نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 کارشناس ارشد عمران-سازه
2 استادیار مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی
چکیده
کلیدواژه‌ها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
The most common method of strengthening columns with FRP is confining their external environment. Confining is effective for compression members and use for increase load carrying capacity or for increase ductility. The main target in this research is investigation strengthening of RC columns with multi directional FRP composites. For this purpose first, 3 available experimental specimens were modeled in ABAQUS software. So, accuracy of this modeling proved, by Comparison and proximity the result of experimental and software. Then 18 analytical specimens were modeled with considering variables such fiber gender, direction of composites layers and percent of longitudinal steel of column section, in ABAQUS software. Analytical specimen divided to the two groups, half of them with 2 percent longitudinal steel and the other half with 4 percent steel. In every group were considered a specimen without strengthening, four specimens confined with CFRP sheets and four specimens confined with GFRP sheets. Beside specimens of every group strengthened with composite layers in different directions 0, 0, 0 degrees and 90, 0, 90 degrees and -45, 45, 0 degrees and -45, 45, 90 degrees. The finite elements analysis results of these specimens shows thatmulti directional FRP composites increases 1.34 to 2.77 times the axial load carrying capacity of strengthened columns and 5.5 to 13 time their ductility.Strengthening by FRP composites with layers in direction of -45, 45, 0 degree, is good method for increasing the ductility of columns. Also effect of strengthening the specimens with two percent steel section are 8 to 16 percent more than specimens with four percent steel section.
کلیدواژه‌ها [English]
1-مقدمه
فناوری استفاده از ورق‌های FRP اولین بار در سال 1984 در سوئیس به‌کار گرفته شد که در آن، ورق‌های CFRP جهت مقاومسازی تیرهای بتنی استفاده شد. در مورد ستونها اولین بار در اواسط دهه 80 میلادی، کاتسوماتا و همکاران استفاده از کامپوزیتFRP را برای تقویت ستونهای بتنمسلح در برابر بارهای لرزهای مطرح نمودند [1].
در دهه اخیر با هدف افزایش مقاومت و شکلپذیری، تحقیقات بسیاری در مورد دورپیچ کردن ستونها صورت گرفته است.
تورگای و همکاران در سال 2009، آزمایشهایی با در نظر گرفتن تأثیر فولاد طولی و عرضی روی 20 ستون مربعی بتنمسلح انجام دادند. دستهای از نمونهها فاقد تقویت FRP، دستهای با دور پیچ کم و جزئی و دستهای نیز کاملا محصور شده بودند. جهت الیاف FRP در نمونههای تقویت شده عمود بر محور طولی ستون بود. تمامی نمونهها تحت بار محوری قرار گرفتند. در این تحقیق مشخص شد که در نمونههای با دور پیچ کامل، شکلپذیری بسیار افزایش یافت و زوال ستون با گسیختگی FRP انجام شد [2].
شارما و همکاران در سال 2012، 15 نمونه ستون بتن مسلح مربعی را مورد آزمایش قرار دادند. در این تحقیق تاثیر اندازه شعاع کنج ستونها متغیر تحقیق بود. شعاع کنج دستهای از نمونهها 5 میلیمتر و دستهای دیگر 25 میلیمتر بود. نتایج نشان داد افزایش ظرفیت باربری ناشی از محصور کردن نمونهها با GFRP با جهت الیاف عمود بر راستای طولی ستونها، در ستونهای با شعاع کنج 25 میلیمتر، بیش از ستونهای با شعاع کنج 5 میلیمتر میباشد [3].
راوال و داو در سال 2012، تأثیر شکل مقطع ستونهای بتن مسلح دور پیچ شده با GFRP یکجهته را که راستای الیاف عمود بر محور طولی ستونها بود، بررسی کردند. جمعا 15 نمونه به ارتفاع 1 متر تحت بارگذاری محوری قرار گرفت. دستهای از ستونها دارای سطح مقطع دایروی، دستهای با مقطع مربعی و دستهای دیگر دارای سطح مقطع مستطیلی بودند. در این تحقیق مشخص شد که افزایش ظرفیت باربری نمونههای دایروی 159 درصد، نمونههای مربعی 79 درصدو نمونههای مستطیلی 76 درصد میباشد. همچنین شکلپذیری نمونههای دایروی بیش از مربعی و مستطیلی افزایش یافت [4].
بلوآر و همکاران در سال 2013، بر روی 48 ستون بتنمسلح مربعی که با CFRP دور پیچ شده بودند، تحقیقاتی انجام دادند. متغیرهای تحقیق عبارت بودند از لاغری ستونها، تعداد لایههای دورپیچ و مقاومت بتن. نتایج این تحقیق نشان داد که افزایش لاغری، مقاومت و شکلپذیری نمونهها را کاهش میدهد. همچنین دور پیچ کردن ستونها در نمونههای با بتن ضعیفتر در مقایسه با نمونههای با بتن قویتر، افزایش مقاومت و شکلپذیری بیشتری داشته است[5].
شعبان در سال 2014، تأثیر مقاومسازی روی بخشی از ستون بتن مسلح مربعی که دارای بتنی ضعیف بود را بررسی کرد. در این آزمایش فقط قسمت ضعیف ستون با استفاده از CFRP دور پیچی شده و تحت بار محوری قرار گرفته بود.در این تحقیق نیز راستای الیاف FRP عمود بر راستای طولی ستونها بود. نتایج نشان داد که دور پیچ کردن بخش ضعیف ستون بیشتر باعث افزایش شکلپذیری میگردد تا افزایش ظرفیت باربری[6].
