ترمیم و مقاوم سازی ساختمان

ترمیم و مقاوم سازی ساختمان

اسلاید 1: دانشگاه آزاد اسلامی ـ واحد نیشابور عنوان : ترمیم و مقاوم سازی ساختمان استاد ارجمند: جناب آقای مهندس خسروی دانشجو : رامین طاهری نیا زمستان 86

اسلاید 2: مقاوم سازی ساختمان های فلزی موجود با کاهش مقطع بال چکیده :قبل از زلزله نر تریج ، تصویر بر این بود که سازه های دارای قاب خمشی فولادی دارای رفتار مناسبی در هنگام وقوع زلزله می باشند ، اما پس از وقوع زلزله نر تریج بر اثر تحقیقات ، مشخص شد که بیشتر اتصالات بعلت ترک خوردگی جوش بدون داشتن شکل پذیری مناسب دچار شکست صلب شده بود . برای جلوگیری از ترک خوردگی جوش و در نتیجه شکس ترد اتصال ، می توان از دو روش عمده بهره جست . یکی تقویت اتصال ر ناحیه اتصال تیر به ستون می باشد . مشکل عمده این روش ازایش لنگر وارده به ستون است . ر.ش دوم ، تضعیف تیر در ناحیه نزدیک اتصال می باشد . در این روش میزان کاهش مقطع به حدی است که باعث انتقال مفصل پلاستیک از بر ستون به داخل تیر می شود . این بدان علت است که بال پایینی معمولا در دسترس بوده و در داخل دال بتنی قرار ندارد . در این مقاله با استفاده از نرم ازار ANSYS به بررسی این مدلها پرداخته شده است . کلید واژ ه ها : اتصال RBS ، اتصال SMF ، مفصل پلاستیک ، منحنی هیسترسیس ، چشمه اتصال

اسلاید 3: مقدمه : پس از زلزله نر تریج ، خرابیهای بسیاری در سازه های فولادی که دارای قاب خمشی فولادی ویژه بودند رخ داد . این خرابیها نشان دهنده ضعف این سیستم در برابر زلزله بود . در صورتیکه تا پیش از زلزله نر تریج تصور بر آن بود که سازه های دارای قاب خمشی ویژه دارای رفتار بسیار مناسبی در هنگام وقوع زلزله می باشد . اما مشاهده شد که عدم توجه به نحوه تشکیل مفصل پلاستیک باعث تشکیل مفصل پلاستیک در بر ستون گشته و در نتیجه تمرکز تنش زیادی در انتهای تیر و در ناحیه اتصال تیر به ستون ایجاد شده و بالطبع تمرکز کرنش در این ناحیه ایجاد می شود . با توجه به این نکته که جوش متصل کننده بال تیر به بال ستون دارای رفتار ترد و شکننده می باشد و قادر به تحمل کرنشهای بالا نمی باشد ، در نتیجه این جوشها بر اثر نیروی زلزله اعمال شده دارای شکستگی شده و بعث جدا شدن تیر از ستون می شود . در نتیجه به علل ذکر شده در بالا قابهای خمشی ویژه (که با روابطی که در آیین نامه های قبل از زلزله نر ریج بیان شده بود طراحی شده بود) رفتار خوبی از خود نشان نداد . حتی اسختمان هایی که برای استفاده بی وقفه و با کیفیت مناسب طراحی شده بودند نیز نتوانستند در برابر زلزله مقاومت کنند و آسیب دیدند . با توجه به استفاده فراوان از قابهای خمشی فولادی در طراحی های لرزه ای سازه ها ، و با توجه به این نکته که این سازه ها بر اساس ضوابط و آیین نامه هایی طراحی شده است که ضوابط مربوط به نحوه تشکیل مفصل پلاستیک و نحوه گسترش آن را مورد بررسی قرار نداده اند ، در نتیجه پس از زلزله نر تریج تحقیقات به سمت افزایش شکل پذیری اتصالات صلب پیش رفت و به طور کلی اتصالات پس از زلزله نر تریج (Post-Northridge) شکل گرفت . در این اتصالات هدف به طور عمده انتقال مفصل پلاستیک به داخل یر و به یک فاصله معین از بر ستون می باشد . بگونه ای که با دور ساختن مفصل

