رفتار فشاری ستون های بتنی به طور ترکیبی توسط نوارهای Fe-SMA

با توسعه سریع شهرنشینی، سازه های بتنی که به عنوان محبوب ترین و متداول ترین سازه ها دیده می شوند، به طور گسترده ای برای برآوردن نیازهای اساسی مهندسی زیرساخت استفاده می شوند [1]. با این حال، فرسودگی سازه های بتنی می تواند به طور چشمگیری رفتار مکانیکی آنها را پس از یک دوره طولانی خدمت، به ویژه در برخی شرایط سخت (مانند محیط مرطوب و خوردگی) کاهش دهد [2]، [3]. علاوه بر این، با توجه به نیازهای ارتقاء سازه های مهندسی و استانداردهای مربوطه، سازه های بتنی موجود به سختی می توانند مشخصات مدرن مانند ظرفیت باربری بالا، شکل پذیری و دوام را برآورده کنند. در بین اعضای سازه ای، ستون های بتنی به عنوان عنصر اصلی باربر، نسبت به سایرین بیشتر در معرض تخریب خواص مکانیکی قرار دارند [4]. از این رو،

با توجه به مطالعات قبلی، روش‌های تقویت‌کننده فعلی را می‌توان به طور عمده در موارد زیر طبقه‌بندی کرد: (1) بزرگ شدن مقطع. (2) محصور شدن فولاد؛ (3) محصور شدن پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP). (4) محصور کردن مواد کامپوزیت. اگرچه روش بزرگ‌کردن مقطع می‌تواند به طور قابل‌توجهی ظرفیت باربری ستون‌های بتنی را بهبود بخشد [8]، [9]، [10]، اما الزامات سخت برای محیط عملیات و زمان پخت طولانی توسعه آن را محدود می‌کند. در مقایسه با این روش، روش محصورسازی فولادی خارجی دارای مزایای بودجه کم و ساخت آسان است که همچنین می‌تواند سختی و شکل‌پذیری ستون‌های سازه‌ای را به‌طور چشمگیری افزایش دهد [11]، [12]. با این حال، عملکرد ضعیف ضد خوردگی فولاد نمی تواند دوام ستون ها را افزایش دهد [13]. FRP، که وزن سبکی را انجام می دهد، مقاومت در برابر خوردگی عالی [14] و استحکام کششی بالا [15] به طور فزاینده ای به عنوان یک روش جایگزین برای تقویت ستون ها ظاهر شده است [16]، [17]، [18]. مطالعات متعدد ثابت کردند که محصور شدن FRP می تواند از ایجاد ترک ها جلوگیری کند که باعث بهبود خواص مکانیکی نسبی ستون های بتنی می شود [19]، [20]، [21]، [22]. بر این اساس، برخی از محققان نیز سعی کردند FRP را با مواد دیگر به عنوان محصور خارجی ترکیب کنند و اثرات مثبت آن را می توان تقویت کرد [23]، [24]، [25]، [26]. علاوه بر این، ستون‌ها ممکن است فقط به افزایش متوسط ​​در ظرفیت باربری و شکل‌گیری در موقعیت‌های خاص نیاز داشته باشند، که باعث می‌شود استفاده از بسته‌بندی جزئی FRP به پتانسیل تبدیل شود. بنابراین، استفاده از نوارهای FRP برای محدود کردن جزئی ستون‌های خرد پیشنهاد شده است. و فاصله و تعداد لایه‌های FRP دو عنصر اصلی هستند که بر اثربخشی آنها تأثیر می‌گذارند. در مطالعات قبلی نشان داده شده است که ستون‌های بتنی می‌توانند با اعمال محصور شدن جزئی با نوارهای FRP به بهبود متوسطی در استحکام فشاری و شکل‌پذیری دست یابند، حتی اگر اثر محصور شدن کمتر از پوشش کامل FRP باشد [27]، [28]، [29].

