تعزيز القص لجدران URM باستخدام أنظمة FRP

تعزيز القص لجدران البناء غير المسلحة URM باستخدام أنظمة FRP

S. GRANDO, M. R. VALLUZZI
قسم هندسة النقل والبناء، جامعة بادوفا
VIAMARZOLO – 9 – 35131 بادوفا، إيطاليا
A. NANNI, J. G. TUMIA
مركز أبحاث هندسة البنية التحتية
65409-00300، الولايات المتحدة الأمريكية، ميسوري، رولا، مينرسيركل

يقدم هذا المقال برنامجًا تجريبيًا يتناول تعزيز القص لجدران البناء غير المسلحة (URM) المشيدة بوحدات طينية باستخدام أنظمة البوليمر المقوى بالألياف (FRP). تم تعزيز خمسة ألواح بناء طينية باستخدام FRP على شكل ألواح وقضبان، وتم تحميلها قطريًا لتقييم أدائها في القص. كانت أبعاد الألواح في المخطط 1.22 × 1.22 متر وسمكها 120 مم. تم استخدام تقنيات البناء المذكورة للقضبان، والتي تتضمن وضع قضبان FRP في مفاصل قاعدة البناء. من ناحية أخرى، تم استخدام تقنية التركيب اليدوي للألواح. تُظهر النتائج كفاءة أداء القص المتزايد لجدران البناء URM من حيث السعة والليونة الظاهرية.

المقدمة

عندما يتم تطبيق حمل مستوي على جدار مشدود، يمكن بسهولة تحديد السعة النهائية، مما يؤدي إلى انهيار جدار URM. التأثير الرئيسي لهذا النوع من الحمل هو إجهاد القص، الذي يمكن تمييزه من خلال الشقوق الممتدة عبر الطول الكلي وفي اتجاه فشل القص. بعد فتح الشق، يفقد الجدار كل سعته ويمكن أن ينهار بسهولة تحت الحمل المستوي وخارجه، مما يعرض حياة الإنسان للخطر. لهذا السبب، يعتبر منع وتسطير هذا النوع من الفشل ذا أهمية كبيرة.
يمكن أن يكون استخدام أنظمة FRP حلاً مقنعًا لهذه المشكلة. باستخدام مركبات FRP، يمكن زيادة السعة النهائية للجدار دون إضافة وزن أو صلابة، مع تجنب العواقب الخطيرة الناتجة عن الأحداث الزلزالية.

فوائد إضافية لـ FRP

علاوة على ذلك، يوفر استخدام FRP فوائد جمالية وعملية في البناء، تشمل الحد الأدنى من فقدان المساحة المفيدة وإمكانية إخفاء مواد التعزيز بطبقة جص بسيطة. كما يمكن النظر إلى استخدام قوالب الخرسانة البلاستيكية ومزاياها كحل تكميلي لتعزيز الهياكل.

وصف مواد البناء (المواد العاملة)

تم إجراء اختبارات تجريبية لتوصيف الخصائص الميكانيكية لمواد البناء المستخدمة في هذه الدراسة، وتم التوصل إلى نتائج. كانت متوسط قوة الضغط للطوب الطيني للبناء الناتج عن اختبار المنشور 15.78 ميجا باسكال (ASTM C1314). تم تعزيز الجدران بقضبان #2 GFRP بقطر 6 مم وألواح GFRP مدمجة داخل لاصق إيبوكسي، مع خصائص ميكانيكية محددة حسب الإنتاج والاختبار، كما هو موضح في الجدول 1 أدناه.

الجدول 1 – الخصائص الميكانيكية

طريقة التعزيز

تقنية التركيب اليدوي

تتضمن تقنية التركيب اليدوي الخطوات التالية:
(a) تطبيق طبقة أولية لتقليل مسامية سطح جدار البناء؛
(b) طبقة معجون ثانوية لتنعيم المخالفات على سطح الجدار؛
(c) تطبيق طبقة من مادة مشبعة، مثل اللاصق، باستخدام أسطوانة؛
(d) تثبيت مواضع ألواح FRP على سطح الجدار، باستخدام أسطوانة فقاعات لإخراج الهواء المحبوس بين المادة المشبعة والألياف؛
(e) تطبيق طبقة ثانية من المادة المشبعة (راجع الشكل 1).

