Պատերի Հզորացում
URM Ոչ Հաշմանդամ Պատերի Կտրող Հզորացում FRP Համակարգերով
S. GRANDO, M. R. VALLUZZI
Տրանսպորտի և Շինարարության Ինժեներական Բաժին, Պադովայի Համալսարան
VIAMARZOLO – 9 – 35131 Պադովա, Իտալիա
A. NANNI, J. G. TUMIA
Ենթակառուցվածքների Ինժեներական Հետազոտությունների Կենտրոն
65409-00300, ԱՄՆ, MO, Rolla, Minercircle
Այս հոդվածը ներկայացնում է փորձարարական ծրագիր, որը վերաբերում է կավե միավորներով կառուցված ոչ հաշմանդամ պատերի (URM) կտրող հզորացմանը՝ օգտագործելով մանրաթելերով ամրացված պոլիմերային (FRP) համակարգեր: Հինգ կավե պատի վահանակներ ամրացվել են FRP-ով՝ թիթեղների և ձողերի տեսքով և բեռնվել են անկյունագծով՝ գնահատելու նրանց կտրող կատարողականությունը: Պատի վահանակների հարթության չափերը եղել են 1.22 x 1.22 մետր, իսկ հաստությունը՝ 120 մմ: Ձողերի համար օգտագործվել են նշված շինարարական տեխնիկաներ, որոնք ներառում են FRP ձողերի տեղադրումը պատի հիմքի հոդերում: Մյուս կողմից, թիթեղների համար կիրառվել է ձեռքով տեղադրման տեխնիկա: Արդյունքները ցույց են տալիս URM պատերի կտրող կատարողականության բարձրացում՝ կարողությունների և ակնհայտ ճկունության առումով:
Ներածություն
Երբ հարթ բեռը կիրառվում է ձգված պատի վրա, վերջնական կարողությունը կարող է հեշտությամբ որոշվել, և URM պատը կարող է փլուզվել: Այս տեսակի բեռնման հիմնական ազդեցությունը կտրող սթրեսն է, որը կարելի է ճանաչել ամբողջ երկարությամբ առկա ճեղքերով և կտրող խզման ուղղությամբ: Ճեղքը բացվելուց հետո պատը կորցնում է իր ողջ կարողությունը և կարող է հեշտությամբ փլուզվել հարթ բեռի տակ և դուրս՝ վտանգի տակ դնելով մարդկային կյանքերը: Այդ պատճառով այս տեսակի խզման կանխումը և վերահսկումը մեծ կարևորություն ունեն:
FRP համակարգերի օգտագործումը կարող է համոզիչ լուծում առաջարկել այս խնդրին: FRP կոմպոզիտների կիրառմամբ հնարավոր է բարձրացնել պատի վերջնական կարողությունը՝ առանց քաշ կամ կոշտություն ավելացնելու, այդպիսով խուսափելով սեյսմիկ իրադարձությունների վտանգավոր հետևանքներից:
FRP-ի Օգտագործման Հավելյալ Առավելություններ
Բացի այդ, FRP-ի օգտագործումը ապահովում է գեղագիտական և գործնական շինարարական առավելություններ, որոնք ներառում են օգտագործելի տարածքի նվազագույն կորուստ և ամրացնող նյութերը պարզ սվաղով թաքցնելու հնարավորություն: Բացի այդ, Կաղապարների պլաստիկ լուծումների օգտագործումը կարող է դիտարկվել որպես կառուցվածքների ամրացման լրացուցիչ մոտեցում:
Շինարարական Նյութերի Նկարագրություն (Աշխատանքային Նյութեր)
Այս հետազոտությունում օգտագործված շինարարական նյութերի մեխանիկական հատկությունները բնութագրելու համար անցկացվել են փորձարարական փորձարկումներ, և ստացվել են արդյունքներ: Կավե աղյուսների միջին սեղմման ուժը, որը ստացվել է պրիզմայի փորձարկումից, կազմել է 15.78 ՄՊա (ASTM C1314): Պատերը ամրացվել են 6 մմ տրամագծով #2 GFRP ձողերով և GFRP թիթեղներով, որոնք ներդրված են էպոքսիդային սոսինձի մեջ, և դրանց մեխանիկական հատկությունները նշված են արտադրության և փորձարկման արդյունքներով, ինչպես ներկայացված է ստորև՝ Աղյուսակ 1-ում:
Աղյուսակ 1 – Մեխանիկական Հատկություններ
| Նյութ | Սեղմման Ուժ [ՄՊա] | Ձգման Ուժ [ՄՊա] | Էլաստիկության Մոդուլ [ՄՊա] |
|---|---|---|---|
| #2 GFRP Ձողեր | – | 824 | 50162 |
| GFRP Թիթեղներ | – | 1687 | 83129 |
| Էպոքսիդային Սոսինձ | 18.86 | 58.27 | 3102 |
Հզորացման Մեթոդ
Ձեռքով Տեղադրման Տեխնիկա
Ձեռքով տեղադրման տեխնիկան ներառում է հետևյալ քայլերը.
