تحلیل تئوریک -عددی رفتار تیرهای بتن مسلح مقاوم شده با پوشش های frp تحت بارهای ضربه ای با سرعت پایین
چکیده
امر مقاوم سازی سازه های بتن آرمه موجود بوسیله مصالح کامپوزیتی الیافی (frp) جهت تحمّل بارهای استاتیکی و لرزه ای از چند دهه اخیر مورد توجه مهندسین رشته راه و ساختمان بوده است. ولی همچنان کمبودهای زیادی در زمینه شناخت کافی رفتار اعضای بتن آرمه مقاوم سازی شده با مصالح کامپوزیتی در برابر بارهای ضربه ای و انفجاری حس می شود. به دلیل وجود پیچیدگی های زیاد در بیان دقیق رفتار مصالح، رژیم بارگذاری ناگهانی و رفتار غیرخطی کلّی و موضعی سازه، مسأله فوق اهمیّت بیشتری پیدا می کند. به منظور بررسی تأثیر بارگذاری ضربه ای بر روی رفتار تیرهای بتن آرمه ساده و مقاوم شده، از 8 تیر بتنی مسلّح ساده، 8 تیر بتنی مسلّح مقاوم شده با لمینیت کامپوزیتی و 1 تیر بتنی غیرمسلّح جهت کنترل رفتار بهره گرفته شده است. 16 تیرهای بتن آرمه فوق دارای حداقل مقدار آرماتور خمشی و برشی فولادی مجاز آیین نامه ای هستند. جهت اعمال بار ضربه ای از یک پرتابه فلزی که از ارتفاع خاصی به صورت آزادانه سقوط می کند بهره گرفته شده است. همچنین ضربه به صورت مکرر و با ارتفاعات مختلف بر روی تیرها اثر می کند. جهت امر مقاوم سازی تیرها نیز از دو لمینیت کربن - اپوکسی (cfrp) در سطوح فوقانی و تحتانی تیر بتنی بهره گرفته شده است. آرماتورهای به کار رفته نیز از جنس فولاد نرمه سازه ای بوده و همچنین فرض شده است که بین بتن و شبکه آرماتور موجود مهار و باند کامل برقرار باشد. نتایجی که به عنوان خروجی از تحلیل مدلهای فوق استخراج می شود شامل تاریخچه زمانی نیروی عکس العمل تکیه گاهی کلّ، تاریخچه زمانی خیز وسط دهانه، دامنه کاهش سختی تیر براساس تغییرات سختی اعضاء و انرژی ضربه، مدهای ترک خوردگی بتن، میزان تسلیم شدگی شبکه آرماتور، وضعیّت جدایشی رزین باند و در نهایت وضعیّت استحکامی لمینیت کامپوزیت می باشد. نتایج حاصل از تحلیل تیرهای فوق نشان داد که با مقاوم کردن تیرهای بتن آرمه ظرفیّت باربری آنها افزایش یافته و همچنین تغییرشکلهای موضعی و لحظه ای آنها تا حدّ بسیار زیادی کنترل می شود. همچنین مقاوم سازی تیرهای بتن مسلّح موجب شکل پذیر شدن شکست نهایی این اعضاء در برابر بارهای ضربه ای می شود که البته شرایط خاص خود را دارد. لمینیت کامپوزیت با ایجاد پیوستگی در سطوح تحت خمش تیر باعث گسترش ترک خوردگی بتن در نواحی بیشتری از آن شده و در نتیجه باعث تسلیم شدن طول بیشتری از آرماتورهای خمشی و برشی می گردد. البته با افزایش میزان ترک خوردگی از عمق این ترک ها نیز کاسته می شود که در نهایت به حفظ پایداری کلّی عضو کمک شایانی می کند. مقاوم سازی تیرهای بتن آرمه با استفاده از لمینیت همچنین باعث شده است تا میزان خسارت وارده به تیر به ازای تکرار ضربات در حدّ ثابتی باقی بماند و در نتیجه تیر بتن آرمه مقاوم شده تغییرات سختی شدیدی نداشته باشد. لمینیت کامپوزیتی همچنین با افزایش میزان تغییرشکلهای پلاستیک موجب بالاتر رفتن ظرفیّت استهلاک انرژی اعضای مقاوم شده نیز شده است. تیرهای بلند و کم عمق دارای ترک خوردگی خمشی غالب و تیرهای کوتاه و عمیق دارای ترک خوردگی برشی غالب بوده اند که البته ترک خوردگی خمشی به دلیل بالا بردن شکل پذیری شکست نهایی عضو ترجیحاً مطلوب تر خواهد بود. وضعیّت رزین باند بین لمینیت و بتن در تیرهای بلند و کم عمق به مراتب بحرانی تر از تیرهای کوتاه و عمیق بوده که علّت آن می تواند بالا بودن میزان ترک خوردگی در این دسته از تیرها باشد. عملاً وضعیّت استحکامی رزین باند و همچنین لمینیت کامپوزیتی به شدّت تابع میزان ترک خوردگی خمشی تیر مقاوم شده می باشد. براساس نتایج تاریخچه زمانی خیز وسط دهانه تیر، تغییرات سختی تیرهای فوق به ازای دفعات تکرار ضربه و همچنین سطوح مختلف انرژی ضربه بدست آمده است. تیرهایی که سختی و انرژی ضربه ای بالاتری داشته اند دچار خسارت بیشتری نیز شده اند ولی این خسارت در تیرهای مقاوم سازی شده به مراتب کمتر بوده است. با استفاده از مدل ساده شده جرم - فنر و همچنین تیوری انتشار موج خمشی روابطی تیوریک جهت تحلیل الاستیک و خطی تیرهای بتن آرمه تحت اثر بار ضربه ای نیز ارایه شده و در ادامه اختلاف موجود بین نتایج تیوریک و عددی بررسی شده است. در ادامه با استفاده از نتایج این مقایسه روابط تیوریک اصلاح شده و به عنوان ملاکی ابتدایی جهت تخمین نیروی ضربه و خیز متناظر ایجاد شده در تیرهای بتن آرمه تحت اثر ضربه مورد استفاده قرار گرفته است. در نهایت روابطی جهت طرح لمینیت مقاوم کننده خمشی تیرهای بتن آرمه تحت اثر بار ضربه ای پیشنهاد شده است.