شکل (۵-۱۳). مد گسیختگی تیر دورپیچ شده با یک لایهی ۵ سانتیمتری در انتهای ورق و نزدیک تکیهگاه ……
۶۷
فصل اول
کلیات
مقدمه
در سالهای اخیر پیشرفتهای زیادی در زمینه مهندسی زلزله و طراحی سازهها انجام گرفته است بگونهای که امروز با اعتماد و اطمینان بیشتری میتوان سازههای مقاوم در برابر زلزله را طراحی نمود. بسیاری از سازههای بتنی به دلایل ۱- خطاهای محاسباتی ۲- اشتباه در ساخت و اجرا ۳- ضعف آیین نامه های قدیمی ۴- تغییر کاربری سازه و بارهای بهره برداری وارده به سازه ۵- خوردگی و زنگ زدگی آرماتورها و . . . ضوابط آیین نامه های جدید را ارضا نمیکند، به همین جهت تقویت سازهها با پلیمرهای مسلح شده با الیاف [۳](FRP) به شکل صفحه یا ورق، مزایای اقتصادی قابل توجهی در صنعت ساختمان ایجاد می کنند. پیشرفتهای اخیر در FRP اشاره می کند که در آینده این مواد نقش بزرگی در کاربردهای ساختمانی و ترمیم سازهها خواهند داشت.
در دهه گذشته FRP کاربردهای زیادی در مهندسی عمران پیدا کرده است. رشد تقاضا برای استفاده از FRP در تقویت تیرها، ستونها، دیوارها، دالها و لولههای بتنی نیاز زیادی برای درک رفتار کوتاه مدت و دراز مدت سیستم کامپوزیت تحت وضعیت بارگذاری و شرایط محیطی مختلف ایجاد کرده است. مواد مرکب ممکن است شرایط بهره برداری مختلفی را تحمل کنند که احتمال دارد برخی شرایط تهاجمی واقعی را شامل شوند. برای مثال، آب و هوای گرم و مرطوب، دمای بالای طولانی مدت، تغییرات ناگهانی درجه حرارت محیط و خوردگی شیمیایی می تواند دوام FRP را تحت تأثیر قرار دهد. چسبندگی و پیوستگی مواد مرکب ممکن است دستخوش فرسایش محیطی شده و بر پیوند سطح مشترک بتن و این مواد تأثیر بگذارند. این ممکن است، عملکرد و دوام سیستم کامپوزیت را دگرگون سازد. دلیل دیگری برای اینچنین عدم اتصال بین کامپوزیت و بتن، متناسب نبودن دمای بین الیاف و ماتریس است که می تواند تنشهای فشاری در الیاف ایجاد کند. دلیل دیگر توانایی مواد مرکب در جذب رطوبت میباشد که ممکن است بر یکپارچگی بین الیاف و ماتریس تأثیر بگذارد.
هم اکنون استفاده از FRP در تقویت سازهها به طور چشمگیری افزایش یافته این در حالیست که در مورد دوام FRP اطلاعات کافی در دسترس نمی باشد که یکی از این موارد واکنش قلیایی سنگدانهها است. در این تحقیق از پلیمر مسلح شده با الیاف شیشه [۴](GFRP) از نوع E-glass[5] که از نظر الکتریکی عایق خوبی بوده و دارای مقاومت مکانیکی نسبتاً بالایی میباشد و در مقایسه با سایر الیاف، قیمت ارزان و مناسبی دارد، استفاده شده است.
خرابی سازههای بتنی در نتیجه واکنش بین مایعات قلیایی درون حفرهها (که عمدتاٌ منشأ آنها از سیمان پرتلند است) و کانیهای واکنشزا که در بعضی از سنگدانههاست می تواند اتفاق بیافتد. این مکانیزم خرابی به نام واکنش قلیایی سنگدانه، شناخته شده و به شکلهای مختلف روی میدهد که از همه معمولتر واکنش قلیایی- سیلیکاتی است. این واکنش اولین بار در سال ۱۹۴۰(۱۳۱۹شمسی) در ایالات متحده گزارش شده است[۱]. هر چند که خرابی در اثر این واکنش در کشور ما به ندرت گزارش گردیده است ولی احتمالاٌ تعداد زیادی از سازههای بتنی کشور ما از جمله سد شهریار واقع در استان آذربایجان شرقی که سنگدانهها از آنجا تهیه شده است نیز تحت تأثیر این واکنش قرار دارند. این در حالیست که در صورت استفاده از با سیمان با قلیایی زیاد احتمال بروز این واکنش بیشتر میباشد. از اینرو توجه به این واکنش با اهمیت خواهد بود.
