تاثیر استفاده از الیاف FRP بر مقاوم سازی ستون چگونه است؟ در مقایسه با روش های مختلف تقویت سنتی، تقویت FRP در سال های اخیر محبوبیت قابل توجهی در بین طراحان حرفه ای به دست آورده است. در دهه 1980 از FRP برای اولین بار در صنعت مهندسی عمران به عنوان جایگزین قابل قبولی برای غلاف های فولادی استفاده شد. این پانل ها از مقاوم سازی ساختمان با FRP با ضخامت چند میلی متر ساخته شده و با چسب قوی و مناسب برای پوشش و ایزوله سطح بتن در محیط خورنده و همچنین تعمیر و تقویت سازه های آسیب دیده در اثر زلزله به سطح بتن چسبانده می شوند. . از FRP برای بهبود مقاومت لرزه‌ای ستون‌های پل بتنی مسلح، ساختمان‌های تحقیقاتی پنج طبقه و ستون‌های با قطر شش فوت به‌طور تجربی استفاده شد. بیش از 30 سال آزمایش، طراحی و نصب سیستم های تقویت کننده FRP نشان داده است که در صورت استفاده صحیح، کامپوزیت های FRP می توانند به عنوان یک راه حل موثر بهبود و تقویت در نظر گرفته شوند. رزین برای چسباندن الیاف FRP به یکدیگر است تا از آنها در برابر عوامل محیطی محافظت کند. مواد کامپوزیتی FRP بر اساس انواع الیاف متداول FRP (فیبر کربن، الیاف شیشه و آرامید) به سه دسته تقسیم می شوند: CFRP، GFRP و AFRP. به منظور بهبود مقاومت ضربه ای الیاف FRP، استانداردهای موجود در نسخه 360 در نظر گرفته شده بهبود یافته است.
معرفی سیستم تقویت FRP
بر اساس آیین نامه جدید، بسیاری از سازه ها از جمله ساختمان های مسکونی واقع در منطقه زلزله، توان مقاومت در برابر زلزله را ندارند. علاوه بر این، زلزله های اخیر در مناطق شهری به وضوح نشان داده است که مقاوم سازی ساختمان ها اجتناب ناپذیر است. در سال‌های اخیر، تحقیقات گسترده‌ای برای یافتن راه‌هایی برای تقویت و بازسازی ساختمان‌ها برای بهبود عملکرد لرزه‌ای آنها انجام شده است. برای این منظور از روش های مختلفی از جمله افزودن عناصر سازه ای جدید، پیش تنیدگی خارجی و استفاده از صفحات خمیده فولادی استفاده شد. در میان این روش ها، استفاده از کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف یا FRP برای تقویت در 20 سال گذشته مورد قبول جامعه مهندسی عمران قرار گرفته است. کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف (FRP) که در آن الیاف کربن (CFRP)، الیاف شیشه (GFRP) یا الیاف آرامید (AFRP) در یک ماتریس اپوکسی، وینیل یا پلی استر به هم متصل شده اند. فیبر عضوی از سازه در FRP است، در حالی که مواد ماتریس مورد استفاده در مواد کامپوزیت را انتقال و برش می دهد. کامپوزیت های FRP بسته به نوع الیاف به کار رفته در آن ها دارای استحکام متفاوتی هستند. اگرچه مقاومت برشی الیاف شیشه تقریباً مشابه فولاد معمولی است، اما مقاومت کششی کامپوزیت الیاف کربن 2 تا 5 برابر فولاد معمولی است. علاوه بر این، وزن مواد کامپوزیت FRP حدود یک پنجم وزن فولاد است. محصولات استفاده از الیاف FRP بر مقاوم سازی ستون معمولاً برای تقویت سازه ها استفاده می شوند و به صورت نوار، ورق یا لمینت یا میلگرد FRP ارائه می شوند. امروزه استفاده از FRP به عنوان یک جایگزین رایج برای فولاد برای بهبود و تقویت سازه‌های مختلف از جمله ساختمان‌های مسکونی، پل‌ها و خطوط لوله نفت و گاز شناخته شده است. در مقایسه با فولاد، مواد کامپوزیت FRP دارای مزایای زیر است:- سختی مشخصه بالا (E/ρ)
- مقاومت با مشخصه بالا (p/sult)
- مقاومت در برابر خوردگی بالا
- کارکرد و نصب آسان
تقویت ساختمان های بتن آرمه با FRP
روش های مختلفی برای تقویت ستون ها و تیرهای بتنی وجود دارد. با این حال، بیشتر زمان مورد نیاز برای انجام این روش ها استفاده از الیاف است. از آنجایی که استفاده از پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP) در مهندسی عمران از دهه 1990 به طور چشمگیری افزایش یافته است، پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) در ابتدا برای تقویت ستون ها استفاده می شد.تقویت ستون های بتنی با پوشش FRP
از آنجایی که ستون‌ها اجزای اصلی باربر ساختمان‌ها هستند، آسیب‌پذیرترین بخش ساختمان‌های بتن آرمه (RC) در برابر زلزله محسوب می‌شوند. کوچکترین اندازه مقطع و تقویت ناکافی فولادی در ستون هایی که به درستی طراحی نشده اند منجر به ستون های ضعیف و تیرهای قوی می شود. از آنجایی که تیر به طور موثرتری انرژی مصرف می کند، تقویت ستون ساختمان برای ایجاد یک اتصال پلاستیکی در تیر مهم است. علاوه بر این، ستون ها باید به گونه ای طراحی شوند که از ترک خوردن ساختمان در اثر نرمی کف در هنگام زلزله جلوگیری کنند. در هنگام زلزله، به دلیل بارهای چرخه ای محوری و جانبی، ممکن است سه نوع حالت شکست ستون های بتن مسلح رخ دهد. این نوع شکستگی ها عبارتند از شکستگی برشی، شکستگی و پلاستیک خمشی و شکستگی وصله برشی. عدم وجود آرماتور عرضی می تواند باعث شکستگی برشی شود. این نوع پارگی یک پارگی شکننده است که می تواند باعث خرابی های زیادی در ساختمان شود. با استفاده از ورقه های FRP متشکل از الیاف در جهت دایره ای می توان مقاومت برشی ستون های ضعیف را به میزان قابل توجهی بهبود بخشید. نتایج تحقیقات آزمایشگاهی نشان می‌دهد که پوشش کامپوزیت مناسب برای طراحی ستون‌های بتن مسلح می‌تواند مقاومت برشی را افزایش داده، حالت شکست برشی را به حالت تغییر شکل خمشی غیرالاستیک تبدیل کند و شکل‌پذیری خمشی را افزایش دهد. هنگامی که طول وصله پوشش داده شده در ستون به قدری کوتاه باشد که پیوند در اثر زلزله شکسته شود، لکه پوشش داده شده در ستون بتن مسلح ظاهر می شود.ضخامت پوشش FRP مورد نیاز برای اتصال در اطراف محیط وصله پوشش داده شده به طور مستقیم با قطر ستون موثر و با مدول الاستیک ورقه ورقه متناسب است. تحقیقات در این زمینه نشان می دهد که استفاده از پوشش FRP برای بستن ستون مستطیلی به طور قابل توجهی استحکام محوری و شکل پذیری را بهبود می بخشد. بعلاوه در ستون های با مقطع مربعی بدون آرماتور طولی (بتن ساده) از پوشش های پلاستیکی تقویت شده با الیاف شیشه ای یک، دو و سه لایه از الیاف کربن (CFRP) برای افزایش مقاومت محوری به میزان 154%، 213% و 230٪ استفاده می شود. به ترتیب. در مقابل، استفاده از پوشش‌های یک، دو و سه لایه فیبر کربنی FRP (CFRP) در ستون‌های بتن مسلح با سطح مقطع مربع، مقاومت محوری آنها را به ترتیب 188، 255 و 310 درصد افزایش داد. تقویت ستون بتن آرمه می تواند از ترک خوردگی زودرس لایه محافظ بتن و کمانش میلگردهای فولادی طولی جلوگیری کند و در نتیجه عملکرد ستون را تحت بارهای لرزه ای بهبود بخشد. در این حالت با افزایش ظرفیت تغییر شکل ستون محصور شده FRP می توان از کمانش میله فولادی جلوگیری کرد و از تأثیر تغییر شکل برشی بر ظرفیت آن جلوگیری کرد.
با توجه به آزمایش بر روی ستون های بتن مسلح FRP، نتایج زیر به دست می آید: 1- آرماتورها در افزایش بار فشاری به میزان قابل توجهی موثر است، بنابراین با تقویت 22 درصدی کل سطح ستون و عبور از نیمه وسط ستون 8 گیره انتهایی تقویت شده، خوردگی CFRP و عبور از دو سر ستون تقویت شده تا 15 درصد بار فشاری افزایش می یابد. 2- در آزمایشات مختلف مشاهده شده است که جداسازی ورق شایع ترین علت خرابی CFRP است. همچنین استفاده از چسب های قوی تر را روشن می کند. 3- تقویت سختی اعضا را افزایش می دهد. 4- میله فولادی به طور موثری شکل پذیری قطعه را کاهش می دهد به طوری که با نیم چرخش ستون میانی میزان کرنش به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. 5- آرماتور در تأخیر اولین ترک نسبت به ستون مرجع مؤثر است. 6- در مقایسه با ستون مرجع، آرماتور به طور موثری عرض ترک را کاهش می دهد
تقویت دیوار برشی بتنی با پوشش FRP
در ساختمان هایی که در مناطق زلزله ساخته می شوند، از دیوارهای برشی بتن مسلح به عنوان یک سیستم باربر جانبی رایج استفاده می شود. سختی جانبی تیر و دیوار در دال بسیار بیشتر از سایر عناصر سازه ای است و انتظار می رود در برابر بارهای جانبی بهتر مقاومت کند. اگرچه پیشرفت‌های عمده در طراحی لرزه‌ای را میتوان به دهه‌های اخیر ردیابی کرد، ساختمان‌های دیوار برشی قدیمی‌تر در معرض خطر آسیب‌های عمده ناشی از زلزله‌های متوسط یا بزرگ هستند. دلایل این وضعیت صلبیت داخلی ناکافی دال، مقاومت خمشی و برشی ناکافی، مهار ناکافی بتن و طراحی نامناسب است. به منظور کاهش عدم پاسخ لرزه ای ساختمان ها به دلیل عیوب سازه ای، طرح های مقاوم سازی و نگهداری مختلفی وجود دارد. در سال های اخیر پوشش FRP از مزایای وزن سبک و استحکام بالا برخوردار بوده و برای افزایش مقاومت برشی و مصرف انرژی واحدهای دیوار برشی مورد استفاده قرار گرفته است. علاوه بر این، از پوشش های FRP برای افزایش مقاومت خمشی دیوارها استفاده شده است. با استفاده از طرح پوشش در جهات عمودی و افقی می توان شکل پذیری خمشی دیوار را افزایش داد، بنابراین شکستگی های شکننده ناشی از برش را از بین برد. از دیگر مزایای سیستم های تقویت کننده FRP می توان به افزایش مقاومت، سختی و جابجایی نهایی دیوار برشی اشاره کرد. دیوارهای تقویت شده با الیاف FRP ظرفیت اتلاف انرژی بالاتری نسبت به دیوارهای برشی غیرمسلح خواهند داشت.تیرهای بتنی را با پوشش FRP تقویت کنید
تقویت خمشی تیرهای بتن مسلح در ساختمان ها می تواند از طریق اتصال خارجی مصالح کامپوزیت FRP (سیستم اتصال خارجی (EB)) یا با قرار دادن میلگردهای FRP یا میلگردهای فولادی در شیارهای تشکیل شده در داخل بتن (سیستم نصب شده نزدیک سطح (NSM) باشد. ) )) برای تکمیل در این دو روش اتصال FRP و سطح بتن باید کنترل شود تا مقاومت خمشی و صلبیت بهبود یابد و از ترک خوردن در اثر اتصال نامناسب جلوگیری شود. گروه Meyer از آزمایشگاه تحقیقات و آزمایش مواد فدرال سوئیس برای اولین بار استفاده از اتصال چند لایه FRP را برای تقویت سطح تیرهای بتن مسلح کششی برای مقاومت خمشی معرفی کرد. از آن زمان، محققان در سراسر جهان تحقیقات نظری و آزمایشگاهی گسترده ای را در مورد مقاومت خمشی تیرهای بتنی و آرماتورهای فولادی انجام دادند. استفاده از الیاف FRP بر مقاوم سازی ستون هدف از این تحقیق بررسی اثربخشی پوشش FRP بر عملکرد خمشی تیرهای بتنی ساختمانی و یا بررسی تاثیر پارامترهای مختلف بر حالت شکست است. مطالعات قبلی نشان داده است که استفاده از آرماتورها و آرماتورهای پوشش FRP می تواند مقاومت نهایی تیرهای بتنی را تا 22 درصد افزایش دهد. در برخی موارد استفاده از گیره های اضافی برای جلوگیری از ریزش استفاده از الیاف FRP بر مقاوم سازی ستون باعث افزایش 245 درصدی مقاومت می شود. طراحی آرماتور FRP علاوه بر آرماتور، از یک سیستم مهار برای افزایش شکل پذیری تیر تقویت شده با احاطه بتن استفاده می کند. افزایش شکل پذیری با استفاده از پوشش FRP باعث بهبود عملکرد لرزه ای تیر تقویت شده نیز می شود. مطالعات نشان داده است که در مقایسه با تیرهای بتن مسلح بدون پوشش FRP، تیرهای تقویت شده با پلیمر تقویت شده با الیاف کربن (CFRP) 114 درصد افزایش مقاومت برشی تحت بارهای لرزه ای شبیه سازی شده دارند. مواد FRP سفتی تیر را قبل از شکست برشی افزایش داده و باعث رفتار تقریباً الاستیک می شوند. اگرچه مقاومت خمشی تیرهای بتنی را می توان با اتصال پوشش های FRP افزایش داد، اما باید مراقب بود که استفاده از دال های FRP باعث ایجاد حالت های جدید شکست در تیرهای مسلح نشود. این نوع گسیختگی در بارهای بسیار کمتر از بار طراحی رخ می دهد و معمولاً ماهیتی شکننده است.
به منظور استفاده از پوشش FRP به عنوان یک روش موثر بهبود، تقویت و تبدیل، باید از نتایج آزمایشگاهی و مدل سازی کامپیوتری برای درک کامل رفتار و حالت های شکست تیرهای تقویت شده با FRP استفاده شود. با استفاده از الیاف و پیش تنیدگی الیاف، کارایی سیستم تقویت کننده FRP برای تیرهای RC می تواند تا حد زیادی بهبود یابد. اثر سودمند روش پیش تنیدگی، به تاخیر انداختن ایجاد ترک، افزایش استحکام کششی قطعه به دلیل محدودیت ها و کاهش هزینه های مرتبط با تقویت الیاف FPR است، زیرا دارای استحکام مشابه با FRP بدون الیاف پیش تنیده است. از پوشش FRP پیش تنیده برای به دست آوردن قدرت استفاده کنید، اما با سطح مقطع کوچکتر.بنابراین، هنگامی که ورق یا ورقه ورقه پیش تنیده می شود، عمر مفید تیر تقویت شده با FRP بهبود می یابد. با این حال، مقررات مربوط به اجرای FRP پیش تنیده هنوز به طور کامل تدوین نشده است. قبل از استفاده گسترده از FRP پیش تنیده، لازم است تا حد امکان تکنولوژی پیش تنیدگی و روش نصب اصلاح و ساده شود.
نتیجه تقویت سازه ها در برابر زلزله از اهمیت ویژه ایی برخوردار است به کمک فناوری FRP میتوان به خوبی این عمل را انجام داد و از تخریب سازه های مهم جلوگیری کرد .