جمعه , فروردین ۱۰ ۱۴۰۳
نوشته های جدید

بررسی عددی اثر وجود الیاف تقویتیCFRP در جهت و مقدار ترک مدل قاب خمشی بتنی با استفاده از روش اجزاء محدود

  • نویسندگان :
  • نرجس بیاتی دانش آموخته ارشد عمران- سازه واحد پرفسور حسابی
  • محمد جلالی عضو هیات علمی واحد پرفسور حسابی

چکیده

بطور کلی بسیارى از ساختمان­هاى موجود به دلیل شرایط نامناسب در زمان ساخت، تغییر کاربری و یا اشتباهات طراحى، نیازمند برخى روش­هاى مقاوم­سازى هستند. در چند دهه اخیر مقاوم نمودن قاب های بتنى با مواد جدید و نوین، یکى از تکنیک­هاى مقاوم­سازى محسوب مى­شود. این در حالى است که رفتار قاب های بتنى پوشیده شده با الیاف‌هاى پلیمرى کربن CFRP کمتر شناخته شده مى­باشد در این مقاله  قاب های بتن آرمه یک دهانه و دو طبقه مدل سازی می گردد و تحت تغییر مکان جانبی مجاز به عنوان بارگذاری استاتیکی و سپس تحت بارگذاری لرزه ایی قرار می گیرد. هدف اصلی این مقاله  بررسی و تحلیل اثر جهت ترک بر رفتار خستگی الیاف تقویتی با استفاده از روش اجزای محدود  در قاب های بتنی می­باشد. نتایج نشان میدهد قاب های مقاوم سازی شده ، در طی هر دو نوع بارگذاری ، تا میزان جابه جایی تسلیم دارای سختی زیادی بوده، ولی، از این حد مشخص به بعد، مقاومت جانبی این سیستم مقاوم سازی شده دچار کاهش ناگهانی می شود.  مقایسه منحنی های پوش آور و هیسترزیس برش پایه قاب ها ، نشان می دهد که الیاف با آرایش سرتاسری ، نقش چشمگیری بر افزایش میزان سختی و نهایتا مقاومت جانبی قاب های مذکور در طی هر دو نوع بارگذاری دارد. با پوشش ستون های بتن مسلح باالیاف از تمرکز توزیع و میزان کرنش های پلاستیک و ترک های ستون ها کاسته شده ونشان از عملکرد مناسب الیاف CFRP  در کاهش تمرکز توزیع و میزان ترک ها و بهبود رفتار جانبی چرخه ای  قاب ها می باشد.

کلمات کلیدی: مقاوم سازی، الیاف CFRP، اجزا محدود، بارگزاری دینامیکی

  • مقدمه

در سال­های اخیر  عموم سازه­ها، از خرابی­های مختلف مثل ترک، پوسته پوسته شدن، تغییر مکان زیاد و مواردی از این دست رنج برده­اند. این سازه ها نیاز به تقویت دارند تا بتوانند بارهای طراحی، یا حتی احتمالا بارهای زیادتر را، تحمل کنند یا بتوان ترک های فعلی آن ها را کنترل کرد. دوام کلی سازه هایی که به‌کمک این لایه ها تقویت می‌یابند، غالباً در مواجه با رطوبت و سیکل­های دمای پایین و بالا، کاسته می‌شود. لازم به ذکر است که این تقویت کننده­ها، الیافه‌های باضخامت چند میلی­متر از جنس FRP هستند. این الیاف باچسب‌های مستحکم ومناسب به سطح بتن چسبانده می‌شوند. الیافه­های  FRP پوشش مناسبی جهت ایزوله کردن و مقاوم سازی بتن سازه‌های آبی از محیط خورنده مجاور می باشند. همچنین از این الیاف، جهت تعمیر و تقویت سازه‌­های آسیب دیده  به منظور مقاوم سازی استفاده می‌گردد. با این‌که مطالعات قابل‌توجهی در خصوص مکانیزم شکست، میزان افزایش مقاومت و تغییرات در شکل­پذیری سازه‌های تقویت‌شده با FRP در دهه­های گذشته صورت پذیرفته است، لیکن نتایج تحقیقات بر روی ترک این لایه اندک می­باشد[۹ و ۱۰ و ۱۱]. در این مقاله به اثر جهت ترک بر رفتار خستگی الیاف تقویتی CFRP با استفاده از روش اجزای محدود پرداخته خواهد شد. جهت صحت سنجی از نتایج مطالعات کیم  و شین [۲] که به بررسی رفتار خمشی تیر های بتن آرمه مقاوم سازی شده با الیاف FRP پرداختند استفاده شده است. برای مدل سازی اعضای بتن­ آرمه در نرم افزار ABAQUS از المان SOLID برای بتن و المان BEAM برای میلگرد استفاده می شود و میلگردها با استفاده از تکنیک EMBEDED ELEMENTS  به عضو بتنی متصل می شوند. برای معرفی رفتار غیر خطی بتن  از مدل شکست خسارت پلاستیک بتن و برای معرفی رفتار غیر خطی فولاد از رفتار پلاستیک کامل با منحنی دو خطی استفاده شده است.

