رفتار باند پس از آتش سوزی آرماتورها

بتن پرکاربردترین ماده کامپوزیتی در سراسر جهان است. عمر نسبتاً طولانی، مقرون به صرفه بودن، مقاومت فشاری بالا، سازگاری با قالب در اشکال و اندازه های دلخواه قبل از سخت شدن، عایق بودن، غیر قابل احتراق و مهمتر از همه متقابل بودن آن با آرماتور، بتن را به مصالح ساختمانی پذیرفته شده جهانی تبدیل می کند.

کاربرد بتن مسلح به عنوان یک ماده ساختاری از ترکیب بتن قوی و نسبتاً بادوام در فشار با فولاد تقویت‌کننده که در کشش قوی و انعطاف‌پذیر است، ناشی می‌شود. انتقال مناسب بار که به پیوند بین بتن و فولاد گفته می شود، برای حفظ عملکرد ترکیبی بین آنها لازم است و باید برای عملکرد مناسب یک سازه یا یک عضو سازه اطمینان حاصل شود.

به طور کلی، یک سازه بتن مسلح برای طول عمر طراحی شده است و انتظار می رود در این مدت عملکرد خود را به خوبی انجام دهد. با این حال، ممکن است چندین شرایط نامطلوب مانند قرار گرفتن در معرض دمای بالا به دلیل حادثه آتش سوزی در طول عمر مفید خود قرار گیرد و عملکرد سازه ممکن است متعاقباً در مقایسه با حالت عادی متفاوت باشد. به عنوان مثال، تحقیقات انجام شده توسط Bažant و همکاران، 2002 [1]، Corley، 2004 [2] و Quintiere 2004 [3] در مورد حمله به مرکز تجارت جهانی نیویورک، آشکار بود که آسیب سازه ها به شدت بوده است. تحت تأثیر انتشار آتش در منطقه آسیب دیده پس از حمله. مطالعه ارائه شده توسط کاوالینی و همکاران. [4] در مورد آتش سوزی فاجعه بار برج گرنفل در لندن،

با اختراعات و به کارگیری تکنیک های مدرن برای اطفاء کارآمد آتش و مقاومت نسبتاً بالای بتن مسلح در برابر بارهای آتش سوزی، ریزش سازه های بتن آرمه در اثر آتش سوزی نادر است.

بنابراین، به عنوان پیامدهای آتش سوزی دو احتمال وجود دارد: 1) تخریب کل سازه و بازسازی آن، یا 2) ارزیابی ساختار از نظر یکپارچگی پس از آتش سوزی و بازیابی آن از طریق بازسازی و مقاوم سازی در صورت نیاز. اگر بتوان از ظرفیت پس از آتش سوزی به درستی اطمینان حاصل کرد، استفاده مجدد از ساختار در معرض آتش راه حل سریعتر و اقتصادی تر است. از سوی دیگر، کل فرآیند تخریب و بازسازی یک سازه منجر به زیان اقتصادی هنگفتی می شود. از این رو، توسعه روش‌هایی برای ارزیابی قابل اعتماد ظرفیت پس از آتش سوزی یک سازه یا یک عضو سازه بسیار مرتبط است و می‌تواند با اطمینان از ادامه استفاده ایمن از سازه‌ها از خسارات مالی قابل توجه جلوگیری کند.

پس از یک حادثه آتش سوزی، مناسب بودن سازه برای درمان بازسازی باید قبل از نزدیک شدن به آن اطمینان حاصل شود. یکی از نکات مهم در ارزیابی، ارزیابی اثرات دمای بالا بر ظرفیت باند باقیمانده است. تحقیقات گسترده‌ای تاکنون در مورد تأثیر دماهای بالا بر خواص مواد (هم برای فولاد و هم برای بتن) و بر عملکرد پیوند انجام شده است. با این حال، تنها مطالعات بسیار کمی بر روی اثرات آتش سوزی بر تخریب پیوند متمرکز شده اند. هنگامی که یک سازه بتنی در معرض گرادیان های دمایی بسیار بالا مانند آتش سوزی قرار می گیرد، ایجاد ترک های حرارتی متعدد به دلیل گرادیان دمایی بسیار بالا بین سطوح بیرونی و داخلی بتن ممکن است منجر به تخریب عظیم ظرفیت پیوند شود.

