بررسی اثر ضخامت و طول پلیمرهای مسلح به فیبر کربن CFRP بر خواص ظرفیت خمشی تیر مختلط

1.معرفی و دلیل استفاده از  FRP برای افزایش ظرفیت خمشی تیر مختلط

در طی 15سال گذشته انجمن راه و حمل و نقل آمریکا /AASHTO/ و وزارت راه و ترابری دولت فدرال /FHWA/ برنامه هایشان را برای ارزیابی پل ها در هر شش ماه یکبار ارتقا داده اند معلوم شد که یک سوم پل های بزرگ راه های ایالات متحده که مورد بررسی قرار گرفته بودند غیر استاندارد هستند.

براساس آخرین اطلاعات و آمار مرکزملی فهرست پل ها /NBI/تعداد پل های بزرگ راه ها که عملاً منسوخ شدهاند بیش از 81000 است. بیش از 43 درصد این پل ها از فولاد ساخته شده اند، پل های فولادی جزء گروهی بودند که در گزارش NBI بیشترین تأکید در بازسازی آن ها گوشزد شده بود.

زنگ زدگی، نقص در نگه داری مناسب و خستگی جزئیات آسیب پذیر مشکلات عمده در پل های فولادی بود.همچنین تعداد زیادی از این پل ها برای تحمل بار عبور مرور بیشتر نیاز به ارتقا و احیا خواهد داشت.در گزارشات NBI همواره قید شده است که تعمیر و نوسازی احیاء به صرفه تر از ساخت دوباره یک پل جدید است. هزینه بازسازی وتعمیردراکثرمواردخیلی ارزان ترازدوباره ساختن است همچنین به وقت کمتری نیزنیازدارد.درنتیجه مدت کمتری خدمات شهری دچار اختلال می شود.با توجه به منابع محدود برای کاستن از مشکلات مربوط به پل های فولادی نیاز به مواد جدید و نو و روش های مقرون به صرفه بدیهی است .

برتری خواص فیزیکی و مکانیکی FRP ها آن ها را به موارد خوبی برای تعمیر و بازسازی سازه ها بدل کرده است.FRP ها از نخ هایی با مقاومت بالا ساخته شده اند؛/با مقاومت کششی بیش از 1 گیگا پاسکال/ مثل شیشه،کربن کولار /نوعی فیبر ضد گلوله/ که در شبکه از رزین گذاشته شده است. کمپوزیت های شیشه/فایبر گلاس/ به آسانی در دسترس هستند و واقعاً هم ارزان هستند.آنها در مصالح ساختمانی از جمله بتن به کار رفته اند ولی ضریب کششی کم این کمپوزیت ها آن ها را برای تقویت وتعمیر سازه های فولادی بلا استفاده کرده است در حدی که CFRP ها خواص مکانیکی قابل ملاحظه ای از خود نشان می دهند به طوری که مقاومت الیاف کربن و مقاومت کششی آن 1200مگاپاسکال ومدول الاستیسیته آن ها بیش از 140گیگا پاسکال است.

همچنین ورق های CFRP کمتر از یک پنجم فولاد وزن دارد و در برابر خوردگی و زنگ زدگی مقاوم اند. لایه های CFRP با ضریب مدول کششی بالا که بوسیله اپوکسی چسبانده شده اند می توانند در برابر تنش های کششی یک عضو کششی مقاومت کنند و سختی تیر سراسری را افزایش دهند. با اضافه کردن لایه های CFRP به عضو کششی تنش در آن کاهش خواهد یافت و به همین ترتیب مدت زمان تسلیم عضو نیز بهبود خواهد یافت. در طول یک دهه اخیر پژوهش های زیادی بر روی تعمیر و بازسازی تیرهای بتنی بوسیله FRP ها که اپوکسی بهم چسبانده شده اند صورت گرفته است ولی پژوهش های اندکی در مورد استفاده از این مواد برای تقویت تیرهای فولادی و تعمیرشان به وسیله این مواد انجام شده است. این مقاله تأثیر CFRP های چسبانده شده در تنش موجود در بلا تیر آهن به کار رفته در یک تیر مرکب بتن ـ فولاد و همچنین بهبود ظرفیت خمشی، ظرفیت باربری وسختی آن را مورد بررسی قرار می دهد.

