سخنرانی علمی با موضوع :

مقاوم سازی پایه پلهای بتنی مسلح با استفاده

FRPاز کامپوزیت

محمد پارسائی

1390اردیبهشت

فهرست

مقدمهبخش اول:

FRP مقاوم سازی و معرفی کامپوزیت بخش دوم:

مقاوم سازی ستونها در برابر بار بخش سوم:محوری

مقاوم سازی لرزه ای ستونها بخش چهارم:

جمع بندی بخش پنجم:

فصل اول

مقدمه

مقدمه

پله�ای ق�دیمی از مص�الح موج�ود در ط�بیعت مث�ل س�نگ، چ�وب س�اخته می

شدند.

و س�پس پله�ای پله�ای فل�زیش�روع ق�رن بیس�تم هم�راه ب�ا اس�تفاده وس�یع از

بتن مسلح می باشد.

پلها از نقطه نظر مصالح:

پلهای چوبی

پلهای سنگی

پلهای فلزی

پلهای بتنی

پلهای بتنی مسلح و ...

مقدمهطراح�ان و مهندس�ان از بس�یاری عقی�ده ب�ه

س�ازه ای، پ�ل در دس�ته س�ازه ه�ای س�اده ق�رار

می گیرد.

این س�ادگی منج�ر ب�ه ض�ریب اطمین�ان ب�االیی در

پیش بینی پاسخ لرزه ای پل می شود

همین س�هولت منتج ب�ه اف�زایش حساس�یت در

خطاهای طراحی نیز می شود

ش�ناخت روش�نی از مش�کالت ب�القوه پله�ا بس�یار

ضروری است

در پله�ا س�ازه ب�ه وارده ه�ای آس�یب بررس�ی

زمین لرزه های اخیر

آسیب های وارده به پلها در زلزله های مهم اخیر

عموم گرایشها در قدیم به طراحی االستیک بوده است

نیروهای جانبی کم و جابجائی های لرزه ای اندک

نتیج�ه مس�تقیم جابج�ائی ه�ای کوچ�ک ل�رزه ای، فاص�له ناک�افی بین س�ازه

های همجوار ست که منجر به ضربه زدن آنها به هم می شود.

این روش ط�راحی ب�اعث می ش�ود ک�ه س�طح تنش ه�ای مج�از پ�ائین باش�د و

در نتیج�ه مق�اومت نه�ایی ن�یز ک�اهش یاب�د. بن�ابراین ل�زوم تغی�یر آئین نام�ه ه�ا

ضروری به نظر می رسید.

آسیب های وارده به پلها در زلزله های مهم اخیر

Loma Prietaزلزل������ه (1989)

آسیب های وارده به پلها در زلزله های مهم اخیر

Northridge (1994)زلزله

آسیب های وارده به پلها در زلزله های مهم اخیر

Kobe (1995)زلزله

فصل دوم

مقاوم سازی و

FRP معرفی کامپوزیت

مقاوم سازی چیست ام�روزه نگه�داري از س�ازه ه�ا ب�دليل هزين�ه س�اخت و تعم�ير بس�يار ح�ايز

اهميت مي باشد

اش�تباهات ط�راحي و محاس�به، ع�دم اج�راي مناس�ب، تغي�ير ك�اربري س�ازه و بتن تص�ادفي، خ�وردگي باره�اي وارد ش�دن از ناش�ي آس�يب ديدگي ه�ا، e تغي�ير آئين نام�ه ه�اي ف�والد و ش�رايط محيطي از دوام آنه�ا مي كاه�د. ض�منان�يز اطمين�ان مي ش�ود) و ض�رايب بارگ�ذاري در تغي�ير (ب�اعث س�اختماني س�بب ارزي�ابي و ب�ازنگري مج�دد ط�رح و س�ازه ه�ا مي گ�ردد ت�ا در ص�ورت

لزوم بهسازي و تقويت شوند.

مق�اوم س�ازی در علم مهندس�ی عم�ران ب�ه معن�ای ب�اال ب�ردن مق�اومت ی�ک سازه در برابر نیروهای وارده می باشد.