اگرچه این روش‌ها می‌توانند ظرفیت باربری ستون‌ها را تا حدودی بهبود بخشند، اما اثر محصور شدن تنها با اتساع بتن در طول بار محوری فزاینده فعال می‌شود. بنابراین به این نوع حبس، حصر غیرفعال می گویند. چندین اشکال را می توان از مطالعات قبلی خلاصه کرد، از جمله حالت شکست شکننده، نرخ کم استفاده از مواد، و پسماند استرس محصور شدن. وانگ و همکاران نشان داد که تنها 20 تا 30 درصد استحکام کششی FRP می تواند برای محدود کردن ستون های بتنی استفاده شود [30]. از سوی دیگر، اثر محصور شدن غیرفعال را تنها می‌توان با انبساط بتن نشان داد، به این معنی که برای تقویت ستون‌های ترک‌خورده مناسب نیست. در پاسخ به این مشکل، محققان مواد پیش تنیدگی را به عنوان محصور خارجی پیشنهاد کردند. که می تواند محصورسازی فعال را فراهم کند [31]، [32]، [33]، [34]، [35]، [36]. در حال حاضر، مواد پیش تنیده عمدتاً شامل FRP پیش تنیده و ورق فولادی پیش تنیده هستند. مقالات مرتبط نشان دادند که محصور کردن فعال ارائه شده توسط مواد پیش تنیده نه تنها می تواند میزان استفاده از مواد را تا حدی بهبود بخشد، بلکه پسماند استرس محصور شدن را نیز کاهش می دهد [31]، [34]، [36]. متفاوت از محصور شدن غیرفعال، در ابتدا می توان اثر محصورسازی فعال را فعال کرد که در کاربرد ستون های بتنی مقاوم تر است. با این حال، فرآیند اعمال محصور کردن فعال و فرآیند لنگرگاه پیچیده، زمان‌بر و کار گیر است [37]. مواد پیش تنیده عمدتاً شامل FRP پیش تنیده و ورق فولادی پیش تنیده هستند. مقالات مرتبط نشان دادند که محصور کردن فعال ارائه شده توسط مواد پیش تنیده نه تنها می تواند میزان استفاده از مواد را تا حدی بهبود بخشد، بلکه پسماند استرس محصور شدن را نیز کاهش می دهد [31]، [34]، [36]. متفاوت از محصور شدن غیرفعال، در ابتدا می توان اثر محصورسازی فعال را فعال کرد که در کاربرد ستون های بتنی مقاوم تر است. با این حال، فرآیند اعمال محصور کردن فعال و فرآیند لنگرگاه پیچیده، زمان‌بر و کار گیر است [37]. مواد پیش تنیده عمدتاً شامل FRP پیش تنیده و ورق فولادی پیش تنیده هستند. مقالات مرتبط نشان دادند که محصور کردن فعال ارائه شده توسط مواد پیش تنیده نه تنها می تواند میزان استفاده از مواد را تا حدی بهبود بخشد، بلکه پسماند استرس محصور شدن را نیز کاهش می دهد [31]، [34]، [36]. متفاوت از محصور شدن غیرفعال، در ابتدا می توان اثر محصورسازی فعال را فعال کرد که در کاربرد ستون های بتنی مقاوم تر است. با این حال، فرآیند اعمال محصور کردن فعال و فرآیند لنگرگاه پیچیده، زمان‌بر و کار گیر است [37]. بلکه پسماند استرس حبس را نیز کاهش می دهد [31]، [34]، [36]. متفاوت از محصور شدن غیرفعال، در ابتدا می توان اثر محصورسازی فعال را فعال کرد که در کاربرد ستون های بتنی مقاوم تر است. با این حال، فرآیند اعمال محصور کردن فعال و فرآیند لنگرگاه پیچیده، زمان‌بر و کار گیر است [37]. بلکه پسماند استرس حبس را نیز کاهش می دهد [31]، [34]، [36]. متفاوت از محصور شدن غیرفعال، در ابتدا می توان اثر محصورسازی فعال را فعال کرد که در کاربرد ستون های بتنی مقاوم تر است. با این حال، فرآیند اعمال محصور کردن فعال و فرآیند لنگرگاه پیچیده، زمان‌بر و کار گیر است [37].

با توجه به اثر حافظه شکل، مواد آلیاژ حافظه شکل (SMA) که می توانند نیروی خود پیش تنیدگی را فراهم کنند به تدریج برای تقویت ستون های بتنی به عنوان یک تکنیک جدید محصورسازی فعال استفاده شده اند [38]، [39]، [40]. در مقایسه با روش سنتی اعمال پیش تنیدگی، SMA فقط نیاز به پیش کشش قبل از تقویت و سپس لنگر انداختن در اطراف ستون های بتنی دارد که کارآمدتر و راحت تر است. پس از انگیزه دمای گرمایش، SMA می تواند با تبدیل فاز به شکل های اولیه بازگردد و محصور شدن فعال را ایجاد کند. انواع مختلفی از SMA ها مورد بررسی قرار گرفته اند و آلیاژ حافظه شکل نیکل-تیتانیوم (Ni-Ti) بیشترین استفاده را در زمینه مهندسی عمران دارد. مطالعات قبلی نشان داد که بسته بندی سیم های Ni-Ti-SMA می تواند به وضوح ظرفیت باربری، سفتی و شکل پذیری ستون ها را بهبود بخشد [40]. [41]، [42]، [43]. با این حال، به دلیل بودجه بالا و اشکال کم Ni-Ti-SMA، می توان آن را فقط در آزمایشگاه تحقیق کرد، که به سختی در مهندسی عملی به کار می رود. بنابراین، مواد آلیاژ حافظه دار ارزان قیمت برای استفاده در مهندسی پیش تنیدگی عظیم ضروری هستند. یکی از آلیاژهای حافظه شکل جایگزین Fe-SMA است که دارای قابلیت ماشینکاری، جوش پذیری، الاستیسیته و بازیابی شکل متوسطی است [44]، [45]، [46]. در این زمینه تحقیقاتی، Fe-SMA عمدتاً بر روی تقویت سازه‌های فولادی و دال‌های کف بتنی و بهبود مقاومت لرزه‌ای سازه‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد [47، [48]، [49]، [50]، [51]. تحقیقات کمی در مورد تقویت ستون های بتنی انجام شده است،

