بررسی رفتارهای بلند مدت پلیمر تقویت شده ی فیبر کربنی(CFRP)

پروفسور عباس برایماه، مارک.اف.گرین، خالد.اِی. سوکی، سه تن از دانشمندان دانشگاه های برتر کانادا هستند که با هم دست به یک پژوهش گسترده در زمینه ی بررسی رفتارهای بلند مدت پلیمر تقویت شده ی فیبر کربنی(CFRP) تیرچه های بتنی پیش تنیده زده بودند که بخشی از این پژوهش را در این مقاله آورده ایم. برنامه ی این تحقیقات شامل سه تیرچه ی پیش فشرده با میله های (CFRP) و یک تیرچه ی پیش فشرده با رشته های پیش تنیده ی فولاد بود. این تیرچه های پیش تنیده تحت بار پایدار 53 کیلو نیوتن (12 کیپس) قرار گرفتند.

انحرافات و خمش های تقویت کننده پیش تنیدگی که در وسط دهانه قرار داشتند به مدت 651 روز تحت نظارت پژوهشگاهی قرار گرفتند. به این وسیله یک مدل تحلیلی برای پیش بینی رفتار وابسته به زمان تیرچه های پیش تنیده توسعه داده شد.نتایج تجربی این آزمایشات رفتار رضایتمندی از مقایسه رفتار تیرچه های پیش تنیده CFRP را نسبت به تیرچه پیش تنیده فولادی نشان داده بود. نسبت بلند مدت انحراف آنی در وسط دهانه بصورتی که با افزایش سطح نیروی پیش تنیدگی افزایش می یافت مشاهده شد. تیرچه های پیش تنیده ی فولادی انحرافات بلند مدت میانی بیشتری را نسبت به تیرچه های پیش تنیده ی پلیمر تقویت شده ی فیبر کربنی (CFRP) به نمایش گذاشتند.

تیرچه پیش تنیده پلیمر تقویت شده ی فیبری(FRP)

تحقیقات روی مواد نشان داده است که آرماتور FRP دارای خواص شل کنندگی متفاوتی نسبت به آرماتور فولادی 10 است که منجر به نیاز به ارزیابی رفتار بلند مدت اعضای پیش تنیده ی FRP می شود. نتایج تحقیقات اولیه از آزمایش های طولانی مدت نشان می دهد که تیرچه پیش تنیده FRP رفتاری مشابه با تیرچه های پیش تنیده ی فولادی از خود نشان می دهند. این دانشمندان سه مورد از مواد را آزمایش کردند که شامل مجموعه ای از صفحات بتنی پیش تنیده با استفاده از سیم های فولادی و میله های پلیمری تقویت شده با الیاف آرامید (AFRP) به عنوان تقویت کننده ی پیش تنیدگی بودند. اولین سری از دال ها با میله های AFRP پیش تنیده شدند، در حالی که دو سری دیگر با سیم های فولادی پیش تنیده شده بودند.

دال ها یک بار تحت دمای ثابت اتاق 200 درجه سانتیگراد (68 درجه فارنهایت) و 60 درصد رطوبت نسبی تحت یک فشار باری ثابت قرار گرفتند. بار اعمال شده باعث ایجاد ترک در تمامی دال ها شد. دانشمندان این پژوهش گزارش داده اند که در اثر این آزمایش، تغییر شکل‌های طولانی‌ مدت دال‌های پیش تنیده AFRP نسبت به صفحات فولادی پیش‌تنیده بیشتر بود. آنها این رفتار را به ضریب اِلاستیک پایینتر و ویژگی های آرامش بالاتر میله های AFRP نسبت دادند. این پژوهشگران اطلاعات محدود و کمی را در مورد رفتار طولانی مدت تیرچه های پیش تنیده با میله های CFRP  دریافتند.

