اثر تقويت پايه هاى پل بتن مسلح با استفاده از ورقهاى فولادى در برابر مولفه قاي م زلزله دکتر علیرضا رهایی- مهندس ابراهیم چینی فروش دانشگاه صنعتی امیرکبیر مهدی آرزومندی دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی زلزله Email: m_a_aku@ yahoo.com چکيده در این مقاله نتایج دو روش آزمایشگاهی و تحلیلی در مورد تاثیرتقویت پایه های پل بتن مسلح با استفاده از ورقهای فولادی در برابر مولفه قاي م زلزله اراي ه شده است. در مرحله اول آزمایش( ( Push-up impact روی پایه های پل بتن مسلح بدون تقویت تقویت با ورقهای فولادی با عرضهای متفاوت و تقویت با آرماتور انجام شده است. در مرحله دوم با استفاده از روش اجزاء محدود پایه های پل بتن مسلح مدل شده اند. در پایان نیز نتایج این دو روش (آزمایشگاهی و تحلیلی) مقایسه شده اند که نتایج حاکی از تطابق خوب این دو روش دارد. مقدمه آیین نامه طرح لرزه ای پل های ژاپن پیشنهاد کرده است که برای جلوگیری از وقوع گسیختگی برشی در وسط ارتفاع پایه ها (محل قطع آرماتورها) پایه ها باید تقویت شوند. تعدادی از این پایه ها که با استفاده از ورقهای فولادی تقویت شده بودند در زلزله ) Hyogo ( South سال 1995 آسیب جدی ندیدند فقط مقداری لغزش و جدایی بین ورق فولادی و بتن بوجود آمد بعد از این زلزله مطالعات آزمایشگاهی فراوانی در این زمینه صورت پذیرفت نتایج آزمایشات نشان می دهد که مقاومت تسلیم و مقاومت نهایی پایه تقویت شده گاهی اوقات در حدود دو برابر پایه اصلی می باشد و نکته قابل توجه اینکه پاسخ پایه تقویت شده تقریبا در مرحله خطی باقی می ماند حال آنکه پایه اصلی پاسخ کاملا غیر خطی را از خود نشان می دهد حداکثر تغییر مکان پایه تقویت شده حدود %40 پایه اصلی و انرژی جذب شده پایه تقویت شده حدود %85 بیشتر از پایه اصلی می باشد. [3] حلقه های هیسترزیس پایه تقویت شده به مقدار قابل توجهی پایدارتر و متقارن تر از پایه اصلی ١
مى باشد اما بايد توجه داشت که پايه تقويت شده شتاب پاسخ بزرگترى را نشان مى دهد چرا که پريد طبيعى کمترى نسبت به پايه اصلى دارد. 1- روش آزمایشگاهی ١-١ وسايل آزمايشگاهى شکل 1 دستگاه ) impact (Push-up مورد استفاده در این تحقیق رانشان می دهد. بارگذاری در این دستگاه بصورت هیدرولیکی و با سرعت 200 cm/sec انجام می شود.بر روی نمونه (بتن و آرماتور) گیج هایی نصب شده اند که کرنش بتن و آرماتورهای داخلی را در هر لحظه اندازه گیری می کنند وزن سازه بالایی 4/9 KN میباشد شکل( 1 ) : دستگاه ) impact (Push-up 2-1 نمونه های مورد آزمایش همه نمونه های مورد آزمایش استوانه هایی به قطر 10 Cm و ارتفاع 33 Cm می باشند.نمونه A شامل یک آرماتور طولی سراسری و چهارآرماتورتقویتی تا وسط ارتفاع نمونه می باشد. نمونه های D,C,B به ترتیب توسط ورقهای فولادی به عرض 2 d d, و کل ارتفاع نمونه تقویت شده اند.نمونه E توسط چهار آرماتور طولی سراسری تقویت شده است.که سختی اضافی حاصل از آن برابر با سختی ورق تقویتی نمونه D می باشد. چسبندگی ما بین ورقهای فولادی و بتن توسط رزین مصنوعی تامین شده است. انواع نمونه ها درشکل 2 نشان داده شده است. ٢
