خلاصه

توسعه مستمر علم درعرصه مهندسي سازه و زلزله موجب شده است تا براي نوسازي و به‌سازي درسال‌هاي اخير از روش‌هاي نوين و مصالحي جديد استفاده شودكه در پيشينه طولاني ساخت و ساز سابقه نداشته است در ميان اين نوآوري‌ها FRP موادكامپوزيت پليمري تقويت شده (باالياف) از جايگاه ويژه برخوردار مي‌باشد تا آنجا كه به نظر برخي از متخصصان FRP را بايد مصالح ساختماني هزاره سوم ناميد. استفاده از كامپوزيت FRP به عنوان يك گزينه عملي نسبت به روش‌ها و فنون مقاوم‌سازي مرسوم و متداول در سازه‌هاي بتني به طور روزافزون در حال توسعه مي‌باشد. امروزه نگهداري از سازه‌ها به دليل هزينه ساخت و تعمير بسيار حائز اهميت مي‌باشد. با مطالعه رفتار سازه‌هاي بتني مشخص مي‌شود عوامل متعددي مانند: اشتباهات طراحي و محاسبه، عدم اجراي مناسب، تغيير كاربري سازه‌ها از دوام آن‌ها مي‌كاهد درضمن تغيير آيين‌نامه‌هاي ساختماني (باعث تغيير در بارگذاري و ضرايب اطمينان مي‌شود) نيز سبب ارزيابي و بازنگري مجدد طرح و سازه مي‌گردد تا در صورت لزوم به‌سازي و تقويت شود. خرابي‌هاي مشاهده شده در ساختمان‌ها و پل‌ها طي زلزله‌هاي اخير نياز مبرم به مقاوم‌سازي لرزه‌اي سازه‌هاي موجود را نشان مي‌دهد. در اين تحقيق با استفاده از نرم‌افزارهاي موجود رفتار FRPتحت بارگذاري دوره‌اي جانبي و تأثير آن در تقويت ظرفيت خمشي و شكل پذيري ستون مورد بررسي قرار مي‌گيرد. با مقايسه فرمسيكل‌هاي منحني هيسترزيس در دو حالت مدل‌سازي با ABAQUS و نتايج حاصل از اطلاعات 102 ستون دايره‌اي كه توسط مركز پژوهش مهندسي زلزله PEER گردآوري شده‌است، به دقت مورد نياز براي صحت نتايج مي‌رسيم .

1. مقدمه

بخش عظيمي از سازه‌هاي بتني مسلح طبق استانداردهاي امروزي غير مقاوم مي‌باشند.

تغييرات كاربردي، افزايش در موارد بارگذاري يا فرسودگي تدريجي حاصل از محيط مخرب از جمله عوامل اصلي سهيم در اين مسئله بشمار مي‌روند. جهت محافظت از اين سازه‌ها مي‌توان از بازسازي براي نگهداري قدرت و افزايش عمر آن‌ها ياد كرد . در دهه اخير براي استحكام اجزاي ساختاري سازه‌هاي بتني مسلح از ورق‌هاي كامپوزيت استفاده شده است. به عقيده بسياري از محققين ورق‌هاي  كامپوزيت وسيله‌اي كارآمد، مطمئن، ومقرون به صرفه براي مقاوم‌سازي محسوب مي‌شود. سيستم‌هاي الياف مسلح شده پليمري براي تقويت سازه‌هاي بتني پديدار شده و به عنوان يك جانشين براي روش‌هاي سنتي از قبيل چسباندن صفحات فولادي، افزايش سطح مقطع با بتن‌ريزي مجدد و پيش‌تنيدگي خارجي مي‌باشد. استفاده از FRP در زمينه مقاوم‌سازي، هرچندكه ورق‌هاي FRP قيمت به نسبت بالايي دارد، اما با توجه به هزينه اجراي كم و نيز ساير مزاياي FRP در كل به‌صرفه‌ترين و مؤثرترين راه مقاوم‌سازي سازه‌هاي بتني امروزه به شمار مي‌رود. كامپوزيت FRP محصولي است براي تقويت سازه‌ها كه با چسباندن لايه‌اي از منسوج الياف كربن، شيشه يا  آراميد به وسيله رزين اپوكسي به روي سطح عضوي از سازه انجام مي‌گيرد. اين لايه بصورت عضو تقويتي مضاعف عمل مي‌كند. اين فرآيند بر پايه قراردادن (منسوج اليافت و أم با ملات چسبنده رزين) با مقاومت كششي بسيار بالا كه بر اساس محاسبات فني به قسمت تحت كشش عضو مورد نظر سازه چسبانده مي‌شود استوار است. با اين كار، عملكرد و كارايي عضو و در نتيجه مقاومت سازه افزايش مي‌يابد.