اسلاید 4: پلاستیک از بر ستون ، باعث کاهش تمرکز کرنش بوجود آمده در ناحیه جوش می شوند و در نتیجه باعث کاهش در میزان ترک خوردگی جوش و بالطبع کاهش شکست ترد در اتصال می شوند . روش های متعددی برای انتقال مفصل پیشنهاد گردید . در حالت کلی این روشها به دو دسته عمده تقسیم می شود : یکسری از اتصالات (Post-Northridge) بگونه ای طراحی شده اند که با افزودن اجزایی به اتصال باعث افزایش مقاومت تیر در ناحیه اتصال شده و در نتیجه باعث کاهش تنش در اتصال می شود . و در نتیجه باعث انتقال مفصل پلاستیک بداخل تیر می شود . همچنین با مقاومتر کردن اتصال از چرخش اجزای اتصال نسبت به هم (تیر نسبت به ستون) جلوگیری می کنند که در نتیجه تنش کمتری در ناحیه جوش ایجاد می شود . استفاده از ماهیچه (Haunch) و با پشت بند (Rib) و ... از این دسته اند . در روش دوم با کاهش مقاومت تیر در بخشهای مشخص از تیر ، باعث تضعیف تیر در یک ناحیه مشخص و از پیش تعیین شده گشته که در نتیجه مفصل پلاستیک در این ناحیه تشکیل می شود . و از بر ستون به داخل تیر منتقل می شود . انواع اتصالات RBS از این دسته اند . برای مقاوم سازی از هر دو روش می توان بهره جست . هر کدام از این دو روش دارای مزایا و معایبی هستند که قبل از انتخاب دیتیل برای بهسازی لرزه ای اتصال باید به طور کامل به بررسی آنها پرداخت . در اینجا به بررسی یکی از دیتیلهای مقاومسازی اتصال در قاب خمشی ویژه فولادی پرداخته می شود . همانگونه که قبلا ذکر گردید برش بال تیر یکی از روش های مقاوم سازی اتصالات می باشد . برش بال تیر در ناحیه نزدیک ستون و در یک فاصله مشخص و با دیتیل مشخصی صورت می پذیرد .

اسلاید 5: این نوع اتصال در دنیا با نام RBS و یا Dogbone و در ایران به نام اتصال استخوانی شناخته می شود . ازمایشات متعددی بر روی این اتصال صورت پذیرفته و روابط برش و دیتیل آن در FEMA موجود می باشد . [5]. اتصال RBS دارای انواع مختلفی می باشد . این اتصال دارای سه نوع دیتیل متداول می باشد . در اینجا به بررسی اتصال RBS دارای برش شعاعی پرداخته شده است . 2. روند طراحی اتصال RBS : برای طراحی اتصال RBS با برش شعاعی از روابط پیشنهادی FEMA استفاده می شود.بگونه ای که a.,b,c,R بترتیب برابر با شعاع برش و میزان برش حداکثر و طول برش و فاصله ابتدای ناحیه بریده شده تا بر ستون می باشد . همچنین bf و d به ترتیب برابر با عرض بال تیر و ارتفاع مقطع تیر می باشد . [5] . نکته قابل توجه اینکه بعلت عدم دسترسی به بال پایینی تیر که معمولا در دال بتنی مدفون می باشد و تخریب دال و برش بال بالایی بسیار پر هزینه می باشد ، در نتیجه معمولا برای بهسازی اتصالات قاب خمشی موجود ، از اتصال RBS در بال پایینی استفاده می شود . مشخصات برش در این حالت همانند زمانی است که هر دو بال دارای بریدگی هستند . بر اساس تمهیدات FEMA ، حداکثر میزان کاهش مقطع برابر با 50% می باشد که در اینجا نیز حداکثر کاهش به همین میزان محدود می شود . برشهای بیشتر از این مقدار می تواند مشکلات دیده ای را برای پایداری تیر فراهم سازد . (کمان جان تیر، کمانش جانبی ـ پیچشی بال تیر و ...) [6و3].در مدل های استفاده شده در این مقاله از میزان برش 50% استفاده شده است . یعنی میزان C=0.25bf مورد استفاده قرار گرفته است . مقادیر برش و ابعاد a,b,c,R در جدول (1)موجود می باشد .

