بهبود عملکرد سازهای ستون با استفاده از میلگرد GFRP و الیاف هیبریدی
استفاده از میلگرد پلیمر تقویتشده با الیاف شیشه (GFRP) در مهندسی سازه به دلیل استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی و دوام زیاد مورد توجه قرار گرفته است.
با این حال، شکنندگی و سختی کمتر آن نسبت به میلگرد فولادی، نگرانیهایی را در مورد مناسب بودن آن در مناطق زلزلهخیز ایجاد کرده است.
این مطالعه رفتار سازهای ستونهای تقویتشده با میلگرد GFRP و سیستمهای الیاف هیبریدی را برای بهبود عملکرد، بهویژه در مناطق لرزهخیز، بررسی میکند.
آزمایشهای تجربی و تحلیلهای عددی برای ارزیابی ظرفیت باربری، شکلپذیری و مکانیزمهای خرابی انجام شد.
نتایج نشان میدهد که سیستمهای تقویتکننده هیبریدی میتوانند مقاومت سازهای را بهطور قابل توجهی افزایش دهند، در حالی که دوام و پایداری را حفظ میکنند.
1. مقدمه
المان های سازهای، بهویژه ستونها، نقش حیاتی در باربری و مقاومت لرزهای دارند.
روشهای سنتی تقویت از میلگردهای فولادی استفاده میکنند که استحکام و شکلپذیری بالایی دارند اما مستعد خوردگی هستند.
در مقابل، میلگردهای GFRP مقاومت بالایی در برابر خوردگی و وزن سبک دارند اما دچار شکست ترد میشوند.
این مطالعه با ترکیب میلگردهای GFRP و سیستمهای الیاف هیبریدی، به دنبال بهبود عملکرد ستونها از نظر استحکام و شکلپذیری است.
2. خواص مواد و روش آزمایش ستون های هیبریدی با الیاف و gfrp
در این تحقیق، ستونهای بتنی با موارد زیر تقویت شدند:
• میلگرد GFRP (طبق استانداردهای ACI 440)
• سیستمهای الیاف هیبریدی (ترکیب الیاف مصنوعی و فولادی)
• میلگرد فولادی سنتی (برای مقایسه عملکرد)
خواص کلیدی مواد از جمله استحکام کششی، مدول الاستیسیته و کرنش شکست بررسی شدند. طرحهای اختلاط بتن شامل الیاف بهمنظور افزایش جذب انرژی و مقاومت در برابر ترکخوردگی بود.
3. رفتار سازهای و ظرفیت باربری ستون های کامپوزیتی با الیاف
نتایج آزمایشها نشان داد که:
• ستونهای تقویتشده با میلگرد GFRP بهتنهایی استحکام بالایی داشتند اما دچار شکست ترد شدند.
• تقویت با الیاف هیبریدی باعث بهبود جذب انرژی و تأخیر در گسترش ترکها شد.
• سیستم هیبریدی که ترکیبی از GFRP و الیاف فولادی بود، بهترین تعادل بین استحکام، شکلپذیری و عملکرد لرزهای را نشان داد.
4. عملکرد لرزهای و ملاحظات شکلپذیری ستون های هیبریدی
در مناطق لرزهخیز، شکلپذیری عامل کلیدی محسوب میشود. تحلیل اجزای محدود (FEA) و آزمایشهای تجربی نشان دادند که ستونهای تقویتشده با سیستم هیبریدی معیارهای لرزهای یورکد 8 (Eurocode 8) و ACI 318 را برآورده میکنند.
تحلیل لنگر-انحنا افزایش ظرفیت تغییرشکل را نشان داده و تقویت هیبریدی را بهعنوان جایگزینی مناسب برای فولاد معرفی میکند.
5. نتیجهگیری
این مطالعه تأیید میکند که استفاده از تقویت الیاف هیبریدی همراه با میلگرد GFRP عملکرد ستونها را بهبود میبخشد، بهویژه در کاربردهای لرزهای.