مروری بر تحقیقات گذشته حاکی از آن است، اگر چه در زمینه مقاومسازی محصورشدگی ستونهای بتن مسلح با ورق‌های FRP که راستای الیاف عمود بر راستای طولی ستون میباشد، مطالعات متنوعی انجام شده است ولی در زمینه تقویت ستونها با این نوع ورق‌ها، با توجه به نصب کامپوزیتهای چند جهته با زوایای متغیر در لایهها، تحقیقات محدودی صورت گرفته است. بهعلاوه در رابطه با مطالعات پارامتری و اندرکنش عواملی مانند جهات الیاف در لایه متفاوت ورق تقویت، جنس الیاف، میزان فولادی طولی مقطع ستون نیز، کم و کاستی در مطالعات گذشته مشاهده میشود. لذا تحقیق حاضر به بررسی تحلیلی و پارامتری و اثر آنها بر روی مقاومت و شکلپذیری ستونهای تقویت شده با این نوع کامپوزیتها می‌پردازد. برای این منظور، 18 نمونه ستون بتنمسلح دایروی با استفاده از نرمافزار ABAQUS6.9-1 مدلسازی اجزای محدود شدند. از این نمونهها، 9 نمونه با مقطع کم فولادتر ( فولاد طولی مقطع در حدود 2% ) و 9 نمونه بعدی با مقطع پر فولادتر ( فولاد طولی مقطع در حدود 4% ) می‌باشند. در هر گروه یک نمونه بدون تقویت، چهار نمونه تقویت شده با جهات مختلف ورق CFPR و چهار نمونه تقویت شده با جهات مختلف ورق GFRP مورد بررسی قرار گرفته است.
جهت کنترل نتایج حاصل از مدلسازی و تحلیل در نرمافزار ABAQUS، سه نمونه آزمایشگاهی موجود با نرمفزار ABAQUS مدلسازی شد ومنحنی نیرو-کرنش آنها مقایسه شده است. همچنین از روابط ارائه شده در آیین‌نامه ACI 440 استفاده گردیده است. به‌گونه‌ای‌که در شرایط مختلف، (دو مقطع فاقدتقویت، دو مقطع با دورپیچ کامل با ورق CFRP ودو مقطع کاملاً دورپیچی شده با ورق GFRP) میزان مقاومت و شکلپذیری نمونههای تحلیلی اشاره شده، براساس روابط آئیننامهACI 440.2R-02 تعیین و با مقادیر حاصل از مدلسازی نرمافزاری مقایسه خواهد شد.
ستونهای مورد بررسی دارای مقطع دایروی به قطر 4/0 متر و ارتفاع 7/2 متر هستند. نمونههای مذکور با 8 عدد آرماتور طولی به ارتفاع 7/2 متر و قطر 20 میلیمتر برای مقطع کم فولادتر و قطر 28 میلی متر برای مقطع پر فولادتر، مسلح شدند. آرماتورهای عرضی در این ستونها از نوع تنگ و دارای قطر10 میلیمتر می‌باشند که در ابتدا و انتهای ستون 1/0 متر و در وسط ستون 15/0 متر، از یکدیگر فاصله دارند. پوشش روی آرماتورها، 50 میلیمتر و قطر خاموت‌ها برابر 3/0 متر میباشد. اشکال (1) و (2) شمای کلی از ستونها را نشان میدهند.
شکل(1) مقطع نمونههای فاقد تقویت خارجی
|
شکل (2) شمای کلی از ستون مدلسازی شده |
نمونههای مورد استفاده در جدول (1) معرفی شده اند. علامت اختصاری[1]UN برای ستونهای بدون تقویت بیان شده است. علامت [2]CوG[3] در جدول به‌ترتیب معرف کامپوزیت با الیاف کربن و الیاف شیشه میباشد. به‌عنوان مثال نمونه 2C000 یعنی ستون بتنمسلح با فولاد مقطع 2% که با کامپوزیت CFRP سه لایه در جهات 0و 0و 0 درجه نسبت به محور عرضی ستون، تقویت شده است. بدین ترتیب سعی شده نام اختصاری هر نمونه بیان‌گر هر سه متغیر مورد بررسی تحقیق باشد. تمامی نمونههای تقویت شده با کامپوزیتهای سه لایه به صورت کامل در تمام طول ستون محصور شدهاند. تکیهگاه ستونها بهشکل گیردار و بارگذاری با اعمال جابجایی رو به پایین انجام شده است.
