تأثیر شکل مقطع بر عملکرد ستون بتنی توسط کامپوزیتCFRP

مقاوم سازی ستون بتنی توسط FRP

از جمله روش های خاص مقاوم سازی که برای مقاوم سازی ستون بتنی اجرا می شود، استفاده‌ی روزافزون از کامپوزیت‌های FRP، به دلایل مقاومت، مدول الاستیسیته‌ی و دوام بالا، وزن کم، حمل‌ونقل و نصب آسان، مقاومت در برابر خوردگی و ضربه، خواص ضد خورگی و توجیه اقتصادی اشاره کرد. برای اولین بار در اواسط دهه‌ی 80 میلادی استفاده از کامپوزیت FRP برای تقویت ستون بتنی پیشنهاد شد. تا کنون تحقیقات زیادی در این زمینه صورت گرفته و به روش‌های مختلف به بررسی اثرات محصورشدگی توسط کامپوزیت‌های FRP پرداخته شده است.

در سال 2001، تحقیقی روی کارایی پوشش FRP برای محصور کردن ستون‌های بتن آرمه‌ی مستطیلی بررسی شد که مشخص نمود پارامترهایی مانند نوع الیاف (AFRP ،GFRP ،CFRP)، ضخامت لایه، نسبت ابعاد مقطع و شعاع گوشه بر مقاومت و کرنش محوری تاثیرگذار هستند. نتایج آزمایش‌ها نشان داد که به دنبال افزایش تیزی گوشه و نیز افزایش نسبت ابعاد، ظرفیت نهایی ستون کاهش می‌یابد؛ نتیجه‌ی دیگر این که الیاف شیشه در محصور کردن ستون‌های چهارگوش مؤثرتر از الیاف کربن و آرامید می‌باشد.

تأثیر بهینه‌سازی مصرف کامپوزیت CFRP با استفاده از کم کردن طول مؤثر کمانش ستون بتنی بدون تغییر در میزان الیاف مصرفی در ظرفیت باربری و شکل‌پذیری ستون‌ها نیز در سال 1392 توسط مستوفی نژاد، سلجوقیان و رضوی بررسی شد. برای این پژوهش 3 نمونه ستون دایروی بتن آرمه به قطر 150 میلی‌متر و ارتفاع 500 میلی‌متر با آرایش الیاف متفاوت تحت بار محوری خالص قرار گرفتند. نتایج آزمایشگاهی حاکی از آن بود که کم کردن طول مؤثر کمانش در حالت تقویت غیر پیوسته‌ی ستون با الیاف، بدون نیاز به افزایش میزان الیاف مصرفی موجب افزایش ظرفیت باربری و بهبود شکل‌پذیری ستون می‌شود.

از جمله مواد کاربرد کامپوزیت‌های FRP، افزایش ظرفیت باربری و شکل‌پذیری ستون‌های بتن آرمه در محصور‌سازی با استفاده از پوشش خارجی چسبیده به بتن می‌باشد. میزان تأثیر محصورشدگی به‌وسیله‌ی FRP به عوامل مختلفی نظیر شکل مقطع ستون، مقاومت بتن، نوع الیاف و رزین، حجم و جهت الیاف، ضخامت کامپوزیت، زاویه‌ی دورپیچی و چیدمان لایه‌ها بستگی دارد. در این تحقیق تلاش شده است که به بررسی تأثیر محصور‌شدگی با توجه به شکل مقطع ستون، در میزان افزایش ظرفیت باربری و شکل‌پذیری ستون پرداخته شود. برای آشنایی بیشتر با دیگر کاربرد های لمینیت فیبر کربن مطالعه مقاله ” لمینیت فیبر کربن مزایا و کاربرد های آن ” را پیشنهاد می کنیم.

مشخصات نمونه‌های با مقطع مربعی

آزمایش صورت گرفته در این پژوهش توسط 2 نمونه‌ی ستون بتن آرمه با مقیاس کوچک به ارتفاع 500 میلی‌متر و با مقطع مربعی شکل با طول ضلع 133 میلی‌متر، انجام شده است. در نمونه‌های مورد نظر 4 میلگرد طولی با قطر 10 میلی‌متر و 6 عدد خاموت افقی با قطر 8 میلی‌متر و فاصله‌ی مرکز تا مرکز 85 میلی‌متر بکار رفته است. کد US۴، معرف نمونه‌ی بدون محصورشدگی (نمونه‌ی مرجع با مقطع مربعی)، کد CS۵، معرف نمونه‌ی تقویت‌شده با دورپیچ CFRP به صورت غیر پیوسته در ارتفاع، به صورت نوارهایی به عرض 50 میلی‌متر و طول 600 میلی‌متر و فاصله‌ی مرکز تا مرکز 100 میلی‌متر می‌باشد. همپوشانی الیاف نیز در یک لایه دورپیچ 80 میلی‌متر در نظر گرفته شد.

