رفتار خروجی اتصالات برشی پیچ و مهره های GFRP در تیر هیبریدی FRP-بتنی

خرابی سازه های کامپوزیت فولاد-بتن به دلیل خوردگی فولاد و آرماتورها بر ایمنی و دوام سازه تأثیر می گذارد [1]، [2]. پروفیل‌های پلیمری تقویت‌شده با الیاف (FRP) و میلگردهای FRP به ترتیب به‌عنوان راه‌حل‌های جایگزین برای فولاد و تقویت‌کننده ظاهر شده‌اند، به دلیل خواص برجسته مواد مانند مقاومت در برابر خوردگی و نسبت استحکام به وزن بالا [3]، [4]، 5]، [6]. ترکیبی از تیرهای پروفیل pultruded FRP و دال های بتن مسلح FRP توسط اتصال دهنده های برشی، تیرهای هیبریدی FRP-بتنی را تشکیل می دهد که امکان استفاده بهینه از مقاومت بتن و FRP را فراهم می کند. تیرهای هیبریدی FRP-بتنی به طور فزاینده ای در ساخت پل های بزرگراهی و پل های عابر پیاده [7]، [8] مانند پل بزرگراه Miyun در پکن (1982)، پل بزرگراه مادرید M111 در اسپانیا (2007) استفاده شده است. و پل بزرگراه Ryjak در لهستان (2017) [9]، [10]، [11]. علاوه بر این، به دلیل مقاومت خوب در برابر خوردگی FRP، تیرهای هیبریدی FRP-بتنی راه حلی عالی برای سازه های در معرض محیط های خشن و تهاجمی هستند [12].

اتصال دهنده های برشی برای دستیابی به عملکرد ترکیبی بین تیرهای پروفیل FRP و دال های بتنی ضروری هستند [13]. در عمل، سه نوع اتصال دهنده برشی که معمولاً در تیرهای هیبریدی FRP-بتنی استفاده می‌شود، یعنی اتصال اپوکسی، دنده‌های سوراخ‌دار FRP (PFR) و پیچ‌ها (پیچ‌های فولادی ضد زنگ و پیچ‌های GFRP) [14، [15]، [16] . اجرای اتصال اپوکسی بدون آسیب رساندن به FRP و بتن آسان است، با این حال، مقاومت برشی آن کم است، معمولاً کمتر از 3 مگاپاسکال، و کیفیت آن به دلیل وجود حفره‌های ناشی از کاربرد ناهموار، غیرقابل کنترل است [14]، [17]. علاوه بر این، به تخریب محیطی حساس است [10]، [16]، [18]. به طور کلی، اتصال اپوکسی برای پل موقت مناسب است. PFR دارای ویژگی های مقاومت برشی بالا، سختی و ساخت آسان است. با این حال، PFR بیشتر مستعد شکست برشی در شبکه دنده های سوراخ شده است زیرا استحکام برشی بین لایه ای کمتر FRP است [15]، [19]، [20]. PFR معمولاً در تیرها و دال های هیبریدی با دهانه بزرگ اعمال می شود. پیچ‌ها در سوراخ‌های از پیش حفاری شده ثابت می‌شوند و مهره‌های پیچ در کنار FRP به دلیل محیط‌ها به شدت مستعد فرسایش هستند [9]. بنابراین، پیچ و مهره ها معمولا از فولاد ضد زنگ یا FRP ساخته می شوند. پیچ فولادی ضد زنگ دارای مزایای مقاومت برشی نسبتاً بالا، آرایش انعطاف پذیر و راحتی در ساخت است، اما لغزش های بزرگ در طول رابط رخ می دهد. علاوه بر این، به دلیل خرابی یاتاقان سوراخ‌های پیچ در فلنج GFRP، از استحکام پیچ‌ها استفاده نمی‌کند. در مقایسه با پیچ‌های فولادی ضد زنگ، پیچ‌های GFRP توسط محققان به دلیل استفاده کامل از استحکام پیچ‌ها با تأثیر جزئی بر ظرفیت نمونه‌ها پیشنهاد می‌شوند [10]. [21]. پیچ های GFRP نسبت به خوردگی حساس نیستند و مقاومت کششی بالاتری نسبت به پیچ های فولادی دارند [22]، [23]. اگر توزیع تنش برشی سطحی بین بتن و FRP نامشخص باشد، پیچ و مهره ها به طور گسترده در تیرهای هیبریدی استفاده می شوند.

