تکنیک مقاوم سازی لرزه ای با استفاده از الیاف کربن برای ساختمان های بتن مسلح

در این مطلب تکنیک های جدید مقاوم سازی با استفاده از الیاف کربن ارائه شده است. برای ستون های بتن مسلح موجود، یک روش ااستفاده از الیاف وجود دارد، که در آن رشته ها یا ورقه های فیبر کربن دورتا دور ستون‌ها پیچیده می شود و با رزین اپوکسی اشباع و عمل آوری میشود.

پس از زلزله 1995 کوبه در کشور ژاپن، دولت های ملی و محلی و جوامع مهندسی کانون توجهات را بر اهمیت مقاوم سازی لرزه ای متمرکز کردند و بدنبال آن استفاده از تکنیک‌های CFRP (پلاستیک‌های تقویت‌شده با الیاف کربن) در راس دستورات قرار گرفت زیرا این تکنیک‌ها باعث صرفه‌جویی در هزینه و زمان مقاوم‌سازی می‌شوند و سازوکار بسیار آسان و مناسبی دارند.

طرح کلی تکنیک های مقاوم سازی لرزه ای با استفاده از CFRP

خواص الیاف کربن

الیاف کربن الیاف بسیار ظریفی با قطر 7 میکرومتر و دارای خصوصیات عالی برای اعضای سازه هستند، به عنوان مثال، استحکام بالا، مدول الاستیک بالا، وزن سبک و دوام بالا. با این حال، الیاف کربن همانطور که در نمودار 1 آمده بسیار شکننده هستند و در مقایسه با فولاد بسیار گران می باشند. بنابراین، برای غلبه بر این نقاط ضعف نیاز به بررسی است.یک رشته الیاف کربن که از 12000 رشته ریز الیاف کربن تشکیل شده است،این ورق‌های الیاف کربن به دو صورت الیاف کربن تک‌جهته و الیاف کربن دوجهته در بازار موجود اند، که هر کدام کاربردهای گوناگونی دارد. رشته های الیاف کربن به طور مستقل بارگذاری می شوند که باعث تمرکز تنش بر روی چند رشته می شود. از آنجایی که الیاف کربن شکننده هستند، رشته‌های دارای تنش متمرکز قبل از اینکه به تنش تسلیم برسند به راحتی می‌شکنند. بنابراین، رزین اپوکسی با الیاف کربن اشباع می شوند تا الیاف CFRP تولید شود. رزین آغشته شده، رشته های الیاف کربن را در CFRP یکپارچه می کند و تمرکز تنش را کاهش می دهد.

CFRP درست مانند الیاف کربن قوی اما شکننده است. بنابراین، CFRP را نمی توان برای یک ماده جاذب انرژی که در طراحی ساختمان های فعلی مقاوم در برابر زلزله بسیار مهم است، استفاده کرد. برای سازه های بتن مسلح، CFRP را نمی توان بعنوان میلگردهای طولی در نواحی مفصل پلاستیک که نقش دستگاه های جذب انرژی را ایفا می کنند، استفاده کرد.  با این حال، CFRP را می توان برای آرماتور عرضی که تغییر شکل پلاستیک برای آن مورد نیاز نیست، و برای تقویت طولی در منطقه ای که تغییر شکل پلاستیک بزرگ مورد انتظار نیست، استفاده کرد.

رفتار اعضای مقاوم سازی شده

در بسیاری از موارد در ژاپن، تکنیک آرماتور برشیCFRP برای ستون‌ها استفاده می‌شود، زیرا چنین ستون‌های قدیمی آرماتور عرضی ضعیفی دارند و باعث فروریختن ناگهانی کل ساختمان می‌شوند، همانطور که در زلزله کوبه در ژاپن مشاهده شد. بر روی ستون‌های بتن مسلح موجود، الیاف کربن پیچیده می‌شوند، الیاف را با رزین اپوکسی اشباع و عمل آوری می کنند و پس از عمل آوری، الیاف CFRP که حالا نقش آرماتور عرضی را بازی می کنند مقاومت برشی و شکل پذیری ستون ها را بهبود می بخشد.

