نشریه شماره   228   هفته نامه آرشیو PDF پیام ساختمان

بررسی عملکرد کامپوزیت FRP بر روی دیوارهای برشی

کد مطلب: 3524
چنگیز سیاوشی، اسماعیل توکلی‌گلپایگانی، محمدهادی علیزاده‌الیزئی
 تکنیک مقاوم‌سازی مقاطع مسلح بتنی با استفاده از کامپوزیت FRP به‌طور گسترده‌ای به‌جای پوشش به‌وسیله فولاد مورد کاربرد قرار گرفته و در مقایسه با استفاده از تنگ‌ها و مارپیچ‌های فولادی تکنیک محصورسازی با استفاده از کامپوزیت FRP قابلیت این را دارد که محصورشدگی را به‌صورت پیوسته برای تمام مقطع عرضی در دیوار برشی تأمین نماید. در این مقاله سعی در بررسی و تحلیل نمونه آزمایشگاهی دیوار برشی که قبلاً در حالت پوشش FRP در دو طرف و بدون پوشش FRP مدل شده است و همچنین بررسی و مدل‌سازی دیوار نمونه با پوشش FRP فقط در یک طرف دیوار و بررسی و تحلیل آن در این حالت است علی‌رغم افزایش حدود 65 درصدی مقاومت دیوار برشی با پوشش الیاف FRP به‌صورت دوطرفه در نمونه تقویت‌شده به‌صورت یک‌طرفه به علت بالا رفتن تنش‌ها در سمت آزاد عملاً تأثیری در مقاومت نهایی دیوار ایجاد نمی‌گردد. لذا ضمن کنترل صحت نتایج آن در حالت استفاده از پوشش الیاف FRP به‌صورت دوطرفه بر روی دیوار برشی و سپس مدل‌سازی آن با همان مشخصات مدل مبنا و حذف پوشش الیاف FRP در یک طرف این دیوار و سپس افزایش دولایه الیاف FRP در یک سمت و به دست آمدن نتایجی از نظر تغییر مکان برابر با نتیجه در حالت دوطرفه ابتدا مشخص می‌شود که با افزایش سه برابری می‌توان به تغییر مکان مشابه دست پیدا کرد اما با بررسی تنش‌ها و مقایسه آنها به این نتیجه می‌رسیم که با توجه به توزیع نامتقارن تنش در دو طرف دیوار. در طرفی از دیوار که الیاف FRP ندارد با توجه به این بررسی که انجام‌شده نشان می‌دهد که قبل از رسیدن به جابجایی به دست آمده در دیوار تخریب رخ‌داده و عملاً اظهارنظر در مورد تغییر مکان ان ممکن نباشد
بعد از جنگ جهانی دوم ابتدا از FRP به‌صورت یك جسم شیشه‌ای جامد برای ساختن چوب ماهیگیری و گلف، یا یك پرچم و چوب اسكی استفاده می‌شد به‌تدریج از FRP در ساخت تجهیزات الكتریكی به دلیل مقاومت کششی و فشاری بالا و قابلیت نارسایی الكتریكی بالا مورداستفاده قرار گرفت و امروزه کاربردهای مختلف آن در تولیدات خانگی چون نردبان، کانال‌های تهویه و ریل‌ها به‌وضوح قابل‌ملاحظه است. به‌طورکلی می‌توان گفت FRP کاربردهای وسیعی در زمینه‌های مختلف چون خودروسازی، الكترونیك، پزشكی، هوافضا، ساختمان‌سازی و... دارد.
دیوارهای برشی، اعضای اصلی برای مقابله با نیروهای جانبی در ساختمان‌های بتن‌آرمه هستند. آنها باید علاوه بر تأمین مقاومت مناسب، شکل‌پذیری كافی را برای اجتناب از شكست ترد تحت بارهای جانبی قوی به‌ویژه در طی زلزله فراهم آورند. در تحقیقات قبلی مشخص گردیده که تقویت این دیوارها با الیاف کامپوزیت FRP در دو طرف دیوار بسیار کارا و مقرون‌به‌صرفه است ولی در قسمت‌هایی که امکان دسترسی به دو طرف دیوار نیست آیا تقویت دیوار برشی به‌صورت یک‌طرفه همان نتایج را به ما می‌دهد؟.