  • روش انجام تحقیق

در این مقاله جهت بررسی تاثیر استفاده از الیاف پلیمری بر روی ترک های ایجاد شده در اعضای بتن آرمه از مدل یک قاب یک دهانه دو طبقه با سیستم قاب خمشی متوسط استفاده گردیده است. این سازه با استفاده ازآین نامه ۲۸۰۰ زلزله ویرایش چهارم و مبحث ۹ مقررات ملی ساختمان و به کمک نرم افزار ETABS2017 تحلیل و طراحی گردیده است. ارتفاع طبقه در این سازه برابر سه متر و طول دهانه برابر سه متر می باشد.  خاک محل ساخت از نوع III ، ضریب اهمیت سازه یک، ضریب رفتار برابر پنج و شتاب مبنای طرح برابر ۰٫۳۵ می باشد. در جدول ۱ پارامتر های تحلیل و طراحی سازه و در جدول ۲جزئیات میلگرد گذاری و ابعاد هندسی قاب و در شکل ۱ مدل عددی قاب در نرم افزار Abaqus  نشان داده شده است.

جدول ۱: مشخصات و پارامتر های تحلیل و طراحی  ساختمان بتنی

آیین نامه های مورد استفاده بارگذاری ثقلی مبحث ششم مقررات ملی
بارگذاری جانبی آیین نامه زلزله ۲۸۰۰ – ویرایش چهارم
طراحی مبحث نهم مقررات ملی ساختمان,  ACI
فرضیات اولیه محل پروژه خطر لرزه خیزی خیلی زیاد
کاربری مسکونی
نوع خاک تیپ III
تعداد طبقات ۲ طبقه
سیستم سازه ای قاب خمشی متوسط
مشخصات بتن
مشخصات میلگرد
بار گذاری ثقلی بار گذاری مقدار واحد
بار مرده ۶۰۰ kg/m2
بار زنده بام ۲۰۰ kg/m2
محاسبات مربوط به تحلیل استاتیکی خطی تعداد طبقات دوره تناوب(T) ضریب بازتاب(B) ضریب اهمیت(I) ضریب رفتار(R) شتاب مبنای طرح(A) ضریب زلزله

(C)

۲  ۰٫۳۱ ۲٫۷۵ ۱ ۵ ۰٫۳۵ ۰٫۱۹۲۵

جدول۲:جزئیات میلگرد گذاری و ابعاد قاب انتخابی

Type Dimension Longitudinal Reinforcement Stirrup rebar
Beam ۳۰×۲۵ cm
Column ۲۵×۲۵ cm

شکل ۱:  مدل هندسی قاب در نرم افزار Abaqus

بررسی تاثیر استفاده از الیاف CFRP در گسترش جهت ترک ها در قاب انتخابی هدف اصلی این مقاله می باشد، لذا آرایش های مختلف الیاف در تیر و ستون ها بررسی خواهد شد . در حالت کلی مدلها بصورت بدون الیاف، سرتاسری، منقطع و منقطع دو لایه که حالت های رایج استفاده از الیاف می باشد، به عنوان مدل های نهایی این مطالعات استفاده گردیده است. مشخصات الیاف CFRP استفاده شده مطابق با جداول ۳ و ۴ می باشد.

