STRENGTHENING AND SEISMIC RETROFITTING OF STRUCTURES WITH COMPOSITE MATERIALS

Transcript

1 STRENGTHENING AND SEISMIC RETROFITTING OF STRUCTURES WITH COMPOSITE MATERIALS

2 روشهای مقاوم سازی متداول ستونهای بتنی معایب روشهای سنتی - افزایش وزن المان - افزایش سختی المان - افزایش ابعاد المان - عدم امکان عبور صفحات فوالدی از داخل سقف - صعوبت اجرا - زمان بر بودن عملیات تقویت - عدم امکان استفاده در بسیاری از شرایط تغییر مشخصات دینامیکی افزایش نیروی وارده به المان

3

4

5 TRADITIONAL TECHNIQUES - COLUMNS STEEL JACKETING SHOTCRETE JACKET STEEL PLATES ADDITION OF SHEAR WALLS

6 TRADITIONAL TECHNIQUES - SHEAR WALLS STEEL PLATES SHOTCRETE JACKET

7 TRADITIONAL TECHNIQUES - JOINTS STEEL PLATES STEEL PLATES & SHOTCRETE JACKETING

8 MATERIALS AND TECHNIQUES, BASIS OF DESIGN

9 Basi strengthening materials CFRP laminates L-shaped CFRP laminates Unidiretional abris Multidiretional abris Two-part epoxy resins Mehanial asteners

10 Fabris Glass abris Carbon abris Aramid Fabris Hybrid abris

11 Fibres Matrix Ε = Ε ib V ib +Ε m V m ~ Ε ib V ib ~ ib V ib

12 σ CARBON ARAMID GLASS STEEL ε u ~ 1.7% ~3.0% ε

13 BASIC TECHNIQUE Beam lexural strengthening with strips Beam shear strengthening with abris Slab lexural strengthening Column wrapping with abris Fabri impregnation with resin Resin-impregnated abris

14 BE CAREFUL DURING EXECUTION!! Repair Smooth and lean suraes Removal o loose onrete

15 Prepared substrate Appliation o strips Resin Air Strip overed with resin in trapezoidal oniguration Plasti roller Resin appliation Bonding o strip Rolling Removal o exess resin

16 Appliation o abris Fibers should be straight, not loose Careul impregnation with resin. Rolling, air removal Bond hek

17 resin Automated wrapping Temporary reation plate Jak FRP anhorage Prestressing Conrete SPECIAL TECHNIQUES - A Temperatur e sensor FRP Eletri urrent Heating devie Power supply Aelerated uring through heating FRP inside slits (NSM)

18 PRESTRESSED FRP resin Temporary reation plate Jak FRP anhorage + TAKE ADVANTAGE OF PRESTRESSING + BETTER USE OF FRP - MORE BRITTLE RESPONSE - SPECIAL (AND EXPENSIVE) DEVICES

19

20 Near Surae Mounted (NSM) Reinorement

21 NEAR SURFACE MOUNTED (NSM) FRP + IMPROVED BOND BEHAVIOUR + BETTER PROTECTION OF FRP - MORE LABORIOUS & EXPENSIVE SOLUTION - APPLICABILITY IS LIMITED BY THICKNESS OF CONCRETE COVER

22 SPECIAL TECHNIQUES - B Speial preabriated elements Mehanially astened laminates (e.g. anhor bolts, powder atuated nails)

23

24

25

26

27 FLEXURAL STRENGTHENING Beams - slabs

28

29

30 FLEXURAL STRENGTHENING Load Μ Rd Heavy FRP Reinorement Moderate FRP Reinorement Light FRP Reinorement Unstrengthened Deletion

31 FAILURE MECHANISMS FULL COMPOSITE ACTION DEBONDING 1 onrete rushing steel yielding 4 Anhorage ailure steel yielding 5 debonding at intermediate lexural rak FRP rature 3 onrete rushing no steel yielding 6 debonding at inlined rak 7 FRP end shear ailure SHEAR FAILURE AT FRP END

32 FRP end shear ailure (onrete rip-o) 7 FRP end shear ailure I not veriied : SHEAR STRENGTHENING

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45 SHEAR STRENGTHENING OF RC V V Ater strengthening Beore strengthening δ

46 Fabri (1) () A t B (3) (4) C FRP strips (lexible sheets or rigid strips) (5) (6) D (7) E b s b b (8) (9) (10 ) s s

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57 CONFINEMENT OF RC COLUMN

58 Inreas e strength Inrease deοrmability Prevent lap-splie ailure Rebar bukling Delay bukling Many layers may prevent bukling

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70 STRENGTHENING OF MASONRY Beam-type element, in-plane lexure/shear In-plane lexure Out-o-plane lexure Shear wall, in-plane shear

71 IMPROVEMENT OF MORTAR JOINTS Wall thikness < 0.40 m, light damage Use o ompatible mortar, perhaps with the addition o ement (stronger!)