این مطالعه با الهام از ادبیات موجود در این زمینه، یک روش تقویت فعال ابتکاری را با استفاده از نوارهای Fe-SMA پیشنهاد می‌کند که شامل یک سیستم لنگرگاه جدید و دستگاه‌های تکمیل شده گرمایش و کنترل دما است. این روش می تواند به سرعت محصورسازی فعال را بر روی ستون های بتنی اعمال کند که امکان تعمیر اضطراری ستون های آسیب دیده پس از زلزله یا ضربه را فراهم می کند. در همین حال، مقایسه بازده محصورسازی بین محصورسازی فعال با استفاده از Fe-SMA و محصورسازی غیرفعال ارائه شده توسط نوارهای FRP نیز بررسی شده است. علاوه بر این، به دلیل مقاومت عالی در برابر خوردگی و اتصال آسان FRP، ترکیب نوارهای Fe-SMA و FRP، که نوار FRP خارج از Fe-SMA پیچیده شده است، امکان پذیر است. FRP خارجی نه تنها می تواند دوام Fe-SMA را بهبود بخشد، اما همچنین می تواند به راحتی بر روی نوارهای Fe-SMA متصل شود تا محصور شدن هیبریدی غیرفعال و فعال را فراهم کند. از سوی دیگر، ترکیب FRP و Fe-SMA نه تنها می‌تواند محصورسازی فعال را در ابتدا اعمال کند، بلکه می‌تواند باعث شود که کار مشترک FRP و Fe-SMA محصورسازی غیرفعال را در طول بارگذاری فراهم کند. در نتیجه، باربری، توانایی تغییر شکل و دوام ستون های بتنی را می توان به وضوح با این روش تقویت بهبود بخشید. فرآیند تقویت جدید اعمال سریع محصور سازی فعال در این مطالعه برای اولین بار نشان داده شده است و امکان ترکیب محصور فعال و غیرفعال نیز توسط آزمون فشاری مورد بررسی قرار گرفته است. ترکیب FRP و Fe-SMA نه تنها می تواند محصورسازی فعال را در ابتدا اعمال کند، بلکه می تواند کار مشترک FRP و Fe-SMA را در حین بارگذاری محصورسازی غیرفعال فراهم کند. در نتیجه، باربری، توانایی تغییر شکل و دوام ستون های بتنی را می توان به وضوح با این روش تقویت بهبود بخشید. فرآیند تقویت جدید اعمال سریع محصور سازی فعال در این مطالعه برای اولین بار نشان داده شده است و امکان ترکیب محصور فعال و غیرفعال نیز توسط آزمون فشاری مورد بررسی قرار گرفته است. ترکیب FRP و Fe-SMA نه تنها می تواند محصورسازی فعال را در ابتدا اعمال کند، بلکه می تواند کار مشترک FRP و Fe-SMA را در حین بارگذاری محصورسازی غیرفعال فراهم کند. در نتیجه، باربری، توانایی تغییر شکل و دوام ستون های بتنی را می توان به وضوح با این روش تقویت بهبود بخشید. فرآیند تقویت جدید اعمال سریع محصور سازی فعال در این مطالعه برای اولین بار نشان داده شده است و امکان ترکیب محصور فعال و غیرفعال نیز توسط آزمون فشاری مورد بررسی قرار گرفته است. توانایی تغییر شکل و دوام ستون های بتنی را می توان به وضوح با این روش تقویت بهبود بخشید. فرآیند تقویت جدید اعمال سریع محصور سازی فعال در این مطالعه برای اولین بار نشان داده شده است و امکان ترکیب محصور فعال و غیرفعال نیز توسط آزمون فشاری مورد بررسی قرار گرفته است. توانایی تغییر شکل و دوام ستون های بتنی را می توان به وضوح با این روش تقویت بهبود بخشید. فرآیند تقویت جدید اعمال سریع محصور سازی فعال در این مطالعه برای اولین بار نشان داده شده است و امکان ترکیب محصور فعال و غیرفعال نیز توسط آزمون فشاری مورد بررسی قرار گرفته است.

18 ستون خرد با قطر 150 میلی متر و ارتفاع 450 میلی متر به عنوان نمونه های آزمایش ریخته گری شدند. سه متغیر آزمایشی شامل انواع محصور شدن، فاصله نوارهای مختلف و تعداد متفاوت لایه‌های FRP برای بررسی اثرات آنها بر رفتار فشاری ستون‌های بتنی در نظر گرفته شد. این مقاله نه تنها روشی سریع و کارآمد برای تقویت ستون‌های سازه‌ای موجود ارائه می‌کند، بلکه کارایی انواع مختلف محصور را نیز ارزیابی می‌کند.