بررسی ستون های پل بهسازی شده توسط لمینت های اف آرپی و غلاف فولادی

نویسنده : کلینیک بتن ایران
تاریخ ثبت : 1397/07/14

چکیده

باتوجه به اینکه در طراحی تعداد زیادی از پل های موجود اثرات تخریبی زمین لرزه به علت ناکافی بودن دانش طراحی لرزه ای در زمان ساخت در نظر گرفته نشده است، احتمال بروز خسارات وسیع در پل ها و اجزای موجود آنها بر اثر وقوع یک زلزله نسبتاً شدید دور از انتظار نخواهد بود. در بررسی های انجام شده در تحقیقات میدانی بعد از وقوع زلزله های بزرگ و ارزیابی لرزه ای سازه های موجود مشخص شده است که پایه ی پل های قدیمی دارای ضعف های فنی از جمله مقاومت طراحی ناکافی و شکل پذیری کم سازه
می باشند. بنابراین باتوجه به ضعف های موجود، در این پژوهش ورق های
FRP و غلاف فولادی برای بهسازی لرزه ای پایه پل پیشنهاد شد تا مورد ارزیابی قرار گیرند و مزایا و معایب هر کدام از روش ها مورد بررسی و مقایسه قرار گیرد. برای رفع این نقیصه های ابتدا نتایج آزمایشگاهی بدست آمده از تحقیقات دپارتمان مهندسی عمران دانشگاه واشنگتن در مورد ورق های FRP و غلاف فولادی توسط نرم افزار ABAQUS مورد صحت سنجی قرار گرفت. سپس ساز پایه پل در نزم افزار، بدون FRP و غلاف فولادی مدل سازی شد و مورد آنالیز لرزه ای قرار گرفت. در ادامه مشخصات ورق های FRP و غلاف فولادی به صورت مجزا به سازه اعمال شد و مورد تحلیل قرار گرفت تا میزان افزایش مقاومت و شکل پذیری نسبت به حالت اولیه مورد ارزیابی قرار گیرد و در نهایت با توجه به جداول و نمودارهای جابجایی، تنش و کرنش ستون به این نتیجه رسیدیم که میزان اثر بخشی FRP نسبت به غلاف فولادی در بهبود رفتار لرزه ای به مراتب بیشتر از غلاف فولادی می باشد.

1- مقدمه

امروزه در مقاوم سازی سازه ها پیشرفت های فراوانی در مورد مواد، روش ها و تکنیک ها به وجود آمده است. یکی از جدید ترین این تکنیک ها استفاده از ورق های FRP است که به عقیده ی مهندسین سازه یکی از مواردی است که قابلیت پیشرفت زیادی را در صنعت ساخت و ساز داراست. در سال های اخیر استفاده از ورق های FRP به جای پوشش های فولادی به منظور تقویت خارجی بسیار متداول گردیده است. ورق های FRP در مقایسه با پوشش های فولادی مقاومت بیشتری در برابر خوردگی و خستگی از خود نشان می دهند. مقاومت بالای کششی و وزن سبک، FRP را یه یکی از مصالح ایده آل در صنعت ساختمان تبدیل کرده است. مزیت مورد توجه دیگر جابجایی و کاربرد آسان این مصالح است که باعث کاهش زمان و نیروی انسانی مورد نیاز برای اجرا و تکمیل آنها می گردد.

2- پایه های نظری و پیشینه پژوهش

شکل پذیری یکی از عوامل مهم در استهلاک نیروی جانبی زلزله و عملکرد مناسب لرزه ای در سازه
می باشد. برای داشتن سازه شکل پذیر ضوابط متعددی از جمله نحوه اتصالات، تعداد و فواصل میلگردای عرضی و طولی، طول و محل وصله ها، طول و محل ایجاد مفاصل پلاستیک و مقاومت مشخصه بتن لازم است تا در طراحی و اجرای سازه در نظر گرفته شود. در بهسازی لرزه ای سازه های موجود از جمله پایه پل ها که این ضوابط بدرستی رایت نشده اند استفاده از ورق های
FRP و غلاف فولادی می تواند در رفع این نواقص و بهبود عملکرد لرزه ای پایه پل تاثیر گذار باشد.

آقایان مک لین و همکاران (2010) در گزارش تحقیقاتی به مرکز حمل و نقل ایالت واشنگتن با عنوان بررسی بهسازی لرزه ای ستون های صلیبی شکل پل واقع در خیابان آرورای واشنگتن با ورق های FRP" در بررسی آزمایشگاهی بر روی نمونه های در مقیاس یک سوم به این نتایج رسیدند که در نمونه های بهسازی شده مفصل پلاستیک در ستون ها ایجاد شد و همچنین افزایش مقاومت و افزایش استهلاک انرژی و شکل پذیری در مقطع مشاهده شد.

