مطالعة آزمايشگاهي و عددي براي تأمين ظرفيت خمشي در اتصالات پيش ساختة بتن آرمه با استفاده از ورقههاي FRP

داود مستوفي نژاد* و نيما رهگذر** دانشكدة مهندسي عمران، دانشگاه صنعتي اصفهان

(دريافت مقاله: ٢٥/٢/١٣٨٥ – دريافت نسخه نهايي: ١٩/١٢/١٣٨٨)

چكيده – اين مقاله به بررسي نتايج تحقيق آزمايشگاهي و تحلي ل ع ددي مربوط به استفاده از پليمرهاي مسلح ش ده به الياف از ج ـنس ك ـربن(CFRP) براي تبديل اتصالات پيشساختة تير -ستون با كرب ل به اتصالات خمشي ميپردازد. مطالعات آزمايشگاهي انجام گرفت ـه در ايـن تحقي ـقتمركز ويژه اي بر ظرفي ت خمشي و تأثير ج دا ش دگي لاية مرزي ورقةFRP در اتصالات پيشساختة همراه با كرب ل دارد ك ـه توس ـ ط ص ـفحاتFRP گيردار ش دهان د. در تحقيق حاضر چهار نمونه اتصال خارجي تير -ستون با مقياس٢/١ ابعاد واقعي شامل ي ك نمونة اتصال گيردار معم ـولي ب ـا ب ـتندرجا، و سه نمونه اتصال سادة پيشساختة همراه با كرب ل و گيردار ش ده باFRP ، مورد آزمايش قرار گرف ت. ورقههايFRP در قسمتهاي مختلف ب ـاضخامتهاي متفاوت انتخاب ش دن د. بارگ ذاري بهصورت استاتي كي در سر تير تا ش كس ت نهايي، و ه مزمان با اعمال بار محوري ثاب ت روي ستون بود. به علاوه با كم ك نرم افزار ANSYS 8.1 تحلي ل استاتي كيبه صورت غير خطي بر روي م دل دقيق سه بع دي اتصال صورت گرف ت. با اعمال تغييرات در نوع اتصال معمولي و اتصال پيشساختة كرب ل تقوي ت ش ده باFRP و همچنين تغيير در جز ييات قرارگيري ، ضخام ت و ابعاد ورقه هايFRP ، با توجهبه مهار م كاني كي كامل ورقههايFRP ،مقايسة جامعي بين انواع تقوي ت با ورقههايFRP صورت گرف ت. نتايج نشان داد كه ميتوان ب ـا ورق ـهه ـايFRP، اتصالات سادة پيشساخته را به اتصالات خمشي تبديل كرد. نتايج نشان دادن د كه تامين طول مهاري كافي، ضخام ت مناس ب و نحوة آراي ـش
ورقههايFRP ، و نيز مهار م كاني كي مناس ب در جلوگيري از ج دا ش دگي ورقه از سطح بتن و تأمين گيرداري مؤثر اس ت؛ كه در اين تحقيق به تأمينگيرداري در اتصال سادة پيش ساخته تا بيش از ۸۰ درص د منجر ش د..

واژگان كليدي : اتصال تير – ستون، بتن آرمه، پيش ساخته، ظرفي ت خمشي، كامپوزي ت FRP، كرب ل

76432740

* – دانشيار ** – كارشناسي ارشد
An Experimental and Numerical Study to Sustain Flexural Capacity in
Precast RC Joints using FRP Sheets

D. Mostofinejad and N. Rahgozar

Department of Civil Engineering, Isfahan University of Technology (IUT)

Abstract: This paper is focused on the results of the experimental investigation and numerical analysis for changing the precast RC beam-column connections with corbels to flexural connections using fiber reinforced polymers (FRPs). The experimental study has a special focus on the flexural strength and debonding effect of boundary layer of FRP sheets attached onto the corbels and other parts of precast connections. In the current study, four half-scale external beam-to-column connections including one conventional fixed connection, and three simple precast connections with corbels strengthened with FRP sheets were casted and tested. The FRP sheets were attached in different layouts with different thicknesses. Static concentrated loads were applied on the tip of the beam simultaneously with a constant axial load on the column, and were continued up to ultimate failure. To fulfill the numerical phase of this study, non-linear static analysis on the 3-D model of the connections were performed using Ansys 8.1. A comprehensive comparison was then performed between different strengthening methods with FRP sheets using different FRP configurations, different thicknesses and dimensions, also using full mechanical anchorages. The results showed that simple precast connections could be changed to flexural connections using FRPs, whereas the sufficient development length and thickness, configuration of FRP sheets, and suitable mechanical anchorage are quite effective to prevent the FRP debonding. The test results of this study showed that the suitable use of FRP sheets increased the flexural capacity of a simple precast joint more than 80% of that of a full flexural RC joint.

