مقاوم‌سازی ستون‌های دایروی شکل فولادی آسیب دیده با استفاده از CFRP

Abstract

بیشتر اعضای سازه‌هایی که عمر مفید آن‌ها سپری شده است نیاز به تعمیر دارند، این اعضا ممکن است توسط عوامل مختلف آسیب ببینند که با توجه به هزینه‌ی بالای بازسازی، بخش عمده‌ای از بودجه‌ی عمرانی کشورهای پیشرفته، سالانه صرف ترمیم و بازسازی این سازه‌ها می‌شود. اعضای فشاری مانند ستون‌ها یکی از مهم‌ترین اجزای سازه هستند که در تحمل و انتقال کلیه‌ی بارهای عمودی و جانبی ساختمان نقش اساسی دارند. اساساً، هیچ ستونی نمی‌تواند به‌اندازه‌ی تمام ظرفیت خود تحمل کند و تحت کمانش دچار شکست می‌شود، درنتیجه‌ بسیاری از محققان علاقه‌مند به مقاوم‌سازی و افزایش مقاومت ستون با استفاده از مواد و روش‌های جدید هستند. در این تحقیق ستون‌های دایروی شکل فولادی با آسیب اولیه به‌صورت عمودی یا افقی با درصد‌های مختلف 25، 50، 75 و 100 موردبررسی قرار گرفتند و تأثیر استفاده از الیاف پلیمری تقویت‌شده به فیبر کربن (Carbon Fiber Reinforced Polymer) برای مقاوم‌سازی مطالعه شد. تعداد 26 نمونه ستون دایره‌ای شکل فولادی با ارتفاع یکسان و ابعاد آسیب متفاوت تحت بار فشاری توسط نرم‌افزار آباکوس (ABAQUS)، تحلیل شدند. عمده مشکل ستون‌های لاغر، کمانش کلی (Global Buckling) تحت بارهای فشاری است. برای افزایش دقت تحلیل از روش ترکیبی برای مطالعه‌ی کمانش‌های ناحیه خمیری بعد از کمانش اولیه استفاده شد. به‌این‌ترتیب ابتدا نمونه‌ها تحت تحلیل کمانشی قرارگرفتند و در ادامه از روش تحلیل غیرخطی ریکس (Riks) با در نظر گرفتن ناکاملی (Imperfection) به‌صورت کلی و موضعی برای تحلیل نمونه‌ها استفاده شد. نتایج نشان داد که ستون آسیب‌دیده دچار کاهش ظرفیت باربری و سختی شد، همچنین شکل افقی آسیب نسبت به شکل عمودی در کاهش باربری نهایی مؤثرتر بود و توانست ظرفیت باربری را در آسیب 100 درصدی تا 52% 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 ناحیه‌ی آسیب‌دیده دچار تخریب 100 درصدی شود به‌طوری‌که تأثیر آسیب با درصدهای کمتر از 25 درصد حداکثر 66/2 درصد بود. حالت شکست در ستون لاغر به‌صورت کمانش کلی و موضعی اتفاق افتاد که همه‌ی ستون‌ها 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 100 درصد، ناحیه‌ی آسیب‌دیده دچار جمع شدگی شد و ستون با آسیب عمودی حالت شکست را به‌صورت بازشدگی ناحیه‌ی نقص تجربه کرد. در نمونه‌های 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. مقاوم‌سازی ستون‌ها با الیاف کربنی نشان داد که این الیاف تأثیر مناسبی در افزایش مقاومت، کنترل گسیختگی و کاهش تنش‌ها در محل آسیب‌دیده دارند و مقاوم‌سازی با 4 لایه الیاف CFRP برای نمونه‌های آسیب‌دیده، توانست مقدار کاهش بار نهایی را تا 51% جبران نماید که نشان از عملکرد مناسب این الیاف در مقاوم‌سازی دارد.