بررسی آزمایشگاهی تأثیر جایگزین بتن الیافی توانمند در رفتار خمشی و شکل‌پذیری تیرهای بتن مسلح سراسری دو دهانه

چکیده

در یک تیر سراسری بتن آرمه، با رسیدن لنگر در مقطع بحرانی به حد نهایی، تیر دچار خرابی نمی‌شود، بلکه اگر سازه از شکل‌پذیری کافی برخوردار باشد پس از تشکیل مفصل پلاستیک در نقطه بحرانی، باز توزیع تنش و لنگر به وقوع پیوسته و سبب می‌شود که سایر نقاط سازه نیز به مقاومت و ظرفیت نهایی خود برسند. رفتار سخت شوندگی کرنش تحت کشش، از بتن الیافی توانمند یک مصالح توانمند با قابلیت جذب انرژی بالا و قابلیت ترک خوردگی‌های زیاد قبل از شکست، ساخته است.

هدف از این تحقیق، بررسی رفتار خمشی، الگوی ترک‌خوردگی، شکل‌پذیری تیرهای سراسری دو دهانه ساخته شده با مصالح بتن الیافی توانمند حاوی ۲% الیاف فولادی در مقایسه با تیرهای ساخته شده با بتن معمولی می‌باشد. بدین منظور دو عدد تیر بتن آرمه که نمونه اول به عنوان تیر مرجع و نمونه دوم با بتن الیافی توانمند به طور کامل دارای بتن الیافی توانمند می‌باشند ساخته شدند. ابعاد هر یک از تیرها ۴۰۰۰*۲۵۰*۲۰۰ میلی‌متر و فاصله مرکز به مرکز هر یک از تیکه‌گاه‌های تیر از یکدیگر ۱۸۰۰ میلی‌متر می‌باشد. طول آزاد هر یک از دهانه‌ها به دو قسمت مساوی تقسیم و نیروی متمرکز در وسط و به صورت متقارن و به صورت افزاینده اعمال گردید. نتایج تحقیق نشان داد که استفاده از مصالح بتن الیافی توانمند با ۲% الیاف فولادی در نمونه‌ها باعث افزایش شکل‌پذیری جابجایی و انرژی به ترتیب به میزان ۲.۵ و ۱.۷۶ گردیده و بارهای ترک خوردگی و نهایی تیر دارای بتن الیافی توانمند به ترتیب ۵۰ و ۲۷ درصد نسبت به تیر ساخته شده با بتن معمولی افزایش یافته نشان می‌دهد. با به کارگیری بتن الیافی توانمند به جای بتن معمولی در ساخت تیرهای سراسری، ظرفیت باربری در تیرهای ساخته شدهب ا بتن الیافی توانمند به طور کامل به میزان ۳۵% نسبت به تیرهای سراسری ساخته شده با بتن معمولی افزایش داشته است. سطح زیر منحنی نیرو- تغییر مکان که نشان دهنده میزان جذب انرژی می‌باشد؛ در تیرهای ساخته شده با بتن معمولی را نشان می‌دهد.

کلمات کلیدی: بتن الیافی، تیر سراسری، شکل‌پذیری، باز توزیع لنگر، الیاف فولادی.

