بررسی رفتار خمشی تیرهای بتنی سبک و مسلح شده با میلگردهای FRP

فصل اول : کلیات

۱ – ۱   مقدمه

بتن پرمصرف ترین مصالح ساختمانی است و در اغلب کشورهای جهان نسبت مصرف بتن به فولاد از ۱۰ به ۱ نیز فراتر رفته است. تنها ماده ای را که بشر به این میزان مصرف می کند، آب است. بتن دارای مزایایی از قبیل مقاومت عالی در برابر آب، سهولت شکل دهی در اشکال گوناگون، ارزان و در دسترس بودن مصالح اولیه است. همچنین در مقایسه با فولاد نیاز به نگهداری کمی داشته، مقاومت مناسبی در دماهای بالا از خود نشان داده، و به دلیل اینکه تحت میدان‌های تنش موضعی کمتری قرار دارد، خستگی مشکل مهمی برای آن محسوب نمی‌شود[۱].علی رغم مزایای مذکور برای بتن، به علت وجود مواد مختلف در بتن و نیز اندرکنش این مواد به ویژه در ناحیه بین سنگدانه ها و خمیر سیمان، هنوز در این ماده و محصول نهایی حاصل از ساخت آن پیچیدگی ها و نادانسته های فراوانی وجود دارد. سازه های بتنی در بعضی موارد پاسخگوی نیازهای بهره برداری نخواهند بود. از جمله نواقص سازه های بتنی می توان به مقاومت کششی کم، خوردگی فولاد، سهولت ایجاد و گسترش ترک، و وزن زیاد آنها اشاره کرد.تلاش محققان صنعت ساختمان همواره بر رفع نواقص سازه های بتنی بوده است و روش های مختلفی برای این منظور ارائه داده اند که در زیر به چند نمونه از آن ها اشاره می شود:-  میلگردهای FRP برای جلوگیری از خوردگی و افزایش مقاومت و افزایش میرایی: استعداد خوردگی فولاد در برابر شرایط محیطی قلیایی که در سازه های بتن آرمه در معرض آب دریا استفاده می شود، باعث گردیده است که استفاده از FRP بعنوان جایگزین آن مطرح شود. مقاومت خوردگی و کششی مواد کامپوزیت می‌تواند تا چهار برابر فولاد باشد. این مواد به دلیل بالا بودن ضریب میرایی آنها که ناشی از خواص غیرکشسان آنها است انرژی جذب شده را میرا می­کنند.- استفاده از فایبرها برای افزایش مقاومت کششی و کاهش عرض ترک ها: الیاف دراندازه ها و اشکال مختلف و از جنس فولاد، خمیری، شیشه و مواد طبیعی مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده از الیاف با حجم و اندازه های متفاوت در ملات، تا حدی باعث افزایش مقاومت کششی نهایی شده ولی کرنش کششی در هنگام گسیختگی در این نوع از بتن ها در مقایسه با انواع معمولی بسیار بیشتر است که این بدلیل جلوگیری از باز شدن ترکها و تبدیل یک ترک بزرگ به چندین ترک کوچک می‌باشد.- استفاده از بتن های سبک برای کاهش وزن کلی سازه: در مقایسه با فولاد، پائین بودن نسبت مقاومت به وزن بتن، برای ساخت برج ها و دهانه های بزرگ پل ها و سازه های شناور به عنوان یک مشکل اقتصادی محسوب می شود. برای افزایش نسبت مقاومت به وزن بتن، یک راه حل مناسب، استفاده از سنگدانه‌های سبک مانند لیکا بجای سنگدانه‌های معمولی است که تا کنون با موفقیت در ساخت برج های تا چند ده طبقه در دنیا مورد استفاده قرار گرفته است.بدیهی است مواد جدید نواقصی هم دارند، شامل تولید محدود و هزینه بالا، شکست ترد، نیاز به قلاب نمودن میلگردهای پلیمری در کارخانه و . . . که  سبب کاهش استفاده از آن ها در سازه های بتنی در حال حاضر می شود. با توجه به رشد صنعت و تکنولوژی، استفاده ی روزافزون از این مصالح  در آینده نزدیک، دور از انتظار نخواهد بود.

