مفاهیم طراحی

طراحی بتن الیافی و معرفی مشخصات آن در محاسبات سازه­ ای بر اساس عملکرد ترکیبی بتن و الیاف می‏ باشد. امکان سنجی استفاده از بتن الیافی و در نظر گرفتن الزامات مربوط به عملکرد کوتاه مدت و بلند مدت سازه می­ تواند نوع و مقدار الیاف را در موارد خاص تعیین کند. مقاومت باقی مانده بتن الیافی باید به عنوان پارامتر اصلی طراحی مورد توجه قرار گیرد، زیرا این پارامتر تحت تاثیر نوع، مقدار الیاف و همچنین مشخصات بتن می ­باشد. با کمک محاسبات و پارامترهای عملکردی مورد انتظار از سازه، مهندس طراح می­ تواند با استفاده از روش طراحی بر اساس عملکرد، از رفتار بتن الیافی به عنوان یک ماده ترکیبی اطمینان حاصل کند. مشابه روش مسلح سازی رایج با آرماتور، الیاف در ناحیه ترک خورده بتن، ترک­ ها را کنترل و از گسترش آن ها جلوگیری می ­کنند. این موضوع باعث ایجاد ظرفیت باربری پس از ترک خوردگی در کشش، خمش و برش می­ شود. مشخصات مکانیکی بتن الیافی مانند مقاومت باقی مانده حاصل از آزمایش­ های استاندارد تیر بدست می ‏آید. این مشخصات سپس برای تعیین عملکرد بتن الیافی و ظرفیت باربری آن در معادلات طراحی وارد می‏ گردد. آزمایش ­ها باید به گونه­ ای انجام شوند که مقاومت طراحی مناسبی به دست آید که شامل ضریب اطمینان مناسب برای عدم قطعیت­ های معمول در طراحی ­باشد. به طور کلی استفاده از روشی برای در نظر گرفتن تاثیر مقاومت مواد و متغیر بودن آن‏ بر رفتار و مشخصات بتن الیافی با هدف طراحی، امری ضروری است. هنگامی که آزمایش بر روی نمونه‏ هایی که به طور قابل توجهی کوچک تر یا بزرگ تر از نمونه واقعی هستند، انجام می­ شود، اثر اندازه باید در تفسیر نتایج در نظر گرفته شود. رفتار بتن الیافی در هر دو حالت حدی بهره برداری و نهایی باید مورد توجه قرار گیرد:

  1. حالت حدی نهایی برای معیار مقاومت
  2. حالت حدی بهره برداری برای تعیین محدودیت ­های عرض ترک خوردگی و تغییرمکان (خیز).

مقاومت کششی بتن غیرمسلح ناچیز است، بنابراین مقاومت کششی بتن در طراحی یک مقطع بتنی مسلح شده با آرماتور در نظر گرفته نمی ­شود. افزودن الیاف­ های ماکرو فولادی و پلیمری به بتن، باعث ایجاد مقاومت کششی پس از ترک خوردگی می­ شود. بنابراین مقاومت کششی موثر بتن الیافی در فرآیند طراحی مورد استفاده قرار می­ گیرد. انجام یک آزمایش مستقیم کششی مناسب دشوار است و به جای آن از آزمایش­ های خمشی استفاده می ­شود. بدین صورت مقاومت کششی باقی مانده از نتایج آزمایش مقاومت خمشی باقی مانده اندازه گیری می‏ شود و با استفاده از ضرایب تبدیل بدست می­ آید. در زیر خلاصه ­ای از مفاهیم و روش های طراحی ارائه شده است، با این حال می­ توان جزییات بیشتر در مورد رفتار تنش-کرنش کششی بتن الیافی و همبستگی آن با داده­ های حاصل از آزمایش خمش را درآیین نامهACI 544.8R مطالعه کرد.

 

رفتار تنش-کرنش بتن الیافی در کشش  

مطالعات زیادی برای تعیین منحنی تنش-کرنش بتن الیافی در کشش مستقیم انجام شده است. با این وجود، هیچ آزمایش استانداردی توسط مجموعه استاندارد آزمایش مصالح آمریکا برای این موضوع پیشنهاد نشده است. نمودار تنش-کرنش کششی ایده آل که در این آیین نامه استفاده شده است همانند نمودار پیشنهادی توسط استاندارد RILEM TC 162-TDF 2003  می ‏باشد که در شکل ارائه شده است. مقادیری که این روش تعریف می­ کند بر اساس مقادیر میانگین مشخصی هستند که در روش طراحی مورد استفاده قرار می­ گیرند. نقاط اصلی ناحیه فشاری نمودار مستقیما از آزمایش فشار نمونه استوانه ­ای استاندارد بدست می­ آید. در ناحیه کششی نمودار، نقاط کلیدی به صورت غیر مستقیم از آزمایش خمش حاصل می ­شود.

