ترمیم و مقاوم سازی ساختمان

ترمیم و مقاوم سازی ساختمان

اسلاید 1: دانشگاه آزاد اسلامي ـ واحد نيشابور عنوان : ترميم و مقاوم سازي ساختمان استاد ارجمند: جناب آقاي مهندس خسروي دانشجو : رامين طاهري نيا زمستان 86

اسلاید 2: مقاوم سازي ساختمان هاي فلزي موجود با کاهش مقطع بال چکيده :قبل از زلزله نر تريج ، تصوير بر اين بود که سازه هاي داراي قاب خمشي فولادي داراي رفتار مناسبي در هنگام وقوع زلزله مي باشند ، اما پس از وقوع زلزله نر تريج بر اثر تحقيقات ، مشخص شد که بيشتر اتصالات بعلت ترک خوردگي جوش بدون داشتن شکل پذيري مناسب دچار شکست صلب شده بود . براي جلوگيري از ترک خوردگي جوش و در نتيجه شکس ترد اتصال ، مي توان از دو روش عمده بهره جست . يکي تقويت اتصال ر ناحيه اتصال تير به ستون مي باشد . مشکل عمده اين روش ازايش لنگر وارده به ستون است . ر.ش دوم ، تضعيف تير در ناحيه نزديک اتصال مي باشد . در اين روش ميزان کاهش مقطع به حدي است که باعث انتقال مفصل پلاستيک از بر ستون به داخل تير مي شود . اين بدان علت است که بال پاييني معمولا در دسترس بوده و در داخل دال بتني قرار ندارد . در اين مقاله با استفاده از نرم ازار ANSYS به بررسي اين مدلها پرداخته شده است . کليد واژ ه ها : اتصال RBS ، اتصال SMF ، مفصل پلاستيک ، منحني هيسترسيس ، چشمه اتصال

اسلاید 3: مقدمه : پس از زلزله نر تريج ، خرابيهاي بسياري در سازه هاي فولادي که داراي قاب خمشي فولادي ويژه بودند رخ داد . اين خرابيها نشان دهنده ضعف اين سيستم در برابر زلزله بود . در صورتيکه تا پيش از زلزله نر تريج تصور بر آن بود که سازه هاي داراي قاب خمشي ويژه داراي رفتار بسيار مناسبي در هنگام وقوع زلزله مي باشد . اما مشاهده شد که عدم توجه به نحوه تشکيل مفصل پلاستيک باعث تشکيل مفصل پلاستيک در بر ستون گشته و در نتيجه تمرکز تنش زيادي در انتهاي تير و در ناحيه اتصال تير به ستون ايجاد شده و بالطبع تمرکز کرنش در اين ناحيه ايجاد مي شود . با توجه به اين نکته که جوش متصل کننده بال تير به بال ستون داراي رفتار ترد و شکننده مي باشد و قادر به تحمل کرنشهاي بالا نمي باشد ، در نتيجه اين جوشها بر اثر نيروي زلزله اعمال شده داراي شکستگي شده و بعث جدا شدن تير از ستون مي شود . در نتيجه به علل ذکر شده در بالا قابهاي خمشي ويژه (که با روابطي که در آيين نامه هاي قبل از زلزله نر ريج بيان شده بود طراحي شده بود) رفتار خوبي از خود نشان نداد . حتي اسختمان هايي که براي استفاده بي وقفه و با کيفيت مناسب طراحي شده بودند نيز نتوانستند در برابر زلزله مقاومت کنند و آسيب ديدند . با توجه به استفاده فراوان از قابهاي خمشي فولادي در طراحي هاي لرزه اي سازه ها ، و با توجه به اين نکته که اين سازه ها بر اساس ضوابط و آيين نامه هايي طراحي شده است که ضوابط مربوط به نحوه تشکيل مفصل پلاستيک و نحوه گسترش آن را مورد بررسي قرار نداده اند ، در نتيجه پس از زلزله نر تريج تحقيقات به سمت افزايش شکل پذيري اتصالات صلب پيش رفت و به طور کلي اتصالات پس از زلزله نر تريج (Post-Northridge) شکل گرفت . در اين اتصالات هدف به طور عمده انتقال مفصل پلاستيک به داخل ير و به يک فاصله معين از بر ستون مي باشد . بگونه اي که با دور ساختن مفصل

اسلاید 4: پلاستيک از بر ستون ، باعث کاهش تمرکز کرنش بوجود آمده در ناحيه جوش مي شوند و در نتيجه باعث کاهش در ميزان ترک خوردگي جوش و بالطبع کاهش شکست ترد در اتصال مي شوند . روش هاي متعددي براي انتقال مفصل پيشنهاد گرديد . در حالت کلي اين روشها به دو دسته عمده تقسيم مي شود : يکسري از اتصالات (Post-Northridge) بگونه اي طراحي شده اند که با افزودن اجزايي به اتصال باعث افزايش مقاومت تير در ناحيه اتصال شده و در نتيجه باعث کاهش تنش در اتصال مي شود . و در نتيجه باعث انتقال مفصل پلاستيک بداخل تير مي شود . همچنين با مقاومتر کردن اتصال از چرخش اجزاي اتصال نسبت به هم (تير نسبت به ستون) جلوگيري مي کنند که در نتيجه تنش کمتري در ناحيه جوش ايجاد مي شود . استفاده از ماهيچه (Haunch) و با پشت بند (Rib) و ... از اين دسته اند . در روش دوم با کاهش مقاومت تير در بخشهاي مشخص از تير ، باعث تضعيف تير در يک ناحيه مشخص و از پيش تعيين شده گشته که در نتيجه مفصل پلاستيک در اين ناحيه تشکيل مي شود . و از بر ستون به داخل تير منتقل مي شود . انواع اتصالات RBS از اين دسته اند . براي مقاوم سازي از هر دو روش مي توان بهره جست . هر کدام از اين دو روش داراي مزايا و معايبي هستند که قبل از انتخاب ديتيل براي بهسازي لرزه اي اتصال بايد به طور کامل به بررسي آنها پرداخت . در اينجا به بررسي يکي از ديتيلهاي مقاومسازي اتصال در قاب خمشي ويژه فولادي پرداخته مي شود . همانگونه که قبلا ذکر گرديد برش بال تير يکي از روش هاي مقاوم سازي اتصالات مي باشد . برش بال تير در ناحيه نزديک ستون و در يک فاصله مشخص و با ديتيل مشخصي صورت مي پذيرد .