جهت بررسی و کنترل نتایج حاصل از تقویت دیوارهای برشی با الیاف کامپوزیت FRP به‌صورت یک‌طرفه و مقایسه آن با تقویت دیوار برشی تقویت‌شده به‌صورت دوطرفه از مدل‌سازی نرم‌افزاری به‌صورت زیر عمل خواهد شد:
الف -   مدل‌سازی دیوار برشی تقویت‌شده با الیاف کامپوزیت FRP به‌صورت دوطرفه و مقایسه نتایج حاصله با نمونه اصلی جهت صحت سنجی
ب -   مدل‌سازی دیوار برشی تقویت‌شده با الیاف کامپوزیت FRP به‌صورت یک‌طرفه و مقایسه نتایج حاصله با مدل دیوار برشی تقویت‌شده با الیاف کامپوزیت FRP به‌صورت دوطرفه
مدل‌سازی
قطعاً با استفاده از نتایج آزمایشگاهی می‌توان رفتار واقعی دیوار برشی را مورد ارزیابی قرار داد چراکه تأثیر کلیه قسمت‌های مدل در آزمایش در نظر گرفته می‌شود اما با توجه به ویژگی‌های خاص ازجمله هزینه زیاد کمبود امکانات آزمایشگاهی. محدودیت زمانی و غیره در این تحقیق از روش مدل‌سازی عناصر محدود استفاده می‌شود روش اجزای محدود یک روش عددی هست که می‌توان آن را برای حل مسائل متعدد و متنوع مهندسی در حالات مختلف پایدار گذرا خطی و غیره بکار برد این روش که ریشه‌های آن به سال‌های اولیه قرن 19 میلادی برمی‌گردد عملاً در دهه 90 میلادی به‌صورت کلاسیک تدوین و وارد مباحث مهندسی به‌خصوص مهندسی مکانیک و سازه شد. در این رابطه نرم‌افزارهای تجاری اجزاء محدود با هدف پاسخ به نیازمندی‌های علمی‌و صنعتی و طراحی و به بازار عرضه شد در میان نرم‌افزارهای عمومی‌اجزاء محدود نرم‌افزارهای معتبری چون ANSIS,NASTRAN,NISA,PLAXIS,ABAQUS و غیره به چشم می‌خورد که دارای قابلیت‌های بالایی هستند.                                                                                                                       
در میان نرم‌افزارهای متداول اجزای محدود نرم‌افزار آباکوس دارای قابلیت بالایی در مدل‌سازی پدیده‌های مختلف است. دلیل استفاده این نرم‌افزار قدرت تحلیل بالای آن در پدیده حاکم بر مطالعه حاضر است
در تحقیق حاضر جهت ایجاد مدل سه‌بعدی بتن دیوار برشی از المان سه‌بعدی SOLID C3 D8R استفاده‌شده است. المان مذکور دارای هشت گره است که هر گره دارای 3 درجه آزادی انتقال است. برای مدل‌سازی آرماتور در نرم‌افزار ABAQUS روش‌های مختلفی وجود دارد. در این تحقیق از المان سه‌بعدی با مش بندی مجزا استفاده شده است. همچنین برای رفتار ورقهای کامپوزیتی FRP به‌صورت یک ماده ارتو تروپیک صفحه‌ای در نظر گرفته شده است و ورق با المان SHELL M3 D4R که دارای رفتار غشایی است مدل‌سازی شده است.
در مرحله اول تحلیل که نتایج آن با مقاله مبنا مقایسه شده است از تحلیل غیرخطی استاتیکی با افزون استفاده شده است. در ادامه جهت مقایسه نمونه‌های بررسی‌شده از روش تحلیل غیرخطی دینامیکی EXPLICIT استفاده شده است.
صحت سنجی
به‌منظور استفاده از نتایج یک مدل ابتدا باید نتایج آنالیز عددی با نتایج آزمایشگاهی یا سایر روش‌های تحلیلی مقایسه می‌شود تا دقت جواب‌های به‌دست‌آمده از مدل مشخص شود. درصورتی‌که نتایج به‌دست‌آمده دارای دقت کافی باشد می‌توان نتایج آنها اطمینان داشت.
همان‌گونه که مشاهده می‌شود نتایج به‌دست‌آمده از مدل تطابق نسبتاً خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارد. مقدار ماکزیمم خطا %68/3 و مقدار خطای میانگین نمونه مدل شده % 05/2 است.
