چکیده

دیوار برشی بتن مسلح یکی از سیستم های مقاوم در برابر بارهای جانبی بوده که دارای عملکرد لرزه ای مناسبی مـی باشـد و در بیشـتر اوقـات تعبیـه بازشوهای منظم برای پنجره یا درب ها در دیوارهای برشی بنا به ملاحظات معماری ضروری بـوده و در چنـین مـواردی از دیوارهـای برشـی بازشـودار (کوپله) استفاده می شود. از سوی دیگر تیر همبند که یک عضو مهم در عملکرد و شکل گیری دیوارهای برشی کوپله می باشد ممکن اسـت بـه دلایـل مختلف به ترمیم و تقویت داشته باشند. روش های مختلفی جهت ترمیم و تقویت تیرهای عمیق وجود دارد کـه یکـی از آنهـا اسـتفاده از از پلیمرهـای کربنی مسلح شده به الیاف معروف به CFRP می باشد. در این تحقیق به بررسی اثر الیاف CFRP در تیر همبند دیوارهـای برشـی کوپلـه بـا هـدف افزایش ظرفیت باربری این دیوارها پرداخته شده است. بدین منظور یک دیوار برشی کوپله به روش اجزای محدود مدل سازی گردید و تیـر همبنـد آن در دو حالت چیدمانی مختلف توسط ورق های CFRP با ضخامت های ورق متفاوت تقویت گردید. نتایج حاصل نشان می دهد که اسـتفاده از پوشـش های CFRP می تواند تاثیر بسزایی در افزایش ظرفیت باربری دیواربرشی بتن مسلح داشته باشد.

واژه های کلیدی: تیر همبند، پلیمرهای کربنی مسلح شده به الیاف، دیواربرشی کوپله، روش اجزای محدود، CFRP

۱
×

مقدمه

نگاهی به خسارت های ناشی از زلزله های گذشته نشان می دهد که درصد بالایی از ساختمان های بتن مسلح که تاکنون ساخته شده اند در برابر زلزله مقاوم نیستند و یا مقاومت کافی و قابل قبولی ندارند، زیرا سازه های بتن مسلح موجود بر اساس آیین نامه های قدیمی طراحی شده و اکثر آنها الزامات آیین نامه های جدید زلزله را ارضا نمی کنند. همچنین ضعف های اجرایی مزید بر علت شده و ساختمان ها را آسیب پذیر ساخته است. از این رو ضرورت تقویت این ساختمان ها به خصوص برای مقابله با نیروهای جانبی و با روش های مقام سازی قابل اعتماد، آسان، سریع و اقتصادی احساس می شود. از آنجا که تعداد قابل توجهی از ساختمان های آسیب پذیر قبلا ساخته شده اند، افزایش مقاوم سازی لرزه ای آنها به شیوه های گوناگون، کم و بیش مشکلات اجرایی و تغییر در معماری سازه را در بر خواهد داشت. به همین دلیل استفاده از ورق های FRP به منظور بهسازی لرزه ای در سال های اخیر بسیار گسترش یافته است. از دلایل مهم انتخاب این مصالح به عنوان تقویت کننده می توان به مقاومت کششی و گسیختگی بالای این مواد و وزن کم آن (در حدود ۳ درصد ) و همچنین انعطاف پذیری این سیستم و مقاومت و دوام بسیار خوب در برابر خوردگی و سادگی و سرعت بالای اجرای آن اشاره کرد. تیر همبند که یک عضو مهم در عملکرد و شکل گیری دیوارهای برشی کوپله می باشد ممکن است به دلایل مختلف از جمله خطاهای طراحی، آسیب دیدگی ناشی از بلایای طبیعی، خطاهای اجرایی، تغییر در کاربری سازه، اعمال بارهایی بیش از بارهای پیش بینی شده در هنگام طراحی و .. نیاز به ترمیم و تقویت داشته باشند. روش های مختلفی جهت ترمیم و تقویت تیرهای عمیق وجود دارد که استفاده از ورق های پلیمری مرکب کربن معروف به CFRP با توجه مزایای اشاره شده در فوق نسبت به سایر روش ها بیشتر مورد توجه قرار گرفته است Teng)و همکاران، .(۲۰۰۲

خصوصیات ورق های CFRP

این الیاف ها بهترین نوع الیاف از لحاظ مقاومت، تاب خستگی و خزش هستند و در شرایط دمایی بسیار بالا مقاومت خـود را بـه سختی از دست میدهند. عیب این الیاف ها گرانی آن و همچنین کرنش بسیار کم گسیختگی میباشد که آن را به یک مصـالح تـرد تبدیل میکند. ورق های CFRP از دو بخش اصلی تشکیل شده اند که به ترتیب عبارتند از:

-۱ الیاف غیرفلزی، جهت دار، پیوسته و کوچک با خصوصیات و ویژگی های خاص.
-۲ ملات های مایع سخت شونده: در این حالت الیاف هـا و رزیـن هـا جسـم یکپارچـه ای را بـه وجـود مـی آورنـد. ایـن قسـمت خصوصیات خود را حفظ کرده تا یک ترکیب مقاوم را به وجود آورد (حاجی رضایی، .(۱۳۹۳