این ترکیب، دوام را افزایش داده، هزینههای نگهداری را کاهش میدهد و مقاومت بهتری را در برابر بارهای دینامیکی تضمین میکند.
تحقیقات آینده شامل آزمایشهای در مقیاس کامل و استراتژیهای پیادهسازی در شرایط واقعی خواهد بود.
بهبود عملکرد سازهای ستون با استفاده از میلگرد GFRP و الیاف هیبریدی
چکیده
پلیمر تقویتشده با الیاف شیشه (GFRP) بهعنوان یک جایگزین موفق برای میلگردهای سنتی شناخته شده است که باعث افزایش عمر مفید سازهها و ارائه خواص غیرخورنده میشود.
در این مطالعه، آزمایشهای تجربی روی ستونهای تقویتشده با الیاف هیبریدی و میلگردهای GFRP انجام شده است.
عملکرد این ستونها با ستونهای تقویتشده با میلگرد فولادی سنتی مقایسه شد.
در این تحقیق، شش ستون هیبریدی با الیاف و میلگرد GFRP و سه ستون بتنی تقویتشده با میلگرد فولادی تحت بارگذاریهای خارج از مرکز (0.0، 0.25، 0.50) ساخته و آزمایش شدند.
الیاف مورد استفاده شامل الیاف فولادی و الیاف شیشه بودند که به افزایش مقاومت بتن کمک کردند.
آزمایشها برای بررسی ظرفیت باربری ستونها در برابر بارهای محوری و خارج از مرکز، تغییرشکل و کمانش انجام شد.
نتایج نشان داد که میلگردهای GFRP قادر به تحمل حداکثر بارهای محوری و خارج از مرکز بدون خردشدگی و کمانش موضعی بودند. همچنین، پس از برداشتن بار، ستونهای تقویتشده با GFRP به حالت اولیه خود بازگشتند و عرض ترکها کاهش یافت.
در مقابل، در ستونهای تقویتشده با فولاد، میلگردهای فولادی دچار تسلیم شدند و پس از برداشتن بار، تغییری در میزان تغییرشکل و عرض ترک مشاهده نشد.
عملکرد میلگردهای هیبریدی (HYFC) در مقایسه با ستونهای بتنی سنتی 18٪ بهتر بود.
ستونها از مهمترین اعضای سازهای هستند که بار را از تیرها و ستونهای بالایی دریافت کرده و آن را از طریق فونداسیون به زمین منتقل میکنند.
خرابی ستون میتواند منجر به بیثباتی الاستیک شود، زیرا کاهش ظرفیت باربری ستونهای بتن مسلح (RCC) به دلیل کاهش سطح مقطع واقعی و درصد آرماتور رخ میدهد.
همچنین، شکست فشاری به دلیل بار محوری زیاد نسبت به سطح مقطع عضو باعث خردشدگی ستونهای عمودی RCC و در نهایت خرابی مصالح میشود.
یکی از مشکلات رایج در میلگردهای فولادی سنتی، خوردگی در محیطهای تهاجمی، وجود حفرهها در اعضای بتنی و شرایط مناطق ساحلی است که منجر به کاهش مقاومت کششی آرماتور و در نتیجه خرابی ستونها میشود.
پلیمر تقویتشده با الیاف شیشه (GFRP) میتواند جایگزین مناسبی برای میلگردهای فولادی باشد، زیرا دارای مقاومت کششی بالا (1600 مگاپاسکال) و ویژگیهای غیرخورنده است.
گزارش ACI 440-1R06 در ایالات متحده نشان میدهد که از میلگردهای GFRP برای ساخت عرشه پل در سال 1997 استفاده شده است.
مواد کامپوزیت FRP شامل الیاف پیوستهای هستند که با یک پلیمر اتصالدهنده ترکیب شده، قالبگیری شده و در شکل موردنظر سخت میشوند.
ترکیبی از دو یا چند نوع الیاف مختلف، مانند کربن و شیشه یا کربن و آرامید، در یک ساختار به کار گرفته میشود.