اسلاید 5: اين نوع اتصال در دنيا با نام RBS و يا Dogbone و در ايران به نام اتصال استخواني شناخته مي شود . ازمايشات متعددي بر روي اين اتصال صورت پذيرفته و روابط برش و ديتيل آن در FEMA موجود مي باشد . [5]. اتصال RBS داراي انواع مختلفي مي باشد . اين اتصال داراي سه نوع ديتيل متداول مي باشد . در اينجا به بررسي اتصال RBS داراي برش شعاعي پرداخته شده است . 2. روند طراحي اتصال RBS : براي طراحي اتصال RBS با برش شعاعي از روابط پيشنهادي FEMA استفاده مي شود.بگونه اي که a.,b,c,R بترتيب برابر با شعاع برش و ميزان برش حداکثر و طول برش و فاصله ابتداي ناحيه بريده شده تا بر ستون مي باشد . همچنين bf و d به ترتيب برابر با عرض بال تير و ارتفاع مقطع تير مي باشد . [5] . نکته قابل توجه اينکه بعلت عدم دسترسي به بال پاييني تير که معمولا در دال بتني مدفون مي باشد و تخريب دال و برش بال بالايي بسيار پر هزينه مي باشد ، در نتيجه معمولا براي بهسازي اتصالات قاب خمشي موجود ، از اتصال RBS در بال پاييني استفاده مي شود . مشخصات برش در اين حالت همانند زماني است که هر دو بال داراي بريدگي هستند . بر اساس تمهيدات FEMA ، حداکثر ميزان کاهش مقطع برابر با 50% مي باشد که در اينجا نيز حداکثر کاهش به همين ميزان محدود مي شود . برشهاي بيشتر از اين مقدار مي تواند مشکلات ديده اي را براي پايداري تير فراهم سازد . (کمان جان تير، کمانش جانبي ـ پيچشي بال تير و ...) [6و3].در مدل هاي استفاده شده در اين مقاله از ميزان برش 50% استفاده شده است . يعني ميزان C=0.25bf مورد استفاده قرار گرفته است . مقادير برش و ابعاد a,b,c,R در جدول (1)موجود مي باشد .

اسلاید 6: 3- آزمايشات صورت پذيرفته :يکي از ازمايشاتي که به منظور بهسازي لرزه اي اتصالات صلب فولادي با استفاده از کاهش مقطع بال صورت پذيرفته ، توسط Scott A. Cibjan & Engelhardt مي باشد . [8] در اين آزمايشات از زير سازه صليبي شکل (شکل 1ـ ب) استفاده شده است . تير در اين مدل از نوع فولاد A36 مي باشد و داراي مقطع W30x99 مي باشد . ستون داراي مقطع W12x279 بوده و با فولاد A572 Grade 50 مي باشد . انتخاب مقطع و طول دهانه ها به گونه اي بود که زير سازه انتخاب شده بتواند شرايط تير و ستون ها متداول مصرفي در ساختمان (نوع مقطع ، نوع فولاد مصرفي ، طول دهانه تير و طول ستون) را مدل نمايد . همچنين قانون تير ضعيف ـ ستون قوي نيز رعايت شده است . ابتدا اتصال به صورت اتصاات قبل از زلزله نر تريج طراحي و ساخته شد و سپس بهسازي اتصال بر روي اتصال موجود صورت پذيرفت . عمليات جوشکاري در اين نمونه ها توسط الکترود E70T-4 (47/7 Ksi) مي باشد و مقاومت جاري شدگي ديناميکي آن برابر با (50 Ksi) 345 MPa مي باشد و حد نهايي مقاومت ديناميکي برابر با (65/5 Ksi)

اسلاید 7: 452MPa مي باشد . دو مدل از آزمايشات صورت گرفته داراي اتصال RBS و با کاهش مقطع 50% در بال پاييني مي باشد . (DB1,DB2) . در مدل DB1 ، جوش متصل کننده بال تير به جان ستون تعويض نشده و داراي شرايط اتصال قبل از زلزله نر تريج مي باشد و تنها تسمه پشت بند برداشته مي شود . در مدل DB2 جوشهاي متصل کننده بال تير به ستون که با الکترود E70-T-4 صورت رگفته بود ، کاملا برداشته شده و عمليات جوشکاري توسط الکترود E70T-8 صورت مي پذيرد . همچنين در بال پاييني تسمه پشت بند برداشته مي شود . اما در بال بالايي اين تسمه برداشته نشده و توسط جوش نواري به ستون جوش داده مي شود . تفاوت ديگري که دو مدل DB1 و DB2 دارند ، وجود دال بتني به عرض 2440mm بر روي مدل DB2 مي باشد که به علت بررسي اثر دال بتني بر روي روند مقاومسازي مي باشد . تعداد و نحوه گسترش برشگيرها نيز همانند ساختمان هاي متعارف موجود مي باشد . منحني هاي هيسرسيس و شکل مدلها پس از آزمايش در شکل (2و3) مشخص است.