اسلاید 6: 3- آزمایشات صورت پذیرفته :یکی از ازمایشاتی که به منظور بهسازی لرزه ای اتصالات صلب فولادی با استفاده از کاهش مقطع بال صورت پذیرفته ، توسط Scott A. Cibjan & Engelhardt می باشد . [8] در این آزمایشات از زیر سازه صلیبی شکل (شکل 1ـ ب) استفاده شده است . تیر در این مدل از نوع فولاد A36 می باشد و دارای مقطع W30x99 می باشد . ستون دارای مقطع W12x279 بوده و با فولاد A572 Grade 50 می باشد . انتخاب مقطع و طول دهانه ها به گونه ای بود که زیر سازه انتخاب شده بتواند شرایط تیر و ستون ها متداول مصرفی در ساختمان (نوع مقطع ، نوع فولاد مصرفی ، طول دهانه تیر و طول ستون) را مدل نماید . همچنین قانون تیر ضعیف ـ ستون قوی نیز رعایت شده است . ابتدا اتصال به صورت اتصاات قبل از زلزله نر تریج طراحی و ساخته شد و سپس بهسازی اتصال بر روی اتصال موجود صورت پذیرفت . عملیات جوشکاری در این نمونه ها توسط الکترود E70T-4 (47/7 Ksi) می باشد و مقاومت جاری شدگی دینامیکی آن برابر با (50 Ksi) 345 MPa می باشد و حد نهایی مقاومت دینامیکی برابر با (65/5 Ksi)

اسلاید 7: 452MPa می باشد . دو مدل از آزمایشات صورت گرفته دارای اتصال RBS و با کاهش مقطع 50% در بال پایینی می باشد . (DB1,DB2) . در مدل DB1 ، جوش متصل کننده بال تیر به جان ستون تعویض نشده و دارای شرایط اتصال قبل از زلزله نر تریج می باشد و تنها تسمه پشت بند برداشته می شود . در مدل DB2 جوشهای متصل کننده بال تیر به ستون که با الکترود E70-T-4 صورت رگفته بود ، کاملا برداشته شده و عملیات جوشکاری توسط الکترود E70T-8 صورت می پذیرد . همچنین در بال پایینی تسمه پشت بند برداشته می شود . اما در بال بالایی این تسمه برداشته نشده و توسط جوش نواری به ستون جوش داده می شود . تفاوت دیگری که دو مدل DB1 و DB2 دارند ، وجود دال بتنی به عرض 2440mm بر روی مدل DB2 می باشد که به علت بررسی اثر دال بتنی بر روی روند مقاومسازی می باشد . تعداد و نحوه گسترش برشگیرها نیز همانند ساختمان های متعارف موجود می باشد . منحنی های هیسرسیس و شکل مدلها پس از آزمایش در شکل (2و3) مشخص است.

اسلاید 8: بر اساس نتایج به دست آمده برای نمونه DB1 مشخص شد که ایجاد اتصال RBS در مدل DB1 دارای تاثیر زیادی در افزایش شکل پذیری اصتال نمی باشد . در صورتیکه در نمونه DB2 شکل پذیری به میزان قابل توجهی افزایش می یابد . این تغییر در رفتار دو مدل می تواند به دو علت باشد . اولا : در مدل DB1 بعلت استفاده از الکترود E70T-4 که دارای فلز جوش با سختی و چقرمگی کم (Low Toughness weld metal) می باشد ، جوش در مراحل اولیه بارگذاری گسیخته می شود . در صورتیکه مدل DB2 که در آن تیر توسط جوش با الکترود E71T-8 که دارای فلز جوش با سختی و چقرمگی زیاد (High Toughness wld metal) می باشد صورت پذیرفته است . ثانیا : در مدل DB2 بعلت وجود دال بتنی و تاثیر آن در مقاومت اتصال ، میزان چرخش به دست آمده بسیار بیشتر از نمونه DB1 می باشد . همچنین افزودن دال بتنی ابعث کاهش میزان کرنش در بال بالایی تیر می شود که نشاندهنده اثر مثبت دال بر روی رفتار لرزه ای اتصال می باشد . همچنین در این تحقیق مشخص شد که دال بتنی تاثیر مهمی بر روی رفتار کلی بال پایینی تیر ندارد .

