Flexural Strength Study The Deficient RC Slabs Strengthened with HPFRC Different Layers

Khorram, Negin; Kazem Sharbatdar, Mohammad

Flexural Strength Study The Deficient RC Slabs Strengthened with HPFRC Different Layers

Document Type : Research Paper

Authors

¹ MSc Student, Civil Engineering Faculty, Semnan University, Semnan, Iran,

² Assisstant Professor, Civil Engineering Faculty, Semnan University, Semnan, Iran,

Abstract

Many reinforced concrete buildings in the world and Iran, have a life of over several decades And many reasons have been damaged. According to the Replacing these buildings will lead to high costs and is no economic and Environmental feasibility and Due to the need Increasing engineers and construction industry Professionals to strengthen, repair and rehabilitation of concrete structures, Several different methods have been proposed for this issue. One method of strengthening is the approach of using a special concrete With high capabilities. one of these concretes is HPFRCC. Experimental Studies have been carried lately about strengthening with HPFRCC on beams, Columns,slabs and other Structural elements and the strength of this concrete Has been confirmed in strengthening. High performance fiber reinforced cement composite (HPFRCC) is a material that is composed of a cement-based matrix and short composite and steel fibers.that Indicate multiple cracking under tensile stress and because of high bonding strength, HPFRCC used as a repair material. However, the mechanical performance of a RC member repaired with HPFRCC has yet been investigated sufficiently. In this paper, is used layers of HPFRCC (HPFR CC patching )in different thickness for deficient RC slabs Flexural Strengthened and numerical Study HPFRCC layers on this slabs with Finite Element.

Keywords

strengthening- cnocrete slabs- HPFRCC layers- Flexural strength

Full Text

تقویت و مقاوم سازی ساختمان ها به عنوان راهکاری درست و مقرون به صرفه برای استفاده بهینه وحداکثری از آنها مطرح می‌گردد. با توجه به سابقه ساخت وساز در کشور ما ، بحث مقاوم‌سازی دارای جایگاه ویژه ای است. امروزه در کشور ما نیز کارهای جدی در این زمینه آغاز شده است. هدف از مقاوم سازی این است که با اندک نوسان شرایط ، ساختمان و سازه آن به پایین تر از سطح وظیفه تنزل نکند و غیر قابل بهره برداری نگردد. در نتیجه، صحت نتایج و طرح مقاوم سازی دارای اهمیت فوق العاده ای می باشد. انتخاب روش مقاوم سازی روند پیچیده ای دارد و تحت تاثیر توام پیشرفت فناوری، شرایط اقتصادی و اجتماعی قرار دارد. یکی از روش های مقاوم سازی می تواند رویکرد استفاده از بتن های ویژه با توانمندی و عملکرد بالا باشد که از انواع این بتن ها می توان به HPFRCC اشاره کرد.HPFRCC ترکیبی است از خمیرۀ سیمان و الیاف تقویتی کوتاه فلزی یا کامپوزیت. از مشخصه های بارز این مواد مقاومت کششی و فشاری بالا نسبت به بتن های معمولی می باشد و مشخصه بارز تر این مواد مقاومت کششی بالاتر این مواد حدود10 برابر بتن معمولی است این مواد به دلیل خواص جذب انرژی و سختی بالا و دوام بالا کاربرد های فراوانی دارند یکی از این کاربردها اخیرا استفاده از آنها برای مقاوم سازی می باشد.

در دهۀ1960، رامولدی و همکاران بررسی تاثیر الیاف فولادی بر کاهش شکنندگی بتن را در دستور کار قرار دادند [1 و 2]. این روند با کاربرد سایر انواع الیاف ادامه یافت و در سال های اخیر ترکیب انواع الیاف با طول های مختلف در دستور کار قرار گرفت. Lim Ym وهمکارش [1] در سال 1997 به این نتیجه رسیدند که بتن های الیافی به علت مقاومت پیوستگی بالا ماده ی مناسبی برای ترمیم می باشد. در اوایل دهه ی 1980، تولید یک مصالح بتن الیافی با رفتار کششی شکل پذیر مورد توجه قرار گرفت که شروع آن توسط اوستون و همکاران در سال 1971 بود [4]. در سال 1989 کرنچل و استانگ با کاربرد مناسب الیاف به هم پیوسته به شکل پذیری کششی 100 برابر نسبت به بتن معمولی دست یافتند[5].