اسلاید 8: بر اساس نتايج به دست آمده براي نمونه DB1 مشخص شد که ايجاد اتصال RBS در مدل DB1 داراي تاثير زيادي در افزايش شکل پذيري اصتال نمي باشد . در صورتيکه در نمونه DB2 شکل پذيري به ميزان قابل توجهي افزايش مي يابد . اين تغيير در رفتار دو مدل مي تواند به دو علت باشد . اولا : در مدل DB1 بعلت استفاده از الکترود E70T-4 که داراي فلز جوش با سختي و چقرمگي کم (Low Toughness weld metal) مي باشد ، جوش در مراحل اوليه بارگذاري گسيخته مي شود . در صورتيکه مدل DB2 که در آن تير توسط جوش با الکترود E71T-8 که داراي فلز جوش با سختي و چقرمگي زياد (High Toughness wld metal) مي باشد صورت پذيرفته است . ثانيا : در مدل DB2 بعلت وجود دال بتني و تاثير آن در مقاومت اتصال ، ميزان چرخش به دست آمده بسيار بيشتر از نمونه DB1 مي باشد . همچنين افزودن دال بتني ابعث کاهش ميزان کرنش در بال بالايي تير مي شود که نشاندهنده اثر مثبت دال بر روي رفتار لرزه اي اتصال مي باشد . همچنين در اين تحقيق مشخص شد که دال بتني تاثير مهمي بر روي رفتار کلي بال پاييني تير ندارد .

اسلاید 9: مدلسازي اتصال : با توجه به اينکه مقاطع مورد آزمايش در SAC و FEMA و ساير منابع موجود همگي مقاطع با ارتفاع زياد براي تير مي باشند و در ايران از اين مقاطع استفاده نمي شود ، بررسي تاثير روش مقاومسازي مطرح شده در بالا بر روي پروفيلهاي متداول در ايران ضروري به نظر مي رسد . در نتيجه در اينجا به بررسي تاثير ايجاد اتصال RBS در بال پاييني بر روي رفتار لرزه اي اتصال توسط نرم افزار ANSYS پرداخته شده است . براي مقطع تير از پروفيل IPE330 و براي مقطع ستون از پروفيل IPB260 استفاده شده است . همچنين طراحي به گونه اي صورت گرفته که چشمه اتصال در حالت بالانس باشد و در نتيجه از دو ورق مضاعف به ضخامت 1cm استفاده شده است . (ظرفيت چشمه اتصال متناسب با ظرفيت پلاستيک تير باشد) . همچنين از ورق پيوستگي نيز در مدلسازي استفاده شده است . دو مدل ، يکي داراي اتصال SMF مي باشد و ديگري توسط برش در بال پاييني مقاومسازي شده است . هر دو مدل توسط اتصال مستقيم بال و ديگري توسط برش در بال پاييني مقاومسازي شده است . هر دو مدل توسطا تصال مستقيم بال تير به ستون طراحي شده و مدل شده اند . همچنين در مدل سازي ورقهاي منتقل کننده برش از جان تير به ستون نيز مد نظر قرار گرفته است و طراحي شده است . [2].

اسلاید 10: براي مدلسازي از المان صفحه اي SHELL43 استفاده شد که داراي چهار گره مي باشد و هر گره داراي شش درجه آزادي مي باشد (سه درجه آزادي انتقالي و سه درجه آزادي دوراني) و داراي خواص غير خطي و تغيير شکل بزرگ مي باشد . با توجه به اين نکته که در اين زير سازه تمرکز تنش و کرنش در ناحيه اتصال و چشمه اتصال مي باشد از مش بندي ريز تري در اين نواحي استفاده شد . سپس مدلها تحت بارگذاري سيکليک قرار گرفتند . نمودار بارگذاري در شکل (4ـ الف) مشاهده مي شود . نحوه بارگذاري به گونه اي است که تغيير مکان به بالاي زير سازه صليبي شکل وارد مي شود . (شکل 4 ـ ب) براي مدل کردن جوشهاي گوشه که متصل کننده ورق برشي به جان تير مي باشد از المان SHELL43 استفاده شده است بگونه اي که ضخامت ورق متصل کننده به اندازه ضخامت گلوي جوش مي باشد که داراي تقريب قابل قبول مي باشد . نحوه مدلسازي و مش بندي انجام شده در شکل (5) مشخص است