نخستین تحقيقات انجام شده در اين زمينه از اوايل دهه 1980 آغاز شده‌است، زلزله 1990 كاليفرنيا و 1995 كوبه ژاپن نيز از جمله عوامل موثرتري براي بررسي كاربرد كامپوزيت پليمري تقويت شده با الياف FRP جهت تقويت و مقاوم‌سازي سازه‌هاي بتني و بنايي در مناطق زلزله‌خيز گرديد. خرابي‌هاي مشاهده شده در ساختمان‌ها و پل‌ها طي زلزله‌هاي اخير نياز مبرم به مقاوم سازي لرزه‌اي سازه‌هاي موجود را نشان مي‌دهد. ستون‌هاي بتن مسلح، اعضاي اصلي مقاوم در برابر بارهاي افقي و قائم در سازه‌هاي بتني به شمار مي‌آيد لذا مقاوم كردن ستون‌ها در برابر نيروهاي زلزله مي‌تواند نقش مهمي را در مقاوم‌سازي كل سازه ايفا كند . در نتيجه استفاده از كامپوزيت‌هاي FRP جهت مقاوم سازي ستون‌هاي بتني مسلح در دنيا گسترش يافته است و مطالعه در اين زمينه از طرف محققان زيادي صورت مي‌گيرد.

اولين بار كاتسوماتا و همكارانش در سال 1987 و 1988 روش استفاده از FRP را جهت مقاوم‌سازي ستون‌هاي بتني مسلح ارائه دادند و در اين مطالعه آزمايشاتي بر روي 5 ستون دايره‌اي شكل و 10 ستون مستطيلي تحت بارهاي ديناميكي انجام شد. بعدها، ماتسودا و همكارانش در سال 1990 دو روش براي مقاوم‌سازي ستون‌هاي پل بتني با استفاده از FRP ارائه دادند:

الف) مقاوم‌سازي جهت افزايش مقاومت

ب) مقاوم‌سازي براي افزايش شكل‌پذيري

شكل 1: مقاوم‌سازي لرزه‌اي با هدف افزايش مقاومت و شكل‌پذيري (6)

در روش(الف) از پوشش FRP به صورت طولي استفاده مي‌شود تا مقاومت خمشي ستون افزايش يابد ولي در روش (ب) بصورت قيد استفاده مي‌شود تا شكل‌پذيري ستون افزايش يابد. در هر دو روش ميتوان قابليت جذب انرژي را در عضو مقاوم شده بالا برد .

2. رفتار مكانيكي بتن (6)

تنها مدلي كه تا حدود بسياري مسئله مدل كردن بتن را در برنامه ABAQUS حل مي‌كند مدل پلاستيسيته خرابي بتن مي‌باشد كه توانايي مدل كردن بتن براي بارگذاري دوره‌اي و نيز توانايي بررسي بتن مسلح تحت اين گونه بارگذاري را داشته و مي‌توان رفتار بتن از كشش به فشار و همچنين از فشار به كشش را (توسط منحني هيسترزيس)  مورد ارزيابي قرار داد .

ويژگي‌هاي اين مدل:

قابليت مدل‌سازي بتن و موادش بهتر كه در انواع مختلف سيستم‌هاي سازه شامل المان تير، المان خرپايي، المان پوسته و المان سه‌بعدي. استفاده براي مفهوم آسيب ايزوتروپيكا لاستيك در تركيب با كشش ايزوتروپيكو فشار پلاستيسيته براي ارائه دادن رفتار غير الاستيك در بتن، قابليت استفاده در بتن‌هاي غيرمسلح، توانايي استفاده ميلگرد در بتن‌هاي مسلح. در اين مدل مي‌توان براي بارگذاري‌هاي بتن به صورت‌هاي مونوتنيك، چرخشي و بارگذاري ديناميكي تحت فشارهاي محدود شده پائين استفاده كرد .