 

ا.     σ1 و ε1 : تنش کششی و کرنش نظیر آن در محل اولین ترک خوردگی

ب.   σ2 و ε2 : تنش کششی و کرنش نظیر آن در شروع ناحیه نرم شوندگی

ج.   σ3 و ε3 : تنش کششی و کرنش نظیر آن در پایان ناحیه نرم شوندگی

 

نمودار تنش و کرنش فراتاو

نمودار تنش-کرنش بتن الیافی در کشش و فشار تک محوری، مطابقRILEM TC 162-TDF 2003 

 

همبستگی رفتار کششی و خمشی بتن الیافی

مطالعات تجربی که بر روی نمونه‏ های بتن الیافی و با استفاده از هر دو آزمایش کشش مستقیم و خمش انجام شده است، نشانگر ارتباط بین رفتار کششی و خمشی در ناحیه پس از ترک خوردگی بتن الیافی می‏ باشد این مطالعات نشان داده‏ اند که مقاومت باقی مانده خمشی بتن الیافی در ناحیه ترک خورده معمولا بین 2/5 تا 3 برابر مقاومت باقی مانده کششی آن است. این امر به دلیل شیب تنش در تحلیل بلوک تنش می­ باشد. به منظور انجام طراحی، مقاومت باقی مانده کششی باید بر اساس مقاومت باقی مانده خمشی به دست آمده از آزمایش خمش تیر محاسبه شود. چنین محاسباتی باید شرایط روش طراحی که برای بتن الیافی در عمل به کار برده می ­شود را رعایت نماید. ضریب تبدیل مقاومت خمشی به کشش معمولا بین 0/4 و 0/33 در نظر گرفته می ­شود. مقایسه مطالعات عددی با آزمایشات چنین روابطی را تایید می­ کند.

بطور کلی می­ توان دو سطح طراحی برای بتن الیافی در نظر گرفت:

  1. حالت حدی بهره برداری در تغییرمکان­ های (خیزهای) کوچک مطابق با عرض ترک­ در محدوده 0/4 تا 1 میلی متر (0/016 تا 0/04 اینچ).
  2. حالت حدی نهایی در تغییرمکان ­های (خیزهای) بزرگ، مربوط با عرض ترک­ در محدوده 2 تا 3/4 میلی متر (0/08 تا 0/14 اینچ).

در حالت حدی بهره برداری، مقادیر مقاومت باقی مانده بیشتری مورد نیاز است، زیرا در این حالت عرض ترک­ ها باید کوچکتر در نظر گرفته شوند. بنابراین، مقاومت باقی مانده مشخصه بتن الیافی بر اساس حالت حدی مورد نظر تعیین می ­گردد.

دو روش آزمایش که معمولا برای تعیین مقاومت باقی مانده خمشی بتن الیافی پس از ترک خوردگی استفاده می­ شوند. پارامترهای بدست آمده از این دو آزمایش برای طراحی مورد استفاده قرار می­ گیرند. هنگامی که از استاندارد ASTM C1609/C1609M برای توصیف بتن الیافی استفاده می ­شود، پارامترهایی نظیر  D150 ،RDT,150 و D600 (یا fe,3) برای طراحی و توصیف مشخصات بتن الیافی مورد استفاده قرار می­ گیرند. این آزمایش و روش طراحی مربوط به آن معمولا در آمریکای شمالی استفاده می­ شود. در اروپا و برخی کشورهای دیگر، روش آزمایش استاندارد BS EN 14651:2005  رایج ‏تر است و از پارامترهای f R,3، f R,2، f R,1  و  برای طراحی استفاده می­ شود. کاربرد این پارامترها در فرایند طراحی  توضیح داده خواهد شد.