شکل( 2 ) : نمونه ها 3-1 شتاب و سرعت ورودی شکل 3 تاریخچه زمانی شتاب وسرعت ورودی صفحه پایه دستگاه را نشان می دهد همانطوریکه از شکل مشاهده در لحظه 12 ms می باشد که بعد از آن بصورت ناگهانی به مقدار صفر سقوط می کند. شکل( 3 ) : تاریخچه زمانی شتاب وسرعت ورودی می شود حداکثر سرعت 4-1 نتایج آزمایشگاهی 1-4-1 وقوع ترک محیطی بر روی نمونه های A وE ترک محیطی روی می دهد این آزمایش نشان می دهد که آرماتور تقویتی از وقوع ترک محیطی جلوگیری نمی کند اما بر روی نمونه های C B و D ترک محیطی مشاهده نمی شود که این امر حاکی از موثر بودن ورقهای تقویتی فولادی می باشد. یک نمونه ترک محیطی در شکل 4 نشان داده شده است. ٣
شکل (4) : یک نمونه ترک محیطی 2-4-1 تاثیر ورق تقویتی شکل ٥ مقايسه اى بين تاريخچه زمانى کرنش آرماتورها درمحل قطع آهنا در حالت با (نمونه ( C و بدون (نمونه A) ورق تقويتى را نشان مى دهد. کرنش (نمون ه ( C مى رسد اين افزايش بعلت ترک خوردن بتن مى باشد. حال آنکه کرنش(نمونه ٣٨٠٠µ به از ١٠٠µ ٤ ms بعد از متوقف شدن صفحه پايه در مدت زمان A) در محدوده الاستيک نوسان مى کند اين نکته نشان مى دهد که ورقهاى تقويتى مى توانند از تمرکز تنش در محل قطع آرماتورها جلوگيرى کند. شکل( 5 ) : مقایسه کرنش آرماتورها درنمونهC ونمونه A 3-4-1 تاثیرعرض ورق تقویتی شکل 6 تاریخچه زمانی کرنش آرماتور نمونه های D C, B, را نشان می دهد. تفاوت قابل توجهی در این نمودار به چشم نمی خورد بنابراین باید توجه داشت که اثرعرض ورق تقویتی چندان روشن نیست و نیازمند تحقیقات بیشتر می باشد. ٤
شکل( 6 ) : مقایسه کرنش آرماتور نمونه های D, C B, 4-4-1 تاثیرروش تقویت شکل 7 مقایسه ای بین تاریخچه زمانی کرنش آرماتورنمونه های E, D را نشان می دهدکرنش نمونه D بسیار کوچکتر از نمونه E می باشد این شکل نشان می دهد که آرماتورهای تقویتی تاثیر زیادی بر بهبود عملکرد نمونه در برابر ضربه حرکت قاي م زلزله ندارد بنظر می رسد اثر محصور کنندگی ورق تقویتی وتمرکز تنش اطراف آرماتور تقویتی باعث این اختلاف باشد. شکل (7 ( : مقایسه کرنش آرماتورنمونه های,E D 2- تحلیل دینامیکی بوسیله مدل یک درجه آزادی رفتار اصلی این آزمایش را میتوان با استفاده از مدل یک درجه آزادی جرم فنر خلاصه کرد شکل 8 رفتار نمونه و نمودار شتاب سرعت و تغییر مکان زمان را نشان میدهد سرعت ورودی با یک نسبت ثابت در فاصله زمانی = 0 t تا t = t 1 افزایش مییابد و در فاصله زمانی بین t = t 1 تا t = t 2 به صورت ناگهانی به صفر میرسد بنابراین یک شتاب مثبت که یک نیروی محوری فشاری تا زمان t = t 1 و یک شتاب منفی بسیار بزرگ که نیروی محوری کششی بسیار بزرگی را در فاصله زمانی t = t 1 تا t = t 2 تولید میکند نیروی کششی حاصله از مقاومت کششی بتن تجاوز میکند و در نتیجه ترک محیطی در پایه پل روی میدهد بعد از کامل شدن ترک محیطی پاسخ سازه بصورت ارتعاش آزاد میباشد فرمول تحلیل دینامیکی بصورت زیر بیان میشود ٥
