ارزیابی و تحلیل ستون بتنی مسلح تو خالی محصور با FRP

ارزیابی و تحلیل ستون بتنی مسلح توخالی محصور با FRP توسط نمودار های اندرکنش

1.مقاوم سازی ستون های بتنی

ستون های بتنی مسلح اعضای کلیدی مقاوم در برابر بار های افقی و قائم سازه های بتنی محسوب میشوند. از اینرو مقاومبودن این اعضا نقش مهمی در مقاومت کل سازه دارد. اغلب ستون ها به دلیل سهولت در ساخت دایره ای و مستطیلی شکل هستند .

با توجه به هزینه ی قابل ملاحظه ی نوسازی مجدد سازه ها، مسئلهی تقویت و ترمیم سازه های ضعیف و خسارتدیده به منظور تحمل بار های بیشتر از طراحی، بهبود نارسایی های ناشی از فرسایش، افزایش مقاومت و یا شکل پذیری سازه با استفاده از مصلاح مختلف و شیوه های اجرایی متنوع در سطح وسیعی مطرح شده است.

 استفاده از پیشتنیدگی خارجی، غلاف فولادی یا بتنی و صفحات الیاف پلیمری |FRP |برخی از روش های متعارف هستند. مقاوم سازی مقاطع بتنی با استفاده از FRP یکی از راهکار های نوین مقاوم سازی است که جایگزین روش های قدیمی مانند زرهپوش کردن فولادی یا بتنی شده است.

ستون های توخالی بتن مسلح برای کاهش هزینه و کاهش نسبت وزن به سختی اعضا استفاده میشوند. این ستون ها اغلب بار های محوری همراه با لنگر خمشی را تحمل می‌کنند. مقاوم سازی ستون توخالی بتن مسلح با پوشش FRP حالت محصورشدگی برای بتن فراهم می‌کند.

 در این مطالعه ستون ها بدون پوشش و با پوشش پیرامونی FRP بررسی و تحلیل شده، نمودار اندرکنش هر گروه با نتایج تجربی موجود مقایسه شده است. بر اساس نتایج بدست آمده، افزایش لایه های FRP تا انداز های در افزایش مقاومت ستون موثر است، اما افزایش لایه ها به بیش از 5 لایه اقتصادی نیست. استفاده ازسه لایه، مقاومت محوری ستون ها را بین%30 تا %40 افزایش میدهد، اما در خمش خالص این مقدار به %50 هممیرسد. افزایش مقاومت با هفت و نه لایه حدود %5 بیشتر از مقاوم سازی با پنج لایه است. همچنین افزایش ابعاد سوراخ باعث کاهش مقاومت نهایی  ستون ها میشود. مقایسه ستون های با سوراخ مربعی و دایره ای نشان میدهد ستون های با سوراخ دایره ای عملکرد بهتری دارند.

در بیشتر پژوهش های انجامشده رفتار ستون های توپر بررسی شده است. تحقیقات کمی بر روی ستون های توخالی بتن مسلح با پوشش FRP انجام شده است .ستونهایی  که در قسمت مرزی سازهها خصوصا در گوشه ها و نزدیک بازشو ها واقع هستند، معمولا تحت ترکیبی از بار های محوری و لنگر های خمشی قرار میگیرند که معادل یک بار با خروج از مرکزیت است. با توجه به اینکه بیشتر مطالعات انجامشده در مقاوم سازی ستون ها بر اساس بارگذاری محوری است، رفتار ستون های دورپیچشده با FRP تحت بار های خارج از مرکز در مقایسه با بارگذاری محوری کمتر شناخته شده است

1-1-محصورشدگی در بتن

رفتار بتن تحت تنش با منحنی تنش – کرنش آن مشخص میشود. رابطه ی تنش ـ کرنش بتن غیرخطی است و در کشش و فشار نیز متفاوت است. چنانچه نمونه ی بتنی در زمان بارگذاری تحت تأثیر فشار جانبی قرارگیرد، شرایط به صورت محصورشده تلقی میشود و منحنی به صورت اساسی تغییر وضعیت خواهد داد؛ به طوری که مقاومت فشاری آن افزایش یافته و همچنین کرنش شکست نهایی  آن نیز به مراتب افزایشمی یابد. اگر در یک عضو بتنی از میلگرد های عرضی به شکل دورپیچ و یا فواصل نزدیک استفاده شود، تا حدی شرایط محصورشدگی فراهم میگردد. ایجاد شرایط محصورشدگی رفتار نرمتر و شکل پذیرتری را برای عضو بتنی فراهم می‌کند.

