عملکرد تیرهای بتن مسلح مقاومت بالای تقویت شده با ورقFRP

امروزه نگهداری و مرمت سازه*ها به دلیل هزینه*های بالای ساخت آنها اهمیت بسیار زیادی پیدا نموده است، به همین دلیل و به علت نیاز روز افزون مهندسین و متخصصین صنعت ساختمان به تقویت، ترمیم و بهسازی سازه*های بتنی روشهای مختلف و متعددی برای این موضوع مطرح گشته است. سادگی اجرای FRP ها در عین سرعت عمل بالا، وزن كم، مقاومت كششی بالای ورق*ها، مقاومت در برابر خوردگی، جذب ارتعاشات و افزایش مقاومت و استحكام سازه خصوصأ در مقابل بارهای دینامیكی از جمله مزیت*های این مواد است.
1- مقدمه
ورق هایFRP به سبب نسبت مقاومت به وزن بالا، مقاومت در مقابل خوردگی و مواد شیمیایی، مقاومت در برابر خستگی ناشی از بارگذاری و همچنین نصب سریع در چند سال اخیر جهت امر بهسازی و ترمیم سازه ها خصوصاً سازه های بتنی به شدت مورد توجه قرار گرفته اند. لایه هایبا وزنی معادل 20% وزن فولاد غالباً مقاومتی در حدود 2 تا 10 برابر فولاد از خود نشان می دهند که وجود این خاصیت سبب استفاده گسترده از الیاف فوق در صنایع گوناگون گردیده است. سالهای زیادی است که از الیاف FRP در صنایع هوا فضا استفاده می گردد اما در گذشته بهای نسبتاً سنگین این الیاف سبب گردیده بود که استفاده از آنها در صنعت ساختمان ناچیز و محدود باشد لیکن امروزه به دلیل گسترش تولید این مواد و به طبع آن کاهش بهای آنها و همچنین به سبب برتری های خاص این الیاف، می توان توجیه مناسب اقتصادی برای استفاده از آنها ارائهنمود.
با توجه به نوپا بودن این تکنیک تقویت، از اواسط دهه نود فعالیت های گسترده ای بر روی بررسی رفتار این پلیمرها در مقاوم سازی خمشی تیرهای بتنی بوسیله چسباندن این الیاف به ناحیه تحت کشش مقطع انجام شده است که همگی آنها بر بهبود رفتار مکانیکی و افزایش مقاومت خمشی تیرها تاکید دارند]5-1[.
جهت بررسی کامل تیرهای بتنی مقاوم سازی شده واضح است که علاوه بر جنبه های مقاومتی، عملکرد اعضاء تحت شرایط بهره برداری نیز باید رضایت بخش باشند و این امر با تامینمقاومت کافی برای عضو خودبخود تحقق نمی یابد. در یک عضو که به روش مقاومت نهایی طرحشده است ممکن است تغییر مکانهای ایجاد شده تحت بارهای بهره برداری بیش از اندازهبزرگ باشد به طوری که سبب آسیب رساندن به قسمتهای غیر سازه ای شود و یا از سویدیگر، ترکهای ایجاد شده در تیرها ممکن است به اندازه ای بزرگ باشند که خوردگی آرماتورها را موجب شود و از نظر ظاهری نیز نا مطلوب باشد.
در این تحقیق آزمایشگاهی اثر ورقهای FRP در مقاوم سازی خمشی تیرهای بتن مسلح حاوی بتن با مقاومت بالا مورد بررسی قرار گرفته است. میزان آرماتور كششی و تعداد لایه FRP در ساخت نمونه ها و تقویت آنها به عنوان متغیر در نظر گرفته شده است. تعداد شش تیر بتنی دارای سطح مقطع، طول و میزان میلگرد فشاری و برشی یکسان حاوی بتن با مقاومت بالا، دارایآرماتور کششی برابر با و ساخته شده و تحت آزمایش خمش چهار نقطه ای قرار گرفته وشرایط بهره برداری آنها مورد بررسی قرار گرفته است. از شش نمونه ذکر شده دو نمونه بدونبه عنوان نمونه شاهد و چهار نمونه دیگر با یک و چهار لایه FRP مقاوم سازی شده اند.
جهت بررسی دقیق رفتار این تیرها تعداد قابل توجهی کرنش سنج روی میلگردهای کششی، فشاری و همچنین سطح بتن و FRP نصب شده که نتایج حاصله در این تحقیق دال بر عملکردمطلوب ورقهای تقویت کننده در شرایط بهره برداری می باشد.
