امروزه و در دهه های اخیر به دلایل مختلفی همچون افزایش بارهای بهره برداری، خطاهای اجرایی، تغییرات آیین نامه و … تقویت، مرمت و مقاوم سازی تیرهای بتنی از موضوعات مورد علاقه بسیاری از محققان بوده است.
از مهم ترین عوامل مؤثر بر قابلیت بهره برداری سازه ها، تغییرشکل و ترک خوردگی تیر بتن آرمه می باشد. عرض ترک بیش از حد، موجب آسیب و خرابی بتن سازه ها می گردد و تأثیر نامطلوبی بر زیبایی ظاهری سازه دارد. تغییر شکل های تیر بتنی نیز باید در حدود قابل قبول برای استفاده از سازه باشد.
با توجه به هزینه قابل ملاحظه نوسازی مجدد سازه ها، در سال های اخیر مسئله تقویت، ترمیم و مقاوم سازی سازه های ضعیف و خسارت دیده در سطح وسیعی مطرح شده است. یکی از روش های نسبتاً جدید مقاوم سازی اجزاء بتنی تقویت شده و از جمله تیر بتنی ، محصورشدگی مناطق تحت تنش و برش با CFRP است.
این روش مقاوم سازی به علت وضعیت مواد کامپوزیتی نظیر وزن سبکشان و رفتار الاستیک خطی تا نقطه گسستگی و مقاومت کششی خیلی بالا و مدول الاستیسیته بالا، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت بالا نسبت به خستگی و… خیلی مرسوم گردیده اند. ورق های پیش تنیده FRPو میلگردهای FRP در سال های اخیر برای تقویت خمشی و مقاوم سازی تیرهای بتن آرمه استفاده می گردند.
میلگردهای کامپوزیت اف آر پی(FRP) مورد استفاده جهت مقاوم سازی، در برابر خوردگی مقاوم می باشند؛ بنابراین، زمانی که خوردگی میلگرد دلیل اصلی برای کنترل ترک در اعضای بتن آرمه است، از عرض ترک های بزرگتر اعضای بتن آرمه با میلگرد اف آر پی (FRP) می توان چشم پوشی نمود.
دلایل نیاز به مقاوم سازی تیر های بتنی با الیاف اف آر پی(FRP)
در تیرهای بتن آرمه ی تقویت شده با ورق های اف آر پی (FRP) به دلیل جداشدگی زودرس و ناگهانی ورق ، ممکن است تیر به ظرفیت نهایی خود نرسد.
پدیده ی جداشدگیورق و ایجاد دیرکرد در آن با کمک روش های گوناگون انجام شده است. با این همه ، این موضوع هنوز از اصلی ترین موضوع ها در زمینه کاربرد ورق های FRP در مقاوم سازی می باشد. استفاده از این کامپوزیت ها در تقویت خمشی دال ها و تیرها بیشتر مورد استفاده قرار گرفته است.
در سال ۱۹۹۹ ،آقای گریس و همکارانش برای بررسی رفتار تیرهای بتن مسلّح که با انواع مختلف ورق های پلیمری مسلّح به الیاف تقویت شده اند، ۱۴ تیر بتنی را مورد آزمایش قرار دادند. هر تیر در ابتدا به اندازه مقاومت ترک خوردگی بارگذاری شده و سپس تیرهای ترک خورده با ورقهایFRP تقویت شدند و تا مرحله شکست تحت بارگذاری قرار گرفتند. ۵ سیستم تقویت کننده از انواع مختلف پلیمرهای مسلّح به الیاف شیشه ای/کربنی بکار گرفته شد و تأثیر مقاوم سازی تیرها بر خیز، بار نهایی، شکل گسیختگی و شکل پذیری آنها مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به آزمایش های انجام شده نتایج زیر حاصل شد : الف) بکارگیری ورقهای FRP در تقویت تیرهای بتنی سبب افزایش ظرفیت باربری وکاهش خیزآن می شود. همچنین ترک های ایجاد شده کوچک تر و به طور یکنواخت پخش گردیده اند و وجود لایه های عمودی تقویت، باعث جلوگیری از پارگی در الیاف خمشی (افقی) می شود. ب)ظرفیت باربری نهایی تیرها با به کاربردن ترکیبی از ورق های تقویتی مسلّح به صورت عمودی وافقی همراه با چسب اپوکسی مناسب تقریباً دوبرابر می شود. ج) گسترش لایه های عمودی در سراسر دهانه تیر، کاهش ترک های قطری را در پی داشته و نیز سبب می شود تا از ظرفیت الیاف طولی به طور کامل استفاده شود در نتیجه ظرفیت باربری نهایی تیرها به طور قابل ملاحظه ای افزایش خواهد یافت. د)تیرهایی که ورق هایGFRP در زیر و طرفین آنها بکار رفته است نسبت به تیرهایی که فقط در زیر به وسیله ورق تقویت شده اند رفتار بهتری از خود نشان می دهند. تمامی تیرهای تقویت شده با FRP دچار تردشکنی شدند که استفاده از ضریب اطمینان بزرگتری در طراحی احساس می شود.
