مقاوم سازی اتصالات بتنی و فولادی؛ اجرا و طراحی

تحقیقات انجام شده برروی اتصالات بتنی تقویت شده با ورق های FRP، نشان می دهد که این مواد می توانند باعث افزایش ظرفیت برشی اتصالات بتنی، افزایش ظرفیت خمشی تیر در محل اتصال، افزایش ظرفیت باربری و بهبود شکل پذیری تیرهای منتهی به اتصال شوند. به عبارت دیگر ورقه های FRP می توانند برروی تیرهای مجاور به اتصال به کاربرده شوند و تا مقاومت اتصال افزایش یابد و باعث انتقال مفصل پلاستیک ناحیه اتصال به طرف تیر و دور از اتصال گردند. بدین ترتیب شکل پذیری قاب های بتن آرمه افزایش یافته به طوری که رفتار آن از حالت شکل پذیری معمولی به متوسط و یا حتی ویژه ارتقا می یابد. همچنین این تکنیک می تواند در بهبود عملکرد برشی اتصالات تیر به ستون بتنی مؤثر باشد به طوری که ضعف شکست برشی اتصالات ترمیم شده و از ناپایداری کلی قاب های بتن آرمه به دلیل تشکیل مفصل پلاستیک در محل هسته اتصال و خرابی کل سازه جلوگیری به عمل آید. به طور کلی کارایی این روش به پارامترهای زیادی از جمله جنس FRP، روش اتصال و طول امتداد یافته FRP در طول تیر، مقاومت بتن، مقدار آرماتور موجود در تیر و سختی اتصالات بتنی بستگی دارد.
در طی سال های اخیر موضوع تقویت و مقاوم سازی سازه ها به طور گسترده ای در جوامع علمی و مهندسی مطرح گردیده است. از دیدگاه علمی تمام سازه هایی که براساس اصول و ضوابط حال حاضر آیین نامه ها طراحی و به دلیل قصور عوامل ذیربط و نبود کیفیت لازم برای مصالح به طور صحیح و اصولی طراحی و اجرا نشده اند، نیاز به تقویت و مقاوم سازی دارند. در دهه های اخیر استفاده از FRP در مقاوم سازی قسمت های مختلف سازه ها به طور گسترده مورد توجه واقع شده است.
الیاف FRP می توانند از نفوذ ترک ها به داخل هسته اتصالات بتنی جلوگیری کرده و یا در کمک به ایجاد مفصل پلاستیک در انتهای تیر و با فاصله ای از بر ستون یک اتصال مؤثر باشند. با این شیوه ورقه های FRP می توانند در انعطاف پذیری کل ساختمان، ارتقا مقاومت سازه به سطح مورد نظر از قبیل آسیب دیدگی و یا مقاوم سازی اتصالات بتنی برای مواجه با قوانین سخت گیرانه آئین نامه های جدید و بارهای جدید مؤثر واقع گردند.
در این میان CFRP به دلیل مقاومت کششی قابل ملاحظه و مقاومت بسیار بالا در برابر خستگی و خوردگی در مقاوم سازی سازه های بتن آرمه بیشتر استفاده شده است. یکی از روش های مقاوم سازی محل اتصال تیر و ستون جهت دور کردن مفصل پلاستیک از ستون و به کار بردن فلسفه ستون قوی و تیر ضعیف استفاده از CFRP است.

اتصالات تقویت شده با FRP

بسیاری از سازه‌های موجود، بر اساس آیین‌ نامه‌ های جدید طراحی، در برابر زلزله از ایمنی کافی برخوردار نیستند. همچنین تعداد و تنوع این سازه‌ها و عمر متوسط آن‌ها در دنیا در حال افزایش است، بنابراین ترمیم و محافظت از سازه‌ها امری اجتناب‌ناپذیر می‌نماید. جایگزینی کلی سازه نیز مستلزم تحمل بار مالی شدید بوده و مطمئناً درصورتی‌که ترمیم و مقاوم سازی ساختمان  امکان‌پذیر باشد علاوه بر صرفه اقتصادی باعث حفظ منابع طبیعی نیز خواهد شد. در صورت انتخاب روش مناسب، تقویت لرزه‌ای سازه‌ های موجود مؤثرترین راه کاهش خطر زلزله است. در سالیان اخیر مطالعات زیادی در زمینه روش‌های بهسازی عملکرد لرزه‌ای سازه‌ها بعمل آمده و روش‌های گوناگونی بررسی و پیشنهاد شده است که بسته به نوع و شرایط سازه می‌توان روش تقویت مناسبی را انتخاب نمود. البته علاوه بر چگونگی عملکرد سیستم تقویتی، برخی مسائل از قبیل هزینه، زمان اجرا و تکنولوژی در دسترس از نظر مصالح و اجرا، نیز روی انتخاب تأثیر گذارند. در این بین اتصال تیر به ستون در قاب‌های خمشی بتن مسلح به علت قرارگیری اتصال تحت تلاش‌های رفت و برگشتی در هنگام زلزله جزو بحرانی‌ترین نقاط در عملکرد قاب بتن مسلح خمشی می‌باشد.