اسلاید 11: 5 –نتايج بدست آمده از تحليل : همانگونه که در شکل (6) مشخص است ، منحني لنگر ـ زاويه تغيير مکان جانبي داخلي (inter story drift angle) براي دو نمونه بدست آمده است . با توجه به اين نمودار مشخص مي شود که حداکثر لنگر وارده از طرف تير در بر ستون در دو نمونه متفاوت مي باشد . به گونه اي که براي اتصالم عمولي اين ميزان برابر با 21/15t.m مي باشد . در صورتيکه اين مقدار براي اتصال داراي برش در بال پايين برابر با 19/54t.m مي باشد . با توجه به اينکه نکته که ظرفيت پلاستيک تير برابر با 19/3t.m مي باشد ، نسبت حداکثر لنگر وارده به ظرفيت مقطع براي اتصال smf و RBS بترتيب برابر با 1/1 و 01/1 مي بشد .بعبارت ديگر افزودن اتصال RBS در بال پاييني باعث کاهش لنگر وارده به اتصال و در نتيجه کاهش نيروي برشي وارده به چشم هاتصال مي شود . به گونه اي که نسبت لنگرها 92/0 مي باشد . يعني 08/0 کاهش در ميزان لنگر وارده از ظرف تير به ستون رخ داده است . همنين حداکثر تنش برشي در مدل مقاومسازي شده نسبت به مدل smf در چشمه اتصال و جان تير به ترتيب 04/0 و 13/0 کاهش يافته است . (شکل شماره 8). همانگونه که در شکل (7) مشخص است . حداکثر تنش بدست آمده در مدل معمولي در تير و در بر ستون مي باشد . در صورتيکه اين ميزان براي تير مقاومسازي شده در فاصله مشخص و از پيش تعيين شده مي باشد و تاثير برش بالا تير بر روي نحوه گسترش مفصل پلاستيک بخوبي مشهود است

اسلاید 12:

اسلاید 13: بحث و نتيجه گيري : با توجه به تجربيات زلزله هاي گذشته مقاومسازي اتصالات در قابهاي خمشي که بدون توجه به نحوه تشکيل و گسترش مفصل پلاستيک طراحي و اجرا شده اند ضروري مي باشد . اصولا مقاومسازي اتصالات معمولا با هدف انتقال مفصل پلاستيک به داخل تير و به دو صورت امکان پذير است . يکي افزودن اجزايي به اتصال تحت ديتيل خاص ، به گونه اي که باعث انتقال مفصل پلاستيک به يک ناحيه از پيش تعيين شده مي شود . و ديگري بريدن بخشي از بال تير که باعث کاهش ظرفيت تير در آن ناحيه و هدايت مفصل پلاستيک به آن ناحيه مي شود . با توجه به آزمايشات صورت پذيرفته در مقياس واقعي مشخص شد که نحوه اتصال بال تير به بال ستون و فلز جوش مورد استفاده مي تواند داراي تاثير بسيار زيادي در رفتار اتصال باشد و در صورتيکه طاقت فلز جوش تحت بارگذاري کم باشد (الکترود E70T-4) برش بال پاييني تير و ايجاد اتصال RBS به تنهاي نمي تواند باعث بهبود رفتار لرزه اي اتصال شود . درصورتيکه جوش مورد استفاده از نوع پر مقاومت (الکترود E71T-8) باشد ، آنگاه ايجاد برش در بال پاييني تير مي تواند باعث افزايش کارايي اتصال شود . همچنين مشخص شد که دال بتني داراي تاثير مثبتي دررفتار لرزه اي اتصال مي باشد و باعث کاهش ميزان کرنش در بال بالايي تير مي شود . و دال هيچگونه تاثيري بر روي روند گسترش مفصل پلاستيک و ميزان کرنش در بال پاييني تير ندارد . باتوجه به آناليزهاي صورت گرفته مشخص شد که اين روند در پروفيلهاي متداول در ايران نيز صادق مي باشد و نحوه گسترش مفصل پلاستيک در مدلهاي داراي اتصال RBS در بال پايين بسيار متفاوت با الت اتصال SMF مي باشد . در اتصال مقاومسازي شده توسط برش بال تحتاني ، مفصل پلاستيک بخوبي بداخل تير منتقل شده است و در نتيجه کرنش در جوش متصل کننده بال تير به ستون کاهش يافته و خطر شکست ترد کمتر مي شود . در اتصالات مقاومسازي نشده لنگر بيشتري به ناحيه اتصال و چشمه اتصال وارد مي گردد . البته شايان ذکر است در مدلهاي آناليز شده طراحي اوليه با فرض رعايت وارد مي گردد . البته شايان ذکر است در مدلهاي آناليز شده طراحي اوليه با فرض رعايت کامل ضوابط مربوط به تير ضعيف ـ ستون قوي مي باشد . همچنين مقاومت چشمه اتصال وارد مي گردد . البته شايان ذکر است در مدلهاي آناليز شده طراحي اوليه با فرض رعايت کامل ضوابط مربوط به تير ضعيف ـ ستون قوي مي باشد . همچنين مقاومت چشمه اتصال در حالت تعادل با ظرفيت خمشي تير مي باشد . بديهي است در صورت تغيير در مقاومت چشمه اتصال ميزان چرخش پلاستيک تير و همچنين شکل پذيري سيستم ئ تاثير ايجاد اتصال RBS در رفتار لرزه اي اتصال تغيير مي نمايد .

اسلاید 14: مراجع : [1] آيين نامه طراحي ساختمان ها در برابر زلزله ، استاندارد2800 ـ ويرايش سوم . [2] مقررات ملي ساختمان ، مبحث دهم : طرح و اجراي ساختمان هاي فولادي . 1384 . [3] . Civjan , S.A, Engelhardt, M.D., and Gross , J.L. “Retrofit of Pre-Northridge Moment Resisting Connections.” ASCE Journal of Structural Engineering . April 2000 . pp. 445-452.[4]. Roeder C. , The state-of-the-art report on connection performance. FEMA 355d. Washington , DC : Federal Emergency Management Agency , 2000 . [5]. Federal Emergency Management Agency . , Recommended seismic design criteria for new steel moment-frame buildings. Report no . FEMA – 350; 2000. [6]. Chia-Ming Uang , Qi-song “Kent” Yu. Shane Noel , and John Gross, CYCLIC TESTING OF STEEL MOMENT CONNECTIONS REHABILITATED WITH RBS OR WELDED HAUNCH < JOURNAL OF STRUCTURAL ENGINEERING / JANUARY 2000 . pp.57-68. [7]. AISC (1999). , Seismic Provisions for Structural Steel Buildings (1997), Supplement No. 1 , American Institute of Steel Construction .

