پیش تقویت پاشیدنی برای تیرهای بتن مسلح ( FRP پاشیدنی )

معرفى :

امروزه تقويت بوسيله بتن پیش ریخته ، پوشش ورق فولادي ، تقويت ، مسلح كردن با فيبر مانند كربن ، آراميد و شيشه بعنوان روشهاى تقويت زلزله اى براى سازه هاى بتنى بكار ميرود . اخيرا يك روش تقويت زلزله اى كه بصورت استفاده از ورقهاى پيوسته پوششى از اين فيبرها می باشد استفاده شده است و بخاطر دوام و قابل استفاده بودن اهميت بيشتري دارند هر چند موادي كه روش فيبرهاى پيوسته پوششى استفاده مي شوند گران قيمت است .

در زمينه تقويت سازه ها و ساختمانها در مقابل نيروى زلزله در آينده تنها روشهاى ساده تقويت با قيمتهاى پايين نبايد مورد توجه قرار گیرد رفتارهاى زلزله بايد كاملاً شفاف شود .

در اين مطالعه يك روش ساده ، جديد و ارزان جهت تقويت سازه هاى بتنى براى بالا بردن توان زلزله اى آن ساختمانها مورد بررسى قرار گرفته است ، اين روش با استفاده از فيبرهاى كوتاه با وينيل استر يك تركيب جديد از مواد براى تقويت زلزله است فيبرهاى كوتاه از جنس كربن و شيشه با رزين وينيل استر به محل مورد نظر در سازه بتنى پاشيده مي شود به اين حالت FRP پاشيدنى مي گويند .

برتريهاى استفاده از رزين وينيل استر نسبت به رزين اپكسى اين است كه در اين روش تقويت بيشتر و زمان كمترى براى گرفته شدن و خشك شدن نياز است . بعلاوه مشخصات مكانيكى رزين وینيل استر مانند مشخصات رزين اپكسى است در اين مواقع نتايج اين روش و نتايج آزمايش تير T شكل تحت بارگذارى غير متقارن گزارش شده است بعلاوه لنگر و رفتار پیچشى و خمشى بين FRP و بتن با استفاده از اسليت گزارش شده .

نتایج روش تقویت FRP پاشیدنی

شكل(1) ايده تقويت با FRP پاشيدنى را نشان مي دهد ، عكس (1) كارگاه ساختمانى نمونه هاى ستون اسپرى پاشيده شده را نشان مي دهد . در اين روش رزين از طريق يك لوله باريك بوسيله يك كپرسور هدايت ميشود ، رزين يا فيبرهاى كوتاه مانند كربن يا شيشه در نوک قسمت پاشنده مخلوط مي شود پس از ان مواد تقويت كننده مستقيماً به سطح مورد نظر پاشيده مي شوند ، سپس سطح بوسيله يك غلطك صاف ميشود ، رزين سخت مي شود و تمام قسمت سازه اى اسپرى شده (پاشيده شده ) ، بوسيله مواد FRP تقويت ميشود. اين روش تقويت زلزله اى را براى تمام اعضاى سازه اى مختلف امكانپذیر مي سازد كه ميتواند ستون ، تير ، ديوار ، دال و .... باشد كه بصورت منفرد و يا تمام قسمتهاى سازه اى داخل به همراه هم باشد .

روند اجراى تقويت پاشيدنى با FRP بصورت زير است :

گام اول :آماده کردن سطح مورد نظر

در اين مرحله سطح بتن بوسيله يك سنباده مكانيكى سائيده شده و با هوا تميز مي شود .

گام دوم :پوشش رزین اولیه

در ا ين مرحله رزين اوليه جهت ايجاد چسبندگى زياد بين بتن و رزين مقاومتى اصلى روى سطح انجام میشود.

گام سوم : آماده سازى قسمت بتني :

مناطق پله اى و یا غير هم سطح بر روى سطح بتن با بتونه پر مي شود و سطح را جهت جلوگیری از تنش موضعى ، FRP هواگیرى یك دست در سطح انجام مى شود . بعد از انكه بتونه خشك شد ، سطح دوباره سمباده زده ميشود .

گام چهارم : پوشش رزين :

در اين گام جهت بيشتر چسبناک كردن رزين ابتدا بوسيله يك پاشنده روى سطوح پاشيده مي شود .

گام پنجم : عمل اصلى اسپرى : (عكس 1)

رزين و فيبر كوتاه (SHORT) بر روى بتن در زمان مشابهى بهمراه هم پاشيده مي شوند . طول فيبر كربن و فيبر شيشه به ترتيب 2و 1.5 اینچ است .

گام ششم : اشباع ( عكس 2)

در اين مرحله هواى به دام افتاده با غلتك زدن خارج مي شود .

در اين مقاله جهت مقايسه رفتارهاى سازه اى FRP پاشيده شده نسبت به تقويت ورقه هاى پيوسته فيبر ، اماده سازیهاى اوليه اى مانند گامهاى 1 تا 3 انجام شده هر چند هدف رسيدن به مقاومت مناسب زلزله اى از گامهاى 4 به بعد جامه عمل مي پوشد .

مشخصات مکانیکی FRP پاشیده شده :

پنج نمونه از ماده پاشيده شده FRP بصورت نمونه هاى A(JISK7054) آماده شده ، شرايط آماده كردن نمونه ها دقيقا مانند شرايط اصلى مي باشد . ضخامت FRP با كنترل زمان پاشيدن 3 میلیمتر در نظر گرفته شد تا سختى مشابهى با ورقه هاى فيبرى فيبركربن 200 gr/m داشته باشد ، بر اساس روشهاى آزمايشى كششى براى مواد تقويتى پلاستيكى از فيبر شيشه آزمايشى كششى نيز براى اين نمونه ها استفاده شده است .

جدول (1) نتايج آزمايشهاى كششى را جمع بندى مي كند . مناطق مقاطع شامل رزين در تنش مورد محاسبه منظور شده . مقاومت كششى FRP پاشيدنى حدود 70Mpa است و مقاومت در طول واحد نيز حدود 270 N/mm است . ضريب الاستيسيته 8 Gpa و سختى آن 24 KN/mm مى باشد . اين مقادير تقريباً مشابه مقادير ورقه هاى فيبر كربن به مشخصات 200 Kg/m , 26 KN/mm ميباشد .

Elongation

(%)

Elastic Modulus

(Gpa)

Tensilc Strcngth

(Mpa)

Thickncss

(mm)

Width

(mm)

1.24

8.02

67.2

3.99

24.8

آزمایش خمش بینFRP و بتن

FRPپاشيده شده انعطاف زيادى براى ستون بتنى در سايتهاى ساختمانى بهمراه مى آورد . معلوم شده است كه رفتارهاى سازه اى تيرهايى كه بوسيله ورقه هاى فيبر تقويت شده بوسيله شرايط لنگر ورقه ها در گوشه هاى اتصال بين تير و دال تحت تأثير قرار گرفته است . در اين مقاله در نظر گرفته شده كه FRP پاشيده شده در محلهاى گوشه هاى تلاقى با استفاده از پر كننده هاى شكافFRP تحت لنگر قرار مي دهد . شكل (2) نشان مي دهد كه چگونه FRP پاشيدنى در دو سطح تلاقى استفاده مي شود . در اين روش يك پیش فرض وجود دارد كه مواد فولادى وجود ندارد ، در اين مقاله آزمايش خمش به وسيله نمونه هاى دو برابر برش جهت بررسى اثر تأثير شكافهاى پر كننده FRP و آزمون متغيرهاى اثر اندازه شكافها مورد استفاده قرار ميگیرد .

نمونه های مورد استفاده برای آزمایش خمش

نمونه هاى مورد استفاده براى خمش بين FRP و بتن چنانكه در شكل (3) مي بينيد است . نمونه شامل يك منشور بتن (100*100*600 mm) كه در وسط شكاف دار است مي باشد كه با FRP تقويت شده است دو ميله فولادى در دو طرف نمونه هيچ اتصالى با هم ندارند و اين به آن معنا است كه دو منشور تنها از طريق FRP با هم اتصال دارند . نمونه شماره (1) جهت بررسي خمش خالص بين FRP و بتن شكاف نداشت ولى نمونه هاى (2) تا (4) داراى شكافهاى پر شده با FRP بودند. FRP موجود در شكافها باعث اعمال باربرى مكانيكى به بتن مي شود. پارامترهاى نمونه هاى عمق شكافها (5 ، 10 و 20 میلیمتر) بودند ليست نمونه ها به همراه نتايج آزمايش در جدول (2) آمده است . 3 نمونه براى متغيرهاي يك هدف آزمايش مورد آزمايش قرار گرفت .

بتن مورد استفاده در اين نمونه ها بتن با وزن معمولى و مقاومت فشارى و كششى به ترتيب32.8 MPa و 2.7 MPa مي باشد .

بارگذارى كششى استاتيكى در هر دو ميله دو طرف نمونه با ماشين كنترل خيز بارگذارى 2 MN انجام شده است . بارگذاري و عرض ترک در شكاف وسط نمونه ها نيز اندازه گیرى مي شود . كرنشهاى FRP بوسيله ساعتهاى خيز سنج اندازه گيري شده و در شكل (3) نشان داده شده است .

Failure type

At maximum load

Slit

Specimen

Crack width

(mm)

Load

(kN)

Depth

(mm)

Width

(mm)

Bond failure

1.13

1.48

0.75

20.8

26.3

14.8

No slit

No.1-1

-2

-3

Concrete shear

FRP rupture

Concrete shear

1.22

1.78

1.41

24.1

24.2

27.1

No.2-1

-2

-3

FRP rupture

Concrete shear

1.21

1.78

31.2

No.3-1

-2

-3

FRP rupture

1.46

0.79

1.37

30.2

16.9

26.3

No.4-1

-2

-3

نمونه افت و بارگذاری حداکثر

نمونه شماره (1) بدون شكاف با جدا شدن خمشى بتن از FRP منهدم شده و نمونه هاى (2) تا (4) در اثر پارگی FRP يا افت برشى بتن خراب شده است . نمونه هاى افتهاى معمول در عكسهای (2) نمايش داده شده است .

حداكثر بار براى نمونه هاى شماره (1) بين FRP پاشيده شده بتن 20.6 kN در متوسط سه نمونه ميباشد. با مقايسه اين مقدار با مقاومت خمشى ورقه هاى فيبر كربن در مي يابيم كه آنها هم سختى مشابهى دارند ، ميزان مقاومت خمشى حدودا 80% مقاومت خمشى تحليلي بوده است .

مقاومت لنگر شكافهاى پر شده با FRP بعلت غير خطى بودن معلوم نيست چرا كه نمونه هاى (2) تا (4) كه داراى اين شرايط بوده اند در اثر پارگی FRP يا افت برش بتن از بين رفته اند . هر چند عمق شكاف 5 میلیمتر خود به تنهايى جهت بوجود آوردن پارگی FRP موثر بوده است . متوسط حداكثر بار سه نمونه 97% مقاومت كششى بدست آمده از نمونه هاى نمونه بردارى شده مي باشد .

توضیح کرنشFRP

شكل (4) توضیح كرنش FRP را براى پنج نمونه نشان مي دهد . محورX فاصله بين مركز به مركز نمونه ها را نشان ميدهد . شكافهاى بين 80 و 120 میلیمتر در نمونه هاى (2) تا (4) مي باشند و در نمونه (1) مشاهده شده كه در يك مقطع شيب توزیع كرنش از مركز به سمت انتهاى نمونه به همراه افزايش بار حركت مي كند . اين اثر بعلت خارج شدن از حالت خمش در ماده FRP مي باشد .

در نمونه هاى (2) تا (4) كرنشها در فواصل دورتر از شكافها بسيار اندک است . از اين نتايج اين مطلب استنباط مي شود كه شكافهاى پر شده با FRP قابليت لنگر دادن به FRP را دارد .

نمونه های استفاده شده برای آزمایش تیر

شكل (5) اندازه ها و جزئيات نمونه هاى تير را نشان مي دهد . نمونه ها به اندازه هاى یک سوم اندازه هاى واقعى تيرها و دالها ساخته شده اند ، اندازه : 300 ارتفاع و 200 عرض میلیمتر و نسبت برش 2 ميباشد . عرض و ضخامت دالها به ترتيب500 و 50 میلیمتر است .

متغير ازمايشی نوعى از لنگر FRP در سطوح تلاقى تير و دال مي باشد ، در نمونه (1) و (2)FRP بوسيله شكافهاى پر شده بوسيله FRP تحت لنگر قرار گرفت . در نمونه (2) ميخهاى لنگر گیر M12 همچنين در سطح دال مورد استفاده قرار گرفته است . در نمونه(3)FRP تنها بوسيله ميخهاى لنگر گیرM12 به سطح دال متصل شده است . بلوک هاى فولادى همچنين جهت لنگر دهى FRP در نمونه دال مورد استفاده قرار گرفته است . ضخامت FRP ، 3 میلیمتر در نظر گرفته شد تا سختى مساوى ورقه هاى فيبر كربن تقويت كننده نمونه هاى (22) تا (23) باشد .

آرماتورهاى D13 با مقاومت جارى شدگی 324 MPa و D4 با جارى شدگى 218 MPa به ترتيب به عنوان آرماتور اصلى و خاموت مورد استفاده قرار گرفته است . بتن مورد استفاده ، بتن با وزن معمولى و مقاومت 24 MPa مي باشد .

حداكثر قطر ريز دانه 15 میلیمتر و مقاومت فشارى و كششى آن به ترتيب26.9 Mpa و 2.05 Mpa می باشد .

سیستم بارگذاری و اندازه گیریها

هر نمونه تحت ممان خمشى غير متقارن در یك شكل بازگشتى قرار گرفته است ، زواياى انتقال از1/400 تا 1/20 rad متغير بود . اندازه گیرى اين موارد تغيير مكانهاى افقى و عمودى بين بالا و پایين قطعه و کرنشهاى آرماتورهاى اصلی و خاموتها و FRP بود .

روند خراب شدن نمونه ها

نمونه ها پس از بارگذارى در عکس (3) نشان داده شده اند . تمام نمونه ها داراى بارگذارى پیچشى در دوره هاى بازگشت 1/100 انجام شده و در دومين سيكل بارگذارى تخريب FRP در گوشه هاى اتصال سطوح مشاهده شده است و FRP در قسمت كناره هاى تير داراى حالت خارج شدن از حالت خمشى بود . در نمونه شماره (4) FRP دور نمونه هاى فولادى در دومين سيكل بارگذارى به اندازه 1/5 rad خورد . پس از آن تخريب FRP جابجا شده در طول تركهاى برشى بتن ادامه پيدا كرد . در نمونه شماره (1) و (2) تركهاىFRP به دور گوشه تير در انتهاى تير در سيكل بارگذارى دوم به ميزان 1/5 rad اتفاق افتاد . در سيكل بارگذارى FRP , 1/33 rad در طول گوشه تير به سمت جهت محور تير پاره شد ، تخريب FRP در گوشه هاى تير در اين حالت مشاهده نشد .

نمودار نيروى برشى در مقابل زاويه انتقال در شكل (6) ديده ميشود . زاويه اى كه در آن افت زياد نيروى برشى مشاهده شد در نمونه هاى (1) (2) (3) و (4) مشاهده شد . همچنين در اين آزمایش موثر بودن شيارهاى پر شده با FRP براى انتقال لنگر در تير مشاهده شد .

مقایسه بین تقویت FRP با پاشیدنی و ورقهای فیبر کربن

نيروى برشى در مقابل منحنى زاويه انتقال با همين نمودارها در تقويت با ورقهاى فيبر كربن نشان داده شده است . نمونه هاى تير T شكل با اندازه ها و مشخصات مشابه استفاده شده در FRP پاشيدني براى فيبر كربن استفاده شده تا تاثير تقويت ورق فيبر كربني را مورد بررسي قرار دهيم .

نمونه شماره (11) بوسيله ورقه هاى فيبر كربنى تقويت نشده بود و نمونه هاى شماره (22) و (23) يك لايه ورقه فيبر كربنى 200 KJ/m تقويت شده بود . در نمونه هاى (22) و (23) ورقهاى فيبر در گوشه هاى اتصال سطوح در تيرها بوسيله ميخهاى لنگر گير محكم شده بودند . در نمونه شماره (22)

ميخهاى لنگر گیر در هر دو سطوح تير و دال استفاده شده اند . در نمونه شماره (23) ورقه ها تنها به سطوح دال متصل شده بودند .

منحنى هاى ساختارى براى اين نمونه ها در شكل (7) نشان داده شده است . نمونه شماره (11) بدون نقاط پیچشی تنها در اثر برش از بين رفت . بقيه نمونه هاى (1) تا (4) حالت افت تخريب را به همراه شكل تخريب پیچشی دارا بودند . اثر تقويت بوسيله FRP پاشيده شده ، شناخته شده است و با مقايسه نمونه هاى (1) تا (4) با نمونه هاى (22) و (23) نشان مي دهد كه رفتار FRP با فيبر كربن تا حدود 1/5 rad مشاهده شده است . پس از گذشتن بارگذارى از 1/33 rad نمونه هاى تقويت شده با FRP مقاومت شكننده ترى را نسبت به نمونه هاى تقويت شده با فيبر كربن نشان مي دهد .

اين بعلت تخريب FRP در گوشه هاى تيرهاست . مقاومت كششى FRP پاشيدنى و ورقه هاى فيبر كربن در واحد عرض به ترتيب268 KN/mm و 541 KN/mm است .

توزیع کرنش FRP

توزيعهاى کرنش FRP در بارگذارى حداكثر هر سيكل بارگذارى در شكل (8) نشان داده شده است . دياگرامهاى سمت چپ براى نمونه (2) و سمت راست براى نمونه (3) مي باشد . دياگرامهاى بالايى توزيعهاى کرنش را در كناره هاى تير و دياگرامهاى پايينى توزيعهاى كرنش را در گوشه هاى تير نشان ميدهد . حداكثر كرنش FRP حدود 3 تا درصد می باشد .

در نمونه شماره (2) كرنشهاى گوشه ها در دو انتهاى تير بيشتر از مقادير واقعى تخريب مي باشد و باعث پارگی FRP در گوشه ها مي شود . در نمونه شماره (3) كرنشهاى منفى اتفاق مي افتد . چرا كه حالت عكس خمشى در كناره هاى تير اتفاق مي افتد .

جمع بندی

اين روش تقويت بوسيله فيبرهاى شيشه با رزين وينيل استر قابل استفاده براى تقويت تيرهاى بتن آرمه ميباشد . جمع بنديها بصورت زير مي باشد

1) همه نتايج آزمايش خمش و آزمايش تیر نشان مي دهند كه شيارهاى پر شده توسط FRP براى انتقال لنگر FRP به بتن كارآيى دارد .

2) عمق شيار به مقدار 5 میلیمتر جهت ايجاد حالت پارگی درFRP به تنهايى كفايت مي كند .

3) افت FRP در محلهاى برخورد سطوح بين تير و دال در حالت استفاده از انتقال ممان با شيارهاى پر شده از FRP مشاهده نشد و در نهايت FRP در زاويه پیچش 1/5rad در كناره هاى تير شروع به پاره شدن ميكند .