استفاده از کامپوزیت های مقاوم سازی شده با الیاف FRP برای مقاوم سازی تیرها و ستون ها در سازه های بتنی در دهه های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. با این حال، کمتر به مقاوم سازی اتصالات بتنی با ورقه های FRPتوجه شده است. با استفاده از ورقه های FRP با پیکربندی صحیح می توان شکل پذیری و مقاومت خوبی را به دست آورد.

استفاده از کامپوزیت های  FRPدر مقاوم سازی سازه های بتن آرمه در سال های اخیر مورد توجه مهندسان عمران بوده است. بسیاری از تحقیقات برای مقاوم سازی اعضای مختلف بتن آرمه مانند تیرها، ستون ها و دال ها با ورقه های  FRP انجام شده است. با این حال، کمتر به مقاوم سازی اتصالات بتن مسلح با ورقه های  FRP توجه شده است. با توجه به پیچیدگی رفتار اتصالات بتن آرمه، ارائه مدل المان محدود مناسب برای تجزیه و تحلیل غیر خطی اتصالات بتن مسلح از اهمیت زیادی برخوردار است.

یکی از بخش های مهم و بحرانی ساختمان، محل اتصالات تیر و ستون ها به یکدیگر است، زیرا این اتصالات بهسازی لرزه ای و عمر و بقای سازه را هنگام وقوع زلزله و نیروهای لرزه ای تضمین می کند و در واقع هنگام وقوع زلزله نیروی زیادی به این بخش از سازه های قاب خمشی بتن مسلح وارد می گردد و اتصالات را دچار تنش زیادی می کند.

برای تأمین شکل پذیری کافی اعضا و اتصالات بتن مسلح، الزامات ویژه ای در آیین نامه های طراحی در نظر گرفته شده است. فاصله نزدیک بست ها در منطقه چشمه اتصال و مناطق حیاتی تیر و ستون برای افزایش شکل پذیری آنها از جمله این نیازهای مهم است.

این الزامات لرزه ای و شکل پذیری در برخی از سازه های بتن مسلح که در پنجاه سال اخیر بر اساس کدهای طراحی قدیمی طراحی و ساخته شده اند مورد توجه قرار نگرفته است، بنابراین شکست بسیاری از برش ها در بسیاری از اعضا مانند مناطق چشمه اتصال به دلیل کاهش محدودیت بتن و شکل پذیری مشاهده شده است. بنابراین، مقاوم سازی سازه برای جلوگیری از خسارات احتمالی در هنگام زلزله ضروری است. یکی از رایج ترین راه حل ها برای بازسازی قاب های بتن مسلح تبدیل کردن ستون و پانل به یک بتن جدید با تقویت کننده های طولی و عرضی است. تکنیک دیگر برای ترمیم قاب های آسیب دیده بتن مسلح تخلیه هسته بتنی اتصال ستون و تیر و سپس پر کردن آن با ملات با مقاومت بالا یا استفاده از الیاف FRP برای مقاوم سازی قاب های بتن مسلح یا روش تزریق اپوکسی است. از ورق های FRP برای بهبود بسیاری از عناصر بتنی مانند ستون ها به ویژه برای بهسازی لرزه ای استفاده می شود. اخیراً، از ورق های FRP به منظور افزایش ظرفیت تحمل بار، شکل پذیری و سایر پارامترهای اتصالات، در بهسازی خمش و برش اتصالات بتن مسلح استفاده شده است.

در سازه های بتن آرمه با اتصالات صلب وظیفه انتقال کامل نیروها و لنگرها به عهده اتصالات است. به وجود آمدن تغییر شکل های جزئی در محل اتصال باعث می شود این عملکرد کامل نشود. مشاهدات پس از وقوع زلزله مبین این نکته است که خرابی های سازه ای بیشتر در ناحیه اتصالات بوده و گسیختگی سایر المان های سازه ای کمتر اتفاق افتاده است. با تقویت و مقاوم سازی اتصالات بتنی با FRP می‌توان ظرفیت خمشی و همچنین ظرفیت برشی اتصال را افزایش داد. به علت دورگیری، بکارگیری این روش میزان شکل‌پذیری اتصال را نیز افزایش می‌دهد. با استفاده از FRP می‌توان بدون افزایش ابعاد اتصال، مقاومت آن را افزایش داد. استفاده از تقویت اتصال بتنی با FRP، نسبت به روکش فولادی ارجح تر است، زیرا تقویت اتصال با FRP برخلاف فولاد دچارخوردگی نمی‌شود و می‌تواند در مقابل خوردگی اسیدها، بازها و مواد مهاجم مشابه در دامنه وسیعی از دما مقاومت کنند. در نتیجه نیاز به سیستم های حفاظت از خوردگی نمی‌باشد و آماده کردن سطوح اعضا قبل از تقویت اتصال بتنی با FRP و نگهداری از آنها بعد از نصب، آسانتر از ورق فولادی است. لازم به ذکر است که در استفاده از FRP بر خلاف روش تقویت با روکش بتنی نیاز به افزایش ابعاد اتصال و عملیات ساختمانی پر حجم نمی‌باشد.