فولاد مورد استفاده دارای وزن مخصوص 7850 کیلوگرم بر مترمکعب، ضریب پوآسون 3/0 و مدول الاستیسیته 200 گیگاپاسکال است. منحنی تنش‌ـ‌کرنش فولاد، منحنی الاستوپلاستیک سخت شونده میباشد که از دو ناحیه خطی تشکیل شده است و ویژگیهای مربوط به ناحیه غیرالاستیک آن در جدول (2) آورده شده است. کامپوزیتها که جهت محصور کردن ستون مورد استفاده قرار میگیرند از دو نوع الیاف کربن (CFRP) و الیاف شیشه (GFRP) هستند. ویژگیهای مکانیکی کامپوزیتها در جدول(3) تشریح شده است. با داشتن مدول الاستیسیته و مقاومت کششی الیاف، کرنش CFRP و GFRP درجهات اصلی به ترتیب 55/1 درصدو 86/2 درصد بهدست میآید. کامپوزیتها به صورت سه لایه با زوایای مختلف نسبت به محور عرضی ستون استفاده شدهاند. برای شکست بتن در این مدلسازی از معیار دراکر-پراگر و برای تعریف رفتار فشاری بتن از منحنی تنش – کرنش هاگنستاد استفاده شده است [7]. بتن مورد استفاده دارای مقاومت 28 مگاپاسکال است. برای منحنی تنش‌ـ‌کرنش بتن سه ناحیه در نظر گرفته شده است. همچنین وزن مخصوص بتن برابر 2500 کیلوگرم بر مترمکعب در نظر گرفته شده است. ضریب پواسون برابر 2/0 و مدول الاستیسیته 24870 مگاپاسکال اعمال شده است. مشخصات مربوط به پلاستیسیته بتن که بعد از ناحیه اوّل خطی که تا ادامه دارد، در جدول (4) آورده شده است.
|
ردیف |
نام اختصاری نمونه |
درصد فولاد مقطع |
جنس کامپوزیت |
زاویه قرارگیری لایه ها نسبت به محور عرضی ستون (از داخل به بیرون) |
|
1 |
99/1 |
ــــــ |
ــــــ |
|
|
2 |
99/1 |
00و00و00 |
||
|
3 |
99/1 |
900و00و900 |
||
|
4 |
99/1 |
450-و450و00 |
||
|
5 |
99/1 |
450-و450و900 |
||
|
6 |
99/1 |
00و00و00 |
||
|
7 |
99/1 |
900و00و900 |
||
|
8 |
99/1 |
450-و450و00 |
||
|
9 |
99/1 |
450-و450و900 |
||
|
10 |
9/3 |
ــــــ |
ــــــ |
|
|
11 |
9/3 |
00و00و00 |
||
|
12 |
9/3 |
900و00و900 |
||
|
13 |
9/3 |
450-و450و00 |
||
|
14 |
9/3 |
450-و450و900 |
||
|
15 |
9/3 |
00و00و00 |
||
|
16 |
9/3 |
900و00و900 |
||
|
17 |
9/3 |
450-و450و00 |
||
|
18 |
9/3 |
450-و450و900 |
جدول (1) مشخصات نمونههای مدلسازی
|
|
جدول (2) مشخصات مربوط به ناحیه غیرالاستیک فولاد |
||
|
کرنش |
تنش جاری شدن |
|
|
|
0 |
0 |
|
|
|
0006/0 |
106 14 |
|
|
|
00076/0 |
106 06/17 |
|
|
|
001/0 |
106 81/20 |
|
|
|
00138/0 |
106 35/23 |
|
|
|
00185/0 |
106 28 |
|
|
|
0035/0 |
106 8/23 |
|
|
|
جدول (3) خواص مکانیکی دو نوع کامپوزیت CFRP و GFRP [8] |
|||||
|
نوع FRP |
مدول الاستیسیته (MPa) |
ضریب پوآسون |
مقاومت کششی (MPa) |
مدول برشی (MPa) |
ضخامت لایه (mm) |
|
الیاف کربن (CFRP) |
Ex=62000 |
xy=22/0 |
958 |
Gxy=3270 |
1 |
|
Ey=4800 |
υxz=22/0 |
Gxz=3270 |
|||
|
Ez=4800 |
υyz=30/0 |
Gyz=1860 |
|||
|
الیاف شیشه (GFRP) |
Ex=21000 |
υxy=26/0 |
600 |
Gxy=1520 |
3/1 |
|
Ey=7000 |
υxz=26/0 |
Gxz=1520 |
|||
|
Ez=7000 |
υyz=30/0 |
Gyz=2650 |
|||
جدول(4) اعداد مربوط به منحنی تنش-کرنش بتن
|
کرنش |
تنش جاری شدن ( ) |
|
0 |
0 |
|
002/0 |
106 400 |
|
12/0 |
106 600 |
برای اثبات صحت مدلسازی، از یک تحقیق آزمایشگاهی موجود استفاده شده است. نمونه مورد آزمایش، یک ستون بتن مسلح به ارتفاع 600 میلیمتر با مقطع مستطیل شکل به ابعاد 80×150 میلیمتر میباشد، که دارای 4 عدد میلگرد طولی با قطر 8 میلیمتر وبهطول 600 میلیمتر است و در هر گوشه از مقطع یک میلگرد قرار گرفته است. آرماتورهای عرضی با قطر 3 میلیمتر و به صورت خاموت (تنگ بسته) می‌باشند. فاصله خاموت‌ها در نواحی ابتدایی و انتهایی ارتفاع ستون از یکدیگر، 40 میلیمتر است. اولین و آخرین خاموت از دو انتهای ستون 20 میلیمتر فاصله دارندو در نواحی میانی فاصله خاموت‌ها به 80 میلیمتر افزایش یافته است. پوشش بتنی آرماتورها از طرفین مقطع برابر 14 میلیمتر میباشد.