نامان و رینهارت در سال 2003 مصالحی را معرفی نمودند که جدا از FRC ها طبقه بندی می شدند و شامل یک بخش سخت شوندگی کرنش در منحنی تنش-کرنش کششی خود بودند و در رده مصالح توانمندHPFRCC قرار گرفتند. بیشتر اعضای ساخته شده با این مصالح، شامل ملات سیمانی بدون درشت دانه هستند و به همین دلیل ملات یا خمیر سیمانی مسلح شده توسط الیاف نام گرفته اند [6 تا 8].

رفتار سخت شوندگی کرنش تحت کشش که با سایر کامپوزیت های سیمانی و بتنی متفاوت است، از HPFRCC یک مصالح توانمند با قابلیت جذب انرژی بالا و قابلیت ترک خوردگی های زیاد قبل از شکست، ساخته است. از آنجایی که HPFRCC یک مصالح نسبتا جدید است، عمدهی پژوهش های انجام گرفته، بر روی شناخت ماهیت این مصالح، ترکیبات مختلف آن، نسبت های مختلف اختلاط مصالح، روابط حاکم بر منحنی تنش-کرنش، ابداع کامپوزیت های جدید و سایر موارد مشابه متمرکز بوده است. تحقیقاتی نیز بر روی کاربردهای عملی آن در سازه ها انجام گرفته است اما این مطالعات به اندازه تحقیقات مربوط به شناخت رفتار خود مصالح، گسترده نبوده و نیازمند انجام کارهای تحلیلی و آزمایشگاهی فراوان است که بر پایه ی روابط حاکم بر رفتار مصالح انجام می گیرد. در تعدادی از کتاب ها و مقالاتی که اخیراً منتشر شده است، پیشنهادهایی برای استفاده ترکیبی از بتن معمولی و HPFRCC داده شده، اما کارهای عددی و آزمایشگاهی کمتری بر روی آنها انجام گرفته است. پیشنهاد مقدار استفاده بهینه از مصالح

HPFRCC در ترکیب با بتن معمولی، در قسمت‌هایی از سازه که تحت تنش‌های بالایی قرار دارند و شکست سازه بر روی آن بخش‌ها متمرکز است، ضروری به نظر می‌رسد و می‌بایست موردبررسی قرار گیرد. ساهمارام و همکارانش [3] در سال 2008 با بررسی عملکرد تیرهای کامپوزیتی مسلح شده با فولاد در برابر خوردگی دریافتند که انتظار می‌رود بتوان از HPFRCC به‌عنوان مصالحی برای تعمیر و یا پوشش سطحی جهت نگهداری پیشگیرانه از سازه‌هایی که در معرض تخریب هستند استفاده کرد. در این مقاله از لایه‌های HPFRCC در ضخامت‌های مختلف با بهره‌گیری از فن وصله برای تقویت خمشی دالهای ضعیف بتنی استفاده گردیده و با استفاده از روش المان محدود به بررسی عددی اثر مقاومتی لایه‌های HPFRCC بر این تیرها پرداخته‌شده است.

این مقاله منحصراً روی رفتار خمشی دال‌های بتن مسلح و رفتار پیوستگی تسلیحات تقویت‌کننده آن متمرکز است و فرض می‌شود سایر مدهای گسیختگی مانند گسیختگی برشی در طراحی کنترل‌کننده نمی‌باشند.

2- مطالعات آزمایشگاهی

به‌منظور کالیبراسیون و صحت سنجی از نمونه‌های کنترلی که منحصراً از بتن معمولی ساخته‌شده است استفاده شد. دال موردنظر یک دال میانی است که توسط به زرد در آزمایشگاه سازه‌ی دانشگاه سمنان ساخته شد و تحت آزمایش خمش چهار نقطه‌ای قرار گرفت. نمونه دال میانی در چهار لبه روی تکیه‌گاه‌های ساده قرارگرفته و بارگذاری مونوتونیک به‌صورت متمرکز در چهار نقطه به دال وارد می‌شود ] 9[.