علت این خطا می‌تواند روش حل عددی اجزای محدود باشد که با توجه به عددی بودن حل مقداری خطا وجود دارد همچنین با مش بندی ریزتر می‌توان به نتایج دقیق‌تری رسید ولی با توجه به ریزتر شدن مش بندی حجم محاسبات به مقدار قابل‌توجهی افزایش می‌یابد که در نهایت نتیجه‌گیری منطقی نیست.
با توجه به نتایج به‌دست‌آمده می‌توان نمونه حاضر را به‌عنوان نمونه قابل‌قبول مدنظر گرفت و در نتایج بعدی نتایج خوبی جهت استناد به آن دانست.
بررسی نتایج مدل در حالت یک‌طرفه و دوطرفه:
نتایج به‌دست‌آمده از تحلیل مدل نشان می‌دهد که مقدار جابجایی ماکزیمم در حالتی که در دو طرف الیاف FRP داریم برابر 01/8 است و در حالتی که الیاف در یک طرف با ضخامت دوبرابر داریم مقداری برابر 49/8 سانتیمتر است.
نتیجه‌گیری و پیشنهادات
نتایج به‌دست‌آمده از تحلیل مدل نشان می‌دهد که مقدار جابجایی ماکزیمم در حالتی که در دو طرف الیاف FRP داریم برابر 63/8 سانتیمتر است و در حالتی که الیاف در یک‌طرف با ضخامت 3 برابر داریم مقداری برابر 93/8 سانتیمتر است توجه به این نکته ضروری است که باوجوداینکه این دو مقدار تفاوت زیادی با هم ندارند اما توزیع تنش و یا تغییر مکان موجود در دیوار با یک طرف پوشش FRP به دلیل نامتقارن بودن در دو طرف دو طرف ان یکسان نیست. در واقع در طرفی که پوشش FRP نداریم تنش‌ها بیشتر از طرفی است که پوشش الیاف FRP وجود دارد. جابجایی‌ها نیز در طرفی که FRP موجود نیست بیشتر از طرف مقابل است پس می‌توان نتیجه گرفت که با توجه به توزیع نامتقارن تنش در دوطرف دیوار. طرفی که پوشش الیاف FRP   ندارد ممکن است قبل از رسیدن به جابجایی به‌دست‌آمده در دیوار موجب تخریب ان شود و عملاً اظهارنظر در مورد تغییر مکان آن ممکن نباشد. پس می‌توان از این بررسی نتیجه گرفت که استفاده از الیاف FRP در یک طرف با هر ضخامتی نمی‌تواند راه‌حل مناسبی باشد
در خاتمه بایستی نکاتی را برای استفاده بهتر و کاربردی کامپوزیت FRP متذکر شویم. برخلاف آنکه در مرحله بررسی مشخص شد به نظر می‌رسد که در مقاوم‌سازی ساختمان‌ها و به‌منظور پایین آوردن هزینه‌ها وعدم تخریب دیوارها و بازسازی آنها با ضوابط و آیین‌نامه‌های جدید می‌توان از این الیاف استفاده نمود حال‌آنکه این موضوع فقط می‌تواند برای ساختمان‌هایی انجام شود که دسترسی به هردو طرف دیوار میسر باشد و در ساختمان‌هایی که با توجه به آیین‌نامه‌های جدید از مقاومت کمتری برخوردارند ونمی‌توان به دو طرف دیوار دسترسی پیدا نمود (امثال ساختمان‌های ساخته‌شده در بین املاک ساخته‌شده) و فقط دسترسی ازیک‌طرف امکان دارد توصیه نمی‌شود و بهتر است برای مقاوم‌سازی از روش‌های دیگر و یا تخریب و بازسازی مجدد استفاده شود زیرا شما در چنین حالتی فقط می‌توانی تغییر مکان را به‌ظاهر کنترل نمایید اما به هیچ وجه نمی‌توان مانع تنش‌ها درسمتی که از الیاف FRP استفاده‌نشده است شد پس می‌توان نتیجه گرفت استفاده از الیاف FRP دریک طرف با هر ضخامتی راه‌حل مناسبی برای مقاوم‌سازی به‌صورت یک‌طرفه باشد.