در ابتدا، ستون بتن مسلح تقویت نشده(S1) آزمایش شده و در مرحله بعد دو نوع تقویت خارجی روی نمونه S1 اضافه شده است. اول تقویت‌های طولی که راستای الیاف در جهت عمود بر محور عرضی ستون است، که در دو وجه عرضی مقطع ستون از کامپوزیت‌هایی به ابعاد 4/1×60 میلیمتر و در دو وجه طولی مقطع ستون 4/1× 120 میلیمتر و طول 600 میلیمتر استفاده شده است. این مقطع S6a نام دارد. دوم کامپوزیتهای حلقوی نواری که به تقویت‌های قبلی اضافه شدهاندو همجهت محور عرضی ستون هستند. این کامپوزیتها، مستطیل شکل و منقطع به عرض 25 میلیمتر و ضخامت 13/0 میلی‌مترمیباشند که به دور ستون همراه با کامپوزیتهای طولی، نوار‌بندی شدهاند. این مقطع S6b نام‌گذاری شده است[9]. شکل(3) مشخصات ظاهری نمونهها را نشان میدهد.
|
الف:نمو نه S1 |
|
ب:نمونهS6a ج:نمونهS6b |
شکل(3) مشخصات ظاهری نمونهها
معیار مقایسه نمونه آزمایشگاهی با نمونه نرمافزاری، نمودار اصلاح شده (نرمالایز شده) نیرو-کرنش است شکل(4). محور عمودی نمودار عبارت N/Nu,S1 میباشد، که بهصورت (465000-/ ظرفیت باربری ستون) تعریف شده است. و محور افقی نمودار عبارت است، که کرنش ضرب‌در 1000
را نشان میدهد. پس از مدلسازی نمونه S1 با نرمافزار ABAQUS، برای نیروی محورهای عمودی و افقی در مدل نرمافزاری نیز به همان صورت قبلی تغییرات و اصلاحات انجام شده و عباراتN/Nu,S1 و استخراج گردیده است.
|
S6b |
|
S6a |
|
S1 |
شکل(4) نمودار نیرو-کرنش سه نمونه آزمایشگاهی S1و S6aو S6b [8]
همان‌گونهکه در آزمایشگاه ابتدا نمونه بدون تقویت ساخته شده و سپس کامپوزیت FRP بر روی آن چسبانده شده، در مدلسازی نرمافزاری نیز ابتدا ستون بدون تقویت مدلسازی و سپس کامپوزیت FRP برروی نمونه قبلی اضافه گردید، سپس نمونهها تحت بار محوری با اعمال جابجایی روبه پایین قرار گرفتند. جهت مدلسازی ستون بتنی در نرمافزار از المان solid extrude، آرماتورها از المان beam-wire و قطعات FRP از المانshell extrude استفاده شد. منحنی‌های کرنش-نیرو، برای نمونه آزمایشگاهی و نرمافزاری بهصورت اشکال (5) و (6) و (7) قابل مقایسه است. در جدول (5) مقایسه‌ای بین نتایج آزمایشگاهی و نرمافزاری صورت گرفته، که نشان میدهد اختلاف کمی بین نتایج آزمایشگاهی و نرمافزاری وجود دارد. لذا مدلسازیها دقت قابل قبولی دارند در جدول(5) کرنش آزمایشگاهی با e ،کرنش نرمافزاری با s ، نیروی آزمایشگاهی با fe و نیروی نرمافزاری با fs نشان داده شده است.
|
شکل (5) نمودار نیرو-کرنش نرمافزاری و آزمایشگاهی نمونه S1 |
شکل (6) نمودار نیرو-کرنش نرمافزاری و آزمایشگاهی نمونه S6a |
||||||||||||||||||||||||||||
|
شکل (7) نمودار نیرو-کرنش نرمافزاری و آزمایشگاهی نمونه S6b |
جدول(5) نتایج مدل‌سازی‌های آزمایشگاهی و نرمافزاری
|
محصور کردن ستون بتن مسلح با FRP علاوه بر اینکه کرنش فشاری بتن را قبل از شکست آن افزایش میدهد، با تحت فشار قرار دادن آرماتورهای طولی از کمانش آنها نیز جلوگیری می‌کند[10]. لذا به‌منظور کنترل برخی از نمونههای ایجاد شده دارای تقویت خارجی و دونمونه فاقد تقویت، از روابط تحلیلی ارائه شده توسط آئیننامه ACI 440 نیز استفاده شده است. با استفاده از این روابط و در دست داشتن اطلاعات ظاهری و مکانیکی نمونهها، تحلیل دستی برای 6 نمونه صورت گرفت که نتایج آن طبق جدول (6) میباشد.
