مقاوم سازی برشی اعضای بتن آرمه با استفاده از FRP به وسیله چسباندن تقویت کننده های خارجی در راستای اصلی الیاف ها ، موازی با ماکزیمم تنشهای کششی اصلی صورت می گیرد.

بررسی جزئیات مقاوم سازی برشی اعضای بتن آرمه نسبتا محدود بوده و بحث انگیز است. به استثنای چند مورد ، بیشتر محققین رفتار مواد FRP را در برش همانند خاموتهای فولادی داخلی فرض کرده اند، با این فرض که سهم FRP ، ناشی از ظرفیت تحمل تنش های کششی الیاف ها تا حد کرنش نهایی آن و یا مقدار کمتری از آن می باشد.

مطالعات اخیر نشان داده است هنگامی که اعضای بتنی به ظرفیت برشی خود می رسند، FRP در راستای الیاف های خود به اندازه کرنشی کمتر از کرنش نهایی ε_fu کشیده میشود. این کرنش به عنوان کرنش مؤثر ε_fe شناخته میشود. با ضرب کرنش موثر در مدول کشسانی  E_f ،  FRP و سطح مقطع آن ، میتوان نیروی تحمل شده توسط FRP در گسیختگی برشی عضو را محاسبه نمود.

امکان محاسبه کرنش مؤثر FRP با توجه به سختی آنالیز بسیار مشکل می باشد. اما براساس مدلسازی ساده شده و با استفاده از داده های آزمایشگاهی قابل تخمین است. عامل تخمین ε_fe تشخیص و شناخت حالت مواد FRP در گسیختگی برشی اعضای بتن آرمه است. دقت شود که اغلب ، گسیختگی از کشش قطری بتن معین می شود.

ممکن است این گسیختگی به صورت زود هنگام ناشی از جداشدگی یا بعد ار آنکه FRP به مقدار قابل توجهی کشیده شود، رخ دهد در حالت کشیده شدن FRP ممکن است کامپوزیت دقیقا در بار ماکزیمم و یا به مقدار کمی بعد از آن ناشی از تنشهای بالا در نزدیکی ترکهای قطری ، پاره شود.

می توان استدلال کرد که در حالت حد نهایی معمولا یک مقدار مشخص جداشدگی FRP در سطح بین بتن و کامپوزیت پیش بینی می شود، حتی اگر گسیختگی نهایی به طور همزمان با جداشدگی رخ ندهد. این موضوع به واسطه کرنش بیش از حد FRP بوده که نتیجه آن ناسازگاری کرنشی بین مواد بستر (بتن) و ترک خوردگیهای متعاقب آن است. این ترک خوردگیها موجب تمرکز تنش می شود و باعث پیدایش جداشدگی موضعی می گردد. بنابراین ε_fe بسیار وابسته به « طول مؤثر اتصال » ( به واسطه اینکه تنش برشی بین سطوح FRP و بتن به وجود آمده   است ) و « طول مهاری » ( که به عنوان طول لازم برای رسیدن به گسیختگی کششی FRP قبل از جداشدگی تعریف میشود) می باشد.

جدا از شرایط اتصال FRP و بتن ( آماده سازی سطح ، اجرا و غیره ) ، طول مهاری بستگی به سختی محوری FRP که با عبارت E_fpf بیان می شود ، داشته و نسبت عکس با برش ، که همان تنش کششی بتن است ، دارد.

امروزه تأیید شده است که مقاومت کششی بتن متناسب با f_cm بوده که در آن f_cm مقاومت فشاری بتن می باشد. بنابراین می توان گفت که ε_fe وابسته به مقدار E_fupf/f_cm خواهد بود.این وابستگی با نتایج تجربی تأیید می شود. 

 در حالی که تحقیقات موجود در زمینه ی مقاوم سازی خمشی تیرها در بسیاری موارد ، در مورد دال ها هم قابل استفاده است ، اما این     دو بحث تفاوت هایی هم با هم دارند . یکی از این تفاوت ها این است که در دال ها شکست چسبندگی ناشی از ترک خوردگی در طول دهانه نسبت به کنده شدن انتهای صفحه ی FRP از روی بتن ، بیشتر رخ می دهد . 

اساس مقاوم سازی خمشی در دال ها بر استفاده از مصالح مرکب FRP و چسباندن نوارها یا صفحات FRP بر روی سطوح تحت کشش استوار است .

دال های یک طرفه یا دو طرفه ی دو سر ساده

دال های یک طرفه دارای تکیه گاه غیر گیر دار را می توان با چسباندن نوارها یا صفحات FRP در سطح زیرین آنها و در راستای طولی ،       مقاوم سازی کرد .

