SUPERVISOR
Davood Mostofinejad
داود مستوفی نژاد (استاد راهنما)
STUDENT
Maryam Taherirani
مریم طاهرایرانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Experimental Study on Behavior of Slender Reinforced Concrete Columns Strengthened with Longitudinal FRP using Grooving Method under Eccentric Load
Application of Fiber Reinforcement Polymer (FRP) for strengthening or retrofitting structural members has been widely developed in recent years. Among different structural members, strengthening of concrete columns is of great significance due to the important role of undergoing concentric or eccentric loads as their collapse leads to great damages in the whole building. Today, columns bearing concentric or eccentric loads could be designed in smaller cross sections in comparison to the past with the application of high strength materials and advanced molding methods. This would result in the construction of slender columns. Strengthening of concrete columns could be achieved by the use of FRP sheets with fibers parallel to the longitudinal axis of the column. One of the reasons for inappropriate performance of FRP composites under compressive stress is the buckling of their fibers. In columns strengthened with FRP sheets, the buckling of the FRP sheets would result to debond. On the other hand, development and investigations on a new grooving method have shown a great potential to postpone the debonding of FRP sheets of the concrete substrate in concrete beams and columns. As most of the structural columns experience eccentric loadings, study the behavior of slender column under eccentric loading is inevitable. If longitudinal sheets are used to strengthening columns, some parts of them will be under amplified tensile stress and due to their high tensile strength, the bearing capacity of the column would increase. Moreover, the other parts of the FRP sheet would be under compressive stress and because of the used grooving method their buckling would be postponed. So by undergoing the compressive stress, the composites have an effective role in loading increment. In this study, grooving method for strengthening concrete columns with longitudinal FRP sheet was employed in order to investigate the performance of column under concentric and eccentric loadings. Furthermore, regarding the importance of ductility and bending stiffness of the columns, the effect of strengthening concrete columns with longitudinal FRP sheets by means of grooving method on the ductility and stiffness was studied. For this reason, 12 slender square concrete columns with the sectional size of 125 mm and height of 900 mm (slenderness ratio of 25) under eccentric loading with different eccentricities of 0, 30, 60, and 90 mm were tested. In construction of the columns the two common methods of surface preparation including Externally Bonded Reinforcement (EBR) and grooving method, were employed. The results showed that in the slender columns strengthened with longitudinal FRP sheets using the grooving method, the load carrying capacity enhancements of 10.6, 19.6, 68.8, and 99.3 percent relative to those of the references were achieved for 0, 30, 60, and 90 mm eccentricities, respectively. Additionally, in all loading cases, the grooving method improved the bearing capacity more significantly than the EBR method. According to the ductility and bending stiffness analysis, the application of longitudinal FRP sheets significantly increases the ductility and bending stiffness of the columns. Key Words Slender Square Reinforced Concrete Column, Longitudinal FRP Composites, Externally Bonded Reinforcement (EBR), Grooving Method (GM), Loading with Eccentricity, Particle Image Velocimetry (PIV).
امروزه استفاده از کامپوزیتهای FRP جهت تقویت و یا ترمیم انواع عناصر سازهای به طور چشم گیری گسترش یافته است. در میان تقویت سازههای بتنی، تقویت ستونهای بتن آرمه به عنوان رکن اصلی سازه که بار محوری را با یا بدون لنگر خمشی منتقل میکنند، اهمیت بالایی دارد؛ چرا که انهدام ستون به فرو ریختن کلی سازه میانجامد. امروزه برای طراحی ستونها تحت بار محوری خالص و یا تحت بارگذاری خارج از محور، با به کار گیری مصالح با مقاومت بالا و روشهای پیشرفتهی قالب بندی، میتوان از مقاطع خیلی کوچکتری نسبت به مقاطع طراحی شده در گذشته استفاده کرد و این امر موجب لاغر شدن ستونها میشود. برای تقویت ستونهای لاغر بتن آرمه، میتوان با استفاده از پوششهای کامپوزیتی FRP به نحوی که الیاف کامپوزیت در راستای موازی با محور طولی ستون قرار گیرند، مقاومت ستون را افزایش داد. یکی از دلایل عدم کارکرد مناسب کامپوزیت FRP تحت تنشهای فشاری، وقوع پدیدههای کمانش در آن است. در ستونهای تقویتشده با کامپوزیت طولی، کمانش ورق کامپوزیت موجب جدا شدن آن از سطح بتن میگردد. از طرفی، توسعه و بررسی روش جدید شیارزنی به عنوان جای گزینی برای روش آماده سازی سطحی متداول، نشان دهندهی توانایی این روش در به تأخیر انداختن پدیدهی جداشدگی FRP از سطح بتن در تیرها و ستونهای بتن آرمه است. با توجه به این که اکثر ستونهای موجود در سازه تحت اثر توأم بار محوری و لنگر خمشی میباشند، بررسی رفتار ستونهای لاغر تحت بار خارج از محور امری ضروری به نظر میرسد. در صورتی که از کامپوزیتهای طولی در تقویت این ستونها استفاده گردد، بخشی از کامپوزیتها تحت تنشهای کششی تشدید یافته قرار گرفته و با مقاومت کششی بالایی که دارند، موجب افزایش باربری نمونه میشوند؛ هم چنین بخشی دیگر از کامپوزیتها تحت فشار قرار میگیرند که با به کار گیری روش شیارزنی تا حد زیادی از کمانش آنها جلوگیری میشود و بنا بر این، با تحمل فشار، نقش مؤثری در افزایش باربری نمونه خواهند داشت. لذا در این پژوهش، از روش شیار زنی در تقویت نمونههای بتن آرمه با کامپوزیت FRP با الیاف طولی استفاده شد و نمونهها تحت بار محوری و بار خارج از محور قرار گرفتند تا تأثیر روش شیار زنی در عملکرد نمونه مورد بررسی قرار گیرد. علاوه بر این، با توجه به اهمیت شکل پذیری و سختی خمشی در ستونها، تأثیر به کار گیری روش شیار زنی به منظور تقویت ستون لاغر با ورقهای طولی CFRP در شکلپذیری و سختی خمشی نمونهها مورد بررسی قرار گرفت. به منظور دست یابی به اهداف پژوهش، تعداد 12 عدد نمونهی ستون لاغر بتن آرمهی مربعی به ضلع 125 میلی متر و ارتفاع 900 میلی متر، به صورت دو سر مفصل (لاغری 25) تحت بار محوری با خروج از مرکزیتهای صفر، 30، 60 و 90 میلی متر قرار گرفتند. در نمونههای مورد بررسی، روش متداول نصب سطحی و روش شیار زنی در نصب کامپوزیت طولی FRP استفاده شد. نتایج آزمایشها نشان داد که به کارگیری روش شیار زنی موجب افزایش ظرفیت باربری ستون لاغر تقویت شده با کامپوزیت طولی میگردد؛ و با افزایش خروج از مرکزیت بار، میزان کارایی کامپوزیتهای طولی افزایش مییابد؛ به طوری که میزان افزایش باربری برای بارگذاری با خروج از مرکزیتهای صفر، 30، 60 و 90 میلی متر به ترتیب به میزان 6/10، 6/19، 8/68 و 3/99 درصد نسبت به نمونهی شاهد میباشد. هم چنین با توجه به نتایج به دست آمده، در تمامی بارگذاریها، تأثیر روش شیار زنی در افزایش باربری نمونهها به طور چشم گیری بیشتر از روش آماده سازی سطحی میباشد. علاوه بر این، با توجه به نتایج شکل پذیری و سختی خمشی، میتوان گفت که کامپوزیتهای طولی موجب افزایش شکل پذیری نمونهها شده و تأثیر قابل توجهی در میزان افزایش سختی خمشی آنها دارند. کلمات کلیدی: ستون لاغر بتن آرمهی مربعی، کامپوزیت FRP با الیاف طولی، روش نصب سطحی، روش شیار زنی، بارگذاری با خروج از مرکزیت، تکنیک PIV.