Keywords: Beam-column connection, reinforced concrete, precast, flexural capacity, FRP sheets, corbel.

فهرس ت علائ م
مقاومت فشاري بتن نسبت آب به مواد سيماني درصد FRP طولي تير
درصد دورپيچ تير و كربل مدول الاستيسيتة بتن چگالي الياف مقاومت كششي الياف كرنش نهايي الياف ضخامت طراحي الياف fc’
W/C ρfb
ρfW
Ec ρ fu εu tf FRP lb طول مهاري
Af سطح مقطع الياف b عرض مقطع تير h ارتفاع مقطع تير fctm مقاومت كششي بتن Ef مدول الاستيسيتة الياف nf تعداد لايههاي كامپوزيت
Gf انرژي شكست بين سطحي

بارهاي جانبي، اغلب از كارايي لازم برخوردار نيستند. با توجـهبه نتايجي كه از مطالعات مرتبط با نقاط ضعف اين سـازههـا درهنگام زلزله بهدست آمده اسـت، مـشخص شـده كـه اتـصالاتخشك در اين سازهها، بهدليل اينكه اغلـب بـهصـورت مفـصلياجرا ميشوند، به علت عدم تطابق در شكلپذيري و بروز نيرويضربهاي در اتصال، از رفتار مناسبي در مقابـل زلزلـه برخـوردار ١- مقدمه
بهدليل مزاياي سازههاي بتنآرمة پيش ساخته از جمله كنتـرلكيفيت عالي، سرعت اجراي بالا، استفاده از نيروي انساني كمتـرو در نهايت قيمت تمام شدة پايين، اين نوع سازههـا در سراسـردنيا گسترش پيدا كردهاند؛ ولي بـهدليـل عـدم وجـود مطالعـاتآزمايشگاهي دقيق بر روي نقاط ضعف اين نوع سازهها در برابر
استقلال،
نيستند [۱]. بههمين دليل بهنظر ميرسد، خمشي كردن اتصالاتپيشساختة بتنآرمه باعث بهبود رفتـار ايـن سـازه هـا در مقابـلبارهاي ثقلي و جانبي شود.
يكي از روشهاي نـوين بهينـه سـازي و تقويـت سـازه هـايبتنآرمه، چسباندن ورقههايFRP به سطح بـتن بـراي افـزايشظرفيت خمشي ، برشي و محوري، و نيز محـصور كـردن هـستةبتني و جذب انرژي در اعضاي سـازه هـاي بـتن آرمـه خـصوصﹰا اتصالات است [۲]. مواد FRP در مقايسه با فولاد داراي مزايايي چون سبك ي، مقاومت بسيار بالاتر، مقاومت در برابر خوردگي وعدم ايجاد تغيير در ابعاد عضو تقويت شده است [۳].
در دهههـاي گذشـته تحقيقـات زيـادي بـر روي اتـصالاتدرجاي تير – ستون و تقويت آنها صورت گرفتـه اسـت . ناكـافيبودن جزي يات اتصالات، خصوصﹰا اتصالات خارجي، باعث شدهاست كه اين اتصالات بهعنوان نقاط بحراني در سازههـا مطـرحشوند [۴].
شكست برشي – خمشي ناشي از لغزش طول مهاري بهدليل ناكافي بودن طـول مهـاري و كمبـود مقاومـت در مقابـل بـرشقطـري در هـستة اتـصال از نقـاط ضـعف ايـن نـوع اتـصالات است [۴]. از جملة اين تحقيقات ميتوان به كارهـاي گرگلـي وهمكــاران در ســال ٢٠٠٠ [۵] و مهينــي و رونــق در ســال٢٠٠٧ [۶] در تقويت برشي-خمشي اتصالات خارجي، پروين و گراناتا در سال ١٩٩٨ در مورد تقويت خمشي -برشي اتـصالات كربل مفـصلي پـيشسـاخته و خمـشي كـردن آن بـا اسـتفاده ازورقه هايFRP [۷]، آنتونوپلوس و تريانتانيلو در سـال ۳٢٠٠ در مورد تقويت اتصال تير-ستون باCFRP با تمركز بر روي جـداشدگي الياف [۸]، موخوپازيايا و سوامي در سال ٢٠٠١ در موردتوزيع تنش برشي و جدا شدگي الياف و ورقههـاي فـولادي ازسطح بتن در تيرها [۹]، آقايان هام و ال مهيـدي در سـال ۴٢٠٠ در مورد جمعبندي انواع مدل هاي ارائه شده در مورد جدا شدگي ورقةFRP از سطح بتن در تيرها [۱۰]، و هـارمون و همكـاران در سال ۳٢٠٠ در مورد توزيع تنش برشي و جدا شدگي اليـافاز سطح بتن در تيرها [۱۱]، اشاره كرد. اما دانش استفاده از ايـنتكنيك در تقويت سازه هاي پيش ساخته خـصوصﹰا در اتـصالاتاعضاي آنها، ناقص و مبهم است. هدف از ايـن تحقيـق ، بهبـودرفتار اين اتصالات به وسيلة تقويت آن با ورقـه هـاي FRP بـودهاست؛ به خصوص در ايـن مطالعـه، تمركـز اساسـي بـر تبـديلاتصال سادة پيش ساخته به اتصال خمشي بوده است.