منظ�ور از اص�طالح "مق�اوم س�ازی" ب�ه ط�ور قط�ع ب�االبردن مق�اومت در بلک�ه منظ�ور بهب�ود عملک�رد اج�زای س�ازه در ، براب�ر ن�یروی زلزل�ه نیس�ت

"بهس�ازی" و در ح�الت خ�اص واژهبراب�ر ن�یروی زلزل�ه اس�ت. ب�ه همین دلی�ل د. برای نیروی زلزله، "بهسازی لرزه ای" اصطالح درست تری می باش

مقاوم سازی چیست

روش های مقاوم سازی دو دسته اند:

اضافه کردن دیوار برشی، میانقاب و سیستم های مهار بندیروشهای کلی مانند:

مقاوم سازی چیست

جکت بتنی، جکت فوالدی و استفاده از روشهای موضعی مانند:

مواد کامپوزیت

روشهای معمول تقویت ستونها

خرابی اکثر پلهای طراحی شده با آیین نامه های مدون قبل از

1970دهه

فوالده�ای کمب�ود تس�لیم، ح�الت ب�ه ط�ولی میلگرده�ای نرس�یدن

عرضی محصورکننده، افزایش بار وارده به پلها با گذشت زمان

تغییر آیین نامه های طراحی به دالیل فوق

د یا ز

لهص

فاها

وتام

خ

روشهای معمول تقویت ستونهاده��ه تا از دو 1990پیش ،

روش مرس�وم م�رمت موض�عی

س�تونهای س�ازی مق�اوم ب�رای

وج�ود کف�ایت بی مس�لح بتن

داشت.

ی��ک اج��رای بتن یکی غالف

س�تون مس�لح دور ب�ه اض�افی

از اس�تفاده دیگ�ری و موج�ود

ب�ا تزری�ق دوغ�اب غالف ف�والدی

ن�ام ب�ه کالس�یکک�ه روش�های

شناخته شدند.

غالف فوالدی

غالف بتن مسلح

روشهای معمول تقویت ستونها اس�تفاده از جكته�اي بت�ني ب�دليل مش�كالت اج�رايي، ب�اال ب�ودن م�دت اج�را،

نگه�داري، اف�زايش بع�د س�تون و ع�دم هم�اهنگي ب�ا معم�اري س�ازه روش

مناسبي نمي باشد.

جکته�ای ف�والدی ن�یز دارای مش�کالت خ�اص خ�ود می باش�ند؛ ب�ه دلي�ل ب�اال

توس�ط باره�اي مح�وري از ب�زرگي بخش ف�والد االستيس�يته م�دول ب�ودن

جكت ف�والدي تحم�ل ش�ده ك�ه منج�ر ب�ه كم�انش زود هنگ�ام ف�والد مي ش�ود.

اختالف اين و ب�وده بتن از بيش�تر ف�والد پواس�ون ديگ�ر ض�ريب از س�وي

فع�ال ش�دن در ت�اخير و يك�ديگر از م�اده دو ج�دا ش�دگي ب�اعث انبس�اط

محص�ور ش�دگي مي ش�ود. مش�كالت ناش�ي از خ�وردگي، نص�ب و اج�راي

ورقهاي فوالدي نيز از ديگر معايب جكتهاي فوالدي مي باشد.

FRPمعرفی کامپوزیت روش�ی عن�وان ب�ه ه�ا ک�امپوزیت از اس�تفاده

ک�ه ستونهاس�ت تق�ویت در ب�ه FRPن�وین ن�یز

ای این کامپوزیته�ا س�هم عم�ده از عن�وان یکی

در این پروسه دارد.

FRP ب�راي مق�اوم س�ازی س�ازه هاي بت�ني e اساس�ا

مورد استفاده قرار مي گيرد

اولین ب�ار در س�ال FRP اس�تفاده از ورق ه�ای

در سوئیس 1984

ب�رای تج�اری ب�ه ط�ور ک�امپوزیت از اس�تفاده

توس�ط جه�ان در ه�ا س�ازه بهس�ازی و تعم�یر

ژاپنی ها

FRPمعرفی کامپوزیت

داشتن نسبت مقاومت به وزن باالی FRP بزرگترین مزیت ورق های آنهاست.