دو روش برای این مقاوم سازی وجود دارد. یکی روش رشته ای (کلاف) است که از ماشین برای پیچیدن رشته های فیبر کربن استفاده می کند، و دیگری روش ورقی است که با چیدن دستی ورق های الیاف کربنی استفاده می شود. از نتایج آزمایش، هر دو روش تقریباً عملکرد ساختاری یکسانی دارند.

روش نصب الیاف کربن روی سطوح

نصب الیاف CFRP به روش لایه‌ای (نگاه کنید به شکل 4a ) در این روش برای مقاوم سازی ستون، از یک ماشین استفاده می شود، همانطور که در عکس 1 نشان داده شده است. این دستگاه که به فضای کافی در اطراف ستون مقاوم‌سازی شده نیاز دارد، رشته‌های الیاف کربن را سریع و دقیق می‌پیچد. نیروی کششی کمی، به رشته وارد می شود، رزین اپوکسی آغشته می شود و رشته به ستون تنیده می شود. از آنجا که ماشین به دور ستون می چرخد و به سمت بالا یا پایین حرکت می کند، رشته مانند یک حلقه پیوسته و مارپیچی پیچیده می شود.

نصب الیاف CFRP به صورت ورقی(نگاه کنید به شکل 4b) در این روش برای مقاوم‌سازی ستون، از روش لایه‌چینی دستی استفاده می‌شود، همانطور که در عکس 2 نشان داده شده است. دو یا سه نفر رزین اپوکسی را روی سطح ستون مقاوم‌سازی شده رنگ می‌کنند، ورق های فیبر کربن را در جهت افقی می چرخانند و ورق ها را برای آغشته شدن به رزین و تماس محکم با سطح بتن فشار می دهند. این روش را می توان برای ستون هایی که فضای کار در اطراف آنها زیاد نیست اعمال کرد. روی داربست بالابر، ورق های فیبر کربن در جهت عمودی چسبانده شده اند (عکس 3 را ببینید). پس از تقویت خمشی، از روش کلاف برای محصور کردن بتن و تقویت دودکش در برابر تنش حرارتی استفاده می شود.

گسیختگی CFRP از سطح بتن

تست گسیختگی

برای به دست آوردن استحکام پیوند بین CFRP و بتن، آزمایشات پیوند انجام شده با استفاده از نمونه ها همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است. دو ورق CFRP به صورت متقارن ارائه شد و هر ورق CFRP  بر روی سطحی از نمونه های بلوک بتنی چسبانده شد تقسیم شده توسط بریدگی های القا کننده ترک. متغیر اصلی آزمون گسیختگی طول CFRP می باشد، یعنی ابعاد به طول 50، 100، 150، 200، 250 و 300 میلی‌متر. نیروی کششی یکنواخت به نمونه ها اعمال شد.

شکل 10 نشان دهنده توزیع الگوهای متفاوت CFRP است. پس از ترک خوردگی، یک ناحیه کششی بزرگ از مرکز نمونه (= نقطه ترک) تا دو سر CFRP ایجاد شد. با این حال، زمانی که طول پیوند بزرگتر از 150 میلی متر بود حداکثر کشش ورق CFRP چندان پراکنده نبود و حداکثر بار افزایش نیافت.

شکل (9) آزمایش نمونه برای رفتار پیوند بین CFRP و بتن

تکنیک های مقاوم سازی با استفاده از CFRP به طور گسترده در ژاپن به عنوان یکی از اقدامات تقویت لرزه ای برای ساخت ستون ها و تیرها، دودکش ها و ستون های پل گسترش یافته است. این تکنیک ها البته مشکل جدا شدن CFRP از سطح بتن را دارند. گسیختگی معمولاً تأثیری بر رفتار ستون‌های ساختمانی مقاوم‌سازی شده ندارد، اما بهبود توسط CFRP چسبانده شده در جهت طولی را محدود می‌کند.

رفتار و قدرت گسیختگی با آزمایش‌ها و تحلیل‌های بارگذاری مورد بحث قرار گرفت.

تحقیقات آتی هنوز برای به دست آوردن اطلاعات دقیق تر در مورد گسیختگی، به عنوان مثال، تأثیر مقاومت بتن، ارزیابی استحکام باند ناشی از شکستگی و رویکرد مکانیکی مورد نیاز است..