طراحی سازه های الیاف فولادی

روش های طراحی سازه های الیاف فولادی

روش های طراحی سازه هایی که در آنها از الیاف فولادی استفاده شده، برای کاربردهایی پیشنهاد گردیده که در آن شکست یک عضو منجر به گسیختگی سازه ای نمی شود. این کاربردها شامل روسازی آزادراه ها، روکش ها، عرشه پل و کف انبارها می شود. در این نوع کاربری ها، مقاومت کششی طراحی مصالح به دلیل اضافه شدن الیاف، افزایش می یابد. سپس از روش طراحی مشابه که برای بتن بدون اضافه کردن الیاف به کار رفته است، استفاده می شود. در مواردی که شکست کششی اعضای سازه منجر به گسیختگی سازه ای می شود، جایگزین کردن میلگردهای کششی با الیاف فولادی توصیه نشده است. در عوض الیاف فولادی علاوه بر میلگردهای تقویت به کار رفته اند تا باعث ایجاد خصوصیات سودمندی چون انعطاف پذیری مضاعف یا مقاومت ضربه ای مضاعف شوند.

روساز های بتنی

از SFRC در روسازی ها، عرشه پل ها، باند فرودگاه و پارکینگ عمدتاً به صورت روکش هایی بر روی دال های موجود استفاده می شود که یا تخریب شده و یا نیاز به تقویت دارد. مخلوط ها معمولاً حاوی %75/0 تا %5/1 حجمی الیاف فولادی هستند و در ضخامت های 2 تا in 3 (50 تا mm75) بتن ریزی می شوند. بررسی های انجام شده نشان می دهد در بیشتر موارد روکش ها یا به طور جزئی و یا کامل، به سازه موجود یکپارچه شدند. ولی در بعضی موارد، پیوستگی از بین رفته است. از آنجا که روکش های SFRC عموماً ترک ها را گسترش دادند، ترک ها کوچک مانده و تاثیری بر کیفیت روسازی ها نداشته اند. در قسمت هایی که پیوستگی از بین رفته، ترک ها نسبتاً آزاد مانده اند.

در تحقیقی، عرشه های پل با روکش های SFRC پوشانده شدند تا از خرابی ناشی از نفوذ نمک های یخ زدا در طول ترک ها و در نتیجه خوردگی الیاف تقویتی جلوگیری شود.
در طراحی دال های همکف باید تنش های خمشی وارده از طرف ترافیک و نیز دیگر بارها لحاظ شوند. از آنجا که تنش های وارده از ترافیک، تنش های تکراری هستند، باید یک تنش عملی و منطقی در نظر گرفته شود تا از عملکرد سازه، اطمینان حاصل شود. ضخامت مورد نیاز دال که بر مبنای تنش کششی خمشی محدود کننده است، معمولاً به روش تحلیل وسترگارد که برای دال روی پی الاستیک به دست آمده، تعیین می شود. انتخاب تنش کششی مجاز مناسب برای SFRC همانند بتن غیر مسلح دشوار است. زیرا تنش هایی که از نمونه های آزمایشگاهی به دست می آید ممکن است نماینده مقدار مشابه در کارگاه نباشد. به علاوه ضرایب کاهش برای احتساب خستگی و تغییرپذیری مصالح قطعی نیست. مقدار عددی دو سوم مدول گسیختگی که از آزمایش های آزمایشگاهی به دست آمده، برای استفاده به عنوان تنش کششی مجاز پیشنهاد شده است.
به طور کلی روش هایی که برای طراحی دال های بتنی مسلح نشده با الیاف در بزرگراه ها به کار می رود، قابل اعمال است. اما بدیهی است که خصوصیات اصلاح شده SFRC باید به عنوان یک مزیت در نظر گرفته شوند.
 

تیر ها

با آنکه افزایش ظرفیت خمش و برش تیرها تقریباً تعیین شده است، اما هنوز هیچ روش طراحی ای که در آن مزایای تقویت با الیاف فولادی در کاربردهای عملی مدنظر قرار گرفته باشد، اتخاذ نشده است. طراحان از اطلاعات موجود به اعضای سازه ای مشابه استفاده می کنند. با این حال ضرایب اطمینان بر مبنای قضاوت های صحیح مهندسی به کار می روند. ذیلاً گزارش کوتاهی از تحقیقاتی که جهت تعیین تاثیر الیاف فولادی به عنوان تقویت کنند برشی و خمشی انجام شده، آمده است.
روش های متعددی به منظور پیش بینی مقاومت خمشی تیرهای مسلح به الیاف فولادی مجزا به صورت تجربی یا تئوریک توسعه یافته است. اصطلاحات تئوریک از قانون مخلوط ها استفاده کرده و در آن عواملی چون ضرایب توزیع تصادفی، تنش پیوستگی، تنش الیاف، مدول الاستیسیته مصالح در کشش و فشار، تغییر در محور خنثی به دلیل توزیع غیر خطی تنش و ... به حساب آمده است. با این وجود اصلاحات تئوریک برای تغییرات وابسته به زمان در خصوصیات مکانیکی مورد توجه قرار نگرفته اند.
در روش های تجربی از داده های به دست آمده از تحقیقات آزمایشگاهی بهره گرفته می شود تا از این طریق روابطی که مقاومت خمشی را به طول الیاف، قطر، محتوای الیاف، و ناحیه پیوستگی الیاف مربوط  می سازد، استخراج شود. در این روش ها با در نظر گرفتن زمان یا سن نمونه در تحقیق، تغییرات وابسته به زمان خصوصیات مکانیکی به حساب آورده می شود. روش های معتبر طراحی تاکنون بر مبنای روش های تجربی توسعه یافته اند.
هانگر و دوهرتای روش طراحی برای محاسبه لنگر خمشی نهایی تیرها را به تفصیل بیان کرده اند. این روش همبستگی خوبی بین مقاومت پیش بینی شده و مقادیر آزمایشی فراهم می کند.
داده های آزمایشگاهی قابل ملاحظه ای در دسترسند که نشان می دهند ظرفیت برشی تیرهای بتنی با افزودن الیاف فولادی افزایش می یابد. به علاوه آزمایش های آزمایشگاهی نشان داده اند که می توان به شکل موثری از خاموت و الیاف تقویتی در ترکیب با هم استفاده نمود.
بستون، جنکینز و اسپتنی مجموعه ای از آزمایش ها را ترتیب دادند تا تاثیر استفاده از الیاف فولادی مستقیم را به عنوان تقویت کننده جان در تیرهای بتن مسلح متداول تعیین کنند. به طور کلی هر چه درصد حجمی الیاف افزایش یابد، تنش برشی متوسط در لحظه شکست، افزایش می یابد. همچنین معلوم شده است که هرچه نسبت دهانه برش به عمق افزایش یابد، تنش های برشی بالاتری در هنگام شکست ایجاد می شود. 
ویلیامسون با کار بر روی تیرهای مسلح متداول دریافت که با جایگزین کردن خاموت ها با الیاف فولادی مستقیم، ظرفیت برشی تیرها به اندازه %45 افزایش می یابد. استفاده از الیافی که در انتها موج دار شده اند نیز باعث افزایش قابل ملاحظه برشی تیرهای بتن مسلح می شود. آزمایش های انجام شده توسط کریگ و لاو نیز افزایشی بیش از %100 را با استفاده از الیاف فولادی علاوه بر خاموت نشان می دهد.
پاول و سینامون بر روی تاثیر الیاف فولادی مستقیم بر ظرفیت برشی تیرهای بتنی تحقیق کردند. کار آنها منجر به یک اصلاحیه پیشنهادی برای ساختن معادله ACI3177 در تعیین ظرفیت مشابه در معادله موجود ACI، یک حد بالایی برای ظرفیت برشی تعیین گردد.
در تحقیقی که سوامی، التاآن و علی بر روی تاثیر الیاف فولادی تقویتی بر مقاومت برشی صفحات مسطح بتن مسلح انجام داده اند، مقاومت برشی در حدود %22، %35 و %42 به ترتیب برای میزان الیاف %6/0، %9/0 و %1/1 حجمی افزایش یافته است.

جهت مطالعه مقاله طراحی سازه های الیاف فولادی می توانید به وب سایت رسمی کلینیک بتن ایران www.clinicbeton.ir مراجعه نمایید .