مقاوم سازی تیرهای بتنی I شکل با استفاده از کامپوزیت CFRP

در راستای مقاوم سازی تیرهای بتنی نیاز است طرح‌های بهسازی بطور دقیق و مطابق با وضعیت موجود ساختمان تعیین‌شده تا بتوان نسبت به برآورده شدن معیارهای پذیرش موردنظر در آیین‌نامه‌های معتبر، در اعضای سازه‌ای و غیر سازه‌ای اطمینان حاصل نمود. این معیارها باید مبتنی بر اصول کلی طراحی ساختمان‌های مقاوم در برابر زمین‌لرزه باشند با این تفاوت که در این حالت به دلیل وجود محدودیت‌های ناشی از وضعیت موجود از لحاظ سازه‌ای و معماری، نوع کاربری و بارگذاری روند طراحی با مشکلات همراه است که نیازمند راهکارهای متنوع‌تری خواهد بود.

با گسترش علوم و فن‌آوری در طول دهه‌های 70 و 80 میلادی استفاده از سیستم‌های (FRP Fiber Reinforced Polymers) به‌عنوان یک روش مقاوم‌سازی شناخته شد. این سیستم‌های الیافی در قالب‌های مختلفی مانند پارچه‌های تک جهته و دو جهته، لمینیت، میلگرد، بصورت چاپد در بتن و … استفاده می‌شوند. از جمله عوامل محبوبیت این سیستم‌ها خواص متعدد آن‌ها مانند مقاومت، مدول الاستیسیته و دوام بالا، خواص ضد خوردگی، اجرای آسان، وزن بسیار کم و قیمت خرید لمینت کربن و ورق کربن است که با صرفه اقتصادی می‌باشد.

مقاوم سازی تیرهای بتنی

مقاوم سازی تیرهای بتنی و بطور کلی سازه‌ها در جهت تقویت آنان برای تحمل بارهای وارده، بهبود نارسایی‌های ناشی از فرسایش و خوردگی، افزایش شکل‌پذیری سازه یا موارد دیگر با استفاده از مصالح مناسب و شیوه‌های اجرایی صحیح انجام می‌گردد. استفاده از مواد کامپوزیت به شکل پلیمرهای مسلح شده با الیاف که به اختصار FRP نامیده می‌شوند به عنوان یک روش پرکاربرد و مناسب مقاوم‌سازی و جایگزین مصالح سنتی می‌شود. مصالح FRP از ترکیب الیاف و رزین ساخته می‌شوند، در فرایند مقاوم‌سازی از رزین (رزین اپوکسی) برای ایجاد لایه یکپارچه، همچنین چسبیدن سیستم FRP به سطح بتن زیرین و ایجاد پوشش به منظور محافظت مصالح استفاده می‌شود.

برخی از روش‌های مقاوم‌سازی سازه‌های بتن آرمه

• استفاده از کابل‌های پیش‌تنیده
• استفاده از دیوار برشی
• استفاده از میانقاب با مصالح بنایی
• استفاده از پوشش و غلاف فولادی
• استفاده از ورق FRP
• استفاده از میراگرهای اصطکاکی

برای آشنایی بیشتر با الزامات لازم  برای اجرا لمینت و  ورق فیبر کربن مطالعه مقاله “لمینت فیبر کربن و مزایا و کاربردهای آن” را پیشنهاد می کنیم.

معرفی سیستم FRP

کاهش سودمندی سطح عملکرد سازه‌ها در طول زمان تحت تأثیر عوامل محیطی و آسیب‌های ناشی از بارگذاری و تغییر کاربری اجتناب‌ناپذیر بوده و لذا لزوم تدوین روش‌های عملی جهت تقویت و یا تعمیر این‌گونه سازه‌ها اجباری می‌باشد. امروزه مواد کامپوزیت یا مواد مرکب به عنوان یکی از پیشرفته‌ترین مواد در صنایع محسوب می‌شود. این صنعت و تکنولوژی در کشور ما به عنوان یک صنعت تقریباً جدید و نو مطرح است و تاکنون قدم‌های مثبتی نیز در این زمینه برداشته‌شده است ولی به نظر می‌رسد تا دست‌یابی به شرایط مطلوب و رسیدن به مرزهای جهانی راه طولانی در پیش است. با توجه به اینکه این علم در بین علوم مختلف در حال رسیدن به جایگاه خود می‌باشد به خصوص در رشته مهندسی مکانیک و عمران به جایگاه ارزنده رسیده است به بررسی قسمتی از این صنعت در ساختمان‌سازی که تقویت سازه‌ها بوسیله این مواد می‌باشد پرداخته شده است.