در این پژوهش، هدف بررسی رفتار سازهای ستونها از نظر رابطه بین بار و تغییرشکل، ظرفیت باربری در شرایط مختلف بارگذاری خارج از مرکز و میزان سختی آنها بود.
ستونهای HYFRC با میلگرد GFRP در مقایسه با ستونهای دارای میلگرد فولادی متداول بررسی شدند.
الیاف ترکیبی برای بهبود خواص مقاومتی بتن و جلوگیری از شکست فشاری یا خرابی مواد به کار رفتند.
الف. الیاف ترکیبی (Hybrid Fiber)
الیاف معمولاً برای نیازهای خاص مورد استفاده قرار میگیرند. در بتن، الیاف برای افزایش مقاومت، جلوگیری از ترکهای جمعشدگی و کاهش آب انداختگی به کار میروند. انواع مختلفی از الیاف مانند الیاف شیشهای، الیاف فولادی، الیاف شیشهای (دوباره ذکر شده) و پلیپروپیلن وجود دارند.
اگر دو یا چند نوع الیاف بهطور منطقی در یک ماتریس مشترک ترکیب شوند تا یک کامپوزیت ایجاد کنند که از مزایای هر یک از الیاف بهطور جداگانه بهرهبرداری کند و واکنش همافزایی نشان دهد، این ترکیب به عنوان کامپوزیت هیبریدی (Hybrid Composite) شناخته میشود.
ب. میلگرد GFRP
میلگرد پلیمری تقویتشده با الیاف شیشه (GFRP) یک میلگرد جامد است که شامل نازکترین الیاف شیشهای جاسازیشده در یک ماتریس رزین پلیمری و افزودنیها میباشد.
یکی از اصلیترین دلایل تخریب سازههای بتنی مسلح، خوردگی فولاد مسلحکننده است. یکی از راهکارهای مناسب برای رفع این مشکل، استفاده از میلگردهای GFRP است که از مواد غیرخورنده تشکیل شدهاند.
میلگردهای GFRP عمدتاً از الیاف شیشهای ساخته شدهاند و به دلیل مقاومت در برابر خوردگی، عمر مفید سازههای بتنی مسلح را به طور قابل توجهی افزایش داده و هزینههای نگهداری، تعمیر و جایگزینی را کاهش میدهند.
با وجود اینکه GFRP به عنوان یک جایگزین مناسب برای میلگردهای فولادی در نظر گرفته میشود، طراحی آن با چالشهایی همراه است که با طراحی بتن مسلح با فولاد سنتی متفاوت است.
۲. مصالح مورد استفاده در کار آزمایسگاهی
0.75% حجم سیمان برای تولید کامپوزیت به کار رفته است.
الف. سیمان
از سیمان پرتلند معمولی مطابق با استاندارد IS 10262-2009 (JSW Cement 53 Grade) که از یک منبع واحد تولید شده، استفاده شده است.
ب. سنگدانه ریز
شن و ماسه رودخانهای موجود در محل، به عنوان سنگدانه ریز مورد استفاده قرار گرفت که از الک 4.75 میلیمتری مطابق با استاندارد IS 383-1978 عبور میکند.
ج. سنگدانه درشت (Coarse Aggregate)
سنگدانه درشت محلی مورد استفاده قرار گرفت که از الک 20 میلیمتری عبور کرده و روی الک 12.5 میلیمتری باقی مانده است، مطابق با استاندارد IS 383-1978. وزن مخصوص سنگدانه درشت برابر 2.74 میباشد.
د. آب (Water)
آب آشامیدنی موجود در آزمایشگاه، مطابق با استاندارد IS 456-2000، برای ساخت و عملآوری نمونهها مورد استفاده قرار گرفت. نسبت آب به سیمان 0.45 در مخلوط در نظر گرفته شد.
ه. الیاف فولادی (Steel Fiber)
الیاف فولادی به صورت طولهای کوتاه و جداگانه با نسبت طول به قطر بین 20 تا 100 برای مسلح کردن بتن مورد استفاده قرار گرفتند.
