سخنرانی علمی با موضوع :

2. سخنرانی علمی با موضوع : مقاوم سازی پایه پلهای بتنی مسلح با استفاده از کامپوزیت FRP محمد پارسائی اردیبهشت1390

3. فهرست بخش اول: مقدمه بخش دوم: مقاوم سازی و معرفی کامپوزیت FRP بخش سوم:مقاوم سازی ستونها در برابر بار محوری بخش چهارم:مقاوم سازی لرزه ای ستونها بخش پنجم:جمع بندی

4. فصل اول مقدمه

5. مقدمه • پلهای قدیمی از مصالح موجود در طبیعت مثل سنگ، چوب ساخته می شدند. • شروع قرن بیستم همراه با استفاده وسیع از پلهای فلزیو سپس پلهای بتن مسلح میباشد. • پلها از نقطه نظر مصالح: • پلهای چوبی • پلهای سنگی • پلهای فلزی • پلهای بتنی • پلهای بتنی مسلح و ...

6. مقدمه • به عقیده بسیاری از مهندسان و طراحان سازه ای، پل در دسته سازه های ساده قرار می گیرد. • این سادگی منجر به ضریب اطمینان بالایی در پیش بینی پاسخ لرزه ای پل می شود • همین سهولت منتج به افزایش حساسیت در خطاهای طراحی نیز می شود • شناخت روشنی از مشکلات بالقوه پلها بسیار ضروری است • بررسی آسیب های وارده به سازه پلها در زمین لرزه های اخیر

7. آسیب های وارده به پلها در زلزله های مهم اخیر • عموم گرایشها در قدیم به طراحی الاستیک بوده است • نیروهای جانبی کم و جابجائی های لرزه ای اندک • نتیجه مستقیم جابجائی های کوچک لرزه ای، فاصله ناکافی بین سازه های همجوار ست که منجر به ضربه زدن آنها به هم می شود. • این روش طراحی باعث می شود که سطح تنش های مجاز پائین باشد و در نتیجه مقاومت نهایی نیز کاهش یابد. بنابراین لزوم تغییر آئین نامه ها ضروری به نظر می رسید.

8. آسیب های وارده به پلها در زلزله های مهم اخیر زلزله Loma Prieta(1989)

9. آسیب های وارده به پلها در زلزله های مهم اخیر زلزله Northridge(1994)

10. آسیب های وارده به پلها در زلزله های مهم اخیر زلزله Kobe(1995)

11. فصل دوم مقاوم سازی و معرفی کامپوزیت FRP

12. مقاوم سازی چیست • امروزه نگهداري از سازه ‌ها بدليل هزينه ساخت و تعمير بسيار حايز اهميت مي‌باشد • اشتباهات طراحي و محاسبه، عدم اجراي مناسب، تغيير كاربري سازه‌ ها، آسيب‌ديدگي ناشي از وارد شدن بارهاي تصادفي، خوردگي بتن و فولاد و شرايط محيطي از دوام آنها مي‌كاهد. ضمناً تغيير آئين‌نامه ‌هاي ساختماني (باعث تغيير در بارگذاري و ضرايب اطمينان مي‌شود) نيز سبب ارزيابي و بازنگري مجدد طرح و سازه ها مي‌گردد تا در صورت لزوم بهسازي و تقويت شوند. • مقاوم سازی در علم مهندسی عمران به معنای بالا بردن مقاومت یک سازه در برابر نیروهای وارده می باشد. • منظور از اصطلاح "مقاوم سازی" به طور قطع بالابردن مقاومت در برابر نیروی زلزله نیست، بلکه منظور بهبود عملکرد اجزای سازه در برابر نیروی زلزله است. به همین دلیل واژه "بهسازی" و در حالت خاص برای نیروی زلزله، "بهسازی لرزه ای" اصطلاح درست تری می باشد.

13. مقاوم سازی چیست روش های مقاوم سازی دو دسته اند: روشهای کلی مانند: اضافه کردن دیوار برشی، میانقاب و سیستم های مهار بندی

14. مقاوم سازی چیست روشهای موضعی مانند: جکت بتنی، جکت فولادی و استفاده از مواد کامپوزیت

15. روشهای معمول تقویت ستونها • خرابی اکثر پلهای طراحی شده با آیین نامه های مدون قبل از دهه 1970 • نرسیدن میلگردهای طولی به حالت تسلیم، کمبود فولادهای عرضی محصورکننده، افزایش بار وارده به پلها با گذشت زمان • تغییر آیین نامه های طراحی به دلایل فوق فاصله زیاد خاموتها

16. غلاف فولادی غلاف بتن مسلح روشهای معمول تقویت ستونها تا پیش از دهه 1990، دو روش مرسوم مرمت موضعی برای مقاوم سازی ستونهای بتن مسلح بی کفایت وجود داشت. یکی اجرای یک غلاف بتن مسلح اضافی به دور ستون موجود و دیگری استفاده از غلاف فولادی با تزریق دوغاب که به نام روشهای کلاسیک شناخته شدند.