مروری بر مطالعات پیشین

آزمایشاتی روی نمونههای بتنی محصورشده توسط تیوب انجام شد. در طی تحلیل اطلاعات آزمایش، نرخ انبساط جانبی بر حسب کرنش طولی ترسیم شد (منظور از نرخ انبساط جانبی، نرخ تغییرات کرنش جانبی به کرنش طولی میباشد). این ترسیم نشان داد که این نرخ ابتدا تا رسیدن به مقدار حداکثر افزایش یافته و سپس کاهش یافته و در نهایت به نرخ ثابتی میرسد تا اینکه نمونه گسیخته شود (میرمیران و شهاوی، .(۱۹۹۷ آزمایشات انجام شده و مدل های ارائه شده برای مقاطع مستطیلی اندک میباشد. مدلی برای مقاطع مستطیلی محصورشده توسط کامپوزیتها ارائه شد. این مدل از دوقسمت تشکیل شده است، قسمت اول آن سهمی شکل، و قسمت دوم منحنی به صورت خطی میباشد Teng)و همکاران، .(۲۰۰۲ بسیاری از مشاهدات پژوهشگران نشان میدهند که کرنش کشش نهایی تارهای جاکت قبل از گسیختگی بطور مشخص کمتر از کرنش نهایی الیاف در طی آزمایشات کشش میباشد. این امر ناشی از این علت میباشد کهاولاً تارها در آزمایش کشش در معرض بارهای محوری قرار میگیرند اما در جاکت علاوه بر بارهای محوری، بارهای عرضی نیز وجود دارند؛ثانیاً بتن محصورشده در معرض تمرکز تنش قرار داشته و منجر به شکست الیاف در کرنش های کمتر میگردد. تحقیقاتی آزمایشگاهی صورت گرفته در سال ۲۰۰۵ بروی ۶ نمونه تیر عمیق دو سر ساده انجام شد و مقاومت

۲

×

برشی تیرهای عمیق بتن مسلح مقاوم سازی شده با FRP مورد بررسی قرار گرفت Islam) و همکاران، .(۲۰۰۵ در سال ۲۰۰۵ آزمایشاتی بر روی ۱۶ نمونه تیر عمیق دو سر ساده و با اشکال تقویت مختلف و بارگذاری های مختلف انجام شد Zhang) و Moren ، .(۲۰۰۵ در سال ۲۰۰۶ دو دیوار بنایی غیر مسلح و چهار دیوار بنایی توسط CFRP تقویت شده و تحت بارگذاری دوره ای داخل صفحه مورد بررسی قرار گرفت. برای تقویت دیوارها، از دو نوع چیدمان افقی و قطری لایه های FRP استفاده شد. نوارهای تقویتی FRP به کار رفته از الیاف بافته شده ی کربن بودند Herna) ، .(۲۰۰۶ در مطالعه حاضر به بررسی رفتار تیرهای بتن مسلح تقویت شده با پوشش CFRP به روش اجزای محدود با هدف افزایش ظرفیت باربری این تیرها پرداخته شده است.

شبیه سازی عددی

در مطالعه حاضر،یک دیوار برشی کوپله بتن مسلح در سه حالت مختلفِ معرفی شده در جدول (۱) به روش اجزای محدود با استفاده از نرم افزار Abaqus شبیه سازی شده است. همان طور که در این جدول مشاهده می شود، در حالت اول یک دیوار برشی در حالت بدون مقاوم سازی، در حالت دوم یک دیوار برشی که تیر پیوند آن توسط ورق های CFRP موازی تیر همبند با ضخامت ورق ۰/۲ میلیمتر، در حالت سوم یک دیوار برشی که تیر پیوند آن توسط ورق های CFRP موازی تیر همبند با ضخامت ورق ۰/۴ میلیمتر شبیه سازی می گردد. بررسی رفتار و تاثیری که پوشش CFRP بر رفتار دیواربرشی کوپله بتن مسلح می گذارد به عنوان مهم ترین هدف تحقیق می باشد.

جدول (۱) معرفی حالت های مورد بررسی در این مطالعه

حالت چگونگی آرایش الیاف های CFRP ضخامت الیاف (mm)
اول بدون الیاف —–
دوم الیاف موازی تیر همبند ۰/۲
سوم الیاف موازی تیر همبند ۰/۴

مشخصات هندسی دیوار برشی مورد مطالعه

دیوارهای برشی مورد مطالعه دارای ارتفاع ۳/۲۴ متر و عرض ۴ متر می باشد (شکل.( ۱ همان طور که در شکل ( (۱ مشاهده می گردد، عرض تیرهمبند برابر ۲ متر می باشد. ستون های اطراف تیر پیوند، به وسیله دو لایه میلگرد های فولادی به قطر ۱۸ میلیمتر در فواصل ۱۰ سانتیمتری مسلح شده اند. همچنین تیر پیوند نیز توسط میلگردهای طولی به قطر ۱۶ میلیمتر مسلح گردیدند که در فواصل ۱۰ سانتیمتری دارای خاموت هایی به قطر ۱۰ میلیمتر می باشند.