شبیه سازی زلزله جهت بررسی مقاومت ستون‌های بتنی تقویت شده با FRP

کاربرد صفحات FRP برای مقاوم سازی ستون‌ها 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 ستون‌ها و پل‌‌ها روش مناسب و شناخته شده ای محسوب می‌شود. دورپیچ کردن ستون‌ها و مقاوم سازی با 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 محدودیت‌های 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.

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 داشتکه به ناحیه مفصل پلاستیک ثانویه موسوم است. محصور کنندگی FRP باید تمام طول نواحی مفصل پلاستیک اولیه و ثانویه را پوشش دهد.

مقاوم سازی با FRP

مقاوم سازی خمشی

اتصال مصالح FRP به ناحیه کششی بتن به طوری که راستای الیاف آن در جهت طولی عضو باشد، باعث افزایش مقاومت خمشی آن می‌گردد. نتایج تحقیقات مختلف مقدار افزایش مقاومت خمشی توسط سیستم FRP را تا 150 درصد نشان داده اند. به هر حال با در نظر گیری محدودیت‌های مقاوم سازی، شکل پذیری و بهره برداری، افزایش مقاومت خمشی تا حد 50 درصد به راحتی قابل تامین است.

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.
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 فرض‌‌های 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.

مقاوم سازی برشی

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.

مقاوم سازی ستون‌های بتنی موجود با بکارگیری الیاف FRP

مقاوم سازی با FRP روش نسبتا جدیدی به شمار می‌رود. مصالح FRP خواص فیزیکی مناسبی دارند که می‌توان به مقاومت کششی بالا و ضخامت و وزن کم آن‌ها اشاره نمود . در ستون‌های بتنی استفاده از FRP ضمن افزایش ظرفیت برشی ستون، مدگسیختگی آن را از حالت برشی به خمشی تغییر داده و شکل پذیری را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد.دورپیچی اعضای فشاری با الیاف FRP باعث افزایش مقاومت فشاری آن‌ها می‌گردد . این امر همچنین باعث افزایش شکل پذیری اعضا تحت ترکیب نیروهای محوری و خمشی می‌شود. برای محصور کردن عضو بتنی، لازم است راستای الیاف تا حد امکان عمود بر محور طولی عضو باشد. در این وضعیت، الیاف حلقوی مشابه تنگ‌های بسته یا خاموت‌های مارپیچی فولادی عمل می‌کنند. در محاسبه مقاومت فشاری محوری عضو باید از سهم الیاف موازی با راستای طولی آن صرفنظر گردد. هنگامی که ستون یا عضو فشاری تحت بارهای لرزه ای قرار می‌گیرد، مسئله ظرفیت جذب انرژی و شکل پذیری ستون اهمیت می‌یابد. در ا ین ارتباط مقاوم سازی یا بهسازی آن عضو با افزایش شکل پذیری انجام می‌گیرد.

در ویدیو تست شبیه سازی مقاومت ستون بتنی با پوشش FRP در مقابل زلزله به نمایش گذاشته شده است تا شاهد تغییرات حالت در ستون و مقاومت ستون تقویت شده باشید. ستون مستطیلی بتنی سالمی قبل از بارگذاری کاملا با الیاف تقویت شده کربن CFRP تقویت می‌شود به آن نیروی شبیه سازی زلزله وارد می‌شود و این نیرو تنش در ستون وارد می‌کند که باعث جابجایی ستون می‌شود ولی الیاف تقویت شده ستون را یکپارچه نگه می‌دارند و فقط بخشی از ستون که توسط الیاف تقویت شده پوشش داده نشده است می‌توان شکست و گسیختگی ستون بتنی را در ویدیو مشاهده نمود و اگر کل ستون توسط فیبر پوشش یابد شاهد جدایی ستون از پی خواهیم بود.