17. روشهای معمول تقویت ستونها • استفاده از جكتهاي بتني بدليل مشكلات اجرايي، بالا بودن مدت اجرا، نگهداري، افزايش بعد ستون و عدم هماهنگي با معماري سازه روش مناسبي نمي باشد. • جکتهای فولادی نیز دارای مشکلات خاص خود می باشند؛ به دليل بالا بودن مدول الاستيسيته فولاد بخش بزرگي از بارهاي محوري توسط جكت فولادي تحمل شده كه منجر به كمانش زود هنگام فولاد مي شود. از سوي ديگر ضريب پواسون فولاد بيشتر از بتن بوده و اين اختلاف انبساط باعث جدا شدگي دو ماده از يكديگر و تاخير در فعال شدن محصور شدگي مي شود. مشكلات ناشي از خوردگي، نصب و اجراي ورقهاي فولادي نيز از ديگر معايب جكتهاي فولادي مي باشد.

18. معرفی کامپوزیت FRP • استفاده از کامپوزیت ها به عنوان روشی نوین در تقویت ستونهاست که FRP نیز به عنوان یکی از این کامپوزیتها سهم عمده ای در این پروسه دارد. • FRP اساساً براي مقاوم سازی سازه‌هاي بتني مورد استفاده قرار مي‌گيرد • استفاده از ورق های FRPاولین بار در سال 1984 در سوئیس • استفاده از کامپوزیت به طور تجاری برای تعمیر و بهسازی سازه ها در جهان توسط ژاپنی ها

19. معرفی کامپوزیت FRP • بزرگترین مزیت ورق های FRP داشتن نسبت مقاومت به وزن بالای آنهاست. • مقاومتی حدود 2 تا 10 برابر ورق های فولادی با وزنی معادل 20% ورقهای فولادی • استفاده کمتر در مهندسی عمران به دلیل هزینه بالای آن تا چند سال گذشته

20. معرفی کامپوزیت FRP کامپوزیت های FRP از ترکیب فیبر و رزین بوجود می آیند. • بسته به نوع فیبر مود استفاده قرار گرفته، کامپوزیت های FRP به سه دسته تقسیم می شوند: • پلیمر مسلح فیبر شیشه ای (GFRP) • پلیمر مسلح فیبر کربنی (CFRP) • پلیمر مسلح فیبر آرامید (AFRP) به دو صورت نواری و رشته ای مورد استفاده قرار می گیرند.

21. ویژگی های مکانیکی کامپوزیتFRP • این الیاف دارای مقاومت کششی بسیار بالائی بوده و رفتار تنش - کرنش این الیاف بصورت خطی می باشد. • شکل پذیری فولاد بیش از مواد کامپوزیت می باشد. • الیاف تا لحظه گسیختگی رفتار خطی دارد. • شکل پذیری اعضای بتن مسلح را که با استفاده ازFRP ها مقاوم شده اند، محدود می شود. • به علت ترکیب رزین در آنها این مصالح می توانند بطور قابل توجهی مقاومت و شکل پذیری ستونها را افزایش دهند.

22. مقایسه عملکرد انواع کامپوزیت هایFRPدر مقاوم سازی سازه ها نتیجه : CFRP > GFRP > AFRP

23. شیب مثبت و خطی پلاستیک رفتارتنش - كرنشبتنمحصورشدهبوسيلهاليافپليمري منحني تنش - كرنش بتن محصور شده اساساً شامل دو بخش است منطبق بودن بخش خطی بتن محصور شده و بتن نامحصور

24. فصل سوم مقاوم سازی ستونها در برابر بار محوری

25. روش های مقاوم سازی با کامپوزیتFRP 1. دورپیچی (Wrapping) 2. پوشش دادن با استفاده از الیاف (filament winding) FRP 3. پوشش دادن با استفاده از صفحات آمادهFRP(prefabricated shell jacketing)

26. رفتار واقعی ستونهای بتنی پوشیده شده باFRP همچنان که FRP مقاومت کششی مقطع را در امتداد حلقه افزایش می دهد، شکست نیز زمانی فرا می رسد که مقاومت کششی حلقه به حد نهائی خود برسد در ستون دایره ای حداکثر فشار پوشش توسط FRP ایجاد می شود که به مقدار و مقاومت FRP و همچنین به قطر بتن پوشش داده شده بستگی دارد فشار افقی ناشی از پوشش چگالی حجمی FRP