72

73 REINFORCED PLASTERING Wall thikness < 0.40 m, light damage Use o light steel grid or hiken wire or polymer grid Attahement o reinorement with nails Cement-based strong mortar, mm thik Curing is very important!

74 TRADITIONAL TECHNIQUES: RC JACKETING

75 FLEXURE (OUT-OF-PLANE, IN-PLANE) Strips, abris or NSM

76 Strips or abris in X-oniguration. Ends should be anhored. IN-PLANE SHEAR (a) (b) Strips or abris at a ertain spaing (e) NSM bars Fabri () (d) NSM bar at the bed joint

77 CONFINEMENT (β) (α) (γ)

78

79

80

81

82 TRANSPARENT FABRICS

83 VAULTS - ARCHES Extrados strip Intrados strip

84 CFRP tapes

85

86 REVERSIBLE INTERVENTION, UN-BONDED TENDONS Un-bonded FRP strips Churh o Panaghia Faneromeni, Egion, Greee (1995) FRP strip

87 GFRP RODS & RESIN MORTAR

88 Zurih National Museum

89 El Aini Domes

90 OUT-OF-PLANE FLEXURE M Rd, o N Rd l ε M ε Mu = x ψ d δ G x t A E ε l t A ε ε,lim = min(ε u, ε,b )

91 IN-PLANE FLEXURE N Rd M Rd,i t ε M ε Mu = ψ d x δ G x l l t A ε ε,lim = min(ε u, ε,b )

92 IN-PLANE SHEAR N Rd V Rd s s s z Longitudinal reinorement l d= 1.5z l (>0.5l e ) L e Α l t BEAM-TYPE ELEMENTS V Rd V SHEAR WALLS Rd,M V Rd, vd t A s e, d t V Rd V Rd,M V Rd, vd A td 0.9d s e,d 1 ot sin 0.3 td d

93 CONFINEMENT d, ud,b ud,d d Mu b d, d i ud 0. 4 d σ ud ud,d ud,b 1 t d de t b de b d bd t de ud d, d i ud 0. 4 d d Mu Mu ud d

94 محاسبات تقویت خمشی تیر با استفاده از FRP مشخصات هندسی تیر به شرح زیر می باشد. عرض تیر ارتفاع تیر b : 300 h: 600 mm mm مشخصات مصالح تیر به شرح زیر می باشد. مقاومت مشخصه بتن تنش تسلیم میلگرد تعداد میلگرد های پایین تیر قطر میلگرد های پایین تیر مساحت میلگرد های پایین تیر 8 y 400 n= 3 d= 5 mm As= 1471 M Pa M Pa mm مقدار لنگرهای خمشی وارد به تیر در حاالت مختلف به شرح زیر می باشد: شرح لنگر ناشی از بار مرده لنگر ناشی از بار زنده لنگر ناشی از بار سرویس لنگر بار نهایی M (T.M) ظرفیت مقطع در حالت نهایی در عرض واحد قبل از تقویت به شرح زیر تعیین می شود: MPa MPa A s bd b y y max b 0.03 max

95 n Rn MS DL S LL existin g DL M DL M LL DL M M LL new مقطع کم فوالد بوده و میلگردهای کششی جاری می شوند لذا بطور محافظه کارانه ظرفیت مقطع برابر است با: C 0.85 ba T A C T s y 0.85 ba A y a d 0.85 M n s As y 0.85 b T( d a / ) y 8.4 m a M n As y d M n 6. T.M ار آنجا که لنگر وارده از طرفیت مقطع بیشتر است عرشه را تقویت می کنیم: برای تقویت مقطع از FRP با مشخصات زیر استفاده می شود: E rp * rp * rp t rp W rp G Pa M Pa mm mm FRP تعداد الیه N برای طراحی FRP از روش طراحی آیین نامه R ACI استفاده می شود. این آیین نامه مراحل گام به گام زیر را جهت طراحی پیشنهاد می کند که در ادامه جزئیات طراحی بر این مبنا مشاهده می شود. بر اساس آیین نامه مذکور مقطع قبل از تقویت باید توانایی تحمل ترکیب بار زیر را داشته باشد: R n 1.1 S DL 0.75S LL existing M 1.1 M 0.75 M n existing DL LL است. در رابطه فوق ظرفیت خمشی لنگر ناشی از بار مرده لنگر ناشی از بارزنده M LL M DL M n

96 1.1M 0. 75M DL LL T.M M n existing 6. T.M M 1.M M n existing DL LL OK لذا می توان از FRP برای تقویت استفاده نمود. گام 1: تعیین مشخصات طراحی FRP Exposure ondition Interior exposure Exterior exposure(bridges,piers and unenlosed parking garages) Aggressive environmental شرایط محیطی از جدول زیر تعیین می شود. Fiber type Carbon Glass Aramid Carbon Glass Aramid Carbon Glass Aramid : Environmental redution ator CE لذا با توجه به شرایط جدول داریم C E 0.95 * u CE u u u C E * u u گام : محاسبات اولیه E 4700 ( MPa) E MPa C nd A s mm 4 nt w mm A گام : 3 تعیین کرنش اولیه موجود در زیر عرشه بر اساس آیین نامه کرنش اولیه موجود باید در حالت مقطع ترک خورده و تحت بار مرده تعیین شود.

97 k Es n 8.0 E ( n ) n n 3 bd 3 I r k nas d 3 M DL d kd bi I E r s s (1 k) s mm d u ne t گام : 4 کنترل چسبندگی FRP به بتن d u گام : 5 برآورد عمق تار خنثی برای برآورد اولیه اندازه تار خنثی معادل.0 d فرض می شود. 0. d mm در شکل زیر نحوه توزیع تنش ها و کرنشها در مقطع مستطیلی مشاهده می شود. گام : 6 تعیین سطح کرنش موثردر FRP e e سطح کرنش موثردر FRP از رابطه زیر تعیین می شود. d bi d

98 برای این مقدار فرض شده حالت خرابی بصورت گسیختگیFRP است و در نتیجه کرنش بتن از رابطه زیر تعیین می شود گام : 7 تعیین کرنش در میلگردهای کششی کرنش در میلگردهای کششی از رابطه زیر تعیین می شود. s d d e bi گام : 8 تعیین تنش در میلگردهای کششی و FRP تنش در میلگردهای کششی و FRP از روابط زیر تعیین می شود: s E s s y s 400 Mpa e E e Mpa گام : 9 تعیین نیروهای داخلی و بررسی معادله تعادل مقطع A s s A 1 1 b عمق تار خنثی از رابطه زیر تعیین می شود: e اگر کرنش در بتن فشاری برابر کرنش نهایی بتن )0.003( باشد پارامترهای بلوک تنش مستطیلی بر اساس آیین نامه ACI به نحو زیر تعیین می شود MPa 8 MPa اگر کرنش در بتن فشاری کمتر از کرنش نهایی بتن )0.003( باشد پارامترهای بلوک تنش مستطیلی بر اساس آیین نامه ACI به نحو زیر تعیین می شود. 1.7 E 4 1 6

99 لذا با توجه به موارد فوق داریم که : با نوشتن معادله تعادل عمق تار خنثی به شرح زیر تعیین می شود: A s s A 1 1 b e از آنجا که مقدار بدست آمده با مقدار فرض شده در گام 5 متفاوت می باشد لذا بصورت سعی و خطا گامهای 6 تا 9 تا رسیدن به یک مقدار واحد تکرار می شود. گام : 10 تعیین مقدار واقعی گامهای 6 تا 9 چندین بار تا برقراری معادله تعادل تکرار می گردد. مقادیر حاصله در آخرین گام به شرح s s e 1 1 = 19.6 mm Mpa MPa زیر می باشد: A s s A 1 1 b e 19.6 mm OK مقدار در مرحله آخر تکرار صحیح می باشد. گام : 11 تعیین ظرفیت خمشی اجزا میزان مشارکت میلگردهای کششی در ظرفیت خمشی مقطع از رابطه زیر بدست می آید: M ns 1 A s s d 8.61 T.M

