کنفرانس ملي محافظت ساختمانها و 60 سیستمهای حمل و نقل در برابر آتش بررسی آزمایشگاهی میزان مقاومت در برابر آتش دال های بتن مسلح تقویت نشده و تقویت شده با CFRP سعید بختیاری )نویسنده مسؤول( 1 ارسالن کاللی 2 فرهنگ فرحبد 3 لیال تقی ا کبری 4 چكیده هدف اصلی این پروژه تحقیقاتی ارزیابی میزان مقاومت در برابر آتش سیستم دال بتنی تقویت نشده و تقویت شده با CFRP در برابر حریق می باشد. برای این منظور ابتدا یک دال بتنی در دو حالت تقویت نشده و تقویت شده با CFRP تحت دو الگوی مختلف تحت بارگذاری ثقلی در دمای محیط تا لحظه گسیختگی قرار گرفتند. نتایج آزمایش ها نشان داد که نوارهای CFRP چسبیده به دال بتنی توانستند ظرفیت باربری را به میزان زیادی افزایش دهند بنابراین این روش می تواند برای تقویت خمشی دال های بتنی مناسب باشد. در ادامه دال بتنی تقویت نشده تحت یک بار ثقلی ثابت بهره برداری قرار گرفت و سپس مطابق یک منحنی استاندارد دما-زمان دمای آن در کوره افزایش یافت تا به گسیختگی برسد. سپس این دال بتنی تحت دو الگوی مختلف با CFRP تقویت شد و تحت آزمون مقاومت در برابر آتش به همین شیوه قرار گرفت. نتایج آزمون ها نشان داد که به علت انتظار باربری بیشتر و به تبع آن افزایش بار ثقلی وارده ولی فقدان مقاومت CFRP در مقابل آتش دال های بتنی تقویت شده در زمان بسیار کوتاهی گسیخته شدند. این موضوع اهمیت بسیار زیاد محافظت در مقابل آتش دال های بتنی تقویت شده با FRP را نشان می دهد تا بتوان با حفظ باربری دال در حین حریق به مقادیر مقاومت در برابر آتش مورد نیاز آئین نامه های ساختمانی رسید. کلید واژ گان: دال بتنی مواد پلیمری مسلح شده با الیاف )FRP( تقویت خمشی باربری ثقلی مقاومت در برابر آتش 1- مقدمه پلیمرهای مسلح شده با الیاف )FRPs( به علت مزایای خود نسبت به مصالح موجود مانند مقاومت باال سادگی اجرا سبکی و مقاومت در برابر خوردگی دارای کاربردهای گسترده ای در مهندسی عمران هستند. یکی از 1-. عضو هیات علمی بخش مهندسی آتش مرکز تحقیقات راه مسکن و شهرسازی bakhtiari@bhrc.ac.ir 2-. پژوهشگر بخش مهندسی آتش مرکز تحقیقات راه مسکن و شهرسازی a.kalali@bhrc.ac.ir 3-. عضو هیات علمی بخش مهندسی سازه مرکز تحقیقات راه مسکن و شهرسازی farhangfarahbod@yahoo.com 4-. پژوهشگر بخش مهندسی آتش مرکز تحقیقات راه مسکن و شهرسازی taghiakbari@bhrc.ac.ir
61 شهرسازی و راه وزارت شهرسازی و مسکن راه تحقیقات مرکز عنوان به که است )CFRP( کربن الیاف با شده مسلح پلیمری نوارهای کامپوزیتی مصالح نوع این پرکاربردترین ]1[. شود می چسبیده مسلح بتن اعضای به اپوکسی رزین با خارجی کننده تقویت خصوص در هایی نگرانی ولی است توجهی قابل مزایای دارای CFRP سیستم گرچه ا بتنی های ساختمان در نسبتا دماهای در شدیدی میزان به FRP مقاومت و سختی واقع در دارد. وجود باال دماهای در آن عملکرد معموال که رسد می پلیمری ماتریس )Tg( ای شیشه انتقال دمای به دما که زمانی یعنی ]2-3[ کند می افت پایین سیستم اثرگذاری برای که بتن و CFRP بین چسبندگی همچنین دارد. قرار سلیسیوس درجه 120 تا 55 بین ]4-6[ مطالعاتی یابد. می کاهش Tg از باالتر دماهای در توجهی قابل میزان به است ضروری کننده تقویت شده مشاهده مطالعات آن در و است شده انجام بتن به CFRP چسبندگی روی بر دما اثر ارزیابی خصوص در افت دچار سریعا چسبندگی مقاومت سلیسیوس درجه 70 الی 60 از بیش به اپوکسی رزین دمای افزایش با که شود. می مسلح بتن ]12-13[ های ستون و ]10-11[ ها دال ]7-9[ تیرها روی بر شده انجام آتش برابر در مقاومت های آزمون بین مرکب عملکرد رسد می Tg مقدار به اپوکسی رزین در دما که هنگامی دادند نشان CFRP با شده تقویت سیستم