جدول ۳: مشخصات مکانیکی الیاف پلیمری

جدول ۴: مشخصات مکانیکی چسب

در طی اعمال دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت (در طی تحلیل به روش استاتیکی غیرخطی بارافزون) و لرزه ای (در طی تحلیل به روش دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی تحت رکورد شتاب زلزله منجیل) به یک قاب خمشی بتن مسلح با ستون های مقاوم سازی نشده و مقاوم سازی شده با الیاف های CFRP، ضمن بررسی تأثیر بر روی برش پایه و روند توزیع ترک های قاب خمشی بتن مسلح در طی دو نوع بارگذاری و مطالعه نقش آرایش (سرتاسری و منقطع) و تعداد لایه های الیاف در میزان این تأثیرگذاری، پاسخ های قاب (منحنی های برش پایه- جابه جایی جانبی قاب) نیز در طی این دو نوع بارگذاری جانبی، مورد مقایسه قرار گرفت.   به منظور انجام این تحقیق، از شبیه سازی های عددی سه بعدی توسط نرم افزار Abaqus استفاده می شود که در آن ها به جهت ماهیت غیرخطی مسأله و کاهش در زمان تحلیل، از فرایند تحلیلی صریح (Explicit) استفاده گردید. همچنین، جهت مدل سازی قاب خمشی بتن مسلح در این شبیه سازی ها، از مشخصات نمونه آزمایشگاهی Anil و Altin1، بهره برده می شود.  مدل رفتاری الاستوپلاستیک با به کارگیری یک مدل ترکیبی پلاستیک- خرابی برای تعریف رفتار پلاستیک استفاده می شود (اشکال ۲ و ۳). جهت مدل سازی عددی ستون ها در قاب خمشی بتن مسلح نیز از یک توده بتن همگن و همسان با طول ۷۵۰ میلی متر (در راستای محور Y) و ابعاد ۱۰۰ در ۱۵۰ میلی متر (در راستای محورهای Z و X) [1] مدل رفتاری الاستوپلاستیک با به کارگیری یک مدل ترکیبی پلاستیک- خرابی برای تعریف رفتار پلاستیک استفاده می شود.

                                                شکل ۲- آرایش منقطع الیاف

                                       شکل ۳- آرایش سرتاسری الیاف

  میزان وزن مخصوص، مدول الاستیسیته، نسبت پواسون، مقاومت فشاری و مقاومت کششی توده های بتنی به ترتیب ۵/۲۳ کیلو نیوتن بر متر مکعب، ۲۲۱۵۰ مگا پاسکال، ۱۵/۰، ۸/۲۱ مگا پاسکال و ۱۸/۲ مگا پاسکال می باشد ]۱[. در این شبیه سازی ها، برای تعریف رفتار پلاستیک توده های بتنی از یک مدل ترکیبی پلاستیک- خرابی برای بتن استفاده گردید که مدل مذکور یک مدل پیوسته پلاستیک جهت لحاظ معیار خرابی بتن (از طریق دو مکانیسم گسیختگی اصلی بتن یعنی ترک خوردگی کششی و خردشدگی فشاری) با مشخصاتی مطابق زیر می باشد[۳] : جهت تعریف منحنی تنش- کرنش بتن تحت فشار تک محوری، نیاز به برقراری ارتباط بین تنش و کرنش فشاری بتن می باشد که بدین منظور در این شبیه سازی ها از رابطه زیر (رابطه Kent و Park در سال ۱۹۷۱) استفاده گردید[۴]:

که در آن،  و  به ترتیب تنش و کرنش فشاری و نیز  و  به ترتیب مقاومت فشاری بتن (به میزان ۶/۴۰ مگا پاسکال در این شبیه سازی ها) و کرنش متناظر با آن (به میزان ۰۰۲/۰ در این شبیه سازی و با توجه به گزارش Park و Paulay در سال ۱۹۷۵ [۵]) می باشد.  رابطه مذکور، یک سهمی ایجاد کرده که در آن رفتار بتن پس از رسیدن به مقاومت فشاری بتن به صورت خطی در آمده و تا رسیدن به ۲۰ درصد این مقاومت ادامه می یابد، چرا که بتن در کرنش های فشاری بالا، حدود ۲۰ درصد از مقاومت فشاری خود را حفظ می کند[ ۴]. در ادامه، منحنی تنش- کرنش بتن تحت کشش تک محوری نیز با توجه به مقاومت کششی بتن (به میزان ۱۸/۲ مگا پاسکال در این شبیه سازی ها) و کرنش متناظر با آن (به میزان ۰۰۲/۰ در این شبیه سازی ها) و در نظر گرفتن رفتاری الاستیک و خطی برای بتن تا رسیدن به مقاومت کششی (قله منحنی تنش-کرنش بتن تحت کشش تک محوری) تعریف می شود. با توجه به پیشنهاد Vermeer و Bores در سال ۱۹۸۴، برای بسیاری از مصالح با رفتار وابسته به فشارهای هیدرواستاتیکی، میزان زاویه اتساع مصالح، ۲۰ درجه بیشتر از زاویه اصطکاک داخلی آن ها تعریف می شود که با توجه به زاویه اصطکاک داخلی ۱۲ درجه برای بتن، میزان زاویه اتساع توده های بتنی در این شبیه سازی ها، ۳۱ درجه در نظر گرفته می شود ]۶[. جهت مدل سازی عددی آرماتورهای طولی و عرضی در توده های بتنی قاب خمشی بتن مسلح، از اعضای سازه ای تیر با آرایش مطابق اشکال ۲ و ۳  وبا قطر ۸ و ۱۰  میلی متر (به ترتیب برای آرماتورهای طولی تیر و ستون ها)[ ۱] وبا قطر  ۴ و ۶ میلی متر (به ترتیب برای آرماتورهای عرضی تیر و ستون ها) [۱] و مدفون در توده بتن و با مدل رفتاری الاستوپلاستیک کامل (که رفتار فولاد تا رسیدن به تنش تسلیم، الاستیک می باشد.) با مشخصاتی مطابق جدول ۵ [ ۱ ]استفاده گردید.

