بررسی عملکرد کامپوزیت FRP در تقویت دیوارهای برشی

استفاده از کامپوزیت FRP به‌عنوان یک گزینه عملی نسبت به روش‌ها و فنون مقاوم‌سازی مرسوم و متداول در سازه‌های بتنی به‌طور روزافزون، در حال توسعه می‌باشد. گستره این نوع مقاوم‌سازی برای تقویت موضعی اجزاء سازه بتنی شامل تیر، ستون، دال، اتصال و دیوار می‌باشد. اخیراً استفاده از مصالح کامپوزیت به‌عنوان روشی جایگزین روش‌های متداول قبلی جهت تقویت دیوارهای برشی پیشنهاد می‌گردد. اگر چه در چند سال گذشته استفاده از این مصالح جهت تقویت تیر و ستون به‌طور گسترده‌ای رواج یافته است. اما دانش و تجربیات موجود در ارتباط با کاربرد این مصالح در تقویت دیوارهای برشی محدود می‌باشد.
از جمله مزایای استفاده از این مصالح در قیاس با سایر روش‌های مقاوم‌سازی، می‌توان به عملکرد مناسب سازه‌ای و تسهیلات اجرائی آن اشاره نمود. لازم به ذکر است مطالب ارائه شده در این متن، جمع‌آوری نتایج و بررسی‌ها صورت گرفته در زمینه تقویت خمشی، برشی و افزایش شکل‌پذیری دیوارهای برشی با کامپوزیت FRP می‌باشد.
●مقدمه
به‌طور کلی عناصر مقاوم در برابر نیروهای زلزله در سازه‌های بتنی می‌توانند به‌صورت قاب خمشی، دیوار برشی و یا ترکیبی از هر دو باشند. استفاده از قاب خمشی به‌عنوان عنصر مقاوم در برابر زلزله احتیاج به رعایت جزئیات خاصی دارد که شکل‌پذیری قاب را تأمین نماید. این جزئیات از لحاظ اجرائی غالباً دست و پا گیر بوده و در صورتی می‌توان از اجزاء دقیق آنها مطمئن شد که کیفیت اجراء و نظارت در کارگاه بسیار بالا باشد.
از این‌رو استفاده از دیوار برشی به‌عنوان روشی مطمئن‌تر برای مقابله با نیروهای جانبی در سازه‌های بتنی از دهه ۱۹۵۰ مورد استفاده قرار گرفته است.
در حال حاضر با توجه به بالا رفتن سن بسیاری از ساختمان‌های بتنی که در زمان ساخت و طراحی آنها، پیشرفت‌های چشمگیری در زمینه طراحی سازه در برابر زلزله به‌دست نیامده بود و آئین‌های موجود در آن زمان ناقص و کارآمد بود، بحث مقاوم‌سازی و ارتقاء سطح سازه‌های بتنی مورد توجه قرار گرفته است. هم‌اکنون بسیاری از ساختمان‌های دارای دیوار برشی در صورت وقوع زلزله دچار آسیب‌دیدگی جدی و حتی انهدام می‌شوند، زیرا بررسی‌های اخیر و دانش امروز نشان داده است که بسیاری از دیوارهای برشی احداث شده در سال‌های قبل به‌دلیل کمبود مقاومت خمشی یا برشی و علی‌الخصوص شکل‌پذیری، آسیب‌پذیر و ناکارا هستند. در این راستا نیز بسیاری از این ساختمان‌ها به پایان عمر مفید خود نزدیک شده‌اند و همین موضوع را پیچیده و دشوارتر می‌نماید.
در طی سال اخیر روش‌های متعددی برای مقاوم‌سازی دیوارهای برشی، پیشنهاد شده و یا مورد آزمایش قرار گرفته است برخی از این روش‌ها عبارتند از افزایش ضخمت دیوار با روش شاتکریت، پر کردن بازشوها با بتن مسلح، احداث و اضافه کردن دیوار برشی جدید در مجاورت دیوار قبلی و نیز استفاده از المان‌های مهارکننده فولادی برای دیوار.
