مقاوم سازی خمشی تیرهای فولادی دارای نقص توسط CFRP

بررسی مطالعات انجام شده در زمینه مقاوم سازی با CFRP

از سال 1976 ، زمانی که یک بازرسی اجباری و کنترل در محل برروی پل ها در ایالات متحده صورت گرفت. انجمن بزرگ راه ها و حمل و نقل امریکا ( AASHTO ) و اداره فدرال بزرگراه ها ( FHWA ) برنامه های توسعه یافته ای برای بازرسی 6 ماهه تعیین کردند .در نتیجه ، مشخص شد که بیش از یک سوم از پل بزرگراه ها در ایالات متحده بصورت قابل ملاحظه ای زیر استاندارد هستند.

کلایبر و همکاران در سال (1976) بیش از 43٪ از پل ها در ایالات متحده از فولاد ساخته شده اند. بر اساس گزارش NBI پل های فلزی جزگروهی هستند که بیشتر برای بهبود توصیه می شوند.عمده ی مشکل آنها در رابطه با ویژگی های خستگی وفرسودگی ، نیاز به افزایش بار سرویس، خوردگی، و عدم نگهداری مناسب می باشد. همچنین تعمیر و مقاوم سازی قبل از تصمیم گیری برای جابجایی پل توصیه شده است. هزینه برای بازسازی و تعمیر در اکثر موارد به مراتب کمتر از هزینه های جایگزینی می باشد . علاوه بر این، تعمیر و بازسازی معمولا زمان کمتری طول می کشد . با توجه به منابع محدود در دسترس برای کاهش مشکلات مرتبط با پل های فولادی نیاز به اتخاذ مواد جدید و روش مقرون به صرفه آشکار خواهد بود.

آقای موزس و همکاران در سال ( 1976 ) بیش از 120،000 پل های فولادی با جزئیات جوش داده شده در ایالات متحده وجود دارد . بیش از 50،000 از آنها بیشتر از 30 سال عمر دارند. بر اساس آمار جمع آوری شده توسط محققان، به طور کلی، پل بزرگ بزرگراه تجربه بیش از 5.1 میلیون عبور کامیون در هر سال را دارد. با توجه به حجم بالای ترافیک و عمر این پل ها این امر می تواند حد خستگی را از 2 میلیون سیکل بر اساس مشخصات طرح آشکار سازد.

کلایبر و همکاران در سال ( 1976 ) تا پیش از مشاهده ترک ناشی از خستگی برروی پل یلو میلپوند (Yellow Mill Pond ) در بریج پورت نمی توان بسیاری از پل های فولادی با جزئیات ترک خورده نام برد . پس از 11 سال از مشاهده ترک برای اولین بار در آن پل . ترک در بسیاری از صفحات پوششی دارای جوش انتهایی مشاهده شد. فیشر در سال ( 1997 ) با بررسی مشکل نتیجه گرفت که رشد ترک ناشی از خستگی می تواند بصورت قابل توجه ای پس از چند چرخه ی تنش بالا رخ دهد) زمانی که ازحد خستگی تجاوز کند  .

لورنزو در سال ( 1986 ) صفحات CFRP با ویژگی های حساس خستگی در عضو فلزی میتواند باعث افزایش مقاومت و طول عمر خستگی شود .خواص مکانیکی وخستگی برتر فیبر پلیمرهای مسلح شده به فیبر کربن .میتواند آنها را به عنوان بهترین انتخاب برای تعمیر و مقاوم سازی شاه تیر های فولادی پل ها معرفی کند . ورق های CFRP تضمین کننده یک میلیون سیکل از بارگزاری خستگی و رنج تنش برابر5.1 برابر مقاومت نهایی باشد .

امکان استفاده از انواع الیاف کربن CFRP در تعمیر پل های کامپوزیتی فولادی بتنی توسط آقای سن ( 1994 ) در دانشگاه فلوریدای جنوبی بررسی شد . انها یه – تیر کامل به دهانه 1.6 متر که ازمقطع فولادی W203*10.9 که به یک دال با 711 میلیمتر و 115 ملیمتر ضخامت متصل شده بود .ورق های CFRP استفاده شده در این مطالعه دارای 65.3 متر طول و 150 میلیمترعرض و با دو ضخامت متفاوت 2 و 5 میلیمتر بودند . آنها به این نتیجه رسیدند که استفاده از ورق های CFRP بطور قابل ملاحظه ای باعث افزایش ظرفیت نهایی تیر کامپوزیت می شود.