طراحی بتن مسلح با آرماتور در خمش (بلوک تنش)

لنگر خمشی اسمی مربوط به مقطع بتنی مسلح شده با میـلگرد و بدون الیاف، Mn-RC، طبق رابطه و از تعادل نیروها در مقطع مطابق محاسبه می­ شود. همانطور که به صورت شماتیک نشان داده شده است، مقطع تیر بتن مسلح بدون الیاف است، توزیع واقعی تنش­ های نرمال و توزیع ساده شده تنش ­های نرمال در مقطع ترک خورده را نشان می ­دهد. پس از ترک خوردگی بتن، نیروی فشاری C توسط بتن (بالای تار ختثی) و نیروی کششی T توسط میلگردها (پایین تار خنثی) تحمل می ­شود. لازم به ذکر است که بلوک تنش تنها برای محاسبه لنگر نهایی دقت کافی دارد و برای بدست آوردن رابطه لنگر-انحنا صحیح نمی­ باشد. ظرفیت کششی بتن غیرمسلح ناچیز است و در این محاسبات در نظر گرفته نمی ­شود.

 

(Mn-RC = AS.fy.(d-(a/2

(0.85fc.b) / (a =(As.fy *

 

لازم به ذکر است که به محض رسیدن بتن به مقاومت خمشی، بتن ترک خورده و تمام نیروهای کششی توسط آرماتورهای فولادی تحمل می­ گردد. در هنگام طراحی بر اساس ضرایب بار و مقاومت، ظرفیت خمشی طراحی مقطع بتن مسلح، ϕMn-RC، باید بزرگتر از لنگر Mu که به مقطع وارد می ­شود، باشد: ΦMn-RC > MU ضریب کاهش ϕ، بستگی به نوع و مود خرابی عضو دارد که باید طبق دستورالعمل ACI 318 یا سایر آیین ­نامه­ های ساختمانی تعیین گردد و معمولا برای اعضای خمشی بین 0/65 تا 0/9 در نظر گرفته می­ شود.

 

طراحی بتن الیافی در خمش (بر اساس استانداردهایASTM C1609 و RILEM TC 162-TDF [2003])

در این رویکرد طراحی همان مفهوم بلوک تنش را می‏ توان برای مقطع بتن الیافی به کار برد. از استاندارد ASTM C1609/C1609M  برای بدست آوردن پارامترهای مورد نیاز طراحی استفاده می ­شود. لنگر خمشی اسمی مقطع بتن الیافی طبق رابطه های(الف و ب) و از تعادل نیروها در مقطع، مطابق شکل محاسبه می ­شود. همانطور که به صورت شماتیک نشان داده شده است، شکل(الف) مقطع تیر بتن الیافی است، شکل(ب) توزیع واقعی تنش­ های نرمال و شکل(ج) توزیع ساده شده تنش­ های نرمال در مقطع ترک خورده را نشان می­ دهد. تنش ­های فشاری توسط بتن و تنش­ های کششی توسط الیاف­ تحمل می ­شوند. توزیع ساده شده تنش ­های فشاری بتن الیافی به علت عملکرد ترکیبی الیاف­ ها و بتن در بالای تار خنثی به صورت مثلثی در نظر گرفته می ‏شود (در حالیکه در زمان استفاده از میلگرد بصورت مستطیلی در نظر گرفته می ­شد). مقاومت کششی بتن الیافی بسیار بیشتر از مقاومت کششی بتن غیرمسلح است، بنابراین در محاسبات لحاظ می­ گردد. در حالت حدی نهایی، مقاومت کششی نهایی بتن الیافی ترک خورده، fut-FRC، را می­ توان 0/37 برابر مقاومت باقی مانده خمشی آن، D150 (یا پارامتر fe,3)، که از آزمایشASTM C1609/C1609M بدست می­ آید مطابق رابطه(الف) در نظر گرفت.

ظرفیت خمشی مقطع بتن الیافی ترک خورده از رابطه(ب) که در ارتباط با روش مشابه مورد استفاده توسط RILEM TC 162-TDF 2003 ایجاد شده، محاسبه می­ شود. اگر بتن الیافی برای عرض ترک­ های کوچک تر تحت الزامات حالت حدی بهره برداری طراحی شود، می­ توان از پارامترهای دیگری مانند D600 که مطابق با خیز کوچکتر در آزمایش (خمشی) تیر هستند، استفاده کرد. انتخاب حالت طراحی (حالت حدی نهایی در مقابل حالت حدی بهره برداری) و پارامتر طراحی مربوط به آن بستگی به کاربرد و الزامات بهره برداری دارد.