% 20 برابر ورق های فوالدی با وزنی معادل 10 تا 2 مقاومتی حدود ورقهای فوالدی

استفاده کمتر در مهندسی عمران به دلیل هزینه باالی آن تا چند سال گذشته

FRPمعرفی کامپوزیت

از ترکیب فیبر و رزین بوجود می آیند.FRPکامپوزیت های

به سه دسته تقسیم می شوند:FRPبسته به نوع فیبر مود استفاده قرار گرفته، کامپوزیت های

(GFRP)پلیمر مسلح فیبر شیشه ای

(CFRP)پلیمر مسلح فیبر کربنی

(AFRP)پلیمر مسلح فیبر آرامید

و ن�واری دو ص�ورت به رشته ای

مورد اس�تفاده ق�رار می گیرند.

FRP ویژگی های مکانیکی کامپوزیت

- تنش رفت�ار و ب�وده ب�االئی بس�یار مق�اومت کشش�ی دارای الی�اف این

کرنش این الیاف بصورت خطی می باشد.

شکل پذیری فوالد بیش از مواد کامپوزیت می باشد.

الیاف تا لحظه گسیختگی رفتار خطی دارد.

ه�ا مق�اوم ش�ده FRP ش�کل پ�ذیری اعض�ای بتن مس�لح را ک�ه ب�ا اس�تفاده از

اند، محدود می شود.

آنه�ا این مص�الح می توانن�د بط�ور قاب�ل ت�وجهی ب�ه علت ت�رکیب رزین در

مقاومت و شکل پذیری ستونها را افزایش دهند.

در مقاوم سازی FRPمقایسه عملکرد انواع کامپوزیت هایسازه ها

CFRP > GFRP > AFRPنتیجه :

تنش - كرنش بتن محصورشده بوسيله الياف پليمريرفتارe ش�امل منح�ني تنش - ك�رنش بتن محص�ور ش�ده اساس�ا

دو بخش است

شیب مثبت و خطی پالستیک

ی ط

خش

خ ب

نود

ب� ق

طب�من

و ه

�دش

ر �و

صحم

ن بت

ورص

حام

ن ن بت

فصل سوم

مقاوم سازی ستونها در برابر بار محوری

FRP روش های مقاوم سازی با کامپوزیت

(Wrapping). دورپیچی 1

FRP( filament winding). پوشش دادن با استفاده از الیاف 2

آماده3 صفحات از استفاده با دادن پوشش .FRP )prefabricated shell jacketing(

FRP رفتار واقعی ستونهای بتنی پوشیده شده با

FRPدر س�تون دای�ره ای ح�داکثر فش�ار پوش�ش توس�ط مق�اومت و مق�دار ب�ه ک�ه ش�ود می و FRPایج�اد

همچنین به قطر بتن پوشش داده شده بستگی دارد

d

f

d

tff frpfrpfrpfrpL

2

d

t

d

dt frpfrpfrp

4

4/2

ناش�ی افقی فش�ار از پوشش

حجمی چگ��الی FRP

ه ک�

چن�انهم

FRP

ع ط�مق

ی ش�

ش کت

ومق�ا م

د، ده�

ی م

شزای

اف�ه لق�

حاد

ت�دام

در را

ه ک�

د س�

ر ی م را

ف�ی

�انزم

ز ن�ی

ت س�

شک

ود ی خ�

ه�ائد ن

ه ح�ه ب�

لق�ی ح

ش�ش کت

ومق�ام

سدبر

FRPمقاومت فشاری بتن پوشیده شده با

co

L

co

cc

f

fk

f

f

11

جهت طراحی مقاوم سازی ستون ها بایستی بتوانیم مقاومت ترکیب بتن با

FRP.را محاسبه کنیم

معادله روبرو اولین بار در ارتباط با بتن های پوشش داده شده در سال

ارائه شد :1928

d

tf

E

E

d

tfff frpfrp

c

frpfrpccococc

221.3

چن�دین م�دل مق�اومتی در س�الهای اخ�یر و ب�ا اس�تفاده از همین رابط�ه ارائ�ه ش�د

انجام گرفته بود : k1که در آنها اصالحاتی بر روی ضریب

Giaoمدل نهایی ارائه شده توسط

مروری بر مدل های تنش - کرنش

(1)1 cccccc

ccc fE

E

co

frpfrpcc fd

tE

20005.0002.0

ب�ا و 1982 در س�ال FRPاولین م�دل تنش - ک�رنش ب�رای بتن جکت ش�ده ارائه شد : Khalili و Fardisتوسط

