16 خرداد 1399

عملکرد تیرهای بتنی مسلح در لایه برشی با لمینتهای NSM CFRP تقویت شده

چکیده ی تقویت برشی با FRP با روش های مختلف:

کارایی روش نصب نزدیک به سطح ‏NSM)‏) با ورقه‌هایCFRP (پلیمر مسلح شده با الیاف کربن) ‏برای مقاوم‌سازی برشی تیرهای بتن مسلح شده (RC) با سطح مقطع T ‏توسط تحقیقات تجربی مورد ارزیابی قرار گرفت. سه گرایش لمینت ها مورد آزمایش قرار گرفت (‏۴۵، ۶۰ و ۹۰) ‏و برای هر یک، سه درصد CFRP انتخاب شد. تیرهای بتن مسلح تقویت شده با ورقه‌های NSM دارای درصد خاموت فولادی 0.10 % بودند. بالاترین درصد لمینت ها برای ارایه حداکثر بار مشابه با یک تیر RC مرجع با نسبت تقویت فولادی 0.28% طراحی شد. نتایج نشان داد که: لمینت هایی که به شکل مایل قرار گرفته اند، موثرتر از لمینت های عمودی هستند. با افزایش درصد لمینت ها، ظرفیت برشی تیرها افزایش می‌یابد. سهم لمینت ها در مقاومت برشی تیر با مقاومت کششی بتن محدود می‌شود. نحوه شکست نمونه‌ها تحت‌تاثیر درصد لمینیت ها قرار گرفت. با هدف مقایسه کارایی دو تکنیک مقاوم‌سازی برای هر درصد از لمینت ها، یک تیر RC مشابه را با استفاده از نوارهای دارای فاصله از هم FRP و به روشwet lay-up در سه وجه تیر (U-shaped CFRP) تقویت می کنیم، که مطابق با روش تقویت از سطح بیرونی (EBR) ‏به کار می‌رود. روش NSM نه تنها از نظر افزایش مقاومت برشی تیر، بلکه از نظر اطمینان از استفاده بهتر از مقاومت کششی مواد CFRP نیز موثرتر بود. به جز تیرها‌ی با بالاترین درصد CFRP ، روش NSM از نظر ظرفیت تغییر شکل در شکست تیر موثرتر از روش EBR بود. فرمول‌های تحلیلی ACI و fib سهم بیشتری از سیستم‌های تقویت برشی EBR را نسبت به مقادیر ثبت‌شده به صورت تجربی پیش‌بینی کرده‌اند. فرمولاسیون ارایه‌شده توسط نانی و همکاران برای تکنیک NSM سهم CFRP حدود ۶۱ % از مقادیر ثبت‌شده تجربی را پیش‌بینی می کنند.