 

رابطه (الف)            fut-FRC = 0.37f D150 

 رابطه (ب)       (bh2/6) * Mn-FRC = f D150

 

گاهی اوقات مقاومت باقی مانده معادل fe,3، به جای مقاومت باقی مانده  استفاده می ­شود. پارامترfe,3  شاخصی برای جذب انرژی کل (طاقت خمشی) در آزمایش خمشی تیر است و معمولا برای طراحی اعضای بتن الیافی که تکیه گاه سرتاسری دارند مانند دال‏ ها روی زمین و بتن پاششی، استفاده می­ شود. پارامتر D150 مقدار واقعی مقاومت باقی مانده خمشی در یک خیز یا عرض ترک مشخص می‏ باشد. این پارامتر معمولا برای اعضای بتن الیافی که بدون تکیه گاه سرتاسری هستند از جمله تیرها، دال­ های معلق و قطعات پیش ساخته، استفاده می­ گردد. مقدار D150 می­ تواند کمی کمتر از fe,3 باشد که باعث طراحی محافظه کارانه می ­شود. انتخاب بین این دو پارامتر بستگی به کاربرد، معیارهای طراحی و الزامات ایمنی دارد.

ظرفیت خمشی طراحی بتن الیافی، ϕMn-FRC، باید بزرگ تر از لنگر Mu که به مقطع وارد می­ شود، باشد یعنی: ΦMn-RC > Mلازم به ذکر است که در مقایسه با بتن مسلح شده با آرماتور، ضرایب ϕ ممکن است قبل از استفاده برای اعضای بتن الیافی در مودهای خرابی فشار کنترل و کشش کنترل، نیاز به اصلاح (تعدیل) داشته باشند. برای اعضای بتن الیافی که بدون تکیه گاه سرتاسری هستند از جمله تیرها، دال­ های معلق و قطعات پیش ساخته، باید ضرایب ϕ محافظه کارانه تر (مقادیر کمتر) استفاده گردد. برای اعضای بتن الیافی که تکیه ‏گاه سرتاسری دارند مانند دال­ ها روی زمین و بتن پاششی، از ضرایب ϕ بزرگتر می­ توان استفاده کرد.

مثال: یک دال زمینی با ارتفاع 150 میلی متری (6 اینچی) که تحت تنش­ های جمع شدگی و حرارتی کششی قرار دارد را فرض کنید. مقادیر درصد آرماتور (ρ) 0/05، 0/1 و 0/15 را به ترتیب در نظر گرفته و مقاومت باقی مانده خمشی مورد نیاز پارامتر fe,3 را برای بتن الیافی که همان سطح کنترل ترک خوردگی معادل با میلگرد فولادی با رده مقاومتی 400 مگاپاسکال داشته باشد را، بدست آورید

 نیروی کششی فولاد : Fts = (As/ b.h) .Fyρ.Fy = 400ρ

 

مقادیر مورد نیاز مقاومت ­های باقی مانده کششی و خمشی برای نسبت­ های آرماتور مذکور محاسبه و در جدول نشان داده شده است. توجه کنید که در این مثال، مقاومت باقی مانده خمشی 0/37 برابر مقاومت کششی پس از ترک خوردگی مورد نیاز می ­باشد.

مثال: یک پانل پیش ساخته با ضخامت 200 میلی متر (8 اینچ) و عرض واحد را در نظر بگیرید میلگردهایی به قطر 12/7 میلی متر در فواصل 400 میلی متر (فواصل 16 اینچی) در وسط مقطع مسلح شده تا ظرفیت خمشی پس از ترک خوردگی را تامین کند. مقدار D150 را برای بتن الیافی به گونه ای تعیین کنید که همان سطح مقاومت خمشی پس از ترک خوردگی آرماتور را دارا باشد. مقاومت فشاری بتن را 35 مگاپاسکال (5000 پوند بر اینچ مربع)، تنش تسلیم را برابر با 414 مگاپاسگال در نظر بگیرید (رده مقاومت 60) و ضریب ظرفیت خمشی آرماتور را 0/9 در نظر بگیرید.