۲- برنامة آزمايشها
۲-۱- نمونه هاي مورد آزمايش
در تحقيق حاضر چهار نمونه اتصال خارجي تير- ستون بـامقياس ۲/۱ ابعاد واقعـي سـاخته شـد و مـورد آزمـايش قـرارگرفت. اولين اتصال، يك اتصال بهنامBase به صورت گيـرداربا بتن درجا با توجه به فلسفة “تير ضـعيف- سـتون قـوي” بـاآرماتور طولي تير در حدودρmax 0.3 و آرماتور طولي ستوندر حدود ۵/۳ % با رعايت كلية ضوابط رعايت آرماتور عرضيو طول مهاري در مناطق زلزله خيز بـر اسـاسACI 318 بـود (شكل ۱- الف ). نمونههاي دوم تا چهارم بهنامهايBase-P1 ، Base-P2 وBase-P3 بهصورت اتصال ساده بـا تيـر و سـتونپيشساختة جدا از هم بودهاست؛ بهطوريكه تيـر روي كربـلستون قر ار داده شده و درز انقطاع مياني با گروت پر ميشـود(شكل ۱- ب). نحوة جاگذاري ورقه هايFRP در شـكل (۲) نشان داده شده است. طراحي تعداد و ضخامت لايههايFRP چنان انجـام گرفـت كـه لنگـر ظرفيـت خمـشي منفـي در بـرتكيه گاه، حداقل برابر با ظرفيت متناظر در نمونةBase فـراهمشـود. در ايـن ارتبـاط، طراحـي بـر اسـاس ACI 440 [۱۲] صورت گرفت.

۲-۲- نحوة آماده سازي نمونه ها
طــرح اخــتلاط بــتن بــر اســاس روش وزنــي و حجمــي ACI 211-89 صورت گرفت. سـيمان مـصرفي سـيمان تيـپ ۲ پرتلند، اسلامپ مورد نياز براي تير و ستون ۱۰۰- ۷۵ ميليمتـر،بزرگترين بعـد دانـههـا ۵/۱۲ ميلـيمتـر و بـا رعايـت منحنـيدانه بندي اسـتاندارد، مقـدار آب لازم 3W=216 kg/m و نـسبت