اسلاید 15: مقاوم سازي خمشي تيرهاي بتنمسلح مقاومت بالا توسط ورقهاي ورق هاي FRP

اسلاید 16: ورق هاي FRP به سبب نسبت مقاومت به وزن بالا ، مقاومت در برابر خوردگي و مواد شيميايي ، مقاومت در برابر خستگي ناشي از بارگذاريو همچنين نصب سريع در چند سال اخير جهت امر بهسازي و ترميم سازه ها خصوصا سازه هاي بتني به دشت مورد توجه قرار گرفته اند . لايه هاي FRP با وزني معادل 20% وزن فولاد غالبا مقاومتي در حدود 2 تا 10 برابر فولاد از خود نشان مي دهند که وجود اين خاصيت سبب استفاده گسترده از الياف فوق در صنايع گوناگون گرديده است . سالهاي زيادي است که از الياف FRP در صنايع هوا فضا استفاده مي گردد اما در گذشته بهاي نسبتا سنگين اين الياف سبب گرديده بود که استفاده از آنها در صنعت ساختمان ناچيز و محدود باشد ليکن امروزه به دليل گسترش توليد اين مواد و به طبع آن کاهش بهاي آنها و همچنين به سبب برتري هاي خاص اين الياف ، ميت وان توجيه ماسب اقتصادي براي استفاده از آنها ارائه نمود . با توجه به نو پا بودن اين تکنيک تقويت ، از اواسط دهه نود فعاليت هاي گسترده اي بر روي بررسي رفتار اين پليمرها در مقاوم سازي خمشي تيرهاي بتني به وسيله چسباندن اين الياف به ناحيه تحت کشش مقطع انجام شده است که همگي آنها بر بهبود رفتار مکانيکي افزايش مقاومت خمشي تيرهاي تاکيد دارند . [5ـ1].

اسلاید 17: جهت بررسي کامل تيرهاي بتني مقاوم سازي شده واضح است که علاوه بر جنبه هاي مقاومتي ، عملکرد اعضاء تحت شرايط بهره برداري نيز بايد رضايت بخش باشند و اين امر با تامين مقاومت کافي براي عضو خود به خود تحقق نمي يايد . در يک عضو که به روش مقاومت نهايي طرح شده است ممکن است تغيير مکان هاي ايجاد شده تحت بارهاي بهره برداري بيش از اندازه بزرگ باشد به طوري که سبب آسيب رساندن به قسمت هاي غير سازه اي شود و يا از سوي ديگر ، ترکهاي ايجاد شده در تيرها ممکن است به اندازه اي بزرگ باشند که خوردگي آرماتورها را موجب شود و از نظر ظاهري نيز نا مطلوب باشد . در اين تحقيق آزمايشگاهي اثر ورقهاي FRP در مقاوم سازي خمشي تيرهاي بتن مسلح حاوي بتن با مقاومت بالا مورد بررسي قرار گرفته است . ميزان آرماتور کششي و تعداد لايه FRP در ساخت نمونه ها و تقويت آنها به عنوان متغير در نظر گرفته شده است . تعداد شش تير بتني داراي سطح مقطع ، طول و ميزان ميلگرد فشاري و برشي يکسان حاوي بتن با مقاومت بالا ، داراي آرماتور کششي برابر با و ساخته شده و تحت آزمايش خمش چهار نقطه اي قرار گرفته و عملکرد آنها مورد بررسي قرار گرفته است . از شش نمونه ذکر شده دو نمونه بدون FRP به عنوان نمونه شاهد و چهار نمونه ديگر با يک و چهار لايه FRP مقاوم سازي شده اند . در اين تحقيق 6 تير بتن مسلح حاوي بتن با مقاومت بالا ، با سطح مقطع و طول يکسان ساخته شده و تا لحظه شکست تحت آزمايش خمش چهار نقطه اي قرار گرفتند . تيرها با توجه به مقدار آرماتور کششي آنها به دو گروه تقسيم شده و از هر گروه يک نمونه به عنوان تير کنترل و بدون مقاوم سازي مورد آزمايش قرار گرفته و بقيه نمونه ها با يک و چهار لايه الياف کربن مقاوم سازي شده و سپس تحت بارگذاري قرار گرفتند . طول همه تيرهاي مورد آزمايش 300 سانتيمتر بود که بر روي تکيه گاههايي با دهانه 270 سانتيمتر مورد بارگذاري و آزمايش قرار گرفتند . با توجه به نتايج آزمايشات گذشته [6] ،

