مطالعه کاربرد ورق FRPهیبریدی به‌عنوان تقویت خمشی در تیرهای بتنی تقویت شده
هدف این مطالعه بررسی ظرفیت خمشی تیرهای تقویت‌شده با پلیمر تقویت شده حاوی الیاف هیبریدی (FRP)، یعنی پلیمر تقویت شده با الیاف شیشه (GFRP) و پلیمر تقویت شده با الیاف کربن (CFRP) است. این مطالعه با آزمایش استحکام کششی فولاد تقویت کننده ساده به قطر 8 میلیمتر و تقویت کننده پیچی به قطر 13 میلی متر به‌عنوان تقویت کننده خمشی روی الیاف کششی انجام شد. نمونه‌های مورد استفاده بتن مسلح تیرهای استاندارد (BN)، تیرهای حاوی شیشه FRP و تقویت کننده کربن (BGC)، و BGC حاوی Wrap (BGC Uwrap) هستند. نتایج به‌دست آمده افزایش Pcrack و Pyield را به‌ترتیب 46.87 و 43.34 درصد در بارهای تست BGC را علاوه بر افزایش 44.83 و 45.73 درصدی در BGC Uwrap را نشان دادند. بیشترین انحراف در تیرهای استاندارد با میانگین 53.59 میلیمتر رخ می‌دهد؛ زمانی که بار نهایی به 29.70 کیلو نیوتن می‌رسد. اگر بار نهایی 47.76 کیلونیوتن باشد، تغییر در تیر Uwrap BGC به 39.61 میلیمتر می‌رسد و تیر BGC نیز درصورتی‌که بار نهایی 46.45 کیلونیوتن باشد، به انحراف 41.43 میلیمتر می‌رسد. این پدیده نشان می‌دهد که استفاده از مواد پلیمری هیبریدی بین الیاف شیشه و الیاف کربن می‌تواند باعث بهبود تقویت و انعطاف‌پذیری تیر شده و همچنین در Uwrap و BGC Uwrap نیز افزایش می‌یابد.
نوآوری‌های جدید در ساخت تقویت کننده‌ها کاربرد گسترده‌ای در برنامه‌ریزی سازه‌های ساختمانی با کیفیت بالاتر به‌منظور افزایش ظرفیت حمل بار دارند. از این نوآوری‌ها می‌توان افزودن لایه‌های FRP (پلیمر تقویت شده با الیاف) مانند الیاف شیشه یا GFRP (پلیمر تقویت شده با الیاف شیشه)، الیاف کربن یا CFRP (پلیمر تقویت شده با الیاف کربن) و الیاف آرامید یا AFPR (پلیمر تقویت شده با الیاف آرامید) را نام برد. الیاف شیشه یا GFRP و الیاف کربن یا CFRP موادی هستند که مزایا و معایب خاص خودشان را دارند. GFRP امروزه به‌دلیل قیمت پایین و فراوانی در بازار پرمصرف‌ترین الیاف است. استفاده از FRP حاوی تقویت کننده در بازسازی و تقویت سازه‌های آسیب دیده بسیار مؤثر است. استفاده از GFRP بر روی تیرهای خمشی که در این مقاله انجام شد، باعث افزایش بار تا 75.13 درصد و افزایش حداکثر انحراف می‌شود. علاوه براین، در اینجا تقویت ورق‌های GFRP در بلوک‌های بتنی مسلح مورد بررسی قرار گرفته و مشاهده شد که تقویت کننده ذوب شده ظرفیت خمشی بالاتری نسبت به تیر اصلی دارد. نتایج حاصل شده نشان داد که استفاده از CFRP در نواحی کششی، درمقایسه با GFRP، نقش مهمی در افزایش ظرفیت بار دارد و افزایش عرض تسمه اثر کمتری بر افزایش ظرفیت بار دارد. همچنین مشاهده شد که تیرهای تقویت شده با تسمه‌های GFRP حداکثر ظرفیت خمشی را افزایش می‌دهند. بررسی تأثیر مقاوم سازی GFRP و کیفیت بتن بر تیرهای کامپوزیت حداکثر بار، انعطاف پذیری و استحکام را افزایش داد. تقویت بلوک‌های بتن مسلح با استفاده از پلیمر تقویت شده با الیاف کربن (CFRP) به شکل نوارهای NSM و ورق‌هایی به‌عنوان تقویت کننده‌های کششی می‌توانند ظرفیت لنگرهای خمشی را بالا ببرند و استفاده از ورق‌های CFRP به شکل Uwrap به‌عنوان تقویت کننده برشی دوام تیر را افزایش می‌دهند. CFRP اگر از استحکام خوبی برخوردار باشد، دارای مدول الاستیک نسبتاً بالایی (سفت) است و کاربرد گسترده‌ای در تقویت و بهبود سازه‌ها دارد. اگرچه الیاف شیشه (GFRP) خاصیت ارتجاعی و استحکام کششی کمتری نسبت به الیاف کربن دارد، اما از تغییر شکل (کرنش) بالا، خواص ضربه پذیری بالا و مقاومت در برابر گسیختگی برخوردار است که آن را به ماده‌ای تبدیل می‌کند که هم به‌تنهایی و هم در ترکیب با الیاف کربن بسیار مقاوم است. کامپوزیت‌های هیبریدی استحکام، مدول و شکست کرنش بالاتری نسبت به کامپوزیت‌های حاوی الیاف شیشه و کربن دارند. مزیت استفاده از کامپوزیت‌های هیبریدی کاهش خواص کمتر مطلوب کامپوزیت‌های GFRP و CFRP است. این یافته‌ها مبنایی برای بررسی کاربرد ورق‌های FRP به‌عنوان تقویت کننده خمشی بلوک‌های بتن مسلح با استفاده از الیاف شیشه (GFRP) و الیاف کربن (CFRP) به شکل یک لایه FRP هیبریدی (GFRP و CFRP) محسوب می‌شوند.
