بررسی تأثیر مقاومت فشاری بتن
در مقاوم سازی ستون بتن مسلح
با مقطع دایره با استفاده از FRP
1.آشنایی با FRP
در چند سال گذشته با توجه به ضعف موجود در ساختمان های کشور افزایش نیاز به مقاوم سازی،نوع مقاوم سازی و میزان تأثیر آن موردتوجه قرارگرفته است.عضو اصلی تأثیرگذار ساختمان ها ،ستون ها هستند که تحت تأثیر بارمحوری و لنگر خمشی قرار دارند.طراحی و یا اجرای نادرست باعث کاهش ظرفیت خمشی وبرشی ستون ها میشود .لذا با مقاوم سازی میتوان این ظرفیت را افزایش داد.درگذشته مقاوم سازی با اجرای غلافهای بتنی و یا فولادی صورت میگرفت که هزینه ی بالا و اجرای سخت از معایب این نوع مقاوم سازی هست.اما کامپوزیتهای FRP با نسبت مقاومت به وزن بالا و مقاومت در برابر خوردگی جایگزین خوبی برای روشهای قدیمی شدهاند.برای آنکه بتوان مقاوم سازی را به نحو احسنت انجام داد،نیاز به درک رفتار بتن محصور و میزان تأثیر محصورشدگی در آن است.
برای بررسی رفتار ستون های محصورشده با FRP تاکنون آزمایش های بسیاری صورت گرفته است.ابتدا در سال 2008 توسط Wang و Wu آزمایش هایی با اعمال فشار محوری به ستون های مستطیل شکل که دارای گردشدگی بود، انجام گرفت.نتیجه آزمایش آنها نشان داد که هرچه گردشدگی ستون افزایش یافته و به مقطع دایره ای شکل نزدیک شود،رفتار ستون بهبود می باید.سپس در سال 2011 Teng و Jiang به بررسی و ارائه مدل تئوریکی برای بیان رفتار ستون های محصور شده با الیاف پرداختند.
در سال 2011 Chastre و Marques با انجام آزمایش هایی به بررسی حداکثر ظرفیت بار محوری وجانبی با توجه به کرنش های محوری و حجمی پرداختند.در سال Pham 2013 و Doan و Hadiبا استفاده از روش گردشدگی آزمایش هایی بر روی ستون های مستطیل محصور با الیاف FRP انجام دادند که نتایج نشان داد حداکثر ظرفیت ستون در حداکثر کرنش الیاف اتفاق می افتد و میتوان کرنش الیاف را با کرنش بتن برابر فرض کرد.همچنین Desprez و همکاران با انجام یک سری آزمایش ها، مدل خرابی جدیدی برای ستون های محصور ارائه کرده اند.در سال 2014 Colajanni و همکاران و همچنین Youssfو همکاران مدل های اجزای محدود جدیدی جهت مدل سازی و آنالیز ستون های محصور در الیاف FRP معرفی کرده اند.
2. مدل سازی
مدل سازی در نرمافزار ABAQUS صورت گرفته است.برای مدل سازی بتن از مدل آسیب خمیری بتن CDP و از المان بتن از المان های سه بعدی هشت گرهی C3D8R استفاده میشود که از خانواده المان های SOLID میباشد و میتواند رفتار بتن را در این حالت بیان کند .در این حالت نیاز به تعیین منحنی
تنش کرنش محوری بتن محصورمی باشد که از در این تحقیق از مدل – Lam & Tengاستفاده شده است.
مدل سازی المان های فولادی(میلگردها) بهصورت اعضای یکبعدی(میله ای) و با جانمایی دقیق به صورت عضو خرپایی صورت میگیرد.این کار به این دلیل است که آنالیز واگرا نشده و به جوابهای منطقی برسد. مدل سازی لایه های FRP نیز به صورت المان های دوبعدی چهار گرهی ( s4r) صورت میگیرد.شکل1 یک نمونه از ستون مدل سازی شده را نشان میدهد.
3. صحت سنجی
برای کالیبراسیون از آزمایش های Xhiao و Wu استفادهشده است.در این آزمایش ها 27 نمونه ستون با مقاومت های 33.7,43.8,55.2 مگا پاسکال توسط الیاف محصورشده و تحت بار فشاری قرارگرفته اند. در این تحقیق یک نمونه استوانه ای به ابعاد 152*300 میلیمتر و با مقاومت 43.8 مگا پاسکال جهت کالیبراسیون مدل سازی گردید.خصیوصات مکانیکی FRP شامل مقادیر زیر میشود:
- ضخامت (هر لایه) 0.381 میلیمتر
- مدول الاستیسیته : 5^10*1.05مگا پاسکال
- مقاومت کششی : 1.577 مگا پاسکال
- کرنش نهایی 0.015
منحنی تنش کرنش محوری بر اساس روابط – Teng و Lam استخراج شده است.در نمودار1 نتایج مدل اجزای محدود با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. این مقایسه نشان میدهد که نرمافزار توانایی پیشبینی مدل بتن محصورشده را دارد و بین نتایج آزمایشگاهی و مدل اجزای محدود تطبیق خوبی وجود دارد.
