چکیده:
با توجه به وقوع زلزله های مختلف و بروز آثار مخرب بر جا مانده از آن در تمامی زمینه‌ها و با توجه به اینکه کشور ایران در ناحیه لرزه‌خیز قرار دارد، لزوم ترمیم و تقویت سازه ها با توجه به هزینه های سنگین ساخت مجدد سازه و توقف بهره‌برداری از آن، امر ضروری به نظر می‌رسد. در تحقیق حاضر، مقاوم‌سازی ستون بتن مسلح پل با استفاده از جاکتهای فولادی مورد بررسی قرار می‌گیرد. برای مطالعه عددی، از نرم‌افزار المان محدود ANSYS استفاده شده است. در ابتدا جهت تایید صحت مدلسازی، نتایج به دست امده از تحلیل‌ها در نرم‌افزار ANSYS با نتایج حاصله از یک کار تجربی انجام شده در دانشگاه ملی تایوان مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه سه ستون بتن مسلح با نسبت لاغرهای مختلف، تحت اثر بار محوری ثابت و

جابجایی های رفت و برگشتی قرار گرفتند. از ستون با نسبت لاغری ۵ و جهت رفع نقص آنها از جاکت فولادی تنها، جاکت فولادی سخت شده با استفاده از ورق‌های ضخیم و المان های سخت کننده مستطیل شکل استفاده شده است و نتایج حاصل از آن، مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. نتایج حاصل از تحلیل ها نشان می دهد که استفاده از سخت کننده ها جهت تقویت جاکت های فولادی با مقطع مستطیل شکل، باعث افزایش شکل‌پذیری و افزایش مقاومت خمشی شده و ستون تقویت شده می تواند سیکل های بیشتری از جابجایی رفت و برگشتی را بدون افت در ظرفیت باربری تحمل نماید.

کلیدواژه‌ها: مقوم‌سازی لرزه‌ای، ستون‌های بتن مسلح پل، جاکت های فولادی سخت شده موضعی، روش المان محدود.
۱- مقدمه:
ستون ها به عنوان اعضای مهم بحرانی در سازه پل‌ها هستند که ایجاد خرابی حتی در یک ستون می تواند به خرابی کلی یا جزئی در انها منجر شود [۱]. بر اساس تحقیقات و مطالعه گسترده برای تقویت سازه ها در برابر زلزله، روشهای مختلف مقاوم‌سازی توسعه یافته است که روش استفاده از جاکت های فولادی به عنوان یکی از روشهای موثر و متداول در زمینه مقاوم سازی پل‌ها مطرح می‌باشد. این روش نسبت به روش‌های دیگر تقویت از جمله استفاده از مواد کامپوزیتی FRP و … دارای سابقه کاربرد بیشتری است. با توجه به هزینه بالای خرید مواد کامپوزیتی و اینکه در کشور ایران تولید فولاد انبوه بوده و هزینه تهیه آن نسبت به مواد کامپوزیت ارزان‌تر است، استفاده از این روش جهت مقاوم‌سازی سازه پل و ستون‌های بتن مسلح آن، تا حدودی جنبه اقتصادی را اقنا می کند. [۲]

به طور معمول، خرابی در ستون‌ها و پایه ها بر دو نوع خرابی خمشی و برشی است. خرابی خمشی ستون‌ها ناشی از مقاومت خمشی ناکافی و یا فقدان ظرفیت شکل‌پذیری خمشی بوده و اساسا در ستون بتن مسلح پل با ارماتورهای طولی پیوسته در نواحی مستعد تشکیل مفصل پلاستیک، رخ می دهد. در شکل ۱ نمونه‌ای از خرابی در قسمت تحتانی ستون پل به علت شکل‌پذیری خمشی ناکافی پس از زلزله کوبه ژاپن در ۱۹۹۵ دیده می‌شود [۳].

خرابی برشی در ستون‌ها، به طور طبیعی تردو شکننده است و منجر به کاهش سریع مقاومت جانبی در ستون ها‌ی پل می‌شود و یکی از مهمترین دلایلی است که باعث خرابی سازه تحت اثر بارهای زلزله شده است [۳].

شکل ۱- خرابی خمشی

شکل ۲- خرابی برشی و انتقال ناحيه مفصل پلاستيك، زلزله NORTHRIDGE، ۱۹۹۴٫

۲- استفاده از جاکتهای فولادی سخت شده موضعی
عملکرد ضعیف جاکتهای فولادی با مقطع مستطیل شکل در محصور کردن بتن هسته ستون و تورم خارج از صفحه این نوع از جاکتها و از طرفی مزیت آنها از لحاظ معماری و عدم تداخل در ترافیک شهری، از جمله دلایلی است که سبب شده است تا محققین مختلف روش‌هایی را برای بهبود عملکرد این گونه از جاکتها پیشنهاد دهند. در شکل ۳، شماتیکی از ایجاد تورم خارج از صفحه در جاکت فولادی یا مقطع مستطیل شکل دیده می‌شود.