برای کرنش محوری 1997 و همکارانش در سال Seible رابطه پیشنهادی: FRPنهایی بتن با جکت

cc

rupfrpfrpfrpcu f

f

,8.2

004.0

.دانشمندان روابط تنش – کرنش بیشتری ارائه دادند

Teng و Lamمدل تنش – کرنش

بعن�وان ی�ک م�دل س�اده ولی ص�حیح و ک�اربردی انتخ�اب می Teng و Lamمدل شود.

فرضیات مدل :منح�نی 1. (اول اس�ت ک�رنش س�همی ش�کل - تنش منح�نی اول قس�مت

بصورت خطی شروع می شود).قسمت دوم منحنی تنش - کرنش بصورت خطی می باشد.2.نح�وه اتص�ال دو منح�نی ب�ه هم بص�ورت ن�رم و ت�دریجی اس�ت (یع�نی هیچ 3.

تغییری در فرم دو قسمت منحنی هنگام اتصال به هم وجود ندارد).امت�داد قس�مت دوم منح�نی، مح�ور ق�ائم (تنش) را در مق�اومت فش�اری 4.

بتن غیر پوششی قطع می کند.انته�ای قس�مت دوم منح�نی نقط�ه ای اس�ت ک�ه در آن مق�اومت فش�اری 5.

نهایی و کرنش محوری نهایی همزمان اتفاق می افتند.

Teng و Lamمدل تنش – کرنش

1

23

4

5

فصل چهارم

مقاوم سازی لرزه ای ستونها

FRPمبنای مقاوم سازی با کلی�دی اعض�ای مس�لح، بت�نی س�تونهای

مق�اوم در در براب�ر باره�ای افقی و ق�ائم در

ل�ذا آین�د می ش�مار ب�ه بت�نی ه�ای س�ازه

مق�اوم ک�ردن آنه�ا در براب�ر نیروه�ای زلزل�ه

می توان�د نقش مهمی را در مق�اوم س�ازی

کل سازه ایفا نماید

ب�ا س�ازی مق�اوم روش�های FRP طب�ق

Matsudaنظریه

الف) مقاوم سازی جهت افزایش مقاومت؛

ش�کل اف�زایش ب�رای س�ازی مق�اوم ب)

پذیری؛

FRPمبنای مقاوم سازی با

جکت از اول روش FRPدر

بص�ورت ط�ولی اس�تفاده می ش�ود

ت�ا مق�اومت خمش�ی س�تون اف�زایش

یاب�د ولی در روش دوم بص�ورت قی�د

اس�تفاده می ش�وند ت�ا ش�کل پ�ذیری

س�تون اف�زایش یاب�د یع�نی در جهت

می پیچی��ده س��تون دور عرض��ی

توانن�د می روش دو ه�ر ش�وند.

عض�و در را ان�رژی ج�ذب ق�ابلیت

مقاوم شده باال ببرند

مودهای شکست ستونهای بتنی تحت اثر بارهای لرزه ای

ارائ�ه ش�ده توس�ط از Seibleسه م�ود شکس�ت ناش�ی بت�نی ب�رای س�تونهای

بارهای لرزه ای:

برشیشکست 1.

خمشیشکست موضعی یا پوششی در ناحیه مفصل پالستیک 2.

(وصله پوششی) در امتداد میلگردهای طولیموضعیشکست 3.