2-1-ستون های تو خالی

اعضای ساز های توخالی یک راهحل برای افزایش نسبت مقاومت به وزن، نسبت سختی به وزن و کاهش وزن وارده به پی است ک ً ه ن هایتا منجر به کاهش هزینه میشود. مطالعات نشان دادند ستون های توخالی که با فولاد های طولی و عرضی مناسبی مسلح شده اند، درصورت دارا بودن ضخامت دیوارهی کافی و نسبت بار محوری به ظرفیت محوری کم عملکرد مناسب و شکل پذیری زیادی در خمش دارند

ستون های بتنی مسلح توخالی ممکن است به دلیل نسبت های نامتعادل بار محوری و کمانش زودرس میلگرد های طولی ناشی از فاصلهی زیاد میلگرد های عرضی، رفتار شکنند های داشتهباشند. بنابراین برای افزایش کارایی ستون و جلوگیری از کمانش زودرس میلگرد ها میتوان از پوشش خارجی FRP استفاده‌کرد

3-1-FRP

ویژگی هایی مانند سهولت در ساخت و حمل، انعطافپذیری کاربرد به عنوان پوشش برای سطوح در شکل های مختلف، مقاومت در مقابل خوردگی و عوامل شیمیایی مانند اسید ها و باز ها، وزن کم، حذف تجهیزات ساختمانی مثل داربست، کاهش هزینه های مربوط به نیروی انسانی و تولید، دارا بودن سختی مناسب بسته به نیاز های طراحی، ظرفیت بالای تغییرشکل، عدم محدودیت عملی FRP در اندازه و ابعاد و مقاومت کششی بالا به گسترش روزافزون این مصلاح کمک بسیاری کرده است.

دوام و عملکرد درازمدت FRP نیازمند تحقیقات بیشتر است. در حلا حاضر داده های میدانی درازمدت در دسترس نیست و برآورد دقیق عمر سیستم های مقاوم‌کنندهی FRP مشکل است. اثرات محیطی و دوام ً درازمدت معمولا به صورت اعمال ضرایب کاهشی در شرایط محیطی گوناگون لحاظ میشود. اغلب سیستم های FRP بعد از قرارگرفتن در برابر عوامل محیطی از جمله دما، رطوبت و شرایط شیمیایی، ویژگی های مکانیکی کاهشیافت های را از خود بروزمیدهند. البته عوامل مربوط به دوام سیستم FRP روی مدول الاستیسیتهی کششی مصلاح استفاده شده در طراحی تأثیری ندارد

سیستم FRP با دورپیچ کردن کامل یا پوشاندن قسمتی از عضو، موجب افزایش مقاومت آن میشود. محصورشدگی همچنین میتواند با افزایش شکل پذیری باعث بهبود عملکرد ساز های شود.

2.پیشینه تحقیق

مطالعات انجامشده توسط Tengو همکاران Samaan و همکاران داد نشانBalaguru و Toutanji ، Monti و Spoelstra ،که پوشش FRP رابطه ی بین تنش ـ کرنش بتن متفاوتی با پوشش فولادی نشان میدهد. تفاوت در رفتار بتن دورپیچ با فولاد و FRP ، ناشی از تفاوت رفتار فولاد و FRP است.

 فولاد یک ماده ی الاستوپلاستیک است که تا مقدار تسلیم تغییرشکل الاستیک دارد و با حذف بار به حالت اولیه خود بازمیگردد. بعد از بار تسلیم حتی با ثابت ماندن مقدار بار، فولاد تغییرشکل زیادی دارد. بنابراین بعد از بار تسلیم، در محاسبات سادهی تنش فرضمیشود پوشش فولادی یک تنش دورپیچی ثابت فراهم می‌کند. برخلاف فولاد، FRP تحت بار کششی تا شکست یک تغییرشکل خطی دارد.

شکل |1 |نمودار تنش ـ کرنش بتن در سه حالت محصورنشده، محصورشده توسط خاموت و محصورشده توسط خاموت و FRP را نشان  می دهد. بهبود رفتار اعضای محصورشده با FRP در کاهش کرنش فولاد های تسلیح داخلی با به تأخیرانداختن تسلیم آن ها است

1-2-ستون های تقویت شده با FRP

محصور‌کردن بتن با مواد مرکب، مقاومت و شکل پذیری بتن را افزایش میدهد. افزایش تعداد یا ضخامت لایه ها باعث افزایش مقاومت و شکل پذیری بتن میشود.

آزمایش Toutanji و Balaguraنشانداد شکل مقطع و فاصلهی نوار های FRP به طور مستقیم اثر محصورشدگی پوشش FRP را تحت تأثیر قرارمیدهد. زاویه ی الیاف نیز یک مسئلهی مهم در ویژگی های مکانیکی |کارآیی| FRP است.

جهتگیری فیبر در یک سمت باعث مقاومت و سختی خیلی زیاد در آن سو میشود. افزایش زاویه ی الیاف تا حدود 30 درجه باعث افزایش مقاومت و شکل پذیری بتن شده و بعد از آن مقاومت و شکل پذیری بتن را کاهشمیدهد. چیدن لایه  ها به صورت یک در میان نسبت به حالت متقارن مؤثرتر است.