شکل ۳- تورم جاکت فولادی مستطیل شکل.

۲-۱- تشریح روش
در این روش، المانهای سخت‌کننده بر روی جاکت فولادی مستطیل شکل صاف جوش داده می‌شوند. برای جلوگیری از تورم جاکت و حفظ مقاومت و شکل پذیری آن، از سخت‌کننده‌های تقویتی عرضی در طول ناحیه مستعد تشکیل مفصل پلاستیک می‌شود. شکل مقطع المانهای سخت کننده می تواند به صورت نبشی، پروفیل‌های قوطی ورقهای ضخیم و … باشد. [۵].
۲-۲- ضوابط طراحی
ضرابط طراحی جاکتهای فولادی بر مینای عملکرد مورد انتظار از استراتژی مقاوم‌یازی دارد که از شیوه‌های دقیق ارزیابی از سازه آسیب دیده بدست می آید و شامل بهبود شکل پذیری خمشی، بهبود تمامیت ناحیه وصله آرماتورها یا بهبود مقاومت برشی در عضو تقویت شده می باشد. [۶].
۲-۲-۱- طول ناحیه مفصل پلاستیک

بر طبق تحقیقات Priestly و Park در ۱۹۸۷، طول مفصل پلاستیک Lp برای یک ستون بتن مسلح تقویت شده بوسیله جاکتهای فولادی از رابطه تقریبی زیر بدست می‌آید:
که در ان g اندازه شیار، fy تنش تسلیم فولاد تقویتی عرضی و dbl قطر میلگردهای طولی است. [۳]
۲-۲-۲- مساحت مورد نیاز برای تقویت عرضی
بر طبق پیش‌بینی‌های لرزه‌ای ACI 1999 ، میزان آلماتور عرضی مورد نیاز برای تقویت عرضی از رابطه زیر بدست می‌آید:

که در آن Ash کل مساحت مقطع عرضی در فاصله Ach,S مساحت مقطع عرضی ستون از بیرون تا بیرون تقویت عرضی مقاومت مشخصه بتن، مقاومت تسلیم مشخصه آرماتورهای عرضی، بعد هندسی هسته ستون اندازه‌گیری شده از مرکز تا مرکزآرماتورهای محصور کننده و مساحت کل مقطع ستون است.
۳- تحلیل المانهای محدود

مطالعه رفتار سازه ها با استفاده از روشهای مختلفی از جمله تجربی و نظری امکان‌پذیر است. استفاده از روش عناصر محدود با داشتن مزایایی از جمله هزینه کم، سرعت و دقت بالا و دست یافتن به پارامترهای بیشتری از تحلیل یک مسئله، نسبت به سایر روش‌ها ارجحیت دارد. در این تحقیق، برای مدلسازی از نرم‌افزار المان محدود ANSYS استفاده شده است.
۳-۱- جهت مدل کردن بتن، از المان سه بعدی SOLID65 استفاده می‌شود. این المان دارای قابلیتهایی از جمله در نظر گرفتن خزش، تغییر شکل های پلاستیک، امکان تسلیح بتن در سه امتداد اصلی با فولاد و … است. برای آرماتورهای فولادی از المان LINK8 استفاده می‌شود. این المان فاقد باربری خمشی بوده و فقط در مقابل کشش یا فشار مقاومت دارد.

این المان قابلیتهای اعمال تغییر شکل‌های پلاستیک، خزش، تورم، سخت شدگی تنش و تغییر شکل های بزرگ را دار می‌باشد. برای مدلسازی جاکت فولادی از المان SHELL 181استفاده شده است. این المان دارای ۴ گره و در هر گره دارای ۶ درجه آزادی می باشد. برای المانهای سخت کننده از المان سه بعدی SOLID45 استفاده می‌شود. این المان نسبت به المان SOLID65 ، تنها مشخصه‌های مربوط به بتن را در نظر نمی گیرد ولی سایر پارامترهای ان را دارا می‌باشد. با توجه به احتمال رخداد لغزش بین جاکت فولادی و ستون بتن مسلح، از المان CONTACT52 استفاده شده است. این المان تنها وقتی که تحت فشار قرار داشته باشد، تنش‌ها را مابین سطوح انتقال می‌دهد. [۷]

۳-۲- صحت سنجی مدلسازی
جهت تایید روش مدلسازی بکار رفته، نتایج حاصل از تحلیل المان های محدود با نتایج حاصل از ازمایش تجربی انجام شده در دانشگاه ملی تایوان مقایسه شده است. در جدول ۱ خلاصه‌ای از مقاومت مصالح و در شکل ۴ جزئیات بارگذاری و جزئیات آرماتورهای بکار رفته در نمونه ازمایش دیده می‌شود [۸].
جدول ۱- خلاصه‌ای از مقاومت مصالح مختلف در آزمایش.