یک درست اجرای که دادند نشان همچنین ها آزمایش آن کند. می رفتن بین از به شروع بتن و CFRP در آرمه بتن عضو به CFRP کننده تقویت سیستم موثر کمک زمان است قادر آتش برابر در محافظت مناسب های نامه آئین در نیاز مورد آتش برابر در مقاومت زمان تامین امکان و دهد افزایش را سوزی آتش حادثه یک کند. فراهم را ساختمانی ستونها تیرها مانند بتنآرمه سازههای اعضای انواع در FRP کامپوزیتهای از استفاده با خارجی تقویت تیوقت سیستم میشود. انجام سیلوها و تونلها دودکشها پلها نظیر سازههایی همچنین و دیوارها دالها افزایش و محصورکنندگی و برشی تقویت خمشی تقویت اصلی منظور سه به کلی طور به FRP ورقهای با خارجی خمشی تقویت صرفا تحقیق این بحث مورد موضوع به توجه با گیرد. می صورت فشاری اعضای پذیری شکل گرفت. خواهد قرار بررسی مورد CFRP ورقهای از استفاده با بتنآرمه های دال ادامه در شد. تقویت CFRP نوار مختلف مقادیر با سپس و شده طراحی مسلح بتن دال یک تحقیق ابتدای در در CFRP اثر تا گرفتند قرار محیط دمای در ثقلی بارگذاری تحت شده تقویت و نشده تقویت بتنی های دال های دال و نشده تقویت بتنی دال آتش برابر در مقاومت میزان سپس شود. مشخص باربری ظرفیت افزایش شد. ارزیابی کوره در استاندارد آزمون طبق CFRP با شده تقویت بتنی و الیاف این وزن به مقاومت باالی نسبت علت به تحقیق این در بتنی دالهای تقویت در كربن الیاف انتخاب کربن الیاف خزش میزان که داشت نظر در باید دیگر طرف از است. بتنی سازههای تقویت در آن گسترده كاربرد است تر مناسب ثقلی بارهای مقابل در بتنی دال تقویت برای بنابراین و کم بسیار شیشه الیاف با مقایسه در آزمایشگاهی های دال نمونه ساخت در استفاده مورد مصالح مکانیکی خواص تحقیق این در همچنین ]1[.
کنفرانس ملي محافظت ساختمانها و 62 سیستمهای حمل و نقل در برابر آتش مانند مقاومت فشاری بتن مقاومت کششی میلگردهای فوالدی و مطابق با روش های استاندارد آزمون اندازه گیری شد. 2- برنامه آزمایشگاهی 1-2- طراحی نمونههای آزمایشگاهی به منظور بررسی مقاومت در برابر آتش دالهای بتنی تقویت شده با CFRP 6 دال بتنی به شرح جدول 1 ساخته شد. دالهای آزمایشگاهی با در نظر گرفتن متغیرهای مقابل طراحی و ساخته شدند: 1- تاثیر تقویت با CFRP 2- عرض نوارهای تقویتکننده CFRP )میزان تقویت( و 3- دمای آزمایش )دمای محیط و قرارگیری در شرایط کوره به منظور ارزیابی مقاومت در برابر آتش(. با توجه به استفاده از کوره مقاومت در برابر آتش یک متر مکعبی نمونه دالهای بتن مسلح مورد آزمایش با مقیاس 1 به 4 نسبت به نمونه واقعی مدل و با ضخامت 5 سانتیمتر عرض 98 سانتیمتر و طول 146 سانتیمتر ساخته شدند. در طراحی دالهای بتن مسلح در دو حالت تقویت نشده و تقویت شده باCFRP از آئین نامههای 11-ACI 318 ]14[ و 08-440.2R ]15[ ACI استفاده شد. جزئیات نمونه ها مکان اعمال بارها و موقعیت تکیه گاهها در دو حالت تقویت نشده و تقویت شده به ترتیب در شکلهای 1 و 2 مشخص شده است. همان گونه که در این شکلها دیده میشود طول دهانه باربر دالها برابر 130 سانتیمتر میباشد. با توجه به مقیاس کردن نمونهها فوالد کششی دالها از یک شبکه میلگرد جوش شده با قطر 4/95 میلیمتر و فاصله 8 سانتیمتر از یکدیگر در هر دو جهت تشکیل شده بود. برای حالت دال بتنی تقویت نشده مقطع از نوع کم فوالد انتخاب شد تا گسیختگی خمشی آن شکل پذیر باشد یعنی ابتدا فوالد کششی جاری شده و سپس بتن در ناحیه فشاری خرد شود. در حالت تقویت شده نیز میزان سطح مقطع CFRP به گونهای انتخاب شد تا خرابی کششی در خمش که مطلوب و شکل پذیر است اتفاق بیفتد یعنی ابتدا فوالد کششی تسلیم شده و سپس خرد شدن بتن ناحیه فشاری قبل از پارگی ورق CFRP ر خ دهد.