انواع روش های مقاوم سازی تیر بتنی با FRP
تیرها قطعات سازه ای هستند که عموماً به صورت افقی در سازه قرارگرفته و بارهای قائم برمحور خود را به تکیه گاه ها که غالباً ستون ها هستند، منتقل می کنند. در اثر بارهای وارده، تیر تحت خمش قرار گرفته و در لایه های مختلف آن، تنش کششی و فشاری ایجاد می شود. در هنگام خمش که انحنای تیر به سمت پایین است، تارهای بالا تحت فشار و تارهای پایین تحت کشش قرار می گیرند.
مقاوم سازی تیر بتنی با استفاده ازمصالح پلیمری FRP
از ورقه های اف آر پی(FRP) برای تقویت خمشی ، برشی ، پیچشی و ترکیب آنها در اعضای باربر سازه از جمله تیر بتنی استفاده می شود. پارامترهای تأثیرگذار در تقویت تیر بتنی عبارت اند از جهت الیاف نسبت به محور طولی تیر بتنی ، تعداد لایه ها، ضخامت لایه ها ، جنس ، پهنا و طول کامپوزیت، چیدمان لایه ها و سایر پارامترهای مربوط به خصوصیات تیر بتنی چون مقاومت فشاری بتن ، سطح مقطع آرماتور کششی . در اشکال ۱و ۲ نمونه هایی از مقاوم سازی تیر بتنی جهت بالا بردن مقاومت خمشی و برشی تیرها مشاهده می شود.
تقویت خمشی تیر بتنی با استفاده از ورقه های FRP
مشکل جدا شدگی سریع کامپوزیت از سطح بتن پس از اتصال آن جهت مقاوم سازی ودر ضمن باربری یکی از مهم ترین مشکلات در بهره گیری از این ماده به منظور تقویت سازه های بتنی می باشد، که به عنوان مانعی جدی در بهره برداری کامل از ظرفیت کامپوزیت های اف آر پی(FRP) مطرح بوده است .روش جدید ابداع شده تحت عنوان روش شیارزنی برای نخستین بار در دنیا مشکلات ناشی از جداشدگی ورق FRP را به میزان قابل ملاحظه ای کاهش داده است .
مقاوم سازی تیر بتنی با استفاده ازمیلگردهای پلیمری FRP روش (NSM)
کاربرد میله های اف آر پی(FRP) تعبیه شده نزدیک به سطح، روش مناسبی برای افزایش مقاومت خمشی و برشی تیر بتنی مسلح معیوب می باشد. این تکنیک زمانی عملی است که مهار میلگرد های تعبیه شده در مجاورت عضو ممکن باشد. علاوه بر این کاربرد میله های NSM FRP به عملیات آماده سازی سطح نیاز ندارد. در موارد بخصوص کاربرد میله های NSM FRPدارای کارایی بالاتری از ورقه های پیوندی اف آر پی (FRP)می باشد، بخصوص مواقعی که مهار انتهایی تقویت های FRP نیاز به یک طراحی اساسی دارند یا نصاب ورقه ها نیاز به یک عملیات وسیع آماده سازی سطح داشته باشد.
دو روش طراحی برای تعیین نسبت میلگرد به منظور کنترل ترک خوردگی خمشی تیر بتنی وجود دارد: ۱)روش مستقیم که در آن عرض ترک ها محاسبه می شود؛ و ۲) روش غیر مستقیم که در آن حداکثر فاصله میلگرد مشخص شده است. کنترل مستقیم ترک، به محاسبه عرض ترک احتمالی و مقایسه آن با عرض ترک قابل قبول اشاره دارد. این رویکرد توسط انجمن مهندسین عمران ژاپن دنبال می شود، که تنها زیبایی شناسی در تعیین حداکثر عرض ترک قابل قبول ۵/۰ میلی متر لحاظ شده است. در آیین نامه CAN/CSA S6-06، تعیین نسبت میلگرد FRP را با فرض عدم تجاوز ترک از ۵/۰ میلی متر برای اعضای در معرض محیط های مهاجم، و ۷/۰ میلی متر برای سایر اعضا، مجاز می داند. در ACI 318 ، مقررات کنترل عرض ترک برای میلگردهای FRP عنوان نشده است و کنترل ترک برای میلگرد فولادی مطابق با حداکثر عرض ترک که تقریباً بین ۴۶/۰ و ۵۶/۰ میلی متر می باشد، تغییر می کند.
تقویت برشی تیر بتنی با استفاده از ورقه های FRP
تقویت برشی تیر بتنی را می توان با استفاده از نوارهای اف آر پی (FRP)یا حتی ورقه های آن در زوایای مختلف بخصوص ۴۵ درجه برای کنترل ترک های برشی و در تعداد لایه های مختلف و حتی دو لایه عمود برهم با زاویه مختلف به عنوان مثال ۰-۹۰ درجه انجام داد.
انواع مودهای شکست تیر مقاوم سازی شده با مصالح کامپوزیتی اف آر پی(FRP)
با توجه به اینکه انتخاب الگوی مناسب برای تقویت تیر بتنی با توجه به انواع مودهای گسیختگی خمشی و برشی صورت می گیرد لذا شناخت و درک صحیح این مودها و بررسی تحلیلی و ارایه روابط قابل قبول برای آنالیز وطراحی سیستم تقویت با توجه به مود گسیختگی ضروری به نظر می رسد . در اینجا فقط به انواع مودهای شکست تیر بتنی اشاره می شود.