جزئیات نمونه ها و روش انجام آزمایشات
نمونه های آزمایش
در این تحقیق 6 تیر بتن مسلح حاوی بتن با مقاومت بالا، با سطح مقطع و طول یکسان ساخته شده و تا لحظه شکست تحت آزمایش خمش چهار نقطه ای قرار گرفتند. تیرها با توجه به مقدار آرماتور کششی آنها به دو گروه تقسیم شده و از هر گروه یک نمونه به عنوان تیر کنترل و بدون مقاوم سازی مورد آزمایش قرار گرفته و بقیه نمونه ها با یک و چهار لایه الیاف کربن مقاوم سازی شده و سپس تحت بارگذاری قرار گرفتند. طول همه تیرهای مورد آزمایش 300 سانتیمتر بود که بر روی تکیه گاههایی با دهانه 270 سانتیمتر مورد بارگذاری و آزمایش قرار گرفتند. با توجه بهنتایج آزمایشات گذشته ]6[، جهت افزایش اثر مقاوم سازی و تاخیر در جدا شدگی FRP از سطح بتن، طول FRP مصرفی برابر با 260 سانتیمتر در نظر گرفته شده است که تقریباً تمامی طول دهانه تیر را پوشش می دهد.
سطح مقطع تمامی تیرها مستطیلی و به ابعاد 25*15 سانتیمتر در نظر گرفته شده است. آرماتور فشاری تمامی تیرها دو عدد میلگرد با قطر 10 میلیمتر و آرماتور کششی نمونه هایسری الف دو عدد میلگرد با قطر 16 میلیمتر و برای نمونه های سری ب دو عدد میلگرد با قطر 22 میلیمتر منظور شده است. برای تمامی تیرها از آرماتور برشی یکسان استفاده شده است که عبارت است از خاموت بسته به قطر 10 میلیمتر که در فاصله 9 سانتیمتر از یکدیگر در دهانه های برشی تیر پخش شده اند و طراحی این خاموتها به گونه ای است که از شکست برشی تیرها جلوگیری شده و شکست نمونه ها بصورت خمشی اتفاق بیفتد. برای بارگذاری از دو بار متمرکز متقارن که به فاصله 90 سانتیمتر از یکدیگر قرار گرفته اند استفاده شده است. به این ترتیب، مقدار دهانه برش برابر با 90 سانتیمتر و نسبت طول دهانه برشی به عمق مؤثر برابر با 1/4 می شود که این مقدار، تیرهای مورد نظر را در رده تیرهای معمولی قرار می دهد.
کرنش سنجهای الکتریکی بر روی آرماتورکششی، فشاری، برشی و همچنین سطح بتن و FRP در نقاط مختلف چسبانده شده تا در بارهای مختلف قادر به اندازه گیری میزان کرنش در مقاطع مختلف بوده تا با استفاده از آن قادر به محاسبه میزان تنش و همچنین انحناء تیر باشیم. با استفاده از خیز سنجهای الکتریکی با دقت بالا که در نقاط مختلفی از تیر قرار گرفته اند، روند افزایش خیز تیر نیز به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده از دوربین ترک سنج، عرض بزرگترین ترک خمشی و برشی نیز اندازه گیری و با هر افزیش باری قرائت و ثبت می شوند.
در شکل 1، ابعاد تیرهای مورد آزمایش به همراه محل نصب کرنش سنج ها و همینطور محل قرار گیری خیز سنج ها آورده شده است.
شکل 1: مشخصات هندسی تیر و نحوه قرار گیری میلگردها و وسائل اندازه گیری
نام هر تیر از دو حرف تشکیل شده است که حرف اول نشان دهنده میزان آرماتور کششی ( سری A یا B) و نام دوم نشان دهنده تعداد لایه FRP مصرفی جهت مقاوم سازی نمونه می باشد. در جدول 1 مشخصات تیرهای ساخته شده در این تحقیق آورده شده است.
جدول 1: مشخصات تیرهای آزمایش شده در این تحقیق 2- 2-1- FRP FRP
Series Test beam (mm2) CFRP layers
A AH0 2F16 2F10 F10@9cm 0 0
AH1 2F16 2F10 F10@9cm 6.75 1
AH4 2F16 2F10 F10@9cm 27 4
B BH0 2F22 2F10 F10@9cm 0 0
BH1 2F22 2F10 F10@9cm 6.75 1
BH4 2F22 2F10 F10@9cm 27 4


