بررسی عملکرد کامپوزیت FRP بر روی دیوارهای برشی

کد مطلب: 3524چنگیز سیاوشی، اسماعیل توکلیگلپایگانی، محمدهادی علیزاده الیزئی تکنیک مقاوم سازی مقاطع مسلح بتنی با استفاده از کامپوزیت FRP به طور گسترده ای به جای پوشش به وسیله فولاد مورد کاربرد قرار گرفته و در مقایسه با استفاده از تنگ ها و مارپیچ های فولادی تکنیک محصورسازی با استفاده از کامپوزیت FRP قابلیت این را دارد که محصورشدگی را به صورت پیوسته برای تمام مقطع عرضی در دیوار برشی تأمین نماید. در این مقاله سعی در بررسی و تحلیل نمونه آزمایشگاهی دیوار برشی که قبلاً در حالت پوشش FRP در دو طرف و بدون پوشش FRP مدل شده است و همچنین بررسی و مدل سازی دیوار نمونه با پوشش FRP فقط در یک طرف دیوار و بررسی و تحلیل آن در این حالت است علیرغم افزایش حدود 65 درصدی مقاومت دیوار برشی با پوشش الیاف FRP به صورت دوطرفه در نمونه تقویت شده به صورت یک طرفه به علت بالا رفتن تنش ها در سمت آزاد عملاً تأثیری در مقاومت نهایی دیوار ایجاد نمیگردد. لذا ضمن کنترل صحت نتایج آن در حالت استفاده از پوشش الیاف FRP به صورت دوطرفه بر روی دیوار برشی و سپس مدل سازی آن با همان مشخصات مدل مبنا و حذف پوشش الیاف FRP در یک طرف این دیوار و سپس افزایش دولایه الیاف FRP در یک سمت و به دست آمدن نتایجی از نظر تغییر مکان برابر با نتیجه در حالت دوطرفه ابتدا مشخص میشود که با افزایش سه برابری میتوان به تغییر مکان مشابه دست پیدا کرد اما با بررسی تنش ها و مقایسه آنها به این نتیجه میرسیم که با توجه به توزیع نامتقارن تنش در دو طرف دیوار. در طرفی از دیوار که الیاف FRP ندارد با توجه به این بررسی که انجام شده نشان میدهد که قبل از رسیدن به جابجایی به دست آمده در دیوار تخریب رخ داده و عملاً اظهارنظر در مورد تغییر مکان ان ممکن نباشدبعد از جنگ جهانی دوم ابتدا از FRP به صورت یک جسم شیشه ای جامد برای ساختن چوب ماهیگیری و گلف، یا یک پرچم و چوب اسکی استفاده میشد به تدریج از FRP در ساخت تجهیزات الکتریکی به دلیل مقاومت کششی و فشاری بالا و قابلیت نارسایی الکتریکی بالا مورداستفاده قرار گرفت و امروزه کاربردهای مختلف آن در تولیدات خانگی چون نردبان، کانال های تهویه و ریل ها به وضوح قابل ملاحظه است. به طورکلی میتوان گفت FRP کاربردهای وسیعی در زمینه های مختلف چون خودروسازی، الکترونیک، پزشکی، هوافضا، ساختمان سازی و... دارد.دیوارهای برشی، اعضای اصلی برای مقابله با نیروهای جانبی در ساختمان های بتن آرمه هستند. آنها باید علاوه بر تأمین مقاومت مناسب، شکل پذیری کافی را برای اجتناب از شکست ترد تحت بارهای جانبی قوی به ویژه در طی زلزله فراهم آورند. در تحقیقات قبلی مشخص گردیده که تقویت این دیوارها با الیاف کامپوزیت FRP در دو طرف دیوار بسیار کارا و مقرون به صرفه است ولی در قسمت هایی که امکان دسترسی به دو طرف دیوار نیست آیا تقویت دیوار برشی به صورت یک طرفه همان نتایج را به ما میدهد؟.