مقاوم سازی برشی با FRP

شکست های برشی و خمشی ، دو حالت عمده شکست در تیرهای معمولی بتن مسلح هستند. شکست خمشی به شکست برشی ترجیح داده می­ شود زیرا رفتار شکل پذیرتری از خود نشان می­دهد. شکست نرم علاوه بر آنکه امکان پخش مجدد تنش را فراهم می­آورد ، به کاربران و حاضران در محل فرصت بیشتری برای پی بردن به وضعیت بحرانی تیر می­دهد.

در حالت مقاوم سازی خمشی تیر­های بتنی با روش چسباندن صفحات FRP ملاحظه می­شود که شکل­ پذیری تیر نسبت به حالت عادی آن ، کاهش یافته است. البته حتی در این شرایط هم ، شکست آن تحت خمش شکل پذیر تر از شکست برشی آن است. بطورکلی افزایش مقاومت برشی ، احتمال گسیختگی خمشی را نسبت به گسیختگی برشی بیشتر می­کند و در نتیجه عضو سازه ای ، شکل­ پذیرتر می­شود.

اگر یک تیر بتنی در تحمل برش ضعیف باشد یا پس از مقاوم سازی خمشی ، ظرفیت برشی آن در تحمل نیروهای برشی نسبت به ظرفیت خمشی ضعیف تر باشد ، باید مقاوم سازی برشی آن هم مدنظر قرار گیرد. مقاوم سازی برشی در بیشتر موارد یک مرحله کلیدی و اساسی در مقاوم سازی موثر تیرهای بتنی است.

استفاده از صفحه زیرین FRP برای مقاوم سازی خمشی تیرهای بتنی مسلح تاثیر چندانی بر مقاومت برشی آنها ندارد. بنابراین از اثر مقاوم سازی خمشی تیرها هنگام طراحی برای مقاوم سازی برشی صرف نظر می­شود. همچنین مشخص شده که صفحات طولی FRP چسبانده شده به سطوح کناری تیر ، کمک چندانی به افزایش مقاومت برشی نمی­کند. در اینجا باید تاکید شود که هرچند الیاف چسبانده شده به به این وجوه تحت زوایای دیگر ، در افزایش مقاومت برشی تیر سهیم می­شوند. بیشتر زوایا برای چسباندن الیاف به وجوه جانبی ، به جز زاویه موازی با ترک­های برشی، در مهارکردن و کاهش دادن عرض ترکها موثر و مفیدند.

طرح­های مختلفی برای استفاده از مصالح FRP در مقاوم سازی برشی پیشنهاد شده است. این طرح­ها شامل چسباندن FRP به سطوح جانبی تیر، استفاده از پوشش U شکل (U-Jacket) برای سطوح جانبی و سطح زیرین تیر و نیز دورپیچ کردن کل مقطع با استفاده از الیاف و نوارهای FRP است.

به دلیل مقاومت زیاد صفحات و نوارهای FRP ، باید راستای قرار گرفتن الیاف آنها بصورتی باشد که حداکثر بهره­وری از مصالح FRP را درجهت کنترل عرض ترک خوردگی برشی داشته باشند.همچنین جهت نیروهای برشی در یک تیر ممکن است به دلیل وقوع زلزله یا سایر بارهای رفت و برگشتی معکوس و وارونه شود. بنابراین شاید لازم شود که الیاف FRP در دو جهت متفاوت که متناسب با ترکهای برشی ناشی از بارگذاری رفت و برگشتی باشد ، استفاده شود.

اگر بخواهیم احتمال موازی بودن الیاف با جهت­های ترک خوردگی را به کمترین حد برسانیم، پیشنهاد شده است که الیاف در سه راستا مثلا صفر درجه ، 60 درجه و 120 درجه نسبت به راستای طول تیر بر روی وجوه جانبی چسبانده شوند.

مزایا و معایب انواع روشهای چسباندن صفحات FRP :

*مهار مکانیکی لازم است تا لبه های آزاد نوارها و یا صفحات FRP از روی بتن جدا نشوند.

چسباندن FRP به وجوه جانبی ضعیف ترین روش مقاوم­سازی برشی است. همچنین دور پیچ کردن مقطع موثرترین روش است. استفاده از پوششU شکل هم از نظر کارایی و تاثر در حد متوسط است. در اغلب تیرها ، بعلت حضور دال، دورپیچ کردن کامل آن مشکل است.بنابراین هرجا که امکان دورپیچ کردن باشد اولویت اول با دورپیچ کردن است و استفاده از پوشش U شکل در اولویت بعدی قرار دارد.

در مواردی که هم مقاوم سازی خمشی و هم مقاوم سازی برشی مورد نیاز باشد توصیه می­شود ابتدا مقاوم سازی برشی انجام شود. در این روش ، بخشی از نیروی کششی صفحه زیرین به FRP وجوه جانبی منتقل می­شود و در نتیجه ریسک شکست چسبندگی در صفحه زیرین تیر کاهش میابد.