خواص مصالح مصرفی
برای هر تیر تعداد 3 عدد نمونه مکعبی 10*10*10 سانتیمتر در هنگام بتن ریزی نمونه ها ساخته شده و در شرایط مشابه با تیرها عمل آوری شدند. این نمونه ها در سن 28 روزه تحت آزمایش فشار قرار گرفته و میانگین مقاومت فشاری آنها برابر با 962 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع بدست آمد. برای تبدیل مقاومت فشاری نمونه های مکعبی به مقاومت فشاری نمونه استوانه ای استاندارد از ضریب 8/0 استفاده شد که بدین ترتیب مقاومت فشاری بتن مصرفی در تمامی تیرهای ساخته شده در این تحقیق برابر با 770 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع در نظر گرفته می شود. میلگردهای آجدار مصرفی ساخت کارخانه ذوب آهن اصفهان و دارای تنش تسلیمی برابر باکیلوگرم بر سانتیمتر مربع می باشند. FRP مورد استفاده در این تحقیق از نوع کربن با جرم حجمی 78/1 گرم بر سانتیمتر مکعب بوده و ضخامت هر لایه آن برابر با 045/0 میلیمتر می باشد. رفتار این ماده تا لحظه شکست به صورت خطی بوده که کارخانه سازنده تنش کششی حداکثر و مدول الاستیسیته آن را به ترتیب برابر با 38500 و 105 *23 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع اعلام کرده است. کرنش شکست FRP مصرفی برابر با 7/1 درصد می باشد.
روش انجام مقاوم سازی
پس از بتن ریزی، نمونه ها به مدت 28 روز تحت شرایط کاملاً مرطوب عمل آوری شدند. دو عدد از تیرها به عنوان نمونه کنترل بدون انجام مقاوم سازی تحت بارگذاری قرار گرفتند. سطح کششی تیرهای دیگر ابتدا توسط سنگ فرز به میزان 1 تا 2 میلیمتر ساب زده شده و سپس توسط استون به طور کامل تمیز می گردند. چسب مورد استفاده برای لایه اول ( بین سطح بتن و FRP) از نوعبوده که چسبی دو جزئی بوده که پس از اختلاط، توسط کاردک به طور کامل روی سطح بتن مالیده شده و اولین لایه FRP روی آن قرار گرفته و کاملاً توسط چسب اشباع می گردد. برای چسباندن لایه های بعدی ( بین ورقهای FRP) از چسبی دو جزئی با نام تجاری EP-IN استفاده می شود. این چسب توسط فرچه معمولی روی FRP مالیده شده و سپس لایه بعدیروی آن قرار می گیرد. خصوصیات چسب های مصرفی در این تحقیق در جدول 2 آورده شدهاست.
جدول 2: خصوصیات چسب های مصرفی 2-2- 4200 2-3- EP-TX
نام چسب مقاومت خمشی (MPa) مقاومت فشاری (MPa) نسبت رزین به سخت کننده
رنگ حدود دمای سرویس دهی
24 ساعته 7 روزه 24 ساعته 7 روزه
EP-TX 16< 18< 50< 56< 100/100 خاکستری 90+ تا 30-
EP-IN 35< 45< 53< 65< 50/100 شفاف 90+ تا 30-