اجزای تشکیل دهنده کامپوزیت FRP

سیستم مقاوم‌سازی سازه‌ها با کامپوزیت اف ار پی (الیاف تقویت‌شده با پلیمرهای رزین اپوکسی) از دو جز اساسی تشکیل می‌شوند.  فایبر (الیاف) و ماتریس یا رزین (ماده چسباننده).

فیبرها که اصولاً الاستیک، ترد و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در سیستم محسوب می‌شوند. بسته به نوع فیبر، قطر آن در محدوده 5 تا25  میکرون می‌باشد این الیاف توسط رزینی از جنس پلیمر که رزین اپوکسی می‌باشد احاطه گردیده است. رزین اصولاً به‌عنوان یک محیط چسباننده عمل می‌کند، که فیبرها را در کنار یکدیگر نگاه می‌دارد. با این وجود، ماتریس‌های با مقاومت کم به صورت چشمگیر بر خواص مکانیکی کامپوزیت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثر نمی‌گذارند.

حداقل مقاومت سطح بتن برای مقاوم سازی تیرهای بتنی

سیستم FRP بروی بتن سالم عمل می‌نماید و نباید از آن‌ها برای سازه دارای فولاد خورده شده یا بتن فرسوده استفاده نمود. مقاومت بتن موجود عامل مهمی برای کاربری‌های چسبندگی بحرانی شامل مقاوم‌سازی خمشی یا برشی اعضا می‌باشد. حداقل مقاومت کششی بتن 1.4 مگا پاسکال می‌باشد، و سیستم FRP نباید برای کاربری‌های چسبندگی بحرانی هنگامی که بتن دارای مقاومت فشاری کمتر از 17 مگاپاسکال است استفاده شود. ضمناً استفاده از سیستم FRP سبب توقف خوردگی میلگردهای در حال خورده شدن نخواهد شد لذا قبل از نصب این سیستم باید آرماتورها و بتن ترمیم شوند.

اعضای سازه‌ای که توسط FRP مقاوم‌سازی می‌گردند :

•  تیرها
•  ستون‌ها
•  دال‌ها
•  اتصالات
•  ساختمان‌های بتنی
•  ساختمان‌های چوبی

در ادامه برای آشنایی بیشتر با مقاوم سازی سازه مطالعه مقاله “ورق فیبر کربن در مقاوم سازی ساختمان، خواص و کاربردهای آن” را پیشنهاد می کنیم.

مزایای روش مقاوم‌سازی تیر بتنی توسط FRP

1.  افزایش مقاومت خمشی،برشی و ضربه تیر
2.  افزایش شکل‌پذیری، دوام و عمر تیر
3.  فزایش مقاومت در برابر خوردگی
4. کنترل عرض ترک
5.  ضخامت کم ورقه‌های اف آر پی و عدم تغیر قابل‌توجه در ابعاد تیر
6. سهولت در اجرا و صرفه اقتصادی

صحت سنجی نتایج مطالعات آزمایشگاهی ساخته‌شده با نمونه‌های مدل‌سازی شده در آباکوس

در این قسمت به بررسی نتایج و اعتبار سنجی دو نمونه آزمایشگاهی تیر بتنی پیش‌تنیده با نمونه‌های مورد مطالعه مدل‌سازی شده مستطیلی و I شکل در این تحقیق پرداخته‌شده است و نمودارهای نیرو- تغییر مکان آن‌ها با هم مورد صحت سنجی و مقایسه قرار گرفته است.