(a) Հիմքի կիրառում՝ պատի մակերեսի ծակոտկենությունը նվազեցնելու համար;
(b) Երկրորդային ծեփոնի շերտ՝ մակերեսի անհարթությունները հարթելու համար;
(c) Հագեցած նյութի շերտի կիրառում, ինչպիսին սոսինձն է, գլանակով;
(d) FRP թիթեղների տեղադրում պատի մակերեսին՝ օգտագործելով փուչիկների գլանակ՝ հագեցած նյութի և մանրաթելերի միջև թակարդված օդը հեռացնելու համար;
(e) Հագեցած նյութի երկրորդ շերտի կիրառում (տե՛ս Նկար 1):
Նշված FRP Շինարարական Տեխնիկա
Նշված FRP շինարարական տեխնիկան պահանջում է ավելի պարզ կիրառման մեթոդ.
(a) Ադամանդե սայրով հղկող սարք օգտագործելով՝ կտրվում են 1.5 անգամ ձողի տրամագծով ակոսներ;
(b) Հարմար ատրճանակով ակոսում տեղադրվում է ներդրվող սոսինձի շերտ; ձողը տեղադրվում է ակոսում, այնուհետև ակոսը ամբողջությամբ լցվում է սոսինձով՝ FRP ձողը ամրացնելու համար (տե՛ս Նկար 2):
Նկար 2 – Նշված FRP Շինարարական Տեխնիկա
Նկար 1 – Ձեռքով Տեղադրման Տեխնիկա
Փորձարկման Նմուշներ
Ընդհանուր առմամբ, հինգ կավե աղյուսե պատեր՝ 1220 x 1220 x 102 մմ չափերով, կառուցվել են 203 x 102 x 51 մմ չափերի կավե աղյուսներով՝ շարունակական հաշմանդամի օրինակով: Բոլոր պատերը կառուցվել են համապատասխան սայրով՝ խուսափելու համար լրացուցիչ փոփոխականներից, ինչպիսիք են շինարարության եղանակները և հաշմանդամի աշխատունակությունը, որոնք սովորաբար առաջանում են նմուշների պատրաստման ընթացքում:
Փորձարարական Ծրագիր
Փորձարարական ծրագիրը ցույց է տրված Նկար 3-ում: Մեկ URM պատ՝ Co1, ծառայել է որպես վերահսկիչ նմուշ. CB1 պատը ամրացվել է 2 GFRP ձողերով յուրաքանչյուր երկրորդային հաշմանդամի հոդում՝ հակառակ կողմում; CB2 պատը նույնպես ուներ նույն քանակությամբ FRP ձողեր իր հետևի կողմում, ինչպես CB1-ը; CL1 պատը հագեցած էր CFRP թիթեղներով՝ 76.5 մմ (3 դյույմ) լայնությամբ յուրաքանչյուր 152.5 մմ-ում (6 դյույմ), ինչը հանգեցրեց ընդհանուր առմամբ 5 շերտի առջևի կողմում: CL2 պատը ամրացվել է CL1-ի նման, բայց նաև նույն քանակությամբ թիթեղներով հետևի կողմում՝ առջևի կողմին նման դիրքում:
Տարբեր կոնֆիգուրացիաների համար ամրացնող զրահի քանակը համարժեք է առանցքային կոշտության E.A (էլաստիկության մոդուլը բազմապատկված խաչմերուկի մակերեսով) առումով:
Նկար 3 – Փորձարկման Ծրագիր
Փորձարկման Կարգավորում
Նմուշները փորձարկվել են փակ օղակի մեթոդով: Երկու 30 տոննա տարողությամբ հիդրավլիկ բարձրացնող սարքեր ակտիվացվել են ձեռքի պոմպով և օգտագործվել են փորձարկվող պատի անկյունագծով էլեկտրական բեռ ստեղծելու համար: Բեռնման ընթացքում ուժը կիրառվել է պատին՝ վերին անկյունում տեղադրված պողպատե կոշիկի միջոցով և փոխանցվել է ստորին անկյունում՝ բարձր ամրության պողպատե ձողերի միջոցով նման սարքերին:
Բեռնման Գործընթաց
Նկար 4-ը ցույց է տալիս փորձարկման կարգավորումը: Բեռը կիրառվել է բեռնման ցիկլերով և արձակվել է յուրաքանչյուր 10 տոննայի դեպքում՝ համակարգի կայունությունը գնահատելու համար: Տվյալները հավաքվել են տեղային բջիջների և գծային փոփոխական դիֆերենցիալ տրանսդյուսերների (LVDTs) միջոցով և գրանցվել են DAYTRONTZ տվյալների հավաքագրման համակարգով՝ 1 Հց հաճախականությամբ: Պատերում տեղաշարժը և ճեղքերի բացումը հավաքելու համար յուրաքանչյուր պատի կողմի երկարությամբ տեղադրվել են երկու LVDT:
Նկար 4 – Փորձարկման Կարգավորում
Խզման Մեխանիզմ
Միակողմանի Հզորացում
Միակողմանի ամրացված պատերի համար ընդհանուր խզման մեխանիզմ է դիտարկվել (տե՛ս Նկար 5): Այդ խզումը զարգացել է երկու փուլով՝ մեկը հարթության մեջ, մյուսը՝ հարթությունից դուրս, ինչպես նկարագրված է ստորև.
(ա) Հարթության Ներսի Փուլ
Սկզբում ճեղք է առաջանում՝ հաշմանդամից շինարարական միավորների բաժանման պատճառով, որը տեղի է ունենում չամրացված կողմում և շարժվում է պատի հաստությամբ, մինչև շինարարական միավորի միջերեսում էպոքսիդային սոսինձի խզումը տեղի ունենա: Հետևաբար, պատը կոտրվում է, քանի որ ձգման սթրեսը երկար ժամանակ չի փոխանցվում FRP-ին: Պատը ճեղքվում է անկյունագծով, որին հաջորդում է հաշմանդամի հոդերի ճեղքումը, և առաջանում է կտրող և շերտավոր ճեղք (Նկար 6):
(բ) Հարթությունից Դուրս Փուլ
(Նկար 7) Չամրացված կողմում ճեղքերի բացումը ավելի մեծ է, քան ամրացված կողմում՝ ավելի շատ ճեղքերի պատճառով (Նկար 8):
Երկկողմանի Հզորացում
Պատի երկու կողմերի ամրացման դեպքում խզումը հանկարծակի է և ավելի արագ, քան նախկինում նկարագրված դեպքը: Խզումը տեղի է ունենում ավելի բարձր բեռի դեպքում (Նկար 8), ինչը պայմանավորված է ամրացման մեջ զրոյական էքսցենտրիկությամբ: Իրոք, պատի երկու կողմերում ամրացման առկայությունը վերացնում է խզման մեջ հարթությունից դուրս փուլը:
Այս ամրացված պատերում ամրացման առկայությունը հանգեցնում է շինարարական միավորների երկայնքով շարժվող անկյունագծային ճեղքերի ձևավորմանը (Նկար 9)՝ շերտավոր կտրող ճեղքի գործողության վրա ճնշում գործադրելու փոխարեն: Ճեղքը սովորաբար զարգանում է աշխատանքային նյութերի և FRP համակարգի վրա և տարածվում է հոդերի միջով՝ առանց իր ուղղությունը փոխելու: Այսպիսով, FRP-ի կողմից անկյունագծային ճեղքը կամրջող ձգման ուժերը մեծացնում են պատերի կտրող կարողությունը: Բացի այդ, կիրառված բեռների արդյունքում առաջանում է բաժանման վիճակ (CB2 պատ, Նկար 9) և սահման վիճակ (CL2 պատ, Նկար 12):
Նկար 5 – Միակողմանի Ամրացված Պատերի Ընդհանուր Խզման Մեխանիզմ
Նկար 8 – Պատերի Առջևի և Հետևի Կողմերում Ճեղքերի Բացում
Նկար 9 – Երկկողմանի Ամրացման Ճեղքի Գործողություն (Կենտրոնում Բաժանում)
Փորձարկման Արդյունքների Վերլուծություն
Հսկիչ Co1 պատի համար խզումը փխրուն և հանկարծակի էր, վերահսկվում էր շինարարական բաղադրիչների և հաշմանդամի միացմամբ: Բոլոր պատերը ձախողվել են կավի պատռման պատճառով, սակայն ամրացված պատերն ավելի մեծ ճկունություն են ցուցաբերել: Վերջին դեպքում, բոլոր ամրացված պատերի մեջ նյութի թուլացում դիտվել է միայն CL2 պատում, ինչը պայմանավորված էր հաշմանդամի հոդի սահմամբ: Կտրող կարողության առավելագույն աճը (մոտ 200%) գրանցվել է երկու պատերում (CB2 և CL2):
Ճկունության Հաշվարկ
Տարբերության և ամրացման տեսակը համեմատելու համար սահմանվել է կտրող դեֆորմացիայի վրա հիմնված չափանիշ: Ակնհայտ ճկունությունը՝ “M”, հաշվարկվել է հետևյալ (1) և (2) հարաբերություններով.