(الف) (ب)
شكل ۱- الف) اتصال Base، ب) اتصالات Base-P1 تا Base-P3

2085340-249

(الف) (ب) (ج)
شكل ٢- الف) اتصال Base-P1، ب) اتصال Base-P2 ، ج) اتصال Base-P3

آب به سيمان W/C=0.54 انتخاب شد.
قالببندي و بتن ريزي نمونهها در سطحي افقي با استفادهاز قالبهاي فلزي انجام شد. نمونهها تا يك هفتـه، سـه بـار درروز آب دهـي شـدند و تـا۳۰ روز در دمـاي آزمايـشگاه قـرار گرفتنـد. پـس از عمـل آوري بـتن، نمونـه هـاي تيـر و سـتون پيش ســاخته روي يكديگر قــرار گرفته و درز انقطــاع ۳۰ ميليمتري بهوسيلة گروت بسته شد. بـراي تمـام گوشـههـاياعضاي بتني، پخي با بعد ۲۵ ميليمتر درنظرگرفتـه شـد تـا ازتمركز تنش در لايههـايFRP دورپـيچ بـه دور تيـر و سـتونجلوگيري بهعمل آيد . براي بهدست آوردن سطحي با زبري تا۵/۰ ميليمتر، سطح با استفاده از سـمبادة نـرم و بـرس سـيميصاف گرديد . اولين لايةFRP بـا رزيـنSikadur-330 اشـباعشـده و روي سـطح چـسبانده شـد. سـپس بـه وسـيلة غلتـك پلاستيكي و گيره، سطح فشرده شد تا چـسب اضـافي خـارجشود. به همين ترتيب لايه هاي ديگر نيز چسبانده شد تا ورقه به ضخامت لازم برسد.

۲-۳- مشخصات مصالح به كار رفته
مقاومت فشاري بتن ۲۸ روزه براي هريـك از نمونـههـا بـااستفاده از ۳ نمونة استوانهاي با قطر ۱۵۰ ميلـيمتـر كـه ۲ تـا ازنمونهها مشابه نمونة اصلي عملآوري شده و يكي از نمونـههـادر حالت اشباع كامل عمل آوري شده است، در جدول (۱) ذكـرشده است . جدول (۱) همچنين ساير مشخصات نمونهها را نيـزنشان ميدهـد . آرماتورهـاي كشـشي در تيـر و سـتون از فـولاد A-ІІІ باfy = 420 MPa ، و آرماتور طولي تحتاني تير و خاموتهااز ميلگرده اي A-ІІ بـا fy = 300 MPa در نظ ر گرفت ه ش د.
مشخصات ورقةFRP بهكار رفتـه SikaWrap-200C از جـنسكربن بوده و داراي مشخصات فني مطابق جدول (۲) است.

۲-۴- تجهيزات آزمايش
با توجه به محدوديت ابعاد دستگاه براي آزمون نمونه، ابعاد
جدول ۱- مشخصات نمونهها و نتايج آزمايش
درصد تفاوت بار نهايي با نمونة Base بار شكست
نهايي(kN) درصد دورپيچ تير و
**(ρfW ) كربل درصد FRP طولي تير
*(ρfb ) مقاومت فشاري ۲۸ روزه (MPa) نمونه
۰ ۲۴ ۰ ۰ ۲۱/۳ Base
۰/۸۱ ۴/۵۰ ۰/۱۱ ۰/۲۵ ۲۳/۲ Base-P1
۰/۶۸ ۷/۷۵ ۰/۲۲ ۰/۲۲ ۲۳/۱ Base-P2
۰/۱۷ ۱۹/۵ ۰/۲۲ ۰/۲۲ ۲۱/۱ Base-P3
47777459592

135026459592

ρ =fbAbhf و **ρ =fwAbhf

جدول ۲- مشخصات فني FRP
SikaWrap-200C مشخصات فني
E = 230 GPa مدول الاستيسيته
W = 200 g/ m2 ± 5% وزن
ρ=1.80 g/cm3 چگالي الياف
fu = 3900 MPa مقاومت كششي الياف
ε u =1.55% كرنش نهايي الياف
t = 0.11 mm ضخامت طراحي الياف
نمونه در مقياس۲/۱ اندازة واقعي انتخاب شد. در نمونة واقعـيفرض بر اين است كه نقطة عطف در وسط تيـر و سـتون قـرار دارد. با اين تفسير اتصال مربوطه كه ابتدا و انتهـاي نمونـههـايآزمايشي روي آن سوار ميشوند، بهصورت مفصل طراحي شد.
نمونههاي ساخته شده بعد از عملآوري و تقويت، به زير جـك۲۵۰۰ كيلونيوتني انتقـال يافتـه و روي اتـصالات مربوطـه قـرارگرفت. براي برداشت اطلاعـات در هنگـام بارگـذاري، از يـكLoad-Cell ۵۰۰ كيلــو نيــوتني بــا دقــت ۲۵۰ نيــوتن و يــكActuator براي كنترل- بار تغييرمكان و پـنجLVDT بـا دقـت
۰۰۱/۰ ميليمتر با جاگذاري بهصورت شكل (۳) براي برداشـتتغييرمكـان نقـاط مختلـف اتـصال اسـتفاده گرديـد. بارگـذاري بـه ص ورت يـك بـار مح وري ثاب ت روي س تون ب ه مي زان P = 0.2fc′Ag توسط يك جك هيدروليكي دسـتي، و يـك بـارمتغيــر در ســر تيــر در موقعيــت ۱۰۰۰ ميلــي متــري از بــر