انواع مودهای گسیختگی خمشی
گسیختگی ناشی از پارگی ورق FRP
گسیختگی ناشی از خردشدگی بتن ناحیه فشار
انواع مودهای گسیختگی برشی
گسیختگی برشی با پارگی ورق FRP
گسیختگی برشی بدون پارگی ورق FRP
گسیختگی برشی ناشی ازعدم پیوند یا چسبندگی ورق FRP
هزینه مقاوم سازی با FRP
هزینه های مصالح ، نصب و اجرای الیاف اف آر پی (FRP)در مقایسه با سایر روش های مقام سازی پایین بوده و استفاده از آنها از لحاظ اقتصادی بسیار مقرون به صرفه است.
در مقایسه قیمت انواع الیاف های موجود نیز الیاف شیشه ای (GFRP) کمترین قیمت را داشته و الیاف کربنی (CFRP) دارای قیمت بالاتری می باشند ولی عملکردهای بسیار مطلوب الیاف کربنی مانند سختی بسیار بالا، مقاومت کششی بالا، وزن کم، مقاومت شیمیایی بالا و .. آن ها را بسیار کارآمد تر کرده است.
در سال های اخیر، آسیب عناصر سازه ای مانند پل ها، ساختمان ها به دلیل ناکافی بودن سازه ها (خرابی مصالح یا پیری، ترمیم و نگهداری ضعیف، زمین لرزه) باعث شد که از چندین روش برای مقاوم سازی ساخت و ساز به روش های مختلف استفاده شود. استفاده از FRP با خواص مکانیکی عالی آنها برای مقاوم سازی سازه های بتن آرمه یکی از آنهاست. طی دو دهه گذشته، مزایای مقاوم سازی FRP از نظر زمان و هزینه آشکار شده است. با این حال، مطالعات گسترده برای بررسی، به ویژه عملکرد تیرهای بتن مسلح که توسط صفحات FRP مقاوم سازی شده اند، انجام شده است. کامپوزیت های FRP از الیاف مقاوم در برابر کشش بالا که در یک ماتریس اپوکسی جاسازی شده تشکیل شده است، آنها مقاومت را در برابر خوردگی، وزن کم، نسبت مقاومت به وزن بالا، مقاومت مکانیکی افزایش می دهند. این روش یک روش سریع و اقتصادی برای بازسازی یا ترمیم تیرها، ستون ها یا دال ها است و آماده سازی سطح برای دستیابی به یک تقویت کننده موفق در FRP و بتن مهم است. بنابراین، کارایی و کیفیت اتصال بین کامپوزیت های FRP و بتن نقش عمده ای در انتقال تنش بین سازه های بتنی و صفحات FRP با پیوند خارجی دارد.
خصوصیات مواد ماتریس الیاف به همراه خواص بستر بتن مانند زبری، مقاومت، تمیزی سطح بتن نیز ممکن است در کیفیت یا قابلیت اطمینان اتصال موثر باشد. رزین های اپوکسی به دلیل قابلیت چسبندگی بسیار زیاد آنها به FRP و بتن، بیشتر برای اتصال آنها به یکدیگر انتخاب می شوند.
معمولاً هنگامی که عناصر سازه ای بتن مسلح تحت بار قرار می گیرند ، خستگی بیش از حد تجربه می شود. این تمایل به مقاوم سازی و همچنین بهبود عملکرد خستگی و افزایش طول عمر خستگی اجزای سازه بتنی به ویژه تیر بتنی را تأکید می کند. در طی چند دهه گذشته، مقاوم سازی عناصر سازه ای بتنی توسط الیاف FRP در جایی که به مقاومت بالایی برای حمل بارهای سنگین یا ترمیم به دلیل ترک خوردگی خستگی، حالت های خرابی و یا خوردگی لازم است، به روشی پرکاربرد تبدیل شده است. این روش میزان رشد ترک را از بین می برد و یا کاهش می دهد، ترک اولیه را به تأخیر می اندازد، سختی را کاهش می دهد و عمر خستگی تیر بتنی را افزایش می دهد. بهترین گزینه مقاوم سازی کننده در این مورد، پلیمر مقاوم سازی شده با الیاف FRP است.
یکی از کاربرد های FRP مقاوم سازی خمشی تیرها و یا دال های بتنی در دهانه های بلند می باشد و در صورتی که طراحی اولیه عضو نامناسب باشد می توان با استفاده از الیاف FRP سختی و مقامت خمشی را افزایش داد و همچنین اگر تعداد آرماتور خمشی در تیر کمتر از حد نیاز باشد، ترک های خمشی در زیر تیر بتنی ایجاد می شود که این ترک ها به صورت قائم و در راستای خمش ایجاد می شود که برای افزایش مقاومت خمشی و سختی میتوان از الیاف FRP استفاده کرد. این الیاف بخاطر ضخامت کم و مدول الاستیسیته بالایی که دارند سختی تیر بتنی را فزایش و خیز آن را کاهش می دهد.
برای مقاوم سازی برشی تیر ها معمولا الیاف FRP را به صورت مایل یا قائم ( عمود بر راستای ترکهای برشی) به طرفین تیر می چسبانند. هرچه زاویه بین الیاف با راستای عمود بر ترکهای برشی کمتر باشد اثر آنها در افزایش مقاومت برشی تیر بتنی بیشتر می شود، الیاف FRP که برای مقاوم سازی برشی تیر بتنی استفاده می شوند می توانند به صورت U شکل باشند و یا کاملا پیرامون تیر بتنی را بپوشانند.