آقای توکی زاده و سعادتمنش ( 2003 ) در دانشگاه آریزونا ، اثرات اتصال اپوکسی بر روی لمینت های CFRP در تیرکامپوزیتی (فولادی بتنی ) – سالم و آسیب دیده ،برای مقاوم سازی و تعمیر مورد مطالعه قرار گرفت . که شش تیر کامپوزیت از مقطع فولادی W355*13.6 و دال بتنی به عرض 910 میلیمتر و ضخامت 75 ملیمتر مورد بررسی قرار گرفت. مطالعه ی آنها نشان داد که ورق های CFRP و مقاوم سازی با FRP باعث افزایش قابل ملاحظه ی ظرفیت باربری نهایی تیر کامپوزیتی سالم و بازگرداندن ظرفیت باربری نهایی و سخت شدگی تیر کامپوزیتی آسیب دیده می شود.

در این مطالعه تاثیر چسباندن ورق های CFRP و مقاوم سازی با CFRP برروی رفتار سازه ای تیرفولادی و بازیابی سختی و ظرفیت باربری تیر دارای نقص ، مورد بررسی قرار می گیرد .اندازه های متفاوتی از ورق های CFRP برای رسیدن به طول بهینه در مدل سازی استفاده می شود .مطالعات انجام شده در این تحقیق با فرض ثابت بودن طول و عرض ترک در حین بارگذاری صورت گرفته و از اثرات گسترش ترک صرفنظر گردیده است.

مشخصات مصالح و نمونه ها

اثر ورق های CFRP در بهبود استحکام خستگی و افزایش ظرفیت باربری در تیرهای فولادی، با مدل سازی یک تیر سالم ویک تیر دارای نقص ، بدون مقاوم سازی و تعداد 5 تیر دارای نقص که مقاوم سازی شده اند مورد بررسی قرار می گیرند. به منظور ایجاد یک عضو دارای نقص ، در مرکز هر طرف از بال در حال کشش تیر فولادی، شکافی به اندازه mm 10*20 ایجاد می شود. ورق های CFRP روی ناحیه بریده شده قرار می گیرند. نحوه بارگذاری و محل و ابعاد نقص ایجاد شده را در شکل های زیر نشان می دهد:

مقاوم سازی با CFRP

ورق های CFRP مقاومت کششی بالایی دارند که باعث بهبود رفتار سازه ای تیر ناقص می شوند .در این مطالعه از یک نوع ورق CFRP با مدول الاستیسیته متوسط ، دارای ضخامت یکسان  استفاده می شود .عرض ورق برابر عرض بال تیرفولادی mm 82 ، ضخامت mm 1.2، در طول های ، 300 ، 400 ، 700 و 1000 و 1500 میلیمتر درنظر گرفته شد. برای آشنایی بیشتر با مقاوم سازی المان های سازه با FRP مطالعه مقاله “چگونه ساختمان خود را با FRP مقاوم سازی کنیم؟” را پیشنهاد می کنیم.

چسب مورد استفاده برای اتصال ورق های CFRP

چسب مورد استفاده برای اتصال ورق های CFRP به تیر فولادی ، باید دارای مقاومت کافی باشد بگونه ای که توانایی انتقال تنش های سطحی را داشته باشد .

نمونه های تیر مورد آزمایش

جدول زیر نمونه های تیر و ظرفیت باربری را نشان می دهد. اندازه تیرهای فولادی ثابت است اما اندازه CFRP برای هر تیر متفاوت است. S1 تیر سالم بدون مقاوم سازی که برای کنترل استفاده می شود. S2 تیر دارای نقص بدون مقاوم سازی و تیر های S3 ، S4 ، S5 ، S6 و S7 تیرهای ناقص و مقاوم سازی شده هستند که طول CFRP استفاده شده به ترتیب 1500 ، 1000 ، 700 ، 400و300 میلیمتر می باشد.

مدل سازی وتحلیل با نرم افزار

برای مدل سازی از نرم افزار آباکوس (ABAQUS V6.11) استفاده شد که در آن تیر فولادی ، ورق های سخت کننده ،ورق های CFRP و چسب بصورت سه بعدی ، Solid ، با المان های TET ، Quadratic ) 10 گرهی ) مدل سازی ، و برای رسیدن به حالت شکست از آنالیز استاتیکی غیر خطی استفاده شد. خواص خطی و غیر خطی مواد اعمال گردیده است .

