مقایسه عملکرد تیرهای فولادی RBS و تقویت شده با FRP

مقایسه شکل‌پذیری و ظرفیت باربری تیرهای فولادی RBS و تقویت‌شده با FRP 

با توجه به قرارگیری ایران در منطقه‌ای لرزه‌خیز و خدمات وارده در سال‌های اخیر، لزوم افزایش سطح اطلاعات در رابطه با لرزه‌خیزی کشور، آموزش و ترویج  فرهنگ ایمنی، آسیب‌شناسی و مقاوم‌سازی سازه‌های موجود و ساخت اصولی سازه‌های جدید بسیار احساس می‌شود. در این بین روش‌های بسیاری جهت مقاوم‌سازی و بهسازی سازه‌ها موجود است که استفاده از کامپوزیت‌های پلیمری FRP از جدید و کاربردی‌ترین آن‌هاست. این مصالح با مقاومت و شکل‌پذیری بالا در المان‌های مختلف سازه و حتی اتصالات به کار می‌روند و همچنین به جهت ضدخوردگی بودن آنان، در سازه‌های دریایی نیز استفاده می‌شوند. جنس الیاف می‌تواند از شیشه، کربن، آرامید یا بازالت باشد که FRP ساخته شده با هر یک از این مواد را به ترتیب GFRP، CFRP، AFRP و BFRP می‌نامند. برای آشنایی با برترین و پرکاربردترین نوع الیاف FRP یعنی فیبر کربن، پیشنهاد می‌شود تا مقاله جامع و کاربردی ” الیاف کربن از صنایع هوایی تا صنعت ساختمان ” را مطالعه نمایید.

استفاده از الیاف FRP یکی از روش‌های افزایش شکل‌پذیری و انتقال مفصل پلاستیک به داخل تیر است. در اتصالات صلب هدف انتقال مفصل پلاستیک به داخل تیر و به یک فاصله معین از بر ستون است. به‌گونه‌ای که در این اتصالات دور ساختن مفصل پلاستیک از بر ستون، باعث کاهش تمرکز کرنش به وجود آمده در ناحیه جوش شده و در نتیجه باعث کاهش میزان ترک‌خوردگی جوش و در نتیجه کاهش شکست ترد در اتصالات می‌شود. روش‌های متعددی برای انتقال مفصل پلاستیک پیشنهاد می‌شود. در تحقیقات صورت گرفته درباره زلزله نورتریج به طور کلی این روش‌ها به دو دسته عمده تقسیم می‌شود.

1. یکسری از اتصالات پس از زلزله نورتریج بگونه‌ای طراحی شده‌اند که با افزودن اجزای وی به اتصال باعث افزایش مقاومت تیر در ناحیه اتصال شده و باعث کاهش تنش در اتصال می‌شود. در نتیجه باعث انتقال مفصل پلاستیک به داخل تیر می‌شود و از چرخش اجزای اتصال نسبت به هم (تیر نسبت به ستون) جلوگیری می‌کنند که در نتیجه تنش کمتری در ناحیه جوش ایجاد می‌شود.
2. ضعیف کردن مقطع تیر در ناحیه مفصل پلاستیک. در گروه الف از جزئیات خاصی برای حد فاصله بین محل تشکیل مفصل پلاستیک در داخل تیر تا بر ستون استفاده می‌شود.

برای گروه دوم در فاصله مشخصی از بر ستون، یک ضعیف شدگی در بال یا جان تیر ایجاد می‌شود تا مفصل پلاستیک در خارج از ناحیه اتصال تیر به ستون تشکیل شود و این ضعیف شدگی همان اتصالRBS  است. برای مقاوم‌سازی و یا بهسازی رفتار اتصالات در برابر نیروی زلزله از هر دو روش می‌توان استفاده کرد. هر کدام از این دو روش دارای مزایا و معایبی هستند که قبل از انتخاب جزئیات مناسب برای بهسازی لرزه‌ای اتصال باید به طور کامل بررسی شوند. اتصال RBS باعث می‌شود مفصل پلاستیک در از اتصال تیر به ستون و در خود تیر ایجاد می‌شود و از شکست در اتصال و جوش بال تیر به ستون جلوگیری می‌گردد.