مقدمه ای از مقاله ی موجود

پلیمر تقویت‌شده با الیاف کربن (‏CFRP)‏یک روش مقاوم‌سازی نسبتا جدید با پتانسیل بالا برای افزایش مقاومت برشی تیرهای بتن مسلح (‏RC) ‏است که خطر از بین رفتن در حالت شکست برشی ترد را دارد. این روش براساس وارد کردن میلگردهای CFRP به شکاف‌های باز شده روی پوشش بتنی سطوح جانبی تیر می‌باشد. برای مقاوم‌سازی برشی تیرهای RC از سطح مقطع CFRP استفاده شده‌است. به دلیل بزرگی ناحیه اتصال و محصورسازی بالاتر ارایه‌شده توسط بتن محاط شده، ورقه‌های CFRP سطح مقطع مستطیلی، که در شکاف‌های نازک نصب شده‌اند و توسط چسب اپوکسی به بتن متصل شده‌اند، موثرترین عناصر مقاوم‌سازی CFRP برای تکنیک NSM هستند. NSM به هیچ وجه به آماده‌سازی سطح نیاز ندارد و پس از برش شکاف نازک، به حداقل زمان نصب نیاز دارد. مزیت دیگر مرتبط با NSM توانایی آن برای کاهش قابل‌توجه احتمال آسیب ناشی از اقدامات خرابکارانه، صدمات مکانیکی و اثرات فرسودگی است. هنگامی که NSM استفاده می‌شود، ظاهر یک عنصر ساختاری عملا توسط مداخله مقاوم‌سازی تحت‌تاثیر قرار نمی‌گیرد. تحقیقات تجربی نشان داده‌است که روش مقاوم‌سازی NSM، اثربخشی مقاوم‌سازی بالاتری نسبت به روش ‏EBR‏ فراهم می‌کند. این حقیقت از مقادیر بزرگ‌تر تنش پیوند با بتن که می‌تواند در روش NSM ایجاد شود، حاصل شده است (‏هر دو وجه CFRP به بتن متصل شده است). کارایی تکنیک NSM با ورقه‌های CFRP برای مقاوم‌سازی برشی تیرهای بتن مسلح دارای مقطعی مستطیلی قبلا به خوبی اثبات شده‌است. با این حال، اثربخشی روش EBR و NSM برای مقاوم‌سازی برشی تیرهای RC مقاطع T شکل با درصد معینی از خاموت های فولادی موجود در تیز هنوز به خوبی بررسی نشده است. کار حاضر به مقایسه تجربی اثربخشی مقاوم‌سازی برشی ارایه‌شده توسط این دو تکنیک از تقویت با CFRP و همچنین ارزیابی تاثیر درصد و شیب قرارگیری لمینت ها بر حسب عملکرد مقاوم‌سازی برشی NSM اختصاص دارد. توصیف دقیق تحقیقات تجربی انجام‌شده و بحث در مورد نتایج بدست‌آمده در مقاله حاضر انجام شده‌است. عملکرد فرمول‌های تحلیلی ACI و fib برای پیش‌بینی سهم سیستم‌های مقاوم‌سازی برشی EBR برای مقاومت برشی تیرهای RC مورد ارزیابی قرار گرفت.

مطالعه آزمایشگاهی

گروه آزمونه ها به شرح زیر است: شکل ۱ سطح مقطع T شکل پانزده تیر مشمول در این برنامه آزمایشی را نشان می‌دهد. سیستم‌های مقاوم سازی به طوری طراحی شدند که اطمینان از شکست برشی برای همه تیرهای تست شده حاصل شود. برای محلی کردن شکست برشی تنها در یکی از دهانه‌های برشی تیر، پیکربندی بار سه نقطه‌ای با طول مشخص دهانه‌های برشی تیر، که در شکل 1 نشان‌داده شده‌است، انتخاب شده‌است. در طول تحت نظارت دهانه ی تیر L_i، 5/2 برابر عمق موثر تیر است (‏L_i/d = 2.5)‏، زیرا، طبق تحقیقات موجود، این حداقل مقدار با اثر قوس قابل اغماض است. برای جلوگیری از شکست برشی در دهانه تیر L_r، خاموت های فولادی 6 میلی متر با فاصله ی 75 میلیمتر از هم در این دهانه اعمال شده اند. برنامه آزمایشی از یک تیر بدون هیچ گونه تقویت برشی (‏تیر C - R)‏ تشکیل شده‌است. یک تیر با خاموت های فولادی ۶ میلی متری و دارای فاصله ی ۳۰۰ میلی متر از هم (‏تیر 2S-R با درصد خاموت، 0.10%= _swρ )‏؛ یک تیر دارای خاموت های فولادی ۶ میلی متری و با فاصله ی ۵/۱۱۲ میلی متر از هم (تیری S - R7 ، 0.28%= ρ_sw )؛ و ۱۲ تیر دارای خاموت های فولادی ۶ میلی متری و با فاصله ی ۳۰۰ میلی متر از هم وجود داشتند. این تیرهای آخر شامل چیدمان CFRP با فاصله از هم بر روی طول L_i تیر هستند (‏جدول ۱ را ببینید)‏: ۹ تیر با نوارهای NSM (‏سه درصد متمایز از ورقه‌های CFRP و برای هر درصد CFRP، سه گرایش برای لمینت ها، ۹۰، ۶۰ و ۴۵)‏؛ و سه تیر با نوارهای EBR به شکل U تقویت شده اند. درصد مقاوم‌سازی برشی CFRP،_fw ρ از تساوی زیر قابل محاسبه است :

شکل ۱. تیرهای مورد آزمایش: هندسه، آرماتورهای فولادی اعمال‌شده در تمامی تیرها و پیکربندی مقاوم‌سازی تیرهای تقویت‌شده CFRP (‏ابعاد در میلی متر)‏.