ظرفیت خمشی تامین شده توسط آرماتور:         

 

Dbar = 10 mm 

Abar = 75.4 mm2

As = 75.4*3 =  226 mm2

ΦMn-RC=ΦAsFy(d-(a/2))=0.9*226*414*((200/2)-(3.14/2))=8.28KN.m

a=(AsFy)/(0.85f′c b) = (226*414)/(0.85*35*1000)=3.14mm

 

ظرفیت خمشی نهایی بتن الیافی:

 

ΦMn-FRC=ΦMn-RC=8.28*106 =ΦfD150*(bh2/6)

 fD150 =( 6Mn-FRC) / Φbh2=(8.28*106)/(0.9*1000*2002)=1.24MPa (= 180Psi) 

 

 

  بلوک تنش مربوط به عضو خمشی ترک خورده

شکل بلوک تنش مربوط به عضو خمشی ترک خورده بتن مسلح بدون الیاف (الف) مقطع تیر بتن مسلح، (ب) توزیع واقعی تنش­ های نرمال و(ج) توزیع ساده شده تنش ­های نرمال

بلوک تنش مربوط به عضو خمشی

شکل بلوک تنش مربوط به عضو خمشی ترک خورده بتن الیافی (الف) مقطع تیر بتن الیافی، (ب) توزیع واقعی تنش ­های نرمال و (ج) توزیع ساده شده تنش­ های نرمال

 

جدول محاسبه مقادیر مقاومت باقی مانده بتن الیافی برای کنترل ترک خوردگی

درصد آرماتور فولادی ρ

مقاومت باقی مانده کششی

مقاومت باقی مانده

خمشی بتن الیافی

درصد

 پوند بر اینچ مربع

مگاپاسکال

پوند بر اینچ مربع

مگاپاسکال

0/05

30

0/2

81

0/6

10/0

60

0/4

162

1/1

15/0

90

0/6

243

1/7

طراحی بتن الیافی در خمش (بر اساس دستورالعملfib 2013)

طراحی بتن الیافی در خمش بر مبنای دستورالعمل fib 2013 با استفاده از رابطه لنگر خمشی-عرض ترک خوردگی که از آزمایشBS EN 14651:2005 بر روی تیرهای شیاردار انجام می ‏شود، صورت می‏ گیرد. لنگر اسمی مقطع بتن الیافی، Mn-FRC  طبق روابط (الف) تا (د) و از تعادل نیروها در مقطع، مطابق شکل محاسبه می ­شود. همانطور که به صورت شماتیک نشان داده شده است، شکل(الف) مقطع تیر بتن الیافی است، شکل(ب) توزیع تنش ­های خمشی و شکل(ج) توزیع ساده شده تنش ­های نرمال در مقطع ترک خورده را نشان می­ دهد. مقدار ثابتی از مقاومت باقی مانده کششی fFtu  برای طراحی حالت نهایی مورد استفاده قرار می­ گیرد.

در این روش، دو مدل برای محاسبه مقاومت کششی پس از ترک خوردگی بتن الیافی پیشنهاد شده است. در مدل اول که صلب-پلاستیک نامیده می ­شود، مقاومت کششی نهایی بتن الیافی را، fFtu-FRC ، مقداری ثابت و برابر یک سوم مقاومت باقی مانده خمشی بتن الیافی، f R,3، حاصل از آزمایش خمشی تیر مطابق استاندارد BS EN 14651:2005، در نظر می‏ گیرد. فرمول­ های محاسبه مقاومت کششی و لنگر خمشی اسمی در این مدل به ترتیب در روابط(الف) و(ب) ارائه شده است. در مدل دوم یک رابطه خطی میان مقاومت باقی مانده و عرض ترک خوردگی برای طراحی درحالت حدی بهره برداری و حدی نهایی در یک مقطع بتن الیافی، فرض می ­شود. فرمول­ های محاسبه مقاومت کششی و لنگر خمشی اسمی به ترتیب در روابط (ج) و(د) ارائه شده است.

لازم به ذکر است که حالت طراحی باید در انتخاب درست روابط حالت حدی بهره برداری یا حالت حدی نهایی مورد توجه قرار گیرد: باید توجه شود که طراحی طبق دستورالعمل fib 2013 تنها برای الیاف­ هایی کاربرد دارد که مدول یانگ آنها به طور قابل توجه تحت تاثیر زمان، دما یا هر دو نباشد. به علاوه حداقل الزاماتی مانند fR,3 / fR,1 > 0.5 , fR,1 / fL > 0.4 اعمال می ­شود، که در آن  حد تناسب نامیده شده و از رابطه بدست می­ آید. قواعدی که توسط دستورالعمل fib 2013 ارائه شده است، تنها بر اساس تجربه به دست آمده از بتن الیافی فولادی می ­باشد.