در دال های دو طرفه لازم است که در جهت اصلی دال مقاوم سازی شود ، بنابراین در هر دو راستای باربری دال از نوارهای FRP استفاده می شود البته چون فرض بر این است که دال های مورد بررسی دارای تکیه گاه ساده هستند ، در وجه زیرین از FRP استفاده می شود .

می توان مقاوم سازی دال های دو طرفه را ، نه فقط در ناحیه ی مرکز آن ، بلکه در هر قسمتی که ممان حداکثر وجود دارد ، انجام داد . در واقع به این صورت می توان مکانیزم شکست دال را تغییر و در نتیجه حداکثر مقاومت دال را افزایش داد .

ناحیه ی مقاوم سازی شده باید به قدری مقاومت داشته باشد که از وقوع هرگونه شکستی در این قسمت جلوگیری کند و به عبارت دیگر خطوط تسلیم و شکست در قسمت های دیگر دال که مقاوم سازی نشده اند ، شکل بگیرد .

دال های طره ای

تفاوت عمده ی این دال ها با دال های یک طرفه و دو طرفه با تکیه گاه ساده در این است که لنگر آن منفی است و نیز بزرگ ترین مقدار لنگر در محل تکیه گاه رخ می دهد . بنابراین نمی توان نوارها یا صفحات FRP را که برای مقاوم سازی بر روی دال چسبانده می شوند ، در محل تکیه گاه یا قبل از آن قطع کرد ، بلکه باید نوارهای FRP را به نحو مناسبی در انتهای دال مهاربندی کرد . با توجه به شرایط مقاوم سازی و شکل دال ، طرح های متفاوتی برای مهاربندی انتهای FRP در تکیه گاه این دال ها پیشنهاد شده است .

در دال های که به صورت کنسول به یک تیر بزرگ یا یک دیوار متصل اند ، یک گزینه ی ساده برای مهاربندی این است که نوار یا صفحه ی FRP را تا قسمتی از سطح دیوار بالا ببرند و بچسبانند . البته این طرح بیشتر در موردی پیشنهاد می شود که از روش چسباندن تر برای FRP استفاده می کنیم . البته با پژوهش ها و بررسی های انجام گرفته ، نتیجه گیری می شود که این روش مهاربندی ، بی تأثیر یا کم اثر است ، زیرا هنوز وقتی که تنش ها در نوار FRP در حد پایینی است ، قسمت چسبانده شده بر روی دیوار ، جدا می شود .

راه مؤثر برای مهاربندی این است که نوارهای FRP را به درون سوراخ هایی که از قبل در دیوار ایجاد شده است ، هدایت کرد . 

دال های طره ای مقاوم سازی شده با FRP ، به یکی از دو حالت زیر دچار شکست می شوند :

الف) جدا شدن نوار FRP از روی بتن که از محل یک ترک بزرگ خمشی در طول دال و در نزدیکی تکیه گاه گیردار شروع می شود و سپس تا    لبه ی آزاد دال گسترش می یابد

ب) شکست خمشی دال که ناشی از گسیختگی FRP تحت کشش یا خرد شدن بتن زیر فشار صورت می پذیرد .

حالت اول شکست شبیه حالت شکست تیر هاست البته محل ترک خوردگی در اینجا در محل تکیه گاه گیردار یا در نزدیکی آن است و در      طول دهانه گسترش نیافته است .

از آنجا که در محدوده ای کوچک از صفحه ی دال ، مقاوم سازی صورت می گیرد ، خطوط تسلیم به خارج از این محدوده رانده می شوند . بنابراین مکانیزم شکست در دال های دوطرفه ی مقاوم سازی شده به صورت شکل گیری و ایجاد خطوط تسلیم در خارج از محدوده ی    مقاوم سازی شده است .

در طراحی ، مقاومت دال های یک طرفه را باید در حالت های شکست زیر کنترل کرد :

1- شکست خمشی ؛

2- شکست چسبندگی در اثر بروز ترک خوردگی در طول دهانه ی دال ؛

3- جدا شدن انتهای صفحه ی FRP در تماس چسب و بتن ؛

4- شکست مهاربندی الیاف ؛

5- شکست مهاربندی انتهایی ثابت شده ( باری دال های طره ای ) .

شکست های برشی و خمشی ، دو حالت عمده ی شکست در تیر های معمولی بتن مسلح هستند . شکست خمشی ، به شکست برشی ، ترجیح داده می شود ، زیرا رفتار شکل پذیرتری از خود نشان می دهد .

شکست نرم علاوه بر آنکه امکان پخش مجدد تنش را فراهم می آورد ، به کاربران و حاضران در محل فرصت بیشتری برای پی بردن به وضعیت بحرانی تیر می دهد .