الیاف گرد رایجترین نوع هستند که قطر آنها بین 0.25 تا 0.75 میلیمتر متغیر است. همچنین، الیاف فولادی مستطیلی شکل معمولاً ضخامت 0.25 میلیمتری دارند.
و. الیاف شیشهای (Glass Fiber)
الیاف شیشهای از تعداد زیادی الیاف بسیار نازک شیشهای تشکیل شدهاند. الیاف شیشهای نازکتر دارای مقاومت کششی بیشتری هستند، زیرا با کاهش ضخامت، شکلپذیری آنها افزایش مییابد.
ز. میلگردهای GFRP (GFRP Rebars)
میلگردهای GFRP از الیاف شیشهای و مواد کامپوزیتی تشکیل شدهاند که با پلیمر چسباننده الیاف آغشته شده، قالبگیری شده و در شکل مورد نظر سخت میشوند. ویژگیهای آن شامل:
• مقاوم در برابر خوردگی
• مقاومت کششی بالا
• وزن کمتر در مقایسه با فولاد
قطرهای مختلف موجود
میلگردهای GFRP در قطرهای 6mm، 8mm، 10mm، 12mm و 16mm در دسترس هستند.
3. برنامه آزمایش (Test Program)
برنامه آزمایش شامل 9 ستون بتنی به ابعاد 150mm × 150mm × 1000mm بود.
این ستونها به عنوان ستون کوتاه در نظر گرفته شدند، زیرا نسبت لاغری (L/D) کمتر از 12 بود، که طبق استاندارد ACI 318-1424 کمتر از 22 محسوب میشود.
تقسیمبندی نمونههای آزمایش
نمونههای آزمایشی به 3 گروه تقسیم شدند، همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است.
هر گروه شامل 2 ستون بتنی با جزئیات تسلیح یکسان بود که تحت شرایط مختلف برونمرکزی (eccentricity) برابر با 0، 25 و 50mm آزمایش شدند.
نمونهها بر اساس نوع میلگرد طولی و خاموت (فولادی یا GFRP)، قطر میلگرد طولی، فاصله خاموتها و میزان خروج از مرکز بار اعمالی مشخص شدند.
مشخصات نمونهها
به عنوان مثال، نمونه G10T-150E0.0 دارای ویژگیهای زیر بود:
• میلگردهای GFRP برای میلگردهای طولی و خاموتها مورد استفاده قرار گرفتند.
• قطر میلگردهای طولی 10mm در نظر گرفته شد.
• فاصله خاموتها 150mm بود.
• آزمایش تحت بارگذاری هممحور (Concentric Load) انجام شد.
جزئیات گروههای آزمایشی
• گروه اول (S10T-150): شامل 3 ستون بتنی مرجع بود که با 4 میلگرد طولی فولادی (قطر 10mm) و 6 خاموت فولادی در فواصل 150mm مسلح شده بودند.
• سه گروه دیگر: با استفاده از میلگردهای GFRP به جای میلگردهای فولادی مسلح شدند.
اندازهگیری تغییر شکل جانبی
گیج اندازهگیری جابجایی (Dial Gauge) در ارتفاع میانی ستون نصب شد تا میزان تغییر شکل جانبی ستون حین بارگذاری را اندازهگیری کند.
۴. نتایج آزمایش (Test Results)
A- نتایج آزمایش مکعب (Cube Test Result)
مقاومت فشاری (Compressive Strength) بیشترین تنش فشاری است که یک ماده جامد تحت بارگذاری تدریجی بدون شکست میتواند تحمل کند.
این مقدار با تقسیم حداکثر بار تحمل شده بر سطح مقطع اولیه نمونه در آزمایش فشاری محاسبه میشود.
نتایج آزمایش مکعب در جدول 9 آورده شده است (آزمایش 7 روزه).