بلوک تنش مربوط به عضو خمشی ترک خورده بتن الیافی

شکل بلوک تنش مربوط به عضو خمشی ترک خورده بتن الیافی (الف) مقطع تیر بتن الیافی، (ب) توزیع تنش ­های خمشی و (ج) توزیع ساده شده تنش­ های نرمال

استفاده از مدل صلب پلاستیک (تنها در حالت حدی نهایی):

رابطه(الف)                               FFtu-FRC=fR,3/3

رابطه(ب)                 Mnu-FRC = fR,3.(bh2sp)/(6)

استفاده از مدل خطی (برای حالت حدی بهره برداری و حالت حدی نهایی):

رابطه(ج)                             FFts-FRC=0.45fR,1

FFtu-FRC=(0.45fR,1)-wu/CMOD3(0.45 fR,1 – 0.5 fR,3 + 0.2 fR,1)≥0

 

رابطه(د)          Mns-FRC = fR,1.(bh2sp)/(6)

                     Mnu-FRC = fR,3.(bh2sp)/(6)

 

مثال: آزمایش BS EN 14651:2005 بر روی تیرهای بتن الیافی با عرض 150 میلی متر و ارتفاع 130 میلی متر انجام شده است و FR,3=5.5 MPa  FR,1=6.9 MPa گزارش شده است. ظرفیت‏ های خمشی اسمی این بتن الیافی در شرایط حالت حدی بهره برداری و حالت حدی نهایی چه مقدار می­ باشد؟

حداکثر عرض ترک خوردگی را  1/5=wu میلی متر (0/06 اینچ) فرض کرده و از مدل خطی استفاده کنید. 

مقاومت کششی باقی مانده بتن الیافی تحت حالت حدی بهره برداری و حالت حدی نهایی:

FFts-FRC=0.45fR,1=0.45*6.9=3.1 MPa(450psi)

FFtu-FRC=(0.45fR,1)-wu/CMOD3(0.45 fR,1 – 0.5 fR,3 + 0.2 fR,1)

=3.1-(1.5)/(3)(3.1-0.5*5.5+0.2*6.9)=2.2MPa (325psi)

ظرفیت خمشی اسمی بتن الیافی تحت حالت حدی بهره برداری و حالت حدی نهایی:

 

Mns-FRC= 6.9*(150*1302)/(6)=9000N – m(25800 lb – in)

Mns-FRC=20000 lb – in (7200 N – m)

 

طراحی بتن الیافی هیبریدی (ترکیبی) در خمش

مسلح‏ سازی هیبریدی (استفاده از آرماتور به همراه الیاف) می­ تواند انتخابی مناسب برای طراحی و ساخت اعضای بتنی که دارای سطوح و تراکم بالای آرماتورهستند، باشد. بخشی از آرماتورها با الیاف ­ها جایگزین می ­شود تا امکان پیوستگی بهتر بتن و ساخت سریع تر را فراهم کند. اخیرا یک کاربرد سازه ­ای از مسلح سازی هیبریدی که در آن از الیاف ­های فولادی به جای آرماتورهای مورب در تیرهای هم بند دیوار برشی در یک ساختمان مرتفع استفاده گردید. آزمایش­ ها در مقیاس واقعی و شبیه ­سازی کامپیوتری نشان داد که در اعضای بتنی با مسلح سازی هیبریدی، مقاومت و شکل پذیری بهبود می ­یابد در حالی که مقدار کلی آرماتورها تا 40% کاهش یافته بود همانطور که در شکل نشان داده شده. ظرفیت خمشی مقطع بتن الیافی هیبریدی با در نظر گرفتن مشارکت آرماتورهای فولادی و همچنین الیاف­، محاسبه می­ گردد. همانطور که به صورت شماتیک نشان داده شده است، شکل (الف) مقطع تیر مسلح شده با آرماتور و الیاف می ­باشد و شکل(ب) توزیع تنش­ های نرمال در مقطع ترک خورده را نشان می ­دهد. تنش­ های فشاری توسط بتن و تنش ­ها و نیروهای کششی توسط عملکرد ترکیبی آرماتورها و الیاف­ تحمل می­ شوند. در این حالت می­ توان محاسبات مشابه ی را برای حالت حدی بهره برداری و حالت حدی نهایی مطابق دستورالعمل­ های کلی شرح داده شده در بخش‏ های و در نظر گرفت. روش محاسبه ظرفیت خمشی اسمی عضوی با مسلح سازی هیبریدی (Mn-HFRC) طبق رابطه می­ باشد. شکل­ های مختلفی برای مسلح سازی هیبریدی امکان­ پذیر است. برای اطلاعات بیشتر می­ توان به دستورالعمل fib 2013، مراجعه نمود.

