استفاده از ورقه‌های FRP برای تأمين ظرفيت خمشی در اتصالات پيش‌ساختة بتن‌آرمه

 

 

مزايای منحصر به‌فرد سازه‌های بتنی پيش‌ساخته ازجمله کنترل کيفيت عالی، سرعت اجرای بالا، استفاده از نيروی انسانی کمتر و در نهايت قيمت تمام شدة پايين، سبب شده است که اين‌گونه سازه‌ها از ده‌ها سال پيش مورد توجه ويژة مهندسان قرار گيرد. با اين وجود رفتار سادة اتصالات سازه‌های قابی پيش‌ساختة بتن‌آرمة با ديوار برشی باعث شده که قبل از اينكه سيستم و عناصر تشكيل دهندة تحت بارهاي جانبي وارد حيطة غيرخطي شوند، به‌علت عدم تطابق در شكل‌پذيري و بروز نيروی ضربه‌ای در اتصال، يك‌پارچگي كل سيستم از بين برود؛ و موجب فروپاشي كل سيستم گردد ]1[. به‌همين جهت به‌نظر مي‌رسد، خمشی کردن اتصالات پيش‌ساختة بتن‌آرمه باعث بهبود رفتار اين سازه‌ها در مقابل بارهای ثقلی و جانبی ‌شود.

يکی از روش‌های نوين بهينه‌سازی و تقويت سازه‌های بتن‌آرمه، چسباندن ورقه‌های FRP به سطح بتن برای افزايش ظرفيت خمشی، برشی و محوری، و نيز محصور كردن هستة بتني و جذب انرژي در اعضای سازه‌های بتن‌آرمه خصوصأ اتصالات می‌باشد ]2[. مواد FRP در مقايسه با فولاد دارای مزايايي چون سبكی، مقاومت بسيار بالاتر، مقاومت در برابر خوردگي و شكل‌پذيری به‌صورت قالب است ]3[.

در دهه‌های گذشته تحقيقات زيادی بر روی اتصالات تير-ستون و تقويت آنها صورت گرفته‌است. ناکافی بودن جزئيات اتصالات، خصوصأ اتصالات خارجی، باعث شده است که اين اتصالات به‌عنوان نقاط بحرانی در سازه‌ها مطرح شوند [4]. شکست برشی-خمشی ناشی از لغزش طول مهاری به‌دليل ناکافی بودن طول مهاری و کمبود مقاومت در مقابل برش قطری در هستة اتصال از نقاط ضعف اين نوع اتصالات می‌باشد [4]. از جملة اين تحقيقات مي‌توان به کارهای جرجلی و همکاران در سال 1998 و 2000 در تقويت برشی-خمشی اتصالات خارجی [5]، پروين و گراناتا در سال 1998 در مورد تقويت خمشي-برشي اتصالات كربل مفصلي پيش‌ساخته و خمشي‌كردن آن با استفاده از ورقه‌هايFRP  ]6[، آنتونوپلوس و تريانتانيلو در سال 2003 در مورد تقويت اتصال تير-ستون با CFRP با تمرکز بر روی جدا‌شدگی الياف [7]، موخوپازيايا و سوامی در سال 2001 در مورد توزيع تنش برشی و جدا‌شدگی الياف و ورقه‌های فولادی از سطح بتن در تيرها [8]، آقايان هام و ال‌مهيدی در سال 2004 در مورد جمع‌بندی انواع مدل‌های ارائه شده در مورد جدا‌شدگی ورقة FRP از سطح بتن در تيرها [9]، و هارمون و همکاران در سال 2003 در مورد توزيع تنش برشی و جداشدگی الياف از سطح بتن در تيرها [10]، اشاره کرد. اما دانش استفاده از اين تكنيك در تقويت سازه‌هاي پيش‌ساخته خصوصا در اتصالات اعضاي آنها، ناقص و مبهم است. هدف از اين تحقيق، بهبود رفتار اين اتصالات به‌وسيلة تقويت آن با ورقه‌هايFRP  بوده است.

 

 

 

 

 

برنامة آزمايش‌ها

 

2-1- نمونه‌های مورد آزمايش

در تحقيق حاضر 3 نمونه اتصال خارجی تير-ستون با مقياس 2/1 ابعاد واقعی ساخته شد و مورد آزمايش قرار گرفت. اولين اتصال، يک اتصال به‌نام Base به‌‌صورت گيردار با بتن درجا با توجه به فلسفة تير ضعيف-ستون قوی با آرماتور طولی تير در حدود  و آرماتور طولی ستون در حدود 5/3 % با رعايت کلية ضوابط رعايت آرماتور عرضی و طول مهاری در مناطق زلزله خيز بر اساس ACI 318 و بدون وجود آرماتور عرضی در هستة اتصال بود. عدم وجود آرماتور عرضی در هستة اتصال، به‌دليل مطابقت آن با اجرای رايج بوده است (شکل 1-الف).

 

 

نمونه‌های دوم و سوم به‌نام‌های Base-P1 و Base-P2 به‌صورت اتصال ساده با تير و ستون پيش‌ساختة جدا از هم بوده‌است؛ به‌طوری‌که تير روی کربل ستون قرار داده شده و درز انقطاع ميانی با گروت پر مي‌شود .

