تحسين ليونة العوارض الخرسانية مع قضبان البوليمر المقوى

كيف يتم تحسين ليونة العوارض الخرسانية مع قضبان البوليمر المقوى؟

نظرًا لأن تقوية البوليمر المقوى بالألياف (FRP) تتطلب مادة باهظة الثمن، فإنّ الاستبدال الجزئي لحديد التسليح بواسطة تقوية البوليمر يكون ممكنًا من الناحية البيئية. ولمنع تآكل حديد التسليح في عوارض الخرسانة المسلحة (RC) في البيئات العدوانية، يمكن استبدال معظم التعزيزات الخارجية (الأقرب إلى السطح الخرساني) بتقوية البوليمر.

بالإضافة إلى ذلك، يعد نقص ليونة مركّبات البوليمر مشكلة حاسمة تؤثر على كل أشكال الأعضاء المقواة بقضبان التوتر البوليمرية. لذلك، تم اعتبار العوارض الخرسانية المقواة بكل من حديد التسليح والبوليمر موضوعًا مهمًا للبحث التجريبي والرقمي.

تم إجراء استثمار انحراف البوابة والانحناء والليونة وعرض التشققات للحزم المخروطية مع الاستخدام الهجين للبوليمر وتعزيز التوتر الفولاذي. حيث أشارت دراساتهم إلى أن الاستخدام الهجين للفولاذ وتقوية البوليمر كان أكثر فائدة في النظر إلى التشوه من استخدام حديد التسليح.

بشكل عام، يمكن أن تؤدي إضافة قضبان فولاذية تقليدية إلى تحسين ليونة الانحناء لأعضاء الخرسانة المسلحة الهجين بالبوليمر. وفي جانب آخر، تم تقليل عرض الشق وقيم التباعد مع وجود حديد التسليح مقارنة بعرض الشق والتباعد الذي تم تحقيقه بواسطة عوارض مقواة بقضبان البوليمر فقط.

تعتبر ليونة الحزم المقواة بقضبان البوليمر مصدر قلق كبير بسبب السلوك المرن الخطي حتى التمزق دون إنتاج مواد البوليمر. حيث أنه في التطبيقات الهيكلية، يمكن استخدام قضبان البوليمر بطريقة موثوقة بشرط استيفاء شروط ليونة المبنى.

في كثير من الأحيان، لا يتم استيفاء ليونة عوارض الخرسانة المسلحة بالبوليمر لأن كل من البوليمر المقوى بالألياف والخرسانة هش، وبالتالي هناك حاجة إلى طرق لتحسين عوارض الخرسانة الهيكلية الليونة المقواة بالبوليمر.

ما هي طرق تحسين ليونة العوارض الخرسانية مع قضبان البوليمر المقوى؟

التقنيات المختلفة التي يمكن استخدامها لتعزيز الليونة الهيكلية للعوارض الخرسانية المقواة بقضبان البوليمر المقواة بالألياف هي:

• حجز الحزم المقواة بالبوليمر بواسطة الألياف المقواة.

• حجز الحزم المقواة بالبوليمر بواسطة اللوالب أو الركائب.

• وتر متعدد الطبقات وتصميم فعال مسبق الإجهاد.

• الإجهاد المسبق الجزئي أو مزيج هجين من التعزيز.

• الأوتار غير المقيدة.

• فشل السندات المحكومة.

• تحسين ليونة مقطعية من خلال التعزيز المناسب.

1. حجز الحزم المقواة بالبوليمر بواسطة الألياف المقواة:

قد يؤدي توفير الألياف غير المستمرة، والتي يمكن أن تكون إمّا بوليمرية أو فولاذية، إلى زيادة قدرة إجهاد الانضغاط للخرسانة ويكون لها نفس تأثير الحبس الجانبي. حيث يتأثر منحنى إجهاد الخرسانة في عملية الانضغاط إلى حد كبير بالألياف، وبالتالي يُظهر الجزء الخرساني سلوكًا أكثر مرونة.

يمكن استخدام هذا لزيادة جزء من الانحراف الذي لا يتم استعادته في النهاية ويؤدي إلى تعزيز مؤشر الليونة بشكل كبير. وإذا تم استخدام كمية مناسبة من الألياف، فمن المؤكد أنها ستحسن طاقة كسر الخرسانة بمقدار يتراوح من واحد إلى اثنين من حيث الحجم.

وبالتالي، فإنّ طاقة الكسر المتولدة عند حدوث فشل في الأوتار ستكون متوازنة. حيث أنه في المباني التي تتطلب خصائص غير مغناطيسية، يمكن استخدام الألياف لتحقيق هذا الغرض. إنّ استخدام الألياف في عوارض الخرسانة الهشة ينتج عنه مؤشرات ليونة تتراوح بين 2.9 و5.45 ونسب طاقة كسر تتراوح من 3.7 إلى 9.2.