اسلاید 18: جهت افزايش اثر مقاوم سازي و تاخير در جداشدگي FRP از سطح بتن ، طول FRP مصرفي برابر با 260 سانتيمتر در نظر گرفته شده است که تقريبا تمامي طول دهانه تير را پوشش مي دهد . سطح مقطع تمامي تيرها مستطيلي و به ابعاد 25×15 سانتيمتر در نظر گرفته شده است . آرماتور فشاري تمامي تيرها دو عدد ميلگرد با قطر 10 ميليمتر و آرماتور کششي نمونه هاي سري الف دو عدد ميلگرد با قطر 16 ميليمتر و براي نمونه هاي سري ب دو عدد ميلگرد با قطر 22 ميليمتر منظور شده است . براي تمامي تيرها از آرماتور برشي يکسان استفاده شده است که عبارت است از خاموت بسته به قطر 10 ميليمتر که در فاصله 9 سانتيمتر از يکديگر در دهانه هاي برشي تير پخش شده اند و طراحي اين خاموتها به گونه اي است که از شکست برشي تيرها جلوگيري شده و شکست نمونه ها به صورت خمشي اتفاق بيفتد . براي بارگذاري از دو بار متمرکز متقارن که به فاصله 90 سانتيمتر از يکديگر قرار گرفت اند استفاده شده است . به اين ترتيب ، مقدار دهانه برش برابر با 90 سانتيمتر و نسبت طول دهانه برشي به عمق موثر برابر با ¼ مي شود که اين مقدار ، تيرهايم ورد نظر را در رده تيرهاي معمولي قرار مي دهد . در شکل 1 ، ابعاد تيرهاي مورد آزمايش به همراه محل نصب کرنش سنج ها و همينطور محل قرار گيري خز سنج ها آورده شده است .

اسلاید 19: کرنش سنجهاي الکتريکي بر روي آرماتور کششي ، فشاري ، برشي و همچنين سطح بتن و FRP در نقاط مختلف چسبانده شده تا در بارهاي مختلف قادر به اندازه گيري ميزان کرنش در مقاطع مختلف بوده تا با استفاده از خيز سنجهاي الکتريکي با دقت بالا که در نقاط مختلفي از تير قرار گرفته اند ، روند افزايش خيز تير نيز به طور کامل مورد بررسي قرار گرفته است . با استفاده از دوربين ترک سنج ، عرض بزرگترين ترک خمشي و برشي نيز اندازه گيري و با هر افزايش باري قرائت و ثبت مي وشند . نام هر تير از دو حرف تشکيل شده است که حرف اول نشان دهنده ميزان آرماتور کششي (سري A يا B) و نام دوم نشان دهنده تعداد لايه FRP مصرفي جهت مقاوم سازي نمونه مي باشد . در جداول 1 مشخصات تيرهاي ساخته شده در اين تحقيق آورده شده است .

اسلاید 20: براي هر تير تعداد 3 عدد نمونه مکعبي 10×10×10 سانتيمتر در هنگام بتن ريزي نمونه ها ساخته شده و در شرايط مشابه به تيرهاي به عمل آوري شدند . اين نمونه ها در سن 28 روزه تحت آزمايش فشار قرار گرفته و ميانگين مقاومت فشاري آنها برابر با 962 کيلوگرم بر سانتيمتر مربع بدست آمد . براي تبديل مقاومت فشاري نمونه هاي مکعبي به مقاومت فشاري نمونه استوانه اي استاندارد از ضريب 8/0 استفاده شد که بدين ترتيب مقاومت فشاري بتن مصرفي در تمامي تيرهاي ساخته شده در اين تحقيق برابر با 770 کيلوگرم بر سانتيمتر مربع در نظر گرفته مي شود . ميلگردهاي آجدار مصرفي ساخت کارخانه ذوب آهن اصفهان و داراي تنش تسليمي برابر با 4200 کيلوگرم بر سانتيمتر مربع مي باشند . FRP مورد استفاده در اين تحقيق از نوع کربن با جرم حجمي 78/1 گرم بر سانتيمتر مکعب بوده و ضخامت هر لايه آن برابر با 045/0 ميليمتر مي باشد .رفتار اين ماده تا لحظه شکست به صورت خطي بوده که کارخانه سازنده تنش کششي حداکثر و مدول الاستيسيته آن را به ترتيب برابر با 38500 و 105×23 کيلوگرم بر سانتيمتر مربع اعلام کرده است . کرنش شکست FRP مصرفي برابر با 7/1 درصد مي باشد .

اسلاید 21: پس از بتن ريزي ، نمونه ها به مدت 28 روز تحت شرايط کاملا مرطوب عمل آوري دشند . دو عدد از تيرها به عنوان نمونه کنترل بدون انجام مقاوم سازي تحت بارگذاري قرار گرفتند . سطح کششي تيرهاي ديگر ابتدا توسط سنگ فرز به ميزان 1 تا 2 ميليمتر ساب زده شده و س=س توسط استون به طور کامل تميز مي گردند . چسب مورد استفاده براي لايه اول (بين سطح بتن و FRP) از نوع EP-TX بوده که چسبي دو جزئي بوده که پس از اختلاط ، توسط کاردک به طور کامل روي سطح بتن ماليده شده و اولين لايه FRP روي آن قرار گرفته و کاملا توسط چسب اشباع مي گردد . براي چسباندن لايه هاي بعدي (بين ورقهاي FRP) از چسبي دو جزئي با نام تجاري EP-IN استفاده مي شود . اين چسب توسط فرچه معمولي روي FRP ماليده شده و سپس لايه بعدي روي آن قرار مي گيرد . خصوصيات چسب هاي مصرفي در اين تحقيق در جدول 2 آورده شده است .

