یک مثال از مقاوم سازی ستون FRP

یک مثال از مقاوم سازی ستون FRP در برش ستون:

یک ستون مربع شکل با ابعاد 610 610 م.م نیاز به مقاومت برشی اضافی برابر kN 267 دارد.

این ستون در یک توقف گاه خودرو بدون حفاظ پیرامونی واقع شده و تحت شرایط شدیدا متغییر آب و هوا قرار دارد. جهت مقاوم سازی این ستون از FRP با الیاف شیشه که به طور کامل به دور ستون پیچیده می-شوند، استفاده می-شود.

در جدول فوق مشخصات الیاف FRP بکار رفته قرارداده شده است.

حل:

1. تبدیل مشخصات FRP از کاتالوگ به طراحی:

باتوجه به استفاده از FRP از نوع شیشه و محل استفاده فضای پارکینگ(شرایط محیط باز) است پس ضریب C_E برابر 0.65 است.

1. محاسبه کرنش موثر FRP :

با توجه به تقویت برشی ستون و دسترسی کامل به اطراف ستون، دورپیچ از نوع کامل بوده و کرنش موثر در این حالت برابر است با:

با توجه به این موضوع که آیین نامه حد مجاز کرنش موثر FRP را به 0.004 محدود کرده است و مقدار محاسباتی 0.01 است پس مقدار کرنش موثر برابر 0.004 در نظر گرفته می-شود.

1. محاسبه مساحت مورد نیاز صفحات FRP:

مقاومت برشی اضافی باید توسط FRP تامین شود، بدین منظور باید مقدار برش اسمی و سپس سطح مقطع لازم حساب گردد.

با تقسیم مقدار برش مورد نیاز بر ضریب کاهش مقاومت و ضریب کاهش که به نحوه قرار گیری FRP بستگی دارد برش قابل تحمل توسط FRP بدست می-آید که منتاظر با این مقدار برش باید مساحت مورد تماس و تعداد لایه های FRP بدست می-آید.

1. تعیین تعداد لایه ها و عرض و فاصله نوارها:

با فرض ممتد قرار گرفتن نوارهای FRP (S_f =W_f) تعداد لایه-ها را حساب می-کنیم.

پس به سه لایه در هر نوار نیاز است.

• بهسازی لرزه ای ستونها باFRP:

1. فشار محوری خالص
2. ترکیب نیروی محوری و لنگر خمشی

از آیین نامه بتن می-دانیم برای ستونهای بتنی تحت نیروی محوری فشاری داریم:

که برای دورپیچ (Spiral) برابر 0.7 و برای تنگ بسته برابر 0.65 است.

حال برای بتنی که با FRP محصور شده داریم:

حال می-خواهیم بهسازی ستون را در قالب یک مثال بیان کنیم.

• حل یک مثال از تقویت ستون تحت اثر نیروی محوری فشاری:

یک ستون با مقطع مربع به ابعاد 610 610 م.م باید 20% بیش از ظرفیت باربری محوری خود تحمل کند. خصوصیات مقطع در جدول زیر نشان داده شده است. ستون در محیط داخلی محافظت شده قرار داشته و از مصالح FRP با الیاف کربن برای تقویت استفاده خواهد شد. صفحات FRP به طور کامل دور ستون پیچیده می-شود.

1. تبدیل مشخصات FRP از کاتالوگ به طراحی:

باتوجه به استفاده از FRP از نوع شیشه و محل استفاده فضای بسته (شرایط محیط داخلی محافظت شده) است پس ضریب C_E برابر 0.95 است.

1. محاسبه حداکثر مقاومت فشاری بتن محصور شده،:

همان طور که در مقاله قبلی توضیح داده شد با FRP، بتن را محصور می-کنیم که سبب افزایش مقاومت بتن می-شود بنابراین ما باید با توجه به مقدار نیروی اضافی تحمیل شده به بتن، مقدار محصورسازی و به نوعی افزایش مقاومت را بدست آوریم.

1. محاسبه حداکثر فشار محصورکنندگی ناشی از FRP:

همان طور که ملاحظه کردید ما مقاومت بتن مورد نیاز محصور شده را پیدا کردیم که این محصور ساختن ناشی از فشاری از جانب FRP به بتن است که با نمایش داده می-شود.

در محاسبه این فشار باید درنظر گرفت که مقطع دایره-ای بهترین مقطع از جهت محصور ساختن است و استفاده از مقاطع مستطیلی یا مربعی توسط ضرایبی معادل می-شوند.

1. تعیین تعداد لایه-های مورد نیاز:

با پیدا کردن مقدار فشار حداکثری FRP برای محصور ساختن، تعداد لایه های لازم FRP ،را برای محصور ساختن پیدا می-کنیم.

1. کنترل حداکثر کرنش فشاری در بتن محصور شده:

این کنترل به دلیل این که FRP توانایی تحمل کرنش های بیشتر داراست ولی بتن محصور شده توانایی رفتن به کرنش های بالاتر را ندارد و به نحوی باعث از بین رفتن بتن می-شود بدین منظور آیین نامه حدی را برای کرنش فشاری ایجاد شده در بتن محصور شده می-گذارد.

در این عکس مقاوم سازی یک ستون بتنی را ملاحظه می فرمایید. یکی نکات موجود قبل از استفاده از FRP این است که باید گوشه های ستون های مربع یا مستطیل شکل باید از بین برود و حتما مقدار آن حساب شود که در مثال دوم این مقاله این مقدار همان r_c (شعاع گوشه) است.

یکی دیگر از موضوعاتی که اهمیت زیادی در عملکرد درست FRP دارد، داشتن یک سطح مناسب برای تماس با FRP است که در صورت فراهم نشدن این سطح منجر به جدا شدن سیستم FRP پیش از رسیدن به حد نیروی طراحی می-شود.

• گسترش ترک های با عرض بیش از 0.3 م.م یا بیشتر در روس سطح بتن بر روی عملکرد FRP تاثیر می-گذارد که منجر به جدایی لایه-ای FRP می-شود که مطابق با الزامات ACI224.1R باید با تزریق اپوکسی ترک پر شود.

در ادامه یک مثال از مقاوم سازی ستون FRPبه صورت تصویری:

---

منابع

1. ACI(2015). Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures 440.2R-15,
2. American Concrete Institute نشریه شماره 345،"راهنمای طراحی و ضوابط اجرایی بهسازی ساختمان های بتنی موحود با استفاده از مصالح تقویتی FRP "، سال 1385