برنامه های تحقیقاتی متعددی در زمینه رفتار پیوند بین فولاد تقویت کننده و بتن در شرایط محیطی انجام شده است. این در نهایت منجر به توسعه کدها و دستورالعمل هایی برای ارزیابی رفتار شد. به عنوان مثال، فیبکد مدل 2010 [5]، یک رابطه تحلیلی تنش لغزش پیوند در دمای اتاق را با در نظر گرفتن تأثیرات پارامترهای مختلف مانند مقاومت بتن، پوشش بتن، قطر میله، فاصله آرماتورهای عرضی و غیره ارائه می‌کند. یوروکد 2 [6]، [7] ، [8]، همچنین مدلی برای محاسبه تنش باند نهایی میلگردهای آجدار در دمای اتاق با در نظر گرفتن تأثیر چندین پارامتر مانند عیار بتن، پوشش بتن، قطر میلگرد، محصور شدن توسط آرماتور عرضی، تأثیر فشار عرضی و غیره ارائه می دهد. مقررات را می توان در سایر استانداردها و دستورالعمل ها نیز یافت (ACI-318) [9]. با این حال، تاکنون هیچ دستورالعمل روشنی در هیچ استانداردی برای ارزیابی تخریب استحکام باند در حین یا پس از حادثه آتش سوزی در دسترس نیست.

اگرچه ارزیابی رفتار پیوند پس از آتش سوزی بسیار مهم است، اما تحقیقات تجربی در این زمینه وجود ندارد، زیرا این موارد زمان بر و گران هستند. با این حال، تحقیقات خوبی در مورد موضوع پیوند در دمای بالا (آزمایش‌های حالت پایدار، نه آتش‌سوزی) وجود دارد. اکثر تحقیقات موجود تا کنون در این زمینه عمدتاً با گرم کردن یک نمونه بیرون‌کش معمولی با در نظر گرفتن گرمایش آهسته و سپس بارگذاری آن تا شکست تا دمای مطلوب انجام شده است [10]، [11]، [12]، 13]، [14]. فهرست فقط مثالی است و جامع نیست. همه نویسندگان تمایل مشابهی را برای تخریب استحکام پیوند مشاهده کردند که تقریباً با کاهش مقاومت فشاری در دماهای بالا مطابقت دارد.

حداد و شانیس [16] رفتار پیوند پس از آتش سوزی را در بتن با مقاومت بالا با استفاده از نمونه های کششی و مکعبی و قرار دادن آنها در دمای 600 درجه سانتی گراد تا 800 درجه سانتی گراد بررسی کردند. آنها کاهش شدید استحکام باند را تا 24 و 74 درصد از محدوده دمایی 600 درجه سانتیگراد تا 800 درجه سانتیگراد نشان دادند و استفاده از پوزولونا طبیعی مقاومت در برابر ترک خوردگی را بهبود بخشید.

حداد و الصالح [17] با استفاده از نمونه های کششی برای محدوده دمایی 350 درجه سانتی گراد تا 700 درجه سانتی گراد، بر روی رفتار پیوند روی بتن مسلح با الیاف مطالعه کردند. آنها گزارش داده اند که استفاده از الیاف کاهش استحکام باند را به حداقل می رساند.

خان و همکاران [18] بیان کرد که از دمای 300 درجه سانتیگراد، استحکام پیوند تیرهای RC تا 44 درصد از مقاومت واقعی آن کاهش می یابد. شیائو و همکاران [19] همچنین ارزیابی تجربی زوال باند پس از آتش سوزی را انجام داد. آنها آزمایشاتی را بر روی بتن با مقاومت بالا (95 مگاپاسکال) انجام داده اند در حالی که آنها را تا سرعت تقریباً 15 درجه سانتیگراد در دقیقه گرم می کنند. آنها به این نتیجه رسیده اند که تخریب استحکام پیوند برای دمای بیش از 400 درجه سانتیگراد در مقایسه با دمای زیر 400 درجه سانتیگراد قابل توجه تر است.

کهیل و همکاران [20]، این مطالعه را بر روی رفتار پیوند قرار گرفتن اعضای RC در معرض دماهای بالا با استفاده از نمونه‌های انتهای پرتو انجام داد. این مطالعه بر روی تأثیر طول پیوند و پوشش بتن برای محدوده دمایی مختلف و تکنیک‌های مختلف تعمیر برای بازگرداندن استحکام پیوند متمرکز است. نویسندگان به این نتیجه رسیدند که تکنیک های ترمیم عمیق می توانند تا 87 درصد استحکام باند نهایی را بازیابی کنند.