جهت ایجاد آرایش ذکر شده برای نوارها، تقویت نمونه‌ها طوری انجام گرفت که به میزان 25 میلی‌متر از هر انتهای ستون رها شده و سپس نوارهای محصورکننده به صورت غیر پیوسته ناحیه‌ی 450 میلی‌متری میانی ستون را پوشش می‌دهند و نحوه‌ی قرارگیری نوارها نسبت به مرکز ستون کاملاً متقارن می‌باشد. با توجه به این که آرماتورهای طولی در تمامی نمونه‌ها 20 میلی‌متر مانده به دو انتهای ستون قطع می‌شوند، بنابراین 20 میلی‌متر انتهایی ستون ضعیف‌تر از سایر قسمت‌های ستون می‌باشد و ممکن است ستون در این قسمت‌ها دچار شکست زود هنگام شود. برای جلوگیری از بروز این مشکل، در تقویت هر نمونه از دو نوار محصورکننده‌ی CFRP به عرض 50 میلی‌متر و طول 600 میلی‌متر، علاوه بر تقویت مورد نظر برای آن نمونه، در دو انتهای ستون استفاده شده است. به منظور کاهش تمرکز تنش در دورپیچ و افزایش میزان تأثیرگذاری آن، گوشه‌های مقطع به شعاع 8 میلی‌متر در راستای هر ضلع گرد می‌شود. تصویر شماتیکی از جزئیات آرماتوربندی نمونه‌های با مقطع مربعی در شکل 1 نمایش داده شده است.

شکل 1:  جزئیات فولاد گذاری نمونه‌های با مقطع مربعی

 مشخصات نمونه‌های با مقطع دایره‌ای

از طرف دیگر، 2 عدد نمونه‌ی ستون بتن آرمه با مقطع دایره‌ای شکل با قطر 150 میلی‌متر و ارتفاع 500 میلی‌متر، برای مقایسه با ستون‌های با مقطع مربعی ساخته شد. هر کدام از این نمونه‌های ستون بتن آرمه شامل 6 میلگرد طولی با قطر 8 میلی‌متر و 6 عدد خاموت افقی با قطر 8 میلی‌متر و فاصله‌ی مرکز تا مرکز 85 میلی‌متر می‌باشد. کد UC١، معرف نمونه‌ی استوانه‌ای بدون محصورشدگی (نمونه‌ی مرجع) و کد CC٢، معرف نمونه‌ی استوانه‌ای تقویت‌شده با دورپیچ CFRP به صورت غیر پیوسته در ارتفاع، به صورت نوارهایی به عرض 50 میلی‌متر و طول 600 میلی‌متر و فاصله‌ی مرکز تا مرکز 100 میلی‌متر می‌باشد. این نوارهای محصورکننده به صورت غیر پیوسته ناحیه‌ی 450 میلی‌متری میانی ستون را پوشش می‌دهند و نحوه‌ی قرارگیری نوارها نسبت به مرکز ستون کاملاً متقارن می‌باشد. همانند ستون‌های با مقطع مربعی، در این ستون‌ها نیز از دو نوار محصورکننده‌ی اضافی برای جلوگیری از شکست ستون در انتها استفاده شده است. تصاویر شماتیکی از آرماتوربندی ستون‌های با مقطع دایره‌ای و نحوه‌ی تقویت خارجی ستون‌های با مقطع مربعی و دایره‌ای با استفاده از کامپوزیت CFRP، در شکل‌های 2 و 3 قابل مشاهده می‌باشد.