جهت شبیه‌سازی مقاومت بتن در ساختمان‌های موجود که در دهه های ١٣٥٠ و ١٣٦٠با سیستم دال دو طرفه بتن مسلح ساخته شده اند، طرح اختلاط مورد استفاده جهت حصول مقاومت فشاری ٢٨ روزه MPa ٢٥ طراحی شد. آرماتورهای فولادی از نوع آجدار رده AII با مقاومت تسلیم میانگین حاصل شده از آزمایش های کشش تک محوری برابر با MPa٣٠٠ در نظر گرفته شد.

جدول1-مشخصات مصالح استفاده شده در آزمایش

مشخصات مصالح	مدول الاستیسیته (MPa)	مقاومت فشاری (MPa)	تنش تسلیم (MPa)
بتن	25000	25	-
میلگرد فولادی	200000	-	350

تعداد هفت نمونه دال دو طرفه میانی تمام مقیاس با پیکربندی هندسی و جزئیات آرماتورگذاری یکسان ساخته شدکه نمونه‌ها مشخص کننده بخش میانی یک سیستم دال دو طرفه محدود به خطوط عطف می باشند(شکل 1).

شکل 1- بخش میانی سیستم دال دو طرفه محدود به خطوط عطف] 9[

دال دارای ١٥٠٠ میلی متر طول و عرض و١٢٠ میلی متر ضخامت می باشد. لایه آرماتورهای کششی(نزدیک به سطح پایینی دال) از ٥ عدد میلگرد آجدار نمره ۱۰به فواصل ٣٠٠ میلی متر در هر دو جهت تشکیل شده و جهت حصول به عمق مؤثر میانگین d ، برابر با ٨٠ میلی متر آرایش یافته است. نمایی از نمونه تیپ آزمایشگاهی دال میانی و جزئیات آرماتورگذاری آن در شکل(2) نمایش داده شده است که نمونه ها جهت حصول مد گسیختگی خمشی خالص طراحی شده است.

شکل2- نمونه دال ساخته شده در آزمایشگاه] 9[

این نمونه کنترلی با استفاده از قوانین مربوط به ACI 318- 99 طراحی گردیده که شبیه ساز یک دال دو طرفه میانی بتن مسلح موجود ونیازمند به مقاوم سازی می باشد.

همانطور که در شکل 3 دیده می شود نمونه ها تحت بارگذاری مونوتونیک به صورت متمرکز در ٤ نقطه(در یک سوم میانی دهانه به فاصله ٣٠٠ میلی متر از یکدیگر در هر دو جهت و به فاصله ٥٢٥ میلی متر از تکیه گاه) قرار گرفتند تا گسیخته شوند. بارگذاری از طریق پایه ستون فوقانی توسط یک جک هیدرولیکی قابل کنترل با حداکثر ظرفیت kN ٥٠٠ و حداکثر حرکت (جابجایی) mm ١٥٠ به نمونه وارد شد.

شکل 3- برپایی آزمایش و جانمایی تجهیزات دال میانی تمام مقیاس] 9[

دال بتنی تحت بارگذاری افزاینده (مونوتنیک) قرار گرفت و تحت بار50 kN وتغییرمکان 100 mm گسیخته شد(شکل4 ).

پس از انجام آزمایش نمودار بار-تغییر مکان دال تحت آزمایش به صورت شکل( 5 )به دست آمد.

3- مطالعات تحلیلی

در این مرحله با توجه به هزینه ی بالا و وقت گیر بودن کارهای آزمایشگاهی، کار تحلیلی بر روی این نمونه ها انجام گرفت که در ذیل می آید. برای انجام کار تحلیلی از نرم افزار ABAQUS استفاده شده است. این نرمافزار غیرخطی اجزای محدود با دارا بودن المانهای متعدد، قابلیت مدلسازی بتن، میلگردهای فولادی، بتن مسلح، FRP و کامپوزیتهای سیمانی را دارا میباشد. برای مدلسازی بتن شیوهها و گزینههای مختلفی در این نرمافزار موجود است که با عنایت به رفتار کششی ویژهی کامپوزیت HPFRCC از گزینهی Concrete Damage Plasticity استفاده میشود. در این گزینه امکان وارد نمودن نقاط مختلف منحنی تنش-کرنش بتن و کامپوزیت در کشش و فشار وجود دارد ] 10[.