مقدمه

بتن‌های الیافی توانمند (HPFRCC) در سال‌های اخیر شاهد پیشرفت چشمگیر و زیادی بوده‌اند. عمده‌ی این پیشرفت‌ها به سبب توسعه‌ی هر چه بیشتر ملات، گونه‌های مختلف الیاف، اندرکنش ملات- الیاف فرایند تولید کامپوزیت درک مناسب‌تر در خصوص مکانیزم‌های اصلی کنترل رفتار و بهبود مستمر میزان هزینه‌های اجرایی می‌باشد. علاوه بر آن می‌توان به مواردی مانند معرفی نسل جدید مواد افزودنی (فوق روان‌کننده) با امکان دستیابی به مقاومت‌های بالا همراه با کم‌ترین کاهش در کارایی ملات، کاربرد ریز پر کننده‌ها مثل دوده‌ی سیلیسی و خاکستر بادی و فهم بهتر از چگونگی تأثیر آن‌ها در تخلخلف مقاومت و دوام ملات اشاره نمود. این موارد همگی باعث پیشرفت‌های اساسی در ساخت و مدل‌سازی رفتار این بتن‌ها شده‌اند. نسبت دادن واژه‌های پیشرفته یا توانمند به مصالح مهندسی بیانگر تفاوت آن‌ها با مصالح متداول و معمولی است که با توجه به آخرین فناوری‌ها و موقعیت مکانی آن‌ها در سازه به کار می‌رود. یکی از این مصالح توانمند که در سالیان اخیر، پیشرفت چشمگیری داشته، بتن‌های الیافی توانمند می‌باشد. در دهده ۱۹۶۰، رامولدی و همکاران بررسی تأثیر الیاف فولادی بر کاهش شکنندگی بتن را در دستور کار قرار دادند. این روند با کاربرد سایر انواع الیاف ادامه یافت و در سال‌های اخیر ترکیب انواع الیاف با طول‌های مختلف در دستور کار قرار گرفت. گسترش دانش در خصوص چگونگی تأثیر الیاف بر ملات، منجر به تدوین توصیه‌هایی در مورد طراحی سازه‌ای توسط موسسه RILEM گردید. در اوایل دهه ۱۹۸۰، تولید یک مصالح بتن الیافی با رفتار کششی شکل پذیر مورد توجه قرار گرفت که شروع آن توسط اوستون و همکاران در سال ۱۹۷۱ بود. در سال ۱۹۸۹ کرنچل و استانگ با کاربرد مناسب الیاف به هم پیوسته به شکل پذیری کششی ۱۰۰ برابر نسبت به بتن معمولی دست یافتند. در سال ۱۹۹۹ کورباج و جسب و در سال ۲۰۰۳ نامان و رینهارت و همکاران نوع جدیدی از بتن الیافی با الیاف بهم پیوسته تحت عنوان بتن مسلح بافته شده (TRC) را ارائه نمودند. نامان و رینهارت در سال ۲۰۰۳ مصالحی را معرفی نمودند که جدا از FRC ها طبقه‌بندی می‌شدند و شامل یک بخش سخت‌شوندگی کرنش در منحنی تنش- کرنش کششی خود بودند و در رده بتن‌های الیافی توانمند قرار گرفتند. رفتار سخت شوندگی کرنش بتن‌های الیافی توانمند (HPFRCC) در شکل ۱ نشان داده شده است.

بتن‌های الیافی توانمند کاربردهای فراوانی چه به شکل جداگانه و چه در ترکیب با آرماتورهای فولادی و مهارهای پیش تنیدگی دارند. رفتار خمشی بتن الیافی توانمند متأثیر از شکل‌پذیری کششی آن است. در این خصوص بررسی‌های فراوانی توسط مالج، لی، ونگ، روکوگو و کونیدا انجام شدهاست. همچنین فوکویاما و همکارانش یک تیر با مصالح بتن معمولی کامل و یک تیر با مصالح HPFRCC کامل را تحت بارگذاری سیکلی مورد آزمایش قرار دادند. نامان و همکاران رابط در دیوار برشی کوبله که شربتدار، خیرالدین، دهقان و امیری بر مبنای کار کنبلات و همکارانف با ساخت نمونه‌های آزمایشگاهی به مقاومت و شکل‌پذیری بالاتری نسبت به بتن معمولی دست سافتند. بر اثر خمش، میکروترک‌های چندگانه در انتهای تیر شکل می‌گیرند و اجازه تحمل انحنای بزرگ را به آن می‌دهند. مقاومت خمشی یا مدول گسیختگی افزایش یافته و تغییر شکل‌های بزرگ به سادگی قابل دستیابی است. در تحقیق دیگری که توسط همتی و همکاران بر روی رفتار خمشی تیرهای بتن مسلح با استفاده از بتن‌های الیافی توانمند انجام شد مشاهده گردید که با جایگزینی بتن الیافی توانمند به جای بتن معمولی، ظرفیت باربری و شکل‌پذیری تیرها افزایش قابل توجهی می‌یابد.

مطالعه آزمایشگاهی

مطالعات آزمایشگاهی جهت بررسی تأثیر بتن الیافی توانمند بر رفتار خمشی، الگوی ترک خوردگی، شکل‌پذیری تیرهای سراسری دو دهانه بتن مسلح انجام گردید.

