تا قبل از دهه 70 میلادی سازه های بتنی تحت بارهای ثقلی و بدون توجه به بارگذاری لرزه ای طراحی شده است .با وقوع زلزله های مخرب دهه 70 میلادی مانند زلزله 1971 سنفرناندوی کالیفرنیا، بحث طراحی لرزه ای سازه ها و ایجاد شکل پذیری کافی در آن ها مطرح شد و آیین نامه های جدیدی برای طراحی لرزه ای سازه ها تدوین شدند. با وقوع زلزله های مخرب دهه 90 میلادی مانند زلزله 1994 نورتریچ آمریکا و 1995 کوبه، آسیب زیادی به سازه ها از جمله سازه هایی که طبق آیین نامه های قدیمی تر ساخته شده بودند، وارد آمد. اتصالات تیر-ستون سازه ها، یکی از اعضای بحرانی سازه ها است، که طراحی آنها طبق آئین نامه های قدیمی و در نتیجه کمبود آرماتورگذاری در این نواحی هنگام زلزله شدید موجب خرابی کلی سازه می شود . هزینه بالای نوسازی سازه هایی که در معرض زلزله های متوسط و شدید قرار می گیرند و همچنین مراحل قانونی و پروسه اداری آن، سازندگان را بر آن می دارد که توجه ویژهای به مقاوم سازی سازه ها با توجه به آئین نامه های لرزه ای جدید داشته باشند .یکی از روش های تقویت و بهسازی که به تازگی مورد توجه قرار گرفته است، استفاده از کامپوزیت های الیافی FRP است. استفاده از پوشش های FRP برای تقویت هم زمان ظرفیت برشی و خمشی اعضای بتنی در دو دهه ی اخیر مطرح شده است، که با توجه به سختی های روش های پیشین مانند افزایش سطح مقطع اتصال با بتن ریزی مجدد ، محصور کردن ناحیه اتصال با ورق های فولادی و غیره و به ویژه با توجه به ملاحظات معماری از جایگاه ویژه ای برخوردار است. از مزایای پوشش های FRP می توان به : مقاومت در برابر خوردگی و فرسودگی، وزن بسیار کم، مقاومت در برابر بارهای متناوب، دینامیکی و تکراری، افزایش رفتار شکل پذیر سازه، رفتار تقریبا یکسان از لحاظ انبساط و انقباض با بتن و صرفه اقتصادی اشاره کرد .تاکنون آزمایش های زیادی در زمینه بررسی رفتار اعضای بتنی به صورت جداگانه مانند تیر، ستون، اتصال با استفاده از پوششهای FRP انجام شده است. مجموعه ی پژوهش های این پژوهشگران چشم انداز مناسبی از تقویت اعضای بتنی با استفاده از FRP در پیش رو قرار می دهد. با این وجود، پژوهش های کمی در زمینه بررسی رفتار قاب بتنی وجود دارد. بالسامو و همکاران در زمینه تقویت یک قاب بتنی که اتصالات تیر به ستون آن به وسیله ی الیاف CFRP دورپیچ شده بود و تحت بار شبه دینامیکی قرار داشته، مطالعاتی انجام داده اند. از مهم ترین نتایج مطالعات آنان افزایش ظرفیت باربری و جذب انرژی بدون هیچ گونه خسارت بحرانی در ناحیه تقویت شده با FRP را می توان اشاره کرد. از دیگر پژوهش ها در این زمینه می توان به مطالعات زو و همکاران اشاره کرد. در این پژوهش دو نمونه قاب درگاهی با مقیاس 1:3 تحت بار سیکلی قرار داده شد .نتایج آزمایش های آن ها بیانگر افزایش قابل توجه شکل پذیری و مقاومت نمونه تقویت شده نسبت به نمونه کنترل بود. پس با توجه به پیچیدگی و تنوع مکانیزم خرابی قاب های بتنی تقویت شده به وسیله ی الیاف FRP آنالیزهای عددی انجام شده در این زمینه محدود است.
