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
| نام نمونه | معرفی نمونه | توضیحات |
| SR | مرجع استاندارد | اتصالی با جزئیات آرماتورگذاری استاندارد با رعایت ضوابط شکل پذیری متوسط در تیر و ستون و چشمه اتصال |
| WR | مرجع ضعیف | اتصالی با جزئیات آرماتورگذاری عرضی ضعیف در ناحیه ویژه تیر و چشمه اتصال |
| RW1 | مرجع ضعیف تقویت شده با ورقه های FRP | مرجع ضعیف تقویت شده با FRP در ناحیه ویژه تیر و چشمه اتصال (تقویت برشی و افزایش محصور شوندگی تیر و چشه اتصال) |
| RW2 | مرجع ضعیف تقویت شده با ورقه های FRP با شیوه شیار زنی | مرجع ضعیف تقویت شده با FRP در ناحیه ویژه تیر و چشمه اتصال با شیوه شیار زنی (تقویت برشی و افزایش محصور شوندگی تیر و چشه اتصال و نیز تقویت خمشی تیر در بر اتصال و استفاده از شیوه شیار زنی سطح بتن جهت نصب ورق های تقویتی) |
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.