امروزه مطالعات زیادی برای بررسی رفتار برشی پیوند اپوکسی، PFR و پیچ و مهره انجام شده است [19، [24]، [25]، [26]. با توجه به نتایج، PFR و پیچ و مهره به دلیل قابلیت اطمینان بالاتر نسبت به اتصال اپوکسی در تیرهای هیبریدی پیشنهاد می شود [7]. تحقیقات گسترده‌ای برای هدایت طراحی PFR انجام شده است، از جمله روش‌های محاسبه مقاومت برشی نهایی و مدل PS [15، [24]، [27]، [28]. از نظر پیچ و مهره، ادبیات موجود بسیار محدود بوده و عمدتاً بر روی پیچ و مهره های فولادی ضد زنگ متمرکز شده است. کوریا و همکاران [14]، [29] آزمایش‌های فشار بیرون را بر روی سه نمونه پیچ فولادی با قطر ساقه پیچ 8 و 10 میلی‌متر انجام دادند. مشخص شد که نمونه‌هایی که از بتن با مقاومت بالا استفاده می‌کردند از شکست برشی پیچ و مهره رنج می‌بردند در حالی که نمونه‌های دیگر به دلیل مقاومت کم، دچار شکست فشاری بتن شدند. بعلاوه، مقاومت برشی اتصال دهنده با افزایش مقاومت بتن و قطر ساقه افزایش می یابد. نگوین و همکاران [10] 12 آزمایش فشار بر روی پیچ‌های فولادی ضد زنگ در تیرهای هیبریدی بتن با کارایی بالا (UHPC) FRP انجام داد. نتایج نشان داد که نسبت موثر عمق به قطر پیچ (h _ef /d ، که در آن _h ef _عمق جاسازی موثر است که با کم کردن ارتفاع مهره از عمق جاسازی محاسبه می‌شود . بررسی به این نتیجه رسید که شکست باز کردن ساقه پیچ و شکست تراکمی پروفیل FRP برای نمونه‌هایی با نسبت h _ef /d به ترتیب 0.6 و 1.3 رخ داده است. و نمونه هایی با نسبت h _ef /d 1.3 به 1.6 در ارتباط با ترک خوردگی بتن، شکست فشاری پروفیل FRP و شکست برشی ساقه پیچ شکست خوردند. علاوه بر این، نمونه هایی با h _ef /dنسبت در محدوده 1.6-2.4 به نظر می رسد شکست برشی ساقه پیچ است. بر اساس نتایج تست فشار بیرون، رویکردهایی برای پیش‌بینی مقاومت برشی پیچ و منحنی PS پیشنهاد شد. وانگ [30] 14 آزمایش فشار بر روی نمونه هایی با پیچ های فولادی با استحکام بالا انجام داد. نشان داده شد که استفاده از UHPC از شکست فشاری بتن جلوگیری می کند و ظرفیت برشی اتصال برشی پیچ را افزایش می دهد. یک معادله طراحی برای تعیین مقاومت برشی پیچ های فولادی در تیرهای هیبریدی FRP-UHPC، بر اساس شکست برشی پیچ و شکست پارگی سوراخ پیچ GFRP معرفی شد. اتیم و همکاران [31] 6 آزمایش فشار بیرون را برای تعیین ظرفیت اتصالات پیچ فولادی در بتن با وزن معمولی انجام داد. آنها دریافتند که حالت های خرابی نمونه ها با شکست یاتاقان صفحات FRP و خرابی ساقه پیچ غالب است. 29.

علیرغم مطالعات فوق در مورد اتصالات برشی پیچ فولادی ضد زنگ، کارهای مربوط به اتصالات برشی پیچ GFRP نادر است. فام و اسکوتزکی [32] آزمایش‌های فشاری را روی پیچ‌های GFRP انجام دادند و دریافتند که استحکام نهایی پیچ‌های GFRP به دلیل اثر ترکیبی خمش و برش کاهش می‌یابد. نگوین و همکاران [10] تست های فشار بیرون را روی دو نمونه با پیچ GFRP انجام داد. مشاهده شد که منحنی‌های PS تا زمان شکست برشی خطی بودند. مطالعات اولیه روی پیچ و مهره های GFRP برای ارائه معادلات طراحی کافی نیست، و در نتیجه کاربرد پیچ ​​های GFRP عمدتا بر اساس تجربه طراحان از آزمایش های اولیه آزمایشگاهی است که نتایج محافظه کارانه و کاربرد کمتر پیچ های GFRP در عمل را به همراه خواهد داشت. متقابلا، مطالعات گسترده ای انجام شده است و معادلات طراحی برای ناودانی در سیستم تیر کامپوزیت فولاد-بتن توسعه یافته است [33]، [34]، [35، [36]، [37]. اینکه آیا معادلات طراحی برای طراحی پیچ و مهره های FRP مناسب هستند یا خیر، به دلیل خواص مختلف مواد بین فولاد و FRP، باید تأیید شود.

بر اساس بررسی ادبیات بالا، مشکلات زیر پیشنهاد می شود:

• (من)

  تاکنون، تحقیقات در مورد اتصالات برشی پیچ GFRP محدود است. فقط پنج نتیجه تست فشار بیرون گزارش شد.

• (II)

  یافته‌های تحقیقاتی در مورد روش‌های محاسبه ظرفیت برشی و مدل منحنی‌های PS پیچ‌های GFRP در ادبیات کمیاب است، که مانع کاربرد پیچ‌های GFRP می‌شود.

• (iii)

  استانداردهای فنی برای پیچ و مهره های GFRP ایجاد نشده است. اگرچه استاندارد ملی چین (GB 50608-2020) برخی مقررات را برای سازه های هیبریدی FRP-بتنی پیشنهاد می کند، روش های طراحی برای پیچ و مهره های GFRP ارائه نشده است.

بر این اساس، این مطالعه با هدف ارزیابی استحکام نهایی و رفتار PS پیچ‌های GFRP انجام شده است. آزمایش‌های فشار بیرون برای بررسی تأثیر چیدمان پیچ‌ها، فاصله ردیف‌های طولی پیچ، قطر پیچ و عمق تعبیه بر رفتار برشی پیچ‌های GFRP انجام شد. معادلات مرتبط با حالت های شکست برای پیش بینی استحکام نهایی پیچ GFRP پیشنهاد شد. علاوه بر این، یک مدل PS برای همه نمونه‌های آزمایش شده از طریق برازش منحنی پیشنهاد شد.