            جدول ۵- مشخصات فولاد مصرفی در آرماتورهای طولی و عرضی [۲]

در جدول ۵، ، E، ʋ،  و  به ترتیب وزن مخصوص، مدول الاستیسیته، نسبت پواسون، تنش تسلیم و تنش نهایی فولاد مصرفی آرماتورهای طولی و عرضی می باشد. جهت مدل سازی عددی الیاف های CFRP بر روی سطوح جانبی ستون های قاب خمشی بتن مسلح، از اعضای سازه ای پوسته همگن و ناهمسان با جهت گیری طولی الیاف  وآرایش و ضخامت ۵ میلی متر و تعداد (N) موردنظر تقید کامل به سطوح جانبی ستون و مدل ترکیبی الاستیک- خرابی و  مشخصاتی مطابق جداول ۶ و ۷ [۷])   استفاده گردید.

                     جدول ۶- مشخصات فیزیکی و الاستیک الیاف های CFRP ]7[

در جدول ۶، E1 و E2 به ترتیب مدول الاستیسیته الیاف ها در جهت الیاف و راستای عمود بر جهت گیری الیاف و  و ʋ  به ترتیب وزن مخصوص و نسبت پواسون الیاف های CFRP می باشد.

                          جدول ۷- مشخصات مقاومتی الیاف های CFRP ]7[

در جدول ۷ نیز به ترتیب مقادیر مقاومت فشاری الیاف های CFRP در جهت الیاف ارائه شده است. با توجه به ترد بودن الیاف های CFRP نیز از یک معیار خرابی با مکانیسم ترک ترد برای الیاف های مذکور استفاده شده که بدین منظور نیاز به تعریف مقاومت های فشاری، کششی و برشی در جهات متفاوت می باشد[۷].  قابل ذکر است که مشخصات مذکور، از آزمایش های استاندارد بر روی الیاف قابل ارزیابی بوده که در این شبیه سازی ها از مشخصات ارائه شده توسط Kachlakev و Miller در سال ۲۰۰۱ استفاده می شود[۷ ]. جهت پایداری مدل های عددی، کلیه جابه جایی های انتقالی و دورانی در کف ستون های قاب خمشی بتن مسلح، مقید می شود جهت مدل سازی بارگذاری جانبی یکنواخت قاب خمشی بتن مسلح و در طی آن دستیابی به برش پایه و روند توزیع ترک های قاب در طی این نوع بارگذاری (از روی منحنی پوش آور برش پایه- جابه جایی جانبی قاب)، با اعمال گام به گام یک جابه جایی جانبی یکنواخت مقرر شده ای به میزان ۲۰ میلی متر در سطح جانبی تیر قاب (در راستای محور Z)، قاب خمشی بتن مسلح به روش استاتیکی غیرخطی بارافزون (روش پوش آور تحت بارگذاری جانبی یکنواخت)، مورد تحلیل قرار گرفت. جهت مدل سازی بارگذاری جانبی لرزه ای قاب خمشی بتن مسلح و در طی آن دستیابی به برش پایه و روند توزیع ترک های قاب در طی این نوع بارگذاری (از روی منحنی هیسترزیس برش پایه- جابه جایی جانبی قاب)، با اعمال رکورد شتاب زلزله منجیل (که این رکورد، مطابق شکل ۴، توسط نرم افزار Seismosignal، ضمن اصلاح، برای منطقه با سطح خطر بسیار زیاد، مقیاس شده است) در سطح جانبی تیر قاب (در راستای محور Z)، قاب خمشی بتن مسلح به روش دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی (IDA)، مورد تحلیل قرار می گیرد .که رکورد حوزه دور از زلزله منجیل بوده که در سال ۱۹۹۰ رخ داده است. این رکورد شتاب- زمان زلزله، از ایستگاهی در ابرکوه (ایستگاهی دور از کانون زلزله)، به مدت زمان ۸/۲۶ ثانیه، ثبت شده است. حداکثر شتاب این زلزله، پس از اصلاح و مقیاس برای منطقه با سطح خطر بسیار زیاد، در حدود ۴۴/۳  متر بر مجذور ثانیه () بوده که در ثانیه تقریبا ۶ از شروع زلزله اتفاق افتاده است.