... m u+ c u+ ku = mφ.. : u.., u تغییرمکان سرعت و., u سختی نمونه در برابر نیروی محوری : k شتاب صفحه ستون : φ ضریب میرایی : c وزن سازه بالایی : m شتاب سازه بالایی شکل( 8 - الف) : شتاب سرعت و تغییر مکان ورودی شکل( 8 - ب) : رفتار مدل یک درجه آزادی شکل 9 نمودار کرنش زمان نتایج آزمایشگاهی و مدل شبیهسازی شده را نشان میدهد همانطوری که از شکل مشخص است حداکثر کرنش فشاری و کششی حاصل از روش آزمایشگاهی و روش تحلیلی تطابق خوبی دارند اما زمان وقوع ترک محیطی در روش تحلیلی کمی زودتر از روش آزمایشگاهی میباشد مقایسه این دو روش نشان میدهد که نیروی اینرسی سازه بالایی عامل بسیار مهمی در وقوع ترک محیطی میباشد. شکل (9) : مقایسه نتایج آزمایشگاهی و مدل شبیهسازی شده (نمونهA ) ٦
3- شبیه سازی بوسیله روش اجزاء محدود اگر چه توسط مدل يک درجه آزادى اين نمونه را مدل کردهايم اما با اين روش نمىتوان اثرات قطع آرماتور عرض ورق تقويتى و محل وقوع ترک محيطى را در نظر گرفت در روش اجزاء محدود از الماهناى مثلثى شکل با کرنش صفحهاى و از روش نيومارک براى تحليل اين مدل استفاده شده است. در شکل ١٠ مدل تحليلى و مراحل پيشروى ترکهاى محيطى نشان داده شده است. نقطه شروع ترک محل قطع آرماتور تقويتى به نظر مىرسد و بعد از آن ترک در همان سطح افقى گسترش مىيابد بعد از اينکه ترک محيطى کامل شد ترک در طول آرماتور گسترش مىيابد شکل ١١ نيز منحنيهاى حاصل از نتايج شبيهسازى و آزمايشگاهى را با هم مقايسه مىکند. شکل (١٠) : مراحل پيشروى ترکهاى محيطى شکل( ( 11 : مقایسه نتایج آزمایشگاهی و مدل سازی ) نمونهB ( ٧
نتایج 1. بر اساس نتایج آزمایشگاهی استفاده از ورق تقویتی فولادی در برابر ضربه های حرکت قاي م موثر می باشد. 2. اختلاف قابل توجهی در مورد اثر عرض ورق تقویتی در این تحقیق مشاهده نمی شود. 3. آرماتور تقویتی نمی تواند از وقوع ترک محیطی جلوگیری کند.در شبیهسازی بصورت مدل یک درجه آزادی وقوع ترک محیطی بعلت نیروی اینرسی سازه بالایی تایید می شود. 4. در شبیهسازی بصورت روش اجزاء محدود وقوع ترک محیطی در محل قطع آرماتورها ی تقویتی تایید می شود. مراجع 1- Izuno, K. Earthquake response of strengthed bridge pier during the 1995 South Hyogo earthquake 11WCEE, 1996 2- Ishikawa, N. Effect of steel jacket reinforcement of RC pier model under impulsive vertical motion 1999 3- Yuan, W. Seisemic performance assessment and retrofit of rectangular bridge pier with externally circular steel jackets 12WCEE, 2000 4- Ishikawa, N. Structural response RC pier under vertical earthquake shock 12WCEE, 2000 5- Ambraseys, N & Douglas, J Reappraisal of the effect of vertical ground motion on response ESEE Report NO.4, August 2000 ٨