اسلاید 22: پس از کامل شدن عمليات مقاوم سازي نمونه ها حداقل به مدت 7 روز در شرايط آزمايشگاه نگهداري شده و پس از نصب کرنش سنج هاي الکتريکي لازم روي سطح FRP و بتن ، تحت بارگذاري قرار مي گيرند . بارگذاري نمونه ها توسط جک هيدروليکي به صورت مرحله اي با کنترل با افزايش پيدا مي کند . پس از هر افزايش بار ، مشاهدات عيني ، قرائت کرنش سنج ها و خيز سنج ها و همينطور نحوه گسترش ترکها روي سطح تير به همراه عرض عريض ترين ترک هاي خمشي و برشي به طور کامل ثبت مي گردد . در شکل 2 نماي کلي از سيستم بارگذاري و محل نصب ابزار دقيق مصرفي آورده شده است . تيرهاي شاهد AH0 و BH0 (بدون مقاوم سازي) ، داراي شکست نرم بوده و پس از تسليم آرماتورهاي کششي ، کرنش در دورترين تار فشاري بتن از 0035/0 در هر دو نمونه تجاوز نموده و با پکيدن بتن ناحيه فشار ، مقطع تخريب مي شود . در شکل 3 نحوه شکست براي تير AH0 آورده شده است .

اسلاید 23: نمونه هاي مقاوم سازي شده در اين تحقيق همگي به واسطه گسيختگي ورقهاي FRP تخريب شده اند . اين شکست به طور ناگهاني بوده و از نو شکستهاي ترد محسوب مي شود . در شکل 4 ، تيرهاي AH4 و BH4 در حالت نهايي و در شکل 5 گسيختگي FRP از نماي نزديک نشان داده شده است .

اسلاید 24:

اسلاید 25: با افزايش تعداد لايه هاي FRP ، تعداد ترکها افزايش پيدا کرده و فاصله بين ترکها کاهش مي يابد که نتيجه آن کاهش عرض ترک در نمونه هاي مقاوم سازي شده مي باشد . همچنين مي توان به ازدياد ترکهاي خمشي ـ برشي به علت ازايش مقاومت نهايي و ثابت بودن آرماتورهاي برشي به علاوه ايجاد ترکهاي افقي در تراز آرماتورهاي کششي به علت چسبندگي خوب FRP و سطح بتن اشاره کرد . در شکل 6 نقشه گسترش ترک ها براي نمونه هاي سري B آورده شده است . در جدول 3 مقادير بار ، خيز و کرنش آرماتورها ، بتن و FRP براي مقطع وسط دهانه در حالت نهايي آورده شده است

اسلاید 26: براي بررسي سختي و تغيير مکان تيرهاي مقاوم سازي شده نسبت به نمونه هاي کنترل ، منحني بار ـ خيز تيرهاي کنترل و تيرهاي تقويت شده در شکل 7 آورده شده است .

اسلاید 27: همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است ، منحني تيرهاي مقاوم سازي شده ، از ابتدا تا انتهاي مرحله رفتار خطي نمونه ها به خوبي بر روي نمونه کنترل نظير خود منطبق است لذا مي توان نتيجه گرفغت که در حالت بهره برداري ، سختي و تغيير مکان نمونه هاي مقاوم سازي شده (صرفنظر از تعداد لايه FRP) ، با نمونه کنترل کاملا همخواني دارد . اما در ناحيه پلاستيک و تا لحظه شکست ، با افزايش تعداد لايه FRP ، سختي تير افزايش پيدا کرده ولي خيز آن به مقدار زيادي کاهش پيدا مي کند که اين امر بر کاهش سطح زير منحني بار ـ تغيير مکان و در نتيجه کاهش جذب انرژي نمونه هاي مقاوم سازي شده نسبت به نمونه کنترل دلالت دارد . لذا استفاده از اين روش مقاوم سازي (جهت اعضاي تحت خمش) در مناطق زلزله خيز و به طور کلي مواردي که نياز به سطح خاصي از شکل پذيري دارند بايد با محاسبات کافي همراه باشد .

اسلاید 28: مصالح شکل پذير به موادي گفته مي شوند که در حين تحمل بار کرنش هاي زيادي از خود نشان مي دهند . کاربرد چنين بياني براي اعضاء وسازه هاي بتن مسلح ،عبارت از توانائي حمل تغيير شکل هاي غير ارتجاعي (inelastic) قابل توجه قبل از تخريب (Collapse) عضو مي باشد . به عبارت ديگر يک ماده يا سازه ترد با رسيدن به بار حداکثر به طور ناگهاني شکسته مي شود . در شکل 8 رابطه نيرو ـ تغيير شکل که بيانگر رفتار اعضاي ترد و شکل پذير است نشان داده شده است [7].در شکل 8 نيرو ممکن است بار ، لنگر يا تنش باشد ، در حاليکه تغيير شکل مي تواند تغيير طول ، انحناء ، خيز يا چرخش باشد . در اين شکل خيز تسليم مربوط به تسليم ميلگرد در يک مقطع يا مربوط به يک انحراف عمده از منحني بار ـ خيز يک عضو يا سازه است . عبارت است از خيز نهائي که بعد از آن منحني بار ـ خيز داراي شيب منفي شود . خيز نهائي که بعد از آن منحني بار ـ خيز داراي شيب منفي شود . خيز نهائي را مي توان با توجه به شکست موضعي منطقه فشاري در بعضي نقاط عضو با توجه به پايداري و هر شرايط ديگري که منجر به شکست مقطع ، عضو يا سازه مورد نظر مي گردد ، تعيين نمود . با توجه به شکل 8 نسبت شکل پذيري به صورت ، يا شکلي از اين نسبت ها (نسبت چرخش نهائي به چرخش تسليم و يا نسبت انحناء نهائي به انحناء تسليم ) تعريف مي شود . [7] .

اسلاید 29: در جدول 4 مقادير بار و تغيير مکان وسط دهانه تمامي تيرها در حالت تسليم و نهايي آورده شده و با استفاده از آن در جدول 5 مقادير نسبت شکل پذيري جابجايي و انحناء محاسبه و آورده شده است .