2-1) رفتار بارگذاري مونوتنيك تك محوره

اين مدل از نوع مستمر 2و بر پايه پلاستيسيته مدل خرابي براي بتن بنا شده‌است. فرض شده‌است كه دو نوع مكانيزم گسيختگي اصلي كه شامل ترك خوردگي كششي و شكستگي فشاري مواد بتني مي‌باشد. تكامل سطح گسيختگي (جاري شدن) با دو پارامتر سخت شدگي متغير E_t^-pl و E_c^-pl كه به ترتيب مكانيزم گسيختگي تحت بارگذاري كششي و فشاري مي‌باشد. كه در واقع اين دو پارامتر كرنش‌هاي پلاستيك معادل بهتر تيب در حالت كشش و فشار مي‌باشد.

شكل 2- پاسخ بتن براي بارگذاري تك محوري در فشار (الف) و كشش(ب)

2-2) رفتاربارگذاري دوره‌اي تك محوره

تحت شرايط بارگذاري دوره‌اي تك محوره، مكانيزم‌هاي افت مقاومت همگی پيچيده مي‌باشد، كه شامل باز شدگي و بسته شدگي ميكرو ترك‌هاي يكسان پيشين مي‌باشد، كه به خوبي اثرات متقابل آن لحاظ شود. آزمايش تنها راهي است كه بتوان رفتار باز آفريني سخت يا لاستيك با تغييرات بارگذاري به وجود آمده در طول بارگذاري سيكلي تك محوره را مورد بررسي قرار داد. اثر بازيابي سختي، مشابه اثر تك سويه، يك جنبه مهمي از رفتار بتن تحت بارگذاري دوره‌اي مي‌باشد. اثر تغيير بارگذاري از كشش به فشار، معمولاً باعث بسته شدن ترك‌هاي كششي، كه منجر به بازيابي سختي فشاري مي‌شود .

شكل 3- بارگذاري دوره‌اي تك محوره (كشش- فشار- كشش)

با فرض كردن مقادير پيش فرض براي فاكتورهاي بازيابي سختي

براي معرفي خصوصيات بتن از 4 نمودار كه شامل نمودار بارگذاري تك محوره در فشار و در كشش و نمودارهاي رفتار بتن از فشار به كشش و از كشش به فشار استفاده مي‌شود كه ميتوان فرم رفتاري آن‌ها و نيز ورودي‌هاي مورد نياز را از مقالات معتبر استخراج كرد (2)

3. اعتبارسنجي نمونه بتني مدل شده با برنامه ABAQUS

براي اين كه بتوان صحت و سقم نتايج بدست آمده از برنامه ABAQUS را بررسي نمود، اين نتايج را با نتايج حاصل از ستون‌هاي قابل استناد كه توسط مركز پژوهش مهندسي زلزله (PEER) (1) گردآوري شده است مقايسه نموده تا بتوان به نتايج استخراج شده از برنامه ABAQUS استناد كرد. در اين تحقيق از يك نمونه ستون مربعي موجود در PEER كه نتايج آن دردسترس بوده و قابل استناد مي‌باشد استفاده شده تا  بتوان دقيقاً رفتار اين نوع ستون‌ها را در هنگام آسيب ديدن بررسي نمود.

جدول 1- مشخصات ستون مربعي موجود درگزارش‌های PEER

شكل 4- بارگذاري دوره‌اي اعمال شده به ستون مورد مطالعه

شكل 5- برش پايه بدست آمده از برنامه IDARC و برنامه ABAQUS

4. مدل‌سازي FRP در ABAQUS

برنامه المان محدود ABAQUS قادر است كه براي آناليزهاي مدل‌هايي با ساختار مركب استفاده شود. در واقع توسط اين برنامه ميتوان مدل هايي با تركيب مواد مختلف ايجاد نمود و نيز بتوان با استفاده از توانايي‌هاي اين برنامه رفتاري مناسب در قسمت مرزي بين دو ماده برقرار كرد. در اين تحقيق براي مدل كردن FRP از المان SHELL , S4R استفاده شده است اين نوع المان توسط (Hibbitt, Karlsson &Sorensen Inc. 1997 ) استفاده شده و نتايج مناسبي از آن گرفته شده‌است.

المان پوسته چهار گره‌ي چند منظوره قابليت كاهش دادن نقاط انتگرال‌گيري براي به حداقل رساندن محاسبات و در نتيجه كاهش زمان آناليز را دارا مي‌باشد. از آن‌جايي كه اثر برش عرضي در اين المان لحاظ شده‌است، ميتوان براي مدل‌هاي باساختار باريك و ضخيم استفاده نمود. در اين تحقيق از دو نوع FRP به منظور مقايسه و نيز انتخاب بهترين گزينه براي تقويت خمشي استفاده شده است كه در جدول 1 خصوصيات مكانيكي آن دو براي معرفي به نرم‌افزار آورده شده است.