همچنین تحقیقات موجود در اکثر موارد بر نتایج آزمایشگاهی استوار است و مدلسازی به وسیلهی نرم افزار ها با دشواری بیشتری همراه است.

2-2-مطالعات انجام گرفته در مورد محصورشدگی ستون های بتنی با FRP

مطالعات مختلفی در این زمینه به صورت کار های آزمایشگاهی و مدل های تحلیلی و عددی انجام شده است. ابتدا از مدل ارائه شده برای بتن محصور با خاموت های فلزی استفاده شد. اما مطالعات بعدی نشان داد که استفاده از این مدل برای مواد مرکب که دارای رفتار خطی و ترد هستند غیرمحافظه‌کارانه است

مطالعات انجامشده توسط Nanni و Bradford،Mirmiran و Hadi و Li ، Rizkalla و Fam ،Shahawy ،Mathys و همکاران نشان میدهد شکل پذیری و مقاومت ستون های بتنی با پوشش ورق های FRP دور ستون بهبود می یابد. مدل هایی برای مقاومت و شکل پذیری ستون های توپر محصورشده با کامپوزیت ها در سلا های اخیر معرفی شده اند. اما برای ستون های توخالی این مطالعات کمتر است.

3-2-مدل های محصورشدگی

مطالعه ی انجام شده توسط Richart و همکاران نشان داد مقاومت و ظرفیت شکل پذیری در حالت فشار سه محوری افزایش زیادی دارد.

چنین حالت فشار سه محوری با فراهم‌کردن محصورشدگی برای بتن حاصلمیشود. اگر بتن مسلح باشد و پوشش خارجی هم وجود داشته باشد، حالت مطلوبی از تنش سه محوری قابل دسترسی است. در ستون ها، محصورشدگی با تأمین میلگرد های عرضی به صورت خاموت یا مارپیچ قابل حصول است.

 برای ستونهایی  که به صورت خارجی دورپیچ شده اند، این محصورشدگی با پیچیدن کامپوزیت به دور آن حاصل میشود. برای مدل‌کردن رفتار بتن دورپیچ شده با فولاد، در ستون های توپر روابطی ارائه شده اند که به نظرمیرسد اغلب آن ها بر اساس معادله 1 که توسط Richart و همکاران  برای مقاومت بتن محصور با فولاد بیان ‌‌شده است، به دستآمد هاند. مطالعات Teng و همکاران،Samaan و Balaguru و Toutanji Monti و Spoelstra  وهمکاران نشان میدهد مدل هایی که برای پوشش فولادی تعریفشده اند باید برای بتن محصور با FRP دوباره تعریف شوند.

΄fcc: مقاومت فشاری بتن محصورشده |MPa |

΄fco :مقاومت فشاری بتن محصورنشده |MPa

Fl  :تنش محصور‌کنندهی جانبی R2

  Kl :ضریب موثر محصورشدگی است که توسط Richart و همکاران  مقدار4/1 ، توسط Teng و همکاران  مقدار 2 ،پیشنهاد  شده است. مطالعات Samaan و همکاران و تحقیقات بسیار دیگری نشان داد که استفاده از ضریب پیشنهاد ی Richart و همکاران خصوصا در بارگذاری محوری محافظه‌کارانه است. Karbhari و Gao رابطه ی |2 |را پیشنهاد  کردند.

΄fcc: مقاومت فشاری بتن محصورشده |MPa |

΄fco :مقاومت فشاری بتن محصورنشده |MPa

:v=0.2ضریب پواسون بتن بر اساس AS3600 و ACI318

: Efrp ضریب ارتجاعی frp    |MPa|

Tfrp : ضخامت frp

d : قطر مقطع محصورشده

 Ec : ضریب frp ارتجاعی بتن

وقتی که ستون بتنی تحت بار فشاری محوری قرارمیگیرد هسته ی بتن به طور جانبی افزایش عرض خواهدداشت، با ایجاد تنش های کششی در FRP از این افزایش عرض ممانعت میشود. وقتی که مقدار تنش های محیطی به مقاومت نهایی  FRP میرسد، گسیختگی اتفاق می افتد

برای محاسبه ی تنش محصورشدگیfl در ستون های توپر دایره ای  Lam وTengرابطه ی |3 |را پیشنهاد  کردند.

Fl  :تنش محصور‌کنندهی جانبی

F frp : مقاومت کششی FRP در جهت حلق های

Tfrp : ضخامت frp

d : بعد ستون دایره ای یا بعد معادل ستون مربعی

F frp : چگلای FRP

A frp : سطح مقطع FRP

A column  :سطح مقطع ستون

Kusumawardaningsih و Hadi برای بررسی رفتار ستون های توخالی بتن مسلح دارای سوراخ مربعی و دایره ای مدلی را بر اساس تحقیقات Lam و teng پیشنهاد ‌کردند.

