چکیده

در این مقاله ، روش کـاربردی و کـارا جهـت مقـاوم سـازی سـتون هـای فـولادی در برابـر کمـانش بوسـیله ورق هـای CFRP ارائه شـده اسـت . بـرای ایـن منظـور نمونـه هـای متعـددی در سـه گـروه A و B و C کـه بـه ترتیـب سـتون هــای بــا ضــریب لاغــری ۶۴ ، ۰۷ و ۲۲ را در خــود جــای داده توســط نــرم افــزارANSYS مــدل ســازی گردیــده است . تمامی نمونه هـا بـه صـورت سـه بعـدی و غیـر خطـی مـدل سـازی شـده انـد و در تمـامی آنهـا ملاحظـه مـی شــود کــه اســتفاده از پلیمرهــای مســلح شــده بــه فیبرکــربن بصــورت قابــل ملاحظــه ای مقاومــت ســتون را در برابــر کمــانش افــزایش داده اســت . در ادامــه جهــت بهینــه سـازی و کــابردی نمــودن ، موقعیــت قرارگیــری مصــالح CFRP مورد بررسی قرار گرفته اسـت . همچنـین سـعی شـده تـا انـدازه بهینـه ای از پلیمرهـای مسـلح شـده بـه فیبـر کـربن جهت پایین آوردن هزینه های مقاوم سازی ارائه شود .

واژه هایکلیدی : مقاوم سازی ، CFRP ، پلیمرهای مسلح شده به فیبرکربن ، ستونهای فولادی مربع شکل

– ۱ مقدمه

ستون ها اعضای فشاری هستند که بار وارده بر آنها از طریق تیرها انتقال پیدا می کند . این بار یـا بـه صـورت محـوری یـا برون محوری }لنگر خمشی{ است. باید در نظر داشت که در طراحی ستون ها از مهمترین عوامل تاثیر گذار ، در نظـر گـرفتن کمانش عضو است . اصولا هیچ ستونی تا آخرین ظرفیت مقطع خود نمیفتواند باربری کند و زودتر توسط کمانش از بین میرود. کمانش در ستون ها پیش از هرچیز به ضریب لاغری ستون λ بستگی دارد. یک طراح یا مهندس محاسب باید همیشـه مواظـب کمانش در ستون ها باشد و طراحی را بر اساس آن چک کند. اما به دلایل مختلف از جمله طراحی اشـتباه ، اجـرای نـا مناسـب ، بارگذاری بیش از حد و یا تغییر کاربری ممکن است ستون های سازه نیاز به مقاوم سازی داشته باشـد . روش هـای مختلفـی برای تقویت سازه ها مورد استفاده قرار میگیرد . پلیمر های مسلح شده به فیبر کربن یکی از مصالح نوین برای مقاوم سازی می

International Conference on Civil Engineering Architecture & Urban Sustainable Development 18 &19 December 2013, Tabriz , Iran

باشند . در گذشته کاربرد FRP بیشتر روی سازه های بتنی و بخصوص پل ها بود و اولین سازه فلزی کـه در دنیـا بـا پوشـاندن ورق های CFRP مقاوم سازی شد پل راه آهن HYTHE در انگلستان بود.[۱] اما امروزه استفاده از FRP بـرای مقـاوم سـازی سازه های فولادی رواج فراوانی یافته است.

آقای لیو و همکاران جزو اولین محققانی بودند که به بررسی اثر FRP بر روی پل های فلـزی پرداختنـد. [۲ ] آقـای سـن و همکاران نیز تحقیقاتی را برای بررسی ورق های CFRP بر روی پل های فلزی انجام دادند. [۳ ] آقای جین هی و همکاران نیـز به بررسی روش تعمیر و افزایش ظرفیت باربری تیرورق های دارای خوردگی موضعی پرداختند و بـه ایـن نتیجـه رسـیدند کـه استفاده از ورق های CFRP تنش را در محل خوردگی پایین می آورد و می تواند بـه عنـوان یـک روش سـریع و سـاده جهـت تقویت پل های فولادی دارای خوردگی مورد استفاده قرار گیرد. [۶ ]

