روش اجرای مقاوم سازی تیر های بتنی با الیاف FRP

روش اجرای مقاوم سازی تیر های بتنی با الیاف FRP
1183 1397/4/26

تقويت تيرها با استفاده از FRP :

مواد FRP منحني تنش – كرنش خطي دارند وتا لحظه شكست  هيچ نقطه تسليمي ندارند . مقدار كرنش آنها از فولاد بيشتر مي باشد .بر اساس نتايج ، هنگاميكه اين مواد بوسيله اپوكسي به سطح كششي تير چسبيده مي شوند ، قبل از آنكه كامپوزيت FRP شروع به تحمل بار قابل توجهي كند ، فولاد به حالت تسليم خود ميرسد .بنابراين افزايش سختيتير يا بار تسليم آن بدون افزايش سطح مقطع FRP  ، جهت همكاري بيشتر در بار تير ، قبل از رسيدن به تسليم فولاد ممكن نمي باشد .افزايش سطح مقطع FRP نيز به صرفه نبوده و باعث گسيختگي ترد در تير ناشي از جدا شدگي ناگهاني FRP  از سطح بتن مي گردد.

بررسيهاي تجربي گوناگوني در مورد تقويت خمشي تير با استفاده از ورقه ها ، صفحات و فابريكهاي FRP  صورت پذيرفته است . در تمام اين ارزيابي ها ، تير تقويت شده ازخود بار نهايي بيشتري نسبت به حالت تقويت نشده نشان مي دهد . ولي با اين وجود افزايش مشابهي در بار تسليم  مشاهده نشده است .بطور كلي مودهاي گسيختگي يك عضو بتن آرمه تقويت شده در خمش با تقويت كننده هاي FRP چسبيده از خارج عضو ، مي تواند به دو دسته تقسيم گردد :

  1. حالتي كه عملكرد بين بتن وFRP به طور كامل حفظ شده تالحظه اي كه بتن در فشار خرد شده و يا FRPدر كشش پاره گردد.
  2. حالتي كه عملكرد بين بتن وFRP قبل از رسيدن به حالت قبل ، دچار نقص شده و گسيخته گردد ، كه ناشي از پديده جداشدگي خواهد بود .

توضيحات مختصري از هر يك از مودهاي گسيختگي در زير آمده است:

  • فولادتسليم شده و به دنبال ان بتن  خرد مي گردد:

مقاومت خمشي از تسليم شدگي فولادهاي كششي و بدنبال آن خرد شدگي بتن در ناحيه فشاري قابل دستيابي بوده در حالي كه FRP سالم مانده باشد.

  • فولاد تسليم شده و بدنبال آن FRP گسيخته گردد :

براي مقادير نسبتا كم از فولاد و FRP ، گسيختگي خمشي  ممكن است با تسليم شدگي فولاد كششي و بدنبال آن گسيختگي كششي FRP صورت گيرد .

  • خرد شدگي بتن :

براي مواردي كه مقدار تقويت كننده ها نسبتا زياد مي باشد ، گسيختگي اعضاي بتن آرمه ممكن است ناشي از خرد شدگي فشاري بتن قبل از به تسليم رسيدن فولاد باشد . اين مود ، شكست ترد بوده و غير مطلوب مي باشد . FRP در اين حالت ،

 

 

عدم عملكرد  كامل كامپوزيت :(جدا شدگي ومودهاي گسيختگي اتصال ) :

بطور كلي اتصال بايد به گونه اي باشد كه نيروي بتن را به FRP منتقل نمايد . بنابراين حالتهاي گسيختگي بايد به دقت بررسي گردد . گسيختگي اتصال دلالت بر وجود نقص در عملكرد  كامل كامپوزيت بين FRP وبستر بتني دارد . به عبارت ديگر يك جداشدگي موضعي باعث بوجود آمدن يك گسيختگي موضعي مي گردد. در اين حالت كاهش مقاومت چسبندگي بين بتن وFRPمحدود به يك سطح كوچك مي شود .بنابراين جدا شدگي موضعي خود به تنهايي يك حالت گسيختگي نبوده ، بلكه خود بيانگرعلت كاهش در ظرفيت تحمل بار عضوتقويت شده با FRP است

هنگامي كه جدا شدگي موضعي گسترش مي يابد ، عملكرد كامپوزيت از دست مي رود به گونه اي كه تقويت كننده FRP ديگر قادر به تحمل بار نمي باشد .در اين حالت هيچ توزيع تنشي بين FRP وآرماتورهاي داخلي ممكن نمي باشد  و جداشدگي بصورت ترد وناگهاني خواهد بود .