اعضای بتن مسلح، مانند تیرها و ستون ها، ممکن است در خمش به دلیل استفاده از کامپوزیت های FRP متصل به نواحی کششی آن ها، در جهت الیاف به موازات تنش های کششی بالا (محور عضو) مقاوم سازی شوند. این مفهوم در زیر نشان داده شده است.
تحلیل برای حالت حد نهایی در خمش برای چنین اعضایی ممکن است از روش های کاملاً ثابت برای سازه های بتن مسلح پیروی کند، به شرطی که:
(الف) سهم تقویت کننده FRP خارجی به درستی در نظر گرفته شود.
(ب) به موضوع پیوند بین بتن و FRP توجه ویژه ای می شود.
منحنی های تنش-کرنش ایده آل برای بتن، FRP و فولاد در زیر ارائه شده است. این منحنی ها، همراه با این فرض که ممکن است لغزش در اتصال بتن-FRP نادیده گرفته شود، پایه ای برای تحلیل حالت حدی مقاومت نهایی اعضای بتنی مقاوم سازی شده در خمش است. در تحلیل این اعضا، شناسایی کلیه حالت های احتمالی خرابی بسیار مهم است.
پلیمر مقاوم سازی شده با الیاف شیشه (GFRP) یا کربن (CFRP) راه حل های اقتصادی و کارآمد برای مقاوم سازی تیرهای بتنی برای خمش و برش ارائه می دهند. این روش برای مقاوم سازی تیرهای بتنی، فولادی، چوبی کار می کند.
مقاوم سازی برشی اعضای بتن مسلح با استفاده از FRP نیز ممکن است با اتصال آرماتور خارجی با جهت الیاف اصلی و موازی با حداکثر تنش های اصلی کششی فراهم شود، به طوری که اثربخشی FRP به حداکثر می رسد.
وابستگی مدول الاستیک FRP به جهت الیاف
برای پرکاربردترین اعضای سازه ای که تحت بارهای جانبی قرار می گیرند، یعنی بارهای عمود بر محور عضو (به عنوان مثال تیرهای تحت بارهای ثقلی یا ستون ها تحت نیروهای لرزه ای)، مسیرهای اصلی تنش اصلی در ناحیه های بحرانی با زاویه تقریباً برابر با 45 درجه نسبت به محور عضو تشکیل می شوند. با این حال، اتصال تقویت کننده های FRP خارجی با جهت الیاف اصلی عمود بر محور عضو، معمولاً عملی تر است.
a) الیاف متصل شده به جان، b) الیاف به صورت U شکل
تحقیقات در مورد تقویت برشی اعضای بتن مسلح از جمله تیرها نسبتاً محدود و تا حدی بحث برانگیز بوده است. با چند استثنا، اکثر محققان با فرض اینکه سهم FRP در ظرفیت برشی از ظرفیت الیاف برای حمل تنش های کششی در یک کرنش کم و بیش ثابت ناشی می شود، الیاف FRP را به طور مشابه با خاموت های فولادی متناظر کرده اند.
ورق های نازک FRP با ضخامت تقریبی 1.3 میلی متر را می توان مشابه کاغذ دیواری برای تقویت تیر بتنی استفاده کرد. این الیاف در طی یک روز عمل آوری شده و به مقاومت کششی سه برابر فولاد می رسند. مهندسان سازه پس از طراحی تعداد و جهت الیاف موجود در هر لایه از الیاف FRP را تعیین کرده و نقشه های مهندسی را برای اینگونه ترمیم ها ارائه می دهند.
ویژگی ها و مزایا
- مقاومت خمشی را برای هر دو ناحیه لنگر مثبت و منفی افزایش می دهد.
- مقاومت برشی را افزایش می دهد.
- سختی را در بارهای سرویس افزایش می دهد.
- برای افزایش دوام و مقاومت در برابر خوردگی، عرض ترک را کاهش می دهد.
- با کاهش نفوذ رطوبت به تیرها، میزان خوردگی در آینده را به تأخیر می اندازد.
- هزینه کمتر نسبت به روش های معمول.
مقاوم سازی خمشی تیر بتنی با FRP
تقویت خمشی عناصر سازه‌ای بتنی یا فولادی، با استفاده از روش مقاومسازی FRP، آسیب پذیری عضو‌های سازه‌ای را در برابر نیروهای خمشی که به نام شکست خمشی شناخته میشود، برطرف میکند. این حالت شکست معمولاً به دلیل تقویت ناکافی یا بارگذاری بیش از حد رخ میدهد که منجر به ترک خوردگی و در نهایت فروپاشی سازه میشود. در مقاوم سازی خمشی با FRP، تقویت کننده‌هایFRP از جمله لمینت‌ها یا پارچه‌های یک الی چند جهته الیاف کربن یا شیشه، ظرفیت خمشی اعضای بتنی را به مراتب افزایش میدهند. در واقع، در این روش تقویت کننده‌های FRP، با استفاده از چسب اپوکسی به سطح کششی عنصر متصل میشوند و به طور موثر استحکام کششی و سختی آن را افزایش میدهند. تکنیک مقاوم سازی خمش با FRP، بارهای وارده را مجدداً توزیع میکند، شدت تنش را کاهش می دهد و انتشار ترک را نیز محدود میکند. در نتیجه عملکرد خمشی و ظرفیت تحمل بار سازه بهبود مییابد. این، ماهیت سبک وزن و استحکام کششی بالا FRP است که آن را به یک راه حل کارآمد و مقرون به صرفه برای کاربردهای تقویت خمشی تبدیل میکند.