معمولاً این ورق های  FRPروی یک یا بعضی از اعضای بتن مسلح با روش آماده سازی سطح معمولی نصب می شوند، اما هنوز هم احتمال جدا شدن زود هنگام ورق های FRP از سطح بتن قبل از خرابی در مقاومت کششی نهایی (کرنش) وجود دارد. شیار زدن سطح بتن قبل از نصب ورق ها یکی از جدیدترین روش های آماده سازی سطح برای افزایش چسبندگی بین ورق ها و سطح بتن است.

بنابراین، با استفاده از این روش مقاوم سازی، می توان پارامترهای مقاومت اتصال ضعیف را به اتصال استاندارد (که در آن الزامات شکل پذیری متوسط ​​کد طراحی در نظر گرفته شده است)، بدون خطر جدا شدن زود هنگام ورق ها قبل از جدا شدن توسط شیارهای سطح، ارتقا داد.

دلایل نیاز به مقاوم سازی اتصالات بتنی با FRP

در سیستم های سازه ای، سازه های بتن مسلح دارای آسیب پذیری بسیار بالایی هستند که به همین دلیل معمولاً منجر به شکست اعضای حیاتی خواهد شد. بررسی ها نشان می دهد، معمولاً این شکست ها به دلیل محصور نشده بودن و ضعیف بودن اتصالات تیر به ستون می باشد، که باعث می شود مقاومت خوبی در مقابل زلزله نداشته باشد. آسیپ پذیری بالای سازه های بتن مسلح اغلب باعث شکست ترد اعضای حیاتی خواهد شد. بنابراین برای بهبود ظرفیت لرزه ای اتصالات تیر به ستون بتن مسلح نیاز مبرمی به مقاوم سازی می باشد.
اتصالات یکی از اجزای مهم سازه های بتن مسلح محسوب می شود. زمانی که یک سازه بتن آرمه برای تحمل بار زلزله طراحی می گردد، انتظار می رود سازه در برابر زلزله های متوسط بدون آسیب دیدگی عمل کند، در برابر زلزله های شدید، بدون آسیب دیدگی جدی مقاومت کند و در برابر زلزله های شدید، دچار تخریب کلی نگردد.
سهم اتصالات یک قاب خمشی در تحمل تغییرشکل های ناشی از بار زلزله سهم زیادی است. زمانی که قاب خمشی بتن مسلح تحت اثر نیروهای جانبی ناشی از زلزله قرار می گیرد، در اتصالات آن، نیروهای برشی قابل توجهی ایجاد می شود، ایجاد این نیروهای برشی با تغییرشکل های زیادی همراه است. بنابراین اتصالات سازه های بتن مسلح، علاوه بر مقاومت باید از شکل پذیری کافی نیز برخوردار باشد.
به طور کلی اتصالات تیر به ستون را می توان به عنوان ناحیه بحرانی در قاب های بتن مسلح که برای پاسخ غیر الاستیک برای مقابله با زلزله های شدید طراحی شده اند، محسوب کرد. اتصالات بتنی دارای جزئیات ضعیف، به خصوص اتصالات تیر به ستون خارجی، به عنوان مناطق بسیار بحرانی که در معرض شکست زودرس به علت تنش های برشی زیاد هستند شناخت شده اند. همچنین شکست در پیوستگی آرماتورهای طولی به خصوص در اتصالات داخلی جایی که میلگردها به طور صحیح با قلاب های استاندارد مهار نشدند نیز مشاهده شده است.