  • جداشدگي در چسب ( گسيختگي در خود چسب) :

از آنجائيكه مقاومت برشي و كششي چسب ( رزين اپوكسي ) معمولا بالاتر از مقاومت برشي وكششي بتن مي باشد ، عموما گسيختگي در بتن رخ خواهد داد . در اين حالت يك لايه نازك ازبتن ( يك ضخامت ميليمتري) همراه FRP چسبيده و از بستر جدا مي گردد . جدا شدگي در چسب تنها ممكن است  وقتي اتفاق بيافتد كه مقاومت آن كمتر از بتن گردد. ( براي مثال در درجه حرارت هاي  بالا  و يا هنگامي كه مقاومت بتن بصورت غير متعارف بالا باشد ) .

 

جداشدگي در سطح بين بتن وچسب ويا چسب و FRP ( گسيختگي چسبندگي ) :

اين نوع گسيختگي معمولا در داخل FRP بين الياف و رزين اتفاق مي افتد كه به نام گسيختگي بين لايه اي نامي ده مي شود .

جهت رفع اين معايب راه حل هايي پيشنهاد شده است كه برخي از اين نقايص را مرتفع مي كند  ، ازجمله اين  راهكارها :

  1. اعمال سيستم مهار بندي در انتهاي لايه FRP :

سيستم مهاربندي به اين جهت مورد استفاده قرار مي گيرد كه بتوان از ظرفيت باربري سيستم FRP نهايت استفاده را برد. بر اساس نتايج ، معمولا در اثر نبود چنين سيستمي ، گسيختگي ناشي از جدا شدگي لايه هاي FRP  مي باشد . در اين روش از دور پيچ كردن انتهاي FRP توسط نوارهايي از همين جنس استفاده مي شود .

اما با توجه به اينكه تيرهاي موجود بعلت وجود دال قابل دستيابي نيستند ، ازنوارهايي كه فقط سطوح پائين وجانبي تير را مي پوشانند ، استفاده مي گردد.

روش ديگر استفاده از پيچهاي مخصوص در انتهاي لايه FRP مي باشد كه قبلا در اتصال صفحات فولادي هم كاربرد داشت .براساس مطالعات انجام شده ، ايت روش بر روي لايه هاي كامپوزيتي نيز قابل اجرا بوده واثر مثبتي ازخود نشان مي دهد ولي مشكلي كه ايجاد مي كند سوراخ شدن لايه FRP است كه اثر نامطلوبي روي عملكرد آن خواهد داشت وباعث تمركز تنش در آن خواهد شد .

2-اعمال سيستم پيش تنيدگي در FRP :

اين روش تقريبا مشابه روش اول مي باشد ، زيرا كه لايه FRP در انتهاي آن بواسطه حفظ نيروي پيش تنيدگي لازم است توسط سيستمي مهار گردد . تنها فرق ابن روش ، اعمال يك نيروي پيش تنيدگي قبل از نصب كامل و عمل آوري لايه FRP  مي باشد .

بطور كلي پيش تنيدگي در FRP داراي مزاياي زير مي باشد :

  • افزايش سختي .
  • كاهش عرض و توزيع ترك .
  • بهبود خدمت پذيري ودوام .
  • بهبودمقاومت برشي وخمشي عضو ( بدليل ترك نخوردن مقطع ) .
  • اجتناب از مودهاي شكست ناشي از پوسته پوسته شدن در ناحيه تركها  وانتهاي لايه FRP.
  • افزايش ظرفيت مقطع ( تارخنثي پايين تر قرار مي گيرد نسبت به حالت پيش تنيده ) .
  • افزايش بار تسليم مقطع .

بنابراين دو روش بيان شده به گونه اي عمل مي كنند كه انتهاي لايه FRP را محكم نگاه داشته و بعد از ايجاد جدا شدگي ، از لغزش و جداشدگي كامل لايه جلوگيري نمايد.

 

-2استفاده از كامپوزيتهاي هيبريدي :

در اين روش با كمك اثر هيبريداسيون از سه نوع الياف با خصوصيات متفاوت استفاده مي شود . در اين طرح از فابريك با اليافهايي در سه راستاي 0 و45 و-45 درجه استفاده مي گردد .راستاي محوري 0 به عنوان تقويت كننده خمشي و راستاهاي 45 و 45- بعنوان تقويت كننده برشي استفاده مي گردند . اين سيستم داراي رفتار شكلپذير بوده و به گونه اي طراحي شده كه عاري از اغلب معايب گزارش شده باشد .