یک برنامه ی تجربی درباره ی تیرچه ی پیش تنیده

این برنامه ی آزمایشی شامل انجام پژوهش های طولانی ‌مدت بر روی چهار تیرچه ی T شکل بتنی بود که با میله ‌های CFRP یا رشته ‌های پیش تنیدگی فولادی معمولی پیش تنیده شده بودند. سه تا از این  تیرچه های پیش تنیده با میله های CFRP  با قطر8 میلی متر (0.31 اینچ) پیش تنیده شدند و چهارمین تیرچه پیش تنیده با رشته های پیش تنیده ی فولادی با درجه قطر 13 میلی متر (0.51 اینچ) 1860 مگاپاسکال (270 ksi) تحت پیش فشردگی قرار گرفت. دراین آزمایش از میله های CFRP دارای نسبت حجمی فیبر 65 درصد، فرورفتگی های مارپیچی و استحکام تضمین شده 104 کیلونیوتن (23.4 کیپس) استفاده شد. ضریب اِلاستیسیته مشخص شده 147 گیگا پاسکال (21300 ksi) و ماتریس یک رزین اپوکسی بود.

میله های CFRP به صورت دو لایه از هر دو میله چیده شده بودند، بطوری که دو رشته ی فولادی در یک لایه قرار داشتند. برای هر پیکربندی، مرکز لایه های تقویت کننده در همان عمق واقع شده بود. نیروی پیش تنیدگی در تیرچه های پیش تنیده ی CFRP جهت مطالعه ی رفتار بلند مدت تیرچه های پیش تنیده کامل و جزئی کاملا متفاوت دیده شد. پیش تنیدگی جزئی با کاهش در بالا بردن فشار حاصل شد. اولین تیرچه پیش تنیده CFRP تا 50 درصد مقاومت کششی تضمینی میله ها توسط سازنده پیش تنیده شد، در حالی که دومی به میزان 70 درصد تحت فشار قرار گرفت. در تیرچه ی پیش تنیده سوم میله های لایه ی بالایی تا 70% تحت فشار قرار گرفتند و آنهایی که در لایه ی پایینی قرار داشتند به میزان 50% فشار استحکام کششی تضمینیِ سازنده بر آنها وارد آمد. تیرچه ی پیش تنیده با رشته های فولادی معمولی تا 55 %  از استحکام کششی نهایی رشته های پیش تنیده تحت فشار قرار گرفت. تیرچه های بتنی پیش تنیده در Pre-Con Ltd. ،یک کارخانه ی پیش ساخته ی محلی، ساخته شدند.

نتایج حاصله از تحقیقات روی تیرچه ی پیش تنیده ی CFRP:

براساس نتایج حاصله از این پژوهشها، نکات زیر بدست آمد که از این قرار هستند:

1. تیرچه های پیش تنیده ی CFRP  عملکرد بهتر و قابل مقایسه تری را نسبت به تیرچه های پیش تنیده ی فولادی نشان دادند.
2.  ضریب بلندمدتِ انحراف آنی با افزایش سطح نیروی پیش تنیدگی یافت شد.
3. خمش ها و کشش ها در آرماتور پیش تنیده با گذشت زمان که بخش بتنی ترک می خورد کاهش می یابد و زمانی که بخش بتنی تیرچه ی پیش تنیده ترکی در آن یافته نشد بدون تغییر باقی ماند.
4. میانگین نسبت انحراف پیش‌بینی ‌شده نسبت به تجربی زمانی که از توصیه‌های ACT در مدل‌سازی تحلیلی استفاده شد، 1.28 و زمانی که از کد مدل CEB استفاده شد، 1.42 بود.
5. برای اهداف طراحی، روش‌هایی برای پیش‌بینی رفتار وابسته به زمان فولاد پیش تنیده ی بتن ترتیب داده شد که می تواند برای پیش بینی رفتار تیرچه های پیش تنیده ی CFRP مورد استفاده قرار که تا زمانی که تغییرات برای محاسبه ی ضریب پایین تر از CFRP به انجام برسد و استراحت تاندون ها صفر فرض شود.