مقاوم سازی خمشی با FRP

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.