شکست برشی

نامطلوبترین م�ود شکس�ت، م�ود شکس�ت برش�ی می باش�د. در این ن�وع م�ود

آن از پس و ش�وند می ایج�اد س�تون در قط�ری ه�ای ت�رک ابت�دا شکس�ت

آی�د، س�پس بوج�ود می میلگرده�ای عرض�ی در بازش�دگی از هم ی�ا شکس�ت

کم�انش در میلگرده�ای ط�ولی رخ می ده�د ک�ه نتیج�ه این رون�د ی�ک شکس�ت ت�رد

و لحظه ای است

ی ها

ردلگ

مین

ود بی

افاک

ن

یض

عری

ویتتق

این ن�وع م�ود شکس�ت دراث�ر زلزل�ه شکست ناشی از ایجاد مفصل پالستیک خمشی

دلی�ل و باش�د می معم�ول بس�یار

آن، ایج�اد ی�ک مفص�ل پالس�تیک در

انته�ای س�تون می باش�د ک�ه مح�دود

به یک ناحیه کوچک می شود.

ش�دن کن�ده ب�ا م�ود شکس�ت این

ش�ود، می ش�روع بت�نی پوش�ش

س�پس شکس�ت خاموته�ا و کم�انش

خ��واهیم را ط��ولی میلگرده��ای

e ن�وع شکس�ت عموم�ا این داش�ت.

پالس�تیک تغی�یر ش�کلهای از ناش�ی

بن�ابراین باش�د، می ب�زرگ خیلی

بس�یار ش�کل پ�ذیر ب�وده و نس�بت ب�ه

م�ود شکس�ت برش�ی مطل�وب می

باشد.

شکست موضعی یا وصله پوششیآنه�ا در ک�ه افت�د می اتف�اق س�تونهایی در بیش�تر شکس�ت م�ود ن�وع این میلگرده�ای ط�ولی در ن�واحی لنگ�ر م�اکزیمم و دو انته�ای س�تون متمرک�ز می ش�وند. این ن�وع میلگردگ�ذاری ب�اعث می ش�ود ت�ا مفص�ل ه�ای پالس�تیک در نق�اط ب�ا لنگ�ر م�اکزیمم اتف�اق افت�د. در اث�ر باره�ای ل�رزه ای نق�اط موض�عی ممکن اس�ت کن�ده ش�ود ک�ه این ام�ر منج�ر ب�ه ک�اهش یکپ�ارچگی و توان�ایی س�ازه ب�رای تحم�ل تغی�یر ش�کل ه�ای غ�یر ارتج�اعی ب�زرگ ش�ده و درنتیج�ه

ظرفیت جذب انرژی سازه را کاهش می دهد.س��تونها، این ای ل��رزه تق��ویت

ه�ای توان�د FRPک�امپوزیت می جهت ایج�اد ن�یروی گ�یرداری ب�رای همپوش��انی ط��ولی آرماتوره��ای ام�ر این ک�ه اس�تفاده ش�ود ش�ده و پ�ذیری ش�کل اف�زایش م�وجب ظ�رفیت ج�ذب ان�رژی س�تونها می

شود.

شکست برشی خمشی ستونها

ی�ک به ج�ز س�ه م�ود شکس�ت بحث ش�ده،

قط�ع از ناش�ی ن�یز دیگ�ری شکس�ت م�ود

میلگرده�ای ط�ولی در نق�اط انته�ایی س�تون

و خ�ارج از ناحی�ه مفص�ل پالس�تیک اتف�اق می

افتد.

قط��ع ب��ا شکس��ت م��ود این بن��ابراین

از زی�ادی فاص�له در ط�ولی میلگرده�ای

میلگرده�ا cutt offانته�ای س�تون و در مقط�ع

اتفاق می افتد.

روش های مقاوم سازی با الیاف افقیFRPجکت

تحت اث�ر نیروه�ای برش�ی، تنش ه�ای کشش�ی

FRP .ب�ه مق�اومت برش�ی عض�و کم�ک می کنن�د

مق�اومت و ک�رنش FRPتحت خمش، پوش�ش

اف�زایش ده�د. می اف�زایش را بتن نه�ایی

ک�رنش نه�ایی بتن در مق�اوم س�ازی ل�رزه ای

بس�یار مهم می باش�د، چ�را ک�ه ب�اعث اف�زایش

ش�کل پ�ذیری عض�و در ناحی�ه غ�یر االس�تیک می

ش�ود. جهت مق�اوم س�ازی برش�ی الزم اس�ت

ت�ا س�تون در ک�ل ارتف�اع پوش�انده ش�ود. ولی

ب�رای مق�اوم س�ازی در براب�ر مفص�ل پالس�تیک

پوش�ش موض�عی، بص�ورت FRPو شکس�ت

موض�عی در ن�واحی م�ورد نی�از ک�افی می باش�د.