جزئیات مدل آزمایش مطابق آنچه در شکل های زیر مشاهده می شود می باشد. سه نمونه یکی بعنوان نمونه کنترل و دومی با همان مشخصات ولی تقویت شده با الیاف CFRP به صورت الیافL شکل و حالت دورپیچ (Wrap) در اطراف تیر و ستون و سومی با تقویت U شکل و دورپیچ در اطراف ناحیه اتصال در آزمایشگاه ساخته شده و بعد از اعمال بار سیکلی جانبی بر محور تیر، نتایج به وسیله ی برنامه المان محدود LS-DYNA ارزیابی می شود.
تقویت قاب ها
تقویت قاب ها با دو رویکرد کلی تقویت خمشی و تقویت برشی قاب انجام شد. به منظور تقویت خمشی قاب، با توجه به ثابت بودن تراز بار ثقلی، الیاف کربن به صورت L شکل در بالا و پایین اتصال مطابق شکل زیر نصب شدند. میزان امتداد این الیاف از بر اتصال به اندازه 2برابر بعد اتصال در نظر گرفته شد(30 سانتی متر). در این نمونه ها وجود ناحیه اتصال فاقد تقویت بود. همان گونه که در شکل نشان داده شده است در نواحی با آرایش شبکه ای از دو لایه FRP استفاده شده است. همچنین به منظور تقویت برشی ناحیه اتصال در قاب الیاف کربن به صورت U شکل مطابق شکل مورد استفاده قرار گرفتند. در نواحی ابتدایی و انتهایی تیر و ستون ها دورپیچی به عرض 30 سانتی متر اجرا شد و همچنین در دو مدل در نواحی اتصال ستون به فنداسیون از دورپیچی به طول 30 سانتی متر استفاده شده است. مشخصات الیاف مصرفی در جدول ارائه شده است. ضخامت الیاف مصرفی 0.167 میلی متر است.
نمونه های تقویت شده با FRP
این قاب با یک لایه کامپوزیت الیافی کربنی به ضخامت 167/0 و به طول 300 میلی متر از بر اتصال تیر و ستون قاب در جان آن ها تقویت شده است. این اتصال نیز مانند نمونه قبل تحت بارگذاری سیکلی مشابه قرار می گیرد. این تقویت L شکل برای مقاوم سازی خمشی مورد استفاده قرار گرفته است. در شکل زیر نمودارهای پوش مدل آزمایشگاهی و مدل تحلیلی آمده است که نشان دهنده ی تطابق خوبی است. در شکل بعدی مشاهده می شود که علاوه بر منحنی بار تغییر مکان که یک شاخصه کمی است از لحاظ کیفی یعنی آرایش ترک ها نیز هم خوانی مناسبی بین نتایج تحلیل المان محدود و آزمایشگاهی وجود دارد.
مقایسه نتایج کمی و کیفی در شکل های زیر انجام شده است. در این مدل با توجه به الگوی ترک ها راستای ترک ها در محل اتصال تیر به ستون و پای ستون از حالت مایل و برشی به حالت افقی درآمده است و تمرکز ترک ها از قسمت ناحیه اتصال به پای ستون منتقل شده است.
بررسی نتایج از چند منظر تغییر در مکانیسم خرابی نمونه های تقویت شده و تقویت نشده، اختلاف در مقاومت نمونه ها با تغییر جنس الیاف و نوع تقویت و همچنین آثار آنها روی شکل پذیری اتصال و درپایان اثر تعداد لایه های تقویتی بر رفتار اتصال مورد بررسی قرار می گیرد.