27. مقاومت فشاری بتن پوشیده شده با FRP جهت طراحی مقاوم سازی ستون ها بایستی بتوانیم مقاومت ترکیب بتن با FRP را محاسبه کنیم. معادله روبرو اولین بار در ارتباط با بتن های پوشش داده شده در سال 1928 ارائه شد : چندین مدل مقاومتی در سالهای اخیر و با استفاده از همین رابطه ارائه شد که در آنها اصلاحاتی بر روی ضریب k1 انجام گرفته بود : مدل نهایی ارائه شده توسطGiao

28. مروری بر مدل های تنش - کرنش اولین مدل تنش - کرنش برای بتن جکت شده با FRP در سال 1982 و توسط Fardis و Khalili ارائه شد : رابطه پیشنهادیSeible و همکارانش در سال 1997 برای کرنش محوری نهایی بتن با جکت FRP: دانشمندان روابط تنش – کرنش بیشتری ارائه دادند.

29. مدل تنش – کرنش Lam و Teng مدل Lam و Teng بعنوان یک مدل ساده ولی صحیح و کاربردی انتخاب می شود. • فرضیات مدل : قسمت اول منحنی تنش - کرنش سهمی شکل است (اول منحنی بصورت خطی شروع می شود). قسمت دوم منحنی تنش - کرنش بصورت خطی می باشد. نحوه اتصال دو منحنی به هم بصورت نرم و تدریجی است (یعنی هیچ تغییری در فرم دو قسمت منحنی هنگام اتصال به هم وجود ندارد). امتداد قسمت دوم منحنی، محور قائم (تنش) را در مقاومت فشاری بتن غیر پوششی قطع می کند. انتهای قسمت دوم منحنی نقطه ای است که در آن مقاومت فشاری نهایی و کرنش محوری نهایی همزمان اتفاق می افتند.

30. مدل تنش – کرنش Lam و Teng 2 3 5 4 1

31. فصل چهارم مقاوم سازی لرزه ای ستونها

32. مبنای مقاوم سازی با FRP • ستونهای بتنی مسلح، اعضای کلیدی مقاوم در در برابر بارهای افقی و قائم در سازه های بتنی به شمار می آیند لذا مقاوم کردن آنها در برابر نیروهای زلزله می تواند نقش مهمی را در مقاوم سازی کل سازه ایفا نماید • روشهای مقاوم سازی با FRP طبق نظریه Matsuda • الف) مقاوم سازی جهت افزایش مقاومت؛ • ب) مقاوم سازی برای افزایش شکل پذیری؛

33. مبنای مقاوم سازی با FRP در روش اول از جکت FRP بصورت طولی استفاده می شود تا مقاومت خمشی ستون افزایش یابد ولی در روش دوم بصورت قید استفاده می شوند تا شکل پذیری ستون افزایش یابد یعنی در جهت عرضی دور ستون پیچیده می شوند. هر دو روش می توانند قابلیت جذب انرژی را در عضو مقاوم شده بالا ببرند

34. مودهای شکست ستونهای بتنی تحت اثر بارهای لرزه ای سه مود شکست ارائه شده توسط Seible برای ستونهای بتنی ناشی از بارهای لرزه ای: شکست برشی شکست موضعی یا پوششی در ناحیه مفصل پلاستیک خمشی شکست موضعی (وصله پوششی) در امتداد میلگردهای طولی

35. شکست برشی نامطلوبترین مود شکست، مود شکست برشی می باشد. در این نوع مود شکست ابتدا ترک های قطری در ستون ایجاد می شوند و پس از آن شکست یا از هم بازشدگی در میلگردهای عرضی بوجود می آید، سپس کمانش در میلگردهای طولی رخ می دهد که نتیجه این روند یک شکست ترد و لحظه ای است ناکافی بودن میلگردهای تقویتی عرضی

36. شکست ناشی از ایجاد مفصل پلاستیک خمشی این نوع مود شکست دراثر زلزله بسیار معمول می باشد و دلیل آن، ایجاد یک مفصل پلاستیک در انتهای ستون می باشد که محدود به یک ناحیه کوچک می شود. این مود شکست با کنده شدن پوشش بتنی شروع می شود، سپس شکست خاموتها و کمانش میلگردهای طولی را خواهیم داشت. این نوع شکست عموماً ناشی از تغییر شکلهای پلاستیک خیلی بزرگ می باشد، بنابراین بسیار شکل پذیر بوده و نسبت به مود شکست برشی مطلوب می باشد.