يمكن استخدام الألياف في عدد من مناطق الخرسانة بشكل انتقائي. على سبيل المثال، في حالة تصميم آلية الفشل بطريقة تنتج مفصلات، أو في منطقة ضغط العناصر الخرسانية.

بالإضافة إلى تحسين ليونة العوارض الخرسانية المسلحة بالبوليمر، يؤدي تطبيق قضبان البوليمر إلى تعزيز قدرة القص لمصفوفة الخرسانة وتقليل الشقوق معًا وتحسين الرابطة غير المرنة بين الخرسانة والتعزيز ومنع تشقق الغطاء الخرساني.

2. حجز الحزم المقواة بالبوليمر بواسطة اللوالب أو الركائب:

تؤدي زيادة قدرة الانفعال للخرسانة، والتي يمكن تحقيقها عن طريق حصر الخرسانة من خلال اللوالب أو الرِكاب المُصنَّع من البوليمر أو حديد التسليح، إلى زيادة توزيع اللدونة في منطقة الانضغاط للخرسانة وبالتالي تعزيز الليونة.

ثبت أنه عند استخدام قضبان البوليمر على شكل حلزونات، يكون تأثيرها أعلى بكثير مما لو تم استخدامه كركاب مستطيل أو دائري. وفي الحالة الأخيرة، ستحدث الزوايا الحادة تأثيرًا كبيرًا على فعالية أشرطة البوليمر.

3. وتر متعدد الطبقات وتصميم فعال الإجهاد:

يُقترح تثبيت التعزيز المسبق الإجهاد في طبقات وتصميم الإجهاد المسبق الفعال في كل طبقة لإنشاء فشل تدريجي مع زيادة الانحرافات.

4. الإجهاد المسبق الجزئي أو مزيج هجين من التعزيز:

استخدام الخرسانة مسبقة الإجهاد جزئيًا حيث يتم استخدام أوتار البوليمر المقوى بالألياف سابقة الإجهاد مع قضبان حديد التسليح العادية أو تنتج بشكل خاص ليونة عالية وقوة منخفضة من البوليمر ممّا يسمح بمرونة كافية وبالتالي زيادة ليونة أعضاء الخرسانة.

5. الأوتار غير المقيدة للعوارض الخرسانية:

من منظور تحليلي، فإنّ تطبيق الأوتار غير المربوطة سواء كانت خارجية أو داخلية جذابة إلى حد كبير لأن الضغوط التي يتم تطويرها في الأوتار لا تصل إلى قيمتها القصوى قبل فشل ملموس. حيث سيسمح هذا باستخدام أكبر قدر ممكن من الليونة من الجانب الخرساني وتقل احتمالية فشل التعزيز بشكل كبير.

يتطلب استخدام الأوتار غير المربوطة إدخال مرسى ممتاز قد يعاني من التعب. بحيث يضاف إلى ذلك أن استخدام الأوتار الخارجية قد يكون محفوفًا بالمخاطر بسبب تعرضها للتخريب، وعندما تفشل الأوتار الخارجية، فإنّها ستنتج كمية هائلة من الطاقة المرنة التي يمكن أن تسبب ضررًا كبيرًا.

يمكن معالجة هذه المشكلة عن طريق تصميم العنصر بطريقة يتم فيها إنتاج فشل الانتقال من الأوتار المترابطة إلى غير المربوطة أو في كلمة أخرى يتم إنشاء فشل السندات المتحكم به والذي سيتم شرحه في القسم التالي.

6. طريقة فشل السند المراقب للعوارض الخرسانية:

لمنع تلك المشكلات الناتجة عن تطبيق الوتر غير المرتبط، يوصى بتصميم الرابطة بين تعزيزات البوليمر المقوى بالألياف والخرسانة بطريقة أنه عندما يصل الضغط في الأوتار إلى مستوى العتبة، يتحقق فشل الانتقال من الأوتار الملتصقة إلى الأوتار غير المربوطة.

في هذه الحالة، يتم تغيير ترتيب وتر البوليمر المرتبط إلى ترتيب وتر البوليمر غير المرتبط. وأخيرًا، يمكن توفير هذه التقنية تقنيًا.

7. تحسين ليونة مقطعية من خلال التعزيز المناسب:

يعتبر تخصيص التعزيز وتصميم قسم العنصر الخرساني لاستخدام التعزيز وقدرة الإجهاد الكاملة للخرسانة أمرًا مهمًا إلى حد كبير وهو هدف التصميم الرئيسي.

شريطة أن تكون جميع المعلمات الأخرى متساوية، يمكن تحسين الليونة المقطعية من خلال التناسب المناسب ووضع التعزيز في القسم وتحديد الإجهاد المسبق الفعال في الوتر.

لِاستخدام سِعة الضغط الصغيرة للتعزيز بكفاءة، من المناسب تصميم القسم للحصول على أقل محور محايد ممكن عند السعة النهائية للقسم. والقسم الذي يلبي مثل هذا الشرط قريب من أن يكون أكثر من قسم مقوى.