معرفی مشخصات مصالح و هندسی تیرهای مورد مطالعه آزمایشگاهی و مدل‌سازی شده برای مقاوم سازی تیرهای بتنی

نمونه اول تیر مستطیلی پیش‌تنیده

در این آزمایش تیر مستطیلی پیش‌تنیده برای مدل‌سازی با عرض 200 mm ، ارتفاع 300 mm و طول 2000 mm ساخته شد. مقاومت فشاری طراحی نمونه بتن پیش‌تنیده 45Mpa در نظر گرفته شد. مقاومت فشاری بدست آمده در عمل از آزمایش فشاری روی چهار مکعب استاندارد بدست آمد. برای حالت الاستیک مدول الاستیسیته بتن 31034.23 Mpa و ضریب پواسون 0.2 و درحالت پلاستیک برای مدل‌سازی بتن از روش Concrete damage plasticity استفاده شده است. این روش از نظریه دراکر پراگر استفاده می‌کند. تیر بتن پیش‌تنیده با چهار میلگرد فولادی معمولی و دو کابل پیش تنیدگی مسلح گردید و خاموت های عرضی با قطر 8mm در فواصل 200 Gpa می‌باشند. کابل‌های پیش تنیدگی مورد استفاده در تیر نیز دارای مقاومت تسلیم و مدول ارتجاعی اسمی به ترتیب برابر 1800 Mpa و 200 Gpa می‌باشند.

کابل‌های مفروض دارای قطر 5 میلی‌متر هستند که تا تنش 1010 Mpa پیش‌تنیده شده‌اند. مدول الاستیسیته تاندون‌ها برابر 200 گیگاپاسکال فرض شده است. بر اساس تست‌های صورت گرفته نمودار تنش کرنش رفتار غیر خطی تاندون‌ها مطابق شکل زیر وارد نرم‌افزار شده است.

شکل 1 : رابطه تنش – کرنش کابل‌های پیش‌تنیده

تیر بتن پیش‌تنیده با تکیه‌گاه‌های ساده مانند شکل زیر اثر بار استاتیکی قرار گرفت. فاصله بین تکیه‌گاه‌ها 1800 mm می‌باشد.

شکل 2 : شکل شرایط تکیه‌گاه و بارگذاری

نتایج حاصل از تحلیل تیر بتنی پیش‌تنیده در آباکوس برای مصالح مختلف به کار رفته در شکل‌های زیر مشخص است.

شکل 3 : شکل مدل تیر بتنی مستطیلی بعد از تحلیل

شکل 4 : شکل مدل کابل‌های پیش تنیدگی بعد از تحلیل

شکل 5 : شکل مدل خاموت ها و میلگردها بعد از تحلیل

نمودار تغییرات جابجایی در وسط دهانه در برابر تغییرات نیرو برای تیر بتن پیش‌تنیده مورد نظر که تحت بار استاتیکی در آزمایشگاه قرار گرفته و همچنین نمودار تیر بتن پیش‌تنیده مدل‌سازی شده در نرم‌افزار آباکوس نمایش داده شده است. نمودار نیرو – تغییر مکان شامل چند خاصیت است شیب نمودار در قسمت بارگذاری اولیه سختی تیر را نشان می‌دهد. مقدار بیشترین تغییر مکان روی نمودار نشان‌دهنده تغییر مکان ماکسیمم وسط دهانه می‌باشد. سطح زیر نمودار نیز میزان انرژی پذیری تیر را نشان می‌دهد.

نمودار 1 : تغییرات نیرو جابجایی در وسط دهانه تیر بتن پیش‌تنیده مستطیلی

مقایسه‌ای که بین منحنی نیرو – تغییر مکان وسط تیر بتن پیش‌تنیده مدل سازی شده و نتایج مطالعات آزمایشگاهی انجام گرفته است در شکل بالا نشان داده شده‌است. با توجه به این شکل ملاحظه می‌گردد که نتایج بدست آمده از تیر مدل‌سازی شده تطابق نسبتاً خوبی با مطالعات آزمایشگاهی دارد.