پیشینه تحقیق 

تکنولوژی و نحوه استفاده از محصولاتFRP در مهندسی عمران اولین بار در سال 1894 در سوئیس مورد آزمایش قرار گرفت که در آن ورق‌هایCFRP جهت مقاوم‌سازی تیرهای بتنی آزمایش شدند. طرح RBS نیز ابتدا در اروپا در سال 1881 و با کاهش ثبات در بال تیر همراه با یک ناحیه انتقالی باریک شده ابداع شد. سپس شکل آن با توجه به نمودار لنگر خمشی تحت اثر بارهای جانبی اصلاح شد و اتصال RBS خطی به وجود آمد. پس از آن، بدلیل تمرکز تنش در لبه‌های RBS خطی و به منظور ایجاد نواحی انتقالی صاف و هموار، اتصال RBS خطی  شعاعی  در اواخر  سال  1889 معرفی گردید. در نهایت، به دلیل مشکلات اجرایی و سخت بودن فرم برش بال‌ها در اتصالRBS  خطی شعاعی، اتصال RBS با برش شعاعی پیشنهاد گردید. رفتار طراحی اتصالات RBS با تیرهای کامپوزیتی ارزیابی و پتانسیل شکستگی برای اتصالات RBS در انتهای تیر فولادی، با افزایش فشار بر آن‌ها آزمایش شد و از یک مدل ریاضی برای اتصالات RBS با تیرهای کامپوزیتی استفاده شود. با  این مدل ریاضی یک سری فاکتورهای تقویت ارائه و تأثیر ابعاد صفحات ضخیم، ابعاد میله‌های فولادی، خواص ماده مورد نظر و نیروهای اعمالی بر فاکتورهای تقویت ارائه شده با مدل ریاضی بررسی گردید و همچنین این مدل ریاضی ساده با مدل تائید شده المان محدود مقایسه گردید. این مدل ریاضی نتایج رضایت بخشی را نشان داده است. رفتار الاستو – پلاستیک تیرهای فولادی تقویت شده توسط FRP و رابطه بین فولاد و نوار FRP به ویژه تعامل بین تغییر شکل پلاستیک و فرآیند جداشدگی مورد بررسی قرار گرفته شدند. ابتدا روش عددی برای ارزیابی نمودار لنگر خمشی و نیروی برشی از طریق اصل شناخته شده از کار مجازی نشان داده شده و سپس انتقال تنش ناشی از تغییر شکل پلاستیک سازه‌های فلزی استاتیکی نامعین ارزیابی گردیدند. سپس یک روش مبتنی بور تعادل مقطعی فشار و سازگاری و پویش بینی تنش محوریFRP و رابطه تنش برش از تیر فولادی تقویت‌شده توسط FRP و در نهایت تمرکز تنش برشی لایه چسب در بخش مهم و شرایط شکست از طریق مثال عددی ارزیابی شده است. ارزیابی‌های انجام گرفته شده و همچنین شناخت مزایا و مشخصات مکانیکی برتر محصولات FRP، سبب شد تا سیستم یا راهکار مقاوم سازی با کامپوزیت FRP جایگزین مناسب برای راهکارهای مرسوم مقاوم سازی سازه، شود و بطور رایج شناخته و در اکثر کاربردهای عمرانی به کار گرفته شود.

آشنایی با مصالح کامپوزیتی (FRP)  

الیاف پلیمری مرکب (FRP) ازجمله مصالح روز دنیاست که در صنایع مختلف مانند صنعت هواپیماسازی، پزشکی، لوازم ورزشی، صنعت اتومبیل‌سازی و ساخت قایق‌های کوچک به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. در سال‌های اخیر نیز استفاده از این کامپوزیت در جهت استفاده صنایع ساختمانی رواج یافته است. ماده جدید FRP سال‌هاست که به سبب ویژگی‌های منحصر به فرد از جمله تقویت و مقاوم‌سازی سازه‌های موجود در موارد خمشی و برشی و دور گیری و مقاومت بالا در برابر خوردگی و … در مقاوم‌سازی و بهسازی سازه‌ها بکار می‌رود. FRP به عنوان یک جایگزین مناسب برای آرماتورهای فولادی در سازه‌های دریایی، پارکینگ‌ها، عرشه پل‌ها، ساخت بزرگراه‌های که به طور زیادی تحت تأثیر عوامل محیطی هستند و در نهایت سازه‌هایی که در برابر خوردگی و میدان مغناطیسی حساسیت زیادی دارند پیشنهاد می‌شود. برای آشنایی بیشتر با الیاف FRP، پیشنهاد می‌شود تا مقاله ” الیاف FRP و تاریخچه آن! ” را مطالعه فرمایید.

مدل‌سازی: 

در این تحقیق پارامترهای موجود در جدول شماره 2 مورد بررسی قرار می‌گیرند. مشخصات مصالح به شرح زیر می‌باشد.

\[ E=200 GPa \]

\[ v = 0.30 \]

\[ ρ = 7850 kg/m^3 \]

که در آن E و v به ترتیب مدول الاستیسیته و نسبت پواسون و ρ چگالی هستند .