تحقیقات نشان می‌دهد که روش پوشاندن دیوار با بتن جدید اگر چه سبب افزایش باربری قائم دیوار گردد ولی برای افزایش سختی جانبی مؤثر نمی‌باشد.
استفاده از ورق‌های فولادی مهار شده به‌عنوان راه‌حلی دیگر سبب افزایش سختی جانبی دیوار برشی می‌گردد اما از نظر معماری و زیبائی معمولاً غیرقابل قبول و نامطلوب شمرده می‌شوند زیرا سبب به‌هم خوردن نمای خارجی و یا داخلی ساختمان می‌گردد. همچنین سبب کاهش سطح و فضای قابل استفاده و مفید ساختمان می‌گردد. همچنین این نوع تقویت می‌تواند سبب افزایش قابل ملاحظه وزن ساختمان و در نتیجه افزایش نیروهای وارده بر آن گردد. همچنین این پوشش‌ها هزینه بالائی داشته و مستلزم وجود ابزار و امکانات در طول مدت اجراء آنها می‌باشد که این سبب مختل شدن فعالیت‌ها و کاربری روزمره ساختمان و ساکنان آن می‌گردد.
اخیراً استفاده از مصالح کامپوزیت با توجه به خصوصیات برتر مکانیکی و راحتی حمل‌و‌نقل به‌عنوان روشی جایگزین روش‌های متداول قبلی جهت تقویت برشی مطرح شده است که در ادامه متن به‌طور اجمال عملکرد آن در بهسازی دیوارهای برشی مورد بررسی قرار می‌گیرد.
●عملکرد دیوار برشی
برخلاف عنوان برشی برای این سیستم رفتار دیوارهای برشی با نسبت بعدی بیش از ۲ (ارتفاع به‌طول)، بیشتر به‌صورت تیر طره می‌باشد و جابجائی‌های ناشی از خمش در آن حاکم می‌باشد.
در این حالت دیوار برشی به‌صورت یک تیر طره‌ای بسیار قوی که پای آن گیردار می‌باشد در مقابل نیروهای جانبی مقاومت نموده و آنها را به پی انتقال می‌دهد. به‌طور کلی نیروهائی که یک دیوار برشی تحت آن قرار می‌گیرند شامل:
۱ـ نیروی برشی با حداکثر مقدار در پایه
۲ـ لنگر خمشی با حداکثر مقدار در پای دیوار
۳ـ نیروی محوری فشاری ناشی از وزن طبقات می‌باشد
با توجه به مطالب ذکر شده، دو حالت شکست اصلی را می‌توان برای دیوار برشی در نظر گرفت.
۱. شکست خمشی:
شکست خمشی معمولاً با تسلیم میلگرد همراه می‌باشد. در این حالت کاهندگی مقاومت در حلقه‌های پسماند دیده نمی‌شود، اما کاهندگی سختی ناشی از تسلیم میلگردها مشخص می‌باشد.
در شرایط خاصی که دیوار تحت نیروی فشاری زیادی نیز قرار گیرد شکست خمشی با خرد شدن بتن فشاری همراه است که در این حالت علاوه بر کاهندگی سختی کاهندگی مقاومت نیز به‌وجود می‌آید.
۲. شکست برشی:
دیوارهائی که نسبت بعدی (ارتفاع به‌طول) کمی دارند دچار شکست برشی می‌گردند، در این حالت ترک‌های قطری ظاهر می‌شوند. مود شکست در این حالت به‌صورت ترد در پای دیوار رخ می‌دهد.
