گاهی اوقات افزایش ظرفیت محوری ستون بتن آرمه در یک سازه موجود، به عنوان یک ضرورت در دستور کار مهندسین قرار می‌گیرد. افزایش تعداد طبقات سازه و یا نرسیدن مقاومت نهایی بتن ستون به حد مقرر، از جمله مواردی است که نیاز به بهسازی ستون احساس می‌شود. استفاده از تکنولوژی FRP یکی از موثرترین راهکارها برای این نیاز است. استفاده از این تکنیک برای هر دو دسته ستون‌های دایره و مستطیلی قابل استفاده است، هر چند که برای ستون‌های دایره‌ای اثربخشی بیشتری وجود دارد. در مقاله پیش رو، این تکنیک را خواهیم آموخت.

 

بهسازی محوری ستون‌های بتن آرمه به کمک تکنولوژی FRP

 

مزایای استفاده از تکنیک FRP در بهسازی ستون‌ها

  • افزایش ظرفیت باربری نهایی ستون‌های بتن آرمه
  • بهبود مقاومت برشی اعضای بتن آرمه
  • بهبود ظرفیت وصله­‌ها در موضع همپوشانی میلگردها
  • افزایش بسیار قابل ملاحظه شکل­‌پذیری ستون‌ها

 

مبانی طراحی

استفاده از تکنیک دورپیچ به کمک FRP برای ستون‌های با مقطع دایره، بیشترین اثربخشی را دارد. لیکن برای ستون‌های مستطیلی نیز قابل استفاده است. ضوابط ACI 440 برای این تکنیک مد نظر قرار دارد. مطابق این مدرک فنی، اگر نسبت طول به عرض ستون مستطیلی بیش از ۲ باشد و یا عرض بعد کوچکتر ستون بیش از ۹۰ سانتیمتر باشد، نمی‌توان از این ضوابط استفاده کرد.

الیاف FRP با تامین محصورشدگی برای ستون، به افزایش استحکام کمک می­‌کند. آن طور که از شکل زیر می‌توان دریافت، مقطع دایره‌ای تقریبا محصورشدگی کاملی ایجاد می‌کند، اما برای مقطع مستطیلی محصورشدگی کاهش می‌یابد. هر چقدر نسبت طول به عرض ستون بیشتر شود محصورشدگی نیز کاهش می‌یابد. تمرکز تنش و آسیب به بتن در گوشه‌های ستون‌های مستطیلی، عامل اصلی کاهش تاثیر FRP برای این مقاطع است.

تامین محصورشدگی برای ستون با الیاف FRP

با یک بیان ساده می‌توان عملکرد دورپیچ FRP را اینگونه بیان کرد: نیروی فشاری وارد بر ستون، تمایل به افزایش بعد جانبی ستون را ایجاد می­‌کند. این تمایل به افزایش بعد جانبی منجر به تنش‌های کشش به صورت شعاعی می‌­شود. حداقل به صورت تئوریک می‌توان گفت، اگر مقاومت الیاف دورپیچ نامحدود باشد به همان نسبت می‌توان انتظار استحکام نامحدود فشاری ستون را داشت. شکل زیر نحوه کنش الیاف FRP را نشان می‌دهد:

نحوه کنش الیاف FRP

 

 

مقاوم‌سازی ستون‌های بتنی تحت بار فشاری تنها

با توجه به بحث بخش گذشته می‌توان دریافت که الیاف FRP تنها در صورتی که به کشش خالص قرار گیرد عملکرد موثر خواهد داشت. برای این منظور لازم است که جهت الیاف، کاملا عمود بر امتداد طولی ستون قرار گیرد. ظرفیت محوری یک ستون معمول با خاموت و یا دورپیچ با میلگرد معمولی با رابطه ACI 318-11 به شکل زیر محاسبه می‌شود.

برای ستون با خاموت:

رابطه 1

برای ستون دایره ای با دورپیچ:

رابطه 2

خاموت و یا دورپیج فولادی، تا حدودی محصورشدگی برای بتن ایجاد کرده و طبیعتا باعث ازدیاد مقاومت فشاری ستون می‌گردد. طبق ACI 440 می‌توان با روابط زیر مقاومت فشاری محصورشدگی ستون را محاسبه نمود.

اگر ɛc بزرگتر از صفر اما کوچکتر از ɛ’t باشد، از این فرمول می‌توان استفاده کرد:

رابطه 3

زمانی که ɛc بزرگتر از ɛ’t بوده اما از ɛ’ccu کوچکتر باشد:

رابطه 4

که در این روابط:

ϕ: ضریب کاهش مقاومت در ACI است که مقدار آن برابر ۰/۷۵ برای ستون‌های با مارپیچ و ۰/۶۵ برای ستون‌های با خاموت معمول می‌باشد.

f’c: مقاومت مشخصه بتن

Ag: کل سطح مقطع ستون

Ast: سطح مقطع میلگرد طولی

fy: تنش تسلیم مشخصه میلگردهای طولی

fc: مقاومت فشاری محصورشدگی بتن

Ec: مدول الاستیسیته بتن

ɛc: کرنش بتن

ɛccu: کرنش فشاری نهایی بتن محصور شده است و آن را می‌توان برابر ۰/۰۱ در نظر گرفت.

همچین دو پارامتر E۲ و Ec را می‌توان از روابط زیر محاسبه کرد:

رابطه 5 و 6

مقاومت فشاری محصورشدگی فشاری بتن دورپیچ شده با الیاف FRP از رابطه زیر بدست می‌آید:

رابطه 7

که در این رابطه:

f: ضریب کاهش مقاومت بوده و ۰/۹۵ لحاظ می‌شود.

ka: ضریب کارایی الیاف FRP است. برای ستون با مقطع دایره ۱/۰ لحاظ می‌شود.

fl: حداکثر فشار محصورشدگی ممکن حاصل از الیاف FRP است و با رابطه زیر محاسبه می‌شود:

رابطه 8

در این رابطه:

Ef: مدول الاستیسیته الیاف FRP

n: تعداد لایه‌های FRP پیچیده شده

tf: ضخامت اسمی هر لایه FRP

D: قطر مقطع ستون دایره‌­ای

ɛfe: سطح کرنش موثر در FRP است و با رابطه زیر بدست می‌آید:

رابطه 9

که برای kɛ، مقدار ۰/۵۸ توصیه می‌شود و پارامتر ɛfu، معرف کرنش گسیختگی طراحی الیاف FRP است و به صورت تابعی از نوع این الیاف توسط شرکت سازنده ارائه می‌شود.

برای مقاطع مستطیلی شکل، پارامترهای D و ka با معادل‌سازی مقطع مستطیلی با دایره نظیر محاسبه می‌شوند. بر این اساس و مطابق شکل زیر:

معادل‌سازی مقطع مستطیلی با دایره نظیر

رابطه 10

و پارامتر ka نیز بر اساس روابط زیر قابل محاسبه می‌باشد:

رابطه 11

که در این رابطه:

رابطه 12

در رابطه فوق، مقدار rc معرف شعاع گردگوشگی گوشه‌های ستون و pg درصد میلگرد طولی ستون است.


دیدگاه خودتان را ارسال کنید.

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های الزامی با * علامت گذاری شده اند.