اسلاید 9: مدلسازی اتصال : با توجه به اینکه مقاطع مورد آزمایش در SAC و FEMA و سایر منابع موجود همگی مقاطع با ارتفاع زیاد برای تیر می باشند و در ایران از این مقاطع استفاده نمی شود ، بررسی تاثیر روش مقاومسازی مطرح شده در بالا بر روی پروفیلهای متداول در ایران ضروری به نظر می رسد . در نتیجه در اینجا به بررسی تاثیر ایجاد اتصال RBS در بال پایینی بر روی رفتار لرزه ای اتصال توسط نرم افزار ANSYS پرداخته شده است . برای مقطع تیر از پروفیل IPE330 و برای مقطع ستون از پروفیل IPB260 استفاده شده است . همچنین طراحی به گونه ای صورت گرفته که چشمه اتصال در حالت بالانس باشد و در نتیجه از دو ورق مضاعف به ضخامت 1cm استفاده شده است . (ظرفیت چشمه اتصال متناسب با ظرفیت پلاستیک تیر باشد) . همچنین از ورق پیوستگی نیز در مدلسازی استفاده شده است . دو مدل ، یکی دارای اتصال SMF می باشد و دیگری توسط برش در بال پایینی مقاومسازی شده است . هر دو مدل توسط اتصال مستقیم بال و دیگری توسط برش در بال پایینی مقاومسازی شده است . هر دو مدل توسطا تصال مستقیم بال تیر به ستون طراحی شده و مدل شده اند . همچنین در مدل سازی ورقهای منتقل کننده برش از جان تیر به ستون نیز مد نظر قرار گرفته است و طراحی شده است . [2].

اسلاید 10: برای مدلسازی از المان صفحه ای SHELL43 استفاده شد که دارای چهار گره می باشد و هر گره دارای شش درجه آزادی می باشد (سه درجه آزادی انتقالی و سه درجه آزادی دورانی) و دارای خواص غیر خطی و تغییر شکل بزرگ می باشد . با توجه به این نکته که در این زیر سازه تمرکز تنش و کرنش در ناحیه اتصال و چشمه اتصال می باشد از مش بندی ریز تری در این نواحی استفاده شد . سپس مدلها تحت بارگذاری سیکلیک قرار گرفتند . نمودار بارگذاری در شکل (4ـ الف) مشاهده می شود . نحوه بارگذاری به گونه ای است که تغییر مکان به بالای زیر سازه صلیبی شکل وارد می شود . (شکل 4 ـ ب) برای مدل کردن جوشهای گوشه که متصل کننده ورق برشی به جان تیر می باشد از المان SHELL43 استفاده شده است بگونه ای که ضخامت ورق متصل کننده به اندازه ضخامت گلوی جوش می باشد که دارای تقریب قابل قبول می باشد . نحوه مدلسازی و مش بندی انجام شده در شکل (5) مشخص است

اسلاید 11: 5 –نتایج بدست آمده از تحلیل : همانگونه که در شکل (6) مشخص است ، منحنی لنگر ـ زاویه تغییر مکان جانبی داخلی (inter story drift angle) برای دو نمونه بدست آمده است . با توجه به این نمودار مشخص می شود که حداکثر لنگر وارده از طرف تیر در بر ستون در دو نمونه متفاوت می باشد . به گونه ای که برای اتصالم عمولی این میزان برابر با 21/15t.m می باشد . در صورتیکه این مقدار برای اتصال دارای برش در بال پایین برابر با 19/54t.m می باشد . با توجه به اینکه نکته که ظرفیت پلاستیک تیر برابر با 19/3t.m می باشد ، نسبت حداکثر لنگر وارده به ظرفیت مقطع برای اتصال smf و RBS بترتیب برابر با 1/1 و 01/1 می بشد .بعبارت دیگر افزودن اتصال RBS در بال پایینی باعث کاهش لنگر وارده به اتصال و در نتیجه کاهش نیروی برشی وارده به چشم هاتصال می شود . به گونه ای که نسبت لنگرها 92/0 می باشد . یعنی 08/0 کاهش در میزان لنگر وارده از ظرف تیر به ستون رخ داده است . همنین حداکثر تنش برشی در مدل مقاومسازی شده نسبت به مدل smf در چشمه اتصال و جان تیر به ترتیب 04/0 و 13/0 کاهش یافته است . (شکل شماره 8). همانگونه که در شکل (7) مشخص است . حداکثر تنش بدست آمده در مدل معمولی در تیر و در بر ستون می باشد . در صورتیکه این میزان برای تیر مقاومسازی شده در فاصله مشخص و از پیش تعیین شده می باشد و تاثیر برش بالا تیر بر روی نحوه گسترش مفصل پلاستیک بخوبی مشهود است