جهت بررسی و کنترل نتایج حاصل از تقویت دیوارهای برشی با الیاف کامپوزیت FRP به صورت یک طرفه و مقایسه آن با تقویت دیوار برشی تقویت شده به صورت دوطرفه از مدل سازی نرم افزاری به صورت زیر عمل خواهد شد:الف مدل سازی دیوار برشی تقویت شده با الیاف کامپوزیت FRP به صورت دوطرفه و مقایسه نتایج حاصله با نمونه اصلی جهت صحت سنجیب مدل سازی دیوار برشی تقویت شده با الیاف کامپوزیت FRP به صورت یک طرفه و مقایسه نتایج حاصله با مدل دیوار برشی تقویت شده با الیاف کامپوزیت FRP به صورت دوطرفهمدل سازیقطعاً با استفاده از نتایج آزمایشگاهی میتوان رفتار واقعی دیوار برشی را مورد ارزیابی قرار داد چراکه تأثیر کلیه قسمت های مدل در آزمایش در نظر گرفته میشود اما با توجه به ویژگیهای خاص ازجمله هزینه زیاد کمبود امکانات آزمایشگاهی. محدودیت زمانی و غیره در این تحقیق از روش مدل سازی عناصر محدود استفاده میشود روش اجزای محدود یک روش عددی هست که میتوان آن را برای حل مسائل متعدد و متنوع مهندسی در حالات مختلف پایدار گذرا خطی و غیره بکار برد این روش که ریشه های آن به سال های اولیه قرن 19 میلادی برمیگردد عملاً در دهه 90 میلادی به صورت کلاسیک تدوین و وارد مباحث مهندسی به خصوص مهندسی مکانیک و سازه شد. در این رابطه نرم افزارهای تجاری اجزاء محدود با هدف پاسخ به نیازمندیهای علمیو صنعتی و طراحی و به بازار عرضه شد در میان نرم افزارهای عمومیاجزاء محدود نرم افزارهای معتبری چون ANSIS,NASTRAN,NISA,PLAXIS,ABAQUS و غیره به چشم میخورد که دارای قابلیت های بالایی هستند. در میان نرم افزارهای متداول اجزای محدود نرم افزار آباکوس دارای قابلیت بالایی در مدل سازی پدیده های مختلف است. دلیل استفاده این نرم افزار قدرت تحلیل بالای آن در پدیده حاکم بر مطالعه حاضر استدر تحقیق حاضر جهت ایجاد مدل سه بعدی بتن دیوار برشی از المان سه بعدی SOLID C3 D8R استفاده شده است. المان مذکور دارای هشت گره است که هر گره دارای 3 درجه آزادی انتقال است. برای مدل سازی آرماتور در نرم افزار ABAQUS روش های مختلفی وجود دارد. در این تحقیق از المان سه بعدی با مش بندی مجزا استفاده شده است. همچنین برای رفتار ورقهای کامپوزیتی FRP به صورت یک ماده ارتو تروپیک صفحه ای در نظر گرفته شده است و ورق با المان SHELL M3 D4R که دارای رفتار غشایی است مدل سازی شده است.در مرحله اول تحلیل که نتایج آن با مقاله مبنا مقایسه شده است از تحلیل غیرخطی استاتیکی با افزون استفاده شده است. در ادامه جهت مقایسه نمونه های بررسیشده از روش تحلیل غیرخطی دینامیکی EXPLICIT استفاده شده است.صحت سنجیبه منظور استفاده از نتایج یک مدل ابتدا باید نتایج آنالیز عددی با نتایج آزمایشگاهی یا سایر روش های تحلیلی مقایسه میشود تا دقت جواب های به دست آمده از مدل مشخص شود. درصورتیکه نتایج به دست آمده دارای دقت کافی باشد میتوان نتایج آنها اطمینان داشت.همان گونه که مشاهده میشود نتایج به دست آمده از مدل تطابق نسبتاً خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد. مقدار ماکزیمم خطا %68/3 و مقدار خطای میانگین نمونه مدل شده % 05/2 است.