توصيفگر ها :
كامپوزيت FRP , رفتار اتصال , آزمايش برش مستقيم , بتن در مجاورت دماي بالا , روش شيار زني EBROG
چكيده فارسي :
در سالهاي اخير به دليل هزينههاي بالاي طراحي، نوسازي و بهسازي سازههاي قديمي و آسيب ديدهي موجود، مقاوم سازي آنها مورد توجه مهندسين عمران قرار گرفته است. همچنين سازههاي بتن آرمه بنا به دلايل مختلفي از جمله تغيير در كاربري سازه، تغيير در ضوابط آيين نامهها، اشتباهات اجرايي، عوامل مخرب طبيعي و آتش سوزي، نياز به مقاوم سازي دارند. در چند دههي گذشته استفاده از كامپوزيتهاي FRP به دليل ويژگيهاي منحصر به فردي كه از خود نشان داده است به عنوان روشي موثر در تقويت سازههاي بتن آرمه مورد توجه قرار گرفته است. همچنين كامپوزيتهاي FRP، به جهت مقاومت كششي بسيار بالا، نسبت مقاومت به وزن بسيار بالا، سهولت در اجرا و حفظ معماري سازه، از جمله رايجترين مصالح موجود براي مقاوم سازي سازههاي بتن آرمه هستند. كامپوزيتهاي FRP به روشهاي مختلفي روي سطح بتن نصب ميشوند. روشهاي نصب خارجي روي سطح (EBR) و نصب در نزديكي سطح (NSM) از جمله روشهاي متداول نصبFRP است. بزرگترين عاملي كه سبب عدم استفاده از تمام ظرفيت كامپوزيت FRP ميشود، جدا شدگي زود هنگام آن از سطح بتن ميباشد. شيار زني روشي است كه در طي اين سالها براي استفادهي حداكثري از ظرفيت كامپوزيتهاي FRP پيشنهاد ميشود. اين روش مشكل جدا شدگي زود هنگام FRP از سطح بتن را تا حد بسيار زيادي به تعويق انداخته و در بعضي موارد منجر به حذف كامل آن ميشود.
اغلب ضوابط در آيين نامهها و راهنماهاي طراحي موجود، مربوط به سازههايي است كه در دماي محيط (25 درجهي سانتي گراد) قرار دارند. از طرفي سازههاي زيادي ممكن است در طول عمر مفيد خود در مجاورت دماي بالا قرار گيرند. همچنين به علت تغيير برخي از ويژگيهاي فيزيكي و شيميايي بتن در مجاورت دماهاي بالا، شناخت ضعفهاي بتن در برابر حرارت از اهميت ويژهاي برخوردار است. اين تغييرات فيزيكي و شيميايي شامل كاهش مقاومت فشاري، مقاومت خمشي، مقاومت كششي و مدول الاستيسيته است كه منجر به تخريب و زوال تدريجي بتن ميشود. اين تخريب ممكن است تا هفتهها بعد از قرار گيري بتن در مجاورت دماي بالا ادامه پيدا كند. از اين رو به منظور طراحي ايمن و مناسب سازهها، ضروري است كه شناخت كافي از رفتار مواد و مصالح در دماهاي بالا حاصل شود. با توجه به توضيحات فوق، استفاده از كامپوزيتهاي FRP براي مقاوم سازي و استفادهي مجدد از اين سازهها امري منطقي، اقتصادي و مهندسي شده به نظر ميآيد. لازم به ذكر است كه تحقيقات اندكي در رابطه با مقاوم سازي سازههاي قرار گرفته در معرض دماهاي بالا انجام شده است كه در اين تحقيقات انگشت شمار نيز كامپوزيتهاي FRP با استفاده از روش متداول EBR روي سطح بتن نصب شدهاند. به عبارت ديگر، در هيچ پژوهشي اثر روش شيار زني در تقويت سازههاي بتني كه دماي بالا بر آن اعمال شده است، مورد بررسي قرار نگرفته است. از طرفي ديگر شناخت رفتار اتصال كامپوزيت FRP و بتن ميتواند راه را براي استفادهي حداكثري از ظرفيت كامپوزيتهاي FRP هموار كند؛ كه اين مهم از طريق آزمايشهاي برش مستقيم حاصل ميشود. بنا بر اين در اين تحقيق تلاش ميشود كه رفتار اتصال بتن قرار گرفته در مجاورت دماي بالا و كامپوزيت FRP به صورت جامع بررسي گردد. به اين منظور ابتدا 55 نمونهي بتني منشوري با ابعاد 150×150×350 ميلي متر و 50 نمونهي استوانهاي شكل با ارتفاع 200 ميلي متر و قطر 100 ميلي متر و 39 نمونهي خمشي با ابعاد 100×100×350 ميلي متر ساخته و در وان آب به مدت 28 روز عمل آوري شد. اين نمونهها با توجه به استانداردهاي حرارت دهي ASTM-E119و ISO 834-1 بارگذاري شده و با دو روش EBR و EBROG مقاوم سازي ميشوند. در نمونههايي كه با روش EBROG مقاوم سازي شدند، از دو گروه شيار 20@10×10 و 15@5×5 ميلي متر استفاده شد. در اين تحقيق به منظور بررسي رفتار اتصال كامپوزيت FRP به بتن از آزمايش برش مستقيم استفاده شد. نتايج آزمايش برش مستقيم نشان داد كه، افزايش دما سبب افزايش ظرفيت اتصال كامپوزيت FRP و بتن ميشود به صورتي كه در نمونههايي كه بلافاصله بعد از خروج از كوره مقاوم سازي شده و آزمايش برش مستقيم انجام ميشود، ظرفيت اتصال براي نمونهاي كه در مجاورت دماي 400 درجهي سانتي گراد بوده است، تا 30 درصد نسبت به نمونهي شاهد افزايش مييابد. مقايسهي ظرفيت اتصال در نمونههاي اين پژوهش نشان داد كه، روش شيار زني ظرفيت اتصال استحصال شده از كامپوزيت FRP را تا 50 درصد نسبت به روش EBR افزايش ميدهد. همچنين نتايج حاصل از آزمايش مقاومت فشاري نشان داد كه، افزايش دما سبب كاهش مقاومت فشاري ميشود به صورتي كه مقاومت فشاري در دماي 600 درجهي سانتي گراد 80 درصد كاهش مييابد.
چكيده انگليسي :
In recent years, the high costs associated with designing, retrofitting, and rehabilitating aging and damaged structures have significantly increased the focus on structural strengthening among civil engineers. Reinforced concrete (RC) structures often require strengthening due to changes in structural usage, updates to code provisions, construction errors, natural hazards, or fire damage. Over the past few decades, fiber-reinforced polymer (FRP) composites have emerged as an effective method for strengthening RC structures, owing to their unique properties. These include high tensile strength, an excellent strength-to-weight ratio, ease of installation, and the ability to preserve the architectural appearance of structures. FRP composites are typically applied to concrete surfaces using two common techniques: external bonded reinforcement (EBR) and near-surface mounting (NSM). However, the primary factor limiting the full utilization of FRP composites is their premature debonding from the concrete surface. To address this issue, the grooving method has been introduced as a means to maximize the capacity of FRP composites, effectively delaying or even eliminating premature debonding.
While most existing design guidelines and code provisions focus on structures exposed to room temperature (~25°C), many structures experience high temperatures during their service life. High temperatures alter the physical and chemical properties of concrete, leading to reduced compressive, flexural, and tensile strengths, as well as a decrease in elastic modulus. This degradation often continues for weeks after exposure. A comprehensive understanding of concrete's behavior at elevated temperatures is therefore essential for safe and effective structural design. Given these considerations, utilizing FRP composites to strengthen and reuse heat-exposed structures offers a logical, economical, and engineered solution. However, research on strengthening structures subjected to high temperatures is limited. Existing studies primarily use the conventional EBR method, with no research to date investigating the effects of grooving on structures exposed to high temperatures. Additionally, understanding the bond behavior between FRP composites and concrete is crucial for optimizing the capacity of FRP systems, which can be evaluated through direct shear testing. This study comprehensively investigates the bond behavior between FRP composites and concrete exposed to elevated temperatures. A total of 55 concrete prism specimens (150×150×350 mm3), 50 cylindrical specimens (200 mm height, 100 mm diameter), and 39 flexural specimens (50×50×350 mm3) were prepared and cured in water for 28 days. The specimens were subjected to thermal conditions in accordance with ASTM-E119 and ISO 834-1 standards and then strengthened using both EBR and externally bonded reinforcement on grooves (EBROG) methods. In the specimens strengthened using the EBROG method, two groove classifications were used: 20@10×10 mm2 and 15@5×5 mm2. In this study, direct shear tests were conducted to investigate the bond behavior of the FRP composite to concrete. The results of the direct shear test showed that increasing the temperature leads to an increase in the bond capacity between the FRP composite and the concrete. Specifically, in specimens strengthened immediately after being removed from the furnace and tested under direct shear, the bond capacity of a specimen exposed to 400°C increased by up to 30% compared to the control specimen. A comparison of bond capacities among the specimens in this study revealed that the grooving method increases the bond capacity of FRP composites by up to 50% compared to the EBR method. Furthermore, the results of the compressive strength test indicated that increasing the temperature causes a reduction in compressive strength, with the compressive strength decreasing by 80% at 600°C.