63 وزارت راه و شهرسازی مرکز تحقیقات راه مسکن و شهرسازی جدول 1- مشخصات نمونههای آزمایشگاهی. تیپبندی نمونهها بدون ورق تقویت تقویت شده با دو نوار تک الیه CFRP عرض هر نوار برابر 30 cm عرض هر نوار برابر 15 cm CS-25 25-FR1 25-FR2 آزمون در دمای محیط CS-Fire FR1-Fire FR2-Fire آزمون در معرض آتش شکل 1- مشخصات هندسی نمونه دالهای تقویت نشده و جزئیات میلگردگذاری آنها. شکل 2- مشخصات هندسی نمونه دالهای تقویت شده با دو نوار طولی تک الیه به پهنای 300 میلیمتر. 2-2- مصالح 1-2-2- بتن برای ساخت بتن دالها از سیمان پرتلند نوع 1 و مصالح سنگی استاندارد استفاده شد. مقاومت فشاری
و ساختمانها محافظت ملي کنفرانس آتش برابر در نقل و حمل سیستمهای 64 20 و 16 برابر ترتیب به ماهه( 6 )سن دالها آزمون انجام زمان در و روزه 28 سن در استوانهای بتنی نمونههای فشاری مقاومت است. آزمونه سه فشاری مقاومت نتایج میانگین شده بیان مقادیر آمد. بدست مگاپاسکال شد. تعیین ]16[ 11-ASTM C 140 استاندارد مطابق استوانهای آزمونههای فوالد 2-2-2- میلگردهای جایگزین شده جوش فوالدی مفتولهای آزمایشگاهی نمونههای نمودن مقیاس به توجه با ساخت در استفاده مورد فوالدی کنندههای مسلح مکانیکی مشخصات تعیین منظور به شد. دالها کششی نمونه روی بر ]17[ 11-ASTM A 370 استاندارد با مطابق محوره تک ساده کشش آزمایش بتنی دالهای آزمونه دو نتیجه میانگین یک هر که آمده بدست نتایج و شد انجام شده جوش میلگردهای و خام میلگردهای تنش افزایش کرنش شدگی سخت ایجاد سبب جوشکاری است بدیهی است. شده ارائه 2 جدول در بوده میلگردهای کشش آزمون انتهای در همچنین شد. خواهد فوالد نسبی طول ازدیاد کاهش و نهایی و تسلیم 3(. )شکل است نداده خ ر جوش موضع در گسیختگی که شد مشاهده شده جوش فوالدی شده. جوش و جوش( )فاقد خام فوالدی میلگردهای نمونه مکانیکی مشخصات 2- جدول میلگرد نوع )mm( قطر )kg/cm 2 ( تسلیم مقاومت )kg/cm 2 ( کششی مقاومت )%( طول ازدیاد خام 4/95 4185 5771 18/5 شده جوش 4/95 5640 6600 12/8 )ب( )الف( شده. جوش فوالدی میلگردهای گسیختگی نحوه و کشش آزمون 3: شکل CFRP -3-2-2 اختالط این از حاصل مرکب ماده بنابراین شد. استفاده اپوکسی رزین همراه به کربن الیاف از دالها تقویت برای
65 شهرسازی و راه وزارت شهرسازی و مسکن راه تحقیقات مرکز هندسی مشخصات گرفت. قرار استفاده مورد مسلح بتن دال 4 تقویت برای که میباشد CFRP کامپوزیت نوع از است. شده ارائه 3 جدول در کننده تولید توسط اعالمی مشخصات اساس بر کربن الیاف این مکانیکی و کربن. الیاف مکانیکی و هندسی مشخصات 3: جدول چگالی )g/cm 3 ( گسیختگی کرنش کششی مقاومت )MPa( االستیسیته مدول )GPa( الیاف ضخامت )mm( 1/81 0/176 242 4127 0/015 ابزاربندیها و آزمایش انجام سیستم 3-2- آزمونها همه در شد. انجام مکعب( متر )یک متوسط مقیاس کوره یک وسیله به آتش برابر در مقاومت آزمون کوره متوسط دمای یافت. افزایش ]18[ BS EN -1363 1 : 2012 استاندارد با مطابق کوره دما-زمان منحنی و ترموکوپلها از آمده دست به دمای مقدار اندازهگیریو كوره داخل در شده نصب ترموکوپلهای وسیله به آزمون مدت در که میشود دیده شکل این مطابق است. شده داده نمایش 4 شکل در رواداریها محدوده روی قائم بارگذاری آزمونها همه در بود. شده واقع استاندارد محدوده در دقیق طور به کوره متوسط دمای آزمونها بتنی دال عملکرد نوع به توجه با شد. انجام استاتیکی صورت به هیدرولیکی جک از استفاده با نمونه شدند. انجام اساس این بر مقایسهها و شدند داده ادامه باربری ظرفیت معیار شکست زمان تا استاندارد. منحنی با آن مقایسه و کوره دما-زمان منحنی 4- شکل تغییرمکان شد. انجام ]19[ ASTM E 72-10 استاندارد با مطابق دال نمونه شش روی بر خمشی بارگذاری آزمون فوالد در کرنش شد. اندازهگیری سنج تغییرمکان چهار وسیله به دهانه وسط در و تکیهگاهها محل در دال قائم کرنشسنجهای وسیله به نیز دهانه وسط در FRP خارجی سطح در و بتن فشاری تار دورترین در دال کششی شد. ثبت و اندازهگیری مرحله هر در آنها به متصل جک یک از استفاده با بارگذاری ابتدا شد. داده قرار کوره سقف روی بتنی دال آتش برابر در مقاومت آزمون برای