نمونه‌های آزمایش

برای بررسی رفتار خمشی تیرهای سراسری (دو دهانه) بتن معمولی و بتن الیافی توانمند، می‌بایست نمونه‌هایی انتخاب شوند که تا حد امکان به مقیاس واقعی نزدیک باشند تا بتوان به نتایج قابل اعتمادی دست یافت لذا دو نمونه تیر سراسری مطابق جدول ۱ با ابعاد هندسی (مقطع و طول) و چیدمان آرماتورهای طولی و عرضی (خاموت‌ها) و شرایط تکیه‌گاهی یکسان در نظر گرفته شدند به طوری که تیر RC به عنوان تیر مرجع با بتن معمولی بود و در تیر FHP از بتن الیافی توانمند HPFRCC در کل تیر به عنوان جایگزین بتن معملی استفاده شده است. تکیه گاه‌های تیرها نیز از نوع ساده انتخاب شدند. فاصله مرکز به مرکز هر یک از تیکه‌گاه‌های تیر از یکدیگر ۱۸۰۰ میلی‌متر می‌باشد و طول کل نمونه‌ها برابر ۴۰۰۰ میلی‌متر انتخاب شد. طول آزاد هر یک از دهانه‌ها به دو قسمت مساوی تقسیم و نیروی متمرکز در وسط و به صورت متقارن اعمال شد. در کلیه نمونه‌های تحت آزمایش، ابعاد مقطع عرضی تیرها دارای ارتفاع ۲۵۰ میلی‌متر و عرض ۲۰۰ میلی‌متر انتخاب گردید. نسبت آرماتور مصرفی در این تیرها به طریقی انتخاب خواهد شد که مقطع به حالت پرفولاد نزدیک نگردد و انهدام خمشی حاکم باشد. ضمن اینکه نسبت آرماتور مصرفی از نسبت آرماتور حداقل نیز بزرگتر بوده و خطر انهدام ترد در نمونه‌ها ایجاد نشود و مساحت خاموت‌های مورد استفاده در این نمونه‌های آزمایشگاهی به طریقی انتخاب گردید که از آرماتورهای حداقل برشی بیشتر باشد. لذا شکست برشی در این تیرها رخ نداده و رفتار خمشی حاکم بود. از دو عدد آرماتور فوقانی به قطر ۱۴ میلی‌متر به عنوان میلگرد طولی سراسری در بالا و پایین مقطع تیر و در محل لنگر ماکزیمم وسط دهانه و تکیه گاه میانی از سه عدد میلگرد نمره ۱۴ استفاده گردید. همچنین از آرماتورهای با قطر ۸ میلی متر به فاصله مرکز به مرکز ۱۰۰ میلی‌متر جهت خاموت‌گذاری تیرها استفاده گردید. نحوه آرماتورگذاری و چیدمان آرماتورها در شکل ۴ نشان داده شده است. به منظور اندازه‌گیری کرنش در میلگردها از کرنش سنج‌های الکتریکی استفاده گردید. محل نصب کرنش سنج‌ها در شکل ۳ نشان داده دشه است. همچنین به منظور اندازه‌گیری خیز نمونه‌ها از سه عدد تغییر مکان سنج الکتریکی (LVDT) با دقت ۱/۱۰۰۰ در زیر هر دهانه استفاده گردید. شکل ۲. جهت اندازه‌گیری بار کل اعمالی از طرف جک از (Load Cell) با ظرفیت ۱۰۰ تن استفاده شد. قبل از بارگذاری تیرها، تمامی کرنش سنج‌های نصب شده و نیروسنج‌ها به دستگاه ثبت داده‌ها (Data Logger) و کامپیوتر وصل شده و عملیات پایش، در طول بارگذاری به صورت کامل انجام گردید. در شکل ۲ ابعاد و جزئیات چیدمان دستگاه آزمایش بطور شماتیک و در شکل ۵ نحوه انتقال بار به نمونه‌ها به طور واقعی نشان داده شده است.