نمونه اصلی دوم تیر I شکل

تیر دارای ابعادی به عرض 430 mm، ارتفاع 815 mm و طول کلی تیز 11 mm و فاصله بین دو تکیه‌گاه 10 m می‌باشد. مقاومت فشاری طراحی نمونه بتن پیش‌تنیده 45 Mpa و با ضریب پواسون 0.2 در نظر گرفته شده است.در حالت الاستیک مانند نمونه مستطیلی مدول الاستیسیته بتن 31034.23 و ضریب پواسون 0.2 و در حالت پلاستیک برای مدل‌سازی بتن از روش Concrete damage plasticity استفاده‌شده است. این روش از نظریه دراکر پراگر استفاده می‌کند. در اعضای مدل‌سازی شده دو نوع فولاد وجود دارد) کابل‌های پیش تنیدگی، فولاد نرمال میلگردها و خاموت ها) خصوصیات الاستیک این دو نوع فولاد با یکدیگر برابرند (مدول الاستیسیته برابر 200 Gpa و ضریب پواسون0.3) منحنی تنش – کرنش کابل‌ها حاصل از آزمایش کابل رده 1860 Mpa می‌باشد و تنش ناشی از پیش تنیدگی که به کابل‌ها وارد شده است 7700 Mpa می‌باشد. پلاستیسیته کابل‌ها و فولادهای مدل‌سازی شده بر اساس مدل پلاستیسیته سخت شدگی ایزوتروپیک دو خطی به نرم‌افزار معرفی شده است.

شکل 6 : شکل مقطع عرضی تیر I شکل

مشخصات مصالح کامپوزیتی

مصالح کامپوزیتی FRP به کار رفته برای مقاوم سازی تیرهای بتنی از نوع پلیمر فیبر مسلح کربنی CFRP می‌باشد. رفتار مصالح FRP تا لحظه گسیختگی به صورت الاستیک خطی می‌باشد و با توجه به تفاوت خصوصیت‌های مقاومتی این مصالح در جهت‌های مختلف مشخصات این مصالح به صورت اورتوتروپیک تعریف می‌شود. مقادیر ضخامت اسمی هر لایه ، مقامت کششی نهایی و مدول الاستیسیته به ترتیب برابر 0.165 mm، 3800 Mpa، 227 Gpa می‌باشد.

مقایسه نتایج بدست آمده بر اساس تحلیل‌های المان محدود در تحقیق حاضر با نتایج آزمایشگاهی در دو بخش کلی 1) تیر شاهد بدون مقاوم‌سازی با CFRP 2) تیرهای مقاوم‌سازی شده با CFRP انجام می‌گیرد.

در بخش اول نتایج بدست آمده مطالعات آزمایشگاهی با مدل‌سازی المان محدود در نمودار نیرو- تغییر مکان شکل زیر نشان داده شده است همان‌طور که مشخص است، تطابق مناسبی بین نمودار آزمایشگاهی با مدل المان محدود وجود دارد.

نمودار 2 : نمودار نیرو تغییر مکان مدل آزمایشگاهی و المان محدود

نمودار 3 : نمودار نیرو تغییر مکان مدل مقاوم‌سازی شده آزمایشگاهی با المان محدود

در بخش دوم نتایج بدست آمده مطالعات آزمایشگاهی با مدل‌سازی المان محدود مقاوم‌سازی شده با CFRP به طول 3.33 متر به صورت 2 لایه در نمودار نیرو – تغییر مکان شکل زیر نشان داده شده است همان‌طور که مشخص است تطابق بسیار مناسبی بین نمودار آزمایشگاهی با المان محدود وجود دارد و ظرفیت باربری نمونه المان محدود در انتهای نمودار بیشتر از مدل مورد مطالعه آزمایشگاهی می‌باشد.