کنفرانس ملي محافظت ساختمانها و 66 سیستمهای حمل و نقل در برابر آتش هیدرولیکی در دو مقطع به صورت خطی بر روی دال انجام شد تا شرایط الزم برای یک آزمون چهار خطی فراهم شود. بار وارده در تمام مدت آزمون )از زمان روشن شدن کوره( ثابت نگه داشته شد. اطراف نمونه در مقابل خروج حرارت و شعله به گونهای عایق بندی شد که مانعی در برابر حرکت نمونه ایجاد نشود. برای این منظور طرفین نمونه و تکیهگاهها با استفاده از عایقهای پتویی سرامیکی به نحو مناسبی عایق بندی شدند. همچنین در نمونههای FR1-Fire و FR2-Fire که در آنها الیه تقویتی CFRP فاقد پوشش محافظ در مقابل آتش است برای محافظت کرنش سنجهای نصب شده روی سطح CFRP در برابر آتش روی هر کرنش سنج با قطعهای از عایق پتویی سرامیکی پوشیده شد و این عایق با استفاده از یک قطعه مش فوالدی و سیم آرماتوربندی به دال بتنی متصل شد. نحوه قرارگیری دال بتنی روی سقف کوره و عایق بندی اطراف آن در شکل 5 نشان داده شده است. در این مجموعه از آزمونهای مقاومت در برابر آتش دو ترموکوپل داخل هر نمونه در وسط دهانه قرار داده شد تا دمای مرکز نمونه )ترموکوپل شماره 1( و دمای شبکه آرماتور داخل نمونه )ترموکوپل شماره 2( اندازهگیری شود. شکل 5- نحوه استقرار دال بتنی روی سقف کوره به همراه تجهیزات بارگذاری و اندازه گیری. 3- نتایج و بحث 1-3- آزمونهای بارگذاری ثقلی سه نمونه دال در دمای محیط )حدود 25 درجه سلیسیوس( تحت آزمون بارگذاری ثقلی قرار گرفتند. یک نمونه از نوع تقویت نشده )نمونه )CS-25 و دو نمونه از نوع تقویت شده )نمونههای FR1-25 و 25- )FR2 بودند. در این آزمایش ها بار قائم اعمالی به تدریج افزایش داده شد تا نمونهها به گسیختگی برسند یعنی مقاومت آنها بعد از رسیدن به حد ما کزیمم حداقل به میزان %20 کاهش یابد.
67 وزارت راه و شهرسازی مرکز تحقیقات راه مسکن و شهرسازی -1-1-3 نمونه CS-25 نحوه انجام آزمون بارگذاری ثقلی بر روی نمونه تقویت نشده در دمای محیط به همراه منحنی تغییرات بار- تغییرمکان قائم بدست آمده در شکل 6 نشان داده شده است. در این شکل مشخص است که تسلیم میلگردهای کششی در تغییرمکان قائم وسط دهانه حدود 28/5 میلیمتر و میزان بار 15 kn ر خ داده است. ضریب شکلپذیری تغییرمکانی این نمونه حدودا برابر با μ=28.5/82=2.9 به دست آمد. گسیختگی خمشی این نمونه از نوع شکل پذیر بود و ابتدا فوالدهای کششی تسلیم شدند و سپس بتن در ناحیه فشاری خرد شد. )الف( )ب( -2-1-3 نمونه FR1-25 شكل 6: الف( نمونه CS-25 در حین آزمون بارگذاری ثقلی ب( منحنی تغییرات بار-تغییرمکان قائم وسط دهانه برای نمونه های 25-CS-25 FR1 و 25-FR2 در دمای محیط. آزمون بارگذاری ثقلی بر روی نمونه دال بتنی تقویت شده با دو نوار CFRP به عرض 300 mm در دمای محیط انجام شد. اعمال بار حین آزمون با گام 5 kn صورت گرفت. در حین آزمون پارگی FRP طی دو مرحله ر خ داد )شکل 7 -الف(: گسیختگی نوار اول در بار 56 kn متناظر با تغییرمکان وسط دهانه حدود 25 میلیمتر و گسیختگی نوار دوم پس از افت مقاومت دال در بار 43 kn متناظر با تغییرمکان وسط دهانه حدود 40 میلیمتر اتفاق افتاد. منحنی تغییرات بار-تغییرمکان قائم وسط دهانه این نمونه در شکل 6 -ب نمایش داده شده است. ا گر تغییرمکان متناظر با %80 ظرفیت باربری حدا کثر )در اینجا 30 میلیمتر( به عنوان تغییرمکان نهایی نمونه در نظر گرفته شود و با توجه به آن که تغییرمکان حد تسلیم برابر 25 میلیمتر میباشد لذا ضریب شکل پذیری تغییرمکانی برای نمونه تقویت شده 25-FR1 برابر μ=25/30=1.2 خواهد شد.
