آزمایش مقاومت ساختمان های مقاوم سازی شده با FRP در برابر زلزله

در ویدیو دو ساختمان با یک معماری ساخته شده است اما ساختمان راست تصویر برای ساخت از سیستم FRP در آن استفاده شده است و ساختمان سمت چپ تصویر براساس عرف در ساختمان سازی با مصالح طبق عرف ساخته شده است. دو دستگاه بیل مکانیکی بعنوان شبیه ساز نیروی زلزله به سازه بار زلزله را وارد میاورند که نتیجه ویدیو تخریب ستون‌های همکف سازه معمولی و نشست ساختمان است.

الیاف FRP

الیاف FRP مصالحی پارچه ای شکل هستند که فیبرهای آن در یک یا چند جهت قرار دارند. ورقه FRP نیز از روی هم چیدن چند لایه نازک از انواع الیاف FRP و رزین و فشردن آن‌ها برای رسیدن به ضخامت و مشخصات فیزیکی و مکانیکی مورد نظر ساخته می‌شوند. در مورد آرایش الیاف پلیمری FRP لازم به ذکر است در هر جهت حجم الیاف FRP بیشتر باشد در آن جهت مقاومت کامپوزیت بیشتر خواهد بود. معمولا آرایش یک جهتی الیاف پلیمری FRP دارای مقاومت و مدول بالاتری (در جهت الیاف) نسبت به سایر آرایش‌ها می‌باشد. البته عملکرد این آرایش ارتوتروپیک است این در حالیست که در آرایش چند جهتی با اینکه رفتار شبه ایزوتروپ است. اما مقاومت و مدول در هر جهت کمتر از حالت آرایش یکطرفه الیاف FRP می‌باشد. چنانچه الیاف پلیمری FRP تماما در راستای صفر درجه باشد مقاومت کامپوزیت FRP بسیار خوب در آن جهت بوده و خواص مکانیکی بسیار ضعیفی در راستای 90 درجه از خود بروز می‌دهد. این به علت آن است که در راستای 90 درجه رزین یا همان زمینه پلیمری و نه الیاف FRP بار را تحمل می‌کند.

جزئیات مقاوم سازی ستون بتنی با صفحات FRP

کاربرد صفحات FRP برای مقاوم سازی ستون ها معمولا به منظور کاستی‌های زیر است:

• ظرفیت برشی ناکافی
• ظرفیت فشاری ناکافی ناشی از کمبود نیروی محصور کنندگی بتن
• وصله نامناسب آرماتورها

استفاده از صفحات FRP برای ستون ساختمان‌ها و پل‌ها روش مناسب و شناخته شده ای محسوب می‌شود. دورپیچ کردن ستون‌ها توسط FRP باعث افزایش نیروی محصور کنندگی بتن، افزایش گیرداری وصله‌های پوششی و جلوگیری از کمانش آرماتورهای طولی می‌شود. همچنین می‌توان از این صفحات جهت افزایش مقاومت برشی ستون‌ها استفاده نمود.

به طور کلی در قاب‌های بتنی که شرایط ستون قوی – تیر ضعیف وجود ندارد. استفاده از FRP جهت افزایش مقاومت ستون مناسب نیست، مگر اینکه به علت محدودیت های خاص اجرایی امکان استفاده از سایر روش‌ها وجود نداشته باشد. در هر صورت در این خصوص باید  تحلیل و طراحی بسیار دقیق صورت گیرد. عدم قطعیت در تامین  مواردی چون سازگاری کرنش بین FRP و سطح بتنی و طول گیرداری مناسب،این روش را نامطلوب می‌سازد.

ملاحظات طراحی

یکی از آسیب‌های اصلی وارد بر ستون‌های بتنی طی زلزله‌های گذشته ناشی از کمبود مقاومت برشی بوده است دو ناحیه از ستون باید برای برش ارزیابی شود: انتهای ستون در ناحیه مفصل پلاستیک (در این ناحیه زوال مقاومت بتن رخ می‌دهد)، و ناحیه خارج از مفصل پلاستیک (در این ناحیه زوال مقاومت بتن اتفاق نمی‌افتد).

اثر محصور کنندگی در افزایش مقاومت ستون‌های دایره ای بیشتر از ستون‌های با مقطع مستطیل است. اتساع مقطع ستون در اثر نیروی فشاری، در مقاطع دایره ای، یکنواخت بوده و صفحه FRP اثر زیادی در جلوگیری از وقوع آن دارد. در مقاطع مستطیلی، صفحه FRP فقط از اتساع گوشه‌های مقطع جلوگیری می‌کند و اضلاع بین گوشه‌ها در اثر فشار خمیده می‌شوند. در مقاطع مستطیلی اندازه هسته بتنی کاهش می‌یابد. به همین دلیل توصیه می‌شود نسبت اضلاع مقاطع مستطیلی به 1.5 محدود شود و بزرگترین ضلع از 90 سانتی متر کمتر باشد.

محصور کردن ستون توسط FRP هر چند باعث افزایش اندکی در مقاومت خمشی و سختی ستون می‌گردد، ولی برای رسیدن به این اهداف، استفاده از روش ژاکت بتنی مناسب تر است. افزایش ظرفیت خمشی مقطع محصور شده به دلیل افزایش مقاومت پوسته و هسته بتن در اثر محصور شدگی است که در هر انتهای ستون در ناحیه ای به نام ناحیه مفصل پلاستیک اولیه رخ می‌دهد.

در صورتی که فقط ناحیه مفصل پلاستیک اولیه تقویت شود، در مجاورت ناحیه مفصل پلاستیک اولیه، امکان ایجاد لنگر خمشی بزرگتر از ظرفیت مقطع وجود خواهد داشت که به ناحیه مفصل پلاستیک ثانویه موسوم است. محصور کنندگی FRP باید تمام طول نواحیمفصل پلاستیک اولیه و ثانویه را پوشش دهد.

علاوه بر موارد فوق محصور کردن ستون‌ها باعث مقید کردن و افزایش گیرداری وصله‌های پوششی آرماتورهای طولی می‌شود. افزایش سطح مقطح ستون (اتساع مقطع) در اثر نیروی فشاری باعث کاهش گیرداری وصله‌های پوششی می‌شود. تحقیقات نشان می‌دهد وقتی کرنش اتساع مقطع به حدود 0.001 می‌رسد، لغزش وصله‌های پوششی شروع می‌شود.

برای بهسازی ستون در مقابل هر یک از این کاستی‌های عنوان شده، کافی است که ضخامت صفحه FRP بر اساس عامل کنترل کننده طراحی شود و نیازی به در نظر گرفتن توام این عوامل نیست.

برای جلوگیری از لهیدگی و آسیب دیدن لبه صفحه FRP لازم است که فاصله ای حدود 15 میلیمتر بین لبه FRP و عضو تکیه گاهی (دال، تیر یا شالوده) وجود داشته باشد.