در دانشگاه بیرمنگام نیز یک تحقیق در مورد تقویت بال کششی تیرهای I شکل غیر متقارن فشرده فولادی صـورت گرفتـه که نتایج تحقیق افزایش %۴۲ در ظرفیت خمشی مقطع را نشان می دهد. [۵ ] پاتنایک و بایر به مطالعه اثر مقاوم سازی برشـی و خمشی در تیرهای فولادی با کمک پوشش های CFRP پرداختند . در تیرهایی که تحت آزمایش برای مقاوم سازی خمشـی قرار گرفتند ، افزایش %۳۷ در ظرفیت باربری مشاهده شد . همچنین در تیرهایی که برای بررسی برشی ورق هـای CFRP در جان تیر قرار گرفت افزایش %۴۲ درظرفیت برشی تیر مشاهده شد. [۴ ] سید احمد به مطالعه تحلیلی کمانش موضعی تیرهـای فولادی I شکل دارای جان نازک با استفاده از پوشاندن سطح فشرده شده ای که دچـار کمـانش موضـعی مـی شـود بـا کمـک CFRP پرداخت . هدف نهایی از این بررسی پاسخ کمانش موضعی در جان تیر است . در این بررسی مشخص شـد کـه کـاربرد نوارهای CFRP نه تنها بار کمانش نهایی را در عضو ۴۷-۲۷ درصد افزایش می دهد بلکـه مقاومـت نهـایی تیـر را نیـز ۲ – ۲ درصد افزایش می دهد. [۰ ] نرماشیری و همکاران اثر ضخامت های مختلف بر روی مقـاوم سـازی تیرهـای فـولادی را بـه ازای ضخامت های مختلف بررسی کردند و نتایج نشان داد که ضخامت های مختلف بر روی شـکل شکسـت ، ظرفیـت تیـر و شـکل توزیع تنش بر روی CFRP اثر گذار است. [۸ ] همچنین نرماشیری و همکاران حالت مدل سازی دو بعدی و سه بعدی را نیز بـا هم مقایسه کردند و نتایج حاکی از تفاوت قابل توجه در نتـایج دو بعـدی و سـه بعـدی مـی باشـد. [۸ ] آقـای حیدرالزبیـدی و همکاران بر روی مدل سازی اتصال نوارهای CFRP و فولادی تحت بارهای کششی دینامیکی بوسیله نرم افزار اجـزا محـدودی ABQUS تحقیق نموده اند و به این نتیجه رسیدند که برای مدل سازی سه لایه CFRP نمی توان توسـط نـرم افـزار اجـزای محدود جدا شدگی لایه های چسب و CFRP را بخوبی پیش بینی نمود اما برای یک لایه CFRP این نرم افزار نتایج خـوبی را می تواند پیش بینی نماید. [۲ ] ماسیلیانو باچیاریلی و همکاران تحقیقاتی در مورد رفتـار الاسـتو پلاسـتیک تیرهـای پیوسـته فولادی تقویت شده بوسیله CFRP انجام داده اند و به این نتیجه رسیده اند که با تقویت این تیرها می توانـد از ایجـاد مفصـل پلاستیک جلوگیری نماید. [۱۷ ]

آقای عبداللهی چهکند و همکاران تحقیقاتی را برروی تاثیر CFRP در افزایش مقاومت پیچشی مقاطع فولادی مربع شـکل توخالی انجام داده اند و به این نتیجه رسیدند که می توان با دورپیچ نمودن CFRP نیروی پیچشی را بالا برد و همچنین زاویه قرارگیری در این نوع مقاوم سازی مهم می باشد و باید الیاف CFRP را در جهت اصلی تنش کششی قرار داد. [۱۱ ]

International Conference on Civil Engineering Architecture & Urban Sustainable Development 18 &19 December 2013, Tabriz , Iran

آقای دانگ و همکاران نیز بر روی مقاوم سازی ستون های فولادی پر شده با بتن بوسیله CFRP تحقیق کرده اند و به ایـن نتیجه رسیدند که دورپیچ CFRP بر روی ستون های دایره ای تو پر و تو خالی تـاثیر بهتـری نسـبت بـه مقـاطع مربـع شـکل دارد. [۱۲ ] همانطور که ملاحظه می شود در تحقیقات گذشته مطالعات اندکی در زمینه مقاوم سازی ستونهای فولادی صـورت گرفته و اکثر مطالعات معطوف به تیرهای فلزی و یا سازه های بتنی بوده است لذا هدف از این تحقیق بررسـی و تحلیـل مقـاوم سازی ستونهای فولادی با استفاده از پلیمرهای مسلح شده به فیبر کربن و بدسـت آوردن موقعیـت قرارگیـری مناسـب مصـالح CFRP می باشد. برای این منظور با استفاده از نرم افزار اجزا محدودی ANSYS ، ۵۱ نمونه کامپیوتری شامل سه گـروه A ، B و C مدل سازی شده است.