آقایان لی و همکاران (2005) در مقاله منتشر شده در مجله موسسه مهندسی چین باعنوان بررسی لرزه ای پایه پل بهسازی شده با غلاف فولادی در تایوان بعد از آژمایش ها بارگذاری چرخه ای تغییر مکان کنترل به این نتیجه رسیدن که غلاف فولادی به طور چشم گیری مقاومت و شکل پذیری سازه را افزایش می دهد.

آقایان پانتلایدز و همکاران (2004) در مقاله منتشر شده در مجله مواد کامپوزیت برای ساخت و ساز باعنوان بررسی بهسازی لرزه ای پایه پل با ورق های FRP در امریکا پس از تحقیقات آزمایشگاهی بر روی نمونه های مشخص شده به این نتایج رسیدند که الیاف FRP باعث افزایش مقاومت، شکل پذیری و افزایش دوام سازه در برابر عوامل محیطی می شود.

در ایران نیز آقایان دکتر افشین و دکتر عابدی (2010) در مقاله منتشر شده در مجله آسیای مهندسی عمران در مطالعه عددی درباره تقویت لرزه ای ستونهای پل با استفاده از غلاف فولادی به این نتایج رسیدن که غلاف فولادی باعث افزایش شکل پذیری ستون می شود.

3- هدف از اجرا

باتوجه به اینکه در طراحی تعداد زیادی از پل های موجود اثرات تخریبی زمین لرزه به علت ناکافی بودن دانش طراحی لرزه ای در زمان ساخت در نظر گرفته نشده است، احتمال بروز خسارات وسیع در پلها و اجزای موجود آنها بر اثر وقوع یک زلزله نسبتاً شدید دور از انتظار نخواهد بود. در بررسی های انجام شده در تحقیقات میدانی بعد از وقوع زلزله های بزرگ و ارزیابی لرزه ای سازه های موجود مشخص شده است که پایه ی پل های قدیمی دارای ضعف های فنی زیر می باشند :

مقاومت طراحی ناکافی، محصور شدگی ناکافی هسته بتنی در منطقه مفاصل پلاستیک، مقاومت برشی ناکافی بعلت کمبود و زیاد بودن فواصل میلگردهای عرضی، طول وصله پوششی کم و قرار گرفتن وصله پوششی در منطقه مفصل پلاستیک، رعایت نکردن خم 135 درجه چنگک میلگردهای عرضی و طول کم آنها، شکل پذیری کم سازه و وجود تغییر شکل های ماندگار در سازه.

باتوجه به ضعف های موجود، در این پژوهش ورق های FRP و غلاف فولادی برای بهسازی لرزه ای پایه پل پیشنهاد شده است تا مورد ارزیابی قرار گیرند تا میزان تاثیر هر کدام از روش ها در بهبود عملکرد لرزه ای سازه از جمله شکل پذیری مورد بررسی و مقایسه قرار گیرد.

4- انتخاب نمونه اولیه و جزییات چون ساخت

آزمایش های تجربی بر روی نمونه های در مقیاس یک سوم براساس ابعاد، میلگردبندی، جزییات و مصالح پایه های پل موجود توسط مک لین مدل شده اند انجام گرفته است. میلگردهای طولی پایه های پل موجود شامل 40 عدد میلگرد 38 میلی متر در ستون صلیبی شکل می باشند. بدلیل نبود میلگرد معادل میلگردهای پل برای نمونه ها از میلگرد شماره 4 استفاده شده است. نمونه های آزمایش توسط موسسه Washington Central Premix Inc. of Spokane ساخته شدند.

بتن استفاده شده در نمونه های ستون به طور میانگین دارای مقاومت فشاری 28 مگاپاسکال در زمان آزمایش داشته است. میلگردهای طولی شماره 4 گرید 40 به طور میانگین دارای مقاومت تسلیم 330 مگاپاسکال می باشند. میلگردهای عرضی 36A به قطر 6 میلی متر به طور میانگین دارای مقاومت تسلیم 430 مگاپاسکال می باشند. ورق های FRP مورد استفاده در ستون دارای مقاومت نهایی 1035 مگاپاسکال و مدول الاستیسیته ی 69600 مگاپاسکال می باشند.