برای صحت سنجی نرم افزار دو نمونه تیر با مقاله آقای نرماشیری و همکاران ( 2012 ) مورد مقایسه قرار گرفت. که نمونه مدل سازی شده با دقت بالایی با نمونه های آزمایشگاهی ( F2 و F1 )موجود در این مقاله صحت سنجی شد.

نتایج دریافت شده در مقاوم سازی با CFRP

یکی از مهمترین پارامتر ها در مقاوم سازی سازه ها، ظرفیت باربری و سخت شدگی در المان های سازه مقاوم سازی شده در مقابل سازه بدون مقاوم سازی می باشد . با توجه به جدول شماره ( 4) و نمودار نیرو تغییر مکان در شکل) 4( ،در نمونه تیربدون مقاوم سازی -( S2)  ،ایجاد نقص در میانه بال کششی باعث کاهش 14 % ظرفیت باربری و افزایش نقص شده است .برای مقاوم سازی ابتدا CFRP با طول mm 1500 مورد استفاده قرار گرفت که افزایش ظرفیت باربری 27 % قابل مشاهده بود .برای رسیدن به طول بهینه از CFRP بطوری که تیر ناقص عملکردی مانند تیر سالم داشته باشد ، طول مورد استفاده کاهش داده شد و نتایج زیر بدست آمد .

برای طول1000 mm افزایش ظرفیت باربری25 %، طول 700 mm افزایش  8 %، و در mm 400(شکل5 ) بهترین عملکرد را از ، نظر ظرفیت باربری و شباهت در تغییر شکل ها با تیر سالم را داشت . شایان ذکر است طول 300 mmکاهش ظرفیت باربری 1% مشاهده شد ، که با توجه به تغییر شکل های زیاد ، طول400 mm  بعنوان طول بهینه انتخاب گردید . همان گونه که ملاحظه میشود ورق های CFRP بعنوان  بهترین مصالح و محصولات برای مقاوم سازی، برای تیر های دارای نقص ، قابل استفاده است. بطوری که با طولی به اندازه 16 % طول تیر ، می توان تیری با ظرفیت باربری تیر سالم در اختیار داشت .

تغییرات سخت شدگی ، اگرچه که عمده تجربه خستگی تیر ،سخت شدگی ( نسبت بار به تغیر شکل وسط دهانه ) در تیر ها ثابت مانده است. با توجه به طول کوتاه و ضخامت کم ورق های CFRP سخت شدگی الاستیک تیرهای مقاوم سازی شده و بدون مقاوم سازی شبیه هم می باشد .بعد از ، مشاهده اولین رشد ترک در بال ،هنگامی که ترک بیش از 10 mm رشد می کند .و قبل از رسیدن به گوشه، سختی تیر شروع به کاهش یافتن می کند بطوری که در یکه دوره زمان کوتاه تیر دارای نقص ، دچار گسیختگی می شود . در تیر های مقاوم سازی نشده ، حالت شکست قبل ازاین که سخت شدگی به بیش از 10 % کاهش یابد اتفاق می افتد .

نتیجه گیری

در این مقاله به منظور مقاوم سازی و بالا بردن ظرفیت باربری تیر فولادی ، که دارای نقص در میانه ناحیه کششی بال است از طول های متفاوت CFRP با مدول الاستیسیته متوسط استفاده شد .نتایج نمودارهای نیرو –تغییر مکان بدست آمده از روش اجزای محدود برروی نمونه های ورق های مطالعه شده نشان داد که استفاده از این ورق ها تاثیر بسزایی در بهبود عملکرد تیر دارای نقص دارد .بگونه ای که در نمونه های بهسازی شده مقاومت خمشی

و ظرفیت باربری تیر بطور کامل بازیابی شده است . از آنجایی که اکثر پل ها و سازه های کشور فلزی هستند و در اثر گذشت زمان دچار فرسودگی و نقص میشوند و هزینه های ایجاد سازه جدید و عوض کردن عضو به میزان زیاد و زمان بر است استفاده از این مصالح بطور قابل توجهی باعث کاهش زمان و هزینه های مصرفی میگردد از این جهت به عنوان بهترین مصالح برای تعمیر تیر دارای نقص پیشنهاد می شود.

این مقاله به همت امید یوسفی ،کامبیز نرماشیری  ،علی قدس  ،محمد رضا قائم دوست تهیه شده است