B- نتایج آزمایش تجربی بر روی ظرفیت باربری ستون
این بخش شامل مقایسه نتایج آزمایش ستونهای بتن مسلح (RCC) با میلگرد فولادی و ستونهای HYFRC با میلگرد GFRP است.
تمام نمونهها تحت شرایط بارگذاری برونمرکزی 0، 25 و 50 میلیمتر آزمایش شدند تا لحظه شکست و حداکثر ظرفیت باربری آنها بررسی شود.
• ممان (Moment) و سختی (Stiffness) از طریق مقایسه بار حداکثری و تغییر مکان افقی در آن بار محاسبه شدند.
• نتایج در جدول 10 ارائه شده است.
۵. نتیجهگیری (Conclusion)
بر اساس بررسیهای آزمایشگاهی رفتار ستون تحت بارگذاری خارج از مرکز، نتایج زیر به دست آمد:
• ظرفیت باربری ستون HYFRC با GFRP در خارج از مرکزیت 0،0، نسبت به ستون بتنی معمولی 18% بیشتر بود.
• حداکثر تغییر مکان در بار محوری نهایی برای ستونهای GFRP و فولادی به ترتیب 1.45mm و 1.3mm بود.
• افزایش میزان خارج از مرکزیت در ستونهای GFRP، رفتاری مشابه ستونهای بتن مسلح سنتی نشان داد.
• تمام ستونهای GFRP تحت بارگذاری خارج از مرکز، بدون شکست میلگردها و تنها با شکست در ناحیه فشاری بالای ستون، گسیخته شدند.
• الیاف هیبریدی عملکرد مناسبی در افزایش مقاومت فشاری و جلوگیری از ایجاد ترکهای ریز نشان دادند.
• ظرفیت خمشی (Moment Carrying Capacity) ستونهای GFRP، 5% بیشتر از ستونهای بتن مسلح با میلگرد فولادی بود.
• با افزایش خارج از مرکزیت، سختی ستونهای GFRP نسبت به سختی محوری کاهش یافت.
• ستونهای GFRP بدون بروز کمانش موضعی (Local Buckling) یا ناپایداری الاستیک (Elastic Instability)، توانستند افزایش خارج از مرکزیت را تحمل کنند.
• در مقایسه با ستونهای بتن مسلح با میلگرد فولادی، ستونهای GFRP دارای ظرفیت تغییر مکان بیشتری بدون شکست بودند.
نتایج کلیدی مطالعه
• ظرفیت باربری ستون HYFRC با GFRP در خارج از مرکزیت (0,0)، نسبت به ستون بتنی معمولی 18% بیشتر بود.
• حداکثر تغییر مکان در بار محوری نهایی برای ستونهای با میلگرد GFRP و میلگرد فولادی معمولی، به ترتیب 1.45mm و 1.3mm ثبت شد.
• افزایش درصد برونمرکزی در ستون GFRP رفتار مشابهی با ستون بتن مسلح معمولی نشان داد.
• تمام ستونهای GFRP تحت بارگذاری خارج از مرکز، بدون شکست میلگردها و تنها با گسیختگی در ناحیه فشاری بالای ستون، دچار شکست شدند.
• الیاف هیبریدی عملکرد مطلوبی در افزایش مقاومت فشاری و جلوگیری از ایجاد ترکهای ریز داشتند.
• ظرفیت خمشی ستونهای GFRP، 5% بیشتر از ستونهای بتن مسلح با میلگرد فولادی بود.
• با افزایش خارج از مرکزیت، سختی ستونهای GFRP در مقایسه با سختی محوری کاهش یافت.
• ستونهای GFRP با افزایش میزان برونمرکزی، بدون کمانش موضعی (Local Buckling) یا ناپایداری الاستیک (Elastic Instability) باقی ماندند.
• ستونهای GFRP در مقایسه با ستونهای بتن مسلح فولادی، ظرفیت تغییر مکان بیشتری بدون شکست نشان دادند.
●طراحی و اجرا و سرمایه گذاری در رستوران هوایی، روف گاردن،باغ ویلا،سازه های خاص.