تقويت ديوارها

تقویت برشی دیوارهای چینه URM به‌وسیله سیستم‌های FRP

S.GRANDO , M.R.VALLUZZI
واحد آموزشی مهندسی حمل و نقل و ساختمان، دانشگاه پادوا
VIAMARZOLO – ۹ – ۳۵۱۳۱ پادوا، ایتالیا
A.NANNI , J.G. TUMIA
مرکز تحقیقات مهندسی زیرساخت
۶۵۴۰۹-۰۰۳۰۰، آمریکا Mo , Rolla , Minercircle

این مقاله یک برنامه آزمایشی را ارائه می‌دهد که به موضوع تقویت برشی به‌وسیله سیستم‌های FRP دیوارهای URM ساخته‌شده با واحدهای رسی می‌پردازد. پنج پانل بنایی رسی با ترکیب FRP به شکل ورقه‌ها و میله‌ها تقویت شده و به‌منظور لحاظ کردن عملکرد برش آن‌ها در طول قطر دیوار بارگذاری شدند. ابعاد پلان‌های بنایی m22/1*22/1 و به ضخامت mm120 بودند. از تکنیک‌های گزارش‌شده ساختمانی برای میله‌ها استفاده می‌شود. این تکنیک شامل قراردادن میله‌های FRP در مفصل‌های بستر بنایی است. از سوی دیگر، برای ورقه‌ها از تکنیک قراردادن دستی استفاده می‌شود. نتایج، کارآیی عملکرد برش در حال افزایش دیوارهای چینه URN را برحسب ظرفیت و شکل‌پذیری ظاهری نشان می‌دهند.

مقدمه

وقتی بار پلان بر روی دیوار کشیده‌شده اعمال شود، ظرفیت نهایی را می‌توان به‌آسانی به‌دست آورد و دیوار URM فرو می‌ریزد. تأثیر اصلی این نوع بار عبارت است از تنش برشی که به‌وسیله ترک‌های موجود در سراسر طول و با امتداد گسیختگی برش قابل تشخیص است. بعد از باز شدن ترک، دیوار کل ظرفیت خود را از دست داده و می‌تواند به‌آسانی به زیر و خارج از بار پلان فرو بریزد و زندگی انسان را به مخاطره بیاندازد. به این دلیل، پیشگیری و مهار این نوع گسیختگی دارای اهمیت است.
استفاده از سیستم‌های FRP می‌تواند جواب قانع‌کننده‌ای برای این مشکل باشد. با استفاده از ترکیبات FRP، افزایش ظرفیت نهایی دیوار بدون اضافه کردن وزن و سختی آن با اجتناب از پیامدهای خطرناک ناشی از حوادث زمین‌لرزه‌ای، امکان‌پذیر است. در این راستا، استفاده از قالب پلاستیکی پلیمری نیز می‌تواند به‌عنوان یک راه‌حل مکمل در تقویت سازه‌ها مورد توجه قرار گیرد.

مزایای استفاده از FRP

علاوه بر این، به‌واسطه استفاده از FRP، سود زیبایی‌شناختی ساختمانی و منطقی وجود دارد، که عبارتند از حداقل اتلاف فضای مفید و با یک گچ‌کاری می‌توان مصالح تقویت‌کننده ساختمان را مخفی کرد.

توصیف مصالح ساختمان (مواد کار)

آزمایشات تجربی برای توصیف خصوصیات مکانیکی مصالح ساختمان به‌کاررفته در این بررسی، به نتیجه رسیدند. متوسط تاب فشردگی آجرهای رسی بنایی حاصل از آزمایش منشور Mpa , (ASTM C1314) 78/15 بود. دیوارها با میله‌های ۲GFRP # به قطر mm6 و ورقه‌های GFRP در داخل یک چسب اپوکسی جاسازی شدند که برطبق تولید و آزمایش نتایج همان‌طور که در جدول ۱ نشان داده شده است دارای خصوصیات مکانیکی هستند.

جدول ۱ – خصوصیات مکانیکی

روش تقویت

تکنیک کارگذاری دستی

تکنیک کارگذاری دستی شامل مراحل ذیل است:
(a) کاربرد آستر، برای کاهش دادن تخلخل سطح دیوار بنایی؛
(b) لاله ثانویه بتونه، برای هموار کردن ناهمواری‌های روی سطح دیوار؛
(c) لایه‌ای از ماده اشباع‌شده مانند چسب، با استفاده از غلطک به‌کار می‌رود؛
(d) تثبیت موقعیت ورقه‌های FRP بر روی سطح دیوار، با استفاده از یک غلطک حباب برای بیرون راندن هوای به‌دام‌افتاده بین ماده اشباع و الیاف؛
(e) یک لایه دوم ماده اشباع به‌کار رفته است (به شکل ۱ مراجعه شود).

تکنیک ساختمانی FRP

تکنیک ساختمانی FRP گزارش‌شده به یک متد کاربردی ساده‌تر نیاز دارد:
(a) با استفاده از یک دستگاه سنگ‌سمباده دارای تیغه الماسی، چاک‌های به ضخامت ۵/۱ برابر اندازه میله شیاردار می‌شوند؛
(b) لایه‌ای از چسب جاسازی با یک گان مناسب در شیار قرار داده شد؛ میله در شیار قرار گرفت و سپس چاک کاملاً با چسب پر شد تا میله FRP در محفظه قرار گیرد (به شکل ۲ مراجعه شود).