رابطه        Mn-HFRC = Mn-RC + Mn-FRC

شکل بلوک تنش مربوط به عضو خمشی ترک خورده با مسلح سازی هیبریدی

شکل هیبریدی

(الف) مقطع تیر و (ب) توزیع تنش­ های نرمال و نیروهای تحمل شده توسط  الیاف­ و آرماتورها

طراحی بتن الیافی در برش

اصول طراحی بتن الیافی در برش برای اعضای خمشی که در آن ها از آرماتورهای طولی به همراه الیاف برای مسلح سازی برشی استفاده شده است، در این قسمت ارائه می ­شود. استفاده از الیاف برای مسلح سازی برشی در تیرهای بتنی مسلح، مورد توجه بسیاری از مطالعات قرار گرفته است. با استناد به نتایج تحقیقاتی در مقیاس واقعی انجام شد، آیین ‏نامه ACI 318 استفاده از الیاف­ های فولادی به جای خاموت برای مسلح سازی برشی دراعضای خمشی با 40MPa (fc < 6000 psi) و حداکثر ارتفاع 600 میلی متر (24 اینچ) را تایید می­ کند. طبق آیین ‏نامه ACI 318 بخشR26.12.5، الیاف­ های فولادی هنگامی که مطابق استاندارد ASTM C1609/C1609M آزمایش می­ شوند، باید دارای نسبت ابعادی (طول به قطر) بین 50 تا 100 و حداقل پارامتر RDT,150 برابر با 75 درصد باشد. حد پایین ظرفیت برشی تامین شده توسط بتن الیافی فولادی از رابطه، ((bwd) (f′c)0.29) بر حسب مگاپاسکال ((bw) (f′c)3.5)برحسب پوند بر اینچ مربع) می ­باشد، که در آن bw عرض و d ارتفاع موثر تیر است. تیرهای بتنی با f′c و ارتفاع کل بیشتر از محدوده آیین نامه ACI 318 و آن دسته از تیرهایی که معیارهای RDT,150 را ارضا نمی ­کنند، قادر به تامین ظرفیت برشی حداقل ((bwd) (f′c)0.17) مگاپاسکال ( ((bwd) (f′c)2) پوند بر اینچ مربع) می­ باشند.

دستورالعمل fib 2013 ، الزامات طراحی برشی برای بتن الیافی فولادی را خلاصه کرده است. برای اعضای بتنی با آرماتورهای طولی و بدون مسلح سازی برشی، از رابطه برای محاسبه ظرفیت برشی می ­توان استفاده کرد. طبق این دستورالعمل، اگر مقاومت باقی مانده کششی نهایی بتن الیافی به اندازه کافی باشد (fut-FRC > 0.05*f½c برحسب مگاپاسکال وfut-FRC > 0.6f C1/2  برحسب پوند بر اینچ مربع)، امکان حذف حداقل آرماتور برشی (خاموت) وجود دارد.

رابطه

VFRC={(0.18/γC) ΚS[100ρ(1+7.5(fut-FRC/ft)fc]1.5+0.15σcp}.b.d

(SI units)

VFRC>(Vmin=0.15σcp)bd

Vmin= 0.035 Κ1.5S f1.2c

VFRC=26.8*{(0.18/γC) ΚS[100ρ(1+7.5(fut-FRC/ft)fc]1.5+0.15σcp}.b.d

(in. – lb units)

در روابط بالا?c ضریب اطمینان جزیی بتن بدون الیاف، Κs ضریب اثر اندازه و برابر با (2 ≥ ½(200/1d)+1) در واحد استاندارد SI می باشد (2 ≥ ½(8/1d)+1) در واحد اینچ-پوند)،ρ درصد آرماتورهای طولی و برابر با A/ b*d ، fut-FRC مقاومت باقی مانده کششی نهایی بتن الیافی، ft و fc به ترتیب مقادیر مقاومت کششی و فشاری بتن غیرمسلح و σcp تنش نرمال متوسط که در اثر بارگذاری یا پیش تنیدگی در مقطع بتن ایجاد می­ گردد، می­ باشند. لازم به ذکر است که در محاسبات برشی، آیین ‏نامه ACI 318 روش محافظه کارانه تر و ضرایب ایمنی بالاتری از دستورالعمل fib 2013 دارد.