تقنية البناء المذكورة لـ FRP

تتطلب تقنية البناء المذكورة لـ FRP طريقة تطبيق أبسط:
(a) باستخدام آلة طحن مزودة بشفرة ماسية، يتم قطع أخاديد بسمك 1.5 مرة حجم القضيب؛
(b) يتم وضع طبقة من اللاصق المدمج في الأخدود باستخدام مسدس مناسب؛ يتم وضع القضيب في الأخدود، ثم يملأ الأخدود بالكامل باللاصق لتثبيت قضيب FRP (راجع الشكل 2).

الشكل 2 – تقنية البناء المذكورة لـ FRP
الشكل 1 – تقنية التركيب اليدوي

عينات الاختبار

تم بناء خمسة جدران بناء من الطوب الطيني بأبعاد 1220 × 1220 × 102 مم باستخدام طوب طيني بأبعاد 203 × 102 × 51 مم في نمط مفصل مونة مستمر. تم تشييد جميع الجدران بشفرة مناسبة لتجنب إدخال متغيرات إضافية مثل طرق البناء وقابلية عمل المونة المختلفة، والتي تنشأ عادةً أثناء تحضير العينات.

برنامج الاختبار

يظهر برنامج الاختبار في الشكل 3. كان جدار URM واحد، Co1، بمثابة العينة الضابطة: تم تعزيز جدار CB1 بقضيبين GFRP في كل مفصل مونة ثانوي على الجانب المقابل؛ كما كان لدى جدار CB2 نفس الكمية من قضبان FRP على جانبه الخلفي مثل CB1؛ تم تجهيز جدار CL1 بألواح CFRP بعرض 76.5 مم (3 بوصات) كل 152.5 مم (6 بوصات)، مما أدى إلى وجود 5 شرائح إجمالاً على الجانب الأمامي. تم تعزيز جدار CL2 بطريقة مشابهة لـ CL1، ولكن مع نفس الكمية من الألواح أيضًا على الجانب الخلفي في موقع مشابه للجانب الأمامي.
كمية التسليح المعزز للتكوينات المختلفة متكافئة من حيث الصلابة المحورية E.A (معامل المرونة مضروبًا في مساحة المقطع العرضي).

الشكل 3 – برنامج الاختبار

إعداد الاختبار

تم اختبار العينات باستخدام طريقة الحلقة المغلقة. تم تفعيل رافعتين هيدروليكيتين بسعة 30 طنًا بمضخة يدوية واستخدمتا لتوليد حمل كهربائي عبر قطر الجدار قيد الاختبار. أثناء التحميل، تم تطبيق القوة على الجدار عبر حذاء فولاذي موضوع في الزاوية العلوية ونقلت في الزاوية السفلية عبر قضبان فولاذية عالية القوة إلى أجهزة مماثلة.

عملية التحميل

يوضح الشكل 4 إعداد الاختبار. تم تطبيق الحمل في دورات تحميل وتم تفريغه كل 10 أطنان لتقييم استقرار النظام. تم جمع البيانات باستخدام خلايا محلية ومحولات تفاضلية خطية (LVDTs) وسجلت بواسطة نظام جمع البيانات DAYTRONTZ بتردد 1 هرتز. لجمع الإزاحة وفتح الشقوق في الجدران، تم وضع اثنين من LVDTs على طول كل جانب من الجدار.

الشكل 4 – إعداد الاختبار

آلية الفشل

التعزيز من جانب واحد

تم ملاحظة آلية الفشل العامة في تعزيز جانب واحد من الجدران (راجع الشكل 5). تطورت هذه الآلية في مرحلتين: مرحلة في المستوى وأخرى خارج المستوى، كما هو موضح أدناه:

(أ) مرحلة داخل المستوى

في البداية، يتشكل شق نتيجة انفصال وحدات البناء عن المونة، يحدث ذلك على الجانب غير المسلح ويتحرك عبر سمك الجدار حتى يحدث فشل لاصق الإيبوكسي عند واجهة وحدة البناء. بعد ذلك، ينكسر الجدار لأن إجهاد الشد لا ينتقل إلى FRP لفترة طويلة. يتشقق الجدار على طول القطر، ثم تتشقق مفاصل المونة وينتج شق قصي وطبقي (الشكل 6).

(ب) مرحلة خارج المستوى

(الشكل 7) فتح الشقوق على الجانب غير المسلح أكبر من الجانب المسلح بسبب زيادة عدد الشقوق (الشكل 8).