شکل ۲ – گزارش ساختمانی FRP
شکل ۱ – تکنیک کارگذاری دستی

نمونه آزمایش

کل پنج دیوار آجری رسی بنایی به ابعاد mm10212201220 با آجرهای رسی به ابعاد ۲۰۳۱۰۲۵۱ در یک نمونه بندکشی پیوسته، ساخته شدند. همه دیوارها با یک تیغه مناسب به‌منظور اجتناب از ایجاد متغیرهای اضافی نظیر طرز ساخت و قابلیت کار ملات مختلف ساخته شدند که این متغیرها با ساختن نمونه‌ها به‌وجود می‌آیند.

برنامه آزمایشی

برنامه آزمایشی در شکل ۳ نشان داده شده است. یک دیوار URM، Co1، نمونه دیوار مهار بود: دیوار CB1 با ۲ میله GFRP در هر اتصال ثانویه ملات در سمت مقابل تقویت شد؛ دیوار CB2 حتی در قسمت عقب خود دارای مقدار یکسانی از میله‌های FRP مانند CB1 بود؛ دیوار CL1 با ورقه‌های CFRP به پهنای mm5/76 (3 اینچ) در هر mm5/152 (6 اینچ) مهیا شد. بنابراین، کل ۵ بند (قطعه باریک) در سمت جلو به‌کار رفتند. دیوار CL2 به روش مشابه با CL1 تقویت شد، اما این کار با مقدار یکسانی از ورقه‌ها نیز در سمت پشت دیوار در مکانی شبیه به جلوی دیوار انجام شد.
مقدار آرماتور تقویت‌کننده برای پیکربندی‌های مختلف برحسب سختی محوری E.A معادل هستند (ضریب الاستیسیته (ارتجاعی) با سطح مقطع عرضی ضرب شد).

شکل ۳ – برنامه تست (برنامه آزماینده)

مقدمه‌چینی تست

نمونه‌ها به روش حلقه بسته تست شدند. دو جک هیدرولیکی به ظرفیت ۳۰ تن توسط یک پمپ دستی فعال شد و از آن برای تولید بار الکتریکی در سراسر قطر دیوار تحت آزمایش استفاده شد. در طول بارگذاری، به‌وسیله کفش پولادی قرارگرفته در گوشه بالا نیرو به دیوار اعمال شد و در گوشه پایین در سراسر میله‌های فولادی بسیار قوی به دستگاه‌های مشابه انتقال یافت.

فرآیند بارگذاری

شکل ۴ – مقدمه‌چینی تست را نشان می‌دهد. بار در سیکل‌های بارگذاری اعمال شد و برای هر ۱۰ تن و نیز برای تعیین ثبات سیستم تخلیه شد. داده‌ها توسط سلول‌های محلی و گشتاور متغیر خطی ترانسدیوسرها (LVDTs) به‌دست آمدند و توسط سیستم دریافت‌کننده داده‌های DAYTRONTZ به فرکانس ۱Hz جمع‌آوری شدند. برای جمع‌آوری جابجایی و بازشدن ترک در دیوارها، دو LVDT در امتداد طول هر سمت دیوار قرار گرفتند.

شکل ۴ – مقدمه‌چینی تست

مکانیزم گسیختگی

تقویت یک سمت

مکانیزم کلی گسیختگی در تقویت کردن یک طرف دیوارها مشاهده شد (به شکل ۵ مراجعه شود). آن گسیختگی در دو مرحله توسعه یافت: یک مرحله در پلان و دیگری در بیرون از پلان، که در ذیل شرح داده می‌شود:

(a) مرحله داخل پلان

ابتدا یک ترک با گسیخته شدن واحدها (قسمت‌های) بنایی از ملات، تولید می‌شود که در سمت بدون آرماتور رخ می‌دهد و در سراسر ضخامت دیوار حرکت می‌کند تا اینکه در اتصال واحد ساختمان گسیختگی چسب اپوکسی رخ دهد؛ و در پی آن دیوار می‌شکند زیرا تنش کششی به مدت طولانی‌تر به FRP منتقل نمی‌شود. دیوار در امتداد قطر ترک می‌خورد، در پی آن اتصالات ملات ترک خورده و یک ترک برشی و طبقه‌ای تولید می‌شود (شکل ۶).

(b) مرحله بیرون از پلان

(شکل ۷) باز شدن ترک‌ها در سمت تقویت‌نشده نسبت به سمت تقویت‌شده به‌علت بیشتر بودن ترک‌ها است (شکل ۸).