اسلاید 12:

اسلاید 13: بحث و نتیجه گیری : با توجه به تجربیات زلزله های گذشته مقاومسازی اتصالات در قابهای خمشی که بدون توجه به نحوه تشکیل و گسترش مفصل پلاستیک طراحی و اجرا شده اند ضروری می باشد . اصولا مقاومسازی اتصالات معمولا با هدف انتقال مفصل پلاستیک به داخل تیر و به دو صورت امکان پذیر است . یکی افزودن اجزایی به اتصال تحت دیتیل خاص ، به گونه ای که باعث انتقال مفصل پلاستیک به یک ناحیه از پیش تعیین شده می شود . و دیگری بریدن بخشی از بال تیر که باعث کاهش ظرفیت تیر در آن ناحیه و هدایت مفصل پلاستیک به آن ناحیه می شود . با توجه به آزمایشات صورت پذیرفته در مقیاس واقعی مشخص شد که نحوه اتصال بال تیر به بال ستون و فلز جوش مورد استفاده می تواند دارای تاثیر بسیار زیادی در رفتار اتصال باشد و در صورتیکه طاقت فلز جوش تحت بارگذاری کم باشد (الکترود E70T-4) برش بال پایینی تیر و ایجاد اتصال RBS به تنهای نمی تواند باعث بهبود رفتار لرزه ای اتصال شود . درصورتیکه جوش مورد استفاده از نوع پر مقاومت (الکترود E71T-8) باشد ، آنگاه ایجاد برش در بال پایینی تیر می تواند باعث افزایش کارایی اتصال شود . همچنین مشخص شد که دال بتنی دارای تاثیر مثبتی دررفتار لرزه ای اتصال می باشد و باعث کاهش میزان کرنش در بال بالایی تیر می شود . و دال هیچگونه تاثیری بر روی روند گسترش مفصل پلاستیک و میزان کرنش در بال پایینی تیر ندارد . باتوجه به آنالیزهای صورت گرفته مشخص شد که این روند در پروفیلهای متداول در ایران نیز صادق می باشد و نحوه گسترش مفصل پلاستیک در مدلهای دارای اتصال RBS در بال پایین بسیار متفاوت با الت اتصال SMF می باشد . در اتصال مقاومسازی شده توسط برش بال تحتانی ، مفصل پلاستیک بخوبی بداخل تیر منتقل شده است و در نتیجه کرنش در جوش متصل کننده بال تیر به ستون کاهش یافته و خطر شکست ترد کمتر می شود . در اتصالات مقاومسازی نشده لنگر بیشتری به ناحیه اتصال و چشمه اتصال وارد می گردد . البته شایان ذکر است در مدلهای آنالیز شده طراحی اولیه با فرض رعایت وارد می گردد . البته شایان ذکر است در مدلهای آنالیز شده طراحی اولیه با فرض رعایت کامل ضوابط مربوط به تیر ضعیف ـ ستون قوی می باشد . همچنین مقاومت چشمه اتصال وارد می گردد . البته شایان ذکر است در مدلهای آنالیز شده طراحی اولیه با فرض رعایت کامل ضوابط مربوط به تیر ضعیف ـ ستون قوی می باشد . همچنین مقاومت چشمه اتصال در حالت تعادل با ظرفیت خمشی تیر می باشد . بدیهی است در صورت تغییر در مقاومت چشمه اتصال میزان چرخش پلاستیک تیر و همچنین شکل پذیری سیستم ئ تاثیر ایجاد اتصال RBS در رفتار لرزه ای اتصال تغییر می نماید .