تیرها از اعضای اصلی سازه ها می باشند، به همین جهت عملکرد صحیح آن ها بسیار مهم است. به دلایل مختلف از جمله طراحی اشتباه ، اجرای نامناسب ، بارگذاری بیش از حد ممکن است تیر مورد نظر جوابگوی نیاز سازه نباشد، در این صورت نیاز به مقاوم سازی تیر می باشد. روش های متفاوتی برای مقاوم سازی می باشد از جمله راهکارهای مقاوم سازی تیر بتنی می توان به استفاده از ژاکت بتنی، اضافه کردن ورقهای فولادی با چسباندن و یا بولت نمودن آن به تیر، استفاده از مصلاح FRP ، استفاده از پیش تنیدگی خارجی موضعی و یا کلی و … اشاره نمود و از راهکارهای بهسازی تیر فولادی می توان به تقویت با ورق فولادی، اضافه نمودن ورق های موازی با جان تیر، اضافه نمودن سخت کننده های جان، استفاده از پیش تنیدگی خارجی برای مقاوم سازی تیرفولادی، استفاده از ژاکت بتنی برای افزایش مقاومت تیرها و استفاده از FRP برای تقویت تیرهای فلزی اشاره کرد. برای آشنایی بیشتر با مقاوم سازی تیرها با FRP مطالعه مقاله ” مقاوم سازی خمشی تیرهای فولادی دارای نقص توسط CFRP ” را پیشنهاد می کنیم.

استفاده از FRP برای تقویت سازهای فلزی گزینه ایی مناسب و قابل اعتماد برای بازسازی ساختارهای موجود است. با تمرکز بر زمینه های زیر که فقط بخش کوچکی را پوشش می دهند اما به سرعت در حلا توسعه می باشد عبارتند از: پیوند بین فولاد و FRP – تقویت اعضای بخش توخلای فولاد و انتشار ترک خستگی در سیستم FRP و فولاد ورق های FRP علاوه بر اینکه دارای خواص بسیار علای مانند مقاومت بسیار بالا، مقاومت در برابر خوردگی و سبک بودن می باشند دارای مشکلاتی نیز است.

معمولا در تقویت سازه ها با FRP دو نوع شکست مهم و اصلی وجود دارد:

یک/ شکست بخاطر ورقه ای شدن FRP/ delamination /

دو/شکست دیگر به خاطر جداشدگی /بلند شدگی/ انتهای FRP/ debonding /می باشد

در این مقاله به بررسی ظرفیت خمشی تیر مختلط مقاوم سازی شده با CFRP می پردازیم. روش مطالعه، مدلسازی عددی و متغیرهای تحقیق عبارتند از: طول و ضخامت نوار FRP.