جدول (6) نیروی قابل تحمل نمونههای طراحی شده با ACI440.2R-02 بر اساس متغیرهای مطرح شده
|
نمونه |
درصد فولاد مقطع(حدوداً) |
جنس FRP |
زاویه لایههای FRP |
ضخامت FRP (mm) |
نیروی قابل تحمل (kN) |
|
2un |
2 |
ـ |
ـ |
ـ |
7/3935 |
|
4un |
4 |
ـ |
ـ |
ـ |
4844 |
|
2C000 |
2 |
CFRP |
00و00و00 |
1 |
2/8751 |
|
4C000 |
4 |
CFRP |
00و00و00 |
1 |
1/9565 |
|
2G000 |
2 |
GFRP |
00و00و00 |
3/1 |
5/8190 |
|
4G000 |
4 |
GFRP |
00و00و00 |
3/1 |
2/9015 |
نمونه 2unو 4un با اعمال جابهجایی محوری 5/5 میلیمتر بر اثر افزایش تنش محوری بتن به بیش از 28 مگاپاسکال در قسمت تحتانی و فوقانی ستون، گسیخته شده است. در نمونههای فوق که فاقد تقویت خارجی هستند، معیار انهدام ستون شکستگی بتن میباشد. در نمونههای تقویت شده، با توجه به اینکه FRP، بهطور کامل و سرتاسری بتن را محصور کرده است، بنابراین مقاومت و کرنش نهایی بتن بسیار افزایش یافته و بتن می‌تواند مقاومت‌های بسیار بالاتر از 28 مگاپاسکال یا کرنش پلاستیک بالاتر از 0035/0 را تحمل کند، بدون آن‌که گسیخته گردد. همین امر برای فولاد هم حاکم خواهد بود و فولادهای طولی و عرضی می‌توانند تنش‌ها و کرنش‌های بالاتر از حد نهایی خود را تحمل کنند[11]. رفتار ستون 2C000 و 4C000 کاملا مشابه است. این نمونهها با اعمال جابهجایی 9/3 سانتیمتر
منهدم شدهاند. معیار انهدام در این نمونهها گسیختگی FRP در طول ستون است. اشکال (8) و (9) کانتور کرنش عرضی FRP در نمونههای 2C000 و 4C000 را درلحظه گسیختگی نشان میدهندکه در چند نقطه کرنش کامپوزیت از کرنش گسیختگی که 54/1 درصد است رد شده است .
در نمونههای 2G000 و4G000 انهدام ستون بر اثر اعمال جابهجایی 2/6 سانتیمتر انجام شده است و این به علّت کرنش گسیختگی بیشتری است، که GFRP دارد. اشکال (10) و (11) کانتور تنش عرضی FRP در نمونهها را نشان میدهد. در این نمونهها نیز معیار انهدام ستونها گسیختگی FRP میباشد. افزایش مقاومت نمونههای تقویت شده با CFRP حدود 7 درصد بیش از GFRP و افزایش کرنش نمونههای تقویت شده با GFRP حدود64 درصد بیش از CFRP میباشد. اشکال (12) و (13) مقایسه منحنی نیروی محوری -کرنش محوری نمونههای 2C000 با 4C000 و 2G000 با 4G000 را نشان میدهند.
|
شکل(8) کانتور کرنش نمونه 2C000 |
شکل(9) کانتور کرنش نمونه 4C000 |
|
شکل(10) کانتور تنش نمونه 2G000 |
شکل(11) کانتور تنش نمونه 4G000 |
|
شکل(12) مقایسه منحنی نیروی محوری -کرنش محوری نمونههای 2C000 و 4C000 |
شکل(13) مقایسه منحنی نیروی محوری -کرنش محوری نمونههای 2G000 و 4G000 |
پس از مدلسازی نرمافزاری نمونههای 2un، 4un، 2C000، 4C000، 2G000و 4G000، نیروی محوری قابل تحمل آنها استخراج شده که نتایج در جدول (7) ارائه و با اعداد بهدست آمده از طراحی با آئیننامه ACI440.2R-02 مقایسه شده است. با بررسی جدول (7) ملاحظه میشود که اختلاف بین نتایج نرمافزار و نتایج آئیننامه، کم میباشد. این موضوع نیز تأئیدی برصحت مدلسازی میباشد.
جدول (7) مقایسه بین نیروی قابل تحمل نمونه در دو حالت محاسبه شده با ACI 440.2R-02و استخراج شده از نرمافزار
|
ردیف |
نام نمونه |
نیروی قابل تحمل محاسبه شده از آئیننامه (kN) |
نیروی قابل تحمل استخراج شده از ABAQUS (kN) |
نیروی محوری ABAQUS نیروی محوری آئیننامه |
|
1 |
2un |
7/3935 |
3750 |
95/0 |
|
2 |
4un |
4844 |
5000 |
03/1 |
|
3 |
2C000 |
2/8751 |
10400 |
188/1 |
|
4 |
4C000 |
1/9565 |
11300 |
18/1 |
|
5 |
2G000 |
5/8190 |
9600 |
17/1 |
|
6 |
4G000 |
2/9015 |
10600 |
17/1 |
5-1- بررسی نتایج نمونههای تقویت شده با کامپوزیتهای تحت زوایای 90، 0 و 90 درجه
در نمونههای 2C90090 و 4C90090، انهدام ستون با اعمال جابهجایی 7/3 سانتیمتر صورت گرفته است و همانطور که انتظار میرفت رفتار این نمونهها، کاملا مشابه است. یعنی کرنش در جهات اصلی و در جهت عرضی، در قسمت بالایی ستون در ورق FRP از حد کرنش نهایی رد شده و در همان منطقه تنش FRP نیز از مقاومت کششی نهایی گذشته است. نکته قابل توجه در مقایسه نمونههای تقویت شده با کامپوزیتهای 0و 0و 0 درجه با 90و 0و 90 این است که چرخش زوایای دو لایه از 0 درجه به 90 درجه، حدود 1000 کیلونیوتن یعنی 11 درصد، قابلیت تحمل نیروی محوری نمونههای تقویت شده با CFRP را کاهش داده است.