اسلاید 14: مراجع : [1] آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله ، استاندارد2800 ـ ویرایش سوم . [2] مقررات ملی ساختمان ، مبحث دهم : طرح و اجرای ساختمان های فولادی . 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 سازی خمشی تیرهای بتنمسلح مقاومت بالا توسط ورقهای ورق های FRP

اسلاید 16: ورق های FRP به سبب نسبت مقاومت به وزن بالا ، مقاومت در برابر خوردگی و مواد شیمیایی ، مقاومت در برابر خستگی ناشی از بارگذاریو همچنین نصب سریع در چند سال اخیر جهت امر بهسازی و ترمیم سازه ها خصوصا سازه های بتنی به دشت مورد توجه قرار گرفته اند . لایه های FRP با وزنی معادل 20% وزن فولاد غالبا 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 نسبتا 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 ، میت وان توجیه ماسب اقتصادی برای استفاده از آنها ارائه نمود . با توجه به نو پا بودن این تکنیک تقویت ، از اواسط دهه نود فعالیت های گسترده ای بر روی بررسی رفتار این پلیمرها در مقاوم سازی خمشی تیرهای بتنی به وسیله چسباندن این الیاف به ناحیه تحت کشش مقطع انجام شده است که همگی آنها بر بهبود رفتار مکانیکی افزایش مقاومت خمشی تیرهای تاکید دارند . [5ـ1].

اسلاید 17: 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 تامین مقاومت کافی برای عضو خود به خود تحقق نمی یاید . در یک عضو که به روش مقاومت نهایی طرح شده است ممکن است تغییر مکان های ایجاد شده تحت بارهای بهره برداری بیش از اندازه بزرگ باشد به طوری که سبب آسیب رساندن به قسمت های غیر سازه ای شود و یا از سوی دیگر ، 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 کششی 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 ، دارای آرماتور کششی برابر با و ساخته شده و تحت آزمایش خمش چهار نقطه ای قرار گرفته و عملکرد آنها مورد بررسی قرار گرفته است . از شش نمونه ذکر شده دو نمونه بدون FRP به عنوان نمونه شاهد و چهار نمونه دیگر با یک و چهار لایه FRP مقاوم سازی شده اند . 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 به نتایج آزمایشات گذشته [6] ،

اسلاید 18: جهت افزایش اثر مقاوم سازی و تاخیر در جداشدگی FRP از سطح بتن ، طول FRP مصرفی برابر با 260 سانتیمتر در نظر گرفته شده است که تقریبا 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 های سری 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 به صورت خمشی اتفاق بیفتد . برای بارگذاری از دو بار متمرکز متقارن که به فاصله 90 سانتیمتر از یکدیگر قرار گرفت اند استفاده شده است . به این ترتیب ، مقدار دهانه برش برابر با 90 سانتیمتر و نسبت طول دهانه برشی به عمق موثر برابر با ¼ می شود که این مقدار ، تیرهایم ورد نظر را در رده تیرهای معمولی قرار می دهد . در شکل 1 ، ابعاد تیرهای مورد آزمایش به همراه محل نصب کرنش سنج ها و همینطور محل قرار گیری خز سنج ها آورده شده است .

اسلاید 19: کرنش سنجهای الکتریکی بر روی آرماتور کششی ، 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 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 افزایش باری قرائت و ثبت می وشند . 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 جداول 1 مشخصات تیرهای ساخته شده در این تحقیق آورده شده است .

اسلاید 20: برای هر تیر تعداد 3 عدد نمونه مکعبی 10×10×10 سانتیمتر در هنگام بتن ریزی نمونه ها ساخته شده و در شرایط مشابه به تیرهای به 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 با 4200 کیلوگرم 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 .

اسلاید 21: پس از بتن ریزی ، نمونه ها به مدت 28 روز تحت شرایط کاملا مرطوب عمل آوری دشند . 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 س=س توسط استون به طور کامل تمیز می گردند . چسب مورد استفاده برای لایه اول (بین سطح بتن و FRP) از نوع EP-TX بوده 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 کاملا 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 بعدی روی آن قرار می گیرد . خصوصیات چسب های مصرفی در این تحقیق در جدول 2 آورده شده است .