مقاوم سازی اتصالات بتنی با FRP

پس از آماده سازی سطح بتن و زدودن ناهمواری ها و ایجاد زیرسازی اولیه توسط پرایمر، بتن جهت نصب ورق های FRP آماده می باشد. ورق های FRP در ابعاد مورد نظر بریده شده و سپس توسط چسب اپوکسی، بر روی تیر و چشمه اتصال نصب می گردد. مراحل نصب ورق ها به طور خلاصه به شرح زیر می باشند:

• آماده سازی رزین و چسب اپوکسی FRP بر اساس نسبت ترکیب معین
• قراردادن چسب بر روی سطح موردنظر بر اساس مقدار ذکر شده در کاتالوگ شرکت سازنده
• پخش یکنواخت چسب بر روی سطح توسط کاردک
• نصب ورق FRP روی سطح مورد نظر و هواگیری توسط غلطک مخصوص
• قرار دادن لایه بسیار نازک چسب روی ورق نصب شده جهت ایجاد پوشش محافظ

هزینه مقاوم سازی با FRP

هزینه های مصالح ، نصب و اجرای الیاف FRP در مقایسه با سایر روش های مقام سازی سازه پایین بوده و استفاده از آنها از لحاظ اقتصادی بسیار مقرون به صرفه است.

ویژگی ها و مزایا

1.وزن پایین

2.مقاومت بالا

3.افزایش مقاومت برشی

4.افزایش مقاومت خمشی

5.افزایش شکل پذیری

6.عدم تغییر در معماری سازه بدلیل ضخامت کم

7.نصب سریع و آسان

8.عدم نیاز به تجهیزات کارگاهی حجیم برای نصب

9.قابل بهره برداری بودن سازه پس از زمان کوتاه

10.مقاوم در برابر عوامل شیمیایی مثل اسیدها و بازها

بررسی آزمایشگاهی مقاوم سازی اتصالات بتنی با FRP

لزوم مقاوم سازی اتصالات بتنی

اتصالات یکی از نواحی بسیار حساس در کلیه قاب‌های سازه‌ای اعم از فولادی و بتنی می‌باشند. اتصال تحت تأثیر نیروهای بزرگ در طول زمین‌لرزه‌ها قرار می‌گیرد و عملکرد آن اثر بسیار مهمی بر روی پاسخ سازه دارد. فرض صلب بودن ناحیه اتصال ماهیت نیروهای برشی بزرگ در ناحیه اتصال را نادیده می‌گیرد. اتصال تیر-ستون یک ناحیه بحرانی و حساس در یک قاب خمشی بتنی می‌باشد. شکست برشی که شکستی از نوع ترد می‌باشد، تحت هیچ شرایطی قابل پذیرش نمی‌باشد. به واسطه کاربرد بالای قاب‌های بتن‌آرمه با سیستم باربر جانبی خمشی بواسطه مزایایی چون اقتصادی بودن قالب‌بندی، زمان اجرای کوتاه‌تر و قابلیت اجرای عناصر مورد نظر مهندس معمار در قاب، این سیستم سازه‌ای را به عنوان یکی از پرکاربردترین سیستم‌های بابر جانبی تبدیل نموده است.
یکی از مسائل مهم و اساسی تعیین‌کننده رفتار سازه‌های بتنی در برابر بارهای لرزه‌ای، رفتار اتصال و شکل‌پذیری مناسب آن است. پس علاوه بر ضوابط شکل پذیری و آرماتورگذاری عرضی فشرده در تیر و ستون، شرط رسیدن به ظرفیت نهایی و شکل پذیری کافی در تیرها و ستون‌ها آن است که اتصال از نظر مقاومت و شکل‌پذیری، ظرفیت کافی در تحمل بارهای نهایی تیر و ستون را داشته باشد. از اینروست که آئین‌نامه های طراحی سازه های بتن‌آرمه، ضوابط خاصی را برای آرماتورگذاری عرضی در ناحیه اتصال ارائه می‌نمایند که به دلیل تراکم فاصله خاموت ها، مشکلاتی را در اجرا بوجود می آورد. بدین سان تقویت اتصالات سازه های بتنی موجود از مسائل مورد توجه می باشد.
به طور کلی در بهسازی و مقاوم سازی موضعی و کلی قاب های بتن آرمه به دنبال پارامترهای پاسخ طراحی، شامل مواردی همچون افزایش مقاومت، افزایش سختی، کاهش تغییر مکان، افزایش شکل‌پذیری و افزایش جذب و استهلاک انرژی در سازه هستیم. روش‌های متعددی جهت مقاوم‌سازی سازه‌ها مطرح می‌باشند. به طور خلاصه این روش‌ها شامل: مهاربندهای هم محور یا برون محور فولادی، کابل‌های پس تنیده، دیوار برشی، میانقاب با مصالح بنایی، جداسازهای لرزه‌ای، ژاکت‌های فولادی، ورق‌های پوششی الیاف پلیمری مسلح (FRP) و میراگرها می‌باشند.
FRPنوعی کامپوزیت است که متشکل از دو بخش الیاف تقویتی و ماتریس (که معمولاً پلیمر بوده) می باشد. کامپوزیت FRP از اواسط دهه ۵۰ در سازه‌های بتن آرمه استفاده شد. امروزه FRP به اشکال مختلف به صورت کابل ها، شبکه‌های دو بعدی و سه بعدی، به صورت صفحه و … به کار می‌رود.

