ارزیابی لرزه ای الگوهای مختلف تقویت در اتصال تیر قوی-ستون ضعیف با استفاده از کامپوزیت های FRP

STUDENT

DEGREE

YEAR

Beam-column assemblies of many existing reinforced concrete (RC) buildings are typically designed and built before the development of the current seismic codes; that may permanently fail in non-ductile behaviors, including column flexural hinging or joint shear failure mode, during ground motions. The current research, therefore, was conducted to evaluate the efficiency of newly proposed rehabilitation schemes in retrofitting of deficient RC beam-column connections using fiber reinforced polymers (FRPs). To do so, ten half-scale exterior beam-column joints were constructed and tested under constant axial and reversal-cyclic lateral loadings. These joints were designed with strong beam-weak column theory and insufficient transverse reinforcement in the joint region. The test specimens consisted of one control and nine specimens retrofitted with FRP composites used in different configuration. Longitudinal or transverse CFRP sheets were used to improve the seismic performance of the retrofitted columns while either an L-shaped pattern of FRP sheets or CFRP anchor fans as a new anchorage technique were employed to anchor the longitudinal FRP sheets at the beam-column interface. Moreover, transverse sheets were utilized via the innovative corner strip-batten technique to confine the column of the joint specimen. The joint panel of the rehabilitated specimens was retrofitted with X-shaped CFRP strips. Further, in some specimens, the parts of the beam near the joint core were also strengthened to shift plastic deformations away from the joint area. The externally bonded reinforcement on grooves (EBROG) method was used in all strengthening patterns to eliminate surface debonding of CFRP sheets. The test results revealed that the adopted strengthening schemes successfully prevented the brittle failure of the specimens and were able to provide a more ductile mechanism by relocating the plastic hinge away from the weak column and the joint zone toward the beam. Furthermore, a significant enhancement was observed for specimens in terms of their strength, ductility and energy dissipation up to 80%, 139%, 144%, respectively. Additionally, the EBROG technique together with the CFRP fans at the interface of the beam-column joints eliminated any debonding or slipping of the longitudinal CFRPs. In the analytical section, the behavior of joint specimens were first verified in the ABAQUS software, which showed very good agreement with test results. After that, case studies were done on both control and strengthened specimens by changing some parameters including: the ratio of beam longitudinal reinforcement, the amount of column axial load and the volume of FRP used. Based on the obtained results, increasing both the ratio of beam longitudinal reinforcement and the column axial load, increased the initial stiffness of lateral load-displacement curves. Also, the maximum lateral strength of the joint is completely affected by its mode of failure and can increased by up to 56.2% in ductile modes. Keywords RC beam-column joint, Fiber reinforced polymer (FRP), Strong beam-weak column, Shear deficiency, EBROG, FRP anchor fan, Plastic hinge relocation, Cyclic loading.