روشهای قدیمی متداول برای مقاوم سازی خمشی تیرهای بتن آرمه شامل ایجاد پیش تنیدگی خارجی و چسباندن صفحات فولادی بودند. این روشها مشکلاتی نظیر عدم دوام به دلیل آسیب پذیری فلز در برابرخوردگی ، وزن زیاد و دشوار بودن کاربرد را داشتند. در سالهای اخیر استفاده از صفحات FRP به یک روش برای تقویت و بهسازی سازهها تبدیل شده و نخستین بار در اواسط دهه1980 با تقویت تیرهای بتن آرمه با صفحاتی از جنس CFRP در سوییس انجام شد.
با توجه به مدول الاستیسیته بالای مواد FRP چسباندن آنها برروی تیر ، سبب افزایش سختی و کاهش خیز تیر میشود. همچنین مواد FRP تا لحظه گسیختگی رفتار تنش-کرنش خطی از خود نشان میدهند و بدون جذب انرژی کافی و عدم دارا بودن ناحیه تسلیم شبیه به ناحیه تسلیم فولاد دچار گسیختگی میشوند. بنابراین نصب آنها بر روی تیر سبب کاهش شکل پذیری و مقدار جذب انرژی میشود. شایان ذکر است که کاهش انرژی جذب شده در اصل به علت مکانیزم خرابی موضعی در محل گسیختگی FRP و تلیم شدن موضعی میلگردهای طولی در محدوده گسیخیختگیFRP است، چراکه در تیرهای تقویت نشده تیر در محدودهای وسیع ترک میخورد و میلگردها به تسلیم میرسند. در حالی که در تیرهای تقویت شده میلگردها فقط در محل گسیختگی FRP تغییر شکل میدهند و انرژی جذب میکنند. بطور کلی با افزایش تعداد لایههای FRP از شکل پذیری تیر کاسته میشود.
بنابراین با توجه به اینکه مقدار کرنش نهایی موادFRP در مقایسه با فولاد بسیار زیاد است، هنگامی که این مواد به وسیله اپوکسی به سطح کششی تیر برای تقویت خمشی چسبیده میشوند، قبل از آنکه FRP شروع به تحمل بار زیادی کند، فولاد به حالت تسلیم خود میرسد . بنابریان افزایش سختی تیر یا بار تسلیم آن بدون افزایش سطح مقطع FRP برای همکاری بیشتر در باربری تیر قبل از رسیدن فولاد به تسلیم ، ممکن نیست. بطورکلی تقویت تیر با FRP سبب افزایش ظرفیت نهایی مقطع میشود با این تفاوت که چندان موجب افزایش ظرفیت تسلیم مقطع نمیشود.
ظرفیت خمشی اعضای بتن مسلح و ساده را می توان از طریق اتصال ورق ها و لمینیت های FRP به سطح زیرین تیرهای با تکیه گاه ساده مقاوم سازی کرد (شکل زیر را ببینید).
چندین مود شکست بصورت آزمایشی از تیرهای بتن مسلح و دال ها، هنگامی که از سطح خارجی با لمینیت ها یا الیاف FRP مقاوم سازی می شوند، مشاهده می شوند. مطابق با دستورالعمل های طراحیACI 440.2R-08 ، تسلیم فولاد به دنبال پارگی لمینیت های FRP، جداشدگی FRP از سطح بتن مجاور و جداسازی پوشش بتن (لایه لایه شدن پوشش) حالت های رایج خرابی اعضای مقاوم سازی شده بتن مسلح در خمش با لمینیت های FRP است. پارگی لمینیت های FRP با اتصال خارجی در صورتی اتفاق می افتد که کرنش در FRP به کرنش نهایی خود برسد، قبل از اینکه بتن در لایه فشاری بالایی به کرنش خرد شدگی خود برسد. جداشدگی یا لایه لایه شدن پوشش FRP معمولاً در صورتی اتفاق می افتد که نیروی محوری در آرماتور FRP خمشی نتواند توسط بستر بتنی حفظ شود. جداشدگی لمینیت های FRP معمولاً توسط ترک های خمشی و یا خمشی برشی در مجاورت منطقه حداکثر لنگر عضو مقاوم سازی شده آغاز می شود و سپس در امتداد FRP از طریق عامل اتصال (چسب اپوکسی یا ماتریس سیمان) پیشرفت می کند. چنین ترک هایی تحت بارگذاری، عریض تر شده و گسترش می یابند و در نتیجه مقدار بالایی از تنش برشی در لایه بین ورق FRP و بستر بتنی ایجاد می شود و باعث اتصال مجدد FRP می شود. جداسازی پوشش بتن (لایه لایه شدن پوشش) نوع دیگری از حالت شکست بخش اتصال است که معمولاً با تشکیل ترک در نقطه تمرکز تنش زیاد نزدیک به انتهای (برش) ورق FRP آغاز می شود.