اگرچه تن ها تفاوت آشکار با ستون های توپر محصور وجود قسمت توخالی مرکزی است، مکانیسم دورگیری FRP ستون توخالی تحت بار محوری تا حدودی متفاوت است. تنش های دورگیری در ستون های توخالی ناشی از پوشش FRP تا حدی پیچیده و غیریکنواخت است.

یک تنش متوسط دورگیری برای ستون تحت بار های فشاری ناشی از پوشش FRP فرض میشود. طبق این فرض ساده پوشش جانبی FRP در جدارهی ستون دایره ای توخالی از افزایش قطر لوله جلوگیریمی‌کند .

 برخلاف مقطع دورپیچ توپر بتنی، هیچ تنش فشاری دورگیری بر سطح داخلی دیواره منحنی در جهت شعاعی واردنمیشود با فرض این‌که بتن تحت محصورشدگی دومحوری است، مقاومت فشاری و ظرفیت تغییرشکل افزایش می یابد. چون مدل های تنش ـ کرنش بتن محصور با FRP ،رفتار بتن را مانند ستون های توپر تحت شرایط تنش سهمحوری بیانمی‌کنند، برای بتن محصور دومحوری در حالت ستون f در نتیجه ی استفاده از پوشش توخالی مناسب نیستند

برای تعیین fcc ، در نتیجه ی استفاده از پوشش  frp نمودار اندرکنش ساده ای بهوسیلهی Mander و همکاران  در سلا 1998 ارائه شد که این نمودار در اصل از مطالعات William و Warnke به دست آمده است. Mander و همکاران رابط های کلی برای کرنش شکست بتن تحت پوشش به دست آوردند:

002/0= εco : کرنش متناسب با تنش حداکثر بتن بدون پوشش

مقدار ثابت R توسط Mander و همکاران برای بتن های تحت فشار سه محوره مانند ستون های توپر 5 تعیین شده است. Darwin و Pecknold بعد از آزمایش پانل های بتنی تحت بار دومحوری مقدار متوسط 25/3 را برای R تعیین کردند. مقادیر کوچکتر R کرنش خردشدگی کوچکتری را میدهد و نشانگر این است که بیشترین مقدار تنش، معادل با کمترین مقدار تغییرشکل بتن است. معادلات |6 |تا بیانگر مدل تنش ـ کرنش Mander و همکاران هستند. اساس این معادله توسط Popovics پیشنهاد  شده است.

Εcc: کرنش فشاری بتن متناسب با تنش فشاری fc

f΄cc :  بیشترین تنش فشاری بتن محصورشده

f΄co :  :مقاومت فشاری بتن بدون پوشش

مقدار εcc از معادله |5 |به دست میآید

Ec  : مدول الاستیسیتهی بتن بدون پوشش است که با استفاده از معادلات |10 |و |11 |محاسبه میشود

ρ : چگلای بتن برحسب Kg/m3   که معمولا m3/Kg 2400 در نظر گرفته میشود

4-2- مطالعات آزمایشگاهی

ی Fam و همکاران مطلاع های روی لوله  های FRP که با بتن پر شدند و تحت بار های مختلف محوری و خمشی قرار گرفتند- انجامدادند. Hadi  شش ستون توپر که باری با خروج از مرکزیت mm 5.42  داشت را آزمایشکردند. ستون ها با یک، سه و پنج لایه الیاف کربنی محصورشدند. استفاده از FRP بعضی از ویژگی های ناخواسته ی بتن مانند شکست ترد را کاهش  می دهد

 Li و Hadiدر آزمایشی کارآیی ستون بتنی مسلح پرمقاومت محصورشده را تحت بار خارج از مرکز بررسی کرده؛ تأثیر دو نوع مادهی محصور‌کنندهی الیاف کربن و شیشه را مقایسه‌کردند. متغیر های مورد مطالعه در آزمایش آن ها نوع تسلیح |داخلی و خارجی|، تعداد لایه های FRP و نوع مصلاح محصورکننده شامل کربن تک جهته و الیاف شیش های بود.

Hadi در مطالعاتی رفتار ستون های توپر دورپیچشده با دو نوع مواد تحت بارگذاری خارج از مرکز را بررسی‌کرد. نتایج نشانداد افزایش خروج از مرکزیت باعث کاهش ظرفیت مقاومتی ستون میشود، اما استفاده از تسلیح خارجی ظرفیت باربری ستون را افزایش می دهد. این افزایش با بیشتر شدن تعداد لایه های خارجی پوشش چشمگیرتر است. افزایش مقاومت نمونه های غیرمسلح تحت بار خارج از مرکز به اندازهی بارگذاری محوری محسوس نیست. استفاده از CFRP به عنوان تسلیح خارجی مقاومت ستون را افزایشمیدهد.

