مقایسه پدیدارشناختی بین عملکرد خمشی عناصر بتن مسلح شده با فولاد و CFRP

نیاز به توسعه روش‌های ساخت و ساز با انرژی کارآمد، مصالح ساختمانی پایدار و طراحی‌های سازه‌ای با کارایی بالا در دهه اخیر با توجه به چالش‌های زیست‌محیطی ناشی از افزایش CO2 تشدید شده است.2انتشارات برای کاهش ردپای کربن در بخش ساخت و ساز، مصرف مواد باید کاهش یابد و در عین حال عمر مفید سازه ها افزایش یابد. یکی از رویکردهای احتمالی برای کمک به هدف کلی، با ترکیب کارآمد بتن با مقاومت بالا با تقویت‌کننده پلیمری تقویت‌شده با الیاف غیرخورنده (FRP) با کارایی بالا است که جایگزین پایدارتری برای سازه‌های فولادی تقویت‌شده ارائه می‌کند [3]، [4] .

انواع مختلفی از تقویت‌کننده‌های FRP در گذشته به‌صورت نواری [5]، [6]، [7] و ورق [8]، [9]، [10]، [11]، [12]، 13] برای افزایش ظرفیت خمشی و برشی تیرهای تقویت شده با فولاد. میلگردهای FRP همچنین به طور گسترده در تیرهای ترکیبی تقویت شده با فولاد FRP به عنوان تقویت کننده خمشی اصلی استفاده شده است [14]، [15]، [16]، [17]، [18]، [19]. علاوه بر این، عناصر خمشی که صرفاً توسط میله‌های FRP و پارچه‌های نساجی تقویت شده‌اند در سال‌های اخیر به طور فزاینده‌ای محبوب شده‌اند، که نشان‌دهنده تلاش‌ها برای توسعه عناصر تیر پیش‌ساخته کارآمدتر و سازه‌های پوسته است [20، [21]، [22]، [23]، [24]، [25]، [26]، [27]، [28].

توسعه سریع کامپوزیت‌های بتن با تقویت‌کننده‌های غیرفلزی، طرح‌های جدید با کارآمدی مواد را با مقاطع نازک‌تر و غیر مستطیلی که انواع و آرایش‌های مختلف آرماتور را در خود جای می‌دهند، ممکن می‌سازد. برای مثال، پارچه‌های نساجی FRP در ترکیب با میله‌های FRP به‌عنوان تقویت‌کننده برشی که یک بخش نازک I یا T را می‌پیچد استفاده شده است [23]، [26]، [27]، [29]، که سهمی غیر قابل اغماض به ظرفیت خمشی سطح مقطع یکی دیگر از شاخه های توسعه با هدف افزایش ظرفیت تغییر شکل اعضای با تقویت شکننده و غیرفلزی در حالی که بار تقریباً شکست را حفظ می کند. روش‌های فعلی برای افزایش شکل‌پذیری عناصر خمشی شامل افزودن الیاف کوتاه [30]، [31]، [32] یا استفاده از تقویت‌کننده فولاد هیبریدی-FRP [14، [15]، [16]، [17]، 18]، [19].

برای درک رابطه بین پارامترهای مواد و معادلات طراحی که هر دو ULS و SLS را برای طیف وسیعی از کامپوزیت‌های بتن نشان می‌دهند، یک توصیف نظری کلی با یک روش ارزیابی کارآمد مورد نیاز است.

یک رویکرد رایج برای طراحی عناصر تقویت شده با FRP در حالت حد نهایی توسط کد ACI 440.1R-15 [33] ارائه شده است. این سه حالت را برای محاسبه مقاومت خمشی بسته به مکانیسم شکست متمایز می کند، یعنی فشرده سازی بتن، گسیختگی FRP و حالت شکست ترکیبی که با نسبت آرماتور تعیین می شود.�. در مورد گسیختگی FRP، حداکثر مقدار کرنش فشاری در بالای مقطع بتنی و عمق محور خنثی در حالت نهایی متغیرهای ناشناخته هستند. برای جلوگیری از محاسبه تکراری استحکام مقطع خمشی، یک تخمین محافظه کارانه بر اساس مشخصات فرضی تنش فشاری استفاده می شود که یک راه حل شکل بسته را به دست می دهد. برای دو نوع دیگر شکست خمشی یک مقطع از جمله خرد کردن بتن در ناحیه فشاری، این کد فرمول‌های ارزیابی مشابه عناصر تقویت‌شده فولادی را ارائه می‌کند.

برای تخمین انحراف تیرها در حالت حد سرویس پذیری، اکثر رویکردهای موجود بر مفهوم گشتاور موثر اینرسی تکیه دارند.منهتوسط برانسون [34] برای عناصر تقویت شده با فولاد معرفی شد. این رویکرد برای دست کم گرفتن انحرافات برای عناصر تقویت شده با FRP مشخص شد. بنابراین، چندین سازگاری برای بتن مسلح FRP با استفاده از فاکتورهای کالیبره شده تجربی در [35]، [36]، [37، [38]، [39] پیشنهاد شد. یکی دیگر از عبارات رایج بدون فاکتورهای تصحیح تجربی توسط Bischoff [40] معرفی شده است که توسط کد ACI 440.1R-15 [33] پذیرفته شده است. فرمولی که برای تیرهای بتنی تقویت شده با FRP در [41] تایید شده است، نتایج معتبری را نیز برای تیرهای تقویت شده فولادی ارائه می دهد.