شکل ۴- منحنی اصلاح و مقیاس شده از رکورد شتاب زمان زلزله  منجیل (ثبت شده از ایستگاه ابرکوه)

برای مش بندی توده های بتنی در مدل ها، از المان های پیوسته سه بعدی ۸ گره ای با انتگرال گیری کاهش یافته (تحت نام C3D8R در نرم افزار[۸] Abaqus ) و برای مش بندی آرماتورهای طولی و عرضی در این توده ها، از المان های سازه ای خطی ۳ بعدی تیر (تحت نام B31 در نرم افزار [ ۸]Abaqus) و برای مش بندی الیاف های CFRP در سطوح جانبی توده بتنی ستون ها، از المان های سازه ای پوسته ای ۴ گره ای با انتگرال گیری کاهش یافته (تحت نام S4R در نرم افزار Abaqus [8]) استفاده می شود .

  ۳- شبیه سازی های عددی

با ارزیابی برش پایه قاب در طی دو نوع بارگذاری جانبی مذکور ضمن بررسی تأثیر الیاف  بر روی برش پایه قاب خمشی بتن مسلح در طی این دو نوع بارگذاری جانبی، به منظور مطالعه نقش آرایش (سرتاسری و منقطع) و تعداد لایه هادر میزان این تأثیرگذاری با تغییر در میزان پارامترهای مذکور، پارامتر بی بعد درصد افزایش برش پایه قاب () در هر حالت مورد ارزیابی قرار گرفته که در این پارامتر، ، میزان ماکزیمم برش پایه قاب در شرایط مقاوم سازی نشده و ، اختلاف ماکزیمم برش پایه قاب در دو شرایط مقاوم سازی نشده و مقاوم سازی شده با الیاف می باشد سپس دو نوع آرایش سرتاسری و منقطع الیاف در ستون های قاب خمشی بتن مسلح، با تغییر در تعداد لایه های CFRP (از ۱ تا ۴ لایه)، در طی دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای، به ارزیابی این برش پایه (و نهایتا پارامتر بی بعد مذکور) و روند توزیع ترک ها پرداخته  شد. همچنین، در این میان، برای هر حالت، پاسخ های قاب (منحنی های پوش آور و هیسترزیس برش پایه- جابه جایی جانبی قاب) نیز در طی این دو نوع بارگذاری جانبی، مورد مقایسه قرار می گیرد.

شکل ۵-  نمونه مقایسه منحنی های پوش آور و هیسترزیس برش پایه- جابه جایی جانبی قاب در شرایط مقاوم سازی شده با آرایش منقطع الیاف (N=1)

پوشش ستون های قاب خمشی بتن مسلح با الیاف (خصوصا با آرایش سرتاسری)، به طور چشمگیری بر میزان سختی و نهایتا مقاومت جانبی ستون های مذکور در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای افزوده که این امر نمایانگر عملکرد بسیار مناسب الیاف (خصوصا با آرایش سرتاسری) در افزایش برش پایه قاب های بتن مسلح در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی مذکور و نهایتا بهبود رفتار جانبی یکنواخت و چرخه ای این قاب ها می باشد. ضمن تطابق روند رفتار جانبی یکنواخت و چرخه ای قاب های بتن مسلح در هر دو شرایط مقاوم سازی نشده و مقاوم سازی شده با الیاف ، میزان برش پایه این قاب ها، در طی بارگذاری جانبی یکنواخت (نسبت به این میزان در طی بارگذاری جانبی لرزه ای)، تا حدودی بیشتر می باشد که با توجه به این موضوع می توان گفت، میزان برش پایه قاب های بتن مسلح در هر دو شرایط مقاوم سازی نشده و مقاوم سازی شده ، در طی تحلیل بارافزون (نسبت به تحلیل لرزه ای تاریخچه زمانی) بیشتر و دست بالاتر می باشد..