کنفرانس ملي محافظت ساختمانها و 68 سیستمهای حمل و نقل در برابر آتش )ب( )الف( شكل 7- نمونههای تقویت شده در انتهای آزمون بارگذاری ثقلی: الف( 25- FR1 و ب( 25-.FR2-3-1-3 نمونه -25 FR2 آزمون بارگذاری ثقلی بر روی نمونه دال بتنی تقویت شده با نوارهای CFRP به عرض 15 cm در دمای محیط انجام شد. گسیختگی در نمونه تقویت شده 25- FR2 طی دو مرحله ر خ داد )شکل 7 -ب(: در مرحله اول یکی از نوارهای FRP در بار حدا کثر 53 kn متناظر با جابجایی وسط دهانه 28 میلیمتر پاره شد و با ادامه بارگذاری نوار دوم FRP نیز پس از افت مقاومت در بار حدود 20 kn متناظر با تغییرمکان وسط دهانه حدود 29 میلیمتر از سطح بتن جدا شد. این جداشدگی به همراه قلوه کن شدن بخشی از بتن اتفاق افتاد. منحنی تغییرات بار- تغییرمکان قائم وسط دهانه این نمونه در شکل 6 -ب نمایش داده شده است. با توجه به این شکل ضریب شکل پذیری تغییرمکانی در نمونه تقویت شده 25- FR2 برابر μ=19/29=1.53 خواهد شد که بیش از نمونه تقویت شده قبلی است که پهنای نوارهای آن بزرگتر است. در شکل 6 -ب منحنیهای بار-تغییرمکان قائم وسط دهانه برای سه نمونه 25- CS-25 FR1 و 25- FR2 با یکدیگر مقایسه شده است. همانگونه که در این شکل مشاهده میشود حدا کثر ظرفیت باربری خمشی در نمونههای تقویت شده 25- FR1 و 25- FR2 به ترتیب 3/47 و 3/28 برابر مقدار مربوط به نمونه تقویت نشده CS-25 میباشد که نشان دهنده تاثیر قابل توجه CFRP در تقویت خمشی دالهای بتنی است. از طرف دیگر همان طور که در این شکل مشاهده میشود در اثر تقویت با CFRP شکل پذیری سیستم کاهش مییابد چون CFRP فاقد شکل پذیری بوده و دارای رفتار تنش-کرنش خطی تا لحظه گسیختگی است. 2-3- آزمونهای مقاومت در برابر آتش سه نمونه دال طبق جدول 1 تحت آزمون مقاومت در برابر آتش قرار گرفتند. یک نمونه از نوع تقویت نشده )نمونه )CS-Fire و دو نمونه از نوع تقویت شده )نمونههای FR1-Fire و )FR2-Fire بودند. در این آزمایشها ابتدا بار قائم اعمالی به هر نمونه به تدریج افزایش داده شد تا به مقدار بار بهرهبرداری مربوط به آن برسد. بعد از ثابت
69 وزارت راه و شهرسازی مرکز تحقیقات راه مسکن و شهرسازی شدن بار قائم دمای کوره مطابق منحنی استاندارد دما-زمان افزایش یافت تا نمونه ها به گسیختگی برسند یعنی دیگر قادر به تحمل بار قائم ثابت وارده به خود نباشند. -1-2-3 نمونه CS-Fire بار بهره برداری برای دال بتنی بدون تقویت با توجه به شرایطی که تنش در فوالد کششی مقطع دال به 0.8Fy مطابق با آیین نامه 08-440.2R ACI برسد محاسبه شده و برابر 9/5 kn به دست آمد. قبل از آغاز آتش در کوره بار به تدریج تا رسیدن به بار بهرهبرداری 9/5 kn که متناظر با جابجایی وسط دهانه برابر 13/5 میلیمتر میباشد افزایش یافت. سپس آتش در کوره تحت شرایطی که نمونه CS-Fire تحت بار ثابت 9/5 kn قرار داشت آغاز شده و با افزایش دمای کوره تغییرمکان دال نیز به تدریج افزایش یافت. شکل 8 -الف منحنی تغییرات تغییرمکان وسط دهانه بر حسب زمان را نشان میدهد. دال بتنی CS-Fire با رسیدن دمای فوالد کششی به حدود 550 C دچار تغییرمکانی برابر با 123/4 میلیمتر در وسط دهانه و افت شدید در مقاومت خمشی شده که نهایتا منجر به شکست نمونه شد. )الف( )ب( شکل 8- الف( منحنی تغییرات تغییرمکان وسط دهانه بر حسب زمان در نمونه CS-.CS-Fire و ب( منحنی دما-زمان ترموکوپل های متصل به نمونه Fire با باال رفتن دما در حین آزمون به تدریج ترکخوردگی در سطح باالی قابل رویت دال توسعه یافت. آزمون در دقیقه 79 به دلیل برآورده نشدن معیار ظرفیت باربری خاتمه یافت به عبارت دیگر در این زمان کاهش مقاومت نمونه در اثر افزایش دما به حدی بود که نمونه دیگر قادر به تحمل بار ثابت وارده نبود. شکل 8 -ب منحنی دما- زمان ترموکوپلهای متصل به نمونه را نشان می دهد. در خصوص تحلیل شکست دال در دقیقه 79 توضیحات مقابل قابل ذکر است: این دال بتن مسلح تقویت نشده در هنگام آزمون مقاومت در برابر آتش تحت بار ثابت 9/5 کیلونیوتن قرار داشت. با توجه به اینکه حدا کثر ظرفیت باربری این دال در دمای محیط برابر 16/15 کیلونیوتن می باشد بنابراین نسبت بار به مقاومت دال در شروع آزمون حدود 0/6 بود. در زمان گسیختگی این دال در دقیقه 79 دمای فوالد توسط ترموکوپل نصب شده حدود 550 درجه سلیسیوس ثبت شد. در این
