اثر سخت‌كنندگي كششي در اعضاي بتنيِ مسلح به صفحات بسپاري اليافي

TENSION STIFFENING OF CONCRETE MEMBERS STRENGTHENED WITH FIBER-REINFORCED POLYMER (FRP) SHEETS

يكي از پارامترهاي بسيار تاثير‌گذار بر رفتار اعضاي بتني مسلح به صفحات بسپاري اليافي (FRP)، ‌پديده‌ي سخت‌‌كنندگي كششي است. اين پديده بر روي عرض و‌ فاصله‌ي ترك‌ها‌ و سختي عضو تحت كشش موثر است. براي بررسي دقيق اثر سخت‌كنندگي كششي بتن بر رفتار كششي صفحات FRP، نمونه‌هاي آزمايشگاهي بتني با مقاومت‌هاي فشاري استوانه‌يي 25 و 40 مگاپاسكال كه به‌وسيله‌ي 2 يا 4 لايه صفحات بسپاري مسلح‌شده با الياف شيشه (GFRP) يا CFRP مياني با چسب به يكديگر متصل شدند، تحت كشش خالص قرار گرفتند. نتايج حاصله نشان مي‌دهد كه روش آزمايشگاهيِ مورد استفاده با دقت زيادي اثر سخت‌كنندگي كششي را به نمايش مي‌گذارد. مقايسه‌ي منحني‌هاي تنش‌ ـ كرنش اين نمونه‌ها با منحني تنش ـ كرنش صفحات FRP، نشان مي‌دهد كه كاهش نسبت سطح مقطع صفحات بسپاري اليافي به سطح مقطع بتن باعث افزايش قابل توجه اثر سخت‌كنندگي كششي بتن در عضو مي‌شود. به‌طوري كه اثر سخت‌كنندگي كششي (برحسب اختلاف كرنش بين نمونه‌ي بتني مسلح به صفحات FRP با نمونه صفحات FRP در مرحله‌ي ترك‌خوردگي پايدار) در نمونه‌هاي داراي دو لايه‌ي FRP بين 5/2 تا 75/3 برابر نمونه‌هاي داراي چهار لايه‌ي FRP است. همچنين افزايش مقاومت فشاري بتن از 25 مگاپاسكال به 40 مگاپاسكال سبب افزايش نسبي اثر سخت‌كنندگي كششي بتن بر رفتار كششي صفحات FRP مي‌‌شود. از سوي ديگر، ميزان اثر سخت‌كنندگي كششي بتن بر رفتار كششي صفحات GFRP از ميزان اثر سخت‌كنندگي كششي بتن بر رفتار كششي صفحات CFRP بيشتر است. درمورد فاصله و نحوه‌‌ي توزيع ترك‌هاي ايجاد‌شده روي نمونه‌هاي بتني نيز بحث شده است.

Concrete behavior in structural members is considerably affected by cracking due to tensile loads. The initiation of cracks is influenced by the properties of concrete under tensile stresses. The development of cracks plays a significant role in the nonlinear analysis of concrete structures. The cracking process in tension starts at a relatively low tensile strain, causing plain concrete to exhibit a gradual softening behavior. This softening behavior is magnified by the tension stiffening phenomenon in reinforced or strengthened concrete members. Very few studies can be found concerning the behavior of FRP (Fiber Reinforced Polymers)-strengthened reinforced concrete (RC) elements. Tension stiffening is an effective parameter in the behavior of externally bonded FRP sheets in tension. This parameter influences the crack width, spacing between cracks and the stiffness of the tensile members. In order to study the effect of tension stiffening of the FRP sheets, 16 concrete specimens were manufactured and tested. Each concrete specimen included 2 concrete prisms bonded together with adhesive, and 2 or 4 layers of either CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymers) or GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymers) sheets. The dimensions of each concrete prism were 500×80×40 mm. Two concrete mixtures with the compressive strengths of 25 MPa and 40 MPa were used for different specimens. The specimens were tested under tension through the application of tensile force on the FRP sheet ends. The stress-strain relationships of different specimens were compared with each other in order to evaluate the effect of tension stiffening of the strengthened members. The ratios of the effective modulus of elasticity of the strengthened concrete members, Eeff , over the modulus of elasticity of FRP sheets, Efrp , were measured. Based on the test results, reduction of the FRP ratio in sections increased the effect of the tension stiffening of the members. The ratio of Eeff./Efrp in the case of the GFRP sheet was larger than that of the CFRP sheet. This is due to the smaller stiffness value of the GFRP sheets compared to the CFRP sheets. Also, the increase of concrete strength from 25 to 40 MPa increased the tension stiffening effect.