5- مراحل انجام آزمایش و بارگذاری

آزمایش انجام شده بر روی ستون برگرفته از آزمایش انجام شده در دانشگاه سندیگوی کالیفرنیا می باشد. بارگذاری نمونه های آزمایش به صورت آرام و روش شبه استاتیکی اعمال می شود. بارهای جانبی تحت روش تغییر مکان کنترل و با الگوی افزایش تدریجی تغییر اعمال می شود. تغییر مکان با سرعت 13/0
میلی متر برثانیه برای سه چرخه ی کامل برای تغییر مکان های 33/0
± ، 67/0± و 1± برابر yΔ و سپس افزایش می یابدبه سرعت 0،26 میلی متر بر ثانیه برای سه چرخه ی کامل برای تغیر مکان های 5/1± ، 2± ، 3± ، 4± ، 5± ، 6± ، 8± ، 10± ، 12± ، 14± ، 16± ، 18± و 20± برابر yΔ اعمال می شود تا اینکه اولین شکست اتفاق بیافتد. شکست در 20% بیشترین بار جانبی برای هر نمونه تعریف می شود.

شکل 1: نمودار بارگذاری چرخه ای وارد بر نمونه آزمایشگاهی

حداکثر بار جانبی در جابجایی جانبی 61 میلی متر تحت بار 438 کیلو نیوتن رخ داد. ستون شاهد کاهش قابل توجهی در سختی جانبی و مقاومت در تغییر مکان 71 میلی متر از خود نشان داد و بار اعمالی به زیر 80% حداکثر بار اعمالی در طول اولین چرخه رسید. آزمایش پس از دومین چرخه در سطح تغییر مکان 71 میلی متر متوقف شد.

6- روند مطالعه

در این پژوهش برای بررسی صحت مدل سازی یک نمونه ستون بتنی مسلح که تحت جابجایی سیکلی توسط مک لین و همکاران مورد آزمایش قرار گرفته است توسط نرم افزار ABAQUS تحت اثر همان جابجایی مدل سازی شده و نتایج بدست آمده با نتایج نمونه آزمایش شده مقایسه گردیده است.

سپس یک ستون بتنی مسلح با مقیاس واقعی توسط نرم افزار ABAQUS مدل شده و تاثیر پوشش FRP و غلاف فولادی بر رفتار لرزه ای ستون بررسی شده است.

7- داده های ورودی نرم افزار ABAQUS

برای تعریف کردن مشخصات بتن مدول الاستیسیته بتن Ec، مقاومت فشاری نهایی تک محوره Fc، مقاومت کششی نهایی تک محوره Fr، ضریب پواسیون V نیازمندیم. برای مدل کردن رفتار بتن از روش
 
Concrete Damaged Plasticity استفاده شده است. در این روش برای شبیه سازی رفتار پلاستیک بتن پارامترهای Dilation angle ، Eccentricity ، Fbo/Fco ، Viscosity Parameter نیازمندیم.

برای تعریف کردن مشخصات فولاد به مقاومت نهایی فولاد، مدول الاستیسیته، شریب پواسیون و تعریف کردن رفتار پلاستیک نیازمندیم.

شکل 2: پارامترهای ورودی برای مدل کردن رفتار بتن

8- مقایسه نمودار هیسترزیس نمونه مدل شده با ABAQUSو نمونه آزمایشگاهی

آزمایش انجام شده بر روی ستون برگرفته از آزمایش انجام شده در دانشگاه سندیگوی کالیفرنیا می باشد. ستون مورد آزمایش رفتاری با استهلاک انرژی متوسط ولی شکل پذیری کم ب نمایش گذاشت. سختی ستون کاهش کمی تا سطح تغییر مکان 30 میلی متر داشت ولی با از دست دادن سختی در سطوح بعدی تغییر مکان تا حداکثر بار ادامه یافت. حداکثر بار جانبی در جابجایی جانبی 61 میلی متر تحت بار 438 کیلو نیوتن رخ داد. ستون شاهد کاهش قابل توجهی در سختی جانبی و مقاومت در تغییر مکان 71 میلی متر از خود نشان داد و بار اعمالی به زیر 80% حداکثر بار اعمالی در طول اولین چرخه رسید. آزمایش پس از دومین چرخه در سطح تغییر مکان 71 میلی متر متوقف شد.

تسلیم آرماتورهای طولی اولین بار در سطح بار جانبی 120 کیلونیوتن همراه ترک های خمشی در بالا و پایین ستون اتفاق افتاد. ترک های برشی اولیه در سطح بار جاانبی 290 کیلونیوتن تشکیل یافتند. تسلیم آرماتورهای عرضی برای اولین بار در سطح بار جانبی 390 کیلونیوتن همراه باز شدن ترک های برشی بزرگ نزدیک پایان آزمایش رخ داد. مود شکست نهایی ستون شکست برشی بود.