شکل 4- گسیختگی دال بتنی در لحظه ی نهایی بارگذاری

شکل 5- نمودار بار-تغییر مکان دال میانی دوطرفه ی بتن معمولی

در این نرمافزار دو مکانیزم برای انهدام بتن پیشبینی شده است. مکانیزم اول، ترکخوردگی تحت کشش است و مکانیزم دوم، خردشدگی تحت فشار میباشد. در شکل(6) منحنی تنش – کرنش بتن معمولی مورد استفاده در نرم افزار نشان داده شده است.

الف) تحت فشار

ب)تحت کشش

شکل 6- منحنی تنش-کرنش بتن معمولی] 10[

از آنجا که در این مقاله مصالح HPFRCC تحت بارگذاری افزاینده در یک جهت قرار داشته و بارگذاری رفت و برگشتی به آن اعمال نمیشود، منحنیهای نشان داده شده در شکل (7) در نرم افزاز وارد میگردند. این منحنیها که به عنوان منحنی پوش شناخته می شوند، از به هم پیوستن نقاط دارای تنش حداکثر در

تاریخچه بارگذاری تشکیل میگردند.

شکل 7- منحنی تنش-کرنش HPFRCC

الف- فشار ب- کشش ] 11[

منحنی تنش-کرنش استفاده شده برای میلگردها نیز بصورت دوخطی مطابق شکل( 8 )وارد میشود.

شکل 8- منحنی تنش کرنش فولاد

برای مدلسازی بتن و کامپوزیتهای سیمانی از المان مکعبی 20 گرهی Solid که در شکل( 9 ) نیز نشان داده شده، استفاده

میشود.

شکل 9- المان مکعبی Solid 20 گرهی

هر گره در این المان دارای 6 درجه آزادی شامل 3 درجه آزادی انتقالی و 3 درجه آزادی دورانی است.

شکل 10- المان دو بعدی Truss به عنوان آرماتورهای طولی و عرضی

برای مدلسازی میلگردهای فولادی، المان دو بعدی Truss که در شکل(10) نشان داده شده، بکار میرود. این المان دو گرهی قابلیت مدلسازی رفتار غیرخطی فولاد را دارا میباشد.

الف) کالیبره کردن نتایج آزمایش و مدلسازی دال ها

در این بخش علاوه بر کالیبره کردن دال آزمایش مورد نظر که مشخصات وارد شده در نرم افزار در جدول 2 و 3 آورده شده است، فرض بر این است که لایه ی ضعیف کششی دال حذف شده و لایه هایی از بتن HPFRCC به ضخامت های متفاوت به روش پاششی جایگزین آن خواهد شد. بدین منظور چند نمونه دال تقویت شده جهت بررسی موقعیت و ضخامت های مختلف لایه ی وصله در نظر گرفته شد که در جدول 4 آورده شده است. جهت ایجاد چسبندگی مناسب بین دو لایه سطح بتن بالایی خراش داده شده ومضرس می شود ] 12[. این نمونه ها با تعبیه وصله ی HPFRCC در لایه ی کششی دال به ضخامت 30 میلیمتر ، 40 میلیمتر و 60 میلیمتر و یک نمونه هم به منظور مقایسه ی نتایج به طور کامل از HPFRCC ساخته شد ] 13[.

جدول 2- مشخصات بتن و HPFRCC مورد استفاده در

مدلهای تحلیلی

مصالح	مدول الاستیسیته (MPa)	مقاومت فشاری (MPa)	مقاومت کششی (MPa)	ضریب پواسون
بتن	25000	25	-	2/0
HPFRCC	25000	24	5/3	2/0

جدول 3- مشخصات فولاد مورد استفاده در مدلهای تحلیلی

مصالح	(MPa)			(MPa)
فولاد	200000	002/0	15/0	350

جدول 4- نمونه های ساخته شده در نرم افزار

نمونه ها	وصله ی HPFRCC	ضخامت لایه ی HPFRCC
NC-F	-	-
30-HP-F	دارد	30 میلی متر
40-HP-F	دارد	40 میلی متر
60-HP-F	دارد	60 میلی متر
HPF-F	دارد	120 میلی متر

ب) نتایج مدلسازی و تحلیل در آباکوس

اشکال 11 تا 15 آسیب های کششی ایجاد شده در دال های مورد آزمایش را نشان می دهند ] 12[ .