اسلاید 30: شکل 9 نشان مي دهد که تا زماني که هنوز تيرها از رفتار الاستيک برخوردارند و بتن ترک نخورده است ، بين نمونه هاي تقويت شده و تيرهاي کنترل اختلاف چنداني مشاهده نمي گردد . تيرهاي کنترل پس از ترک خوردگي تا نقطه تسليم داراي رفتار خطي بوده و پس از تسليم آرماتورهاي کششي ، کرنش تارهاي فشاري بتن به سرعت افزايش پيدا کرده تا به مرحله شکست (پکيدگي بتن) برسند . اما در نمونه هاي تقويت شده ، با افزايش تعداد لايه هاي FRP ، کرنش تار فشاري بتن نيز تمايل بيشتري به رفتار خطي تا لحظه شکست از خود نشان مي دهد که اين مساله به خوبي در شکل هاي 8 و 9 جهت تيرهاي AH4 و BH4 قابل مشاهده است

اسلاید 31: در شکل 9 تغيرات کرنش در فولاد کششي ، سطح FRP و تار فشاري بتن براي مقطع وسط دهانه جهت تيرهاي AH4 و BH4 آورده شده است . علاقمندان مي توانند جهت مطالعه نتايج تمامي نمونه ها به مرجع [9] مراجعه نمايند .در اين تحقيق با بررسي اثر لايه هاي فيبر کربن بر روي مقاومت خمشي تيرهاي بتني تقويت شده با FRP ، نتايج زير حاصل گرديد .

اسلاید 32: استفاده از FRP در مقاوم سازي خمشي تيرهاي بتني حاوي بتن با مقاومت بالا ، روشي بسيار موثر و کار آمد در افزايش مقاومت نهايي تير مي باشد . در نمونه هاي تقويت شده ، با افزايش تعداد لايه هاي FRP ، کرنش تار فشاري بتن ، تمايل بيشتري به رفتار خطي تا لحظه کشست از خود نشان داده و تحت تاثير ترک خوردگي و تسليم آرماتورها قرار نمي گيرد . بعبارت ديگر مي توان از FRP ها جهت کاهش کرنش فشاري بتن استفاده نمود . در صورتي که بتوان از جداشدگي FRP و سطح بتن جلوگيري نمود ، حالت بهينه زماني است که دقيقا در لحظه گسيختگي FRP ، بتن نيز به کرنش فشاري حداکثر خود برسد . در مواردي که کاهش خيز (صرفنظر از شکست ترد) مورد نظر باشد ، استفاده از FRP ها بسيار موثر است . با افزايش مقدار آرماتورهاي کششي ، اثر مقاوم سازي کاهش پيدا مي کند به طوري که با FRP يکسان در تيري با 2 ، 1 درصد آرماتور کششي نزديک 45 درصد افزايش مقاومت ، و براي همان تير با 4 ، 2 درصد آرماتور کششي تنها 12 درصد افزايش مقاومت به دست امده است در حالت بهره برداري ، سختي و تغيير مکان نمونه هاي مقاوم سازي شده (صرفنظر از تعداد لايه FRP) ، با نمونه کنترل کاملا همخواني دارد . اما در ناحيه پلاستيک و تا لحظه شکست ، با افزايش تعداد لايه FRP ، سختي تير افزايش پيدا کرده ولي خيز آن ب مقدار زيادي کاهش پيدا مي کند که اين امر بر کاهش شکل پذيري نمونه هاي مقاوم سازي شده نسبت به نمونه کنترل دلالت دارد .

اسلاید 33: 2 : Toutanji , H., Zhao, L.and Anselm , E., “Verifications of design equations of beams externally strengthened with FRP composites “ , Journal of Composites for Construction , 10 , 3, 2006 , pp 254-264.Oh, B.H., Cho, J.Y. and Park , D.G., “Static and fatigue behavior of reinforced concrete beams strengthened with steel plates for flexture”, Journal of Structural Engineering, 129 , 4 , 2003 , pp 527- 535.Toutanji , H., Zhao , L.and Zhang , Y . , “Flexural behavior of reinforced concrete beames externally strengthened with CFRP sheets bonded with an inorganic matrix”, Journal of Engineering Structures, Vol.28,2006. pp 557-566.Chahrour , A. and Soudki , K., “Flexural response of reinforced concrete beams strengthened with end-anchored partially bonded carbon fiber-reinforced polymer strips”, Journal of Composites for Construction , 9,2,2005, ppl 70-177Alagusundaramoorthy , P., Harik . I.E. and Choo , C.C., “Flexural behavior of R/C beams strengthened with carbon fiber reinforced polymer sheets or fabric “, Journal of Composites for Construction , 7,4, 2003, pp292-301 .Brena, S.F. and Marci , B.M., “Effect of carbon-fiber reinforced polymer laminate configureation on the begavior of strengthened reinforced concrete beams “, Journal of Composites for Construction , 8 ,3, 2004,pp229-240 . مقصودي ، علي اکبر ، شکل پذيري سازه هاي بتن آرمه ويژه مناطق زلزله خيز ، انتشارات دانشگاه شهيد باهنر کرمان ، 1375 . MAGHSOUDI, A A AND AKBARZADEH , H. Flexural ductility of HSC members . Structural Engineering and Mechanics, Vol . 24, No , 2, September 2006 , pp . 195-213 . HASHEMI , S H. Analytical and experimental study of HSC members strengthened with CFRP , thesis to be submitted for the degree of PhD, Civil Eng., Dept. of Kerman University, 2006, Kerman, Iran .