2 .روابط تئوری برای بررسی ظرفیت خمشی تیر مختلط

خمش پدیده ای است که در اغلب تیرها اتفاق می افتد. رابطه خمش ارتجاعی تیرها تا موقعی صادق است که تنش متناسب با کرنش باشد. طبق فرض اساسی هندسی خمش، مقاطع صفحه ای عمود بر محور تیر، پس از خمش به صورت صفحه ای باقی می مانند. اگر رفتار مصلاح غیر ارتجاعی هم باشد این فرض به قوت خود باقی می ماند. بدون هیچ فرض بیشتری، نتیجه مهمی که از فرض اساسی خمش عاید می شود این است که، کرنش موجود در تارهای یک تیر تحت خمش، متناسب با فاصله آن تارها از محور خنثی میباشد. بر پایه این نتیجه و همچنین شرایط تعادل و رابطه غیر خطی تنش – کرنش، تئوری تعمیم داده شده خمش، بنا می شود. اگر یک تاوه بتنی روی تیرهای فولادی قرار گیرد بنحویکه پیش بینی لازم به منظور انتقلا برش بین آن دو انجام نگرفته باشد، چنین ترکیبی از نوع مختلط نخواهد بود. در این حالت بار وارده سبب خمش تیر و تاوه خواهد شد بنوعی که بخشی از بار توسط تاوه تحمل گردد. در این مطالعه در ابتدا با استفاده از روابط تئوریک به محاسبه تار خنثی پلاستیک و سپس حداکثر ظرفیت باربری در زمان رسیدن تیر به حالت پلاستیک انجام شده و مقدار درصد تفاوت آن با مدل اجزای محدود بررسی شده است. با با استفاده از روابط مبحث دهم مقررات ملی و آیئن نامه AISC] 8] محاسبه حداکثر ظرفیت بار در زمان رسیدن به حالت پلاستیک با استفاده از روابط زیر انجام گرفته می باشد:

رابطه 2

رابطه 3

رابطه 4

   پارامتر های به کار رفته در روابط فوق به شرح زیر است:

1. a محل قرارگیری تارخنثی
2. As سطح مقطع تیر فلزی
3. Fy تنش تسلیم
4. ‘fc مقاومت فشاری بتن
5. be عرض موثر تاوه بتنی
6. Mp ظرفیت خمشی پلاستیک
7. 2/d فاصله خط مبنا تا وسط تیر فلزی
8. t ضخامت تاوه بتنی
9. Mu حداکثر ظرفیت خمشی پلاستیک
10. Φb ضریب
11. qu u حداکثر ظرفیت بار بری

3 .شرح مدل تیر شاهد

تیر مختلط تشکیل شده است از یک تیر 200 IPE به طول 10 متر و یک مقطع معادل شده بتن به عرض 34.2  سانتی متر و ضخامت 10 سانتی متر به طول 10 متر، که شکل 1 نمایانگر نیم رخ این تیر می باشد.

4 .مدل سازی در نرم افزار برای مشاهده اثر CFRP بر ظرفیت خمشی

امروزه استفاده از نرم افزارهای مهندسی در دنیا پیشرفت قابل ملاحضه ای یافته است. یکی از این نرم افزارها نرم افزار ABAQUS می باشد که کاربرد گسترده ای در مکانیک و عمران دارد تا جایی که با کمک این نرم افزار مدل ها شبیه سازی شده تا هزینه های آزمایشگاهی کاهش یابند. روش اجزای محدود یکی از روش های حل عددی می باشد. در روش اجزای محدود کل مدل هندسی به اجزای ریزتری با نام المان تقسیم بندی می شود و تحلیل بر اساس المان های قرار گرفته برروی مدل انجام می شود. هر المان خود از گره هایی تشکیل شده که مقادیر ورودی و خروجی به آنها اختصاص داده می شود.

اولین گزارش به سلا 1964  برمی گردد در بندر»دوربان« در آفریقای جنوبی ، که تقویت در یک تیر بتنی در هنگام ساخت به صورت تصادفی جا مانده بود. / تیر مسلح نبود /. تیر بتنی با ورق های فولادی بوسیله اپوکسی در برابر تنش کششی مقاوم شد

در ژاپن نیز با همین روش بیش از 111 بزرگ راه مرتفع بتنی که معیوب بودند تقویت شدند

در یک تحقیق اجرا شده در دانشگاه مریلند، چسباندن و پیچ کردن انتهای ورق های فولادی به تیرهای فولادی برای ایجاد یک تیر محکم در افزایش مدت فرسودگی سیستم مورد بررسی قرار گرفت آن ها عمر فرسودگی را 20  برابر حالت جوش دادن صفحات گزارش دادند

در تحقیق دیگری که در دانشگاه فلوریدای جنوبی اجرا شد، امکان استفاده از CFRP در تعمیر پل های دارای تیر مرکب بتن ـ فولاد مورد بررسی قرار گرفت. آن ها جمعاً 6 تیر آهن با مقطع 11×W203 را به یک دلا بتنی با عرض 711 میلی متر و ضخامت 115 میلی متر متصل کردند.