               شکل ۶- نمونه تأثیر نوع آرایش الیاف بر روی برش پایه قاب در طی تحلیل بارافزون (N=1)

قاب های بتن مسلح مقاوم سازی شده ، در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای، تا میزان جابه جایی مشخصی (جابه جایی تسلیم) دارای سختی زیادی (ناشی از عملکرد مناسب الیاف) بوده، ولی، از این حد مشخص به بعد، در پی شروع کرنش های پلاستیک و نهایتا ترک های ستون ها، سختی و نهایتا مقاومت جانبی این سیستم مقاوم سازی شده دچار کاهش ناگهانی می شود که این امر نشان از عملکرد ترد الیاف های CFRP (خصوصا با آرایش منقطع) در این سیستم مقاوم سازی شده دارد. مقایسه منحنی های پوش آور و هیسترزیس برش پایه قاب های بتن مسلح در دو شرایط مقاوم سازی نشده و مقاوم سازی شده با الیاف ، نشان می دهد که الیاف (خصوصا با آرایش سرتاسری)، نقش چشمگیری بر افزایش میزان سختی و نهایتا مقاومت جانبی قاب های مذکور در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای دارد.

      شکل ۷- نمونه تأثیر نوع آرایش الیاف های CFRP بر روی برش پایه قاب در طی تحلیل لرزه ای تاریخچه زمانی (N=1)

ضمن عملکرد بسیار مناسب الیاف های CFRP در افزایش برش پایه قاب های بتن مسلح در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای، با آرایش سرتاسری این الیاف ها (نسبت به آرایش منقطع این الیاف ها)، این بهبود رفتار جانبی یکنواخت و چرخه ای ستون ها، بسیار چشمگیرتر نیز می باشد. چرا که آرایش سرتاسری الیاف های CFRP، منجر به افزایش میزان سختی (و افزایش حد تسلیم) و نهایتا مقاومت جانبی قاب های بتن مسلح در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای می شود. میزان برش پایه قاب های بتن مسلح در هر دو شرایط مقاوم سازی نشده و مقاوم سازی شده با الیاف ، در طی تحلیل بارافزون (نسبت به تحلیل لرزه ای تاریخچه زمانی) تا حدودی بیشتر و دست بالاتر می باشد.

شکل ۸- نمونه مقایسه روند توزیع کرنش های پلاستیک قاب در دو شرایط مقاوم سازی نشده و مقاوم سازی شده با آرایش های منقطع و سرتاسری الیاف (N=1) در طی تحلیل لرزه ای تاریخچه زمانی

با پوشش ستون های بتن مسلح با الیاف های CFRP (خصوصا با آرایش سرتاسری) از تمرکز توزیع و میزان کرنش های پلاستیک و نهایتا ترک های ستون ها در طی بارگذاری جانبی لرزه ای کاسته شده و این توزیع کرنش ها و ترک های متمرکز در بالا و پایین ستون ها، شدت کمتری می یابد که این امر نیز نمایانگر عملکرد مناسب الیاف های CFRP (خصوصا با آرایش سرتاسری) در کاهش تمرکز توزیع و میزان ترک های قاب های بتن مسلح در طی هر بارگذاری جانبی لرزه ای و نهایتا بهبود رفتار جانبی چرخه ای این قاب ها می باشد.

  شکل ۹-  نمونه مقایسه منحنی های پوش آور و هیسترزیس برش پایه- جابه جایی جانبی قاب در شرایط مقاوم سازی شده با آرایش سرتاسری الیاف های CFRP سه لایه ای

پوشش ستون های قاب خمشی بتن مسلح با الیاف های CFRP (خصوصا با آرایش سرتاسری و با تعداد لایه بیشتر)، به طور چشمگیری بر میزان سختی و نهایتا مقاومت جانبی ستون های مذکور در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای افزوده که این امر نمایانگر عملکرد بسیار مناسب الیاف (خصوصا با آرایش سرتاسری و با تعداد لایه بیشتر) در افزایش برش پایه قاب های بتن مسلح در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی مذکور و نهایتا بهبود رفتار جانبی یکنواخت و چرخه ای این قاب ها می باشد. برش پایه این قاب ها، در طی بارگذاری جانبی یکنواخت (نسبت به این میزان در طی بارگذاری جانبی لرزه ای)، تا حدودی بیشتر و دست بالاتر می باشد. قاب های بتن مسلح مقاوم سازی شده با الیاف های CFRP، در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای، تا میزان جابه جایی مشخصی (جابه جایی تسلیم) دارای سختی زیادی (ناشی از عملکرد مناسب الیاف های) بوده، ولی، از این حد مشخص به بعد، در پی شروع کرنش های پلاستیک و نهایتا ترک‌های ستون ها، سختی و نهایتا مقاومت جانبی این سیستم مقاوم سازی شده دچار کاهش ناگهانی می شود که این امر نشان از عملکرد ترد الیاف (خصوصا با آرایش منقطع و با تعداد لایه بیشتر) در این سیستم مقاوم سازی شده دارد.