37. شکست موضعی یا وصله پوششی این نوع مود شکست بیشتر در ستونهایی اتفاق می افتد که در آنها میلگردهای طولی در نواحی لنگر ماکزیمم و دو انتهای ستون متمرکز می شوند. این نوع میلگردگذاری باعث می شود تا مفصل های پلاستیک در نقاط با لنگر ماکزیمم اتفاق افتد. در اثر بارهای لرزه ای نقاط موضعی ممکن است کنده شود که این امر منجر به کاهش یکپارچگی و توانایی سازه برای تحمل تغییر شکل های غیر ارتجاعی بزرگ شده و درنتیجه ظرفیت جذب انرژی سازه را کاهش می دهد. تقویت لرزه ای این ستونها، کامپوزیت های FRP می تواند جهت ایجاد نیروی گیرداری برای آرماتورهای طولی همپوشانی شده استفاده شود که این امر موجب افزایش شکل پذیری و ظرفیت جذب انرژی ستونها می شود.

38. شکست برشی خمشی ستونها به جز سه مود شکست بحث شده، یک مود شکست دیگری نیز ناشی از قطع میلگردهای طولی در نقاط انتهایی ستون و خارج از ناحیه مفصل پلاستیک اتفاق می افتد. بنابراین این مود شکست با قطع میلگردهای طولی در فاصله زیادی از انتهای ستون و در مقطع cutt off میلگردها اتفاق می افتد.

39. روش های مقاوم سازی جکت FRP با الیاف افقی تحت اثر نیروهای برشی، تنش های کششی FRP به مقاومت برشی عضو کمک می کنند. تحت خمش، پوشش FRP مقاومت و کرنش نهایی بتن را افزایش می دهد. افزایش کرنش نهایی بتن در مقاوم سازی لرزه ای بسیار مهم می باشد، چرا که باعث افزایش شکل پذیری عضو در ناحیه غیر الاستیک می شود. جهت مقاوم سازی برشی لازم است تا ستون در کل ارتفاع پوشانده شود. ولی برای مقاوم سازی در برابر مفصل پلاستیک و شکست موضعی، پوشش FRP بصورت موضعی در نواحی مورد نیاز کافی می باشد.

40. روش های مقاوم سازی پوشش افقی FRP باعث افزایش ظرفیت خمشی عضو می شود و اگر مقطع دارای بار محوری نیز باشد، استفاده از پوشش عرضی و طولی می تواند بسیار مؤثر باشد. پوشش طولی FRP، موقعی که میلگردهای طولی قطع شده اند، توصیه شده است

41. شکل پذیری خمشی ستونهای مقاوم شده هدف از مقاوم سازی ستونهای بتنی، افزایش شکل پذیری است تا انرژی لرزه ای قبل از مشاهده یکی از مودهای شکست، مستهلک شود. فاکتور شکل پذیری بر اساس تغییر مکان که میزان شکل پذیری سازه و یا عضو را بیان می کند از رابطه زیر بدست می آید: فاکتور شکل پذیری فاکتور شکل پذیری چرخشی جابجایی و منحنی پلاستیک

42. شکل پذیری خمشی ستونهای مقاوم شده ناحیه مفصل پلاستیک تغییر شکل پلاستیک ستونهای بتنی مسلح تحت اثر بارهای لرزه ای (الف) ستون؛ (ب) لنگر؛ (ج) ضریب منحنی؛ (د) تغییر شکل

43. شکل پذیری ستونهای بتنی مقاوم شده برای ستونهای بتنی با خاموت کم برای ستون تقویت شده با استفاده از پوشش FRP

44. توصیه طراحی از آنجایی که مود شکست مطلوب، مد شکست خمشی است؛ باید طراحی جهت تقویت طوری صورت گیرد که شکست برشی را به سمت شکست خمشی هدایت کند، به عبارتی طول مفصل پلاستیک را افزایش دهد. شکست برشی بعد از بارگذاری تقویت ستون با FRP شکست خمشی با همان بارگذاری

45. فصل پنجم نتیجه گیری و هدف

46. جمع بندی در ارزیابی آسیب پذیری، پلها با مصالح قدیمی ناشناخته، الوار، آجر و مصالح بنایی بدون توجه به مشخصه های دیگر پل باید در رده آسیب پذیر قرار گیرند. وزن کمتر، مقاومت بیشترو راحتی کار در ستونهای بتنی پلها از مزایای کامپوزیت FRP نسبت به جکت فولادی است. آسیب پذیری پایه های پلهای بتنی در اکثر موارد به علت عدم شکل پذیری، مقاومت خمشی ناکافی و شکست های برشی می یاشد. شکست های برشی نسبت به گسیختگی های خمشی خطرناکترند و به طور ناگهانی در جابجایی های غیر لاستیک کمتری رخ می دهند. دورگیری ناحیه مفصل پلاستیک با خاموت برای تأمین شکل پذیری پایه از اهمیت خاصی برخوردار است. در طراحی مقاومتی باید مود شکست خمشی را به سمت مود شکست خمشی هدایت کرد.