●تقویت برشی
برای جبران ضعف برشی دیوار، صفحات FRP در راستای طول دیوار موازی با آرماتورهای عرضی به‌صورت افقی نصب می‌گردد. طریقه نصب در این حالت بدین‌صورت می‌باشد که FRP در دو وجه دیوار نصب می‌گردد. نحوه عملکرد FRP بدین‌صورت می‌باشد که پس از ایجاد ترک برشی در بتن، کرنش در FRP در آن منطقه افزایش‌یافته و نیروها به FRP منتقل می‌گردد.نتایج نشان می‌دهد که تقویت برشی دیوار با صفحات FRP سبب افزایش مقاومت تسلیم و مقاومت نهائی و شکل‌پذیری دیوار می‌گردد. ظرفیت برشی FRP در این حالت براساس ظرفیت برشی مقاطع مستطیل شکل دورپیچ شده با FRP مشخص می‌گردد.
به‌طور کلی تأثیر محصوریت در مقاطع مستطیل شکل در افزایش نیروی محوری کم می‌باشد اما در بهبود شکل‌پذیری مؤثر می‌باشد. کرنش فشاری حداکثر برای یک عضو مستطیلی محصور شده با FRP از روابط زیر مشخص می‌گرد. ضریب راندمان Ka با توجه به هندسه، نسبت ابعاد را به میزان ۵/۱ محدود می‌نماید. راهنمای fib حد مشخصی را برای ابعاد مشخص نمی‌نماید.
به‌دلیل رفتار الاستیک خطی مواد FRP، سهم کششی سیستم FRP می‌تواند براساس مقدار کرنش همراه آن با استفاده از قانون هوک محاسبه گردد. مقدار کشش به‌دست آمده از FRP به مقاومت کششی طراحی FRP و توانائی انتقال تنش جسب بین بستر FRP محدود می‌شود کرنش مؤثر FRP نیز از روابط زیر به‌دست می‌آید.
●تقویت خمسی:
برای جبران ضعف خمشی دیوار صفحات FRP در راستای ارتفاع دیوار موازی با آرماتورهای طولی بر روی آن به‌طور قائم نصب می‌گردد طریقه نصب معمولاً به این صورت می‌باشد که FRP در دو وجه دیوار نصب می‌گردد.
نحوه همکاری این الیاف در تحمل خمش وارده بر دیوار، همانند نقشی است که آرماتورهای اصلی (قائم) درون دیوار به‌صورت ارتفاعی استفاده شود، لازم است که انتهای آن به‌نحو مناسبی در پای دیوار به‌صورت ارتفاعی استفاده شود، لازم است که انتهای آن به‌نحو مناسبی در پای دیوار مهار گردد تا نیروهای درون این صفحات به تکیه‌گاه پای دیوار انتقال یابد. برای مهار انتهای صفحات خمشی می‌توان از یک مقطع نبشی فولادی در مجاورت تکیه‌گاه دیوار که بر آن پیچ می‌گردد و یا از یک صفحه برشی FRP عمود بر لایه FRP خمشی در انتهای لایه استفاده نمود.
حالت شکست دیواری که دارای ضعف خمشی می‌باشد. با شروع ترک‌های کششی به‌صورت افقی در لبه‌های دیوار نزدیک پای دیوار ایجاد می‌گردد پس از آن خارجی‌ترین آرماتورهای کششی تسلیم می‌گردند.
نتایج نشان می‌دهد که تقویت خمشی دیوار با ضخامت FRP سبب افزایش مقاومت ترک‌خوردگی، مقاوم تسلیم، سختی سکانت در هنگام تسلیم و افزایش مقاومت نهائی دیوار می‌گردد.
نوع شکست نیز به‌حالت شکل‌پذیر خمشی می‌باشد و شکست آن به‌صورت خرد شدن پنجه دیوار تحت فشار رخ می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد تا پیش از ترک خوردن بتن و جاری شدن فولاد داخل دیوار، مقدار مشارکت FRP در تحمل بارهای وارده کم می‌باشد، اما پس از جاری شدن فولاد خمشی و ترک خوردن بتن کششی سهم FRP در تحمل خمش وارده به عضو به‌نحو قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌یابد.
حالت شکست در این نوع تقویت تا لحظه‌ای که FRP از روی سطح بتن جدا شده است شکل‌پذیر ولی پس از آن کاهش شدید در ظرفیت باربری عضو ایجاد می‌گردد. در صورتی‌که از هر دو تقویت خمشی و برشی به‌صورت قرارگیری الیاف به‌طور افقی و عمودی بر روی دیوار به‌صورت توام استفاده گردد افزایش در بار تسلیم، سختی سکانت مقاومت نهائی و شکل‌پذیری بیشتر از حالت‌های قبل می‌باشد. در این سیستم قرارگیری الیاف به‌صورت افقی خود مهارکننده الیاف خمشی می‌باشند.
●افزایش شکل‌پذیری
کمبود شکل‌پذیری به‌عنوان عمده‌ترین ضعف دیوارهای برشی موجود برای مقابله با نیروی جانبی محسوب می‌گردد. از جمله مهمترین علل این کمبود می‌توان به وصله آرماتورهای طولی در نواحی مستعد تشکیل مفصل پلاستیک، محصور شدگی ناکافی در نواحی مرزی و مهارناکافی آرماتورهای عرضی اشاره نمود. مود شکست در این حالات به‌صورت ناگهانی و ترد می‌باشد و منجر به افت تشدید ظرفیت باربری می‌گردد.
به‌طور کلی جهت رسیدن به شکل‌پذیری مناسب لازم است که از تمام حالات شکست ترد جلوگیری اجتناب نمود. از طرف دیگر انرژی وارد به دیوار نیز باید از طریق ایجاد مفصل پلاستیک در ارتفاع دیوار جذب و مستهلک گردد. بنابراین در نواحی مستعد تشکیل مفصل پلاستیک، لازم می‌باشد که المان‌های مرزی به‌نحو مناسبی محصور گردند و از کمانش آرماتورهای طولی دیوار در این قسمت‌ها نیز جلوگیری کرد. در صورتی‌که FRP برشی به‌صورت کامل از طریق دورپیچ دیوار (محصوریت خارجی) و یا اتصال FRP در این حالت به واقع سبب محصور کردن و محدود کردن ترک‌های ایجاد شده در راستای آرماتورهای طولی می‌گردد. به‌طور کلی افزایش ظرفیت برشی دیوار با FRP باید به‌حدی باشد که امکان تشکیل مفصل پلاستیک در طول دیوار بدون وقوع شکست برشی انجام گردد.
رفتار با تغییر مکان دیوار تقویت شده در محل وصله به کمک حلقه‌های هیسترتیک نشان می‌دهد که مقدار زیادی خمش غیرالاستیک در پای دیوار ایجاد می‌گردد که سبب جذب مقدار قابل توجهی انرژی می‌گردد. همچنین رفتار هیسترتیک دیوارهای تقویت شده با FRP با استفاده از نمودار بار ـ تغییر آن نشان می‌دهد که تقویت با FRP روشی موثر برای افزایش محصورشدگی المان‌های مرزی و مهارشدگی آرماتورهای عرضی دیوار می‌باشد.
●●نتیجه:
به‌طور کلی تحقیقات و آزمایشات اخیر نشان می‌دهد که قرارگیری الیاف به‌صورت خمشی و برشی (تواماً) به‌صورت متمرکز در قسمت لبه‌ها، سبب افزایش باربری محوری، تقویت خمشی و برشی دیوار می‌گردد.
تحقیقات دیگر نشان می‌دهد که برای افزایش میزان تأثیر کامپوزیت FRP می‌توان دیوار را به‌صورت داخلی محصور نمود. برای این عمل لازم است که دیوار از طریق اتصال بولت‌های پیوسته به چند قسمت تقسیم گردند در این حالت به‌صورت داخلی با بولت و به‌صورت خارجی با پوشش FRP محصور می‌گردند.

مهندس سیدرضا دریابیگی

منبع : ماهنامه ساختمان و کامپیوتر