جدول1 : مشخصات پلاستیک فولاد

شکل1: هندسه تیر  RBS

همانطور که در شکل 1 مشاهده می‌شود تیر RBS به صورت یک سر گیردار و یک سر آزاد بوده که در انتهای آزاد آن تغییر مکان 3 سانتی‌متر اعمال شده است. بعد از مش بندی و قبل از مرحله پردازش باید خروجی‌های مد نظر مشخص شود. خروجی‌ها شامل نمودارهای بار – تغییر مکان و دوران پلاستیک است. شکل 2 مدل تغییر یافته تیر با مقطع کاهش یافته است و همانطور که ملاحظه می‌شود تغییر فرم واقعی سازه نمایش داده شده است. کانتور تنش مشاهده شده کانتور تنش فون میسز می‌باشد. نتایج تحلیل شامل نمودار بار- تغییر مکان، نمودار مقایسه دوران پلاستیک از بر تکیه‌گاه در تیرهای RBS و  FRPبا تغییر در ضخامت، طول FRP  و سطح بال تیر است.

شکل2 : مدل تغییر فرم یافته تیر با مقطع کاهش‌یافته

مدل‌سازی شماره یک

در این تحقیق نخست سه مدل تیر RBS طبق مشخصات جدول شماره 3 یک بار به صورت RBS و در مرحله دوم با تقویت ورق  FRPمدل‌سازی و تحلیل شدند. در این مدل‌سازی روش تحلیل بار افزون یک تیر با بال کاهش یافته و همان تیر تقویت‌شده با FRP  به روش اجزای محدود توسط  نرم‌افزار Abaqus، انجام گرفته است. در تحلیل بار افزون تیر تحت تغییر مکان سه سانتی‌متری، نمودارهای ظرفیت باربری و شکل‌پذیری به دست آمده و در پایان، نتایج این نمونه با نتایج تیر تقویت‌شده در نزدیک تگیه گاه با ورق FRP مقایسه می‌شوند.

جدول2 : پارامترهای مورد مطالعه در این تحقیق

جدول3: مشخصات مدل‌های  تیرRBS (ابعاد بر حسب میلی‌متر)

مدل‌سازی نمونه دوم 

در این مرحله تیرهای فلزی تقویت‌شده با ورق FRP با مدل‌سازی طبق جدول شماره 4 با مشخصات قبل، مورد بررسی قرار گرفته شده‌اند. مشخصات پلاستیک در جدول 1 داده شده است. ورق FRP به ابعاد 21*15 سانتی‌متر و به ضخامت یک سانتی‌متر در مدل مورد بحث بوده که در مدل‌های دیگر طول و ضخامت آن را تغییر داده‌ایم. لازم به ذکر است از آنجا که FRP مورد استفاده در بسیاری از موارد متشکل از الیاف یک جهته بوده، فرض حالت ایزوتروپیک برای آن دور از واقعیت می‌باشد. به عبارت دیگر خواص مکانیکی این مصالح در جهات مختلف متفاوت خواهد بود. معمولاً این الیاف را بصورت چند لایه و همراه با رزین اپوکسی بصورت متعامد بر روی عضو سازه‌ای می‌چسبانند و به این ترتیب در دو راستای متعامد، خواص مکانیکی آن یکسان خواهد بود. در این مثال مقدار جرم حجمی FRP برابر 1800 کیلوگرم بر مترمکعب و سایر خصوصیات مورد نظر طبق جدول 5  می‌باشند.

جدول4 : مشخصات مدل‌های تیر مقاوم‌سازی شده با FRP (ابعاد بر حسب میلی‌متر)

جدول 5: خصوصیات FRP (واحد بر حسب مگاپاسگال) 

 پارامترهای G-Nu-E  به ترتیب، مدول الاسیسیته، نسبت پواسون و مدول برشی جهات مربوطه می‌باشند. اعداد 1، 2، 3  نیز راستاهای 3 محور اصلی بوده که با توجه به پیش فرض نرم‌افزار مطابق با جهت‌گیری دستگاه مختصات کلی می‌باشد. در ادامه مقاومت‌های کششی، فشاری و برشی را در جهات مختلف طبق جدول 6 تعریف می‌کنیم. لازم به ذکر است برای تعیین خصوصیات مکانیکی FRP در جهات مختلف لازم است آزمایش‌های استاندارد بر روی مصالح انجام گیرد. ترسیم هندسه مدل با ورق FRP در شکل3 نمایش داده شده است و مانند شکل 4 محل اعمال بار را انتخاب کرده‌ایم.