شکل ۱۰- نمونه تأثیر تعداد لایه های CFRP با آرایش منقطع بر روی برش پایه قاب در طی تحلیل بارافزون

مقایسه منحنی های پوش آور و هیسترزیس برش پایه قاب های بتن مسلح در دو شرایط مقاوم سازی نشده و مقاوم سازی شده با الیاف ، نشان می دهد که الیاف (خصوصا با آرایش سرتاسری و با تعداد لایه بیشتر)، نقش چشمگیری بر افزایش میزان سختی و نهایتا مقاومت جانبی قاب های مذکور در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای دارد. ضمن عملکرد بسیار مناسب الیاف CFRP (خصوصا با آرایش سرتاسری) در افزایش برش پایه قاب های بتن مسلح در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای، با کاهش تعداد لایه خصوصا از ۲ لایه، این بهبود رفتار جانبی یکنواخت و چرخه ای قاب ها، کاهش قابل ملاحظه ای می یابد. چرا که افزایش تعداد لایه خصوصا از ۲ لایه، منجر به افزایش میزان سختی (و افزایش حد تسلیم) و نهایتا مقاومت جانبی قاب های بتن مسلح در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای می شود. میزان برش پایه قاب های بتن مسلح در هر دو شرایط مقاوم سازی نشده و مقاوم سازی شده با الیاف ، در طی تحلیل بارافزون (نسبت به تحلیل لرزه ای تاریخچه زمانی) تا حدودی بیشتر و دست بالاتر می باشد.

شکل ۱۱- تأثیر تعداد لایه های CFRP با آرایش منقطع بر روی برش پایه قاب در طی تحلیل لرزه ای تاریخچه زمانی

پوشش ستون های بتن مسلح با الیاف های CFRP (خصوصا با آرایش سرتاسری و با تعداد لایه بیشتر) از تمرکز توزیع و میزان کرنش های پلاستیک و نهایتا ترک های ستون ها در طی بارگذاری جانبی لرزه ای کاسته شده و این توزیع کرنش ها و ترک های متمرکز در بالا و پایین ستون ها، شدت کمتری می یابد که این امر نیز نمایانگر عملکرد مناسب الیاف های CFRP (خصوصا با آرایش سرتاسری و با تعداد لایه بیشتر) در کاهش تمرکز توزیع و میزان ترک های قاب های بتن مسلح در طی هر بارگذاری جانبی لرزه ای و نهایتا بهبود رفتار جانبی چرخه ای این قاب ها می باشد.

۴- نتایج

۱- پوشش ستون های قاب خمشی بتن مسلح با الیاف های CFRP (خصوصا با آرایش سرتاسری و با تعداد لایه بیشتر)، به طور چشمگیری بر میزان سختی و نهایتا مقاومت جانبی ستون های مذکور در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای افزوده که این امر نمایانگر عملکرد بسیار مناسب الیاف (خصوصا با آرایش سرتاسری و با تعداد لایه بیشتر) در افزایش برش پایه قاب های بتن مسلح در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی مذکور و نهایتا بهبود رفتار جانبی یکنواخت و چرخه ای این قاب ها می باشد.

۲- ضمن تطابق روند رفتار جانبی یکنواخت و چرخه ای قاب های بتن مسلح در هر دو شرایط مقاوم سازی نشده و مقاوم سازی شده با الیاف های CFRP، میزان برش پایه این قاب ها، در طی بارگذاری جانبی یکنواخت (نسبت به این میزان در طی بارگذاری جانبی لرزه ای)، تا حدودی بیشتر می باشد که با توجه به این موضوع می توان گفت، میزان برش پایه قاب های بتن مسلح در هر دو شرایط مقاوم سازی نشده و مقاوم سازی شده با الیاف های CFRP، در طی تحلیل بارافزون (نسبت به تحلیل لرزه ای تاریخچه زمانی) تا حدودی بیشتر و دست بالاتر می باشد.

۳- قاب های بتن مسلح مقاوم سازی شده با الیاف های CFRP، در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای، تا میزان جابه جایی مشخصی (جابه جایی تسلیم) دارای سختی زیادی (ناشی از عملکرد مناسب الیاف های CFRP) بوده، ولی، از این حد مشخص به بعد، در پی شروع کرنش های پلاستیک و نهایتا ترک های ستون ها، سختی و نهایتا مقاومت جانبی این سیستم مقاوم سازی شده دچار کاهش ناگهانی می شود که این امر نشان از عملکرد ترد الیاف های CFRP (خصوصا با آرایش سرتاسری و با تعداد لایه بیشتر) در این سیستم مقاوم سازی شده دارد.