خواص مصالح مصرفی

سیمان به کار رفته در ساخت تیرها، سیمان پرتلند نوع ۲ بوده و سنگدانه‌ها از نوع سیلیسی و گرد گوشه که اندازه بزرگترین دانه آن ۱۰mm است. همچنین از میکرو سیلیس و فوق روانساز با پایه پلیمری در ساخت تیرهای بتنی استفاده شده است. الیاف مصرفی در ساخت بتن الیافی توانمند از نوع فولادی به طول ۳۰mm و به قطر ۰.۶mm می‌باشد. نسبت‌های وزنی اختلاط مصالح در بتن الیافی توانمند و بتن معمولی در جدول ۲ ارائه شده است که بر مبنای وزن سیمان مصرفی می‌باشد. باید توجه داشت که در ساخت بتن الیافی توانمند، الیاف به آرامی و طی چندین مرحله به مخلوط اضافه می‌شوند تا از پدیده گلوله شدن الیاف جلوگیری به عمل آید. برای تعیین مقاومت فشاری بتن معمولی و بتن الیافی توانمند از نمونه‌های مکعبی ۱۵*۱۵ سانتی‌متری استفاده شده است. نتایج حاصل از آزمایش مقاومت فشاری بر روی نمونه‌های مکعبی و بتن الیافی توانمند ای پس از گذشت ۲۸ روز و پس از تبدیل به مقاومت معادل نمونه استوانه در جدول ۲ ارائه شده است. فولاد مورد استفاده در ساخت نمونه‌های آزمایشگاهی از نوع فولاد A3 که به وسیله دستگاه کشش یونیورسال مورد نتایج قرار گرفته و نتایج حاصل از آزمایش کششی میلگردها در جدول ۳ آمده است. الیاف مورد استفاده در طرح اختلاط بتن از نوع الیاف فولادی قلابدار و مشخصات آن‌ها مطابق با استاندارد ASTM A 820 می‌باشند که در جدول ۴ ارائه شده است.

مشاهدات و نتایج آزمایش

الگوی ترک خوردگی، مد شکست و رفتار نیرو- تغییر مکان تیرها

ابتدا تیر RC مورد آزمایش قرار گرفت و نیروی قائم متمرکز به آن اعمال گردید. اولین ترک خوردگی تحت نیروی حدود ۳۵ کلیونیوتن و تغییر شکل حدود ۲ میلی‌متر در وسط هر یک از دهانه اتفاق افتاد که در شکل ۳ نشان داده شده است. تسلیم آرماتورهای کششی در نیروی حدود ۱۳۰ کیلونیوتن و تغییر شکل ۷.۲۸ میلی‌متر رخ داد. ترک خوردگی‌ها نیز با ترک‌های کششی در وسط دهانه شروع می‌شود و به تدریج گسترش یافته و به سمت تکیه‌گاه حرکت می‌کند و در عرض آن‌ها نیز زیاد می‌شود و در نهایت تیر RC تحت نیروی ۱۶۰ و تغییر مکان حداکثر ۲۵.۸۱ میلی‌متر منهدم گردید. در مرحله دوم تیر FHP که با بتن الیافی توانمند ساخته شده بود، تحت آزمایش قرار گرفت. اولین ترک‌های کششی در وسط دهانه شروع شده و به تدریج گسترش یافته و عرض آن‌ها زیاد می‌گردد. در نهایت تیر دارای نیروی ۲۱۵ کلیو نیوتن و تغییر مکان حداکثر ۴۷.۹۷ میلی‌متر گردیده است. الگوی ترک خرودگی تیر در لحظه انهدام و منحنی نیرو- تغییر مکان وسط دهانه‌های تیر در شکل ۶ نشان داده شده است. منحنی نیرو- تغییر مکان وسط دهانه‌های تیرها در شکل ۷ نشان داده شده است. نتایج منحنی شکل ۷ و جدول شماره ۵ نشان می‌دهد که بارهای ترک خوردگی و نهایی تیر دارای بتن الیافی توانمند به ترتیب ۵۰ و ۲۷ درصد افزایش یافته است و و تغییر مکان نهایی تیر دارای بتن الیافی هم ۷۰ درصد بیش از تیر با بتن معمولی است که نشان از عملکرد مناسب بتن الیافی توانمند در افزایش ظرفیت و تحمل تغییر شکل‌های زیاد می‌باشد.

شکل‌پذیری

شکل‌پذیری جابجایی از نوع شکل‌پذیری خیز عضو است و به لحاظ اندازه‌گیری آزمایشگاهی از سهولت بیشتری نسبت به دیگر شکل‌پذیری برخوردار است. در این تحقیق میانگین خیز وسط دهانه چپ و راست متناضر با تسلیم شدگی فولادهای کششی در تکیه گاه میانی، به عنوان خیز تسلیم و میانگین خیز وسط دهانه چپ و راست متناظر با تسلیم شدگی فولادهای کششی در تکیه گاه میانی، به عنوان خیز تسلیم و میانگین خیز وسط دهانه چپ و راست هنگام شکست تیر، به عنوان خیز نهایی در نظر گرفته شده است. شاخص شکل‌پذیری ∆µ با رابطه ∆u بر ∆y تعریف می‌شود که ∆u و ∆y خیز نهایی و تسلیم می‌باشد. روش دیگر تعریف شکل‌پذیری، بر مبنای مفهوم انرژی است، بنابراین شاخص شکل‌پذیری انرژی gµ، براساس نسبت انرژی جذب شده تیر در بار نهایی به انرژی جذب شده در بار تسلیم است. کمیت شکل‌پذیری انرژی با رابطه بیان می‌شود که E_u و E_y انرژی جذب شده تیر در بار نهایی و بار تسلیم است. به منظور ارزیابی شکل‌پذیری تیرهای آزمایش شده، رفتار تیرها از ابتدا تا انتهای بارگذاری به کمک انواع حسگرهای نصب شده بر قسمت‌های مختلف اعضاء، پایش و مورد ارزیابی قرار گرفت. منحنی های بار- خیز تیرها در شکل ۸ نشان داده شده است.