(1)
(2)
Սա ներկայացնում է վերջնական կտրող դեֆորմացիան և ընթացիկ կտրող դեֆորմացիան (համապատասխանում է թեքության փոփոխությանը՝ բեռի դիմաց կտրող դեֆորմացիայի դիագրամների համեմատ): Հաշվի առնելով երկայնական բեռից առաջացած դեֆորմացիաները որպես առաջնային դեֆորմացիաներ, առավելագույն կտրող դեֆորմացիան արտահայտվում է այդ փոփոխությունների գումարով, արդյունքները նշված են Աղյուսակ 2-ում:
Աղյուսակ 2 – Ակնհայտ Ճկունության Համեմատություն
Արդյունքների Մեկնաբանություն
Նկար 10-ը ցույց է տալիս հարթության ներսի բեռը ընդդեմ կտրող դեֆորմացիայի կորերը բոլոր փորձարկված պատերի համար: Աղյուսակ 2-ի և Նկար 10-ի հիման վրա, լավագույն կատարողականությունը դիտվում է CL2 պատում, որը ամրացված է երկու կողմերում սիմետրիկորեն բաշխված թիթեղներով: Սա բարձրացնում է և՛ վերջնական կարողությունը, և՛ ակնհայտ ճկունությունը: Ընդհանուր առմամբ, այս պատը ձախողվել է հինգերորդ հոդի սահմամբ՝ խզումից հետո: Բացի այդ, նշվում է, որ առավելագույն արժեքը համապատասխանում է CL պատերին, հավանաբար թիթեղների կողմից ծածկված ավելի մեծ տարածքի պատճառով՝ համեմատած ձողերի հետ:
Կատարողական Գործոններ
Կավե վահանակների համապատասխան վարքը՝ համեմատած նման բետոնե պատերի հետ, պայմանավորված է նրանով, որ հաշմանդամը կարող է ներթափանցել աղյուսների անցքեր՝ ստեղծելով ամուր և կոշտ համակարգ (տե՛ս Նկար 1): Սա առաջացնում է հաշմանդամի խարիսխի էֆեկտ, որը մեծացնում է պատի կարողությունը: Բաժանման խզումը (Նկար 9) սեղմված երկարությամբ կենտրոնական հատվածում CB2 պատում առաջացել է կավե աղյուսների և սիմետրիկ ամրացման տարածքի (#2 GFRP ձողեր երկու կողմերում) միջև բարձր սահմանափակման հետևանքով առաջացած շոշափելի սթրեսից:
Սահման խզումը (Նկար 12) CL2 պատում պայմանավորված էր վերջնական բեռի աճով (երկու կողմերում ամրացման առկայության պատճառով) և չամրացված հաշմանդամի հոդի միջերեսում ավելի ցածր ամրությամբ: Այնուամենայնիվ, այս դեպքում գրանցվել է կտրող կարողության ավելի մեծ աճ, քանի որ հորիզոնական թիթեղները սահմանափակել են շինարարական շերտերը, որտեղ տեղի է ունեցել սահումը, և ճեղքերը կամրջվել են վերին հոդերի երկայնքով (կամուրջ միացում):