در حالت مقاوم سازی خمشی تیر های بتنی با روش چسباندن صفحات FRP ، ملاحظه می شود که شکل پذیری تیر نسبت به حالت عادی آن ، کاهش یافته است . البته حتی در این شرایط هم ، شکست آن تحت خمش شکل پذیرتر از شکست برشی آن است . به طور کلی افزایش مقاومت برشی ، احتمال گسیختگی خمشی را نسبت به گسیختگی برشی بیشتر می کند و در نتیجه عضو سازه ای ، شکل پذیرتر می شود .

اگر یک تیر بتنی ، در تحمل برش ضعیف باشد یا پس از مقاوم سازی خمشی ، ظرفیت برشی آن در تحمل نیروهای برشی نسبت به ظرفیت خمشی ، ضعیف تر باشد ، باید مقاوم سازی برشی آن هم مدنظر قرار گیرد .

مقاوم سازی برشی در بیشتر موارد ، یک مرحله ی کلیدی و اساسی در مقاوم سازی مؤثر تیر های بتنی است .

استفاده از صفحه ی زیرین FRP برای مقاوم سازی خمشی تیر های بتن مسلح تأثیر چندانی بر مقاومت برشی آنها ندارد ، بنابراین از اثر مقاوم سازی خمشی تیر ها ، هنگام طراحی برای مقاوم سازی برشی ، صرفنظر می شود . همچنین مشخص شده است که صفحات طولی FRP چسبانده شده به سطوح کناری تیر ، کمک چندانی به افزایش مقاومت برشی تیر نمی کند . در اینجا باید تأکید شود که هرچند الیاف چسبانده شده به سطوح جانبی در راستای طول تیر ، کمک شایانی به ظرفیت برشی تیر نمی کند ، اما الیاف چسبانده شده به این وجوه تحت زوایای دیگر ، در افزایش مقاومت برشی تیر سهیم می شوند . بیشتر زوایا برای چسباندن الیاف به وجوه جانبی ، به جز زاویه ی موازی با ترک های برشی ، در مهار کردن و کاهش دادن عرض ترک ها مؤثر و مفیدند .

ترکیب اشکال گوناگون چسباندن و جهت الیاف و نیز پراکندگی آنها در مجموع به ایجاد طرح های گوناگون مقاوم سازی برشی منجر می شود .

انتخاب روش ها ( طرح های ) مقاوم سازی

بسته به عوامل گوناگون ، طرح مقاوم سازی مناسب باید انتخاب شود . این عامل ها عبارتند از :

• میزان دسترسی به تیر در محل ، ( اگر کل محیط تیر قابل دسترسی باشد ، می توان آنرا به روش دورپیچ کردن ( WRAPPING مقاوم سازی کرد ) ؛ 

• وضعیت بارهای وارد آمده ( بارهای یکنواخت ، بارهای سیکلی و رفت و برگشتی ) ؛

• مبزان افزایش مقاومت برشی مورد نیاز ؛

• دسترسی به انواع مصالح FRP ؛

• ملاحظات اقتصادی .

بر اساس اطلاعات موجود ، چسباندن FRP به وجوه جانبی ضعیف ترین روش مقاوم سازی برشی ( به دلیل مسائل مربوط به چسبندگی ) است . همچنین دورپیچ کردن مقطع مؤثرترین روش است . اغلب برای ستون ها که به طور معمول دسترسی به هر چهار طرف آن ممکن است ، استفاده می شود استفاده از پوشش U شکل هم از نظر کارایی و تأثیر ، در حد متوسط است .

در تیر ها ، که وجود یک دال سبب می شود دورپیچ کردن کامل آن مشکل باشد ، معمولا از این روش استفاده می شود ، بنابراین هرجا که امکان پذیر باشد ، دور پیچ کردن مقطع در اولویت اول و پس از آن استفاده از پوشش U شکل در اولویت بعدی قرار دارد .

در مواردی که هم مقاوم سازی خمشی ( از طریق چسباندن صفحه ی زیرین ) و هم مقاوم سازی برشی به روش پوشش U  شکل یا   دورپیچ کردن مقطع ، مورد نیاز باشد ، توصیه می شود که ابتدا مقاوم سازی برشی انجام شود . در این روش ، بخشی از نیروی کششی در صفحه ی زیرین به FRP وجوه جانبی منتقل می شود و در نتیجه ریسک شکست چسبندگی در صفح ی زیرین تیر کاهش می یابد .

