وب سایت مهندس عبدالنور افرند

استفاده از میلگردهای کامپوزیت FRP به ویژه GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) در ستون‌های بتن مسلح، به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی، وزن سبک و دوام طولانی، به سرعت در حال گسترش است. در این مگاپست، به صورت جامع به روش‌های طراحی، نکات اجرایی، مزایا و چالش‌ها پرداخته‌ایم تا یک راهنمای کامل برای مهندسین، دانشجویان و فعالان صنعت ساختمان ارائه شود.

چرا باید از میلگرد GFRP در ستون‌های بتن مسلح استفاده کنیم؟

1. مقاومت بالا در برابر خوردگی

میلگردهای فولادی در محیط‌های مرطوب، دریایی یا صنعتی به مرور زمان دچار زنگ‌زدگی و کاهش مقاومت می‌شوند. GFRP این مشکل را ندارد و در محیط‌های خورنده بهترین عملکرد را دارد.

2. وزن سبک و سهولت اجرا

میلگردهای GFRP سبک‌تر از فولاد هستند و نصب آنها آسان‌تر است. کاهش وزن ستون‌ها باعث کاهش بار مرده ساختمان و تسهیل حمل و نصب می‌شود.

3. دوام و عمر طولانی

سازه‌های بتن مسلح با GFRP به دلیل مقاومت در برابر خوردگی و شکست ناشی از خستگی، عمر بیشتری نسبت به سازه‌های فولادی دارند.

4. عملکرد ایمن در شرایط بحرانی

GFRP به دلیل رفتار کششی بالا و انعطاف‌پذیری مناسب، در برابر نیروهای لرزه‌ای و بارهای غیرمعمول عملکرد ایمنی دارد.

نکات کلیدی در طراحی ستون‌های بتن مسلح با GFRP

نمودارهای تعامل (Interaction Diagrams)

یکی از مهم‌ترین بخش‌های طراحی ستون با GFRP، محاسبه ظرفیت خمشی و محوری است. نکات مهم شامل:

• میلگردهای GFRP فقط در کشش موثر هستند و در فشار، مقاومت آن‌ها نادیده گرفته می‌شود.

• برای بارهای فشاری، می‌توان مساحت معادل بتن را جایگزین میلگرد کرد تا ظرفیت واقعی ستون محاسبه شود.

• این روش باعث دقت بالا در محاسبات و ایمنی بیشتر سازه می‌شود.

ضریب کاهش مقاومت

• استفاده از ضریب کاهش مقاومت مطابق ACI 440.1R-06 برای ستون‌ها توصیه می‌شود.

• این ضریب در طراحی خمشی و برشی، ستون‌ها را با استانداردهای بین‌المللی هماهنگ می‌کند.

محدودیت کرنش و کنترل تغییر شکل

• برای جلوگیری از تغییر شکل‌های زیاد و ترک‌های غیرقابل قبول، حداکثر کرنش طراحی میلگردهای GFRP 1٪ در نظر گرفته می‌شود.

• این محدودیت برای ستون‌های بلند و نازک که تحت تاثیر مرتبه دوم و بار جانبی قرار دارند، اهمیت ویژه‌ای دارد.

مقاومت برشی بتن

• فرمول‌بندی ACI 440.1R برای مقاومت برشی بتن برای ستون‌ها اصلاح شده است.

• این اصلاح باعث می‌شود ظرفیت برشی واقعی ستون‌ها بهتر پیش‌بینی شود و ایمنی افزایش یابد.

اصلاح سختی خمشی

• مدول الاستیسیته GFRP پایین‌تر از فولاد است و باید در محاسبات سختی ستون در نظر گرفته شود.

• ارائه ضریب اصلاح سختی خمشی کمک می‌کند تغییر شکل‌های جانبی و اثرات مرتبه دوم دقیق‌تر محاسبه شوند.

مراحل طراحی ستون‌های بتن مسلح با GFRP

1. انتخاب نوع و قطر میلگرد GFRP بر اساس بارهای وارده و طول ستون.

2. محاسبه ظرفیت خمشی و محوری با استفاده از نمودار تعامل اصلاح شده.

3. اعمال ضریب کاهش مقاومت و محدودیت کرنش برای اطمینان از ایمنی و کنترل تغییر شکل.

4. بررسی مقاومت برشی و طراحی مقطع ستون با در نظر گرفتن اصلاحات ACI 440.1R.

5. بررسی تغییر شکل جانبی و اثرات مرتبه دوم با استفاده از ضریب اصلاح سختی خمشی.

6. تهیه نقشه‌های اجرایی و مشخصات دقیق مصالح شامل قطر و فاصله میلگردها و نحوه آرماتوربندی.

مزایای طراحی ستون با GFRP

• افزایش دقت محاسباتی: با اصلاحات اعمال شده در نمودار تعامل و مقاومت برشی.

• کنترل تغییر شکل: کرنش محدود و اصلاح سختی خمشی، مانع تغییر شکل غیرقابل قبول ستون می‌شود.

• دوام و عمر طولانی: مقاومت بالا در برابر خوردگی و خستگی.

• سازگاری با استانداردهای بین‌المللی: استفاده از ضریب کاهش مقاومت ACI 440.1R-06.

• کاهش وزن و هزینه‌های سازه‌ای: سبک بودن میلگردها باعث کاهش بار مرده و هزینه‌های اجرا می‌شود.

چالش‌ها و محدودیت‌ها

• مدول الاستیسیته GFRP پایین‌تر از فولاد است و باعث افزایش تغییر شکل می‌شود.

• طراحی ستون‌های کوتاه و تحت بارهای فشاری زیاد نیاز به دقت محاسباتی بالا دارد.

• رفتار GFRP در دماهای بسیار بالا یا شرایط غیرمعمول نیازمند تحقیقات بیشتر است.

طراحی ستون‌های بتن مسلح با میلگردهای GFRP، ادغام استانداردهای ACI با اصلاحات ویژه برای مصالح کامپوزیتی است. این روش نه تنها ایمنی و دوام ستون‌ها را تضمین می‌کند، بلکه عملکرد سازه را در طول عمر آن بهبود می‌بخشد.

با رعایت نکات کلیدی شامل:

• استفاده از GFRP تنها در کشش

• اعمال ضریب کاهش مقاومت

• محدودیت کرنش 1٪

• اصلاح مقاومت برشی و سختی خمشی

می‌توان ستون‌هایی مقاوم، سبک و پایدار ایجاد کرد که گزینه‌ای عالی برای پروژه‌های در معرض خوردگی، لرزه خیزی زیاد یا محیط‌های خاص هستند.

منابع:دکتر آنتونیونانی، دکتر جوهرزاده

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■■

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.