اتصالات تیر-ستون در قاب‌های خمشی بتن آرمه یکی از مهمترین قسمتها در مسیر انتقال بارهای جانبی است؛ به طوری که در صورت وجود ضعف یا نقص در هر یک از اجزای آن (تیر، ستون و هسته) امکان انهدام کلی سازه وجود خواهد داشت. از جمله مهمترین این ضعفها میتوان به کمبود ظرفیت خمشی ستون نسبت به تیر (اتصال با شرایط تیر قوی-ستون ضعیف) و کمبود یا عدم وجود آرماتور عرضی کافی در چشمهی اتصال سازه اشاره نمود. از این رو، بهسازی لرزهای و نیاز به تقویت خمشی و برشی اعضای ضعیف در اتصالات موجود سازهای که بر اساس آیین نامههای قدیمی و تنها بر اساس بارهای ثقلی طراحی شدهاند، امری اجتناب ناپذیر خواهد بود. در همین راستا، مهمترین هدف رسالهی حاضر تمرکز بر روی اتصالات موجود بتن آرمه با شرایط تیر قوی-ستون ضعیف و همچنین ضعف برشی در هستهی اتصال و ارائهی الگوهای تقویتی مؤثر و کارآمد با استفاده از کامپوزیتهای CFRP جهت بهبود مشخصات لرزهای آنها میباشد. جهت دست یابی به اهداف تعیین شده در این تحقیق، تعداد 10 نمونه اتصال کناری تیر-ستون بتن آرمه با مشخصات هندسی و جزئیات آرماتور گذاری یکسان ساخته شده و تحت بار محوری ثابت اعمالی به ستون و بار جانبی چرخهای مورد آزمایش قرار گرفتند. طراحی نمونههای آزمایشگاهی به گونهای انجام شد که شبیه ساز یک اتصال واقعی با شرایط تیر قوی-ستون ضعیف و ضعف برشی در چشمهی اتصال باشد. نمونههای اتصال شامل یک نمونهی شاهد و 9 نمونهی تقویت شده با کامپوزیتهای CFRP است. در تمامی طرحهای تقویت پیشنهادی برای نمونهها، از روش شیار زنی EBROG جهت اتصال بهتر FRP به سطح بتن استفاده گردید. به منظور تقویت ستون ضعیف اتصال در اکثر نمونهها از کامپوزیتهای FRP با الیاف در راستای طولی استفاده شد. این ورقههای طولی با به کار گیری روشهای مختلف از جمله مهار L شکل ساده، مهار L شکل همراه با شیار و مهارهای بادبزنی CFRP در محل تقاطع تیر و ستون مهار گردید. همچنین، جهت تقویت ستون در یکی از نمونهها از تکنیک محصور سازی نوار گوشه-بست استفاده شد. تقویت هستهی اتصال نمونهها نیز به صورت عمده با استفاده از نوارهای X شکل FRP با عرض و تعداد لایههای مختلف انجام گرفت. به علاوه در برخی از نمونهها، جهت تقویت نواحی اطراف هسته و انتقال مفصل به تیر اتصال، وجوه بالا و پایین تیر نیز با ورقههای طولی تقویت شد. به منظور بررسی رفتار تسمههای پیش ساختهی CFRP در تقویت اتصالات و مقایسهی آن با کامپوزیتهای حاصل از الیاف خشک، دو اتصال نیز توسط نوارهای پیش ساخته مورد تقویت قرار گرفت. بررسی‌ بر روی نتایج آزمایشگاهی نشان داد که جدا شدگی کامپوزیت‌های تقویتی CFRP از سطح بتن توسط روش شیار زنی EBROG به طور کامل کنترل شده و طول مهار کافی برای ورقههای طولی نیز تنها با به کار گیری مهارهای بادبزنی CFRP تأمین شده است. به این ترتیب با ارائهی طرح تقویت مؤثر در نمونهها، مود شکست مطلوبی به صورت تشکیل مفصل پلاستیک خمشی در تیر اتصال و در نقطهی قطع ورق تقویت حاصل گردید. جهت مقایسهی بهتر نتایج، پارامترهای مختلفی از جمله باربری حداکثر، شکل پذیری و استهلاک انرژی برای نمونهها محاسبه گردید. بر این اساس در نمونه‌های تقویت شده، ظرفیت باربری افزایشی معادل %45 تا %80، ضریب شکل پذیری تغییر مکانی افزایشی معادل صفر تا %139 و میزان استهلاک انرژی افزایشی معادل %20 تا %144 را نسبت به نمونه‌ی شاهد نشان داد. به علاوه، پارامترهای جدیدی تحت عنوان شاخص آسیب انرژی و شاخص آسیب سختی جهت ارزیابی گسترش خرابی در هر سیکل بارگذاری پیشنهاد گردید. این شاخصها بدون بعد بوده و به صورت نسبت استهلاک انرژی یا سختی در تکرار سوم هر سیکل به مقدار آن پارامتر در تکرار اول همان سیکل بارگذاری تعریف شد، به طوری که ضرایب نزدیک به عدد یک بیانگر آسیب کمتر هستند. در قسمت تحلیلی نیز، اتصالات تجربی در نرم افزار اجزای محدود ABAQUS مدل سازی شده و پس از صحت سنجی مدل پیشنهادی در نرم افزار که تطابق بسیار مناسبی با نتایج آزمایشگاهی داشت، با تغییر برخی از پارامترهای طراحی از جمله نسبت آرماتورهای طولی تیر، میزان بار محوری وارد بر ستون و حجم تقویت مصرفی، مطالعاتی موردی بر روی نمونهها انجام گرفت. بر اساس نتایج به دست آمده در این قسمت، با افزایش هر دو پارامتر نسبت آرماتورهای طولی تیر و مقدار بار محوری اعمالی به ستون، سختی اولیه در منحنیهای بار-تغییر مکان جانبی افزایش یافت. همچنین، ظرفیت باربری جانبی اتصال کاملاً متأثر از مود گسیختگی نهایی آن بود؛ به طوری که در صورت وقوع شکست مطلوب در نمونه، تا %2/56 افزایش در باربری حداکثر مشاهده گردید. کلمات کلیدی: اتصال تیر قوی- ستون ضعیف، کامپوزیت‌های FRP، تقویت خمشی، تقویت برشی، روش شیار زنی EBROG، مهار بادبزنی FRP.