بررسی جنس الیاف و تعداد آنها بر رفتار قاب
الیاف FRP موجود به منظور بهسازی سازه های بتن مسلح مورد استفاده قرار می گیرند دارای ضخامت های مختلف است. الیاف CFRP نسبت به الیاف GFRP دارای مدول بالاتر و ضخامت کمتری است . همچنین این الیاف در تعداد لایه هایی بیش از یک لایه مورد استفاده قرار می گیرند . در این بخش اثر جنس و تعداد لایه ها بر رفتار قاب تقویت شده مورد بررسی قرار گرفته است . کلیه لایه های مورد بررسی در این بخش با زاویه الیاف صفر درجه در نظر گرفته شده اند. در جدول پایین نتایج حاصل از مقدار بار و شکل پذیری برای 6 مدل برای بررسی جنس و نوع تقویت آمده است. با در نظر گرفتن تفاوت ضخامت موجود بین الیاف کربن و شیشه مصرفی، که لایه های FRP قوی تری برای الیاف شیشه نسبت به الیا ف کربن را در پی داشته است، نتایج تحلیل ها نشان می دهند الیاف شیشه در زمینه استهلاک انرژی از الیاف کربن مؤثرترند، اما از منظر مقاومت الیاف کربن تا حدودی مؤثرتر از الیاف شیشه است. همان گونه که در شکل مشخص است افزایش تعداد لایه های تقویت بدون تغییر در آرایش آن ها باعث افزایش سختی قاب و افزایش در ظرفیت باربری قاب می شود. افزایش ظرفیت باربری برای تمام نمونه ها مشاهده شد . همچنین شکل پذیری نمونه های تقویت شده کمتر از حالت بدون تقویت است، ولی مقدار شکل پذیری وابسته به ضخامت لایه بوده و در صورت استفاده از ورق های FRP از (جنس شیشه یا کربن ) تعداد لایه ها به گونه ای انتخاب می شوند که حاصلضرب تعداد لایه با احتساب ضخامت لایه در مدول الاستیسیته دو نمونه FGUW و FCUW یکسان شود، باعث افزایش میزان جذب انرژی می شود. با توجه به تغییر ضخامت لایه ها می توان نتیجه گرفت افزایش ضخامت لایه تا حد مشخصی دارای تأثیر مثبت است و با افزایش ضخامت از این حد شکست ترد را در نمونه می تواند موجب شود.
نتیجه گیری
نزدیک بودن نتایج عددی و مشاهده ی آزمایشگاهی از مکانیزم های شکست و منحنی های هیسترزیس برای نمونه ها قبل و بعد از تقویت با FRP گویای این واقعیت است که مدلسازی عددی می تواند به عنوان یک ابزار عملی برای تحلیل و بررسی رفتار سیکلی قاب های بتن آرمه و تقویت شده با FRP به کار گرفته شود.
از آنجا که بررسی عملکرد قاب تحت اثر بارهای سیکلی به روش های آزمایشگاهی پرهزینه و وقت گیر است پس مهندسین طراح و پژوهشگران می توانند از روش اجزای محدود به منظور ارزیابی رفتار سیکلی و استخراج منحن های هیسترزیس استفاده کنند که با توجه به هزینه ی اندک تحلیل عددی در مقایسه با روش های تجربی در مراحل اولیه طراحی اهمیت خواهد داشت.
رفتار قاب بتن آرمه در ناحیه اتصال تیر به ستون بسیار پیچیده بوده و متغیرهای زیادی در تعیین عملکرد و مکانیسم خرابی در نوع تقویت نقش دارند .از جمله این پارامترها می توان به تعداد لایه های الیاف، جنس الیاف، زاویه قرارگیری آن ها اشاره کرد.
هرچند که افزایش تعداد لایه های کامپوزیت باعث افزایش ظرفیت باربری اتصال می شود اما به دلیل پدیده جداشدگی ورق های تقویتی (با توجه به در نظر گرفتن المان TIEBERAK ) افزایش بیشتر تعداد لایه های ورق تقویتی کارایی لازم را ندارد.
در صورت استفاده از ورق های FRP از جنس شیشه یا کربن تعداد لایه ها به گونه ای انتخاب می شوند که حاصل ضرب تعداد لایه، ضخامت لایه . مدول الاستیسیته دو نمونه FCUW,FGUW یکسان شود، باعث افزایش میزان جذب انرژی می شود. این امر می تواند به دلیل مدول الاستیسیته کمتر ورق های شیشه ای باشد.