شکل ۴: جزئیات ازمایش انجام شده در دانشگاه تایوان

با استفاده از روش مدلسازی غیر مستقیم و استفاده از المانهای تعریف شده در فوق، از تحلیل استاتیکی غیر خطی با در نظر گرفتن خواص غیر خطی مصالح و غیر خطی هندسی، نتایج حاصله از تحلیل المان‌های محدود با نمودارهای از آزمایش ذکر شده مقایسه شده است. در شکل ۵٫ نمودار بارمحوری – جابجایی محوری مربوط به کار آزمایشگاهی انجام شده و تحلیل المان محدود دیده می‌شود.

شکل ۵: نمودار تنش- کرنش نمونه تحلیلی و آزمایشگاهی

ملاحظه می‌شود که تطبیق خوبی بین نمودار حاصل از تحلیل المانهای محدود با نمودار حاصله از کار ازمایشگاهی دیده می‌شود. اندک خطای موجود ناشی از خطای موجود در روشهای عددی، رفتار غیر خطی مصالح بکار رفته در مدل، ناکامیهای احتمالی موجود در نمونه آزمایشگاهی و مش بندیهای بکار گرفته شده در مدلسازی ستون است.

شکل ۶: تغییر شکل نمونه های تجربی و تحلیلی در پایان آزمایش

در شکل ۶ تغییر شکل نمونه ها پس از آزمایش و پس از تحلیل المانهای محدود نشان داده شده است. تطبیق خوبی در تغییر شکل ها در شکل دیده می‌شود. بنابراین با توجه به مدلسازی شرح داده شده در فوق، می توان برای بدست آوردن رفتار واقعی ستون‌ها و پایه های تقویت شده با جاکتهای فولادی از آن استفاده کرد.
۴- بررسی رفتار ستون های بتن مسلح تحت اثر بارهای چرخه ای

جهت بررسی رفتار ستون های بتن مسلح، از سه ستون با نسبت های لاغری مختلف استفاده شده است. هدف انجام آنالیز در این قسمت، بررسی مختصر درباره ستون های بتن مسلح با نسبت لاغری‌های مختلف تحت اثر بارهای شبه لرزه ای است. در این مطالعه، از آنالیز استاتیکی جهت بررسی رفتار پسماند ستون ها استفاده می شود که در آن، سه نمونه از ستون بتن مسلح با نسبت های لاغری، ۳ع۵،و ۸ مورد استفاده قرار گرفته است. نمونه‌ها تحت اثر بار محوری ثابت با جابجائیهای رفت و برگشتی بارگذاری شده اند.
۴-۱- مشخصات نمونه ای آزمایش

در جدول ۲، مشخصات هندسی نمونه های ازمایش و در جدول ۳ مشخصات مصالح نمونه ةای ازمایش دیده می‌شود.

میلگردهای‌عرضی میلگردهای طولی نسبت لاغری ابعاد مقطع(mm) ارتفاع(m) نمونه ازمایش

۳ ۱٫۲۰*۱٫۲۰ ۳٫۶۰ S1

۵ ۱٫۲۰*۱٫۲۰ ۶٫۰۰ S2

۸ ۱٫۲۰*۱٫۲۰ ۹٫۶۰ S3
جدول ۲: مشخصات هندسی نمونه‌های آزمایش

V

شماره نمونه
۰٫۲ ۷۰ ۳۰۳ ۳۴۵ ۴۰ S1
0.2 70 303 345 40 S2
0.2 70 303 345 40 S3
جدول۳: مشخصات مصالح نمونه‌های آزمایش
۴-۲- نحوه اعمال بار
در این تحقیق، از مقدار بار محوری معادل برای مدل کردن بار مرده محوری وارده بر ستون پل استفاده شده است. روش کنترل جابجایی برای اعمال بار جانبی مورد استفاده قرار رگفته است. مقادیر تاریخچه جابجایی بر حسب تغییر مکان نسبی انتهای فوقانی ستون اعمال شده است که در زیر مقادیر اعمال شده ان دیده می شود. این تاریخچه برای تمام نمونه ها اعمال شده است.