و ساختمانها محافظت ملي کنفرانس آتش برابر در نقل و حمل سیستمهای 70 کاهش خود اولیه مقدار 0/6 حدود به فوالد تسلیم مقاومت ]20[ 10-ANSI/AISC 360 نامه آئین مطابق دما کمتر به کیلونیوتن 16/15 از و یابد می کاهش درصد 40 حدود دال خمشی ظرفیت دما این در بنابراین یابد می مشاهده آزمایشگاهی نتایج با که افتد می اتفاق دال خرابی آن دنبال به که رسد می کیلونیوتنی 9/5 وارده بار از خمشی ظرفیت بوده اندک دال این فشاری ناحیه عمق اینکه به توجه با است ذکر به الزم دارد. مطابقت شده دارد. فوالد تسلیم مقاومت با مستقیم رابطه تقریبا دال FR2-Fire و FR1-Fire های نمونه 2-2-3- CFRP ورق در بهرهبرداری شرایط تنش که شرایطی به توجه با نیز شده تقویت نمونههای در بهرهبرداری بار برابر محیط ضریب CD است. شده محاسبه برسد 0.33C D C E f fu میزان به ACI نامه 440.2R-08 آئین با مطابق تقویت نمونههای در بهرهبرداری بار بنابراین است. الیاف کششی مقاومت f fu و 1 با برابر دوام ضریب CE 0/65 آمد. بدست کیلونیوتن 24 و 33 با برابر ترتیب به FR2-Fire و FR1-Fire شده FR2- و FR1-Fire شده تقویت نمونههای در را زمان حسب بر دهانه وسط تغییرمکان تغییرات منحنی 9 شکل 33 بهرهبرداری بار به رسیدن تا تدریج به بار کوره در آتش آغاز از قبل FR1-Fire نمونه در میدهد. نشان Fire بار کوره در آتش شروع با سپس یافت. افزایش میلیمتر 31/6 برابر دهانه وسط جابجایی با متناظر کیلونیوتن وسط جابجایی در و یافت افزایش نمونه شکل تغییر کوره دمای رفتن باال با شد. داشته نگه ثابت کیلونیوتن 33 نهایتا که افتاد اتفاق دهانه وسط در بتن سطح از CFRP تقویت ورق شدن جدا میلیمتر 43/3 با برابر دهانه دال مقاومت شدید افت به منجر که 10( )شکل بود همراه انتها یک در بتن شدن کن قلوه و مهاری گسیختگی با افتاد. اتفاق دال گسیختگی و خرابی آن دنبال به و شده.FR2-Fire و FR1-Fire شده تقویت نمونههای در دهانه-زمان وسط تغییرمکان تغییرات منحنی 9- شکل خاموش از پس و شد متوقف دال به بار کننده اعمال عرضی تیرهای پیچش دلیل به 7 دقیقه در آزمون این آزمون آن از پس دقیقه چهار شد. روشن دوباره کوره مجدد بارگذاری و بار اعمال سیستم اصالح و کوره کردن مقداری به دما افزایش اثر در زمان این در نمونه مقاومت یعنی یافت خاتمه دال توسط بار تحمل عدم دلیل به
71 وزارت راه و شهرسازی مرکز تحقیقات راه مسکن و شهرسازی کمتر از بار وارده رسید. این نمونه در مجموع 11 دقیقه در برابر آتش مقاومت کرد )شکل 9(. شکل 10- نمونه FR1-Fire در انتهای آزمون مقاومت در برابر آتش. نمونه پس از خاتمه آزمون و سرد شدن از کوره خار ج شده و مورد بررسی قرار گرفت. همان گونه که در شکل 11 -الف مشاهده میشود رزین نوار FRP در وسط دهانه که در معرض مستقیم آتش کوره قرار داشته کامال از بین رفته است. با این وجود در این قسمتها الیاف کربنی قابل مشاهده است که به علت قرار گرفتن در کشش باعث انتقال نیرو به قسمتهای انتهایی دال بتنی شده و با تمرکز نیرو در این قسمتها موجب قلوهکن شدن بتن شده است. به عبارت دیگر اتصال قسمتهای انتهایی نوار FRP در بیرون کوره به دال باعث شده تا علیرغم تخریب رزین در الیه FRP در وسط دهانه نوار تا مدت بیشتری به تقویت دال ادامه داده و شکست کامل نمونه را تا حدودی به تأخیر بیاندازد. )الف( )ب( شکل 11- دالهای تقویت شده پس از آزمون مقاومت در برابر آتش: الف( نمونه FR1-Fire و ب( نمونه.FR2-Fire شکل 12 -الف منحنی دما-زمان ترموکوپلهای متصل به نمونه FR1-Fire را نشان میدهد. همان گونه که مشاهده میشود دمای نمونه و مش فوالدی چندان افزایشی نداشته و حتی پیش از رسیدن آنها به 100 درجه سلیسیوس آزمون به پایان رسیده است. دلیل این موضوع باال بودن بار وارد بر نمونه نسبت به نمونه بدون تقویت به علت وجود نوارهای FRP میباشد. به علت وجود تقویت کننده FRP انتظارات باربری نسبت به نمونه
کنفرانس ملي محافظت ساختمانها و 72 سیستمهای حمل و نقل در برابر آتش تقویت نشده باالتر رفته و به علت ضعف شدید رزین FRP در دمای باال به سرعت کاهش مقاومت در حین آزمون مقاومت در برابر آتش ر خ داده است. به عبارت دیگر در صورت عدم محافظت مناسب FRP در برابر آتش دالهای بتنی تقویت شده در صورت قرار گرفتن در معرض آتشسوزی در زمان بسیار کمتری نسبت به دالهای تقویت نشده دچار خرابی و گسیختگی خواهند شد. )ب( )الف( شکل 12- منحنی دما-زمان ترموکوپلهای متصل به نمونه ها: الف( دال FR1-Fire و ب( دال.FR2-Fire به همین ترتیب برای نمونه FR2-Fire نیز قبل از شروع آتش در کوره بار به تدریج تا رسیدن به بار بهرهبرداری 24 کیلونیوتن متناظر با جابجایی وسط دهانه برابر 28/6 میلیمتر افزایش یافت. با شروع آتش در کوره بار 24 کیلونیوتن ثابت نگه داشته شد. با باال رفتن دمای کوره تغییرشکل نمونه افزایش یافت