در این فصل نتایج حاصل از طراحی و تحلیل تیرهای بتنی پیش‌تنیده I شکل مقاوم‌سازی شده صحت سنجی شده با مطالعات آزمایشگاهی با ورق‌های CFRP با طول‌های مختلف در وسط دهانه با طول‌های مختلف در چهار مدل بین دو تکیه‌گاه و در حالت‌های یک لایه دو لایه و سه لایه جهت تقویت خمشی تیرها و افزایش ظرفیت باربری در نرم افزار المان محدود آباکوس به صورت نمودارهای نیرو تغییر مکان و همچنین تصاویر تنش‌های وارده بر مصالح جهت مقایسه و بررسی بهترین و بهینه‌ترین مدل نشان داده می‌شود.

نمودار زیر نیرو – تغییر مکان تیر I شکل شاهد بدون مقاوم‌سازی با CFRP در آباکوس را جهت مقایسه و بررسی با نمونه‌های مقاوم‌سازی شده نشان می‌دهد.

نمودار 4 : نمودار تغییر مکان تیر I شکل

بحث و بررسی

همان‌طور که در نمودار بالا مشخص است تیر I شکل پیش‌تنیده بدون مقاوم‌سازی قادر است در حالت تغییر مکان 76 میلی‌متر 550687 نیوتون نیرو و در حالت  100میلی‌متر 586241 نیوتون بار را تحمل کند.

مدل اول تیر مقاوم‌سازی شده با CFRP به طول 2.5 متر یک چهارم دهانه

شکل 7 : شکل نمای CFRP وسط دهانه در زیر تیر

نمودار 5 : نمودار تغییر مکان تیر I شکل مقاوم‌سازی شده با CFRP در لایه‌های مختلف

در نمودار نیرو- تغییر مکان اولین نمونه از تیر مقاوم‌سازی شده با CFRP به طول 3.5 متر نشان داده شده است. نتایج نشان می‌دهد نیروی‌های قابل تحمل در تغییر مکان 6  میلی‌متر برای حالت یک لایه دو لایه و سه لایه به ترتیب 646384، 651915، 662044 نیوتون می‌باشد که اضافه کردن تعداد لایه‌های CFRP باعث افزایش باربری تیر می‌شود.

مدل دوم تیر مقاوم‌سازی شده با CFRP به طول 3.33 متر یک سوم دهانه

شکل 8 : شکل نمای CFRP وسط دهانه در زیر تیر

نمودار 6 : نمودار تغییر مکان تیر I شکل مقاوم‌سازی شده با CFRP در لایه‌های مختلف

در نمودار نیرو- تغییر مکان اولین نمونه از تیر مقاوم‌سازی شده با CFRP به طول 3.33 متر نشان داده شده است. نتایج نشان می‌دهد نیروی‌های قابل تحمل در تغییر مکان 76 میلی‌متر برای حالت یک لایه دو لایه و سه لایه به ترتیب 638111، 661230، 670000 نیوتون می‌باشد که اضافه کردن تعداد لایه‌های CFRP باعث افزایش باربری تیر می‌شود.

مدل سوم تیر مقاوم‌سازی شده با CFRP به طول 5 متر یک دوم دهانه

شکل 9 : شکل نمای CFRP وسط دهانه در زیر تیر

نمودار 7 : نمودار تغییر مکان تیر I شکل مقاوم‌سازی شده با CFRP در لایه‌های مختلف

در نمودار نیرو- تغییر مکان اولین نمونه از تیر مقاوم‌سازی شده با CFRP به طول 5 متر نشان داده شده است. نتایج نشان می‌دهد نیروی‌های قابل تحمل در تغییر مکان 76 میلی‌متر برای حالت یک لایه دو لایه و سه لایه به ترتیب 654623، 676444، 689608 نیوتون می‌باشد که اضافه کردن تعداد لایه‌های CFRP باعث افزایش باربری تیر می‌شود.