بر خلاف روش‌های فوق‌الذکر که فقط یک حالت منفرد را در نظر می‌گیرند، که مربوط به حد نهایی یا قابلیت سرویس‌دهی است، رویکردهای عددی و تحلیلی متعددی برای ارزیابی پاسخ کامل، چه برحسب گشتاور – انحنا و/یا بار – معرفی شده‌اند. منحنی های انحراف، برای افزایش یکنواخت بارگذاری [42]، [43]، [44]. رویکردهای مدل‌سازی ذکر شده برای کمی کردن ویژگی‌های طرح‌های مقطع عناصر خمشی تقویت‌شده برای طیف نسبتاً باریکی از پارامترهای طراحی و انواع قوانین سازنده مفید هستند. یک مدل تحلیلی با راه‌حل‌های فرم بسته با تمرکز بر رفتار خمشی عناصر بتن مسلح نساجی (TRC) که از مقاطع عمومی‌شده پشتیبانی می‌کند نیز اخیراً در [45] معرفی شده است.

یک چارچوب مدل‌سازی کلی برای ارزیابی رفتار خمشی تیرهای تقویت‌شده FRP و فولادی در بخش 2 ترسیم شده است. اشکال بخش و طرح های تقویتی. برای اینکه مقاله مستقل باشد و نتایج قابل تکرار باشند، جزئیات پیاده سازی و خود نرم افزار پیاده سازی شده را به عنوان یک برنامه وب تعاملی در پیوست ارائه می دهیم. برای بررسی اعتبار چارچوب مدل‌سازی و مفروضات سازنده کاربردی، چندین مطالعه اعتبارسنجی با استفاده از نتایج تجربی برای تیرهای تقویت‌شده با فولاد و FRP از مقالات در بخش 3 ارائه شده‌اند. سپس مدل کالیبره شده و تایید شده برای انجام یک برنامه سیستماتیک از مطالعات پارامتری استفاده می شود که عملکرد تیرهای تقویت شده با فولاد و FRP را در بخش 4 مقایسه می کند. خواص و تقویت ترکیبی راندمان تمام طرح‌های مقطع برای نسبت‌های تقویت‌کننده متفاوت از نظر نسبت‌های استفاده از مقاومت در هنگام شکست کامپوزیت اندازه‌گیری می‌شود. در نهایت، در بخش 5، طراحی هر دو نوع کامپوزیت با توجه به حد انحراف در قابلیت سرویس دهی برای طیف وسیعی از نسبت های تقویتی یک مقطع مستطیلی تحلیل شده است. این مطالعات پیکربندی‌های مقطع مختلف از جمله چندین درجه بتن، شکل‌های مقطع، ویژگی‌های تقویت‌کننده متنوع و آرماتورهای ترکیبی را پوشش می‌دهند. راندمان تمام طرح‌های مقطع برای نسبت‌های تقویت‌کننده متفاوت از نظر نسبت‌های استفاده از مقاومت در هنگام شکست کامپوزیت تعیین می‌شود. در نهایت، در بخش 5، طراحی هر دو نوع کامپوزیت با توجه به حد انحراف در قابلیت سرویس دهی برای طیف وسیعی از نسبت های تقویتی یک مقطع مستطیلی تحلیل شده است. این مطالعات پیکربندی‌های مقطع مختلف از جمله چندین درجه بتن، شکل‌های مقطع، ویژگی‌های تقویت‌کننده متنوع و آرماتورهای ترکیبی را پوشش می‌دهند. راندمان تمام طرح‌های مقطع برای نسبت‌های تقویت‌کننده متفاوت از نظر نسبت‌های استفاده از مقاومت در هنگام شکست کامپوزیت تعیین می‌شود. در نهایت، در بخش 5، طراحی هر دو نوع کامپوزیت با توجه به حد انحراف در قابلیت سرویس دهی برای طیف وسیعی از نسبت های تقویتی یک مقطع مستطیلی تحلیل شده است.نسبت طول به عمق یک تیر این مقایسه ملاحظات طراحی ضروری تیرهای تقویت شده با FRP را با توجه به ترکیب کارایی طراحی روشن می کند.

مطالعات بر روی پلیمر تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP) متمرکز است که از خواص مواد آن استفاده می‌کند زیرا استحکام بالاتری از خود نشان می‌دهد و در حال حاضر به طور فزاینده‌ای هم برای تقویت عناصر تقویت‌شده فولادی موجود و هم برای طرح‌های سبک‌تر ابتکاری عناصر ساختاری استفاده می‌شود. مطالعات انجام شده تنها شکست خمشی را در نظر می گیرند. یک روش ارزیابی کلی طراحی نیاز به در نظر گرفتن معیارهای لایه برداری / لنگر و شکست برشی نیز دارد. در مورد اول، یک قانون لغزش پیوند بین لایه آرماتور و بتن باید برای تعیین کمیت بار شکست مشخص شود [46]، [47]. به طور مشابه، ظرفیت برشی نیز باید در نظر گرفته شود، با استفاده از روش‌هایی که برای مثال در [48]، [49] برای دال‌ها یا در [27]، [50] برای تیرهای دیوار نازک پیشنهاد شده‌اند. گنجاندن این حالت های خرابی در ارزیابی بهره برداری فراتر از محدوده مقاله حاضر است.