تست مقاومت کششی FRP
همانطور که در شکل زیر مشخص شده است، نتایج حاصل از تست‌های مقاومت کششی انجام شده بر روی نمونه‌های GFRP، CFRP و FRP هیبریدی (GFRP و CFRP) با سه آزمایش از هر نمونه مقادیر متوسط تنش، کرنش و مدول الاستیسیته را نشان داد.
شکل 1:
درمقایسه با سه نوع FRP هیبریدی GC35، GC40 و GC45، می‌توان مشاهده کرد که GC40 هیبریدی تنش کششی، شکست کرنش و الاستیسیته بهتری دارد. شکل بالا نشان می‌دهد که GC40 هیبریدی از شکل پذیری و دوام بسیار خوبی نسبت به سایر FRP های هیبریدی برخوردار است. بنابراین، GC40 عالی است زیرا رفتاری شبیه به فولاد تقویت کننده دارد و دارای پتانسیل فوق العاده‌ای نیز به‌عنوان تقویت کننده سازه است. براساس نتایج حاصل از تجزیه و تحلیل‌ها، می‌توان نتیجه گرفت که ورق‌های هیبریدی حاوی الیاف شیشه و کربن می‌توانند خواص مکانیکی FRP را به‌طور قابل توجهی تغییر دهند. در این تحقیق که به‌عنوان تقویت کننده خارجی بلوک‌های بتن مسلح کاربرد دارد، از ورق FRP هیبریدی GC40 با ترکیب 100 درصدی الیاف شیشه (G) و 40 درصدی الیاف کربن (C) استفاده شده است. GC40 هیبریدی به‌عنوان تقویت کننده ساختاری ازلحاظ اقتصادی به صرفه است زیرا قیمت GFRP درمقایسه با CFRP بسیار ارزان‌تر است.
ظرفیت خمشی تیرهای بتن مسلح
نتایج آزمایش شرایط ترک خوردگی، ذوب و بار نهایی تیرهای BN، BGC و BGC Uwrap در جدول زیر ارائه شده است و داده‌ها نسبتاً یکسان هستند.
جدول 1:
این نسبت در تیرهای استاندارد 1.12 درصد است درحالی‌که برای تیرهای حاوی تقویت کننده FRP هیبریدی 1.11 درصد است که تأثیر افزودن تقویت خارجی با استفاده از لایه FRP هیبریدی را نشان می‌دهد. استفاده از FRP هیبریدی با ترکیب الیاف شیشه و کربن تأثیر مثبتی بر استرس راپچر CF دارد؛ پارگی استرس GF بیش از 80 درصد است. در این مطالعه، نتایج آنالیز FRP هیبریدی با Uwrap بالاتر از دیگر تیمارها، یعنی 15/1 درصد بود.
آزمایش تیرها با استفاده از ورق‌های FRP هیبریدی بین پلیمر تقویت شده با الیاف شیشه و پلیمر تقویت شده با فیبر کربن به‌عنوان تقویت کننده خمشی تیرهای بتن مسلح نشان دادند که تیرهای BGC افزایش 18/56 درصدی در بارهای نهایی را تجربه کردند. به همین ترتیب، تیرهای Uwrap BGC به‌دلیل تقویت لایه FRP هیبریدی (GFRP و CFRP)، افزایش 60.59 درصدی در حداکثر بار داشتند به‌طوری‌که ظرفیت خمشی آنها بیشتر از تیر استاندارد (BN) بود. تیرهای BN ارزش انحراف عالی‌تری از تیرهای BGC و BGC Uwrap دارند. تیر BGC ارزش انحراف عالی‌تری نسبت به Uwrap BGC دارد. ظرفیت بار BGC Uwrap از کل نمونه‌ها قابل توجه‌تر است اما با این حال، مقدار انحراف کمتری نسبت به تیر BN دارد. اگرچه شکل پذیری تیر کاهش می‌یابد، نشان می‌دهد که استفاده از FRP هیبریدی و Uwrap در سمت خمشی تیر می‌تواند ظرفیت خمشی تیرهای بتن مسلح را نیز افزایش دهد.