پس از کامل شدن عملیات مقاوم سازی نمونه ها حداقل به مدت 7 روز در شرایط آزمایشگاهنگهداری شده و پس از نصب کرنش سنج های الکتریکی لازم روی سطح FRP و بتن، تحت بارگذاری قرار می گیرند. بارگذاری نمونه ها به صورت مرحله ای افزایش پیدا می کند و پس از هر افزایش بار، مشاهدات عینی، قرائت کرنش سنج ها و خیز سنج ها و همینطور نحوه گسترش ترکها روی سطح تیر به همراه عرض عریضترین ترکهای خمشی و برشی به طور کامل ثبت می گردد.
ارزیابی نتایج آزمایشات
سختی و تغییر مکان
برای بررسی سختی و تغییر مکان تیرهای مقاوم سازی شده نسبت به نمونه های کنترل، منحنی بار – خیز تیرها در شکل 2 آورده شده است.

شکل 2 : منحنی بار- تغییر مکان وسط دهانه برای کلیه تیرها
همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، منحنی تیرهای مقاوم سازی شده، از ابتدا تا انتهای مرحله رفتار خطی نمونه ها به خوبی بر روی نمونه کنترل نظیر خود منطبق است لذا می توان نتیجه گرفت که در حالت بهره برداری، سختی و تغییر مکان نمونه های مقاوم سازی شده( صرفنظر از تعداد لایه FRP)، با نمونه کنترل کاملاً همخوانی دارد. اما در ناحیه پلاستیک و تا لحظه شکست، با افزایش تعداد لایه FRP، سختی تیر افزایش پیدا کرده ولی خیز آن به مقدار زیادی کاهش پیدا می کند که این امر بر کاهش شکل پذیری نمونه های مقاوم سازی شده نسبت به نمونه کنترل دلالت دارد.
عرض ترک
با توجه به اینكه ایجاد ترك در سازه*های بتنی نه تنها اجتناب ناپذیر است بلکه برای استفاده موثر از آرماتور لازم نیز هست. مقدار مجاز عرض ترک تحت بارهای بهره برداری بستگی به شرایطمحیطی دارد. جدول 3 عرض مجاز ترک را مطابق توصیه کمیته 224 انجمن بتن آمریکا ]7[ ارائه می کند.
جدول 3 : عرض مجاز ترکهای خمشی ]7[ 3- 3-1- 3-2-
شرایط محیطی عرض مجاز ترک ( mm)
هوای خشک یا پوشش محافظ 41/0
رطوبت، هوای مرطوب، تماس با خاک 3/0
آب دریا، خشک و تر شدن متوالی 15/0
سازه های نگهدارنده آب 1/0
با توجه به مقادیر پیشنهادی عرض ترک ارائه شده در جدول 3، مقادیر بار، خیز و کرنش متناظر با عرض ترکهای 1/0 تا 4/0 برای تیرهای سری B در جدول 4 آورده شده است. نتایج کامل در مرجعقابل دسترسی است.
جدول 4 : مقادیر کرنش، خیز، بار و عرض ترک در محدوده بهره برداری ]8[
عرض ترک (mm) نام نمونه بار
(kN) کرنش در وسط تیر(mm/mm6-10*) خیز
وسط تیر
(mm) انحناء در
وسط تیر
فولاد کششی


تار بالایی بتن(1-*) سطح FRP فولاد فشاری (1-*)
1/0 BH0 66/7 101 75 - 39 55/0 82/0
BH1 30 520 184 207 165 43/2 72/3
BH4 7/36 687 318 760 226 04/4 69/4
2/0 BH0 3/15 202 149 - 79 09/1 65/1
BH1 7/56 912 285 317 299 19/5 2/5
BH4 33/63 1097 493 1111 393 95/6 43/7
3/0 BH0 3/28 481 392 - 149 32/2 09/4
BH1 86 1331 556 439 425 2/8 5/9
BH4 7/90 1502 808 1389 544 89/9 79/10
4/0 BH0 29/42 728 517 - 222 91/3 85/5
BH1 98 1500 655 452 494 5/9 8/9
BH4 126 2347 1500 1886 782 34/14 97/17

در شكل3 برای عریض ترین ترك خمشی اتفاق افتاده، نمودارممان-عرض ترك کلیه تیرها نشان داده شده است. همانگونه كه از شكل مشخص است، با افزایش FRP، طیف افقی نمودار كاهشیافته است، این پدیده حاكی از عدم افزایش قابل توجه عرض ترك با وجود جاری شدن فولادكششی می*باشد. همچنین در محدوده بارهای سرویس، دستیابی به عرض ترکهای بسیار کم با استفاده از FRP به خوبی قابل مشاهده است.

شکل 5 : منحنی عرض ترک خمشی در برابر ممان وارده به مقطع
نتیجه گیری:
در این تحقیق با بررسی اثر لایه های فیبر کربن بر روی مقاومت خمشی تیرهای بتنی تقویت شده با FRP، نتایج زیر در حالت سرویس حاصل گردید.
الف- در حالت بهره برداری، سختی و تغییر مکان نمونه های مقاوم سازی شده( صرفنظر از تعداد لایه FRP)، با نمونه کنترل کاملاً همخوانی دارد. اما در ناحیه پلاستیک و تا لحظه شکست، با افزایش تعداد لایه FRP، سختی تیر افزایش پیدا کرده ولی خیز آن به مقدار زیادی کاهش پیدا می کند که این امر بر کاهش شکل پذیری نمونه های مقاوم سازی شده نسبت به نمونه کنترل دلالت دارد.
ب- با افزایش FRP، طیف افقی نمودار ممان – عرض ترک كاهش یافته است، این پدیده حاكی ازعدم افزایش قابل توجه عرض ترك با وجود جاری شدن فولاد كششی می*باشد.
ج- در محدوده بارهای سرویس، دستیابی به عرض ترکهای بسیار کم با استفاده از FRP به خوبی قابل مشاهده است. 4-