۴- مقایسه منحنی های پوش آور و هیسترزیس برش پایه قاب های بتن مسلح در دو شرایط مقاوم سازی نشده و مقاوم سازی شده با الیاف های CFRP، نشان می دهد که الیاف (خصوصا با آرایش سرتاسری و با تعداد لایه بیشتر)، نقش چشمگیری بر افزایش میزان سختی و نهایتا مقاومت جانبی قاب های مذکور در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای دارد.

۵- ضمن عملکرد بسیار مناسب الیاف های CFRP (خصوصا با آرایش سرتاسری) در افزایش برش پایه قاب های بتن مسلح در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای، با کاهش تعداد لایه خصوصا از ۲ لایه، این بهبود رفتار جانبی یکنواخت و چرخه ای قاب ها، کاهش قابل ملاحظه ای می یابد. چرا که افزایش تعداد لایه خصوصا از ۲ لایه، منجر به افزایش میزان سختی (و افزایش حد تسلیم) و نهایتا مقاومت جانبی قاب های بتن مسلح در طی هر دو نوع بارگذاری جانبی یکنواخت و لرزه ای می شود.

۶- با پوشش ستون های بتن مسلح با الیاف های CFRP (خصوصا با آرایش سرتاسری و با تعداد لایه بیشتر)، از تمرکز توزیع و میزان کرنش های پلاستیک و نهایتا ترک های ستون ها در طی بارگذاری جانبی لرزه ای کاسته شده و این توزیع کرنش ها و ترک های متمرکز در بالا و پایین ستون ها، شدت کمتری می یابد که این امر نیز نمایانگر عملکرد مناسب الیاف (خصوصا با آرایش سرتاسری و با تعداد لایه بیشتر) در کاهش تمرکز توزیع و میزان ترک های قاب های بتن مسلح در طی بارگذاری جانبی لرزه ای و نهایتا بهبود رفتار جانبی چرخه ای این قاب ها می باشد.

منابع:

[۱] the strengthening of reinforced concrete beams with externally bonded composite plates. Compos Struct 2009; 88:323–۳۲٫

[۲]- Drucker, D. C., Prager, W., 1952, Soil Mechanics and Plastic Analysis for Limit Design, Quarterly of Applied Mathematics, Vol. 10, No. 2, PP. 157-165.

[۳]- Lubliner, J., Oliver, J., Oller, S., Onate, E., 1989, A Plastic- Damage Model for Concrete, International Journal of Solids and Structures, Vol. 25, PP. 299-329.

[۴]- Kent, D. C., Park, R., 1971, Flexural Members with Confined Concrete, Journal of Structural Division, Proceeding of the American Society of Civil Engineers, Vol. 97, No. ST7, 1969-1990.

[۵]- Park, R., Paulay, T., 1975, Reinforced Concrete Structures, John Wiley and Sons.

[۶]- Pieter, A., Varmeer, R. De Bors, 1984, Non-Associated Plasticity for Soils, Concrete and Rock. Hero.

[۷]- Kachlakev, D., Miller, T., 2001, Finite Element Modeling of Reinforced Concrete Structures Strengthened with FRP Laminates, Final Report, SPR 316, for Oregon Department of Transportation Research Group and Federal Highway Administration.

[۸]- Abaqus, User’s Manual, 2011, Version 6.11-1.

[۹] Shaat A, Fam A. Repair of cracked steel girders connected to concrete slabs using carbon-fiberreinforced polymer sheets. J Compos Constr 2008;12(06):650–۹٫

[۱۰] Iacobucci RD, Sheikh SA, Bayrak O. Retrofit of square concrete columns with carbon fiberreinforced polymer for seismic resistance. ACI Struct J 2003; 100(06):785–۹۴٫

[۱۱] Zhu J., Wang X., Xu Z., Weng C., Experimental study on seismic behavior of RC frames strengthened with CFRP sheets. Composite Structures 2011(97):1595–۱۶۰۳٫

 

این مطالب را نیز ببینید!

میزان رازگونگی متون خبری فارسی و انگلیسی

میزان رازگونگی متون خبری فارسی و انگلیسی: بررسی موردی انتخابات ۲۰۱۶ ریاست جمهوری آمریکا دکتر …

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *