تقویت خمشی و برشی اتصالات کناری تیر- ستون بتن آرمه با استفاده از کامپوزیت‌های FRP

STUDENT

DEGREE

YEAR

A major cause underlying the collapse of reinforced concrete (RC) moment-resisting frames observed in past earthquakes is the shear failure of non-seismically detailed exterior beam-column joints. A number of studies have investigated the external application of fiber-reinforced polymer (FRP) composites for the seismic rehabilitation of these members. However, the main challenge facing this technique is the premature debonding of FRP composites off the concrete substrate posed. Grooving method (GM), as an alternative to the conventional externally bonded reinforcement (EBR) technique, has yielded promising results in postponing, or in some cases eliminating altogether, the undesirable debonding failure mode in the flexural/shear strengthening of beams. The present experimental study was conducted to investigate the effects of GM in the seismic behavior of exterior RC beam-column deficient joints strengthened with carbon-FRP (CFRP) sheets taking advantage of the special technique of externally bonded reinforcement on grooves (EBROG). For the purposes of this study, six half-scale RC beam-column subassemblies with no transverse reinforcement in the joint region were constructed. Results revealed that the EBROG technique, coupled with FRP fans at the termination point of FRP sheets, was able to eliminate altogether the debonding. It was, further, able not only to delay the brittle shear failure of the beam-column joints but also to relocate the beam plastic hinge away from the column interface under specific circumstances. Another facet of the current study is the application of FRP composites to enhance the flexural strength of members in the expected plastic hinge regions of ductile reinforced concrete (RC) moment frames for resisting seismic loads. The main issues of concern regarding this subject include provisions for appropriate anchorage details for FRP composites at the beam-column interface, debonding of FRP composites off the concrete substrate, and effect of cyclic load reversal on FRP reinforcement. In order to avoid any likely debonding of FRP composites off the concrete substrate, surface preparation of the test specimens was performed according to GM in the form of EBROG. For the purposes of this study, ten half-scale RC beam-column subassemblies, including a control specimen and nine rehabilitated ones, were tested under constant axial and reversal cyclic lateral loadings. The results indicated that the adopted rehabilitation strategy enhanced the lateral strength of RC joints up to 80% compared to the control one. It was also found that deformation-controlled normal; TEXT-INDENT: 0in; MARGIN: 0in 0in 0pt" Keywords Reinforced concrete beam-column joints, FRP composites, Shear strengthening, Flexural strengthening, EBROG, FRP fans.

اتصالات تیر به ستون در قاب‌های خمشی یکی از کلیدی‌ترین اعضا در مسیر انتقال بارهای جانبی بوده که بروز ضعف در عملکرد آن‌ها سبب انهدام کل سازه می گردد. نیاز به تقویت خمشی اتصالات تیر- ستون و یا تقویت برشی هسته‌ی اتصال از جمله مواردی است که معمولاً مهندسین در طرح های بهسازی سازه ها با آن مواجه می گردند. رساله ی حاضر به بررسی امکان تقویت خمشی اتصالات کناری در ناحیه ی محتمل تشکیل مفصل پلاستیک تیر در بر اتصال با ستون و هم‌چنین تقویت برشی اتصالات کناری فاقد آرماتور برشی در هسته ی اتصال با استفاده از کامپوزیت‌های CFRP اختصاص یافته است. برای این منظور، نمونه‌ها به دو دسته‌ی برشی و خمشی تقسیم شده که هر دسته برای دست‌یابی به اهداف تعیین شده ساخته و آزمایش شدند. در نمونه‌های برشی، مود شکست اتصال مبنا به صورت شکست برشی در هسته‌ی اتصال بوده و بدین منظور فولاد عرضی در ناحیه‌ی هسته‌ی اتصال اجرا نگردید. نمونه‌های این گروه مشتمل بر 1 نمونه‌ی تقویت نشده‌ی مبنا و 5 نمونه‌ی تقویت شده با ورق CFRP هستند. در نمونه‌های تقویت شده، از روش شیار زنی به منظور آماده سازی سطح نصب ورق کامپوزیت استفاده شده و آرایش‌های متفاوتی برای ورق تقویت، از جمله راستا و طول الیاف در نظر گرفته شد. بررسی‌ بر روی نتایج آزمایشگاهی این گروه از نمونه‌ها نشان داد که جدا شدگی سطحی کامپوزیت‌های FRP از سطح بتن توسط روش شیار زنی به طور کامل حذف شده و جدا شدگی انتهایی ورق‌های تقویت نیز در برخی از نمونه‌ها با FRP باد بزنی مهار گردید. بدین صورت مود شکست از مفصل برشی در هسته‌ی اتصال به مفصل خمشی در تیر در نقطه‌ی قطع ورق تقویت تبدیل شد. ظرفیت باربری نمونه‌های تقویت شده‌ی این گروه از % 17 تا % 52 و ضریب شکل پذیری تغییر مکانی از % 33 تا % 74 نسبت به نمونه‌ی کنترلی افزایش یافت. میزان استهلاک انرژی نمونه‌های تقویت شده تا حد % 140 نسبت به نمونه‌ی مبنا رشد یافته و شاخص آسیب در نمونه‌های تقویت شده نسبت به نمونه‌ی کنترلی کاهش یافت. به علاوه، ضریب جدیدی به نام نسبت باریک شدگی در این تحقیق به منظور ارزیابی میزان باریک شدگی پاسخ هیسترزیس نمونه‌های تجربی پیشنهاد گردید. این پارامتر بدون بعد به صورت نسبت عرض باریک شدگی نمودار چرخه ای به عرض باریک شدگی منحنی ایده آل تعریف شده که ضرایب نزدیک به یک نشان دهنده ی منحنی چاق‌تر و ضرائب کوچک‌تر نشان دهنده ی منحنی لاغرتر می‌باشند. در نمونه‌های خمشی، کلیه‌ی ضوابط آیین نامه‌ای در طراحی و ساخت آن‌ها رعایت گردید. بدین ترتیب، مود شکست اتصال مبنای این گروه به صورت تشکیل مفصل پلاستیک خمشی در تیر بود. نمونه‌های این گروه مشتمل بر 1 نمونه‌ی کنترلی تقویت نشده و 9 نمونه‌ی تقویت شده با ورق CFRP می‌باشد. ورق‌های تقویت با طول و تعداد لایه‌های مختلف با استفاده از روش نصب خارجی ورق روی شیار بر سطح فوقانی و تحتانی تیر نصب شده و الگوهای متفاوتی به منظور مهار ورق FRP در تیر در بر اتصال با ستون با توجه به محدودیت در نصب پیوسته ورق تقویت و نیاز به سیستم مهار مناسب مورد بررسی قرار گرفت. بررسی نتایج آزمایشگاهی این گروه نشان می‌دهد که FRP باد بزنی بهترین روش مهار ورق تقویت طولی نصب شده بر وجه فوقانی و تحتانی تیر را در بر اتصال تیر با ستون می‌باشد. ظرفیت باربری نمونه‌های تقویت شده در این گروه تا حد % 80 نسبت به نمونه‌ی کنترلی افزایش یافت. به علاوه، روش شیار زنی سبب حذف جدا شدگی سطحی ورق CFRP شده و با رعایت شرایط خاص جدا شدگی انتهایی ورق تقویت نیز مهار گردید؛ به گونه‌ای که انتقال مفصل پلاستیک به قسمت تقویت نشده‌‌ی تیر ممکن شد. میزان استهلاک انرژی نمونه‌های تقویت شده تا حد % 31 نسبت به نمونه‌ی کنترلی افزایش و به طور کلی شکل پذیری نمونه‌های تقویت شده کاهش یافت. در مرحله‌ی بعد، اتصالات تجربی هر دو دسته در نرم افزار OpenSees مدل سازی و تحلیل غیر خطی شدند. در مدل سازی آن‌ها اثرات لغزش مهاری فولادهای طولی و تغییر شکل برشی هسته‌ی اتصال شبیه سازی شده و نتایج حاصل از تحلیل مزبور، انطباق مناسبی را با نتایج آزمایشگاهی حاضر نشان داد. کلمات کلیدی: اتصال تیر- ستون بتن آرمه، کامپوزیت‌های FRP، تقویت برشی، تقویت خمشی، نصب خارجی ورق روی شیار.