دورپیچ کردن کامل تیر با مهارهای الیافی

در این روش از ترکیب چسباندن به روش U شکل و مهارهای FRP خاموت­های بسته شکل ایجاد می­شود. برای این منظور لازم است که سوراخ­های کوچکی برروی دال ایجاد شود و مهارهای FRP در داخل سوراخ ها بطوریکه در دو انتها بصورت پره گسترده شوند قرار گیرد. رشته­های گسترده شده با ورق U شکل همپوشانی می­شود، در نتیجه ظرفیت برشی و شکل پذیری تیر تا حد زیادی افزایش می­یابد ، چرا که بتن در منطقه فشاری نیز محصور می­شود.

مقاوم سازی برشی به کمک FRP در نقاطی که در معرض پیدایش مفاصل پلاستیک یا تنشهای رفت و برگشتی هستند و برای بهبود رفتار پس از تسلیم اعضا واقع در قابهای خمشی شکل پذیر (تحت اثر بار زلزله) بکار می­روند ، باید تنها با استفاده از روش دورپیچ کامل انجام شود.

راهکار مطلوب برای مقاوم سازی تیرهای بتن مسلح در برش، دور پیچ کامل تیر با الیاف FRP است. در بعضی موارد، اجرای این راهکار، معمولاً به دلیل وجود موانع فیزیکی مانند یک دال بتن مسلح در بالای تیر، مشکل و یا حتی غیرممکن است. به عنوان جایگزینی برای دورپیچ کردن کامل تیر، می توان مهارهای FRP را در کناره های تیر اجرا و نصب کرد. شکل زیر سه طرح مقاوم سازی فرضی را نشان می دهد، اولین راه حل در سمت چپ که در آن جزئیات عضو کاملاً دورپیچ شده ترسیم شده است، با این فرض که هیچ دالی در بالای تیر وجود ندارد و به دنبال آن مثال هایی از استفاده از مهارهای خم شده و مستقیم نشان داده شده است. محققان چهار شکل متفاوت از الیاف CFRP و مهارهای مستقیم دورپیچ CFRP را بر روی تیرهای بتن مسلح با یک دال بتن مسلح در بالای تیر نصب کرده و مشاهده کردند که موثرترین شکل الیاف تیرهایی با مهارهایی هستند که به داخل دال نفوذ می کنند و حلقه های بسته ای را در اطراف تیر ایجاد می کنند.

مهارهای FRP در هیچ یک از آزمایش ها شکست نخورده اند. آن ها تشخیص دادند که الیاف FRP وقتی که نمی توانند به طور کامل دور یک تیر بپیچند، بر روی سازه مهار می شوند، اما در صورت اجرای صحیح مهارها اتصال الیاف FRP به سطح بتن از اهمیت زیادی برخوردار نیست و سیستم را قادر می سازد تا به ظرفیت بهینه خود برسد. چندین توصیه طراحی پیشرفته وجود دارد، اما هنوز یک روش جامع طراحی مورد نیاز است. محققان مشاهده کردند که با افزایش مقدار مصالح و الیاف FRP مقاومت برشی کامپوزیت بتن مسلح-FRP به طور خطی بهبود نمی یابد.

در تحقیقات مشاهده شد که انواع الیاف مختلف، هیچ تاثیری بر ظرفیت تیر نداشته و مهارهای خم شده با دو برابر تاثیر کمتر از مهارهای تقریباً صاف عمل می کنند. همچنین مشخص شده است که افزایش 67٪ الیاف FRP در مهارها منجر به افزایش فقط 11٪ مقاومت برشی تیر می شود، دلیل این الگوی غیر مناسب این است که مهارهای نصب شده در بالای ترک برش در تیر فقط کمی تحت تنش قرار گرفتند. در آ از مهارهای خمشی خشک GFRP در پنج تیر بتن مسلح استفاده شد، سه عدد از تیرها از قبل دارای ترک بودند و ترمیم شدند. مهارهای GFRP مانع از جدا شدن ورق های GFRP شدند، در نتیجه حالت خرابی تیر به پارگی GFRP تغییر کرد و در نتیجه استفاده از مصالح را بهینه کرد. تیرهای دارای مهار به سطوح مقاومت مشابه تیرهای کاملاً دور پیچ رسیده اند. تفاوت بین داشتن مهارهای بیشتر / کمتر و بزرگتر / کوچکتر، زاویه اجرا و به ویژه تأثیر محل ترک برشی و عرض آن بر روی مهار و رفتار تیر، از ویژگی های اساسی هستند که نیاز به تحقیقات بیشتر دارند.

در شکل زیر می توان به برخی از راهکارهای مختلف برای تقویت برشی در مقطع شامل دورپیچ کامل، دورپیچ سه طرفه با استفاده از نوار U شکل و نوارهای FRP است که به دو طرف مخالف هم متصل می شوند، از این پس به عنوان پوشش های دو طرفه معرفی می شوند.

راهکارهای دورپیچ معمول برای مقاوم سازی برشی با استفاده از کامپوزیت های FRP

الف) در سطح مقطع، ب) در امتداد محور طولی تیر.