همانگونه که از شکل ۷ و جدول ۶ مشاهده می‌شود تیرهای ساخته شده با بتن الیافی توانمند دارای رفتار مناسب‌تر و شکل‌پذیری بیشتری از تیر ساخته شده با بتن معمولی می‌باشد. به طوری که شکل پذیری جابجایی و انرژی تیر FHP دارای بتن الیافی توانمند به ترتیب بیش از ۲.۵ و ۱.۷۶ برابر مقادیر مشابه در تیر ساخته شده با بتن معمولی بودند.

عکس العمل تکیه گاهی تیرها و باز توزیع لنگر

نمودار مقدار بار انتقالی به تکیه گاه میانی و کناری نسبت به بار اعمالی به تیرهای آزمایش شده در شکل ۹ نشان داده شده است. عکس العمل تکیه گاه میانی و تکیه گاه کناری توسط Load Cell نصب شده در زیر تیر تعیین شده است. در اشکال مربوطه، مقدار عکس المل تکیه گاه میانی و کناری که از آنالیز خطی و آزمایش به دست آمده است ترسیم شده است. همانگونه که از شکل ۹ مشهود است در بارهای بیشتر از بار تسلیم فولاد کششی، در تراز بار یکسان، عکس العمل‌های تکیه گاهی آزمایشگاهی در کیه گاه میانی و کناری به ترتیب کمتر و بیشتر از عکس العمل محاسبه شده از روابط الاستیک می‌باشند. همچنین نمودار لنگر در ناحیه مثبت (وسط دهانه) و منفی (تکیه گاه میانی) نسبتب ه با اعمالی برای تیرهای آزمایش شده در

شکل ۱۰ نشان داده شده است. لنگر در تکیه گاه میانی و وسط دهانه از تعادل استاتیک و براساس عکس العمل میانی و کناری تیر محاسبه شده است. دیاگرام لنگر خمشی در دو حالت لنگر الاستیک و آزمایشگاهی در حالت نهایی برای تیرهایی آزمایش شده در شکل ۱۱ نشان داده شده است.

نتیجه گیری

در این تحقیق دو تیر سراسری دو دهانه به طول ۴ متر با بتن الیافی توانمند و همچنین بتن معمولی ساخته و سپس تا مرحله تخریب بارگذاری و پایش شده و نتایج زیر بدست آمد.

• مقایسه الگوی ترک خوردگی در ناحیه مفصل پلاستیک تیرها نشان می‌دهد که میزان ترک خوردگی تیرهای ساخته شده با بتن الیافی توانمند بیشتر از تیرهای ساخته شده با بتن معمولی می‌باشد.
• با به کارگیری بتن الیفی توانمند به جای بتن معمولی در ساخت تیرهای سراسری، ظرفیت باربری در تیرهای ساخته شده با بتن الیافی توانمند به طور کامل به میزان ۳۵% نسبت به تیرهای سراسری ساخته شده با بتن معمولی افزایش داشته است.
• شکل پذیری جابجایی تیرهای ساخته شده با بتن الیافی توانمند به طور کامل به میزان ۲.۵ برابر نسبت به تیرهای سراسری ساخته شده با بتن معمولی افزایش داشته است.
• سطح زیر منحنی نیرو- تغییر مکان که نشان دهنده میزان جذب انرژی می‌باشد؛ در تیرهای ساخته شده با بتن الیافی توانمند به طور کامل به مقدار ۳۸% افزایش نسبت به تیرهای ساخته شده با بتن معمولی را نشان می‌دهد.

دانلود مقاله از انجمن بتن ایران

برخی از محصولات شرکت آتروپات