شکل 2 :  جزئیات فولاد گذاری نمونه‌های با مقطع دایره‌ای

شکل 3:  نحوه‌ی آرایش نوارهای CFRP در ارتفاع نمونه‌های تقویت‌شده (CS و CC)

مشخصات مصالح مورد استفاده

میلگردهای مورد استفاده در این پژوهش، از نوع آجدار AIII و در قطرهای 8  و 10 میلی‌متر می‌باشد. بر اساس آزمایش کششش مستقیم انجام شده بر روی این میلگردها، تنش تسلیم و تنش نهایی، برای میلگردهای با قطر 10 میلی‌متر، به ترتیب 406 و 538 مگا پاسکال و برای میلگردهای با قطر 8 میلی‌متر ،550 و 774 مگا پاسکال می‌باشد.

طرح اختلاط بتن برای ساخت نمونه‌ها با استفاده از آئین‌نامه‌ی ^211–ACI برای رسیدن به مقاومت فشاری 28 روزه 30 مگا پاسکال تعیین گردید. بر اساس این طرح اختلاط، وزن شن (10-5)، ماسه (5 -0)، سیمان و آب مورد استفاده در یک متر مکعب بتن به ترتیب برابر 736، 893، 423 و 228 کیلوگرم می‌باشد.

الیاف به‌کاربرده شده تک جهته و از کربن (CFRP) می‌باشند. در این تحقیق برای نصب الیاف FRP و آغشته سازی آن از رزین اپوکسی دو جزئی با نام تجاری330-Siadur محصول شرکت سیکای کشور سوئیس استفاده شده است. مشخصات مکانیکی این الیاف به همراه رزین مصرفی در جدول 1 آورده شده است.

جدول 1 : مشخصات مکانیکی الیاف و رزین مورد استفاده

نحوه‌ی انجام آزمایش

پس از عمل‌آوری 28 روزه عمل‌آوری نمونه‌ها در آب به منظور تقویت نمونه‌ها با دورپیچ FRP، ابتدا لایه‌ی سطحی ضعیف بتن با استفاده از دستگاه سنگ فرز برداشته شد؛ خلل و فرج سطح بتن توسط پرایمر اپوکسی پر شد؛ سپس پس از آغشته نمودن سطح بتن به یک لایه چسب اپوکسی، الیاف کربن به روش شکل‌دهی مرطوب (wet layup) بر روی نمونه‌ها چسبانده شد. نمونه‌ها پس از گذشت حدود 7 روز و رسیدن ماتریس به مقاومت نهایی، توسط دستگاه جک هیدرولیکی 2000 کیلو نیوتونی، تحت بار محوری خالص قرار گرفته و تا لحظه‌ی شکست بارگذاری شدند.

تعیین تغییر شکل محوری ستون توسط دو عدد جابه‌جایی سنج (LVDT) که در دو طرف نمونه و روبروی هم قرار گرفته‌اند (میانگین دو عدد نمایش داده شده) انجام می‌شود. همچنین برای تعیین تغییر شکل جانبی ایجاد شده در ستون، از یک عدد جابه‌جایی سنج افقی استفاده گردید. نحوه‌ی قرارگیری جابه‌جایی سنج‌ها در کنار ستون در شکل 4 قابل ملاحظه می‌باشد برای نصب جابه‌جایی سنج‌ها بر روی نمونه از دو عدد قاب فولادی مربعی شکل استفاده می‌شود که توسط چهار پیچ به سطح نمونه متصل می‌شوند. به منظور وزن کمتر و استحکام بیشتر، از مقطع قوطی شکل در ساخت این قاب‌های فولادی استفاده شده است.

شکل 4 :  نحوه‌ی قرارگیری جابه‌جایی سنج‌ها در کنار ستون    

مشاهدات و نتایج آزمایشگاهی

نمونه‌ها توسط دستگاه جک هیدرولیکی موجود در دانشگاه صنعتی اصفهان تا لحظه‌ی شکست نهایی به‌صورت تغییر مکان کنترل با سرعت 1 میلی‌متر بر دقیقه  بارگذاری شدند؛ ظرفیت باربری حداکثر و کرنش‌های محوری و جانبی نهایی نمونه‌ها در جدول  2 قابل مشاهده می‌باشد.