ورق های FRP به طور معمول زیر تیر بتن مسلح نصب و اجرا می شوند تا از بازوی بین سطح فشاری بالایی تیر بتنی و کشش ورق های FRP که در سطح پایینی تیر قرار گرفته اند، استفاده کنند و در نتیجه ظرفیت خمشی تیر افزایش می یابد. استفاده از مهارهای FRP معمولاً محدود به مهارهای خمشی است که برای افزایش مقاومت اتصال FRP به بتن در تیر قرار می گیرند، اما همیشه در کل طول تیر مورد نیاز نیستند.
در برخی تحقیقات از مهارهای خمیده GFRP برای بررسی تأثیر ناهمواری سطح بتن در سطح دارای انحنای تیر بر اتصال FRP به بتن استفاده شده است. جداشدن مهار به احتمال زیاد در صورت وجود خمش در یک تیر اتفاق می افتد، اگرچه استفاده از مهارهای GFRP لایه ضعیف را حذف می کند. نتیجه گیری اصلی از مطالعات این است که مهارها مانع از اتصال اولیه FRP به بتن می شوند و در عین حال باعث تاخیر در بروز و گسترش ترک ها می شوند. در شکل زیر نمونه ای از مقاوم سازی خمشی دال بتن مسلح نمایش داده شده است.
محققان نشان دادند که مهارهای FRP می توانند اطمینانی از پیوستگی مسیر بار در یک مجموعه اتصال ستون تیر و در جایی که میلگردهای تقویتی طولی پایین تیر از میان چشمه اتصال ادامه پیدا نکرده اند، ایجاد می کند. مهارهای FRP مقاومت و یکپارچگی قاب بتن مسلح را افزایش داده و مجموعه را قادر می سازد تا در برابر خرابی پیشرونده به دلیل از دست دادن ظرفیت ستون تکیه گاه تحت بارهای شدید مانند انفجار، ضربه یا زمین لرزه مقاومت کند. علاوه بر این، آن ها دریافتند که نصب مهارها در شیب نسبت 1:4 همان نتایج نصب مهارها در سطح مسطح را می دهد. آن ها بعداً بصورت دینامیکی اتصالات تیر ستون با آرماتور پایینی تقویت شده را که با همان ضوابط مقاوم سازی شده است، آزمایش کردند. این اتصالات در صورت تحمل بارهای دینامیکی نیز عملکرد مطلوبی دارند. تقویت تیرها با میلگردهای تقویت کننده طولی ناپیوسته زیرین با ستون های مقاوم سازی شده با میلگردهای تقویت کننده طولی ناپیوسته قابل مقایسه است.
مقاوم سازی برشی تیر بتنی با FRP
شکست برشی در سازه‌های بتنی معمولاً به دلیل ناتوانی مصالح در مقاومت در برابر نیروهای افقی عمود بر محور طولی عضو رخ میدهد. این اغلب منجر به ایجاد ترکهای مورب، به ویژه در نزدیکی تکیه گاه‌ها یا بارهای متمرکز میشود که یکپارچگی سازه را به خطر می‌اندازد. برای رفع این مشکل و تقویت عضو سازه‌ای در برابر نیروهای برشی، استفاده از تکنیک مقاوم سازی با FRP (پلیمرهای تقویت شده با الیاف)، به عنوان موثرترین راهکار مقاوم سازی برشی با حداقل تخریب و سرعت اجرای بالا، معرفی میشود. در مقاوم سازی برشی به روش FRP، پارچه و لمنیت‌های FRP به سطح بتن در امتداد مناطق بحرانی (عمود بر محور طولی عضو)، با استفاده از رزین یا چسب اپوکسی، چسبانده میشوند و به طور موثر ظرفیت برشی عضو را با توزیع مجدد بارهای اعمال شده و محدود کردن انتشار ترک افزایش میدهند. سبک وزنی و در عین حال استحکام و مقاومت بالای FRP، نسبت به روشهای مقاوم سازی قدیمی، آن را به گزینه‌ای ایده آل برای تقویت برشی تیر، ستون، دیوار برشی و… تبدیل کرده است. تکنیک تقویت برش با FRP، دوام طولانی‌مدت و عملکرد بدون نیاز به تعمیر و نگهداری را تضمین میکنند و در نهایت شکل پذیری و عمر مفید عناصر بتنی را افزایش میدهند.
شکست های برشی و خمشی ، دو حالت عمده شکست در تیرهای معمولی بتن مسلح هستند. شکست خمشی به شکست برشی ترجیح داده می شود زیرا رفتار شکل پذیرتری از خود نشان میدهد. شکست نرم علاوه بر آنکه امکان پخش مجدد تنش را فراهم میآورد ، به کاربران و حاضران در محل فرصت بیشتری برای پی بردن به وضعیت بحرانی تیر میدهد.
در حالت مقاوم سازی خمشی تیرهای بتنی با روش چسباندن صفحات FRP ملاحظه میشود که شکل پذیری تیر نسبت به حالت عادی آن ، کاهش یافته است. البته حتی در این شرایط هم ، شکست آن تحت خمش شکل پذیر تر از شکست برشی آن است. بطورکلی افزایش مقاومت برشی ، احتمال گسیختگی خمشی را نسبت به گسیختگی برشی بیشتر میکند و در نتیجه عضو سازه ای ، شکل پذیرتر میشود.
