طراحی سیستم های FRP

فلسفه طراحی سیستم های FRP

طراحی اجزای کامپوزیت FRP، قطعات، اعضا و مجموعه ها براساس روش های مشخص در صنعت مانند طراحی بر اساس تنش مجاز (ASD) و یا طراحی بر اساس ضرایب بار و مقاومت (LRFD) است. مشابه طراحی اعضای چوبی، درک صحیح از مقاومت و سختی لمینیت ها در چند جهت لازم است.

فلسفه طراحی حالت حدی توسط ACI 440.2R-08 پذیرفته شده است. این فرایند ضرایب بار و مقاومت را در حالت های مختلف در نظر گرفته شده تعریف می کند:

1. حالت حد نهایی در خمش، برش و خستگی.
2. حالت حدی سرویس دهی را در تغییر شکل ها و ترک خوردگی کوتاه مدت و بلند مدت محدود می کند.

برای هر حالت حدی، حالت های مختلف آسیب یا خرابی و پارامترهای مربوط به طراحی مورد بررسی قرار می گیرند. لازم به ذکر است که ضرایب بار و ترکیبات بار به جز محدودیت های مقاوم سازی در صورت آتش سوزی، الزامات ACI 318-11 را دنبال می کنند. از طرف دیگر، ضرایب کاهش FRP توسط ACI 440.2R-08 کالیبره شده اند تا شاخص اطمینان 3.5 و بالاتر تولید شود. با این حال، در مورد نسبت FRP بالا که با نسبت فولاد کم استفاده می شود، ممکن است شاخص اطمینان به 3-3.5 کاهش یابد. این مورد به دلیل محدودیت های مقاوم سازی هنگام آتش سوزی تقریباً وجود ندارد.

طراحی ها باید با آیین نامه های ساختمانی حاکم و سایر استانداردهای قابل اجرا مطابقت داشته باشند. ملاحظات طراحی مهندسی نه فقط محدود به فشارها و تنش های بین لایه های لمینیت ها، بارهای اعمال شده، ترکیبات بار، ضریب ایمنی، جزئیات اتصال و عملکرد بلکه شامل جابجایی های مورد انتظار اتصال، مقاومت و جابجایی مورد انتظار عضو نیز بوده و باید بر اساس تحلیل مهندسی انجام شده توسط مهندس سازه باشد.

فلسفه طراحی برای خمش

• مقاطع بتنی مسلح معمولاً کم فولاد طراحی می شوند تا از تسلیم فولاد قبل از خرد شدن بتن اطمینان حاصل کنند.
• تسلیم فولاد، شکل پذیری و هشدار برای شکست عضو را ایجاد می کند.
• مود شکست خرد شدن بتن برای اعضای خمشی مقاوم سازی شده با میلگردهای FRP مطلوب تر است.
• اگر تقویت کننده FRP پاره شود، خرابی عضو ناگهانی و فاجعه بار است و از این رو، هیچ شکل پذیری از خود نشان نمی دهد.
• با تجربه خرد کردن بتن، یک عضو خمشی برخی از رفتارهای پلاستیکی را قبل از خرابی از خود نشان می دهد.

فرضیات: مقاومت خمشی مقطع باید بر اساس فرضیات زیر باشد:

• کشش در بتن و آرماتور FRP متناسب با فاصله از محور خنثی است، به عنوان مثال، یک صفحه ای از عضو، پس از خم شدن نیز به صورت صفحه باقی می ماند.
• حداکثر کرنش فشاری قابل استفاده در بتن 0.003 است.
• مقاومت کششی بتن نادیده گرفته می شود.
• رفتار کششی تقویت کننده FRP تا زمان شکست به صورت خطی است.
• پیوند کامل بین بتن و مقاوم سازی کننده FRP وجود دارد.

فلسفه طراحی برای برش

طراحی مقاوم سازی برشی FRP بر اساس روش طراحی بر اساس مقاومت است. ضریب کاهش مقاومت داده شده توسط ACI 318 برای کاهش ظرفیت برشی اسمی اعضای بتن آرمه نیز باید برای مقاوم سازی FRP استفاده شود.

ضوابط طراحی

برای محاسبه پارامترهای طراحی و خصوصیات اجزای FRP با ترکیبات بار، همانطور که در نسخه های بین المللی آیین نامه های ساختمانی مانند (IBC) 2009 یا 2012 ذکر شده است، باید از ضوابط زیر استفاده شود:

محاسبات بار

1-بار مرده: شامل وزن هر عضو یا المان متصل

2-بار زنده: همانطور که توسط آیین نامه های محلی یا مراجع دارای صلاحیت مشخص شده است.

3-بار باد: همانطور که توسط آیین نامه های محلی یا مراجع دارای صلاحیت مشخص شده است.

4-بار لرزه ای: همانطور که توسط آیین نامه های محلی یا مراجع دارای صلاحیت مشخص شده است.

5-بار ناشی از تغییر دما: همانطور که توسط آیین نامه های محلی یا مراجع دارای صلاحیت مشخص شده است.

توزیع بار

1-نیروها در جهت بار ثقلی می باشند.

2-نیروی لرزه ای در جهت افقی در نظر گرفته می شود.

ترکیب بار

1-تمام ترکیبات بار موجود در آیین نامه مربوط در نظر گرفته خواهد شد.

2-نیازی به ترکیب نیروهای لرزه ای و باد نیست.

آیین نامه ها و استانداردها

چندین راهنما و آیین نامه منتشر شده در سراسر جهان وجود دارد که به طراحی سیستم های کامپوزیت FRP با اتصال خارجی برای سازه های بتنی می پردازد. در ایالات متحده، ACI کمیته 440 ACI 440.2R، راهنمای طراحی و ساخت سیستم های FRP با اتصال خارجی برای مقاوم سازی سازه های بتنی را منتشر کرده است. با این حال، این سند آیین نامه در نظر گرفته نمی شود و در هیچ اسنادی از جمله آیین نامه بین المللی ساختمان (IBC) و آیین نامه بین المللی ساختمان های موجود (IEBC) به آن استناد نمی شود.

با درک نیاز به آیین نامه ترمیم، موسسه بتن آمریکا (ACI)، در سال 2013، آیین نامه مورد نیاز برای ارزیابی، ترمیم و بازسازی ساختمان های بتنی (ACI562) را منتشر کرد که اولین استاندارد مبتنی بر عملکرد است که برای ترمیم ساختمان های موجود بتنی است. این استاندارد در صورت تصویب با IEBC یا به عنوان یک سند مستقل برای حوزه های قضاوتی که آیین نامه ساختمانی فعلی را تصویب نکرده اند، کار می کند.

ضوابط ACI 562 برای متخصصین طراحی جدید نیست و شامل بسیاری از الزامات مورد نیاز برای طراحی سنتی سازه های بتنی است. ACI 562 متخصصین طراحی را به این نکته راهنمایی می کند که رفتار سازه را در هر زمان از مراحل ترمیم و پس از اتمام ترمیم در نظر بگیرند. ACI 562 استفاده از کامپوزیت های FRP را برای ترمیم و مقاوم سازی بتن مجاز می داند و برای طراحی و جزئیات مورد نیاز به استانداردهای ACI 440 اشاره می کند.