مزایای استفاده از FRP در سازه های بتن آرمه

مزایای استفاده از الیاف FRP به عنوان یک مصالح جدید در سازه های بتنی عبارتند از:

• دوام بالا (مهمترین مزیت)
• سبک وزن بودن
• مقاومت مشخصه و مدول بالا
• مقاومت در برابر خوردگی
• مقاومت شیمیایی
• مقاومت در برابر عوامل محیطی
• نفوذ ناپذیری الکترومغناطیسی
• مقاومت در برابر ضربه
• ضخامت کم
• حمل و نقل آسان به دلیل وزن کم
• اجرای ساده ورق ها
• توجیه اقتصادی در پروژه های حجیم مثل پل سازی
• سطح تمام شده تمیز و زیبا

برخی از موارد کاربرد FRP عبارتند از:

• افزایش ظرفیت باربری و شکل پذیری ستون ها، تیرها، دال ها و اتصالات بتن آرمه
• تقویت مخازن فولادی و بتنی
• تقویت سازه های فراساحلی و دریایی
• تقویت سازه های مقاوم در برابر انفجار
• تقویت تیرها و ستون های چوبی
• تقویت دودکش های بتن آرمه با مصالح بنایی
• تقویت دیوارهای بتن آرمه
• تقویت تونل ها
• تقویت لوله های بتنی یا فولادی
• تقویت سازه های مهم چون بیمارستان ها و آثار باستانی

اتصال تیر- ستون یک ناحیه بحرانی و حساس در یک قاب خمشی بتنی می‌باشد. اتصال تحت تأثیر نیروهای بزرگ در طول زمین ‌لرزه ها قرار می‌گیرد و عملکرد آن اثر بسیار مهمی بر روی پاسخ سازه دارد. فرض صلب بودن ناحیه اتصال ماهیت نیروهای برشی بزرگ در ناحیه اتصال را نادیده می‌گیرد. شکست برشی همواره یک نوع شکست ترد می‌باشد که در عملکرد سازه‌ها علی‌الخصوص تحت بارهای لرزه‌ای اصلاً قابل قبول نیست. درک عملکرد اتصال در پیش‌بینی رفتار صحیح آن در طراحی اتصالات بسیار ضروری می‌باشد. انواع مختلف اتصالات تحت اثر انواع نیروهای لرزه‌ای قرار می‌گیرند و از موارد شایان ذکر تنش پیوستگی بین بتن و فولاد در ناحیه اتصال و انتقال برش در ناحیه اتصال می‌باشد.
در آنالیز قاب‌های خمشی بتنی با اتصالات تقویت شده، اتصالات صلب فرض می‌گردند. در ویرایش قدیم اکثر آئین‌نامه های طراحی سازه های بتنی توجه خاص و ضوابط ویژه برای طول مهاری آرماتورهای تیر در اتصال مبذول نمی‌گشت. این مسئله شاید در مورد قابی که تحت بارهای زلزله نباشد قابل قبول باشد، ولیکن شکست‌های سازه‌ای بسیار بزرگ و فجیعی در زلزله‌های گذشته و به طور خاص در زلزله های ترکیه و تایوان در سال ۱۹۹۹ که از شکست ناحیه اتصال تیر-ستون ناشی شده بود، گزارش گردیده است. دیتیل ضعیف و نادرست آرماتورگذاری در ناحیه اتصال تیر-ستون با نیروهای القا شده ناشی از ظرفیت نهایی خمشی تیرها و ستون‌های متصل به ناحیه اتصال در هنگام استهلاک نیروی زلزله موجبات شکست اتصال را بیشتر از پیش فراهم می‌کند. طراحی دیتیل غیر ایمن ناحیه اتصال حتی اگر سایر المان‌های سازه‌ای مطابق با نیازهای طراحی درست طرح و اجرا گردیده باشند، کل سازه را به مخاطره می‌اندازد.
در طی سه دهه اخیر مطالعات آزمایشگاهی و تحلیلی بسیاری بر روی عملکرد لرزه‌ای اتصالات انجام گرفته است. ویرایش‌های متعدد آئین‌نامه‌ها به طور پریودیک دستخوش تغییرات شده تا از این راستا یافته‌های حاصل از تحقیقات به عمل تبدیل گردد.