افزایش تغییرشکل نسبت به افزای ً ش مقاومت خصوصا در بتن های بدون تسلیح داخلی محسوستر است. افزایش لایه های FRP به ستون این امکان را  می دهد که بار های خارج از مرکز را با زیاد شدن تغییرشکل های جانبی تحمل‌کند. بررسی مصلاح نشان می دهد که CFRP محصورشدگی بیشتری را نسبت به GFRP فراهممی‌کند.

5-2- نمودار اندرکنش ستون های توخالی

نمودار M–P یک منحنی پیوسته برای تعیین ظرفیت بار محوری و لنگر خمشی مقطع ستون بتنی مسلح است. یک نقطه روی منحنی ممکناست بیانگر بارگذاری محوری، بارگذاری خارج از مرکز و یا بار خمشی خالص باشد Yazici و Hadiستون های دایره ای توخالی بتن مسلح تحت بار را با خروج از مرکزیت های مختلف و خمش خالص بررسی‌کردند. نتایج نشان داد افزایش مقاومت در ستون های محصور با CFRP تحت بار محوری بیشتر از بار اعمالشده با خروج از مرکزیت است.

Yuan  و همکاران مطلاع های در مورد مدل های تنش ـ کرنش بتن انجام دادند و نتایج آن را برای ستون های بتنی مسلح محصور با FRP تحت بار های محوری و خمشی به‌کاربردند. Ozbakkaloglu و Saatcioglu ستون های در مقیاس بزرگ با مقطع مربعی به ضلع mm 270 و مقاومت بتن MPa 90 ،محصور در FRP تحت بار شبیه سازی شده ی لرزه ای را آزمایش کردند

Lignola و همکاران و رفتار مقاطع غیردایره ای توخالی که تحت ترکیب بار محوری و خمش قرارگرفته اند و مکانیسم مقاوم سازی آن ها با پوشش FRP را بررسی‌کردند. بر اساس نتایج حاصل پوشش های کامپوزیتی میتواند کارکرد ساز های ستون های بتنی را تحت بار های خارج از مرکز در زمینهی مقاومتی تا %15 افزایشدهد. افزایش مقاومت به خروج از مرکزیت بار وارده وابسته است |خروج از مرکزیت کمتر بهبود مقاومت بیشتر|.

شکل پذیری ستون های محصور نیز نسبت به ستون های بدون پوشش بهطور چشمگیری افزایش  می یابد. شکست اعضای غیرمحصور تحت تأثیر کمانش میلگرد های فشاری و خردشدن بتن پوشش است. پوشش FRP این مکانیسم را به تأخیرمیاندازد، بنابراین مقاومت و شکل پذیری اعضا را حتی در خروج از مرکزیت های بالا افزایش می دهد.

3.مدلسازی در نرم افزار

در مطالعهی حاضر هدف بررسی نمودار های اندرکنش ستون بتنی مسلح توخالی محصور با FRP تحت بار های محوری و خارج از مرکز است. در این مطالعه تعدادی ستون توخالی در نرم افزار اباکوس مدلسازی شده و رفتار آن ها بررسی شده است. متغیر های مورد مطالعه شکل ستون، شکل و ابعاد سوراخ و تعداد لایه های الیاف برای دورپیچی است و تأثیر هرکدام از موارد فوق در میزان ظرفیت باربری و شکل پذیری ستون مسلح بتنی توخالی مقایسه شده است.

 برای بررسی درستی مدلسازی، ستون توخالی بتن مسلح که توسط Hadi تحت اثر بار با خروج از مرکزیت های مختلف و خمش خالص آزمایش شده در نرم افزار اجزاء محدود اباکوس مدل شده و نتایج حاصل با نتایج آزمایش تجربی مقایسه گردیده است. پس از مشاهده ی انطباق قابل قبول بین این دو سری نتایج، همان ستون با یک، سه، پنج، هفت و نه لایه FRP تقویت شده است. مشخصات هندسی ستون ها در شکل |2 |نشان داده شده است.

ستون ها در دو گروه C| بدون پوشش خارجی| و L| محصور با سه لایهی FRP |ساخته و آزمایششدند. تغییرشکل محوری ستون در انت های آزاد و تغییرشکل جانبی در وسط ستون مطابق شکل |3 |اندازهگیریشد. هدف در این مطالعه، آزمایش ستون تحت خروج از مرکزیت های کوچک و نسبتا بزرگ است. نتایج آزمایش ها نشان داد ستون های محصور با CFRP بار محوری و خمش بیشتری نسبت به گروه دیگر تحمل می‌کنند؛ ولی افزایش مقاومت در ستون های تحت بار هممرکز بیشتر از بار اعمالشده با خروج از مرکزیت  است. ظرفیت تغییرشکل جانبی تحت بار با خروج از مرکزیت بعد از پوشش با CFRP به طور اساسی افزایش‌یافت.