کرنش خیلی کوچک خاموت در سطح تغییر مکان 41 میلی متر مشاهده شد. هنگامی که در اولین چرخه سطح تغییر مکان به 41 میلی متر رسید، حداکثر بار جانبی 290 کیلونیوتون شد و اولین ترک های برشی در ستون بوجود آمد. کرنش سنج 2 که تقریباً بالاتر از وسط ارتفاع ستون قرار داشت، مقادیر کرنش تسلیم را ثبت کرد. کرنش های خیلی بزرگ خاموت ها در سومین چرخه در تغییر مکان 61 میلی متر همراه با باز شدن ترک های برشی بزرگ در ستون مشاهده شد.

تقریباً یک الگوی کرنش خطی در کرنش سنج بالای ستون تا اولین تسلیم در سطح تغییر مکان 41 میلی متر مشاهده شد. کرنش خیلی بزرگ مازاد بر µƐ 15000 در سطح تغییر مکان 61 میلی متر مشاهده شد. کرنش ها در کرنش سنج تحتانی در سطح تغییر مکان 20 میلی متر به اولین تسلیم رسید. کرنش ها تقریبا تا سطح تغییر مکان 41 میلی متر ثابت ماندند سپس سریعاً تا کرنش مازاد µƐ 5000 تا ادامه ی آزمایش افزایش یافت.

برای صحت سنجی مدل کلیه جزییات نمونه آزمایش شده اعم از ابعاد، مشخصات مصالح و رفتار بتن در نرم افزار آباکوس تعریف و مدل شد. پس از آنالیز مدل و استخراج نتایج، نمودار هیسترزیس نمونه مدل شده رسم گردید تا رفتار شکست نمونه و مقایسه آن با نمودار هیسترزیس نمونه آزمایشگاهی صورت گیرد.

با بررسی نمودار هیسترزیس نمونه مدل شده در نرم افزار که در شکل 4 نیز قابل مشاهده است در هر چرخه زوال سختی نمونه و در نهایت شکست نمونه را شاهد هستیم، همچنین میزان حداکثر نیروی متحمل شده توسط نمونه مدل شده با حداکثر نیروی متحمل شده توسط نمونه آزمایش شده که 436 کیلو نیوتن
می باشد مطابقت دارد. بنابراین این نتایج بیانگر درست عمل کردن رفتار نمونه مدل شده در نرم افزار
می باشد.

شکل 3: نمودار هیسترزیس نمونه آزمایش شده توسط مک لین

شکل 4: نمودار هیسترزیس نمونه مدل شده در نرم افزار ABAQUS

9- بررسی رفتار لرزه ای نمونه واقعی

ستونی با مقطع دایروی با 22 میلگرد نمره 25 با میلگردهای عرضی نمره 12 با فواصل 15 سانتی متر به ارتفاع 640 سانتی متر در نرم افزار مدل شد و بار محوری قائم 20 مگاپاسکال و بار جانبی چرخه ای طبق نمودار زیر بر مدل اعمال شد :

شکل 5: مقطع ستون واقعی

شکل 6: نمودار بارگذاری چرخه ای وارد بر نمونه

10- نتایج

باتوجه به نمودارهای 1 تا 7 که جابجایی، تنش و کرنش ستون را نشان می دهند که میزان اثر بخشی FRP نسبت به غلاف فولادی در بهبود رفتار لرزه ای و باتوجه به شکل های 10 تا 15 که نمودارهای خرابی فشاری و کششی ستون را نشان می دهند با بررسی منحنی میزان ها مشاهده شد که با اعمال بهسازی تمرکز خرابی از پای ستون به سمت نواحی میانی ستون گسترش یافت و از ایجاد شکست ترد جلوگیری کرد.

باتوجه به شکل های 7 تا 9 که نمودار هیستروزیس ستون را نشان می دهند که میزان جذب انرژی ستون تقویت شده با FRP به مراتب بیشتر از غلاف فولادی می باشد.