اسلاید 22: پس از کامل شدن عملیات مقاوم سازی نمونه ها حداقل به مدت 7 روز در شرایط آزمایشگاه نگهداری شده و پس از نصب کرنش سنج های الکتریکی لازم روی سطح FRP و بتن ، تحت بارگذاری قرار می گیرند . بارگذاری نمونه ها توسط جک هیدرولیکی به صورت مرحله ای با کنترل با افزایش پیدا می کند . 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 عریض ترین ترک های خمشی و برشی به طور کامل ثبت می گردد . در شکل 2 نمای کلی از سیستم بارگذاری و محل نصب ابزار دقیق مصرفی آورده شده است . تیرهای شاهد AH0 و BH0 (بدون مقاوم سازی) ، دارای شکست نرم بوده و پس از تسلیم آرماتورهای کششی ، کرنش در دورترین تار فشاری بتن از 0035/0 در هر دو نمونه تجاوز نموده و با پکیدن بتن ناحیه فشار ، مقطع تخریب می شود . در شکل 3 نحوه شکست برای تیر AH0 آورده شده است .

اسلاید 23: نمونه های مقاوم سازی شده در این تحقیق همگی به واسطه گسیختگی ورقهای FRP تخریب شده اند . این شکست به طور ناگهانی بوده و از نو شکستهای ترد محسوب می شود . در شکل 4 ، تیرهای AH4 و BH4 در حالت نهایی و در شکل 5 گسیختگی FRP از نمای نزدیک نشان داده شده است .

اسلاید 24:

اسلاید 25: با افزایش تعداد لایه های FRP ، تعداد ترکها افزایش پیدا کرده و فاصله بین ترکها کاهش می یابد که نتیجه آن کاهش عرض ترک در نمونه های مقاوم سازی شده می باشد . همچنین می توان به ازدیاد ترکهای خمشی ـ برشی به علت ازایش مقاومت نهایی و ثابت بودن آرماتورهای برشی به علاوه ایجاد ترکهای افقی در تراز آرماتورهای کششی به علت چسبندگی خوب FRP و سطح بتن اشاره کرد . در شکل 6 نقشه گسترش ترک ها برای نمونه های سری B آورده شده است . در جدول 3 مقادیر بار ، خیز و کرنش آرماتورها ، بتن و FRP برای مقطع وسط دهانه در حالت نهایی آورده شده است

اسلاید 26: برای بررسی سختی و تغییر مکان تیرهای مقاوم سازی شده نسبت به نمونه های کنترل ، منحنی بار ـ خیز تیرهای کنترل و تیرهای تقویت شده در شکل 7 آورده شده است .

اسلاید 27: همانطور که در شکل 7 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 گرفغت که در حالت بهره برداری ، سختی و تغییر مکان نمونه های مقاوم سازی شده (صرفنظر از تعداد لایه FRP) ، با نمونه کنترل کاملا 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 سطح زیر منحنی بار ـ تغییر مکان و در نتیجه کاهش جذب انرژی نمونه های مقاوم سازی شده نسبت به نمونه کنترل دلالت دارد . لذا استفاده از این روش مقاوم سازی (جهت اعضای تحت خمش) در مناطق زلزله خیز و به طور کلی مواردی که نیاز به سطح خاصی از شکل پذیری دارند باید با محاسبات کافی همراه باشد .

اسلاید 28: مصالح شکل پذیر به موادی گفته می شوند که در حین تحمل بار کرنش های زیادی از خود نشان می دهند . کاربرد چنین بیانی برای اعضاء وسازه های بتن مسلح ،عبارت از توانائی حمل تغییر شکل های غیر ارتجاعی (inelastic) قابل توجه قبل از تخریب (Collapse) عضو می باشد . به عبارت دیگر یک ماده یا سازه ترد با رسیدن به بار حداکثر به طور ناگهانی شکسته می شود . در شکل 8 رابطه نیرو ـ تغییر شکل که بیانگر رفتار اعضای ترد و شکل پذیر است نشان داده شده است [7].در شکل 8 نیرو ممکن است بار ، لنگر یا تنش باشد ، در حالیکه تغییر شکل می تواند تغییر طول ، انحناء ، خیز یا چرخش باشد . در این شکل خیز تسلیم مربوط به تسلیم میلگرد در یک مقطع یا مربوط به یک انحراف عمده از منحنی بار ـ خیز یک عضو یا سازه است . عبارت است از خیز نهائی که بعد از آن منحنی بار ـ خیز دارای شیب منفی شود . خیز نهائی که بعد از آن منحنی بار ـ خیز دارای شیب منفی شود . خیز نهائی را می توان با توجه به شکست موضعی منطقه فشاری در بعضی نقاط عضو با توجه به پایداری و هر شرایط دیگری که منجر به شکست مقطع ، عضو یا سازه مورد نظر می گردد ، تعیین نمود . با توجه به شکل 8 نسبت شکل پذیری به صورت ، یا شکلی از این نسبت ها (نسبت چرخش نهائی به چرخش تسلیم و یا نسبت انحناء نهائی به انحناء تسلیم ) تعریف می شود . [7] .