با در نظر گرفتن زوایای فوق با کامپوزیت شیشه، برای دو نمونه 2G90090 و 4G90090 میتوان نوشت که این نمونههای تحت جابهجایی 7/5 سانتیمتر، دچار گسیختگی شدهاند. کرنش هر دو نمونه در حدود 2/2 درصد میباشد. در این بخش افزایش مقاومت نمونههای تقویت شده با CFRP حدود 7 درصد بیش از GFRP و افزایش کرنش نمونههای تقویت شده با GFRP حدود 57 درصد بیش از نمونههای تقویت شده با CFRP میباشد.
5-2- بررسی نتایج نمونههای تقویت شده با کامپوزیتهای FRP 45-و 45 و 0 درجه
نمونه 2C-45450 تحت جابهجاییهای مختلف قرار گرفته و با جابهجایی 4 سانتیمتر گسیخته شده است. نمونه 4C-45450 نیز رفتاری مشابه دارد، یعنی با اعمال جابهجایی بهمیزان 4 سانتیمتر، گسیخته شده است. کرنش در هر دو نمونه حدود 5/1 درصد میباشد. نیروی محوری قابل تحمل نمونه 2C-45450 حدود 7800 کیلونیوتن و برای 4C-45450 حدود 8700 کیلونیوتن، یعنی حدود 12 درصد بیش از 2C-45450 است. آهنگ تغییرات کرنش و نیروی محوری در طول بارگذاری برای هر دو نمونه مشابه میباشد. ستون 2G-45450 با اعمال 7 سانتیمتر جابهجایی رو به پایین، منهدم شده است. برای نمونه 4G-45450 نیز رفتاری مشابه مشاهده میشود، یعنی با اعمال جابهجایی 7سانتیمتر، GFRP گسیخته و ستون منهدم شده است. کرنش محوری 2G-45450 حدود 7500 کیلونیوتن میباشد که 13 درصد بیشتر از 2G-45450 است، بنابراین افزایش مقاومت نمونههای تقویت شده با CFRP حدود 3 درصد بیش از GFRP و افزایش کرنش نمونههای تقویت شده با GFRP حدود 73 درصد بیش از CFRP میباشد.
5-3- بررسی نتایج نمونههای تقویت شده با کامپوزیتهای FRPسه لایه، 45-، 45 و 90 درجه
یکسری دیگر از نمونهها با کامپوزیتهای سه لایه در جهات 45-، 45و 90 درجه تقویت شدهاند که عبارتاند از 2C-454590، 4C-454590، 2G-454590و 4G-454590. نمونه 2C-454590 تحت جابهجاییهای مختلفی قرار گرفته که بر اثر جابهجایی 3 سانتیمتر منهدم شده است. برای نمونه 4C-454590 نیز نتایجی مشابه نمونه 2C-454590 مشاهده میشود. کرنش محوری هر دو نمونه در حدود 1/1 درصد میباشد. نیروی محوری نمونه 2C-454590 حدود 5800 کیلونیوتن و نمونه 4C-454590، 17 در صد بیشتر و در حدود 6800 کیلونیوتن میباشد. این دو نمونه در مقایسه با نمونههای 2C000 و 4C000 حدود 27 درصد کرنش کمتر و حدود 66 الی 80 درصد نیروی کمتر تحمل میکنند، اما در مقایسه با نمونههای 2UN و 4UN حدود 5/4 برابر کرنش بیشتر و حدود 36 الی 55 درصد نیروی بیشتر تحمل میکنند.
در نمونه 2G-454590 و نمونه 4G-454590 گسیختگی با اعمال جابهجایی 6 سانتیمتر بهوقوع پیوسته است. کرنش محوری هر دو نمونه در حدود 2/2 درصد میباشد. نیروی محوری نمونه 2G-454590 در لحظه گسیختگی حدود 6400 کیلونیوتن و برای نمونه 4G-454590 که دارای فولاد بیشتری است، 15 درصد بیشتر و در حدود 7400 کیلونیوتن میباشد. افزایش مقاومت نمونههای تقویت شده با CFRP حدود 9 درصد کمتر از GFRP و افزایش کرنش نمونههای تقویت شده با GFRP حدود 100 درصد بیش از CFRP میباشد.
جدول (8) افزایش نیروی محوری و کرنش محوری را برای
تمام نمونههای مدلسازی شده نشان میدهد. در این جدول کرنش محوری نهایی نمونه تقویت شده با ، کرنش محوری نهایی نمونه تقویت نشده با ، نیروی محوری نهایی نمونه تقویت شده با P و همچنین نیروی محوری نهایی نمونه تقویت نشده با P0 نشان داده شده است.