 

 

2-2- نحوة آماده‌سازی نمونه‌ها

طرح اختلاط بتن به روش وزنی-حجمی ACI-2M-89 صورت گرفت. سيمان مصرفی سيمان تيپ 2 پرتلند ، اسلامپ مورد نياز برای تير و ستون mm 100- 75 بزرگ‌ترين بعد دانه‌ها 5/12 ميلي‌متر، با منحنی دانه‌بندی استاندارد، مقدار آب لازم W=216 kg/m³ و نسبت آب به سيمان W/C=0.54 انتخاب‌شد. قالب‌بندی و بتن‌ريزی نمونه‌ها در سطحی افقی با استفاده از قالب‌های فلزی انجام شد. نمونه‌ها تا يک هفته، سه بار در روز آب‌دهی شد و تا30 روز در دمای آزمايشگاه قرار داده شد. پس از عمل‌آوری بتن، نمونه‌های تير و ستون پيش‌ساخته روی همديگر قرار گرفته و درز انقطاع 30 ميلي‌متری به‌وسيلة گروت پر می‌شود. براي بدست آوردن سطحي با زبري تا 5/0 ميليمتر، سطح با استفاده از سمبادة نرم و برس سيمی صاف گرديد. برای تمام گوشه‌های اعضای بتنی، پخی با بعد 25 ميلي‌متر در‌نظر‌گرفته‌شد تا از تمرکز تنش در لايه‌های FRP دورپيچ به دور تير و ستون جلوگيری به‌عمل آيد. اولين لاية FRP با رزين Sikadur-330 اشباع شده و روی سطح چسبانده شد. سپس به‌وسيلة غلطک پلاستيکی و گيره، سطح فشرده شد تا چسب اضافی خارج شود. به‌همين ترتيب لايه‌های ديگر نيز چسبانده شد تا ورقه به ضخامت لازم برسد.

 

2-3- مشخصات مصالح بکار رفته   

مقاومت فشاری بتن 28 روزه برای هريک از نمونه‌ها با استفاده از 3 نمونة استوانه‌ای با قطر 150 ميلي‌متر که 2 تا از نمونه‌ها مشابه نمونة اصلی عمل‌آوری شده و يکي از نمونه‌ها در حالت اشباع کامل عمل‌آوری شده است، در جدول شمارة 1 ذکر شده است. جدول 1 همچنين ساير مشخصات نمونه‌ها را نيز نشان می‌دهد. آرماتورهای کششی در تير و ستون از فولادAІІІ  با ، و آرماتور طولی تحتانی تير از ميلگردهایAІІ  با ، و خاموت از فولاد با تنش تسليم  در نظر گرفته شد. مشخصات ورقة FRP به‌کار ‌رفته SikaWrap-200C از جنس کربن بوده و دارای مشخصات فني مطابق جدول شمارة 2 مي‌باشد.

 

جدول 1- مشخصات نمونه‌ها‌ و نتايج آزمايش

نمونه	مقاومت فشاری 28 روزه (MPa)	درصد FRP طولی تير ()	درصد دورپيچ تير و کربل ()	بار شکست نهايي(kN)	درصد تفاوت بار نهايي با نمونة Base
Base	3/25	0	0	24	0
Base-P1	2/27	25/0	11/0	50/4	81/0
Base-P2	1/25	22/0	22/0	75/7	68/0

 

 

 

 

 

 

 

جدول 2- مشخصات فنی FRP

مشخصات فني	SikaWrap-200C
مدول الاستيسيته
وزن
چگالی الياف
مقاومت کششی الياف
کرنش نهايي الياف
ضخامت طراحی الياف

 

 

 

2-4- تجهيزات آزمايش

با توجه به محدوديت ابعاد دستگاه برای تست نمونه ابعاد نمونه، در مقياس2/1 اندازة واقعی انتخاب گرديد. در نمونة واقعی فرض بر اين است که نقطة عطف در وسط تير و ستون قرار دارد. با اين تفسير اتصال مربوطه که ابتدا و انتهای نمونه‌های آزمايشی روی آن سوار می‌شوند، به‌صورت مفصل طراحی گرديد. نمونه‌های ساخته شده بعد از عمل‌آوری و تقويت، به زير جک 2500 کيلو‌نيوتنی انتقال‌يافته و روی اتصالات مربوطه قرار گرفت. برای برداشت اطلاعات در هنگام بارگذاری، از يک Load-Cell 500 کيلو‌نيوتنی با دقت 250 ‌نيوتن و يک Actuator برای کنترل-بار تغييرمکان و پنج LVDT با دقت 001/0 ميلي‌متر با جايگذاری به‌صورت شکل 3 برای برداشت تغييرمکان نقاط مختلف اتصال استفاده گرديد. بارگذاری به‌صورت يک بار محوری ثابت روی ستون به ميزان  توسط يک جک هيدروليکی دستی، و يک بار متغير در سر تير در موقعيت 1000 ميلي‌متری از بر اتصال توسط يک جک هيدروليکی با هدايت کامپيوتری و با سيستم بارگذاری Displacement-Control صورت گرفت.