جدول 2 : نتایج حاصل از آزمایش نمونه‌های ستون بتن آرمه

به دلیل وجود آرماتور طولی در تمام نمونه‌ها، شکست نمونه‌ها به صورت نرم و غیر انفجاری بود. همان‌گونه که از جدول 2 می‌توان فهمید؛ نمونه‌ی محصورشده با مقطع مربعی CS نسبت به نمونه‌ی شاهد با مقطع مربعی(US) 2/28% افزایش مقاومت داشته در صورتی که نمونه‌ی محصورشده با مقطع دایرهای CC نسبت به نمونه‌ی شاهد با مقطع دایرهای (UC) 49% افزایش ظرفیت باربری را تجربه کرده است. این در حالی است که میزان کامپوزیت CFRP مورد استفاده در هر دو ستون تقویت شده، به یک اندازه بوده است. همان‌طور که ملاحظه می‌شود میزان افزایش ظرفیت باربری در ستون با مقطع دایره‌ای بیش از ستون با مقطع مربعی می‌باشد. علت این اتفاق این است که در نمونه‌ی با مقطع دایره‌ای تنش‌های جانبی ناشی از محصورشدگی به صورت یکنواخت در کل محیط مقطع توزیع می‌شوند؛ این در حالی است که در نمونه‌ی با مقطع مربعی به دلیل ایجاد تمرکز تنش در گوشه‌های مقطع، توزیع تنشی به صورت غیر یکنواخت ایجاد می‌گردد.

شکل‌های 5 و 6، به ترتیب منحنی‌های بار-کرنش نمونه‌های ستون بتن آرمه با مقطع مربعی و دایرهای را نمایش می‌دهند. همان‌طور که در این شکل‌ها ملاحظه می‌گردد، شیب تمامی منحنی‌ها در ناحیه‌ی ابتدایی نمودار تقریباً مساوی بوده که بیانگر سختی یکسان نمونه‌ها در مراحل اولیه‌ی بارگذاری می‌باشد. این در حالی است که در نمونه‌های محصور شده با CFRP، پس از فعال شدن محصور شدگی، منحنی‌ها با شیب بیشتری نسبت به نمونه‌ی شاهد ادامه یافته و به نقطه‌ی حداکثر خود می‌رسند. بر اساس شکل 5، شاخه‌ی دوم منحنی بار-کرنش در نمونه‌های تقویت‌شده به صورت تقریباً نزولی جلو رفته که بیانگر رفتار نرم شدگی کرنش و نیز محصورشدگی کم اثر برای این نمونه‌ها می‌باشد. همان‌گونه که قبلاً بیان شد، علت کم اثر بودن محصورشدگی در این نمونه‌ها، تمرکز تنش در گوشه‌های مقطع است که منجر به توزیع غیر یکنواخت فشار محصورکننده روی محیط و پارگی زود هنگام کامپوزیت در گوشه‌ها می‌شود. در حالی که در نمونه‌ی تقویت‌شده با مقطع دایره‌ای، شاخه‌ی دوم منحنی بار -کرنش به صورت صعودی بوده که نشان می‌دهد رفتار این نمونه به صورت سخت شدگی کرنش می‌باشد و محصورشدگی به میزان کاملاً مؤثر و کافی در این نمونه تأمین شده است.

شکل 5 :  منحنی بار- کرنش ستون‌های بتن آرمه با مقطع مربعی

شکل 6 : منحنی بار- کرنش ستون‌های بتن آرمه با مقطع دایره‌ای

جهت مقایسه‌ی شکل‌پذیری نمونه‌های مختلف، از سطح زیر منحنی بار -تغییر مکان که بیانگر مقدار جذب انرژی توسط سیستم یا به عبارتی مقدار کار انجام‌شده توسط نیروی خارجی روی سیستم می‌باشد، استفاده شده است. بر این اساس، سطح زیر منحنی بار-تغییر مکان محوری ،E_u، تا نقطه‌ی گسیختگی برای نمونه‌های تقویت‌شده و تقویت نشده، با استفاده از نمودار شکل‌های 7 و 8 که به ترتیب مربوط به ستون‌های با مقطع مربعی و دایرهای می‌باشند، محاسبه شده و برای مقایسه بین نمونه‌های مختلف، در جدول 3 ارائه شده است. با مقایسه‌ی شاخص شکل‌پذیری ، E_u، همان‌طور که در جدول مشاهده می‌شود، میزان افزایش شکل‌پذیری برای نمونه‌ی محصور شده با مقطع مربعی 3/54% و برای نمونه‌ی محصور شده با مقطع دایرهای به میزان 2/138%، نسبت به نمونه‌های شاهد مربوطه می‌باشد. در اینجا هم، تمرکز تنش در گوشه‌های مقطع مربعی علت این اختلاف می‌باشد.