شکل 11- آسیب کششی ایجاد شده در دال بتن معمولی در لحظه نهایی بارگذاری

شکل 12- آسیب کششی ایجاد شده در دال با وصله به ضخامت 30 میلی‌متر(30-HP-F) در لحظه نهایی بارگذاری

شکل 13- آسیب کششی ایجاد شده در دال با وصله به ضخامت 40 میلیمتر(40-HP-F) در لحظه نهایی بارگذاری

شکل 14- آسیب کششی ایجاد شده در دال با وصله به ضخامت 60 میلیمتر(60-HP-F) در لحظه نهایی بارگذاری

شکل 15- آسیب کششی ایجاد شده در دال با HPFRCC کامل

همانطور که دیده می شود آسیب‌های کششی در نمونههای با وصله HPFRCC برخلاف نمونهی بتن معمولی به صورت موضعی و تخریب کننده نیست بلکه به صورت انتشار در کل دال و با شدت بسیار کمتری می باشد و با افزایش ضخامت لایهی وصلهی HPFRCC این موضوع مشهودتر می شود. که این می تواند بیانگر توزیع ترک های بیشتر با عمق نفوذ کمتر در لایه ی HPFRCC باشد.

شکل 16- مقایسه منحنی نیرو-تغییرمکان قائم آزمایشگاهی و تحلیلی دال NC (بتن معمولی)

در شکل( 16 ) مقایسه ی بین منحنی بار-تغییرمکان آزمایشگاهی و تحلیلی نشان داده شده است و اشکال نشان داده شده در اشکال 17 تا20 مربوط به نمونههای آزمایش تحلیلی در آباکوس می‌باشند.معیارشکست نهایی درمدل های تحلیل برمبنای کرنش نهایی بتن درفشاریعنی و در کشش نیز می باشد، بدین صورت که به محض رسیدن به کرنشهای مذکور اعمال نیرو متوقف گردید ] 12[ .

شکل 17- منحنی نیرو-تغییرمکان تحلیلی دال با لایه وصله به ضخامت 30 میلی متر

شکل 18- منحنی نیرو-تغییرمکان تحلیلی دال با لایه وصله به ضخامت 40 میلی متر

شکل 19- منحنی نیرو-تغییرمکان تحلیلی دال با لایه وصله به ضخامت 60 میلی متر

شکل 20- منحنی نیرو-تغییرمکان تحلیلی دال باHPFRCC کامل

در شکل (21 ) مقایسه ای بین نمودارهای دال با ضخامت های مختلف وصله ارائه گردیده است.

شکل21- مقایسه نمودارهای بار- تغییر مکان نمونه ها

همانطور که از نمودارها پیداست با افزایش ضخامت لایه ی وصله عملکرد مکانیکی دال بهبود می یابد و دال در تغییرشکل و بار بیشتر به مرحله ی انهدام می رسد که در جدول 5 میزان تغییر شکل ها و بارهای نمونه ها در لحظه ی انهدام آورده شده است.

جدول 5- مقایسه ی تغییرشکل ها و بارهای وارد بر نمونه ها

درصد افزایش تغییرمکان (%)	درصد افزایش بار(%)	(mm)	(kN)	نام مدل
-	-	83/99	2/48	NC-F
70/6	66/14	52/106	27/55	30-HP-F
34/10	73/18	16/110	23/57	40-HP-F
95/14	99/40	77/114	96/67	60-HP-F
93/21	90/57	73/121	11/76	HPF-F

4- نتیجه گیری

با در نظر گرفتن نتایج آزمایشگاهی نمونه های مرجع و انجام تحلیل های عددی مقاوم سازی دال های خمشی ضعیف با لایه های HPFRCC ، نتایج ذیل حاصل می گردد:

- در همۀ نمونه ها بخش خطی اولیه همانگونه که انتظار می‌رود، رفتار بسیار نزدیک به هم داشته و اختلاف آنها بسیار اندک می‌باشد.

- اگرچه لایهی وصله عملکرد مکانیکی را نسبت به دال بتن معمولی بهبود بخشیده است ولی تغییر در ضخامتهای کم این لایه در حد چند میلی متر در بهبود عملکرد تاثیر داشته است.

- در ضخامتهای بالاتر وصله شکل پذیری و عملکرد مکانیکی دال بهبود بیشتری نشان می دهد.

- مقایسهی بین نمونه ها بیانگر این است که بتن با لایه ی HPFRCC رفتار نرم تری نشان میدهد که این می تواند به علت وجود الیاف و پل زدن آن ها باشدو این خاصیت موجب می شود که به جای ایجاد ترک های عمیق با نفوذ زیاد ترک های ریزتر و به صورت پراکنده با عمق کم ایجاد شود و این پدیده به توزیع بهتر ترک ها کمک می کند.

- آسیبهای کششی در نمونه های با وصله HPFRCC برخلاف نمونه ی بتن معمولی به صورت موضعی و تخریب کننده نیست بلکه به صورت انتشار در کل دال و با شدت بسیار کمتری می‌باشد که این پدیده نیز بیانگر توزیع ترک های ریزتر وپراکنده‌تر با عمق نفوذ کمتر در بتن HPFRCC می باشد.

- مقاوم سازی نمونه دالها با وصله یHPFRCC با توجه به میزان ضخامت وصله، میزان تغییر مکان نهایی را 70/6 تا 95/14 درصد نسبت به دال بتن معمولی و میزان تحمل بار نهایی را 66/14 تا 99/40 درصد افزایش می دهد.

- دالهای HPFRCC دارای نیروی حداکثر و تغییرمکان حداکثری بیشتر از دال های بتنی مشابه خود میباشندکه دلیل این موضوع آن است که وجود الیاف سبب میشود کامپوزیت HPFRCC تحت بارهای شدید یکپارچگی خود را حفظ نماید و به سرعت متلاشی نگردد.

References

[1]. Lim YM, Li VC. Durable repair of aged infrastructures using trapping mechanism of engineered cementitious composites. Cem Concr Compos. 1997.

[2]. Sahmaran M, Li M, Li VC. Transport properties of engineered cementitious composites under chloride exposure. ACI Mater;104(6). J 2007.

] 3.[ خرم.ن،قلهکی.م، بررسی عددی عملکرد مکانیکی اعضای بتن مسلح خورده شده و تعمیرشده توسط وصله HPFRCC و مقایسه با کارآزمایشگاهی. اولین کنفرانس ملی مصالح وسازه‌های نوین در مهندسی عمران.1391.

[4]. Koyanagi W, Rokugo K, Iwase H. The stress–strain relationship of reinforcing bars in concrete and mechanical behavior of RC beams in flexure. JSCE J Mater, Concr Struct Pavements;384/V-7:83–92 [in Japanese]. 1987.

[5]. Koichi Kobayashi &, Keitetsu Rokug Department of Civil Engineering, Gifu University, Yanagido 1-1, Gifu 501-1193, Japan

[6]. Naaman A.E. "SIFCON: Tailored properties for structural performance". In High Performance Fiber Reinforced Cement Composites, H.W. Reinhardt and A.E. Naaman, eds., 18-38. 1992.

[7]. Alwan J., and Naaman, A.E., "New formulation for the elastic modulus of fiber reinforced quasi brittle matrices". ASCE Journal of Engineering Mechanics, 120 (11), 2443-2460. 1994.

[8]. Balaguru P., and Shah, S.P., 1992. "Fiber reinforced cement composites". McGraw Hill, New York.

]9[. به زرد پ ، مقاوم سازی دال های دوطرفه با استفاده از الیاف مسلح پلیمری به روش نزدیک سطح (NSM) ، پایان نامه دکتری تخصصی ، مهندسی عمران گرایش سازه ، دانشگاه سمنان، ایران. (1394).

[10]. Help of ABAQUS. 2008. "Getting started with ABAQUS".

] 11.[ همتی ع . بررسی رفتار خمشی تیرها و قاب های بتن مسلح کامپوزیتی الیافی توانمند. پایان نامه دکتری دانشگاه سمنان1392

[12]. Skazlic M., .Utilization of high performance fiber-reinforced micro-concrete as a repair material, Materials Department, Faculty of Civil Engineering, University of Zagreb, Croatia Civil Engineering. 2009.

] 13[. خرم ن. بررسی عددی مقاوم سازی تیرها و دال‌های بتنی با استفاده از بتن الیافی توانمند تحت اثر بارهای استاتیکی.پایان نامه کارشناسی ارشد.دانشگاه سمنان1392.