جدول (8) میزان افزایش نیروی محوری و کرنش محوری برای نمونههای مدلسازی شده
|
نام نمونه |
نوع تقویت |
میزان فولاد طولی(0/0) |
(0/0)
|
|||
|
2un |
تقویت نشده |
2 |
3750 |
1 |
2/0 |
1 |
|
2C000 |
الیاف کربن |
10400 |
8/2 |
4/1 |
7 |
|
|
2C90090 |
9000 |
4/2 |
4/1 |
7 |
||
|
2C-45450 |
7800 |
1/2 |
5/1 |
5/7 |
||
|
2C-454590 |
5800 |
5/1 |
1/1 |
5/5 |
||
|
2G000 |
الیاف شیشه
|
2 |
9600 |
6/2 |
3/2 |
5/11 |
|
2G90090 |
8400 |
2/2 |
2/2 |
11 |
||
|
2G-45450 |
7500 |
2 |
6/2 |
13 |
||
|
2G-454590 |
6400 |
7/1 |
2/2 |
11 |
||
|
4un |
تقویت نشده |
4 |
5000 |
1 |
2/0 |
1 |
|
4C000 |
الیاف کربن
|
11300 |
3/2 |
4/1 |
7 |
|
|
4C90090 |
10000 |
2 |
4/1 |
7 |
||
|
4C-45450 |
8700 |
7/1 |
5/1 |
5/7 |
||
|
4C-454590 |
6800 |
4/1 |
1/1 |
5/5 |
||
|
4G000 |
الیاف شیشه |
4 |
10600 |
1/2 |
3/2 |
5/11 |
|
4G90090 |
9400 |
9/1 |
2/2 |
11 |
||
|
4G-45450 |
8500 |
7/1 |
6/2 |
13 |
||
|
4G-454590 |
7400 |
5/1 |
2/2 |
11 |
در جدول (9) بار محوری و کرنش محوری قابل تحمل هر نمونه ارائه شده است. با تأمل در جداول (8) و (9) شرح و بسط بسیاری حاصل گردد. که در ادامه بخش به آن پرداخته میشود.
در تحقیقات گذشته اثر تغییر جهت کامپوزیتها بسیار کمرنگ میباشد، لذا انتخاب کامپوزیت سه لایه تحت زوایای
صفردرجه با راستای عرضی ستون، معیاری برای مقایسه کامپوزیتهای با زوایای مختلف نسبت به صفر درجه میباشد.
افزایش فولاد مقطع نیروی محوری ستونها را 8 الی 21 درصد افزایش میدهد، ولی تأثیری بر مد خرابی ستون ندارد. با مقایسه دوبه‌دو برای نمونههای یکسان در جدول (8) که فقط فولاد مقطع آنها متفاوت است، مشاهده میگردد اعمال جابهجایی روی نمونهها، برای نمونههای مشابه که فقط فولاد مقطع آنها متفاوت است، یک اندازه میباشد.
جدول (9) نتایج حاصل از مدلسازی 18 نمونه نرمافزاری
|
ردیف |
نام نمونه |
نیروی محوری ( ) |
کرنش محوری (درصد) |
جابجایی اعمالی ( ) |
|
1 |
2un |
3750 |
2/0 |
5/5 |
|
2 |
4un |
4750 |
2/0 |
5/5 |
|
3 |
2C 000 |
10400 |
4/1 |
39 |
|
4 |
4C 000 |
11300 |
4/1 |
39 |
|
5 |
2G 000 |
9600 |
3/2 |
62 |
|
6 |
4G 000 |
10600 |
3/2 |
62 |
|
7 |
2C 90090 |
9000 |
4/1 |
37 |
|
8 |
4C 90090 |
10000 |
4/1 |
37 |
|
9 |
2G 90090 |
8400 |
2/2 |
57 |
|
10 |
4G 90090 |
9400 |
2/2 |
57 |
|
11 |
2C -45450 |
7800 |
5/1 |
40 |
|
12 |
4C -45450 |
8700 |
5/1 |
40 |
|
13 |
2G -45450 |
7500 |
6/2 |
70 |
|
14 |
4G -45450 |
8500 |
6/2 |
70 |
|
15 |
2C -454590 |
5800 |
1/1 |
30 |
|
16 |
4C -454590 |
6800 |
1/1 |
30 |
|
17 |
2G -454590 |
6400 |
2/2 |
60 |
|
18 |
4G -454590 |
7400 |
2/2 |
60 |
با دقت در اعمال جابهجایی روی نمونهها در جدول (9) مشاهده میشود که نمونههای تقویت شده با GFRP حدود 5/1 الی 2 برابر نمونههای محصورشده با CFRP توانایی پذیرش جابهجایی طولی را دارند. که علت آن، مدول الاستیسیته بالای GFRP میباشد. به همین علت مشاهده میشود که کرنش محوری در نمونههای تقویت شده با GFRPحدود 5/1الی 2 برابر کرنش محوری نمونههای محصورشده با CFRP است.