اسلاید 29: در جدول 4 مقادیر بار و تغییر مکان وسط دهانه تمامی تیرها در حالت تسلیم و نهایی آورده شده و با استفاده از آن در جدول 5 مقادیر نسبت شکل پذیری جابجایی و انحناء محاسبه و آورده شده است .

اسلاید 30: شکل 9 نشان می دهد که تا زمانی که هنوز تیرها از رفتار الاستیک برخوردارند و بتن ترک نخورده است ، بین نمونه های تقویت شده و تیرهای کنترل اختلاف چندانی مشاهده نمی گردد . تیرهای کنترل پس از ترک خوردگی تا نقطه تسلیم دارای رفتار خطی بوده و پس از تسلیم آرماتورهای کششی ، کرنش تارهای فشاری بتن به سرعت افزایش پیدا کرده تا به مرحله شکست (پکیدگی بتن) برسند . اما در نمونه های تقویت شده ، با افزایش تعداد لایه های FRP ، کرنش تار فشاری بتن نیز تمایل بیشتری به رفتار خطی تا لحظه شکست از خود نشان می دهد که این مساله به خوبی در شکل های 8 و 9 جهت تیرهای AH4 و BH4 قابل مشاهده است

اسلاید 31: در شکل 9 تغیرات کرنش در فولاد کششی ، سطح FRP و تار فشاری بتن برای مقطع وسط دهانه جهت تیرهای AH4 و BH4 آورده شده است . علاقمندان می توانند جهت مطالعه نتایج تمامی نمونه ها به مرجع [9] مراجعه نمایند .در این تحقیق با بررسی اثر لایه های فیبر کربن بر روی مقاومت خمشی تیرهای بتنی تقویت شده با FRP ، نتایج زیر حاصل گردید .

اسلاید 32: استفاده از FRP در مقاوم سازی خمشی تیرهای بتنی حاوی بتن با مقاومت بالا ، روشی بسیار موثر و کار آمد در افزایش مقاومت نهایی تیر می باشد . در نمونه های تقویت شده ، با افزایش تعداد لایه های FRP ، کرنش تار فشاری بتن ، تمایل بیشتری به رفتار خطی تا لحظه کشست از خود نشان داده و تحت تاثیر ترک خوردگی و تسلیم آرماتورها قرار نمی گیرد . بعبارت دیگر می توان از FRP ها جهت کاهش کرنش فشاری بتن استفاده نمود . در صورتی که بتوان از جداشدگی FRP و سطح بتن جلوگیری نمود ، حالت بهینه زمانی است که دقیقا در لحظه گسیختگی FRP ، بتن نیز به کرنش فشاری حداکثر خود برسد . در مواردی که کاهش خیز (صرفنظر از شکست ترد) مورد نظر باشد ، استفاده از FRP ها بسیار موثر است . با افزایش مقدار آرماتورهای کششی ، اثر مقاوم سازی کاهش پیدا می کند به طوری که با FRP یکسان در تیری با 2 ، 1 درصد آرماتور کششی نزدیک 45 درصد افزایش مقاومت ، و برای همان تیر با 4 ، 2 درصد آرماتور کششی تنها 12 درصد افزایش مقاومت به دست امده است در حالت بهره برداری ، سختی و تغییر مکان نمونه های مقاوم سازی شده (صرفنظر از تعداد لایه FRP) ، با نمونه کنترل کاملا همخوانی دارد . اما در ناحیه پلاستیک و تا لحظه شکست ، با افزایش تعداد لایه FRP ، سختی تیر افزایش پیدا کرده ولی خیز آن ب مقدار زیادی کاهش پیدا می کند که این امر بر کاهش شکل پذیری نمونه های مقاوم سازی 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 . مقصودی ، علی اکبر ، شکل پذیری سازه های بتن آرمه ویژه مناطق زلزله خیز ، انتشارات دانشگاه شهید 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 .