تقویت خمشی و برشی تیرهای بتنی ساختمان با استفاده از مصالح FRP

امروزه بسیاری از سازه‌های بتن مسلح موجود بنا به دلایلی از قبیل تغییرات کاربری، تغییرات الزامات آیین‌نامه‌ای نسبت به گذشته، افزایش بار‌های وارد بر سازه، عدم طراحی درست، بی دقتی در اجرا و … دچار مشکل در ظرفیت باربری و بهره‌برداری می‌شوند. از آنجا که هزینه تخریب و ساخت ساختمان جدید بسیار سنگین و غیراقتصادی است، بحث بهسازی و تقویت خمشی و برشی سازه‌های موجود به شدت رونق یافته است. از روش‌های مقاوم سازی ساختمان بتنی می‌توان به ژاکت فولادی و بتنی، استفاده از کامپوزیت‌های FRP جهت افزایش ظرفیت باربری عضو و اضافه کردن المان‌های مقاوم لرزه‌ای مانند بادبند و میراگر اشاره کرد.
مقاوم سازی ساختمان ها با استفاده از FRP ها به علت وزن سبک و کاربرد آسان و همچنین مقاومت و سختی مناسب، بسیار مورد توجه و استفاده مهندسان قرار گرفته و پروژه‌های متعددی در دنیا و کشورمان انجام گرفته است. یکی از کاربرد پلیمرهای مسلح شده با الیاف (FRP) تقویت خمشی تیرها و یا دال‌های بتنی در دهانه‌های بلند می‌باشد. البته این به این معنی نیست که نمی‌توان از FRP در تیرها و دال‌های با دهانه‌های کوچک استفاده کرد. درصورتی‌که طراحی اولیه عضو نامناسب باشد می‌توان  با استفاده از الیاف FRP  سختی و مقاومت خمشی را افزایش داد.  اگر نسبت ضخامت و ارتفاع عضو به دهانه آن کم باشد، سختی آن کم و در نتیجه خیز وسط دهانه عضو ( تیر یا دال)  افزایش می‌یابد.  همچنین اگر مقدار آرماتور خمشی در تیر یا دال از حد نیاز کمتر باشد، ترک‌های خمشی در زیر تیر یا دال  ایجاد می‌شود. این ترک‌ها به‌صورت قائم بوده و در راستای خمش (عمود بر راستای آرماتورهای طولی) در محل لنگر خمشی بیشینه ایجاد می‌شوند. برای افزایش سختی و مقاومت خمشی می‌توان ورق‌های پلیمری کربنی (CFRP) را توسط چسب اپوکسی به وجه کششی عضو خمشی چسباند. درنتیجه وسط تیر ورق‌های پلیمری باید به وجه تحتانی و تکیه‌گاه این ورق‌ها باید به وجه فوقانی چسبانده شوند. جهت الیاف باید در راستای آرماتورهای فولادی باشند زیرا سختی و مقاومت کششی الیاف در راستای آن بیشترین مقدار را دارند. با وجود ضخامت کم الیاف پلیمری، مدول الاستیسیته بالایی دارند که  سختی تیر یا دال افزایش پیدا می‌کند و درنتیجه خیز آن کاهش می‌یابد. مقاوم‌سازی اعضای خمشی با الیاف اف آر پی (FRP) اهمیت زیادی دارد. این روش مقاوم‌سازی در سازه‌های متنوعی استفاده می‌شود. برای مثال روش مقاوم‌سازی خمشی با FRP  برای مقاوم‌سازی عرشه پل‌ها، تیر ساختمان‌های مسکونی، دال ساختمان‌ها به‌طور متداول مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فرضیات تقویت خمشی و برشی تیر بتنی با FRP

فرضیات زیر در محاسبات تقویت خمشی مقطع بتنی با استفاده از سیستم FRP به کار می‌رود.