اگر یک تیر بتنی در تحمل برش ضعیف باشد یا پس از مقاوم سازی خمشی ، ظرفیت برشی آن در تحمل نیروهای برشی نسبت به ظرفیت خمشی ضعیف تر باشد ، باید مقاوم سازی برشی آن هم مدنظر قرار گیرد. مقاوم سازی برشی در بیشتر موارد یک مرحله کلیدی و اساسی در مقاوم سازی موثر تیرهای بتنی است.
استفاده از صفحه زیرین FRP برای مقاوم سازی خمشی تیرهای بتنی مسلح تاثیر چندانی بر مقاومت برشی آنها ندارد. بنابراین از اثر مقاوم سازی خمشی تیرها هنگام طراحی برای مقاوم سازی برشی صرف نظر میشود. همچنین مشخص شده که صفحات طولی FRP چسبانده شده به سطوح کناری تیر ، کمک چندانی به افزایش مقاومت برشی نمیکند. در اینجا باید تاکید شود که هرچند الیاف چسبانده شده به این وجوه تحت زوایای دیگر ، در افزایش مقاومت برشی تیر سهیم میشوند. بیشتر زوایا برای چسباندن الیاف به وجوه جانبی ، به جز زاویه موازی با ترکهای برشی، در مهارکردن و کاهش دادن عرض ترکها موثر و مفیدند.
طرحهای مختلفی برای استفاده از مصالح FRP در مقاوم سازی برشی پیشنهاد شده است. این طرحها شامل چسباندن FRP به سطوح جانبی تیر، استفاده از پوشش U شکل (U-Jacket) برای سطوح جانبی و سطح زیرین تیر و نیز دورپیچ کردن کل مقطع با استفاده از الیاف و نوارهای FRP است.
به دلیل مقاومت زیاد صفحات و نوارهای FRP ، باید راستای قرار گرفتن الیاف آنها بصورتی باشد که حداکثر بهرهوری از مصالح FRP را درجهت کنترل عرض ترک خوردگی برشی داشته باشند.همچنین جهت نیروهای برشی در یک تیر ممکن است به دلیل وقوع زلزله یا سایر بارهای رفت و برگشتی معکوس و وارونه شود. بنابراین شاید لازم شود که الیاف FRP در دو جهت متفاوت که متناسب با ترکهای برشی ناشی از بارگذاری رفت و برگشتی باشد ، استفاده شود.
اگر بخواهیم احتمال موازی بودن الیاف با جهتهای ترک خوردگی را به کمترین حد برسانیم، پیشنهاد شده است که الیاف در سه راستا مثلا صفر درجه ، 60 درجه و 120 درجه نسبت به راستای طول تیر بر روی وجوه جانبی چسبانده شوند.
مزایا و معایب انواع روشهای چسباندن صفحات FRP :
| معایب | مزایا | نوع چسباندن |
| کمترین تاثیر را در مقاومت برشی دارد ، بیشترین قابلیت را برای شکست ناشی از جدا شدن دارد. | آسانی نصب و صرفه جویی در مصرف مقدار FRP | چسباندن پهلو |
| ممکن است نیاز به مهار مکانیکی* در انتهای آزاد لایه U داشته باشد. | نسبت به شکست ناشی از جدا شدن حساسیت کمتری دارد. در تقویت برشی موثرتر است و همجنین به عنوان مهارکننده تقویت خمشی استفاده میشود | ژاکت U |
| در بعضی موارد دسترسی به بالای تیر به علت دال بالای تیر بسیار مشکل است. | کمترین حساسیت نسبت به شکست ناشی از جدا شدن را داراست. | دورپیچ |
| تاثیر کم در کنترل ترک برشی | کاربرد آسان و موثر برای تقویت خمشی | عمودی با زاویه 90 |
| بصورت ژاکت U غیرقابل اجراست | کاربرد مشکلتر و برای کنترل ترک های برشی موثرتر | زاویه 45 درجه |
| برای دورپیچ کردن به الیاف تک جهته با عرض زیاد نیاز است. مقدار الیاف استفاده شده در کامپوزیت زیاد است. | بیشترین تاثیر برای کنترل ترکهای برشی و بیشترین تاثیر برای تقویت برشی | الیاف دو جهته 45 و 135 |
*مهار مکانیکی لازم است تا لبه های آزاد نوارها و یا صفحات FRP از روی بتن جدا نشوند.
چسباندن FRP به وجوه جانبی ضعیف ترین روش مقاومسازی برشی است. همچنین دور پیچ کردن مقطع موثرترین روش است. استفاده از پوششU شکل هم از نظر کارایی و تاثر در حد متوسط است. در اغلب تیرها ، بعلت حضور دال، دورپیچ کردن کامل آن مشکل است.بنابراین هرجا که امکان دورپیچ کردن باشد اولویت اول با دورپیچ کردن است و استفاده از پوشش U شکل در اولویت بعدی قرار دارد.