که در آن تیر NSM برابر _f=1.4α میلی متر و b_f= 9.5 میلی متر برای بخش های متفاوت لمینت هستند همچنین در تساوی (‏۱)‏ داریم b_w= 180 میلی متر پهنای تیر و s_f و _fθ به ترتیب نشان‌دهنده فاصله و شیب CFRP هستند. در تیرهای تقویت‌شده مطابق با روش EBR، 0.176a_f= میلی متر وb_f=60 میلی متر ضخامت و عرض نوارهای CFRP هستند. بالاترین درصد لمینت ها با جهت گیری مشخص ارزیابی شد تا اطمینان حاصل شود که تیرهای متناظر دارای حداکثر بار مشابه با تیرهای تقویت‌شده با بالاترین مقدار هستند. در مورد تیرهای تقویت شده به روش NSM، a_f = 1.4 میلی متری و b_f = 9.5 میلی متر ابعاد سطح مقطع لمینیت وجود دارد. برای این منظور فرض بر این بود که یک لمینیت CFRP مانند یک استرلینگ فولادی کار می‌کند. با این حال، به جای در نظر گرفتن تنش تسلیم مواد، تنش در لمینت های متناظر با کرنش 0.5 % پذیرفته شد زیرا این سازش بین مقدار ماکزیمم توصیه‌شده توسط ACI برای EBR (‏0.4 %)‏ و مقدار 0.59 % به‌دست‌آمده در آزمون‌های خمش بیرون با تکنیک مقاوم‌سازی NSM با استفاده از ورقه‌های CFRP است. پس از این رویکرد، چیدمان های نشان‌داده‌شده در جدول ۱ و شکل ۲ اتخاذ شدند: ده لمینت در هر یک از سطوح جانبی تیر برای و در هر یک از سطوح جانبی تیر برای می‌باشد. برای پایین‌ترین و متوسط درصد لمینت ها، فاصله لمینت ها برای هر f (‏۹۰، ۶۰ و ۴۵)‏با این هدف به دست آمد که سهم CFRP مشابه باشد. مستقل از جهت گیری لمینیت، برای تیرهایی با کم‌ترین ضخامت ۴ لمینیت بر روی هر سطح جانبی تیر اعمال شد. برای ۷ لمینت متوسط در هر یک از سطوح جانبی تیر برای θ_f=90 و θ_f=45 و ۶ لمینت برای θ_f=60 استفاده شد. برای تیرهای مقاوم‌سازی شده EBR، مطابق با فرمول توصیه‌شده توسط ACI [‏ ۱۰ ]‏، ظرفیت حمل بار مشابه سری تیرهای مقاوم‌سازی شده NSM متناظر، درصد نوارهای گسسته ورقه CFRP برای اطمینان ارزیابی شد (‏جدول ۱ و شکل ۲ را ببینید)‏. لمینت ها و نوارها در امتداد خط AB که در شکل 1 نشان‌داده شده‌است توزیع شده‌اند. که در آن A پشتیبان تیر را در "سمت آزمایش" خود نشان می‌دهد و B با فرض تخریب بار در ۴۵ به دست می‌آید. تست‌های خمش سه نقطه‌ای تیر (‏شکل ۱)‏با استفاده از تجهیزات کنترل حلقه فرمانیار، با در نظر گرفتن خواندن سیگنال در مبدل جابجایی (‏LVDT)‏، قرار داده‌شده در بخش بارگذاری، برای کنترل تست با نرخ انحراف ۰.۰۱ میلی متر بر ثانیه در شکل 1 انجام شدند. با هدف به دست آوردن تغییرات کرنش در طول دو لمینت و دو نوار ورق که بیش‌ترین احتمال را دارند تا بیش‌ترین سهم را در مقاوم‌سازی برشی تیر RC داشته باشند، چهار کرنش سنج (‏SG _ L بر روی لمینت ها و SG _ M بر روی ورقه‌ها)‏با توجه به آرایش نشان‌داده‌شده در شکل 3 به هر CFRP متصل شدند. با استفاده از همین اصل، یک استرلینگ فولادی با سه کرنش سنج (‏SG _ S)‏نصب‌شده با توجه به پیکربندی نشان‌داده‌شده در شکل 3 نظارت شد. موقعیت لمینت های کنترل‌شده، نوارهای ورق و خاموت ها در تیره‌ای تست شده در شکل 2 نشان‌داده شده‌است.