واکنش قلیایی- سیلیسی عمومیترین نوع واکنش قلیایی سنگدانهها در جهان است و هنگامی بروز می کند که واکنش بین محلول قلیایی درون حفرهها و کانیهای سیلیسی در بعضی از سنگدانهها رخ دهد و تشکیل ژل قلیایی سیلیکات کلسیم بدهد. ژل یاد شده آب را جذب نموده و افزایش حجم پیدا می کند که در نتیجه ترک خوردن بتن را به همراه دارد. از واکنش های دیگر قلیایی سنگدانهها، واکنش قلیایی-کربناتی است. این واکنش وقتی رخ میدهد که قلیاییهای سیمان با سنگدانههای آهکی دولومیتی واکنش نشان دهند. واکنش قلیایی سنگدانههای فعال بعد از عملآوری بتن صورت میگیرد و سبب انبساط درونی و تخریب بتن میگردد، لذا مقاومت پیوستگی FRP و بتن نسبت به زمان و تحت شرایط محیطی ناملایم نیازمند بررسی و درک عوامل مؤثر بر FRP هنگامی که در معرض شرایط محیطی مختلف قرار میگیرد، میباشد.
ضرورت انجام تحقیق
در طی سالهای اخیر، موضوع تقویت و مقاومسازی سازهها بطور گستردهای در جوامع علمی و مهندسی مطرح گردیده است.در این ارتباط، بسته به نوع سازه و هدف از مقاوم سازی، روشهای متنوعی از سوی محققین پیشنهاد شده است. از سوی دیگر واکنش قلیایی سنگدانههای فعال که بعد از عملآوری بتن صورت میگیرد و سبب انبساط درونی و تخریب بتن میگردد، می تواند سبب ایجاد خرابی و خسارت زیادی در سازههای بتنی گردد. یکی از روش هایی که به طور گسترده در مورد ترمیم و تقویت اعضای بتنی مورد استفاده قرار گرفته و در حال افزایش است، کاربرد ورقهای FRP میباشد. لذا درک رفتار کوتاه مدت و دراز مدت سیستم کامپوزیت تحت وضعیت بارگذاری و شرایط محیطی مختلف و شناخت و تشخیص انجام واکنش قلیایی در اعضای سازهای بتن مسلح کاملاً ضروری میباشد.
اهداف تحقیق
از اهداف این تحقیق میتوان موارد زیر را برشمرد:
بررسی دوام تیرهای بتن مسلح تقویت شده با پلیمرهای تقویت شده با الیاف شیشه (GFRP) تحت واکنش قلیایی سنگدانهها.
بعد از انجام واکنش قلیایی در تیرها و تقویت آنها با GFRP، این تیرها از نظر تحمل بار خمشی با تیرهایی که در آنها واکنش قلیایی صورت نگرفته مقایسه میشوند.
بررسی دوام تیرهای بتن مسلح تقویت شده با ورق GFRP در محلول قلیایی.
تأثیر محلول هیدروکسید سدیم یک نرمال در انجام واکنش قلیایی و نقش GFRP در بهبود مقاومت خمشی تیرها بررسی می شود.
بررسی تأثیر ورق GFRP بر افزایش مقاومت خمشی تیرهای بتن مسلح تقویت شده با این ورقها.
تاثیر ورقGFRP در بهبود مقاومت خمشی تیرهای بتن مسلح تقویت شده با این ورقها در مقایسه با تیرهای بدون تقویت بیان می شود.
روش تحقیق
با توجه به اهداف ذکر شده از روش تحقیق تجربی استفاده شده است. لذا پس از پس از جمعآوری مطالب درباره تقویت تیرهای بتن مسلح با FRP و دوام مواد کامپوزیتی در محیطهای مختلف و همچنین تأثیر افزودنی قلیا بر بتن و تشریح واکنش قلیایی سنگدانهها، مصالح و مواد بکار رفته در این تحقیق تشریح میشوند که این موارد در فصل دوم و سوم ارائه شده اند. سپس دو سری تیر بتن مسلح یکی حاوی ماسه فعال و دیگری با ماسه غیر فعال طراحی و ساخته شد. براین اساس ۱۶ تیر بتن مسلح ۴۰۰×۸۰×۸۰ میلیمتر قالببندی و بتنریزی گردید و پس از ۲۸ روز عمل آوری به هشت گروه تقسیم بندی شدند و در دو شرایط محیطی قرار گرفتند. این تیرها به مدت هشت ماه در این محیطها نگهداری و سپس تحت آزمایش خمش تک نقطهای تست شدند.
در فصل چهارم جزئیات ساخت و طراحی نمونهها و روند انجام آزمایش بطور کامل ارائه شده است. پس از انجام آزمایش بار گسیختگی تیرها و جابجایی متناظر با آنها بدست آمد که نتایج با هم مقایسه شدند و تحت بررسی بیشتر قرار گرفتند. همچنین برای اندازه گیری انبساط نمونهها ۶ تیر غیر مسلح نیز در نظر گرفته شد که در فصل پنجم نتایج آزمایش نمونهها و بحث و بررسی بر روی نتایج صورت گرفته و در پایان نتایج حاصل از این تحقیق بیان شده است.
