در این مقاله، تمرکز اصلی بر میلگردهای شیشه‌ای FRP (GFRP) به‌عنوان آرماتور طولی ستون‌های بتن مسلح است، هرچند که همین ملاحظات می‌توانند برای سایر انواع FRP نیز اعمال شوند.

حداقل آرماتور طولی در ستون با میلگرد کامپوزیتی

از سال ۱۹۳۶، کد ساختمان ACI 318 حداقل نسبت آرماتور طولی را برابر با ۰.۰۱ از سطح مقطع بتن تعریف کرده است. این حداقل به منظور جلوگیری از «تسلیم غیرمستقیم» فولاد طراحی شده بود؛ وضعیتی که در آن بار به‌تدریج از بتن به آرماتور منتقل می‌شود و با خزش بتن تحت بار محوری ادامه می‌یابد. اگرچه این محدودیت برای بتن و فولاد مدرن قدیمی به نظر می‌رسد و با توجه به اینکه GFRP تسلیم نمی‌شود، این الزام به‌صورت مشابه برای GFRP نیز حفظ شده است.

معادل‌سازی میلگردهای کامپوزیتیGFRP تحت فشار با بتن

رفتار میلگردهای FRP تحت فشار پیچیده است، زیرا ماهیت غیرهمسانگرد و ناهمگن آنها می‌تواند منجر به اندازه‌گیری‌های نادرست شود. حالت‌های شکست متفاوت، شامل شکست کششی عرضی، میکروپلاکینگ فیبر یا شکست برشی، بسته به نوع فیبر، حجم فیبر و نوع رزین، بر پاسخ میلگرد تحت فشار اثر می‌گذارند.

برای میلگردهای GFRP، کاهش مقاومت فشاری تا ۴۵٪ و مدول الاستیسیته تا ۲۰٪ نسبت به مقاومت کششی گزارش شده است. مطالعات دیگر نیز نشان داده‌اند که نسبت مقاومت فشاری به کششی حدود ۵۰٪ و نسبت مدول‌ها تقریباً ۱۰۰٪ است. بنابراین، ویژگی‌های مکانیکی GFRP در فشار از بتن بالاتر است و معادل‌سازی آنها با بتن در تحلیل و طراحی قابل توجیه است.

محدودیت کرنش کششی میلگرد GFRP

کرنش گسیختگی کششی GFRP بیش از ۲٪ است. چنین کرنشی باعث تغییر شکل‌های بسیار زیاد می‌شود اگر بخواهیم از تمام ظرفیت کششی میلگرد استفاده کنیم. برای جلوگیری از این امر، پیشنهاد می‌شود کرنش طراحی نهایی محدود شود: به عبارت دیگر، کرنش کششی طراحی میلگرد GFRP به ۰.۰۱ محدود می‌شود.

محدودیت فاصله آرماتور عرضی ستون با میلگرد کامپوزیتی

برای ستون‌های فولادی-RC، ACI 318-11 فاصله بین خاموت‌ها را محدود کرده است. در مدل ساده‌شده، فاصله بین خاموت‌ها s با قطر میلگرد طولی db و کرنش ε مرتبط است:

با توجه به نیاز به محصورسازی مناسب بتن در هسته ستون، پیشنهاد می‌شود فاصله خاموت‌ها حداکثر برابر با کمترین مقدار بین: بعد کوچک ستون، ۱۲ قطر میلگرد طولی و ۲۴ قطر خاموت باشد.

اصلاح سختی ستون های با میلگرد کامپوزیتی

در تحلیل ستون‌های فولادی-RC، سختی خمشی اعضا برای در نظر گرفتن ترک‌خوردگی اصلاح می‌شود. در ستون‌های GFRP-RC، به دلیل تفاوت خواص مکانیکی GFRP و فولاد، این اصلاحات باید متناسب با GFRP انجام شود.

ACI 318-11 توصیه می‌کند نیروهای داخلی و تغییر مکان‌های جانبی اعضا تحت بارهای ضریب‌دار با استفاده از تحلیل خطی و لحظات اینرسی اصلاح‌شده محاسبه شود. برای ستون‌های GFRP-RC نیز می‌توان از ضریب اصلاح مشابه ACI استفاده کرد تا تغییر شکل‌ها و توزیع نیروها با دقت بیشتری مدل شود.

جمع‌بندی

طراحی ستون‌های GFRP-RC نیازمند رعایت چندین اصل کلیدی است:

  1. حفظ حداقل آرماتور طولی مشابه فولاد-RC

  2. معادل‌سازی GFRP با بتن تحت فشار

  3. محدود کردن کرنش کششی نهایی برای کنترل تغییر شکل‌ها

  4. کاهش فاصله بین خاموت‌ها برای جلوگیری از کمانش میلگرد

  5. اصلاح سختی خمشی اعضا در تحلیل برای مطابقت با خواص GFRP

با رعایت این ملاحظات، می‌توان ستون‌های GFRP-RC ایمن و با عملکرد مناسب طراحی کرد، به‌ویژه برای ساختمان‌های کم‌ارتفاع و محیط‌های خورنده یا حساس به میدان‌های الکترومغناطیسی دست یافت.

■■برگرفته از مقاله دکتر آنتونیو نانی و هانی جوهر زاده■■