از لحاظ مقاومت، کامپوزیتهای با زوایای صفر درجه نیروی محوری و تنش محوری زیادی تحمل میکنند که این مقاومت در کامپوزیتهای با زوایای 45 و 45- کمتر است ولی باتوجه به بیشتر بودن کرنش محوری کامپوزیتهای FRP با زوایای 0و 45و 45- میتوان گفت، شکلپذیری نمونههای تقویت شده با کامپوزیتهای تحت زاویه 0 و 45 و 45- حدود 15 درصد بیشتر از ستونهای محصور شده با کامپوزیتهای FRP تحت جهات 0و 0و 0 درجه میباشد. که این موضوع در نمودارهای کرنش محوری-تنش محوری ارائه در اشکال (14) و (15) به‌خوبی مشخص است.
|
شکل(14) مقایسه منحنی نیروی محوری-کرنش محوری نمونههای2C000 و 4C000 و 2C-45450 و4C-45450
|
شکل(15) مقایسه منحنی نیروی محوری-کرنش محوری نمونههای2G000 و 4G000 و 2G-45450 و 4G-45450
|
جدول (10) افزایش نیروی محوری و کرنش محوری نمونههای با فولاد مقطع 2% نسبت به نمونه بدون تقویت |
جدول (11) افزایش نیروی محوری و کرنش محوری نمونههای با فولاد مقطع 4% نسبت به نمونه های بدون تقویت |
از جداول (10) و (11)، با مقایسه دو‌به‌دوی نمونه‌هایی که جنس و زوایای لایههای FRP آنها یکسان است، میتوان افزایش ظرفیت باربری ناشی از مقاومسازی را، برای نمونههای با فولاد دو درصد وچهار درصد مقایسه کرد. که اثر افزایش مقاومت در نمونههای با فولاد کمتر 7 الی 14 درصد بیش از نمونههای با فولاد بیشتر میباشد.
با توجه به اشکال (16) و (17) نتیجه میشود برای افزایش مقاومت استفاده از کامپوزیتهای CFRP موثرترازGFRP است.
ولی برای افزایش شکلپذیری، به‌علت کرنش بالایی که مقاطع تقویت شده با GFRP تحمل میکنند، سطح زیر منحنی تنش-کرنش این نمونه بیش از نمونه های تقویت شده با CFRP میباشد. بنابراین نمونههای تقویت شده با GFRP شکلپذیری بیشتری دارند. باتوجه به اشکال (18) و (19) نتیجه میشود هرچه زاویه لایه ها نسبت به محور عرضی ستون کمتر باشد، شکل پذیری ستون بیشتر است.که علت آن همراستا شدن امتداد نیرو وجهت طولی الیاف کامپوزیت میباشد.
|
شکل(16) مقایسه منحنی نیروی محوری-کرنش محوری نمونههای 2C000 و 2G000 و4C000 و 4G000 |
شکل(17) مقایسه منحنی نیروی محوری-کرنش محوری نمونههای 2C90090 و 2G90090 و4C90090 و 4G90090 |
|
شکل(18) مقایسه منحنی نیروی محوری-کرنش محوری نمونههای 2C000 و 2C-454590و 4C000 و 4C-454590 |
شکل(19) مقایسه منحنی نیروی محوری-کرنش محوری نمونههای 2G000 و 2G-454590و 4G000 و 4G-454590 |
از بررسی 18 نمونه نرمافزاری و مقایسه نمونههای تقویت شده با نمونههای فاقد تقویت، وهمچنین مقایسه نمونههای تقویت شده با کامپوزیتهای تحت زوایای صفر درجه با سایر زوایا، نتایج زیر حاصل میشود.
1- همانطورکه انتظار میرفت، هرچه امتداد الیاف لایههای کامپوزیت به راستای عرضی ستون نزدیک‌تر باشد اثر مقاومسازی بیشتر است. طوریکه در نمونههای با زوایای صفر درجه نسبت به راستای عرضی ستون، ظرفیت باربری نمونهها تا 77/2 و شکلپذیری آنها تا 5/11 برابر افزایش می‌یابد. باتوجه به اینکه در پژوهشهای گذشته اثر تغییر جهت کامپوزیتها بسیار کمرنگ میباشد، انتخاب کامپوزیت سه لایه با زوایای صفر، با هدف مقایسه با سایر زوایا صورت گرفته است.
2- از نتایج با اهمیت این تحقیق افزایش مقاومت و شکلپذیری هر نمونه تقویت شده نسبت به حالت تقویت نشده همان نمونه میباشد. که بهطور کلی ظرفیت باربری محوری ستونها نسبت به حالت بدون تقویت، 43/1 الی 77/2 برابر و شکلپذیری نمونهها 5/5 الی 13 برابر افزایش یافته است.
3- در مقاومسازی بهوسیله کامپوزیتهای FRP با لایههای 0 و45 و45- درجه، اثر افزایش شکلپذیری محسوستر از افزایش مقاومت است. بهطوریکه در این نمونهها در مقایسه با نمونههای فاقد تقویت، افزایش 13 برابری کرنش محوری مشاهده میشود. لذا استفاده از FRP در این جهات راهکار خوبی برای افزایش شکلپذیری ستونهای بتن مسلح میباشد.
4- افزایش ظرفیت باربری محوری ناشی از مقاوم سازی، برای نمونههای با فولاد دو درصد، 8 الی 16 درصد بیش از نمونههای با فولاد چهار درصد میباشد. ولی افزایش کرنش محوری برای هر دو حالت یکسان است.
5- افزایش مقاومت با کامپوزیتهای تحت زوایای 0 درجه، برای نمونههای تقویت شده با CFRP حدود 7 درصد بالاتر از GFRP میباشد. همچنین افزایش کرنش نهایی محوری در نمونههای تقویت شده با GFRP بهطور متوسط حدود 73 درصد بیشتر از نمونههای تقویت شده با GFRP میباشد.
)