در ادامه قبل از أنكه به شرح وتفسير اين روش بپردازيم ابتدا به معرفي كلي  انواع منسوجات مي پردازيم  .

بطور كلي منسوجات اليافي از نظر موقعيت و قرارگيري در بافت مي توانند به اشكال 1- الياف تك جهتي 2- الياف دوجهتي و3- الياف سه جهتي و بيشتر بصورت بافته شده و بافته نشده توليد گردد .

در مورد الياف دو جهتي و  بيشتر معمولا از الياف يكسان در راستاهاي متفاوت استفاده مي گردد . در صورتيكه از الياف ها ي متفاوت استفاده گردد ، منسوج هيبريدب مركب ناميده مي شود .شايان ذكر است الياف تك جهتي داراي بيشترين كاربرد در تقويت اعضاي بتن مسلح با توجه به خصوصيات اورتو تروپيك خود مي باشند . براي اين منظور سه نوع الياف باكرنش هاي مختلف اتنخاب شدهاند كه  خصوصيات مكانيكي أنها در جدول رير أمده است .

با تر كيب اين الياف وكنترل نسبت تركيب  ، اليافهايي كه كرنش انها در هنگام شكست كمتر از همه مي باشد ( كربن با مدول بالا) وقتي كه فابريك تحت كشش قرار مي گيرد در ابتدا گسيخته مي شود و كرنش نهايي اين الياف در لحظه گسيختگي به عنوان كرنش معادل تسليم معرفي مي گردد .در حاليكه كرنش نهايي الياف شيشه در لحظه شكست معرف كرنش نهايي فابريك مي باشد .اليافهايي با كرنش متوسط در لحظه شكست (كربن با مقاومت بالا ) به اين منظور انتخاب شده اند كه افت ناگهاني بار را كه بعد از گسيختگي الياف كربن در طول أزاد سازي كرنش صورت مي گيرد به حداقل رسانده وهمچنين از انتقال ناگهاني بار ازالياف كربن به شيشه جلوگيري نمايد .

اين ناحيه معادل تسليم در راستاي 0 درجه به گونه اي است كه با افزايش كرنش ، تا حد كرنش گسيختگي كربن ، اين اليااف گسيخته شده و در نتيجه كرنش FRP تا حدي آزاد شده و تنش  در آن تاحد قابل توجهي افزايش نمي يابد .در اين حالت بار FRP بر روي دو نوع الياف ديگر تقسيم مي گردد .

به اين ترتيب با استفاده از عمل تركيب چند نوع الياف در كنارهم تاحدودي اثر تسليم مشابه آنچه كه درفولاد ديده ايم ، مي شود وشكلپذيري تير تقويت شده به حد قابلقبولي مي رسد .

مقايسه نمودار تنش – كرنش الياف تك جهته ، الياف هيبريدي و صفحه فولادي را نشان مي دهد .

پس در يافتيم كه :

  1. تيرهاي تقويت شده با كامپوزيت هيبريدي در خمش داراي شكلپذيري بيشتري نسبت به تير هاي تقويت شده با ورقه هاي FRP مي باشند .
  2. در تيرتقويت شده با كامپوزيت هيبريدي ، عموما احتمال كمتري در وقوع گسيختگي ناشي از جدا شدگي وجود خواهد داشت .
  3. تيرهاي تقويت شده با كامپوزيت هيبريدي در مقايسه با تيرهاي تقويت شده  با صفحه فولادي داراي شكلپذيري مناسب بوده ، صفحات فولادي در بار كمتري نسبت به فولاد داخلي تسليم ميگردند ، زيرا كه صفحات فولادي داراي كرنش تسليم شدگي كمتري نسبت به آرماتور فولادي بوده و همچنين در سطح خارجي تير نصب مي گردند .
  4. تسليم شدگي فابريك هيبريدي ، باصداهاي خاص، توام خواهد بود كه ناشي از پاره شدن الياف با كرنشهاي كم ومتوسط در لحظه گسيبختگي مي باشد .چنين صداهايي در تير هاي تقويت شده با ورقه هاي FRP يا فولادي قابل شنيدن نمي باشند.
  5. در مورد تيرهايي كه بصورت U شكل دور پيچ مي شوند ، فابريك سه محوري از اين جهت كه تارهاي در راستاي 45  و 45- دارد نسبت به ورقه هاي FRP  مزيت دارد. اين تارها به عنوان يك مهار مطمئن براي فابريك در موقعي كه به سطح كششي سطوح جانبي تيربراي تقويت خمشي نصب مي گردند عمل كرده و از گسيختگي ناشي از جداسازي جلوگيري بعمل مي أورد .