‌شود.

3- رفتار پیوستگی روش NSM

عملکرد پیوستگی روش NSM به پارامترهای مختلفی نظیر ابعاد شیار و میله، مقاومت کششی بتن، نوع مصالح FRP، نوع چسب، شکل سطح مقطع FRP، آماده سازی سطحی شیار و درجه‌ی زبری سطح شیار بستگی دارد. تحقیقات کمی جهت بررسی عملکرد پیوستگی روش NSM-FRP در بتن و فاکتورهای مؤثر بر آن انجام شده است. رایج‌ترین نوع آزمایش‌های پیوستگی که می‌تواند به منظور بررسی عملکرد پیوستگی روش NSM مورد استفاده قرار گیرد، آزمایش بیرون کشیدگی مستقیم می‌باشد [Soliman, 2008].

آزمایش‌های پیوستگی، حالت­های مختلف شکست پیوستگی در سیستم NSM را مطابق (شکل 4) نشان می‌دهد [De Lorenzis et al, 2007].

Yan  و همکاران [1999]  آزمایش‌های بیرون کشیدگی بر روی آرماتورهای NSM-CFRP را با استفاده از بلوک‌های بتنی با ابعاد 203×152×152 میلی­متر مکعب و دارای شیار در دو وجه مخالف، انجام دادند. پارامتر آزمایش، طول پیوستگی بود. آن‌ها دو مود شکست مختلف را ثبت کردند. نمونه­های با طول پیوستگی کوتاه­تر به دلیل گسیختگی بتن در لبه‌ی بلوک دچار شکست شدند و در نمونه های با طول پیوستگی بزرگ‌تر، شکست در سطح تماس آرماتور FRP و اپوکسی اتفاق افتاد.

آزمایش بیرون کشیدگی دیگر توسط [2000] Warren انجام شد. بلوک‌های بتنی با ابعاد 300×150×150 میلی­متر مکعب ساخته و شیارهایی در دو وجه مخالف بلوک‌ها ایجاد شد. آرماتورهای CFRP با سطح ماسه پاشی شده و مصالح پر­کننده‌ی اپوکسی مورد استفاده قرار گرفت. نیمی از نمونه‌ها در دمای اتاق و نیمی دیگر قبل از آزمایش به مدت سه روز در دمای 60 قرار گرفتند. مشاهده شد که نمونه­های قرار گرفته در دمای اتاق به دلیل شکاف برداشتن بتن دچار شکست شدند در حالی که برای نمونه­های قرار گرفته در معرض شرایط محیطی، شکست در سطح تماس بتن- اپوکسی اتفاق افتاد. در دو پژوهش فوق، در مجموعه‌ی سیستم انجام آزمایش یک مشکل وجود داشت. این مشکل، یک خروج از مرکزیت کوچک بین شیارها یا محل قرارگیری آرماتورهای FRP در روی دو وجه مخالف بلوک بود که به آسانی می‌توانست موجب ایجاد اثرات خمشی شود و به دنبال آن رفتار پیوستگی و بار نهایی نمونه‌ها را تغییر دهد. برای غلبه بر این مشکل، De Lorenzis و  Nanni [2002] آزمایش‌های بیرون کشیدگی تیری بر روی آرماتورهای دندانه­دار و ماسه پاشی شده‌ی CFRP و GFRP با طول پیوستگی و اندازه‌ی شیارهای مختلف انجام دادند. نمونه‌ها تیرهای بتنی غیر مسلح با مقطع T شکل وارونه و دارای یک مفصل فولادی در بالا و یک شیار در پایین بودند که هر دو در وسط دهانه قرار داشتند. هر تیر یک آرماتور NSM-FRP داشت که در وجه کششی و در راستای محور طولی تیر قرار گرفته بود. دو مود شکست مشاهده شد: شکاف برداشتن اپوکسی با یا بدون ترک خوردن بتن اطراف شیار برای آرماتورهای دندانه دار و بیرون کشیدگی در سطح تماس میله- اپوکسی برای میله های با سطح ماسه پاشی شده.

اگرچه این آزمایش از مسئله‌ی خروج از مرکزیت ایجاد شده در آزمایش‌های بیرون­کشیدگی مستقیم جلوگیری می‌کند با این حال برخی محدودیت‌های اجرایی نیز دارد: ابعاد نمونه به کوچکی نمونه های تست‌های بیرون کشیدگی مستقیم نمی‌باشد؛ ساختار نمونه‌ها اجازه‌ی مانیتورینگ لغزش انتهای بارگذاری شده را نمی‌دهد؛ انجام این آزمایش برای مود کنترل شده توسط لغزش، امکان پذیر نیست [51]. برای غلبه بر مشکلات فوق، De Lorenzis و همکاران [2002] ، 36 نمونه‌یC  شکل بتنی را به منظور بررسی مکانیک پیوستگی بین میله های FRP و بتن مورد آزمایش بیرون کشیدگی قرار دادند. نمونه‌ها یک شیار مربعی پیش ساخته با سطح شیار صاف جهت قرارگیری میله­های NSM-FRP داشتند. متغیرهای آزمایش عبارت بودند از: مصالح پر کننده‌ی شیار (اپوکسی و چسب‌های سیمانی)، طول پیوستگی (4، 12 و 24 برابر قطر میله های FRP)، اندازه‌ی شیار مربعی (25/1، 50/1، 00/2، 50/2 برابر قطر میله های FRP) و بافت سطح میله های FRP. نمونه‌ها به طور میانگین مقاومت فشاری بتن معادل MPa 22، مقاومت کششی اپوکسی MPa 28 و مقاومت کششی سیمان MPa 3/6 داشتند. بسته به متغیرهای آزمایش، مودهای شکست مختلفی مشاهده گردید: لغزش در سطح تماس بین بتن و مصالح پرکننده‌ی شیار، شکافته شدن پوشش بتن بدون ترک خوردن آن، لغزش در سطح تماس میله و سیمان و ترک خوردن بتن اطراف شیار همراه با تشکیل ترک‌ها در پوشش اپوکسی. نتایج به دست آمده توسط آن‌ها را می‌توان در بندهای زیر بیان نمود:

• برای نمونه­ های با رزین اپوکسی، گسیختگی در سطح تماس بتن- اپوکسی، مود بحرانی شکست در همه‌ی موارد بود. این به علت سطح صاف شیارهای پیش ساخته بود.
• برای نمونه­های با چسب سیمانی شکاف برداشتن پوشش بتن مود شکست رایج بود.
• بار نهایی نمونه­های با چسب سیمان، بسیار کم‌تر از نمونه های با چسب اپوکسی بود. بر مبنای میانگین و در نظر گرفتن متغیرهای یکسان، تفاوت تقریباً 70 درصد بود؛ این تفاوت به علت مقامت کششی کمتر سیمان در مقابل اپوکسی هم چنین پیوستگی بین سیمان و بتن بود. فاکتور دیگری که ممکن است بر نتایج تأثیر داشته باشد، انبساط ملات سیمان است.
• با افزایش طول پیوستگی، بار نهایی افزایش می‌یابد. با این حال به علت توزیع غیر یکنواخت تنش پیوستگی در طول پیوستگی، مقاومت پیوستگی میانگین کاهش پیدا می‌کند.

Novidis و همکاران[2006]  رفتار پیوستگی آرماتورهای NSM-FRP را مورد مطالعه­ی آزمایشگاهی قرار دادند. آن‌ها 24 نمونه را تحت آزمایش بیرون­کشیدگی قرار دادند. آرماتور مورد استفاده از نوع CFRP و پارامترهای مورد بررسی، طول پیوستگی و ابعاد شیار بود. در این آزمایش، دو مود شکست مشاهده شد: بیرون­کشیدگی در سطح تماس بین بتن و چسب اپوکسی و بیرون­کشیدگی در سطح تماس آرماتور و چسب اپوکسی. آن­ها هم چنین پارامترهای مدل تنش پیوستگی-لغزش تحلیلی را با روابط استخراج شده از آزمایش، کالیبره کردند.

Cruz  و همکاران [2004b] رفتار پیوستگی نوارهای CFRP را با استفاده از آزمایش بیرون­کشیدگی تیر، مرکب از دو نمونه‌ی بتنی (نمونه های A,B) مطابق (شکل 3-5) مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها از طول پیوستگی‌های مختلف (40، 60 و 80 میلی متر)، مقاومت فشاری‌های مختلف بتن (35، 45 و 70 مگا­پاسکال) و بعد شیار ثابت (عمق 15 و عرض 33 میلی متر) استفاده کردند. پس از انجام آزمایش، مود شکست برای همه‌ی نمونه‌ها، شکست سطح تماس یا از بین رفتن پیوستگی بین اپوکسی و بتن یا بین نوار CFRP و اپوکسی بود. از نتایج آزمایش این گونه برداشت شد که بار بیرون­کشیدگی با افزایش طول پیوستگی ( ) افزایش می‌یابد (شکل 3-7). هم چنین تأثیر مقاومت فشاری هنگامی که مود شکست، از بین رفتن پیوستگی بود کم می‌باشد (شکل 3-6). در این نوع تست، هیچ نوع ترکی در بتن مشاهده نگردید. هم چنین به دست آمد که تنش پیوستگی با افزایش طول پیوستگی کاهش می‌یابد و عملاً به مقاومت بتن، غیر حساس است.

Bilotta  و همکاران[2011]  و  Ceroniو همکاران[2012]  برنامه­ای آزمایشگاهی بر روی بلوک‌های بتنی به منظور بررسی رفتار پیوستگی دو نوع مختلف از سیستم‌های تقویت اعضای بتن‌آرمه (NSM, EBR) انجام دادند. عملکرد هر یک از این سیستم‌ها در ترم‌های مود شکست، بار پیوستگی، رابطه‌ی لغزش-پیوستگی و توزیع کرنش مورد مقایسه قرار گرفت. یافته های آنان نشان داد که تکنیک NSM می‌تواند جایگزین خوبی برای روش EBR باشد؛ زیرا پدیده‌ی جداشدگی را به تعویق می‌اندازد و بنا بر این مقاومت کششی FRP بهتر توسعه می‌یابد.