در این تحقیق آزمایشگاهی چهار اتصال بتنی T- شکل ساخته شد که ابعاد هندسی و نوع بتن برای تمامی نمونه ها یکسان بوده و تنها تفاوت در ضوابط مربوط به آرماتورگذاری عرضی می باشد. اتصالات مورد نظر شامل دو نمونه اتصال مرجع هستند که یکی (اتصال مرجع استاندارد) طبق اصول و استاندارد آیین نامه با رعایت ضوابط مربوط به شکل پذیری متوسط طراحی و ساخته شده و تفاوت اتصال دیگر (نمونه مرجع ضعیف) با نمونه اول، در عدم رعایت ناحیه ویژه آرماتورگذاری عرضی فشرده تیر در بر اتصال و نیز عدم آرماتورگذاری عرضی در ناحیه چشمه اتصال می باشد. دو نمونه دیگر نیز که کاملا مشابه نمونه مرجع ضعیف می باشند، قبل از بارگذاری توسط چیدمان ویژه ورق های FRP مقاوم سازی می شوند که در نمونه تقویت شده دوم، با توجه به نوآوری های مدنظر، از شیوه جدید شیارزنی سطح بتن برای نصب ورقه های FRP استفاده شده است. نمونه ها پس از طراحی و ساخت، مورد آزمایش چرخه ای قرار می گیرند.
نمونه اتصالات ساخته شده مجموعا ۴ عدد اتصال بتنی می باشند که شامل یک نمونه اتصال مرجع استاندارد، نمونه مرجع ضعیف، نمونه تقویت شده-۱ و نمونه تقویت شده-۲ با روش جدید شیار زنی می باشند که از نظر ابعاد هندسی و نوع بتن مصرفی و آرماتورگذاری طولی کاملا مشابه هم بوده و فقط در خاموت گذاری ناحیه بحرانی تیر و چشمه اتصال متفاوت می باشند. در ضمن هر چهار نمونه اتصال بتنی دارای شرایط بارگذاری کاملا یکسانی می باشند. آرماتورهای طولی همه نمونه ها از نوعAIII و خاموت ها از نوع AII می باشند که آرماتور طولی ستون ها از ۸ عدد آرماتور با قطر ۱۴ میلیمتر و آرماتور طولی تیرها نیز از ۶ عدد آرماتور با قطر ۱۲ میلیمتر می باشد.
ولی جزئیات خاموت گذاری نمونه ها متفاوت بوده که جزئیات آرماتور بندی و ساخت و تقویت هر یک همراه با نقشه ها و اشکال مربوطه در ادامه آمده است. مشخصات کلی این نمونه ها در زیر بیان شده است.

 جدول (۱-۱) معرفی کلی نمونه اتصالات مرجع و مقاوم سازی شده

روند ساخت نمونه های آزمایش

نصب کرنش سنج ها بر روی آرماتورها

کرنش سنج ها، حسگرهایی هستند که میزان تغییرات کرنش در طول عضو را به ما نشان می دهند که این حسگرها در انواع مختلفی یافت می شوند.کرنش سنج های مقاومتی، قطعات الکترونیکی هستند که ایده ی کار آن ها بر اساس تغییر مقاومت بر اثر اعمال نیرو است و در واقع لایه های بسیار نازکی از سیم های مقاومتی هستند. با اعمال نیرو، طول و سطح مقطع سیم کرنش سنج و بالتبع میزان مقاومت و شدت جریان عبوری از آن تغییر می کند که این تغییرات مقاومت با اعمال ضرایبی، به کرنش تبدیل می شود. به این ترتیب با اعمال نیرو و ایجاد این تغییرات، مقاومت کرنش سنج تغییر می کند و مقدار نیرو را از این طریق می توان بدست آورد. معمولا اثر این تغییر مقاومت را از طریق پل وتسون به ولتاژی برای اندازه گیری تبدیل می کنند.

آماده سازی قالب ها

به منظور رعایت فاصله بین آرماتورهای طولی و خاموت ها از قالب ها و رعایت پوشش (کاور) بتن، یک سری فاصله دهنده آماده از جنس پلاستیک تهیه و بر روی آرماتورهای طولی و خاموت ها نصب شدند تا پوشش تیر و ستون رعایت شود.

بتن ریزی نمونه ها

بعد از قرار دادن نمونه ها درون قالب و نصب صفحات بارگذاری و ورق های انتهایی، اقدام به بتن ریزی نمونه های اتصال بتنی می کنیم. با توجه به تراکم آرماتورها در ناحیه اتصال از بتن ریزدانه استفاده گردید. برای بتن ریزی اتصالات با توجه به حجم بالای بتن مورد نیاز و عدم امکان ساخت هم زمان بتن به صورت یکجا، در مجموع کل بتن نمونه ها در هفت مرحله ساخته و درون قالب ها ریخته شد و سپس توسط ویبراتور، بتن متراکم گردید تا هیچ گونه فضای خالی درون قالب ها باقی نماند.

مقاوم سازی نمونه های ضعیف

در این بخش مراحل مقاوم سازی نمونه های ضعیف RW1 و RW2 که پیش از بارگذاری با ورقه های CFRP تقویت می شوند.