شمسلدین و همکاران [21] با استفاده از نمونه‌های انتهای پرتو و تنظیمات آزمایشی نامحدود، بررسی‌های تجربی را در مورد تخریب استحکام باند پس از قرار گرفتن در معرض دمای بالا انجام داد. در مقایسه با بسیاری از تحقیقات قبلی، هندسه نمونه و شرایط مرزی مورد استفاده برای آزمایش‌ها واقعی‌تر است. با این حال، نویسندگان سرعت آهسته 2 درجه سانتیگراد در دقیقه را تا دمای 800 درجه سانتیگراد در نظر گرفتند و به نمونه ها اجازه داده شد تا به طور طبیعی خنک شوند. نتایجی که توسط نویسندگان برای رژیم گرمایش آهسته به دست آمده است برای توسعه مدل مواد وابسته به دما در صورت سناریوی پیوند خالص بسیار مفید است. با این حال، برای ارزیابی استحکام باند قابل استفاده پس از آتش سوزی در یک عضو ساختاری RC کاملاً مناسب نیست.

احمد و. al. [22] همچنین تأثیر دمای بالا تا 650 درجه سانتیگراد را بررسی کرد و به این نتیجه رسید که استحکام پیوند با افزایش دما کاهش می یابد. آنها همچنین ذکر کرده اند که 650 درجه سانتیگراد یک دمای بحرانی برای کاهش شدید استحکام باند است. فراز و همکاران [23] تأثیر دمای بالا (تا 800 درجه سانتیگراد) را بر روی خواص پیوند نمونه‌های بیرون‌کش خورده مطالعه کرد. آنها کاهش قابل توجهی در استحکام باند با افزایش دما گزارش کرده اند.

مشابه تحقیقات تجربی، شبیه‌سازی‌های عددی که تاکنون در این موضوع انجام شده است نیز ناکافی بوده و بیشتر به مدل‌های پدیدارشناسی محدود شده‌اند. برای مثال، گائو و همکاران. [24] مدلی برای پیش بینی رفتار حرارتی و مکانیکی تیرهای RC در معرض آتش ارائه کرد. آنها رفتار پیوند سطحی فولاد به بتن را در مدل گنجانده اند و گزارش کرده اند که واکنش ساختاری تیر در معرض آتش را کمی افزایش می دهد. اخیراً، هوانگ [25] نیز تحقیقات عددی در این زمینه انجام داد. با این حال، این مطالعات نیاز خاصی به تمرکز بیشتر بر ظرفیت باند باقیمانده و حالت شکست را برجسته می کند.

تحقیقاتی که تاکنون در مورد کاهش استحکام باند در دماهای بالا انجام شده است عمدتاً حرارت آهسته و استفاده از نمونه‌های بیرون‌کش را در نظر می‌گیرد. با این حال، همانطور که قبلاً ذکر شد، نمونه‌های بیرون‌کش شرایط مرزی واقعی یک عضو ساختاری RC را در نظر نمی‌گیرند، از این رو بینش کمی برای درک ارزشمند اثرات تغییرات خواص مکانیکی و حرارتی ناشی از قرار گرفتن در معرض آتش ارائه می‌دهند. از سوی دیگر، نتایج به‌دست‌آمده از سرعت گرمایش آهسته برای توسعه مدل مواد وابسته به دما برای پیوند مناسب هستند، اما برای تحلیل تخریب پیوند یک سناریوی آتش‌سوزی واقعی چندان واقعی نیستند.