100 10.44 T.M T.M دوش یم نییعت ریز هطبار زا یششک درگلیم رد شنت.دوش یم نییعت ریز هطبار زا هدروخ کرت تلاح رد عطقم رد یثنخ رات قمع : 13 ماگ FRP و نتب یششک درگلیم رد سیورس تلاح رد شنت لرتنک :1 ماگ عطقم یشمخ تیفرظ نییعت :دوش یم نییعت ریز هطبار زا تمواقم شهاک بیرض :اب تسا ربارب FRP اب هدش تیوقت عطقم یشمخ تیفرظ..تسا رتشیب ییاهن تلاح رد هدراو رگنل زا هدش تیوقت عطقم یشمخ تیفرظ :دیآ یم تسدب ریز هطبار زا عطقم یشمخ تیفرظ رد FRP تکراشم نازیم 1 d A M e n sy n ns n M M M k y s s s s bi s s s kd d kd d E A kd d kd d E A E kd d kd d E A M s s s s s s E E E E d d E E E E E E E E k s

101 s. s A s E s kd d 3 kd d kd A E d d kd 3 s 0.80 y ss 93.9 MPa 0. 8 OK y تنش درFRP از رابطه زیر تعیین می شود. E d kd. s s. s bie E s d kd u, s 37.4MPa OK u

102 افزایش ظرفیت برشی تیر با استفاده از FRP مشخصات هندسی عرشه به شرح زیر می باشد. عرض تیر ارتفاع تیر b: 30 h: 60 m m مشخصات مصالح عرشه به شرح زیر می باشد. مقاومت مشخصه بتن تنش تسلیم خاموت تعداد خاموت ها قطر خاموتها مساحت خاموتها فاصله خاموتها 5 M Pa y 300 M Pa n= d= 1 mm Av=.6 S= 15 mm mm نیروی برشی نهایی )ضریبدار( بر روی مقطع برابر است با: V=40 ton ظرفیت برشی تیرقبل از تقویت آیین نامه m ACI برابر است با: )برش قابل تحمل توسط بتن و فوالد( به روش مقاومت نهایی بر اساس V.0 17 برش قابل تحمل توسط بتن b d w kn 14.0 ton V برش قابل تحمل توسط خاموت s y A d s v 98.4 kn 9.8 ton V n V V ) ( s 39.0 kn 3.9 ton

103 برای تقویت مقطع از FRP با مشخصات زیر استفاده می شود: E rp * rp * rp t rp w s GPa MPa mm mm mm تعداد الیه FRP نحوه نصب :FRP بصورت U شکل L e ( nt E ) k 1 7 / k d L d d L e d e U wrap two sides k1kle v 0. v u u C E * u u * u C E e v u e E e u MPa V Av e (sin os ) d s 0.85 V V V V ) A nt w v ( s kn mm 41.9 kn 41.3 ton

104 جزئیات تقویت ستون با استفاده از FRP مشخصات هندسی ستون به شرح زیر می باشد. عرض مقطع ستون ارتفاع مقطع ستون b= 600 h= 600 mm mm مشخصات مصالح ستون به شرح زیر می باشد. مقاومت مشخصه بتن تنش تسلیم میلگرد تعداد میلگرد های طولی ستون قطر میلگرد های طولی ستون 5 y 400 n= 1 d= 5 M Pa M Pa mm نیروی محوری فشاری و لنگر خمشی وارد به ستون در حالت نهایی به شرح زیر می باشد: P u 4800 kn P D 000 kn M u 370 kn.m P L 1500 kn M 3u 50 kn.m با توجه به اینکه ستون تحت اثر خمش دو محوره قرار دارد حالت خمش دو محوره را به خمش یک محوره معادل تبدیل اگر اگر می e e Pu A Pu A g g 3 M 3 Pu M P u u u 5.1 mm 77.1 mm 0.4 ( (1.3 Pu A Pu A g g ) ) y y کنیم e d e d e d 3 e d e e e e 3 e d 3 e d 3 d d 3 e mm خروج از مرکزیت معادل برابر است با:

105 لنگر خمشی تک محوره معادل برابر است با: M u 556 kn.m Pu M u در نتیجه تالشهای نهایی وارد بر ستون برابر است با: kn kn.m جهت اطالع از قابلیت تحمل تالشهای وارده توسط ستون منحنی اندرکنش نیروی محوری-لنگر خمشی ستون تشکیل می شود. برای این کار از روش ارائه شده در آئین نامه R ACI استفاده می گردد. n P ( A ) 0.8 (0.85 ( A A ) g st y A s M n ( A) 0 P ( A) P ( A) / 0.8 n n M n ( A) 0 3 A( yt ) B( yt ) C( yt D Asi si 4 3 E( yt ) F( yt ) G( yt ) H( yt I P ( B, C) ) n M ( B, C) ) n A si si d i پارامترهای بکار رفته در روابط فوق از روابط زیر تعیین می گردند: A be be B C b D b E be F h E be b 1 3 b G h H b h E b b h I b h با توجه به روابط فوق منحنی اندرکنش نیروی محوری-لنگر خمشی ستون مطابق شکل زیر رسم می گردد. با توجه به شکل

106 با توجه به روابط فوق منحنی اندرکنش نیروی محوری-لنگر خمشی ستون مطابق شکل زیر رسم می گردد. با توجه به شکل مشخص است که ستون توانایی تحمل تالشهای وارده را نداشته و نیاز به مقاوم سازی دارد. 6,000 5,000 P n (kn) 4,000 3,000,000 1,000 - M n ( kn. m) M n ( kn. m) رای تقویت ستون از FRP با مشخصات زیر استفاده می شود: E rp * rp * rp t rp G Pa M Pa mm/ mm mm FRP تعداد الیه N 3 برای طراحی FRP از روش طراحی آیین نامه R ACI استفاده می شود.در این آیین نحوه محاسبه منحنی اندرکنش نیروی محوری- لنگر خمشی بر اساس روابط زیر می باشد. کنترل امکان استفاده از FRP در تقویت ستون با استفاده از رابطه زیر انجام می گیرد. R 1.1S S n existing DL LL P n existing 64 kn 1.1PDL PLL 335 kn در نتیجه امکان استفاده از FRP در تقویت ستون وجود دارد. با توجه به آیین نامه R ACI داریم:

107 C E * u E u C * u E u C h b D e u e D nt E e l g g g e A r b b h r h h b A A l / OK 0.08 r h b A A e a 0.5 b h A A e b l a 3.3 u rp a l b u , ) ( E E t u E s y st g n A A A A P ) ( ( ) ( 0 ) ( A M n 0.8 ) / ( ) ( A P A P n n 0 ) ( A M n si si t t t n A D y C y B y A B C P ) ( ) ( ) ( ), ( 3 i si si t t t t n d A I y H y G y F y E C B M ) ( ) ( ) ( ) ( ), ( ) ( E E b A u mm MPa MPa MPa mm mm/ mm mm mm/ MPa mm mm/ mm mm/

108 b( E E ) A 1 b( E E B ) C b u u be D b ( u ) b( E E E 16 ) u h ( E E ) F b 1 u b( E E 3 ) u b G h ( E b E ) u h H b I b h h b E b 3 ( u be ) 3 h ( u ) مختصات نقاط A و 'A از منحنی اندرکنش بصورت زیر تعیین می شود. Pn ( A ) 0.8 (0.85 ( Ag Ast) P ( A) P ( A) / 0.8 n n E nt l D MPa a e l MPa y A s P n M n P n M n ( A) ( A) ( A) ( A) kn kn.m kn kn.m با جاگذاری پارامترها در روابط فوق داریم: مختصات نقطه B از منحنی اندرکنش بصورت زیر تعیین می شود. A= -5.96E-05 B= 51.8 C= D= E= -4.47E-05 F= 49.4 G= H= I= C t y t mm mm/ mm mm 3 kn / mm MPa kn / mm kn 3 kn / mm MPa kn / mm kn kn.mm s1

109 s1 s s3 s s1 s s3 s P n (B) M n (B) kn kn.m A= -1.3E-04 B= 77.1 C= D= E= -9.91E-05 F= 60.6 G= H= I= C t y t مختصات نقطه C از منحنی اندرکنش بصورت زیر تعیین می شود mm/ mm mm 3 kn / mm MPa kn / mm kn 3 kn / mm MPa kn / mm kn kn.mm mm s1 s s3 s s1 s s3 s P n (C) 3364 kn M n (C) 738 kn.m منحنی اندرکنش نیروی محوری-لنگر خمشی ستون در دو حالت قبل و بعد از تقویت در شکل زیر نمایش داده شده است. با توجه به شکل مشخص است که در صورت تقویت بر اساس طرح پیشنهادی ستون قابلیت تحمل تالشهای وارده را دارد.

110 8,000 7,000 6,000 P n (kn) 5,000 4,000 3,000,000 1, M n ( kn. m)