آماده سازی سطحی بتن

پیش از نصب ورقه های FRP جهت هرگونه تقویت اتصال در نمونه های ضعیف RW1 و RW2، سطح بتن باید کاملا تمیز و صاف و یکنواخت شده تا هر گونه ماده ضعیفی که بر روی سطح بتن وجود دارد از روی آن برداشته شده و حفرات ریز سطح بتن نیز از مواد خارجی پاکسازی شوند. برای آماده سازی سطح بتن ابتدا با یک دستگاه فِرِز که بر روی آن صفحه مخصوص برش سنگ قرار دارد، اقدام به صاف نمودن سطح بتن و برداشتن هرگونه ناهمواری و سنگدانه های برجسته می نماییم، مخصوصا سطح آزاد نمونه که ممکن است در هنگام بتن ریزی، به خوبی توسط ماله صاف و هموار نشده باشد.
سپس با استفاده از برسی سیمی که قابلیت نصب بر روی دستگاه فِرِز را نیز دارد اقدام به تمیز نمودن سطح بتن کرده تا سطح بتن از هر گونه ماده خارجی اضافی و ماده چسبنده دیگر، پاکسازی شود.

نصب ورق های FRP جهت مقاوم سازی نمونه ها

بعد از آماده سازی سطحی بتن و ایجاد زیر سازی اولیه توسط چسب، نمونه ها جهت نصب ورق های FRP آماده می باشد.

نتایج تحلیل و بارگزاری

یکی از مهمترین مراحل کسب اطلاعات و بررسی رفتار کلی نمونه ها، برداشت و ثبت مشاهدات کیفی در حین انجام آزمایشات می باشد. چرا که برخی از این مشاهدات شاید در نتایج کمی به سهولت قابل درک و استنباط نباشند اما در درک بهتر از رفتار و نتایج حاصل شده از آزمایشات، مهم و ضروری می باشند. به طور کلی ثبت مشاهدات راجع به مکانیزم و نحوه گسترش ترک و خرابی و همچنین مراحل بارگذاری نمونه از ابتدا تا خرابی نهایی در مطالعات آزمایشگاهی، می تواند در درک بهتر رفتار نمونه ها و همچنین استنباط درست تر از نتایج کمک شایانی داشته باشد.
در این تحقیق آزمایشگاهی جهت بررسی اتصال بتن آرمه خارجی تقویت شده با FRP، چهار نمونه با مقیاس ۱/۲ ساخته شدند و تحت بارهای چرخه ای قرار گرفتند. در نمونه اول ضوابط شکل پذیری متوسط مبحث نهم مقررات ملی ساختمان در مورد خاموت گذاری فشرده در ناحیه بحرانی تیر و چشمه اتصال رعایت شد و در سه نمونه دیگر این ضابطه رعایت نشد. نمونه اول به عنوان مرجع استاندارد و یکی از سه نمونه (ضعیف) دیگر به عنوان نمونه مرجع ضعیف انتخاب شدند. دو نمونه دیگر نیز با یک الگوی تقویت توسط ورق های FRP که با بررسی و جمع بندی نتایج کارهای تحقیقاتی (آزمایشگاهی و عددی) پیشین انتخاب شده، مقاوم سازی شدند. نو آوری بکار رفته در این تحقیق استفاده از روش شیار زنی در نصب ورق های FRP در نمونه تقویت شده دوم می باشد، در حالی که در نمونه تقویت شده اول از شیوه معمول آماده سازی سطحی جهت نصب ورقه ها استفاده شده است. پس از آزمایش اتصالات، تاثیر مقاوم سازی نمونه های ضعیف با الگوی تقویت مورد نظر بر بهبود رفتار و مشخصه های لرزه ای آن ها نسبت به اتصالات مرجع استاندارد و ضعیف بررسی شد. همچنین تاثیر مثبت شیوه شیار زنی بر کنترل پدیده جداشدگی زودرس ورق های FRP در نمونه های تقویت شده مشاهده شد که مهمترین نتایج حاصله به طور خلاصه در ادامه آورده شده اند.