ورق های CFRP مورد استفاده در این تحقیق 3.65 متر طول 150 میلی متر عرض داشتند که دارای دو ضخامت متفاوت 2 و 5 میلی متر بودند. در آن تحقیق ذکر شد که لایه های CFRP توانستند ظرفیت نمایی باربری تیرهای مرکب را به میزان قابل توجهی بالا ببرند

4. 1 . خصوصیات مصالح

مصالح بکار رفته در این مقاله شامل سه نوع می باشد :

فولاد

CFRP

چسب

در زیر به توضیح مشخصات هریک از این مواد و تعریف خواص آنها در ABAQUS می پردازیم.

1.1.4.فولاد

فولاد بکار رفته در این تحقیق فولاد ایران با مشخصات ذکر شده زیر می باشد.

الف/مشخصات ظاهری فولاد

استفاده شده فولاد استفاده شده در این تحقیق 200 IPE می باشد که از جمله رایج ترین فولادهای مصرفی در صنعت ساختمان سازی کشور می باشد. شکل 1 نمایانگر نیم رخ این تیر است و مشخصات آن در جدول 1 آمده است.

ب/خصوصیات مصالح فولادی

خصوصیات مصالح فولادی فولاد استفاده شده در این تحقیق دارای خاصیت خطی می باشد بنابر این ضرروری است برای این منظور مقادیر مورد نیاز برای خطی بودن نمودار تنش – کرنش برای حالت خطی نیز ترسیم گردد. استفاده از مدل تنش – کرنش فولاد بصورت دقیق باعث افزایش دقت تحلیل خواهد شد. در کل مدل سازی، ابعاد تیر مختلط دست نخورده باقی مانده و تنها طول و ضخامت ورق های تقویتی است که تغییر خواهد کرد.

2.1.4.چسب

چسب نیزدارای خاصیت خطی و غیر خطی می باشد پس ضروری است تا این خاصیت چسب نیز در مدل سازی تعریف شود.

3.1.4.CFRP

کامپوزیت های FRP جزو محصولاتی هستند که در آنها خواص قابل تغییر هستند و این بدان معنا می باشد که با توجه به نیاز مشتری کارخانجات اقدام به تولید جنس ماده درخواستی با ضریب پواسون و مدول الاستیسیته و مقاومت مشخصه می کنند جدول 4 مشخصات مصلاح CFRP بکاررفته و جدول 5 مشخصات CFRP مدل سازی شده در این تحقیق را نشان می دهد، همچنین بنابر مطلاعات آیین نامه ACI و نشریه 345 سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور که مربوط به راهنمای طراحی و ظوابط اجرایی بهسازی ساختمان های بتنی با استفاده از FRP است نمودار تنش – کرنش CFRP تا لحظه آخر بصورت خطی می باشد که در شکل 6 نشان داده شده است.

4 . 2 . مدل سازی هندسی تیر مختلط

تیر مورد بررسی در این تحقیق برای مقاوم سازی تیر مختلط با 200 IPE به طول 10 متر و مقطع معادل به عرض 34.2 سانتی متر و ضخامت 10 سانتی متر که دارای شرایط تکیه گاهی ساده بوده و نیرو به صورت گسترده بر سطح مقطع معادل وارد می شود /شکل 4/

4 . 3. بررسی نتایج تحلیل مقاوم سازی تیر مختلط

پس از مدل سازی و تحلیل مدل ها به بررسی نتایج می پردازیم. همان طور که در قسمت 3 روابط تئوری توضیح داده شد با محاسبه روابط قسمت3 حداکثر ظرفیت باری را که تیر شاهد می تواند تحمل کند KN 77 می باشد که مشاهده کردیم بعد از مدل سازی در نرم افزار حداکثر ظرفیت باری را که تیر شاهد توانست تحمل کند که بعد از آن به سمت حالت پلاستیک میل میکند برابر KN 78.2 می باشد که حدود 1.5 %با روابط تئوریک اختلاف دارد که مورد قبول می باشد.