• محاسبات طراحی براساس ابعاد واقعی موجود، نحوه استقرار میلگردها و خصوصیات مصالح عضو تقویت شده است.
• کرنش در بتن و مصالح FRP متناسب با فاصله آن‌ها از محور خنثی است. به عبارت دیگر، شکل مقطع قبل و بعد از بارگذاری تغییر نمی‌کند.
• هیچ نوع لغزشی نسبی بین FRP و بتن رخ نمی‌دهد.
• تغییر شکل برشی در لایه چسب، با توجه به ضخامت خیلی کم آن، نادیده گرفته می‌شود.
• حداکثر کرنش فشاری بتن فرض می‌شود.
• از مقاومت کششی بتن صرف نظر می‌شود.
• رابطه تنش – کرنش FRP تا نقطه شکست آن، به صورت الاستیک خطی فرض می‌شود.

البته باید توجه داشت که بعضی از فرض های فوق رفتار دقیق تقویت خمشی با FRP را منعکس نمی‌کند و استفاده از آن‌ها به دلیل سادگی محاسبات می‌باشد. برای مثال در لایه چسب به سبب لغزش نسبی FRP و بتن، تغییر شکل برشی وجود دارد. به هر حال تقریبی بودن فرضیات تاثیر قابل ملاحظه ای بر مقاومت خمشی عضو تقویت شده با FRP نخواهد گذاشت.

مقاومت برشی مقطع

هنگامی که از مصالح FRP برای افزایش مقاومت خمشی عضو استفاده می‌شود، عضو مربوط باید بتواند نیروی برشی مربوط به افزایش ظرفیت خمشی مقطع را تحمل کند. ظرفیت گسیختگی برشی مقطع به وسیله مقایسه مقاومت برشی طراحی و مقاومت برشی مورد نیاز مقطع بررسی می‌گردد. در صورتی که به مقاومت اضافی نیاز باشد، لایه‌های FRP باید در جهت عرضی تیر طراحی شود.

حالات گسیختگی خمشی

مقاومت خمشی یک مقطع تقویت شده به حالت شکست آن بستگی دارد. حالات گسیختگی خمشی زیر برای یک مقطع مورد بررسی قرار می‌گیرد.

• خرد شدن بتن فشاری قبل از جاری شدن فولاد
• شکست لایه های FRP به دنبال جاری شدن فولاد کششی
• خرد شدن بتن فشاری به دنبال جاری شدن فولاد کششی
• ورآمدن FRP از سطح بتن
• جداشدگی پوشش بتن در سطوح کششی یا برشی

تقویت برشی عضوهای بتنی

چسباندن مصالح FRP بر وجوه جانبی تیرها و ستون‌های بتنی موجب افزایش مقاومت برشی آن‌ها می گردد. قرار دادن لایه‌‌های FRP به صورت متقاطع با محور اصلی عضو و یا عمود بر جهت ترک‌های برشی باعث ایجاد مقاومت برشی اضافی در عضو می‌گردد. افزایش مقاومت برشی می‌تواند حالت شکست عضو را از شکست برشی به شکست خمشی که دارای شکل پذیری بیشتری است، تغییر دهد.

عوامل گوناگونی همچون هندسه و ابعاد تیر یا ستون، شکل قرار گرفتن لایه‌های FRP و مقاومت بتن موجود، در افزایش مقاومت برشی تاثیر گذار هستند.

 

مزایای تقویت با FRP

• نسبت بسیار زیاد استحکام به وزن
• مقاومت کششی بالا (مقاومت کششی فوق‌العاده نسبت به وزن آن (الیاف کربن تقریباً یک سوم فولاد وزن و الی  برابر آن مقاومت دارد).)
• نسبت بالای مدول کششی الاستیسیته به وزن
• استحکام مناسب در برابر خستگی
• ضریب انبساط حرارتی بسیار پائین (کامپوزیت‌های سبک و مستحکم و پایداری در برابر حرارت آن را از سایر مواد مهندسی متمایز می‌سازد)
• قابلیت بافت و تولید پارچه
• مقاومت بالا در برابر خوردگی (دوام و عمر طولانی در برابر مواد شیمیایی و نفوذ ناپذیری در برابر اشعهX از بارزترین خصوصیات الیاف کربن به‌شمار می‌رود)

 

معایب تقویت با FRP

• کرنش گسیختگی بسیار کم و شکننده بودن
• کربن هادی الکتریکی است.
• کرنش کم در لحظه شکست
• قیمت بالا
• مقاومت ضربه‌ای کم