4. بررسی پارامتری و مشخصات نمونه های مدل شده
تمامی مدل ها دارای مقطع دایرهای شکل هستند. زیرا درگذشته تحقیقات کمتری بر روی این نوع ستون ها صورت گرفته است. پارامتر بررسی شده در این تحقیق مقاومت فشاری بتن محصور نشده میباشد.بنابراین ستون هایی با مقاومت بتن متفاوت مدل موردبررسی قرارگرفته اند. 6 نمونه ستون شامل یک نمونه محصور نشده و 5 نمونه محصورشده با CFRP مدل سازی شدهاند.تمام مدلها تحت اثر بارمحوری و بار جانبی به صورت همزمان آنالیز شده اند.اتصال ستون به تکیه گاه به صورت گیردار در نظر گرفتهشده و سر دیگر ستون آزاد میباشد.مشخصات نمونه ها به صورت جدول 1 میباشد.
پارامترهای موجود در جدول 1 به شرح زیر است.
D و L به ترتیب قطر و طول نمونه بر حسب متر می باشد.مشخصات بتن شامل مقاومت بتن محصور نشده Fc و ضریب پواسن ν می باشد.
برای فولاد ،پارامتر های Fy تنش تسلیم و ps مقدار میلگرد های موجود به درصد است.
مشخصات الیاف شامل E ،مدول الاستیسیته و e مقدار کرنش به درصد ، t ضخامت لایه و Layer تعداد لایه های FRP میباشد.
5. بررسی نتایج
منحنی تنش کرنش محوری برای رده های مختلف مقاومت بتن در نمودار زیر آمده است.
نمودارهای نیرو جابجایی محوری برای هر مدل با مقاومت های متفاوت بتن به صورت زیر میباشد:
با توجه به نمودار 17 که از نمودارهای بار جابجایی جانبی 10 تا 16 استخراج شده و مقایسه میزان جابجایی جانبی برای مقاومت های مختلف بتن نشان میدهد که به طور کلی محصور کردن ستون با FRP باعث افزایش شکل پذیری میشود.اما هرچه مقاومت بتن بالاتر میرود،میزان شکل پذیری کاهش پیدا میکند.
نمونه C20-0 دارای حداکثر جابجایی 0.46 سانتیمتر جابجایی است ولی محصورشدگی(نمونه C20-1 )باعث افزایش جابجایی تا مقدار 3.05 سانتیمتر میباشد.با افزایش مقاومت بتن تا 65 مگا پاسکال،مقدار جابجایی تا 0.49 سانتیمتر کاهش پیدا میکند. درواقع یک ستون بتنآرمه با مقاومت پایینتر شکل پذیری بیشتر نسبت به یک ستون بتن آرمه با مقاومت بالا نشان میدهد.هرچند نرخ تغییرات شکل پذیری یکسان نیست.به طور مثال نسبت مقادیر جابجایی یک نمونه ستون با مقاومت C45 به C35 برابر 0.98 و نسبت مقادیر جابجایی یک نمونه ستون با مقاومت C55 به C45 برابر 0.49 است.
نمودار 18 بیانگر مقادیر تنش محوری فشاری در نمونه ها میباشد که از نمودارهای بار جابجایی محوری شماره 3تا 9 استخراج گردیده است.همانطور که نمودار 58 نشان میدهد،محصورشدگی با FRP باعث کاهش میزان تنش در عضو میشود.اما بررسی میزان مقاومت بتن محصور نشده نشان میدهد،تأثیر محصورشدگی بیشتر از تأثیر مقاومت بتن میباشد.در یک المان از مدل اجزای محدود نمونه محصور نشده مقدار تنش محوری فشاری 22 مگا پاسکال اندازه گیری شده است ولی بلافاصله پس از محصورسازی مقدار تنش در همان المان تا 6.3 مگا پاسکال کاهش مییابد.با افزایش مقاومت بتن به 65 مگا پاسکال،مقدار تنش موجود به سطح 4.8 مگا پاسکال میرسد.
6. نتیجه گیری
نتایج حاصل به صورت زیر بیان میگردد:
- نتایج تحلیل اجزای محدود ستون مقاوم سازی شده با استفاده از مدل تنش کرنش – lam & Teng و مدل آسیب خمیری بتن، تطابق خوبی با نتایج آزمایشگاهی نشان می دهد و می تواند در ارزیابی کارایی مقاوم سازی با FRP بکار رود
- محصورشدگی با FRP باعث کاهش تنش در ستون ها و افزایش شکل پذیری میشود.
- هرچه مقاومت فشاری بتن محصور نشده افزایش یابد، ستون شکل پذیری کمتری نشان میدهد.