1.3.4.صحت سنجی نتایج برای مشاهده تاثیر CFRP بر ظرفیت خمشی

برای صحت سنجی از رابطه 4 استفاده شده است و مقدار حداکثر ظرفیت بار با کمک این فرمول بدست آمد /جدول 5 ،/مقدار حداکثر ظرفیت بار و در صد اختلاف آن با، بار ناشی از نرم افزار در این جدول نشان داده شده است.

در شکل 5 کرنش در انتهای نوار CFRP برای مدل شماره 1 نشان داده شده است ، همان طور که در شکل 5 دیده می شود با افزایش نیرو کرنش در انتهای CFRP به صورت تقریبا خطی افزایش می یابد و نهایتا تحت بار KN 87.21 به کرنش تقریبی 0.00032 میرسد. شکل 6 نمایش 3 بعدی از ورق CFRP تحت بار KN 87.2 می باشد.

در شکل7 نمودار مقایسه کرنش در انتهای CFRP برای 4 نمونه ترسیم شده است. همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است، نمونه دارای طول 6 متر وضخامت 3 میلی متر کمترین کرنش انتهایی نسبت به دیگر حالات را دارد . نمونه دارای طول 6 متر و ضخامت1.2میلی متر تا بار تقریبی 87.2 کیلو نیوتن کرنش کمتری را تحمل می کند ولی پس از این مقدار بار نمونه دارای طول 4 متر و ضخامت 3 میلی متر است که کرنش کمتری را در انتهای بارگذاری تحمل می کند و نمونه به طول 4 متر و ضخامت 1.2 میلی متر بیشترین کرنش انتهایی را دارا می باشد.

شکل 8 برای بررسی اثر ضخامت CFRP در مقاومت خمشی تیر فولادی ترسیم شده است. دیده می شود که تیر فولادی بدون تقویت CFRP ، ظرفیت خمشی آن KN 78.2 می باشد. با تقویت تیر فولادی به ضخامت های 1.2 و 3 میلی متر با CFRP به طول 4متر ظرفیت تیر به ترتیب 11.5 و 41.3 درصد افزایش می یابد.

شکل 9 برای بررسی اثر ضخامت CFRP در مقاومت خمشی تیر فولادی و تیر مختلط ترسیم شده است. دیده می شود که تیر فولادی تقویت شده با CFRP ضخامت های 1.2 و 3 میلی متر و طول 6 متر به ترتیب 126 و 141 درصد، نسبت به حالت تقویت نشده ظرفیت خمشی را افزایش می دهند.

5 .نتایج بررسی ظرفیت خمشی تیر مختلط

پس از بررسی و مقایسه نتایج تحلیل، موارد زیر را می توان بیان کرد.

1 .استفاده از CFRP به شکل قابل توجهی مقاومت خمشی تیر ها مختلط را افزایش می دهد.

2 .نمونه دارای طول 6 متر و ضخامت 3 میلی متر کمترین کرنش در انتهای نوار CFRP دارد و نمونه دارای طول 4 متر و ضخامت 1.2 میلی متر بیشترین کرنش انتهایی را دارد .

3 .با افزایش طول CFRP کرنش تیر مختلط کاهش می یابد.

4 .با مقاوم سازی تیر مختلط با ضخامت های 1.2 و 3 میلی متر به طول 6 متر با استفاده از CFRP به میزان 126 و 141 درصد و برای ضخامت 1.2 و 3 میلی متر به طول 4 متر 11.5 و 41.3 درصد افزایش در ظرفیت خمشی را داشته ایم.

شرکت مقاوم سازی افزیر در زمینه مقاوم سازی آماده خدمات رسانی و مشاوره می باشد. برای دریافت قیمت خرید لمینیت و ورق کربن FRP و قیمت فروش الیاف FRP می توانید با کارشناسان ما در تماس باشید.