متداول ترین روش مقاوم سازی ستون ها با FRP ، دورپیچ کردن سطح خارجی آنها با نوارهای FRP است . اساس این مقاوم سازی که   در واقع محصور کردن ستون و ایجاد فشار جانبی بر بتن آن است بر این اصل استوار است که وجود فشار محیطی بر روی یک المان بتنی ، سبب افزایش مقاومت فشاری و شکل پذیری آن می شود . محبوس کردن برای اعضای تحت فشار کاربرد دارد و با هدف افزایش ظرفیت      تحمل  بار ، یا  در مورد مقاوم سازی لرزه ای ، برای افزایش شکل پذیری استفاده می شود . روش های محبوس کردن قدیمی بر استفاده از      حلقه های فولادی یا پوشش فولادی تکیه دارند . در حقیقت افزایش اثر حبس کنندگی ، مقاومت و شکل پذیری بتن را افزایش می دهد و از لغزش و کمانش آرماتورهای طولی نیز جلوگیری می کند .

پژوهش های انجام شده در این زمینه نشان می دهد که بتن محصور شده با FRP رفتار متفاوتی نسبت به بتن محصور شده با فولاد از خود نشان می دهد . بنابراین با وجود شباهت های ظاهری ، نمی توان توصیه های ارائه شده برای ستون های محصور شده با فولاد را برای   ستون هایی که با FRP مقاوم شده اند ، به کار برد .

روش های مقاوم سازی

روش های مقاوم سازی را می توان به سه گروه عمده ، دسته بندی کرد :

1) مقاوم سازی با  دورپیچ کردن مقطع ستون

2) مقاوم سازی با پیچیدن مارپیچی

3) مقاوم سازی با پوشاندن با پوسته های پیش ساخته

مقاوم سازی ستون با دورپیچ کردن

این روش متداول ترین روش مقاوم سازی ستون ها با استفاده از FRP است . در این روش ، صفحات یا نوارهای FRP را که الیاف آن ها      یک جهته ( تک راستا ) است و یا صفحاتی که الیاف تشکیل دهنده ی آن بافته هستند ، با رزین آغشته می کنند و سپس طی فرایند چسباندن خیس آنرا به دور ستون می پیچند .

می توان دورپیچ کردن ستون ها را در یک لایه یا چند لایه بر روی هم انجام داد . یا می توان دورپیچ کردن مقطع ستون را به حالت مارپیچی  انجام داد در این حالت نوار یا صفحه FRP قطع نمی شود و پیوسته است . در روش دیگر از حلقه های مجزای ساخته شده از نوارهای FRP برای محصور کردن و دورپیچ کردن ستون استفاده می شود .

مزایا :

• انعطاف پذیری آن در انطباق با اشکال گوناگون مقطع ستون

• سادگی در حمل و نقل

• اجرا و عدم نیاز به تجهیزات ویژه

معایب :

• کنترل کیفی ضعیف و نیاز به عوامل انسانی برای اجرا

مقاوم سازی ستون با پیچیدن مارپیچی

اصول این روش شبیه به روش دورپیچ کردن است ، با این تفاوت که در این روش به جای استفاده از نوار های FRP ، از الیاف پیوسته ، استفاده می شود و به این ترتیب عمل پیچیدن این الیاف دور مقطع ستون به صورت خودکار با دستگاهی که توسط کامپیوتر کنترل می شود ، انجام می گیرد . در این فرآیند ، یک پوشش FRP با ضخامت و حجم کنترل شده دور ستون ، ایجاد می شود .

مزایا :

• کنترل کیفیت پیشرفته

• کاهش نیاز به نیروی کار در محل

معایب :

• نیاز به تجهیزات و دستگاه ویژه

• انعطاف پذیری کم در انطباق با شکل ها

• ابعاد خاص مقطع ستون

مقاوم سازی ستون با پوشش پیش ساخته

در این روش پوسته های مورد استفاده را ابتدا قبل از آوردن به محل اجرا آماده می کنند . آنها را به دو شکل نیم دایره و نیم مستطیلی می سازند و یا به شکل دایره که یک شکاف در طول این پوسته وجود دارد تا بتوان آن را دور ستون قرار داد . همچنین گاهی این پوشش را به صورت      توپی پیوسته ، می سازند و در محل آن را استفاده می کنند . در محصور کردن باید اطمینان حاصل شود که تماس و فشار کامل در تمام سطح تماس پوسته ی دور ستون با استفاده از چسب انجام می گیرد .در غیر اینصورت باید فاصله ی بین پوسته و ستون با ملات مناسب سیمان تزریق شود .

از جنبه های جالب کاربرد این پوسته های پیش ساخته ، ایفای نقش آنها به عنوان قالب در اصلاح شکل مقطع ستون بتنی است که در عین حال مقاوم سازی ستون هم انجام می گیرد .

مزایا :

• حداقل نیاز به نیروی کار در محل

• مفید برای اصلاح شکل ستون ها

معایب :

• هزینه ی پیش ساخته کردن پوسته ها

• محدودیت برای استفاده بر روی ستون های با شکل مقطع گوناگون