جدول 3 : مقایسه‌ی شکل‌پذیری نمونه‌های ستون بتن آرمه

شکل 7 :  منحنی بار- تغییر مکان محوری ستون‌های با مقطع مربعی

شکل 8 : منحنی بار- تغییر مکان محوری ستون‌های با مقطع دایره‌ای

شکست نمونه‌های شاهد (US و UC) در میانه‌ی ارتفاع ستون اتفاق افتاده است. در حین بارگذاری این نمونه ابتدا ترک‌هایی در راستای ارتفاع ستون ایجاد شده و پس از آن با ریختن پوسته‌ی بتن و سپس کمانش آرماتورهای طولی بعد از رسیدن به نقطه‌ی باربری حداکثر، نمونه با رفتاری کاملاً نرم دچار شکست می‌شود. در نمونه‌ی تقویت‌شده با مقطع مربعی (CS)، تمرکز تنش در گوشه‌های مقطع و وجود اثر برندگی گوشه‌ها روی CFRP منجر به پارگی زودهنگام کامپوزیت در ناحیه‌ی گوشه شده و این موضوع باعث می‌شود که کامپوزیت مصرفی نتواند از تمام کارایی و ظرفیت کششی خود در محصورسازی نمونه استفاده کند. این در حالی است که در نمونه‌ی تقویت‌شده با مقطع دایرهای (CC)، پارگی کامپوزیت محصورکننده ناشی از تمرکز تنش نبوده و کامپوزیت مصرفی حداکثر کارایی خود را نشان داده است.

 نتایج

هدف از پژوهش حاضر بررسی تأثیر شکل مقطع بر عملکرد محصورشدگی ناشی از کامپوزیت‌های FRP بود که جهت انجام آن 2 عدد ستون بتنی مسلح مربعی به ضلع 133 و ارتفاع 500 میلی‌متر و همچنین 2 عدد ستون بتن آرمه با مقطع دایرهای به قطر 150 میلی‌متر و ارتفاع 500 میلی‌متر مدنظر قرار گرفت؛ در هر گروه از نمونه‌ها، یک مورد از آن‌ها با کامپوزیت CFRP تقویت شدند و درنهایت همه ستون‌ها تحت بار محوری خالص قرار گرفتند. در این راستا نتایج حاصله به اختصار در زیر آورده شده‌اند :

• ستون‌های مسلح به میلگردهای طولی دارای شکستی نرم و غیر انفجاری هستند؛ البته شکل‌پذیری و ظرفیت باربری ستون‌های بتن آرمه که با کامپوزیت CFRP تقویت شده باشند در مقایسه با ستون‌های محصور نشده، افزایش می‌یابد.
• مود شکست در نمونه‌ی محصور شده با مقطع مربعی، به صورت پارگی CFRP در گوشه‌ی مقطع می‌باشد؛ این پدیده نشان‌دهنده‌ی تمرکز تنش در گوشه‌ی ستون می‌باشد.
• نمونه‌ی تقویت‌شده با مقطع مربعی نسبت به نمونه‌ی شاهد دارای افزایش ظرفیت باربری به میزان 2/28% می‌باشد. در حالی که میزان افزایش ظرفیت باربری در نمونه‌ی محصور شده با مقطع دایرهای نسبت به نمونه‌ی شاهد، 0/49% می‌باشد.
• در نمونه‌ی تقویت شده با مقطع مربعی، میزان افزایش شکل‌پذیری نسبت نمونه‌ی محصور نشده، 3/54% می‌باشد. این در حالی است که در نمونه‌ی محصور شده با مقطع دایره‌ای، شاهد افزایش شکل‌پذیری به میزان 2/138% نسبت به نمونه‌ی محصور نشده می‌باشیم.
• نرم شدگی کرنش در ستون مربعی محصور شده و سخت شدگی کرنش نیز در ستون دایره‌ای محصورشده دیده شد لذا این امر نشان‌دهنده‌ی مؤثرتر بودن محصورشدگی برای ستون با مقطع دایره‌ای می‌باشد.

شرکت مقاوم سازی افزیر آماده خدمات رسانی و ارائه مشاوره در جهت خرید و قیمت لمینت و ورق کربن FRP می باشد. می توانید به وبسایت ما مراجعه و از محصولات الیاف FRP بازدید نمایید یا با کارشناسان ما در شرکت افزیر در تماس باشید.