1-3-نحوه ی مدلسازی

ستون های فوق در نرم افزار اباکوس مدلشده و بارگذاری مشابه با مطالعهی Yazici و Hadi صورتگرفت و نتایج به دست آمده با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. برای به دست آوردن منحنی تنش-کرنش بتن از مدل ارائه شده توسط Mander و همکاران استفاده شده است. مقاومت فشاری بتن در نمونه آزمایشگاهی MPa 60 و ضریب پواسون آن 2/0 است. برای مدلکردن رفتار پلاستیک بتن از مدل آسیب خمیری |plasticity damaged Concrete |استفاده شده است. مشخصات سایر مصلاح در جداول |1 |تا |3 |آورده شده است.

متغیر های خرابی بتن بر اساس تحقیقات انجام شده توسط Jankowiak و Lodygowskiبه دست آمده است. در نرم افزار زاویه اتساع بتن 36 درجه و 66/0  K= تعریف شده است. نمونه ی مدلشده در شکل |4 |نشان داده شده است.

مدول الاستیسیته بتن و فولاد به ترتیب با روابط |12 |و |13 |نشانداده شده اند. نوع عضو |لامان| انتخاب شده برای بتن C3D8R و برای FRP از عضو |لامان| Shell استفاده شده است.

در شکل های |5 |و |6 |منحنی های اندرکنش نمونه های مدلسازی شده با نرم افزار و منحنی حاصل از آزمایش نشان داده شده است. نمودار آزمایشگاهی و نمودار تئوری از Yazici و Hadiانتخاب و نمودار تحلیل تحقیق حاضر با خطر نشان داده شده است. از نمودار مشخص است که نتایج تحلیلی با نتایج تحلیل تحقیق حاضر همخوانی خوبی دارند.

2-3- ستون دایره ای با سوراخ دایره ای

یک گروه از ستون های دایره ای به قطر خارجی mm 205 و قطر داخلی mm 56  که در آن نسبت قطر داخلی به قطر خارجی برابر % 27 است، در مرحله ی اول بدون پوشش خارجی و در مرحله ی بعد با یک، سه، پنج، هفت و نه لایه FRP تحلیلشدند و نتایج آن در شکل |7 |آمد هاست

 نمونه های C0 تا C75 ستون های بدون پوشش هستند که با خروج از مرکزیت صفر تا mm 75 بارگذاری شده اند. CB تحت خمش قرار گرفت هاست. نمونه های L0 تا LB نیز با پوشش FRP تحت همان شرایط بارگذاری بررسیشده اند.

نمونه با یک، سه، پنج، هفت و نه لایه FRP پوشاندهشد و نتایج تحلیل به دست آمد. در ادامه تغییر ابعاد سوراخ ستون در نتایج بررسی شد. برای تعیین نوع سوراخ مناسب برای ستون های دایره ای، مدل مورد نظر با سوراخ مربعی تحلیل شد و نتایج به دست آمده با سوراخ دایره ای مقایسه شد. برای رسیدن به مقطع بهینه، ستون مربعی با سطح مقطعی معادل ستون دایره ای مدل شد و نوع و اندازهی سوراخ نیز در این مدل تغییریافت و تأثیر تغییر این موارد در ظرفیت بارگذاری بررسیشد.

4.تحلیل نتایج

مشاهده شد دورپیچ کردن ستون با لایه های الیاف کامپوزیتی باعث افزایش مقاومت و شکل پذیری در ستون های توخالی دایره ای میشود. یک لایه FRP کربنی باعث افزایش مقاومت خیلی کمی میشود. سه لایه در افزایش مقاومت تأثیر خوبی نسبت به یک لایه دارد. بهطوری که در بارگذاری محوری سه لایه دورپیچی %40 و پنج لایه حدود %50 مقاومت را افزایش می دهد. همانطور که در شکل |7 |مشاهده میشود

 پنج لایه در بار های محوری و خروج از مرکزیت کم، افزایش مقاومت کمتری نسبت به خروج از مرکزیت های بالاتر و خمش خالص دارد. نتایج تحلیل هفت و نه لایه دورپیچی نشان می دهد با افزایش تعداد لایه ها مقاومت به طور مداوم افزایشن می یابد. چنانچه افزایش مقاومت با حضور هفت و نه لایه به اندازه ی سه و پنج لایه چشمگیر نیست.

 بنابراین میتوان گفت با افزایش تعداد لایه ها تا یک حد مشخص مقاومت و شکل پذیری ستون ها افزایش  می یابد و بعد از آن افزایش تعداد لایه ها با توجه به نتایج به دست آمده مقرون به صرفه نیست. هفت و نه لایه FRP نسبت به پنج لایه به ترتیب % 7 و %10 افزایش مقاومت دارند.