عدم رعایت ضابطه خاموت گذاری فشرده در ناحیه بحرانی تیر و نیز چشمه اتصال، موجب ایجاد ترک های برشی عمیق در تیر در نزدیکی بر اتصال تیر به ستون می شود به طوری که تخریب بتن در این ناحیه مشاهده شد. همچنین به دلیل ترک های قطری برشی بوجود آمده در چشمه اتصال، این ناحیه دچار آسیب های جدی شد به طوری که بتن قسمت هایی از زیر اتصال در محل چشمه تخریب شد و در نهایت ظرفیت باربری کل اتصال دچار افت شدید گشت. منحنی هیسترزیس نمونه WR دچار جمع شدگی قابل توجهی شده که نشان دهنده افت سختی و کاهش مقاومت و اضمحلال بتن در ناحیه اتصال تیر به ستون می باشد. اما منحنی هیسترزیس نمونه SR که ضوابط خاموت گذاری فشرده در آن رعایت شده، کاملا حجیم (چاق) و دوکی شکل می باشد که ظرفیت جذب انرژی و سختی بسیار بالای آن را نشان می دهد.
تغییر شکل های ماندگار در نمونه WR، در دریفت های ۷و۸ % بیشتر از نمونه SR شده اند که به دلیل افت ظرفیت باربری اتصال در سیکل های آخر بارگذاری می باشد.
با عدم رعایت ضوابط خاموت گذاری فشرده در نمونه مرجع ضعیف (WR)، مقاومت تسلیم، مقاومت حدکثر و مقاومت نهایی آن نسبت به اتصال مرجع استاندارد (SR)، به ترتیب ۳۰، ۵ و ۷۴ درصد کاهش می یابند. البته به دلیل اینکه ظرفیت خمشی مقطع تیر در هر دو نمونه برابر می باشد، انتظار می رفت که مقاومت حداکثر دو نمونه اختلاف زیادی با یکدیگر نداشته باشند. اما اختلاف زیاد بین مقاومت تسلیم و خصوصا مقاومت نهایی دو نمونه، ناشی از شکل پذیری بسیار کم و قابلیت پایین حفظ ظرفیت باربری در تغییر مکان های بالا در نمونه WR نسبت به نمونه SR می باشد.
ضریب شکل پذیری نمونه WR که با استفاده از روش های منحنی الاستو پلاستیک معادل و منحنی واقعی بار-تغییر مکان محاسبه شده، به ترتیب ۲۱ و ۱۷ درصد نسبت به نمونه SR کاهش دارد.
با توجه به اینکه ظرفیت خمشی مقطع تیر در دو نمونه SR و WR برابر می باشد، بنابراین سختی دو نمونه نیز در طی تمام مراحل بارگذاری، مقادیر تقریبا یکسانی داشتند.
میزان انرژی جذب شده در سیکل های بارگذاری تا دریفت ۳% و پیش از گسترش ترک ها و خرابی های بوجود آمده، در هر دو نمونه SR و WR مقادیر تقریبا یکسانی داشتند، اما از دریفت ۴% به بعد با افزایش عرض و عمق ترک های بوجود آمده در تیر و چشمه اتصال در نمونه WR، میزان جذب انرژی آن به شدت پایین آمده به طوری که انرژی جذب شده در دریفت ۷% توسط نمونه WR، در حدود نصف مقدار انرژی جذب شده در همین دریفت توسط نمونه SR می باشد. با کاهش مقاومت هر دو نمونه در دریفت ۸%، ظرفیت جذب انرژی نیز در این دریفت کاهش می یابد. همچنین کل انرژی جذب شده در اتصال مرجع ضعیف (WR) نسبت به اتصال مرجع استاندارد (SR)، ۳۷ درصد کاهش دارد.
با مقاوم سازی اولین نمونه ضعیف قبل از بارگذاری که نمونه RW1 می باشد، از بوجود آمدن ترک های عمیق برشی و تخریب بتن در ناحیه بحرانی تیر جلوگیری شد. مهم تر اینکه با تقویت صورت گرفته در چشمه اتصال، از ایجاد ترک های قطری برشی و تخریب بتن در این ناحیه نیز جلوگیری شد. تنها مورد خرابی و شکست در این نمونه، شکست خمشی تیر در بر اتصال بود.

نحوه خرابی های بوجود آمده در نمونه RW2 همانند نمونه RW1 بوده و تنها مورد خرابی مشاهده شده، شکست خمشی تیر در بر اتصال می باشد.
جمع شدگی در منحنی هیسترزیس ممان-دریفت نمونه RW1 نسبت به نمونه WR بسیار کمتر شده که نشان دهنده افزایش ظرفیت و قابلیت جذب و استهلاک انرژی بهتر آن نسبت به نمونه WR می باشد. همچنین با توجه به منحنی ممان-دریفت نمونه RW2 که پدیده جمع شدگی در آن مشاهده نمی شود و کاملا چاق و دوکی شکل می باشد، موثرتر بودن الگوی تقویتی بکار رفته در این نمونه نسبت به الگوی نمونه RW1 در بهبود رفتار اتصال، بالابردن ظرفیت و قابلیت جذب و استهلاک انرژی بسیار بیشتر به خوبی دیده می شود.
تغییر شکل های ماندگار در دو نمونه RW2 و RW1 در دریفت های پایانی نسبت به نمونه WR بسیار کمتر می باشند که نشان دهنده قابلیت این نمونه ها در حفظ ظرفیت باربری مقطع و نیز کاهش اندک در سختی اتصال در تغییر مکان های بالا می باشد.