و در جابجایی وسط دهانه برابر با 53/65 میلیمتر جدا شدن ورق تقویت CFRP از سطح بتن اتفاق افتاد که منجر به کاهش قابل توجه مقاومت دال شد. پس از این خرابی در ادامه آزمون و در تغییرمکان وسط دهانه برابر 85/24 میلیمتر دال به شکست و انهدام کامل رسید. آزمون FR2-Fire در دقیقه 22 به دلیل برآورده نشدن معیار ظرفیت باربری خاتمه یافت یعنی در این زمان نمونه قادر به تحمل بارهای وارده نبود و دچار گسیختگی شد. شکل 12 -ب منحنی دما-زمان ترموکوپلهای متصل به این نمونه را نشان میدهد. توضیحات ارائه شده برای FR1-Fire در خصوص دما در اینجا نیز به طور کلی صادق است با این تفاوت که در اینجا به علت تقویت کمتر و به تبع آن بار وارده پایین تر دمای ترموکوپلهای تعبیه شده داخل نمونه و زمان مقاومت در برابر آتش نسبت به نمونه قبلی افزایش نشان میدهد. نمونه پس از خاتمه آزمون و سرد شدن از کوره خار ج شده و مورد بررسی قرار گرفت. در این نمونه نیز پس از بررسی دال بتنی ترک خوردگی روی آن دیده شد و بررسی سمت در معرض آتش دال بتنیFR2-Fire نشان داد که رزین نوار تقویت کننده FRP کامال از بین رفته و الیاف کربن به صورت نامنظم نمایان است. شکل 11 -ب نمونه مذکور را پس از آزمون مقاومت در برابر آتش نشان میدهد. منحنی تغییرات کرنش ورق تقویت در وسط دهانه بر حسب زمان در شکل 13 ارائه شده است. نکته قابل توجه
73 وزارت راه و شهرسازی مرکز تحقیقات راه مسکن و شهرسازی در این شکل آن است که کرنش ورق CFRP در نمونه تقویت شده FR1-Fire در هنگام گسیختگی حدود 10-6 5865 است که با توجه به کرنش گسیختگی 10-6 15000 ورقهای CFRP مالحظه میشود که تنها از %39 ظرفیت کششی ورق تقویت در شرایط بارگذاری بهره برداری این نمونه به هنگام شکست در اثر حریق استفاده شده است. حال آن که کرنش ورق CFRP در نمونه تقویت شده FR2-Fire در هنگام گسیختگی حدود 10-6 6600 است که نسبت به کرنش گسیختگی CFRP نشان دهنده استفاده از حدود %44 ظرفیت کششی ورق تقویت در این نمونه به هنگام شکست به علت آتش میباشد. این موضوع در توافق با توضیحات ارائه شده در باال در خصوص شکست ترد نمونهها به علت تخریب رزین و عدم امکان استفاده از ظرفیت کامل FRP بر اثر آتشسوزی میباشد. شکل 13- منحنی تغییرات کرنش ورق تقویت در وسط دهانه بر حسب زمان در نمونههای FR1-Fire و.FR2-Fire در انتها خالصه نتایج آزمونهای مقاومت در برابر آتش در جدول 4 نشان داده شده است. جدول 4- مدت زمان مقاومت دال های بتنی در برابر آتش تا شکست معیار ظرفیت باربری. نام نمونه نوع مشخصات نمونه عرض ورق تقویت CFRP )سانتی متر( میزان بار بهرهبرداری )کیلوگرم( مدت زمان مقاومت در برابر آتش )دقیقه( 79 950 - CS-Fire تقویت نشده 11 3300 30 FR1-Fire تقویت شده 22 2400 15 FR2-Fire تقویت شده 5- نتیجه گیری با توجه به نتایج حاصل از آزمایش های سازه ای بر روی دال بتن مسلح بدون تقویت و تقویت شده با CFRP در دو حالت دمای محیط و در معرض آتش موارد زیر قابل نتیجه گیری است:
کنفرانس ملي محافظت ساختمانها و 74 سیستمهای حمل و نقل در برابر آتش 1- مشخص شد که تقویت کننده CFRP اثر قابل توجهی در افزایش ظرفیت باربری خمشی دال بتن مسلح دارد. در نمونههای آزمون شده در این برنامه آزمایشگاهی در اثر تقویت با نوارهای تک الیه CFRP با دو پهنای مختلف مقاومت خمشی دال به میزان 228 تا 247 درصد افزایش یافت. البته باید توجه داشت از آنجا که منحنی تنش-کرنش CFRP تا حد گسیختگی به شکل خطی است حضور CFRP باعث کاهش شکل پذیری و تغییرمکان حد گسیختگی سیستم میشود. 2- تقویت یک دال بتن مسلح با CFRP باعث افزایش ظرفیت باربری ثقلی دال میشود و به تبع آن بار بهره برداری وارده به دال میتواند افزایش یابد. از طرف دیگر CFRP عملکرد بسیار ضعیفی در دماهای باال دارد به گونهای که رزین اپوکسی آن که نگهدارنده الیاف کربن در کنار یکدیگر میباشد در دمایی کمتر از 100 درجه سلیسیوس مقاومت و استحکام الزم خود را از دست میدهد و به دنبال آن از هم پاشیدگی CFRP و جداشدگی الیاف اتفاق میافتد. اثر دو عامل باال باعث میشود که زمان مقاومت در برابر آتش یک دال بتن مسلح تقویت شده با CFRP نسبت به حالت تقویت نشده خیلی کمتر باشد. در اینجا زمان مقاومت در برابر آتش دال بتن مسلح تقویت نشده برابر 79 دقیقه بود که این مدت برای نمونههای مشابه ولی تقویت شده با مقادیر مختلف CFRP به 11 الی 22 دقیقه کاهش یافت. این موضوع اهمیت زیاد محافظت از CFRP در برابر حریق را زمانی که از آن برای تقویت ثقلی دالهای بتنی در یک ساختمان استفاده میشود آشکار میسازد. 