در گام دوم، همین ستون با تغییر قطر سوراخ به mm 66 ،mm 76 و mm 86 بدون پوشش و با سه لایه FRP طراحی و تحلیل شده تا تأثیر این تغییر در نتایج به دست آمده بررسی شود. نتایج حاصل از تحلیل در شکل های |8 |و |9 |نشان داده شده است.

مقایسه ی نتایج حاصل از تغییر قطر در شکل های |8 |و |9 |نشان می دهد که با افزایش قطر سوراخ مقاومت نهایی  مقطع در وضعیت بدون پوشش و حالت محصور کاهش می یابد.

هرچه قطر سوراخ بزرگتر باشد مقطع ضعیف تر خواهدبود. در ستون با سوراخ به قطر mm 56 در حالت محوری افزایش مقاومت با سه لایه FRP حدود %40 ،در قطر mm 66% ،36 و در قطر mm 76 و mm 86 این نسبت به % 35 میرسد.

در بار های خارج از مرکز نسبت فوق با افزایش قطر سوراخ روند کاهنده دارد. در خمش خالص با وجود کاهش مقاومت نهایی ، با افزایش قطر سوراخ مقاومت در حالت محصورشده نسبت به وضعیت بدون پوشش روند افزایشی نشانمیدهد.

1-4- ستون دایره ای با سوراخ مربعی

در مرحله ی بعد، ستون فوق با سوراخ مربعی به طول mm 50 ،mm 55 ، mm 75 و mm 80 بدون پوشش و با سه لایه FRP طراحی و تحلیل میشود. نتایج حاصل از تحلیل در شکل های |10 |و |11 |نشان داده شده است.

در حالت Bi/Re=24%  افزایش مقاومت در بار محوری حدود %36 است در این  حالت که این مقدار با افزایش خروج از مرکزیت کاهش  می یابد، ولی در خروج از مرکزیت mm 75 افزایش مقاومت به حدود %70 میرسد.

بررسی نسبت های مختلف Bi/Re  در دو حالت بدون پوشش و محصورشده  نشان می دهد که افزایش مقاومت در حالت خمش خالص نسبت به بارگذاری محوری کمتر است. در بارگذاری محوری نسبت مقاومت نهایی  ستون محصورشده به ستون بدون پوشش %42 است که در حالت خمش خالص این مقدار به %30 میرسد.

 نتایج به دست آمده از تحلیل نشان  می دهد افزایش مقاومت در خروج از مرکزیت های mm 50 و mm 75 بیشترین مقدار و در خمش خالص کمترین مقدار را دارد، بهطوری که در خروج از مرکزیت mm 75 نسبت افزایش مقاومت به %70 میرسد.

در این حالت که نسبت طول سوراخ به قطر دایره %39 است، روند افزایش مقاومت از بارگذاری محوری تا خمش خالص تقریبا یکسان است. در حالت بارگذاری محوری با افزایش ابعاد سوراخ مقاومت نهایی  کاهش می یابد. اما در خمش خالص این روند متفاوت است، بهطوری‌که مقاومت خمشی ستون دایره ای با سوراخ مربعی به طول mm 80 از سوراخ های mm 55 و mm 75 بیشتر است.

 در شکل های |12 |و |13 | عملکرد دو ستون با سوراخ مربعی و دایره ای مقایسه شده است. نمودار ها نشان میدهند ستون دایره ای با سوراخ دایره ای رفتار بهتری نسبت به ستون دایره ای با سوراخ مربعی دارد.

شکل |13 |نشان می دهد که تفاوت ظرفیت باربری در حالت خمشی نسبت به بارگذاری محوری چشمگیرتر است و در خروج از مرکزیت های کم نوع سوراخ در میزان مقاومت ستون تأثیر کمی دارد. در خمش خالص ستون با سوراخ دایره ای %50 بیشتر از ستون دایره با سوراخ مربعی مقاومت دارد.

بر اساس شکل های |14 |و |15 |میتوان به این نتیجهرسید که شکل سوراخ بیشتر در ظرفیت خمشی ستون ها مؤثر است. اما در بارگذاری محوری و خروج از مرکزیت های کوچک تفاوت زیادی در میزان مقاومت نهایی  ایجاد نمی‌کند.

2-4- ستون مربعی با سوراخ دایره ای

یک ستون مربعی به ابعاد mm 182 طراحیشد که مساحتی معادل با ستون دایره ای دارد. آرایش میلگرد ها به گون های است که سطح مقطع فولاد های ستون مربعی و دایره ای برابر هستند. این ستون با سوراخ دایره ای بدون پوشش، با یک، سه، پنج، هفت و نه لایه پوشش FRP کربنی تحلیلشد.

با وجود اینکه میزان افزایش مقاومت با یک و سه لایه نزدیک به هم است، اما در بارگذاری محوری افزایش مقاومت با یک لایه %8 و سه لایه % 35 است. در خروج از مرکزیت های کم تأثیر سه لایه بیشتر از یک لایه است.