Bošnjak و همکاران [26] و [27] مطالعه ای را بر روی رفتار پیوند پس از آتش سوزی با استفاده از نمونه آزمایش انتهای تیر انجام دادند. نویسندگان خلاصه کرده‌اند که در صورت آتش‌سوزی واقعی (آتش سوزی ISO 834) [28] حالت شکست را می‌توان به جدا شدن از حالت کششی تغییر داد و استحکام باند قابل استفاده را محدود کرد. پس از آن، شارما و همکاران. [29] همچنین یک مطالعه عددی در مورد این موضوع با در نظر گرفتن مدل ترمو مکانیکی سه بعدی با مدل ریز صفحه وابسته به دما به عنوان قانون تشکیل دهنده بتن انجام داد. اثر پارامترهای مختلف مؤثر بر تخریب استحکام باند در بتن در معرض آتش استاندارد ISO 834 [28] با استفاده از نمونه انتهای تیر مورد بررسی قرار گرفت. آنها به این نتیجه رسیده اند که اثر ترک های ناشی از حرارت بر ظرفیت پیوند پس از آتش سوزی در مقایسه با اثرات تخریب مواد به دلیل دماهای بالا، بارزتر است. اخیراً، داس و همکاران. [30] همچنین تحقیقاتی را بر روی رفتار پیوند پس از آتش سوزی به صورت عددی با در نظر گرفتن مدل ترمومکانیکی 3 بعدی انجام داده اند. آنها گزارش کرده اند که قرار گرفتن در معرض آتش استاندارد منجر به تخریب بسیار شدید ظرفیت پیوند علیرغم مدت زمان بسیار کوتاه آتش سوزی می شود زیرا تخریب عمدتاً به دلیل آسیب بسیار زیاد ناشی از حرارت است که توسط گرادیان دما ایجاد شده بین بتن ایجاد می شود. سطح و لایه داخلی. بنابراین، در مورد اثرات آتش سوزی، مطالعه استحکام باند یک عضو سازه با در نظر گرفتن اول) حالت شکست متفاوت (شکاف یا بیرون کشیدن) ii) نرخ گرمایش در آسیب بتن بسیار مهم است. آنها گزارش کرده اند که قرار گرفتن در معرض آتش استاندارد منجر به تخریب بسیار شدید ظرفیت پیوند علیرغم مدت زمان بسیار کوتاه آتش سوزی می شود زیرا تخریب عمدتاً به دلیل آسیب بسیار زیاد ناشی از حرارت است که توسط گرادیان دما ایجاد شده بین بتن ایجاد می شود. سطح و لایه داخلی. بنابراین، در مورد اثرات آتش سوزی، مطالعه استحکام باند یک عضو سازه با در نظر گرفتن اول) حالت شکست متفاوت (شکاف یا بیرون کشیدن) ii) نرخ گرمایش در آسیب بتن بسیار مهم است. آنها گزارش کرده اند که قرار گرفتن در معرض آتش استاندارد منجر به تخریب بسیار شدید ظرفیت پیوند علیرغم مدت زمان بسیار کوتاه آتش سوزی می شود زیرا تخریب عمدتاً به دلیل آسیب بسیار زیاد ناشی از حرارت است که توسط گرادیان دما ایجاد شده بین بتن ایجاد می شود. سطح و لایه داخلی. بنابراین، در مورد اثرات آتش سوزی، مطالعه استحکام باند یک عضو سازه با در نظر گرفتن اول) حالت شکست متفاوت (شکاف یا بیرون کشیدن) ii) نرخ گرمایش در آسیب بتن بسیار مهم است.

هدف این کار بررسی رفتار پیوند پس از آتش سوزی بین فولاد و بتن در اعضای سازه بتن مسلح با در نظر گرفتن منحنی استاندارد آتش (ISO 834 آتش) با استفاده از نمونه های انتهای تیر است. کار ارائه شده در اینجا شامل بخشی از یک بررسی تجربی گسترده از چندین پارامتر موثر بر عملکرد پیوند پس از آتش سوزی اعضای خمشی RC است. همچنین، این ادامه کار قبلی است (داس و همکاران [30]) که تحقیقات عددی را روی همان متمرکز می کند. در این کار حاضر، آزمایش‌ها با در نظر گرفتن دو شرایط مختلف قرار گرفتن در معرض گرمایش، یعنی گرمایش یک‌طرفه و سه‌طرفه که شرایط قرار گرفتن در معرض یک دال و یک تیر تحت آتش را نشان می‌دهند، انجام می‌شود. مکان های مختلف میلگرد (مقادیر مختلف پوشش های بتنی)، سه مدت زمان نوردهی مختلف (محیط، 30 دقیقه). آتش و 60 دقیقه آتش) و طول های مختلف پیوند بررسی می شوند. نشان داده شده است که آتش تأثیر بسیار قوی بر عملکرد پیوند پس از آتش سوزی دارد. به دلیل ترک قابل توجه پوشش بتن در طی یک رویداد آتش سوزی، مقاومت پیوند پس از آتش سوزی به شدت کاهش می یابد، حتی پس از قرار گرفتن در معرض نسبتاً کوتاه در برابر آتش، در مقایسه با مقاومت پیوند متناظر در شرایط محیطی.