در مواردی که هم مقاوم سازی خمشی و هم مقاوم سازی برشی مورد نیاز باشد توصیه میشود ابتدا مقاوم سازی برشی انجام شود. در این روش ، بخشی از نیروی کششی صفحه زیرین به FRP وجوه جانبی منتقل میشود و در نتیجه ریسک شکست چسبندگی در صفحه زیرین تیر کاهش میابد.
دورپیچ کردن کامل تیر با مهارهای الیافی
در این روش از ترکیب چسباندن به روش U شکل و مهارهای FRP خاموتهای بسته شکل ایجاد میشود. برای این منظور لازم است که سوراخهای کوچکی برروی دال ایجاد شود و مهارهای FRP در داخل سوراخ ها بطوریکه در دو انتها بصورت پره گسترده شوند قرار گیرد. رشتههای گسترده شده با ورق U شکل همپوشانی میشود، در نتیجه ظرفیت برشی و شکل پذیری تیر تا حد زیادی افزایش مییابد ، چرا که بتن در منطقه فشاری نیز محصور میشود.
مقاوم سازی برشی به کمک FRP در نقاطی که در معرض پیدایش مفاصل پلاستیک یا تنشهای رفت و برگشتی هستند و برای بهبود رفتار پس از تسلیم اعضا واقع در قابهای خمشی شکل پذیر (تحت اثر بار زلزله) بکار میروند ، باید تنها با استفاده از روش دورپیچ کامل انجام شود.
راهکار مطلوب برای مقاوم سازی تیرهای بتن مسلح در برش، دور پیچ کامل تیر با الیاف FRP است. در بعضی موارد، اجرای این راهکار، معمولاً به دلیل وجود موانع فیزیکی مانند یک دال بتن مسلح در بالای تیر، مشکل و یا حتی غیرممکن است. به عنوان جایگزینی برای دورپیچ کردن کامل تیر، می توان مهارهای FRP را در کناره های تیر اجرا و نصب کرد. شکل زیر سه طرح مقاوم سازی فرضی را نشان می دهد، اولین راه حل در سمت چپ که در آن جزئیات عضو کاملاً دورپیچ شده ترسیم شده است، با این فرض که هیچ دالی در بالای تیر وجود ندارد و به دنبال آن مثال هایی از استفاده از مهارهای خم شده و مستقیم نشان داده شده است. محققان چهار شکل متفاوت از الیاف CFRP و مهارهای مستقیم دورپیچ CFRP را بر روی تیرهای بتن مسلح با یک دال بتن مسلح در بالای تیر نصب کرده و مشاهده کردند که موثرترین شکل الیاف تیرهایی با مهارهایی هستند که به داخل دال نفوذ می کنند و حلقه های بسته ای را در اطراف تیر ایجاد می کنند.
مهارهای FRP در هیچ یک از آزمایش ها شکست نخورده اند. آن ها تشخیص دادند که الیاف FRP وقتی که نمی توانند به طور کامل دور یک تیر بپیچند، بر روی سازه مهار می شوند، اما در صورت اجرای صحیح مهارها اتصال الیاف FRP به سطح بتن از اهمیت زیادی برخوردار نیست و سیستم را قادر می سازد تا به ظرفیت بهینه خود برسد. چندین توصیه طراحی پیشرفته وجود دارد، اما هنوز یک روش جامع طراحی مورد نیاز است. محققان مشاهده کردند که با افزایش مقدار مصالح و الیاف FRP مقاومت برشی کامپوزیت بتن مسلح-FRP به طور خطی بهبود نمی یابد.
در تحقیقات مشاهده شد که انواع الیاف مختلف، هیچ تاثیری بر ظرفیت تیر نداشته و مهارهای خم شده با دو برابر تاثیر کمتر از مهارهای تقریباً صاف عمل می کنند. همچنین مشخص شده است که افزایش 67٪ الیاف FRP در مهارها منجر به افزایش فقط 11٪ مقاومت برشی تیر می شود، دلیل این الگوی غیر مناسب این است که مهارهای نصب شده در بالای ترک برش در تیر فقط کمی تحت تنش قرار گرفتند. در آ از مهارهای خمشی خشک GFRP در پنج تیر بتن مسلح استفاده شد، سه عدد از تیرها از قبل دارای ترک بودند و ترمیم شدند. مهارهای GFRP مانع از جدا شدن ورق های GFRP شدند، در نتیجه حالت خرابی تیر به پارگی GFRP تغییر کرد و در نتیجه استفاده از مصالح را بهینه کرد. تیرهای دارای مهار به سطوح مقاومت مشابه تیرهای کاملاً دور پیچ رسیده اند. تفاوت بین داشتن مهارهای بیشتر / کمتر و بزرگتر / کوچکتر، زاویه اجرا و به ویژه تأثیر محل ترک برشی و عرض آن بر روی مهار و رفتار تیر، از ویژگی های اساسی هستند که نیاز به تحقیقات بیشتر دارند.
در شکل زیر می توان به برخی از راهکارهای مختلف برای تقویت برشی در مقطع شامل دورپیچ کامل، دورپیچ سه طرفه با استفاده از نوار U شکل و نوارهای FRP است که به دو طرف مخالف هم متصل می شوند، از این پس به عنوان پوشش های دو طرفه معرفی می شوند.
راهکارهای دورپیچ معمول برای مقاوم سازی برشی با استفاده از کامپوزیت های FRP
الف) در سطح مقطع، ب) در امتداد محور طولی تیر.