3- در تقویت خارجی یک دال بتن مسلح با نوارهای CFRP ا گر بتوان بر روی دو انتهای نوارها عایق حرارتی مناسبی تامین کرد یا از اتصاالت مکانیکی استفاده نمود در هنگام آتشسوزی ابتدا در قسمتهای میانی الیاف کربن از هم جدا شده ولی اتصال انتهای این الیاف به سطح زیر کار امکان استفاده از ظرفیت باربری آنها و به تبع آن افزایش زمان مقاومت در برابر آتش را امکانپذیر خواهد کرد. به عبارت دیگر طول میانی نوارهای CFRP که تحت حرارت باال قرار میگیرد تبدیل به کابلی شده که در دو انتهای خود درگیر است. این سیستم تقویت کننده تا زمانی در باربری مشارکت دارد که در مناطق انتهایی خود از سطح زیر کار بتنی جدا شود. مراجع [1] Hollaway, LC. A review of the present and future utilisation of FRP composites in the civil infrastructure with reference to their important in-service properties, Construct Build Mater, 24, 2010, 2419 2445. [2] Dodds, N, Gibson, AG, Dewhurst, D, Davies, JM. Fire behaviour of composite laminates, Compos A Appl Sci Manuf, 31, No.7, 2000, 689 702. [3] Correia, JR, Gomes, MM, Pires, JM, Branco, FA. Mechanical behaviour of pultruded glass fibre reinforced polymer composites at elevated temperature: experiments and model assessment, Compos Struct, 98, 2013, 303 313. [4] Gamage, JCPH, Al-Mahaidi, R, Wong, MB. Bond characteristics of CFRP plated concrete members under elevated temperatures, Compos Struct, 75, 2006, 199 205. [5] Leone, M, Matthys, S, Aiello, MA. Effect of elevated service temperature on bond between
75 وزارت راه و شهرسازی مرکز تحقیقات راه مسکن و شهرسازی FRP EBR systems and concrete, Compos Part B: Eng, 40, No.1, 2009, 85 93. [6] Ahmed, A, Kodur, VKR. Effect of bond degradation on fire resistance of FRP-strengthened reinforced concrete beams, Compos Part B: Eng, 42, 2011, 226 237. [7] Williams, BK, Kodur, VKR, Green, MF, Bisby, L. Fire endurance of fiber-reinforced polymer strengthened concrete T-beams, ACI Struct J, 105, No.1, 2008, 60 67. [8] Ahmed, A, Kodur, V. The experimental behaviour of FRP-strengthened RC beams subjected to design fire exposure, Eng Struct, 33, No.7, 2011, 2201 2211. [9] Palmieri, A, Matthys, S, Taerwe, L. Experimental investigation on fire endurance of insulated concrete beams strengthened with near surface mounted FRP bar reinforcement, Compos Part B: Eng, 43, No.3, 2012, 885 895. [10] Williams, B, Bisby, L, Kodur, V, Green, M, Chowdhury, E. Fire insulation schemes for FRPstrengthened concrete slabs, Compos A Appl Sci Manuf, 37, 2006, 1151 1160. [11] Lopez, C, Firmo, JP, Correia, JR, Tiago, C. Fire protection systems for reinforced concrete slabs strengthened with CFRP laminates, Construct Build Mater, 47, 2013, 324 333. [12] Bisby, LA, Green, MF, Kodur, VKR. Fire endurance of FRP-confined concrete columns, ACI Struct J, 10, No.6, 2005, 883 891. [13] Chowdhury, EU, Bisby, LA, Green, MF, Kodur, VKR. Investigation of insulated FRP wrapped reinforced concrete columns in fire, Fire Saf J, 42, 2007, 452 460. [14] American Concrete Institute Committee 318. Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary, ACI 318 (2011). [15] American Concrete Institute Committee 440. Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, ACI 440.2R (2008). [16] American Society for Testing and Materials. Standard Test Methods for Sampling and Testing Concrete Masonry Units and Related Units, ASTM C 140 (2011). [17] American Society for Testing and Materials. Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products, ASTM A 370 (2011). [18] British Standards Institution. Fire resistance tests, Part 1: General requirements, BS EN 1363-1 (2012). [19] American Society for Testing and Materials. Standard Test Methods of Conducting Strength Tests of Panels for Building Construction, ASTM E 72 (2010). [20] American Institute of Steel Construction. Specification for Structural Steel Buildings, ANSI/ AISC 360 ( 2010).