فصل دوم
مروری بر تحقیقات انجام شده
مقدمه
به دنبال فرسوده شدن سازهها و نیاز به تقویت آنها برای برآورده کردن شرایط سخت گیرانه طراحی، طی دو دهه اخیر تاکید فراوانی بر روی تعمیر و مقاومسازی سازهها در سراسر جهان صورت گرفته است. از طرفی، بهسازی لرزه ای سازه ها بخصوص در مناطق زلزله خیز اهمیت فراوانی یافته است. در این میان تکنیک استفاده از مواد مرکب FRP به عنوان مسلح کننده خارجی به دلیل اجرای سریع در مقاومسازی و احیای سازهها جذابیت ویژهای یافتهاند. تکنولوژی استفاده از مصالح FRP روی اعضای سازهای نخستین بار در ((پژوهشگاه و آزمایشگاه مرکزی سوئیس)) معرفی شد [۲]. البته قبل از آن، از سال ۱۹۸۴، آزمایشهایی در زمینه تقویت تیرهای بتن مسلح با صفحات پلیمری کربن[۶] (CFRP)، انجام شده بود. مزیت اصلی مصالح FRP نسبت بالای مقاومت به وزن و مقاومت زیاد در مقابل خوردگی است.
مقاومت بالا با وجود وزن کم، سبب می شود که جابجایی و حمل و نقل آنها راحتتر باشد و هزینه استفاده از آنها و نیروی کار کاهش یابد و مقاوم بودن آنها در برابر خوردگی سبب دوام و پایداری عملکرد آنها می شود. مقاومت صفحات FRP حداقل ۲ تا ۱۰ برابر صفحات فولادی است در حالیکه وزن آنها تقریباٌ ۲۰ درصد وزن فولاد است [۳]. استفاده از صفحهی پلیمر مسلح شده با الیاف شیشه (GFRP) به دلیل مقاومت بالای آن نسبت به وزنشان و پایداری در محیطهای خورنده رو به افزایش است. الیاف شیشه بر اساس خواص و ترکیب شیمیایی آنها تقسیم بندی میشوند یک نمونه از این الیاف نوع E-Glass[7] است که به دلیل مقاومت کششی و الکتریکی بالا بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد اما، عمده دلیل استفاده از GFRP در مهندسی عمران ارزانی آن میباشد.
دوامFRP شامل مقاومت در برابر ترکخوردگی، اکسیدهشدن، تجزیهی شیمیایی، ناپیوستگی، آب، خستگی، و عوامل ناشی از اشیاء خارجی برای یک دوره مخصوص از زمان تحت شرایط بارگذاری مقتضی و تحت در معرض قرار گرفتن شرایط بهره برداری میباشد. در تیرهای مسلح تقویت شده باFRP ، علاوه بر خود المان تیر، نواحی اصلی تأمین دوام، خود کامپوزیت FRP و سطح مشترک بتن به کامپوزیت میباشد. دوام سیستم رزین به چند عامل بستگی دارد که شامل اجزا و خواص رزین همچنین زمان وشرایط عملآوری میباشد. کامپوزیتهای FRP از عوامل گوناگونی تأثیر میپذیرند، که بستگی به محیط بهره برداری دارد. عملکرد دراز مدت پیوند بین بتن و کامپوزیت FRP، به چسب و بتن بستگی دارد[۴].
آب منفذی بتن دارای خاصیت قلیایی بالا باpH بالاتر از ۱۳ عاملی مورد توجه در دوام کامپوزیت FRP است. تنها الیاف کربن در محیطهای قلیایی مقاوم هستند در صورتیکه الیاف شیشه در این محیطها مقاوم نیستند. ماتریس رزین الیاف را محافظت می کند و معمولاٌ تجزیه را به تأخیر می اندازد و عملکرد کلی کامپوزیت FRP به نوع و کیفیت ماتریس و الیاف تقویتکننده بستگی دارد. ترکیب یونهای قلیایی و pH بالا ممکن است منجر به تجزیه رزین یا پیوند بین رزین و لایهی بتن شود. همچنین واکنش قلیایی سنگدانههای فعال بعد از عملآوری بتن صورت میگیرد و سبب انبساط درونی و تخریب بتن میگردد، لذا مقاومت پیوستگی FRP و بتن نسبت به زمان و تحت شرایط محیطی ناملایم نیازمند بررسی و درک عوامل مؤثر بر FRP هنگامی که در معرض شرایط محیطی مختلف قرار میگیرد، میباشد[۵].
خصوصیات مواد مرکب
کلمهی مرکب در علم مهندسی مواد به معنی ترکیب دو یا چند ماده در مقیاس ماکروسکپی میباشد. بعضی از مواد در مقیاس میکروسکپی نیز با هم ترکیب میشوند مانند آلیاژها؛ اما نتیجه این ترکیب در مقیاس ماکروسکپی، معمولاً یک ماده همگن میباشد. خصوصیاتی که در مواد مرکب میتوانند مورد بررسی قرار گیرند، عبارتند از: مقاومت مکانیکی، وزن، تأثیرات درجه حرارت، مقاومت در برابر سایش و خوردگی، خستگی، اقتصاد و . . . در ادامه به شرح مختصری از خصوصیات این الیاف پرداخته می شود.
الیاف تشکیل دهنده