مدل چهارم برای مقاوم سازی تیرهای بتنی با CFRP به طول 6.66 متر دو سوم دهانه

شکل 10 : شکل نمای CFRP وسط دهانه در زیر تیر

نمودار 8 : نمودار تغییر مکان تیر I شکل مقاوم‌سازی شده با CFRP در لایه‌های مختلف

در نمودار نیرو- تغییر مکان اولین نمونه از تیر مقاوم‌سازی شده با CFRP به طول 6.66 متر نشان داده شده است. نتایج نشان می‌دهد نیروی‌های قابل تحمل در تغییر مکان 76 میلی‌متر برای حالت یک لایه دو لایه و سه لایه به ترتیب 664199، 678424، 699354 نیوتون می‌باشد که اضافه کردن تعداد لایه‌های CFRP باعث افزایش باربری تیر می‌شود. همچنین برای دریافت اطلاعات بیشتر در مورد ارزیابی لرزه ای سازه با CFRP مطالعه مقاله “مقایسه‌ ارزیابی لرزه‌ای سازه‌های بتنی تقویت شده با CFRP و GFRP” را پیشنهاد می کنیم.

نتیجه‌گیری

پس از آنکه نتیجه مطالعات نمونه آزمایشگاهی با مدل‌سازی نرم‌افزار آباکوس تطابق قابل قبولی داشت به ادامه روند پرداخته شد و مدل تیر I شکل صحت سنجی شده با چهار نمونه ورق‌های CFRP با طول و لایه‌های مختلف مورد مقاوم‌سازی قرار گرفته شد.در اینجا نتایج  مقاوم‌سازی با CFRP بیان شده و همچنین پیشنهادات برای کارهای آینده در این زمینه ارائه شده است.

• با مقایسه نمودارها در حالت اول تقویت خمشی تیر I شکل با CFRP با طول5 متر نسبت به تیر شاهد که مقاوم‌سازی روی آن انجام نشده است در انتهای نمودار با مقدار جابجایی 76 میلی‌متر در حالت تقویت یک لایه دو لایه و سه لایه به ترتیب 17.5، 18، 20 درصد باعث افزایش ظرفیت باربری تیر شده است.
• با مقایسه نمودارها در حالت دوم تقویت خمشی تیر I شکل با CFRP با طول 33 متر نسبت به تیر شاهد که مقاوم‌سازی روی آن انجام نشده است در انتهای نمودار با مقدار جابجایی 76 میلی‌متر در حالت تقویت یک لایه دو لایه و سه لایه به ترتیب 16، 20، 21.5 درصد باعث افزایش ظرفیت باربری تیر شده است.
• با مقایسه نمودارها در حالت سوم تقویت خمشی تیر I شکل با CFRP با طول 5 متر نسبت به تیر شاهد که مقاوم‌سازی روی آن انجام نشده است در انتهای نمودار با مقدار جابجایی 76 میلی‌متر در حالت تقویت یک لایه دو لایه و سه لایه به ترتیب 19، 23، 25 درصد باعث افزایش ظرفیت باربری تیر شده است.
• با مقایسه نمودارها در حالت چهارم تقویت خمشی تیر I شکل با CFRP با طول 66 متر نسبت به تیر شاهد که مقاوم‌سازی روی آن انجام نشده است در انتهای نمودار با مقدار جابجایی 76 میلی‌متر در حالت تقویت یک لایه دو لایه و سه لایه به ترتیب 20.5، 23، 27 درصد باعث افزایش ظرفیت باربری تیر شده است.
• افزایش تعداد لایه‌های CFRP از یک تا سه لایه در تقویت خمشی تیرها باعث افزایش 2.5 تا 7 درصدی ظرفیت باربری می‌شود و تأثیر بیشتری نسبت به افزایش طول ورق دارد.
• افزایش طول FRP جهت تقویت خمشی تیرها و مقاوم سازی تیرهای بتنی در حالت یک لایه باعث افزایش 1 تا 2.5 درصدی ظرفیت باربری می‌شود.
• بهینه‌ترین مدل تقویت خمشی تیرها با CFRP طول دو سوم دهانه می‌باشد که هم از نظر هزینه و کارایی بیشترین بازده را دارا می‌باشد.