تعزيز جانبي الجدار

في حالة تعزيز جانبي الجدار، يكون الفشل مفاجئًا وأسرع من الحالة الموصوفة سابقًا. يحدث الفشل عند حمل أعلى (الشكل 8)، ويرجع ذلك إلى انعدام الانحراف المركزي في التسليح. في الواقع، وجود التسليح على جانبي الجدار يلغي مرحلة خارج المستوى في الفشل.
في هذه الجدران المعززة، يؤدي وجود التسليح إلى تكوين شقوق قطرية تتحرك على طول وحدات البناء (الشكل 9) بدلاً من الضغط على عمل شق القص الطبقي. عادةً ما يتطور الشق على المواد العاملة ونظام FRP، وينتشر عبر المفاصل دون تغيير مساره. وبالتالي، تزيد قوى الشد في جسر FRP للشق القطري من سعة القص للجدران. بالإضافة إلى ذلك، نتيجة الأحمال المطبقة، هناك حالة انشطار (جدار CB2، الشكل 9) وحالة انزلاق (جدار CL2، الشكل 12).

الشكل 5 – آلية الفشل العامة للجدران المسلحة من جانب واحد
الشكل 8 – فتح الشقوق في الجوانب الأمامية والخلفية للجدران
الشكل 9 – عمل الشق في التسليح المزدوج (الانشطار في الوسط)

تحليل نتائج الاختبار

بالنسبة للجدار الضابط Co1، كان الفشل هشًا ومفاجئًا تم التحكم فيه من خلال اتصال مكونات البناء والمونة. فشلت جميع الجدران بسبب تمزق الطين، لكن الجدران المعززة أظهرت ليونة أكبر. في الحالة الأخيرة، من بين جميع الجدران المعززة، تم ملاحظة تآكل المواد فقط في جدار CL2، الناتج عن انزلاق مفصل المونة. تم تسجيل الحد الأقصى لزيادة سعة القص (حوالي 200%) في جدارين (CB2 وCL2).

حساب الليونة

للمقارنة بين الاختلاف ونوع التسليح، تم وضع معيار بناءً على تشوه القص. تم حساب الليونة الظاهرية “M” باستخدام العلاقات التالية (1) و(2):
(1)
(2)
وهي تمثل تشوه القص النهائي وتشوه القص الحالي (يتوافق مع التغير في الانحدار بناءً على الحمل مقابل مخططات تشوه القص). مع الأخذ في الاعتبار التشوهات الناتجة عن الحمل الطولي كتشوهات أساسية، يتم التعبير عن أقصى تشوه قص كمجموع هذه التغييرات، والنتائج محددة في الجدول 2.

الجدول 2 – مقارنة الليونة الظاهرية

تفسير النتائج

يظهر الشكل 10 الحمل داخل المستوى مقابل منحنيات تشوه القص لجميع الجدران المختبرة. بناءً على الجدول 2 والشكل 10، يعتبر أفضل أداء لجدار CL2 الذي تم تعزيزه بألواح موزعة بشكل متماثل على الجانبين. يعزز هذا كلاً من السعة النهائية والليونة الظاهرية. بشكل عام، انهار هذا الجدار مع انزلاق المفصل الخامس بعد التمزق. علاوة على ذلك، يُلاحظ أن القيمة القصوى تتطابق مع جدران CL، ويرجح أن يكون ذلك بسبب المنطقة الأكبر التي تغطيها الألواح مقارنة بالقضبان.

عوامل الأداء

يرجع السلوك المناسب للألواح الطينية مقارنة بالجدران الخرسانية المماثلة إلى حقيقة أن المونة يمكن أن تخترق ثقوب الطوب، مكونة نظامًا صلبًا وقويًا (راجع الشكل 1). يؤدي هذا إلى تأثير عمل المسمار للمونة، مما يزيد من سعة الجدار. حدث فشل الانشطار (الشكل 9) في المنطقة المركزية على طول الطول المضغوط في جدار CB2 نتيجة إجهاد مماسي ناتج عن التقييد العالي بين الطوب الطيني ومنطقة التسليح المتماثلة (قضبان #2 GFRP على الجانبين).
كان فشل الانزلاق (الشكل 12) في جدار CL2 ناتجًا عن الجمع بين زيادة الحمل النهائي (بسبب وجود التسليح على الجانبين) وقوة أقل في واجهة مفصل المونة غير المسلح. ومع ذلك، في هذه الحالة، تم تسجيل زيادة أكبر في سعة القص، حيث قامت الألواح الأفقية بتقييد طبقات البناء حيث حدث الانزلاق، وتم جسر الشقوق على طول المفاصل العلوية (اتصال الجسر).