روش های مقاوم سازی

افقی اف�زایش FRPپوش�ش ب�اعث

و ش�ود می عض�و خمش�ی ظ�رفیت

ن�یز مح�وری ب�ار دارای مقط�ع اگ�ر

باش�د، اس�تفاده از پوش�ش عرض�ی و

باش�د. م�ؤثر بس�یار توان�د ط�ولی می

ط�ولی ک�ه FRPپوش�ش م�وقعی ،

ان�د، ش�ده قط�ع ط�ولی میلگرده�ای

توصیه شده است

شکل پذیری خمشی ستونهای مقاوم شده

y

u

y

u

هدف از مق�اوم س�ازی س�تونهای بت�نی، اف�زایش ش�کل پ�ذیری اس�ت ت�ا ان�رژی ل�رزه ای قب�ل از مش�اهده یکی از موده�ای شکس�ت، مس�تهلک ش�ود. ف�اکتور ش�کل پ�ذیری ب�ر اس�اس تغی�یر مک�ان ک�ه م�یزان ش�کل پ�ذیری س�ازه و ی�ا عض�و را

بیان می کند از رابطه زیر بدست می آید:

yup

yup

فاکتور شکلپذیری

فاکتور شکل پذیری چرخشی

جابجایی و منحنی پالستیک

شکل پذیری خمشی ستونهای مقاوم شده

تغییر شکل پالستیک ستونهای بتنی مسلح تحت اثر بارهای لرزه ای (الف) ستون؛ (ب) لنگر؛ (ج) ضریب منحنی؛ (د) تغییر شکل

ناحیه مفصل پالستیک

شکل پذیری ستونهای بتنی مقاوم شده

5.35.2 برای ستونهای بتنی با خاموت کم

FRP6برای ستون تقویت شده با استفاده از پوشش

توصیه طراحی

از آنج�ایی ک�ه م�ود شکس�ت مطل�وب، م�د شکس�ت خمش�ی اس�ت؛ بای�د ط�راحی جهت تق�ویت ط�وری ص�ورت گ�یرد ک�ه شکس�ت برش�ی را ب�ه س�مت شکس�ت

خمشی هدایت کند، به عبارتی طول مفصل پالستیک را افزایش دهد.

شکست برشی بعد از بارگذاری

تقویت ستون با FRP

شکست خمشی با همان بارگذاری

فصل پنجم

نتیجه گیری و هدف

جمع بندی

در ارزی�ابی آس�یب پ�ذیری، پله�ا ب�ا مص�الح ق�دیمی ناش�ناخته، ال�وار، آج�ر و مص�الح بن�ایی ب�دون توج�ه ب�ه مشخص�ه ه�ای دیگ�ر پ�ل بای�د در رده آس�یب پ�ذیر

قرار گیرند. وزن کم�تر، مق�اومت بیش�ترو راح�تی ک�ار در س�تونهای بت�نی پله�ا از مزای�ای

نسبت به جکت فوالدی است.FRPکامپوزیت ب�ه علت ع�دم ش�کل اک�ثر م�وارد بت�نی در پله�ای پای�ه ه�ای پ�ذیری آس�یب

پذیری، مقاومت خمشی ناکافی و شکست های برشی می یاشد. شکس�ت ه�ای برش�ی نس�بت ب�ه گس�یختگی ه�ای خمش�ی خطرناکترن�د و ب�ه

طور ناگهانی در جابجایی های غیر الستیک کمتری رخ می دهند. دورگ�یری ناحی�ه مفص�ل پالس�تیک ب�ا خ�اموت ب�رای ت�أمین ش�کل پ�ذیری پای�ه از

اهمیت خاصی برخوردار است. در ط�راحی مق�اومتی بای�د م�ود شکس�ت خمش�ی را ب�ه س�مت م�ود شکس�ت

خمشی هدایت کرد.