مقاوم سازی ستون های دایروی شکل فولادی آسیب دیده با استفاده از CFRP

بیشتر اعضای سازه هایی که عمر مفید آن ها سپری شده است نیاز به تعمیر دارند، این اعضا ممکن است توسط عوامل مختلف آسیب ببینند که با توجه به هزینه ی بالای بازسازی، بخش عمده ای از بودجه ی عمرانی کشورهای پیشرفته، سالانه صرف ترمیم و بازسازی این سازه ها می شود. اعضای فشاری مانند ستون ها یکی از مهم ترین اجزای سازه هستند که در تحمل و انتقال کلیه ی بارهای عمودی و جانبی ساختمان نقش اساسی دارند. اساسا، هیچ ستونی نمی تواند به اندازه ی تمام ظرفیت خود تحمل کند و تحت کمانش دچار شکست می شود، درنتیجه بسیاری از محققان علاقه مند به مقاوم سازی و افزایش مقاومت ستون با استفاده از مواد و روش های جدید هستند. در این تحقیق ستون های دایروی شکل فولادی با آسیب اولیه به صورت عمودی یا افقی با درصد های مختلف ۲۵، ۵۰، ۷۵ و ۱۰۰ موردبررسی قرار گرفتند و تاثیر استفاده از الیاف پلیمری تقویت شده به فیبر کربن (Carbon Fiber Reinforced Polymer) برای مقاوم سازی مطالعه شد. تعداد ۲۶ نمونه ستون دایره ای شکل فولادی با ارتفاع یکسان و ابعاد آسیب متفاوت تحت بار فشاری توسط نرم افزار آباکوس (ABAQUS)، تحلیل شدند. عمده مشکل ستون های لاغر، کمانش کلی (Global Buckling) تحت بارهای فشاری است. برای افزایش دقت تحلیل از روش ترکیبی برای مطالعه ی کمانش های ناحیه خمیری بعد از کمانش اولیه استفاده شد. به این ترتیب ابتدا نمونه ها تحت تحلیل کمانشی قرارگرفتند و در ادامه از روش تحلیل غیرخطی ریکس (Riks) با در نظر گرفتن ناکاملی (Imperfection) به صورت کلی و موضعی برای تحلیل نمونه ها استفاده شد. نتایج نشان داد که ستون آسیب دیده دچار کاهش ظرفیت باربری و سختی شد، همچنین شکل افقی آسیب نسبت به شکل عمودی در کاهش باربری نهایی موثرتر بود و توانست ظرفیت باربری را در آسیب ۱۰۰ درصدی تا ۵۲% کاهش دهد که این میزان کاهش نشان داد که هراندازه که طول محیط ستون بیشتر آسیب ببیند شدت کاهش باربری نهایی بیشتر است. همچنین نتایج نشان دادند که حالت بحرانی زمانی است که کل ناحیه ی آسیب دیده دچار تخریب ۱۰۰ درصدی شود به طوری که تاثیر آسیب با درصدهای کمتر از ۲۵ درصد حداکثر ۶۶/۲ درصد بود. حالت شکست در ستون لاغر به صورت کمانش کلی و موضعی اتفاق افتاد که همه ی ستون ها کمانش کلی را به شکل خم شدن ستون تجربه کردند ولی کمانش موضعی با توجه به نوع آسیب متفاوت بود. برای ستون بدون آسیب، حالت شکست، کمانش کلی با تمرکز در میانه ستون بود؛ در ستون با آسیب افقی ۱۰۰ درصد، ناحیه ی آسیب دیده دچار جمع شدگی شد و ستون با آسیب عمودی حالت شکست را به صورت بازشدگی ناحیه ی نقص تجربه کرد. در نمونه های با درصد آسیب کمتر، کمانش موضعی برای آسیب افقی به شکل تورفتگی مقطع در میانه ستون و برای آسیب عمودی به شکل بیرون آمدگی اتفاق افتاد. مقاوم سازی ستون ها با الیاف کربنی نشان داد که این الیاف تاثیر مناسبی در افزایش مقاومت، کنترل گسیختگی و کاهش تنش ها در محل آسیب دیده دارند و مقاوم سازی با ۴ لایه الیاف CFRP برای نمونه های آسیب دیده، توانست مقدار کاهش بار نهایی را تا ۵۱% جبران نماید که نشان از عملکرد مناسب این الیاف در مقاوم سازی دارد.

کلیدواژه ها:

Strengthening ، Damaged column ، Steel column ، Column buckling ، CFRP ، مقاوم سازی ، ستون آسیب دیده ، ستون فولادی ، کمانش ستون ، CFRP