شكل ۳- نمايش شماتيك تجهيزات آزمايش

ات صال توس ط ي ك ج ك هي دروليكي ب ا ه دايت رايان ه اي و بــا سيــستم بارگــذاري بــا كنتــرل تغييــر مكــان صــورت گرفت.

۳- نتايج تحقيق آزمايشگاهي
۳-۱- نتايج نمونة Base
نتــايج آزمــايش بــر روي نمونــة اول نــشان مــي دهــد كــه آرماتورهاي طولي تير در بر تكيهگـاه بـه تـسليم رسـيدند؛ يعنـيپوش منحني آزمايشگاهي تا لحظة تـسليم بـا منحنـي نظـري تيـركنسول مطابقت دارد؛ ولي بهدليل ضـعف هـستة اتـصال در نبـودآرماتور عرضي، تركهاي ريز قطري نيز درون هسته بهوجود آمد ودر نهايت با وجود رعايت ساير ضوابط آرمـاتور عرضـي و طـولمهاري در مناطق زلزله خيز، لغزش در آرماتور كششي اتفاق افتاد.
شكست تاحدودي حالـت تـرد دارد و شـكلپـذيري مناسـبي دراتصال بهوجود نيامده است. اين امر لزوم توجه ويـژه بـه اجـرايدقيق هستة اتصال را نشان ميدهد، شكلهاي (۴) و (۱۱).

۳-۲-نتايج نمونة Base-P1
شكست هنگامي اتفـاق مـيافتـد كـه دورپـيچ تيـر وكربـلب ه ص ورت كش شي ب ا اس تفاده از ح داكثر ظرفي تFRP در

شكل ۴- تركهاي بر اتصال و هستة اتصال Base

0.0155 =εu پاره ميشود. در اين موقع حـدود ۲۵% از اليـافورقةL شكل در لايههاي تحتاني پاره شده است. از اين به بعـدفقط ۳۰% از لنگر حداكثر بهوسيلة ورقةL شكل انتقال مييابـد . نتايج آزمايش بر روي نمونة دوم نشان ميدهد كه تقويت اتصال با استفاده از ورقةL شك ل در بالا و پايين گرة اتصال تأثير بسيارناچيزي در انتقال لنگر دارد. زيـرا بـا توجـه بـه اينكـه در گـرةاتصال، تمركز تنش برشي زيادي در ورقةL شكل بـراي انتقـالنيروي كششي تير به دورپيچ ستون بهوجـود مـيآيـد؛ ورقـةL شكل در نقطة تا شدگي پـاره مـي شـود، شـكلهاي (۵) و (۱۱).
مكانيزم انتقال بار در شكل (۶) نشان داده شده است.

۳-۳- نتايج نمونة Base-P2
در اوايل بارگذاري در بار ۴۰۰۰ نيوتن، در ورقـةU شـكلچسبيده به ستون، جدا شدگي لاية سطحي بتن از چسب بهدليل تمركز تنش برشي لاية مرزي در محـل تـرك خمـشي (مطـابقشكل ۷) شروع، و در عـرض سـتون توسـعه پيـدا مـيكنـد . بـاافزايش بارگذاري در بار ۵۵۰۰ نيوتن، دورپـيچ تيـر وكربـل درناحية خم روي ورقةU شكل دچار پارگي ميشود. پارهشـدگيدورپيچ بهدليل بروز تنش كششي ناشي از سهم انتقـال لنگـر بـهكربــل در اتــصال بــا اســتفاده از حــداكثر ظرفيــتFRP در 0.0155 =εu حادث ميشود، كـه بـا بـار شكـست مربوطـه بـامعادلات تعادل و همسازي تـا ۹۵% تطـابق دارد. در بـار نهـايي
Ay

1
Ex
Dx
Dy
e
FRP
e
c

1



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید