مهندسی عمران - کلینیک ساختمان

    كاربرد پلاستيك هاي مسلح شده به الياف براي مقاوم نمودن تيرتي شكل بتني پل ها
كيانوش سيامردي
محمدمهدي خداويردي زنجاني
مهندس عمران، مركز تحقيقات بتن شركت آتيساز
علي مونسان مهندس عمران دانشگاه صنعتي شريف،
چكيده
روش مقاوم سازي با استفاده از پلاستيكهاي مسلح شده به الياف (FRP) بطور گسترده¬اي براي پل هاي بتن آرمه فرسوده بكار برده مي شود. مزاياي اين روش شامل عدم افزايش وزن مرده سازه هاي مقاوم شده و عدم خوردگي مي شود. براساس مطالعات مختلف، مشخصات رفتار اعضاي سازه اي مقاوم شده با FRP بطور كلي بخوبي ارزيابي شده است. بخش اعظم اين مطالعات، اگرچه در مقايسه اي آزمايشگاهي بر اعضاي سازه اي نسبت به پل هاي مقياس كامل انجام شده است. در مطالعه حاضر اثر مقاوم سازي هاي انجام شده بر سازه يك پل فرسوده با 3 نوع مواد FRP ، ورق الياف كربن، پلاستيك مسلح به الياف شيشه و ورق الياف آراميد مورد ارزيابي قرار مي گيرد. در آزمايشات كارگاهي، بلوكهاي وزين بتني به عنوان يك سيستم بارگذاري بجاي بارگذاري با كاميون يا نيروي جك هيدروليك مورداستفاده قرار گرفته است. مقاوم سازي براساس مشخصات آئين نامه ACI 440.1R كه براساس مفهوم طراحي مقاومت نهايي طراحي شده است. براساس رفتارهاي اندازه گيري شده تائيد مي شود كه مقاوم سازي با استفاده از مواد FRP بطور موفقيت آميزي ظرفيت خمشي پل فرسوده و روبه خرابي را افزايش داده است. شاهتيري مقاوم شده حتي تحت لنگرهاي بيشتر از لنگر طراحي بطور خطي رفتار كردند و يا اينكه مكانيسم توزيع تنش كاربردي متفاوت بود و به مواد FRP بستگي دارد. بنابراين نتيجه مي شود كه روش طراحي مقاوم سازي برطبق ACI440.1R به طور موفقيت آميزي براي پلهاي در مقياس كامل مقاوم شده با پوشش خارجي FRP مورد استفاده قرار گرفته است.
كلمات كليدي : مقاوم سازي، CFS ، FRP ، تير T شكل پل ، USD

1 ـ مقدمه :
براي پلهاي بتني فرسوده روش مقاوم سازي پوشش خارجي با پلاستيك¬هاي مسلح به الياف بطور وسيعي و با مزاياي بسياري كاربرد دارد. در ميان روش ها، اين روش وزن مرده را افزايش نداده و هيچ گونه ملاحظات براي محافظت خوردگي نياز نيست.
بنابراين اين روش راه حل خوبي براي روش مقاوم سازي با صفحات فلزي معمولي مي¬باشد.
در مراحل اوليه كاربرد FRP بسياري از مطالعات پژوهشي به منظور بررسي خصوصيات مواد FRP پذيرفته است. از دهه نود مقاوم سازي به شكل هاي مختلف FRP با دقت بالا مورد مطالعه قرار گرفته و اثربخشي آن به طور موفقيت آميزي ثابت شده است. در دهه اخير مهندسان و پژوهشگران سعي بر توسعه طراحي و مشخصات نحوه ساخت براي كاربردهاي عملي مقاوم¬سازي FRP به طور كلي به خوبي موردارزيابي قرار گرفته است و مشكلات تمركز تنش در انتهاي مقطع پيچيده شده بهبود يافته است. (4،5،6،7)
بسياري از اين مطالعات اگرچه در مقياس هاي آزمايشگاههي نسبت به پلهاي واقعي انجام پذيرفته است. محدوديت هايي د ر شرايط مدل سازي خرابي در محل مانند تفاوت در شرايط محيط زيست وابستگي به سازههاي همسايه و رفتار تركيب شاه تير و دال بايد فراهم شود. (8)
به علاوه وابستگي به شرايط ساخت و ساز در محل و كارگران نسب دقيق مواد مورد استفاده براي مقاوم¬سازي با FRP ممكن است مطابق انتظار نباشد. بنابراين به منظور مقاوم سازي با استفاده از پوشش خارجي FRP به صورت عملي براي پلهاي رو به خرابي مورد استفاده قرار گيرد عملكرد مقاوم سازي بايد با استفاده از يك پل در مقياس واقعي به صورت بهتري مورد ارزيابي قرار گيرد. نتايج حاصل از ارزيابي با استفاده از پل واقعي ممكن است بعنوان اطلاعات پايه براي تعيين مشخصات يا پيش¬بيني¬هايي براي طرح مقاوم سازي يا نسب آن مورد استفاده قرار گيرد.
در مطالعه حاضر اثر كاربرد سه نواع ماده مختلف FRP ، ورق الياف كربن (CFS) ، پلاستيكهاي مسلح به الياف شيشه (GFRP) و ورق الياف آراميد (AFS) مورد ارزيابي قرار مي¬گيرد.
وجه جالب ديگر اين مطالعه استفاده از بلوكهاي وزين بتني بعنوان يك سيستم بارگذاري رايج بجاي بار كاميون يا نيروي جك هيدروليكي مي¬باشد كه براي ارزيابي عملكرد پل به كار مي¬رود. بنابراين بسياري از نقايص روش¬هاي ديگر عبارتند از: آزمايش بارگذاري صحرايي با استفاده از بار كاميون ممكن است اطلاعات فقط بالاتر از محدوده كوچك الاستيك فراهم آورد.
روش جك هيدروليكي بسيار پر هزينه بوده و بعضي مواقع براي نسب قابهاي عكس العمل شدني نيست. (9) علاوه براين دلايل پل مورد نظر مدت زيادي تحت سرويس نبوده تا اينكه سنجيده شد كه روش بارگذاري با استفاده از بلوك¬هاي سنگين بتني بسيار مناسب و منحصر به فرد براي مطالعه است.
2 ـ مطالعات تجربي :
1 ، 2 معرفي پل :
پلي با تيرهاي T شكل بتني كه به طور كلي از دو تير ممتد با سه دهانه تشكيل شده اما دو دهانه جنوبي با شاه تير I شكل فولادي پس از آسيب جديد از بار ضربه¬اي تصادف جايگزين شده است. هنگامي كه آزمايش انجام شد پل از يك شاه تير ممتد در سه دهنه تشكيل شده بود. يك دهانه با شاه تير T شكل و دو دهنه با شاه تير I شكل فولادي. لازم به ذكر است كه سن پل بتني هشتاد سال است. براساس گزارشات بازرسي چشمي، سه دهانه انتخاب شده با استفاده از تزريق اپوكسي و ملات قبل از مقاوم سازي تعمير شده است. پروسه تعمير براي تهيه تراز يكسان در شرايط مدل سازي آسيب تهيه شده است.
مقاومت¬هاي فشاري شاه تيرها با استفاده از چكش اشميت اندازه گيري شده و از 16،9 تا 18،5 Mpa
مي¬باشد. براساس آزمايشات غير مخرب حذف پوشش تير، نشان داد كه دهانه 1 و 3 ميل گردهاي با قطر 25 ميلي متر و دهانه 2 با ميلگردهاي 20 ميلي متري مقاومت كششي ميلگردهاي فولادي 300 Mpa بوده است.
2،2 طراحي مقاوم سازي :
در اين مطالعه تجربي، سه نوع مختلف مواد FRP براي مقاوم سازي در نظر گرفته شد كه عبارتند از CFS ، GFRP ، AFS مقاوم سازي براساس 1R . ACI440 (10) مي¬باشد كه براساس طرح مقاومت نهايي USD كه فراهم آورنده 10% ظرفيت خمشي بيشتر از شرايط تعمير شده است. معادله ذيل به منظور محاسبه ظرفيت خمشي اسمي تيرهاي مقاوم شده با FRP داده شده است.


كه Mn لنگر اسمي ، As و Afrp سطح مقطع ميلگرد و مواد مقاوم سازي FRP ، fy و Ffrp مقاومت

تسليم ميلگرد و مقاومت نهايي FRP به ترتيب مي¬باشد. d ارتفاع موثر تير و C فاصله از انتهاي فشرده الياف تا تار خنثي، B1 برابر 85 ، 0 براي مقاومت بتن داده شده و frp برابر 85 ، 0 يك ضريب كاهنده اضافي براي لحاظ شكنندگي بيشتر براي عامل مسلح كننده FRP مي¬باشد. نسبتهاي فولاد معادل FRP شاه تيرهاي مقاوم شده كمتر از نسبت متعادل بوده كه منجر به شكست كننده غير منتظره نمي¬شود.
دهانه يك با CFS مقاوم شده بوده دهانه دو GFRP و دهانه سه با AFS مقاوم شده است. مشخصات مواد مصرفي جهت مقاوم سازي براساس كارخانه¬هاي توليد كننده در جدول يك داده شده است.
3 ، 2 آزمايش بارگذاري در محل
براي دو دهانه مقاوم شده با هر نوع مواد FRP آزمايش بارگذاري با استفاده از بلوك¬هاي سنگين بتني كه در دو وزن مختلف 12،8 كيلونيوتن و 25،5 كيلونيوتن بوده است، انجام پذيرفت. بلوك¬هاي بتني تا زماني بارگذاري مي¬شوند تا وزن به 95% ظرفيت خمشي طراحي براي ملاحظات ايمني عمر پل مورد نظر برسد. قبل از اينكه بلوك¬هاي سنگين توسط جرثقيل بارگذاري شود وزن دقيق هر بلوك اندازه¬گيري مي¬شود. هنگامي كه هر بلوك براي بارگذاري بر روي پل قرار داده شده تغييرات ميان دهانه و كرنش¬هاي ميان ميلگرد و مواد مقاوم كننده توسط تغيير مكان سنج¬هاي خطي و گيج ¬هاي كرنش اندازه گيري مي¬شود.
3 ـ بحث نتايج آزمون :
1 ، 3 دهانه دو : مقاوم شده با GFRP
بيشينه بار وارد شده 535 و 677 كيلو نيوتن براي سازه مقاوم نشده و شاه تير مقاوم شده با GFRP به ترتيب مي¬باشد. همان طور كه بار افزايش يافت مقدار مشخصي از ترك¬هاي خمشي رخ داد و سپس تركهاي برشي قطري تشكيل شد.
در شاه تير 3 بسيار از تركهاي برشي قطري قبل از تركهاي خمشي اتفاق افتاد. اين امر ممكن است به علت ضعيف شدن آرماتورها به علت خوردگي و تعمير ناقص با اپوكسي براي داخل شاه تير باشد. پس از مقاوم سازي الگوهاي ترك خوردگي شبيه بودند اما تعداد و عرض تركها بوسيله بازرسي چشمي كوچك تر بود . هيچ نشانه¬اي از ورقه ورقه شدن مواد FRP در مرز مشترك مواد مقاوم كننده چسبانده شده در نوار U شكل متصل شده در دو انتها مشاهده نشد.
براي شاه تير مقاوم نشده ترك¬هاي اوليه در حدود 100 كيلونيوتن از بارگذاري به همراه يك كاهش اندك در سختي توسعه يافت. همچنين مشاهده شد كه كاهش ثانويه سختي در حدود 480 كيلونيوتن وجود داشت كه ممكن است كرنش تسليم ميلگرد 0،00150 فرض شده باشد. چرا كه ميلگرد در پل¬ها مقدار قابل توجهي از تغيير شكل پلاستيك در مدت 60 سال دوره خدمت رساني را تجربه كرده و همچنين به علت نمره فولاد مصرفي در پل قديمي مي¬باشد. براي شاه تير مقاوم شده با GFRP تغيير مكان و كرنش ميلگرد به طور لحظه¬اي تا 640 كيلونيوتن تحمل شد.
2 ، 3 دهانه 1 و 3 مقاوم شده با CFS و AFS
دهانه 1 و 3 نيز قبل از بارگذاري با ملات و اپوكسي تعمير شد و سپس با CFS و AFS براي دهانه 1 و 3 به ترتيب مقاوم سازي شد. در زمان بلوك گذاري در شاه تيرهاي مقاوم شده با CFS و AFS بعضي تركهاي خمشي كه به دنبال تركهاي برشي در قسمت تحتاني بود و به همراه هيچ گونه گسيختگي و جداشدگي مواد FRP توسعه يافت.
در شاه تير مقاوم شده با AFS تركهاي اوليه خمشي در بار حدود 245 KN در تيرهاي 1 و 2 و سپس به صورت تركهاي برشي قطري توسعه يافت. براي شاه تيرهاي مقاوم شده با CFS بيشتر تركها تشكيل شده اما عرض آنها نسبتاً كمتر بود. رفتار با تغيير شكل خطي همراه بوده اما همين كه بارگذاري به نقطه ماكزيمم نزديك شد افزايش اندكي براي تغيير شكل وجود داشت. همين كه بارگذاري متوقف شد. كرنش پسماند بزرگتر از 200 Micro Strain را نشان مي¬دهد كه كمتر از دهانه دوم است در شاه تيرهاي مقاوم شده با CFS تا بيش از 500 KN بار اعمال شده به نظر مي¬رسد كه توسط CFS نسبت به ميلگرد ، بيشتر به تعويق مي¬افتد. در شاه تير مقاوم شده با AFS بار اعمال شده بيشتر توسط ميلگرد متحمل مي¬شود. در تجربيات گسيختگي¬هاي محلي در مقياس كوچك بر روي سطح AFS رخ مي¬دهد. هيچ يك از شاه تيرهاي مقاوم شده با CFS و AFS هيچگونه كاهش قابل توجهي در ظرفيت باربري در زمان آزمايش نشان نداده و رفتار بار ـ تغيير شكل اندازه¬گيري شده (شكل 3) به نظر ميرسد اگر شاه تيرها در محدوده الاستيك است و يا اينكه مكانيزم توزيع تنش براي هر دو ماده مقاوم سازي متفاوت است. اين مشاهدات بيانگر اين است كه روش طرح مقاوم سازي مورد استفاده در اين مطالعه به طور مناسبي مشخصات مواد CFS و AFS را به حساب آورده است.
بنابراين نتيجه مي¬شود كه روش طرح مقاوم سازي مشخص شده در ACI440.IR كه براساس مفهوم USD مي¬باشد ميتواند به طور موفقيت آميزي مي¬تواند براي پل¬هايي كه با روش پوشش خارجي FRP مقاوم شده¬اند مورد استفاده قرار گيرد.
4 ـ نتيجه گيري :
در اين مطالعه آزمايشات بارگذاري صحرايي بر روي يك پل بتن مسلح با شاه تيرهاي T شكل انجام پذيرفت تا عملكرد مقاوم سازي سازه¬اي را نشان دهد. در آزمايشات بارگذاري صحرايي و كارگاهي سيستم بارگذاري مورد استفاده بلوك¬هاي بتني بود كه به جاي بارگذاري كاميون و نيروي جك هيدروليكي مورد استفاده قرار گرفت. استفاده از اين روش زماني مطلوب است كه ايمني و بازدهي لازم را خصوصاً هنگامي كه رفتار شكست در بالاي محدود الاستيك مي¬باشد تأمين كند. مقاوم سازي مورد استفاده به سه نوع مواد FRP منتهي ميشود كه عبارتند از CFS ، GFRP ، AFS كه به لبه تحتاني شاه تيرها متصل شده تا ظرفيت باربري خمشي را بهبود بخشد. مقاوم سازي براساس AC1440.1R طراحي شده كه براساس مفهوم طرح مقاومت نهايي است. تائيد شده است كه مقاوم سازي¬هاي انجام شده با CFS ، GFRP ، AFS به طور موفقيت¬آميزي ظرفيت خمشي پل بتني فرسوده رو به خرابي را بهبود بخشيده است. شاه تيرهاي مقاوم شده حتي در بيش از مقادير لنگر طراحي در محدوده خطي رفتار كرده ولو اينكه مكانيزم توزيع تنش اعمال شده متفاوت بوده و بستگي به مواد FRP دارد. بنابراين نتيجه مي¬شود كه روش طرح مقاوم سازي AC1440.1R به طور موفقيت¬آميزي مي¬تواند براي پلهايي مقاوم شده با پوشش خارجي FRP مورد استفاده قرار گيرد.

منبع : mfnews.ir