۱ – ۲   هدف تحقیق

در تحقیق حاضر هدف اصلی بررسی مزایا، معایب، و محدودیت‌های استفاده ترکیبی از دو بتن یعنی بتن سنگدانه سبک سازه‌ای و بتن الیافی در ساخت اعضای سازه ای تحت خمش (تیرها)، بهمراه استفاده از سطح مقطع‌های متفاوتی از میلگردهای ساخته شده از کامپوزیت پلیمری مسلح به الیاف شیشه برای تقویت طولی آنها می‌باشد. در راستای تأمین این هدف که یک برنامه آزمایشگاهی برای آن تدوین گردید، مواردی که باید مورد مطالعه قرار گیرند عبارتند از:- رفتار خمشی ( نیرو- تغییرمکان) تیرها،- ظرفیت خمشی نهایی و نوع شکست تیرها،- بار نظیر اولین ترک و نحوه ایجاد و گسترش ترک ها- کرنش های کششی و فشاری حاصله در مراحل مختلف بارگذاری، و- مقایسه نتایج با روابط آئین نامه ای و تحقیقات مرتبط موجود.لازم به توضیح است که هر چند بتن ها و میلگرد‌های مذکور در تحقیقات انجام شده مرتبط با سازه‌های بتنی مورد توجه قرار داشته‌‌‌اند و ادبیات فنی نسبتاً جامعی در مورد آنها وجود دارد، اما تحقیقات محدودی برای کاربرد ترکیبی آنها و با اهداف مذکور در کار حاضر انجام شده و لذا انجام این تحقیق سهمی هر چند کوچک در کامل‌تر کردن متون علمی موجود در این زمینه خواهد داشت.

۱ – ۳  روش تحقیق

در کار حاضر، ابتدا تحقیقات انجام شده در خصوص بتن سبک، بتن الیافی و میلگردهای FRP مورد مطالعه قرار گرفت و سپس از طریق مطالعه تجربی یا انجام آزمایش، رفتار خمشی تعدادی تیر ساخته شده از مصالح مذکور ارزیابی گردید. نمونه های آزمایشگاهی تعداد ۹ عدد تیر، شامل ۳ نمونه با بتن سبک معمولی، ۳ نمونه با بتن سبک با الیاف فلزی و ۳ نمونه بتن سبک با الیاف پروپیلن در نظر گرفته شد. علاوه بر این، برای هر تیر به تعداد مناسب نمونه مکعبی جهت تخمین مقاومت فشاری و جرم حجمی بتن مصرفی در آنها تهیه گردید. آزمایش به روش خمش چهار نقطه‌ای (تکیه گاه های ساده در دو انتها و دو بار متمرکز در دهانه تیرها) و بصورت مرحله به مرحله تا تخریب کامل تیرها انجام شده و با نصب حسگر در محل‌های مناسب بر روی تیرها، کمیت‌هایی نظیر جابجایی، کرنش، و عرض ترک و نیز نیروی اعمالی در مراحل مختلف بارگذاری اندازه گیری گردید. در راستای تأمین اهداف تعریف شده در کار حاضر نتایج خام حاصل از آزمایش تحلیل و پردازش شده و خصوصیات یا پارامترهای مورد نظر برای تیرها استخراج می‌گردند. در نهایت با جمع بندی نتایج بدست آمده، مقایسه ای بین آنها و نتایج تحقیقات گذشته و نیز روابط آئین نامه ای انجام می‌شود.

۱ – ۴  ساختار پایان نامه

در فصل اول، به توضیح مختصری از سازه های بتنی و دلیل استفاده از آن ها، پرداخته شده است.در فصل دوم، تحقیقات انجام شده در گذشته در رابطه با این تحقیق و نتایج آن ها آمده است.در فصل سوم، روش انجام آزمایش با توضیحاتی در خصوص دقت و چگونگی کار با وسایل مورد استفاده در آزمایشگاه آمده است و نیز به بیان مراحل تحقیقات آزمایشگاهی، طراحی، ساخت، نحوه انجام آزمایش و خصوصیات مواد و مصالح مصرفی پرداخته شده است.فصل چهارم، به بررسی نتایج به دست آمده از آزمایشات و شرح تفصیلی از مودهای شکست و بیان تحلیل های انجام شده در رابطه با چگونگی شکست و عرض ترک و مقایسه بارهای نهایی با روابط آئین نامه، اختصاص داده شده است.فصل پنجم، به بیان نتایج تحقیق حاضر و نیز ارائه پیشنهاد برای انجام تحقیقات آینده در این زمینه اختصاص داده شده است.