جدول2- خصوصيات مكانيكيGFRP

5. مدل مورد مطالعه در برنامه ABAQUS

مدل ايجاد شده با استفاده از ابعاد واقعي پايه يك پل ايجاد شده است. در واقع اين نوع مدل‌سازي كمك مي‌كند كه بتوان نمونه‌هاي واقعي را توسط نرم‌افزار مورد مطالعه قرار داد.  مدل مورد مطالعه تحت بارگذاري همزمان ثقلي و جانبي قرارگرفته كه بارگذاري جانبي آن بهصورت دوره‌اي مي‌باشد . در اين تحقيق ستون دايره‌اي معرفي شده در جدول 3 توسط ورقه GFRP به ضخامت 1 ميلي‌متر در طول كل ستون دورپيچ شده است. در اين مدل اتصال بين ورق FRP و ستون بتني به صورت گره‌اي ايجاد شده يعني بدنه ورق با ستون بتني به صورت كاملاً پيوسته عمل خواهد كرد .

جدول3- مشخصات ستون دايره‌اي موجود در گزارشات PEER

شكل 6- شماي كلي از مدل ايجاد شده در برنامه ABAQUS

شكل 7- منحني‌هاي هيسترزيس برش پايه در دو حالت بدون محصور شدگي و با محصور شدگي توسط FRP

شكل 8- پوش منحني هيسترزيس برش پايه در دو حالت بدون محصور شدگي و با محصور شدگي توسط FRP

شكل 9- منحني‌هاي هيسترزيس گشتاور ماكزيمم در دو حالت بدون محصور شدگي و با محصور شدگي توسط FRP

6. نتيجه‌گيري

با توجه به مدل ايجاد شده در برنامه ABAQUS كه رفتار بتن در آن به طور كامل تحت بارگذاري دورهاي لحاظ شده و مي‌توان از آن براي آناليزهاي هيسترزيس ستون بتن آرمه استفاده نمود. مدل رفتاري FRP مورد استفاده در اين تحقيق نيز به عنوان مدلي آزمايش شده در بسياري از تحقيقات موجود در اين زمينه در سطح محافل علمي مي‌باشد كه در اين تحقيق ازآن استفاده شده است.

با مقايسه رفتار منحني‌هاي هيسترزيس قبل و بعد از دورپيچ كردن كامل توسط GFRP به نتايج زير مي‌رسيم:

1. پوشش تقويتي GFRP با ضخامت 1 ميليمتر) باعث بالا بردن ظرفيت خمشي پايه‌هاي پل‌هاي بتن آرمه به ميزان 8% شده‌است )

2. اصلي‌ترين خاصيت پوشش تقويتي GFRP افزايش كرنش‌گسيختگي به ميزان 50%كه منجر به شكل پذيري و اتلاف انرژي بيشتر مي‌شود و نيز عملكرد لرزه‌اي ستون را بهبود مي‌بخشد.

3. در مواردي كه نياز به افزايش شكل‌پذيري مي‌باشد و اين نوع FRP براي شكل‌پذير كردن ستون و نيز تأخير در انهدام ستون بسيار  مؤثر بوده و مي‌توان بسته به ميزان مورد نياز از آن استفاده كرد .

4. پوشش مضاعف پاي ستون منجر به افزايش چشم‌گير شكل‌پذيري شده و در افزايش ظرفيت خمشي ستون نقش بسيار كمي دارد.

7. مراجع

1.Reserches at the University of Washinton, “Column Data Base”, National, Science Foundation Pacific
Earthquake Engineering Research Center (PEER),1999 .
2.Mander , Priestley and Park . 1988 . Theoretical stress – strain model for confined concrete. ASCE J, 114;
1827-1849.
3. Peer. Berkeley. Edu./ ~ elwood/ research/ dissertation/ chapter 2 . pdf, 2002 .
4. Shen, Y., Xu, M., Chandrashekhara, K., and Nanni, A., "Finite Element Analysis of FRP Tube
Assembliesfor Bridge Decks", Advanced Composite Materials, October 2001
5.Chai, Y. H.; Priestly, M. J. N.; and Seible, F., Seismic Retrofit of Circular Bridge Columns for Enhanced
Flexural Performance, ACI Structural Journal, V. -88,No. 5, Sept.-Oct. 1991, pp. 572584.
6.New Zealand National Roads Board, Research Bulletin No. 71, Wellington, New Zealand, 1983.
7.ABAQUS Analysis User's Manual version6.6.3