شکل 7: نمودار هیسترزیس ستون چون ساخت

شکل 8: نمودار هیسترزیس ستون تقویت شده با FRP

شکل 9: نمودار هیسترزیس ستون تقویت شده با غلاف فولادی

نمودار 1: تغییرات جابجایی کلی ستون

نمودار 2: تغییرات کرنش غیرخطی ستون در جهت 11 یا  x

نمودار 3: تغییرات کرنش غیرخطی ستون در جهت 22 یا y

نمودار 4: تغییرات کرنش غیرخطی ستون در جهت 33 یا  z

نمودار 5: تغییرات تنش در جهت 11 یا  x

نمودار 6: تغییرات تنش در جهت 22 یا y

نمودار 7: تغییرات تنش در جهت 33 یا z

11- نتیجه گیری

  • ستون تقویت شده با ورق های FRP%12 و غلاف فولادی %10،3 بیشتر از ستون ازبلیت مقاومت فشاری از خود نشان دادند.
  • ورق های FRP و غلاف فولادی تاثیر آنچنانی در مقدار عددی ماکزیمم مقاومت کششی ستون نگذاشتند ولی از نظر مود خرابی ستون، ستون تقویت شده با FRP عملکرد بهتری از خود نشان داد.
  • ستون تقویت شده با ورق های FRP%414،9 و غلاف فولادی %9،1 بیشتر از ستون ازبلیت نیروی بیشتری را جذب کردند که در نتیجه بیانگر افزایش شکل پذیری ستون می باشد.
  • ورق های FRP%28 و غلاف فولادی %11 میزان جاابجایی کلی ستون را نسبت به ستون ازبلیت کاهش دادند.
  • ورق های FRP%89 و غلاف فولادی %30 میزان کرنش کلی ستون را نسبت به ستون ازبلیت کاهش دادند.
  • ورق های FRP%26 کرنش غیرخطی در جهت X را کاهش و %39 تنش در جهت X را نسبت به ستون ازبلیت افزایش دادند.
  • غلاف فولادی %5 کرنش غیرخطی در جهت X را افزایش و %17 تنش در جهت X را نسبت به ستون ازبلیت کاهش دادند.
  • ورق های FRP%35 کرنش غیرخطی در جهت Y را افزایش و %4 تنش در جهت Y را نسبت به ستون ازبلیت کاهش دادند.
  • ورق های FRP%100 کرنش غیرخطی در جهت Z را کاهش و %90 تنش در جهت Z را نسبت به ستون ازبلیت کاهش دادند.
  • غلاف فولادی %30 کرنش غیرخطی در جهت Z را کاهش و %13 تنش در جهت Z را نسبت به ستون ازبلیت کاهش دادند.

این مقاله در کنفرانس بین المللی انسان، معماری، عمران و شهر توسط جناب آقای عبدالرحیم جلالی - عضو هیات علمی و استاد یار دانشگاه تبریز ارائه و در وب سایت کلینیک بتن ایران انتشار یافته است.

سایر مقالات
انواع بتن
انواع بتن
معمولی ترین نوع بتن مخلوطی ست از سیمان پرتلند، ماسه، شن و آب، این بتن بهمراه آرماتور و یا بدون آن در سازه ها، راهها و پی بکار می رود. نسبت مخلوط شن، ماسه و سیمان این بتن از 1:1:2 (برای قویترین مخلوط) تا 1:3:6 (بتن مگر یا بعنوان بتن بستر) در تغییر می باشد
ادامه مطلب
کاربردها و استاندارد ها نسبت بندی طرح مخلوط بتن
کاربردها و استاندارد ها نسبت بندی طرح مخلوط بتن
 زمانی که کنترل عملکرد افزودنی ها از طریق ساخت طرح های آزمایشی در آزمایشگاه انجام میگیرد مجموعه طرح های ساخته شده باید به گونه ای باشد اطلاعات لازم جهت کاربرد در پروژه را فراهم کنند در صورتی که الزامات مربوط به پروژه تامین گردد نیازی نیست تا کنترل افزودنی مطابق با الزامات ذکر شده  در استاندارد در مورد اسلامپ و عیار مواد سیمانی کنترل گردد.با این وجود آزمایشات انجام شده جهت اندازه گیری اسلامپ هدف مقدار هوا زمان گیرش و مقاومت در سنین مختلف باید در جهت کنترل تامین الزامات مربوط به پروژه باشد.
ادامه مطلب
ضد آب کردن بتن با فناوری کریستالی (آببندی)
ضد آب کردن بتن با فناوری کریستالی (آببندی)
 از پی، کف طبقات و پانل های پیش ساخته بتونی خارجی تا بنا های آبی و زیربنا های شهری، بتن یکی از عمومی ترین مصالح مورد استفاده در ساخت و ساز می باشد. هرچند از ترکیب دانه های سنگی، سیمان و آب ناشی می شود، ولی اغلب مستعد خرابی با نفوذ آب و ترکیبات شیمیایی می باشد
ادامه مطلب
انواع آب بندهای استخرها و مخازن آب
انواع آب بندهای استخرها و مخازن آب
معرفی انواع آب بند کننده هایی که در ساخت استخرها و مخازن صنعتی به کار می رود
ادامه مطلب