علت این خطا میتواند روش حل عددی اجزای محدود باشد که با توجه به عددی بودن حل مقداری خطا وجود دارد همچنین با مش بندی ریزتر میتوان به نتایج دقیق تری رسید ولی با توجه به ریزتر شدن مش بندی حجم محاسبات به مقدار قابل توجهی افزایش مییابد که در نهایت نتیجه گیری منطقی نیست.با توجه به نتایج به دست آمده میتوان نمونه حاضر را به عنوان نمونه قابل قبول مدنظر گرفت و در نتایج بعدی نتایج خوبی جهت استناد به آن دانست.بررسی نتایج مدل در حالت یک طرفه و دوطرفه:نتایج به دست آمده از تحلیل مدل نشان میدهد که مقدار جابجایی ماکزیمم در حالتی که در دو طرف الیاف FRP داریم برابر 01/8 است و در حالتی که الیاف در یک طرف با ضخامت دوبرابر داریم مقداری برابر 49/8 سانتیمتر است.نتیجه گیری و پیشنهاداتنتایج به دست آمده از تحلیل مدل نشان میدهد که مقدار جابجایی ماکزیمم در حالتی که در دو طرف الیاف FRP داریم برابر 63/8 سانتیمتر است و در حالتی که الیاف در یک طرف با ضخامت 3 برابر داریم مقداری برابر 93/8 سانتیمتر است توجه به این نکته ضروری است که باوجوداینکه این دو مقدار تفاوت زیادی با هم ندارند اما توزیع تنش و یا تغییر مکان موجود در دیوار با یک طرف پوشش FRP به دلیل نامتقارن بودن در دو طرف دو طرف ان یکسان نیست. در واقع در طرفی که پوشش FRP نداریم تنش ها بیشتر از طرفی است که پوشش الیاف FRP وجود دارد. جابجاییها نیز در طرفی که FRP موجود نیست بیشتر از طرف مقابل است پس میتوان نتیجه گرفت که با توجه به توزیع نامتقارن تنش در دوطرف دیوار. طرفی که پوشش الیاف FRP ندارد ممکن است قبل از رسیدن به جابجایی به دست آمده در دیوار موجب تخریب ان شود و عملاً اظهارنظر در مورد تغییر مکان آن ممکن نباشد. پس میتوان از این بررسی نتیجه گرفت که استفاده از الیاف FRP در یک طرف با هر ضخامتی نمیتواند راه حل مناسبی باشددر خاتمه بایستی نکاتی را برای استفاده بهتر و کاربردی کامپوزیت FRP متذکر شویم. برخلاف آنکه در مرحله بررسی مشخص شد به نظر میرسد که در مقاوم سازی ساختمان ها و به منظور پایین آوردن هزینه ها وعدم تخریب دیوارها و بازسازی آنها با ضوابط و آیین نامه های جدید میتوان از این الیاف استفاده نمود حال آنکه این موضوع فقط میتواند برای ساختمان هایی انجام شود که دسترسی به هردو طرف دیوار میسر باشد و در ساختمان هایی که با توجه به آیین نامه های جدید از مقاومت کمتری برخوردارند ونمیتوان به دو طرف دیوار دسترسی پیدا نمود (امثال ساختمان های ساخته شده در بین املاک ساخته شده) و فقط دسترسی ازیک طرف امکان دارد توصیه نمیشود و بهتر است برای مقاوم سازی از روش های دیگر و یا تخریب و بازسازی مجدد استفاده شود زیرا شما در چنین حالتی فقط میتوانی تغییر مکان را به ظاهر کنترل نمایید اما به هیچ وجه نمیتوان مانع تنش ها درسمتی که از الیاف FRP استفاده نشده است شد پس میتوان نتیجه گرفت استفاده از الیاف FRP دریک طرف با هر ضخامتی راه حل مناسبی برای مقاوم سازی به صورت یک طرفه باشد.