جدول 6:  مقاومت ` (واحد بر حسب مگاپاسگال)

 شکل 3: تیر فلزی با ورق FRP       

شکل 4: انتخاب محل اعمال بار

بعد از مش‌بندی و قبل از مرحله پردازش باید خروجی‌های مد نظر مشخص شود که خروجی‌ها شامل عکس‌العمل تکیه‌گاهی، تغییر مکان انتهای آزاد تیر (نمودار بار تغییر مکان) و محل تشکیل مفصل پلاستیک است. سپس در این مرحله مدل ساخته شده که تحت بارگذاری قرار گرفته تحلیل می‌شود. مدل تغییر فرم یافته با تقویت ورق FRP در شکل 5 مشاهده  می‌شود.

شکل  5: مدل تغییر فرم یافته تیر با تقویت ورق FRP

با استفاده از نتایج مدل‌های انجام شده با آباکوس، نمودارهای ترسیم شده در اشکال 6 الی 8 بدست آمده‌اند که در مدل تیر فلزی تقویت شده با ورق FRP ظرفیت باربری افزایش یافته و افزایش ضخامت ورق FRP تأثیری در بهبود رفتار ندارد (شکل 9). همچنین نمودارهای شکل‌پذیری و دوران پلاستیک برای تیرهای RBS و FRP در مدل‌های مختلف مورد مقایسه قرار داده‌شده‌اند (شکل 11-16).

شکل 6: نمودار نیرو – تغییر مکان برای IPE180

شکل 7: نمودار نیرو-تغییر مکان برای IPE200

شکل 8: نمودار نیرو- تغییر مکان برای IPE300

شکل 9: نمودار نیرو – تغییر مکان برای IPE300 با ضخامت‌های مختلف FRP

شکل 10: نمودار شکل‌پذیری برای تیر تقویت‌شده با FRP و تیر RBS

شکل 11 : نمودار شکل‌پذیری برای تیر تقویت‌شده با FRP و تیر RBS

شکل 12 : نمودار شکل‌پذیری برای تیر تقویت‌شده با FRP و تیر RBS

شکل 13: نمودار دوران پلاستیک برای تیر تقویت‌شده با  FRP و تیر RBS

شکل 14: نمودار دوران پلاستیک برای تیر تقویت‌شده با FRP و تیر RBS

شکل 15: نمودار دوران پلاستیک برای تیر تقویت‌شده با FRP و تیر RBS

شکل 16: نمودار مقایسه ضریب شکل‌پذیری مدل‌های مورد مطالعه

 نتیجه‌گیری

نوع، ابعاد و ترکیبات الیاف FRP در مقاوم‌سازی نقش مهمی در افزایش مقاومت نهایی اتصال دارد. نتایج تحلیل المان محدود غیرخطی حاکی از آن بود که این مدل‌سازی به‌خوبی می‌تواند رفتار و ظرفیت باربری سازه‌ها و اتصالات را بخصوص در اهداف مقاوم‌سازی بیش بینی کرده و همین‌طور باعث جابجایی مفصل پلاستیک به سمت درون دهانه تیر می‌شود. نتایج حاصل از تحلیل تیر RBS نشان داد، با جابه‌جایی محل تشکیل مفصل پلاستیک و بهبود شکل‌پذیری باعث کاهش شکست در اتصالات شده و فلسفه تیر ضعیف ستون قوی به خوبی انجام گرفته و اما ظرفیت باربری کاهش می‌یابد. در ضخامت‌های کم FRP، مفصل پلاستیک جابه‌جا شده و ظرفیت نیرو افزایش می‌یابد. در نتیجه افزایش ضخامت تأثیری در بهبود رفتار ندارد. ظرفیت باربری الاستیک FRP  با توجه به خواص آن نسبت به RBS  افزایش یافته اما شکل‌پذیری RBS بیشتر می‌باشد. FR

مراجع

1.  مقایسه شکل پذیری و ظرفیت باربری تیرهای فولادی RBS و تقویت شده با FRP، محمد رضا فاضل زاده، چهارمین کنفرانس بین المللی فناوری های نوین در مهندسی عمران، معماری و شهرسازی، مهر 1396.
2. 1. ضیاالحق، ح. علایی، 1931، ارزیابی تحلیلی عملکرد لرزه‌ای قاب‌های بتن مسلح مقاوم شده با FRP، پایان‌نامه کارشناسی ارشد، دانشکده عمران و معماری، دانشگاه صنعتی شاهرود.
3. Baji, H., Eslami, A., & Ronagh, H. R. (2015, August). Development of a nonlinear FE modelling approach for FRP-strengthened RC beam-column connections. In Structures (Vol. 3, pp. 272-281). Elsevier.