در حالت محصورشده با پنج لایه نیز نسبت افزایش مقاومت در حالت خمشی در مقایسه با بارگذاری محوری بیشتر است. مطابق انتظار افزایش تعداد لایه ها به بیشتر از پنج لایه باعث افزایش مقاومت چشمگیری نمیشود. نه لایه نسبت به هفت لایه و هفت لایه نسبت به پنج لایه مقاومت ستون را در بارگذاری محوری %2 افزایش می دهد.

3-4- ستون مربعی با سوراخ مربعی

ستون مربعی در این مرحله با سوراخ مربعی مدلشد و با یک، سه، پنج، هفت و نه لایه پوشش FRP تحلیل شد که نتایج آن در شکل |17 | آمد هاست. مقایسه ی نتایج به دست آمده نشان  می دهد که افزایش مقاومت در خروج از مرکزیت های زیاد و خمش با یک و پنج لایه FRP به سه لایه نزدیک است.

افزایش ظرفیت باربری محوری در یک و پنج لایه نسبت به وضعیت خمشی کمتر است. سه لایه FRP در تمامی وضعیت ها از بارگذاری محوری تا خمش افزایش مقاومت یکسانی دارند. هفت و نه لایه FRP در حالت محوری، خروج از مرکزیت کم و خمش خالص نتایجی نزدیک به پنج لایه دارند، ولی در خروج از مرکزیت های بیشتر تأثیر چشمگیرتری دارند

در شکل های |18 |و |19 |تأثیر شکل سوراخ در منحنی اندرکنش ستون مربعی نشان داده شده است. مشاهده میشود در بارگذاری محوری و خروج از مرکزیت کم شکل سوراخ تأثیر چندانی در مقاومت نهایی  ندارد، اما در شرایط نزدیک به خمش ستون مربعی با سوراخ دایره ای عملکرد بهتری دارد.

5.نتیجه گیری

نتایج تحلیل ها در این مطالعه نشانداد دورپیچی ستون های توخالی |دایره ای و مربعی| با FRP باعث افزایش ظرفیت باربری آن ها میشود. با افزایش تعداد لایه های FRP مقاومت ستون های توخالی افزایش می یابد

 اما افزایش مقاومت متناسب با افزایش تعداد لایه ها نیست، یک لایه دورپیچی مقاومت را خیلی کم افزایش می دهد. با سه و پنج لایه پوشش، افزایش مقاومت قابل توجه است. افزایش تعداد لایه ها به بیش از پنج، تأثیر چشمگیری در روند افزایش مقاومت ندارد. یک لایه پوشش مقاومت محوری ستون ها را بین %8 تا %10 ،سه لایه بین %30 تا %40 ،پنج لایه بین %40 تا %53 ،هفت لایه بین %43 تا %57 ،نه لایه بین %51 تا %64 افزایش می دهد.

متغیر دیگری که در این مطالعه بررسی شد ابعاد سوراخ در ستون دایره ای بود. نتایج حاصل از تحلیل نشان داد با افزایش ابعاد سوراخ، مقاومت روند کاهشی دارد. اگر به جای سوراخ دایره ای در ستون، سوراخ مربعی تعبیه شود با افزایش ابعاد مربع انتظار میرود ظرفیت نهایی  ستون ها کاهش‌یابد.

به جز در حالت بارگذاری با خروج از مرکزیت mm 75| که بار نهایی  ستون با سوراخ مربعی به طول ضلع mm 80 نسبت به سایر مدل ها بیشتر است| نتایج حاصل، از روند مورد انتظار تبعیتمی‌کند. در ستون های مربعی نیز مانند ستون های دایره ای با پوشش خارجی FRP عملکرد ستون بهبود می یابد. با افزایش تعداد لایه ها نیز مقاومت بیشتر میشود. در ستون های مربعی یک لایه دورپیچی برای خروج از مرکزیت mm 75 نتایجی نزدیک به سه لایه دارد.

سه و پنج لایه بهبود مقاومت منطقی داشته و افزایش مقاومت با حضور هفت و نه لایه چشمگیر نیست. افزایش مقاومت با هفت و نه لایه حدود %5 بیشتر از پنج لایه است. در مقایسه ی شکل سوراخ نتایج حاصل نشان می دهد که ستون مربعی توخالی با سوراخ دایره ً ای خصوصا در وضعیت خمشی رفتار بهتری دارد. میتوان در کل به این نتیجه رسید ستون های توخالی با سوراخ دایره ی از لحاظ عملکرد مناسبتر هستند.

با توجه به روابط ارائه شده که اثر تاثیرات محصورشدگی را نشان میدهد میتوان گفت محصورشدن بتن، مقاومت فشاری آن را افزایش میدهد و افزایش مقاومت فشاری از حدی نمیتواند بالاتر برود که همان اثر تعداد لایه هاست.