تقویت کردن دو سمت دیوار

در صورت تقویت دو طرف دیوار، گسیختگی ناگهانی و سریع‌تر از مورد شرح‌داده‌شده قبلی است. گسیختگی در بار بالاتر اتفاق می‌افتد (شکل ۸)، که این امر به‌علت گریز از مرکز صفر در آرماتور است. در واقع، وجود آرماتور در هر دو سمت دیوار، مرحله بیرون از پلان را در گسیختگی ایجاد نکرد.
در این دیوارهای تقویت‌شده، وجود آرماتور به تشکیل ترک‌های قطری و در حال حرکت در طول واحدهای ساختمان (شکل ۹) فشار وارد می‌کند در عوض اینکه بر عمل ترک برش طبقه‌ای فشار وارد کند. ترک معمولاً روی مواد کار به‌کاررفته و روی سیستم FRP توسعه می‌یابد،‌ و بدون تغییر مسیر خود در سراسر اتصاف گسترش می‌یابد. از این رو، نیروهای کششی در پل‌بندی FRP ترک قطری، ظرفیت برش دیوارها را افزایش می‌دهد. علاوه بر آن، در نتیجه بارهای حاصله، حالتی از شکافتن (دیوار CB2، شکل ۹) و حالتی از لغزش وجود دارد (دیوار CL2، شکل ۱۲).

شکل ۵ – مکانیزم کلی گسیختگی برای دیوارهای آرماتوری یک‌طرفه
شکل ۸ – بازشدن ترک در طرف‌های جلو و عقب دیوارها
شکل ۹ – عمل ترک در آرماتور دوطرفه (شکاف برداشتن در وسط)

تجزیه و تحلیل نتایج آزمایش

برای دیوار مهار co1، گسیختگی شکننده و ناگهانی بود که با اتصال اجزای ساختمان و ملات کنترل شد. همه دیوارها توسط گسیختگی رس می‌شکستند اما دیوارهای تقویت‌شده شکل‌پذیری بیشتری داشتند. در آخرین حالت، در کل دیوارهای تقویت‌شده، سست شدن مصالح ساختمان تنها در مورد دیوار CL2 مشاهده شد که ناشی از لغزش اتصال ملات بود. حداکثر افزایش در ظرفیت برش (حدود ۲۰۰%) در دو دیوار (CB2 و CL2) به ثبت رسید.

محاسبه شکل‌پذیری

برای مقایسه مقدار اختلاف و نوع آرماتورها، معیاری بر اساس تغییر شکل برشی تنظیم شد. شکل‌پذیری ظاهری “M” با استفاده از روابط (۱) و (۲) زیر محاسبه شد:
(۱)
(۲)
که عبارت است از تغییر شکل برش نهایی و تغییر شکل برش جاری است (مطابق تغییر در شیب بر حسب بار برخلاف دیاگرام‌های تغییر شکل برشی است). با توجه به تغییرات شکل ایجادشده توسط بار طولی به‌عنوان تغییرات شکل اصلی، حداکثر تغییر شکل برشی به‌عنوان مجموع این تغییرات بیان می‌شود حاصل در جدول ۲ معین شده‌اند.

جدول ۲ – مقایسه شکل‌پذیری ظاهری

تحلیل نتایج

شکل ۱۰ بار داخل پلان را در مقابل منحنی‌های تغییر شکل برش برای کل دیوار تست‌شده نشان می‌دهد. به‌واسطه جدول ۲ و شکل ۱۰ بهتر است جستجوی دیوار CL2 که با توزیع متقارن ورقه‌هایی در هر دو طرف تقویت شده است. این کار، هر دو ظرفیت نهایی و شکل‌پذیری ظاهری را افزایش می‌دهد. در کل، این دیوار با لغزش پنجمین اتصال بعد از گسیختگی شکسته است. علاوه بر این، خاطر نشان می‌شود که حداکثر مقدار با دیوارهای CL مطابق است، این تطابق احتمالاً به‌علت ناحیه بزرگ‌تر پوشیده‌شده توسط ورقه‌ها در مقایسه با میله‌ها است.

دلایل عملکرد

رفتار مناسب پانل‌های رسی در مقایسه با سایر دیوارهای بتنی مشابه ناشی از این واقعیت است که ملات می‌تواند به داخل سوراخ‌های آجرها رفته و یک سیستم جامد و سخت را به‌وجود آورد (به شکل ۱ مراجعه شود). این امر موجب اثر عمل میخچه‌ای ملات می‌شود و خود ظرفیت دیوار را افزایش می‌دهد. گسیختگی در حال شکافتن (شکل ۹) در ناحیه مرکزی در امتداد طول فشرده در دیوار CB2 حاصل شد که ناشی از تنش مماس حاصل از مهار بالای بین آجرهای رسی و از ناحیه آرماتور متقارن است (میله‌های #۲GFRD هر دو طرف).
شکستگی لغزش (شکل ۱۲) در دیوار CL2 ناشی از ترکیب بین افزایش بار نهایی (به‌علت وجود آرماتور در هر دو طرف) و قدرت کمتر در سطح مشترک اتصال بدون آرماتور ملات بود. به هر حال، در این صورت افزایش بیشتر در ظرفیت برش به ثبت رسید، همان‌طور ورقه‌های افقی، لایه‌های ساختمانی را مهار کردند که در آنجا لغزش رخ می‌داد و ترک‌ها در طول اتصالات بالا پل‌بندی (اتصال پل) شدند.