مثال: یک تیر بتنی با مشخصات با عرض 300 میلی متر (12 اینچ)، ارتفاع موثر 500 میلی متر (20 اینچ)، مسلح شده توسط سه آرماتور با قطر 12/7 میلی متر در ناحیه کششی در نظربگیرید. همچنین مقاومت فشاری بتن برابر 27/5 مگاپاسکال (4000 پوند بر اینچ مربع) و مقاومت کششی باقی مانده بتن برابر 2/75 مگاپاسکال (400 پوند بر اینچ مربع) می ‏باشد. ظرفیت برشی این مقطع را در حالت­ های زیر محاسبه کنید:

  • بدون الیاف
  • الیاف با 1/38 مگاپاسکال D150 = 200 پوند بر اینچ مربع
  • الیاف با 2/75 مگاپاسکال D150 = 400 پوند بر اینچ مربع بدست آورید.

 در این محاسبات مقدار ضریب اطمینان جزیی بتن ?c = 1 و تنش نرمال تیر (σcp) را صفر فرض کنید.

ΚS = 1+(8/1d)½=1+(8/1d)½=1.63<2

ρ = (AS/AC)=(3*π*((0.5)2)/4)/12*20

ΚS = 1+(200/1d)½ ≤ 2 → ΚS = 1+(200/500)½=1.63<2

ρ = (AS/AC)=(3*PI*((12)2)/4)/300*500=2.46*10-3=0.246%

Fut-FRC= 0 MPa (0 psi)

حالت اول :

VFRC={(0.18/1)*1.63 [100*0.00246*(1+7.5*(0/2.75)*27.5]1.5 *300*500= 83.5kN (18770 lbf)

حالت دوم :

Fut-FRC= 0.37*1.38=0.51 MPa (74 psi)

VFRC=26.8{(0.18/1)*1.63 [100*0.00246*(1+7.5*(74/2.75)*27.5]1.5+0} *300*500=111.6kN (25090

lbf)

حالت سوم :

Fut-FRC= 0.37*2.75=0.02 MPa (148 psi)

VFRC={(0.18/1)*1.63 [100*0.00246*(1+7.5*(148/2.75)*27.5]1.5} *300*500= 130kN (29230 lbf)

 

بتن الیافی با 1/38 مگاپاسکال D150 = 200 پوند بر اینچ مربع ظرفیت برشی مقطع را تا 33 درصد و بتن الیافی با  2/75 مگاپاسکال D150 = 400 پوند بر اینچ مربع ظرفیت برشی مقطع را تا 55 درصد در مقایسه با مقطع بتنی بدون الیاف افزایش می­ دهد. لازم به ذکر است که مقدار 1/38 مگاپاسکال D150 = 200 پوند بر اینچ مربع برای برآوردن الزامات آیین نامه ACI 318 در استفاده از الیاف تنها، به عنوان مسلح سازی برشی ممکن است بسیار کم باشد، با این حال می ­تواند  باعث افزایش مقاومت برشی شود.

الیاف­ ماکرو پلیمری نیز اگر به مقدار کافی استفاده شوند، قادر به تامین ظرفیت برشی مورد نیاز می ­باشند. اخیرا، استفاده از الیاف­ ماکرو پلیمری را به عنوان مسلح سازی برشی در اعضای خمشی مورد بررسی قرار دادند و نشان دادند که برخی از فرمول ­های تجربی موجود (مورد استفاده برای الیاف­ فولادی) مقاومت برشی بتن با الیاف ماکرو پلیمری را بیش از حد تخمین می زند. از روابط موجود در دستورالعمل fib 2013 می ­توان به طور مطمئن برای چنین محاسب ه­ای استفاده کرد. مدل­ های دیگری برای ظرفیت برشی پیشنهاد شده­ اند که در صورت در دسترس بودن خصوصیات مکانیکی بتن الیافی، می ­توانند مناسب ­باشند. یک مدل ظرفیت برشی برای اعضای دارای الیاف فولادی قلاب شده در انتها ایجاد کردند که می­ تواند اثر اندازه مشاهده شده در برش را توضیح دهد. محققین نیز مدل‏ های ظرفیت برشی مختلفی را تایید کرده ­اند. برای اعضای بتن الیافی با مسلح سازی خمشی و برشی، مشارکت الیاف را می ­توان در نظر گرفت (VHFRC = VS + VFRC).

 

 

طراحی پارامتری بتن الیافی

یک مدل پارامتری ساده شده بر اساس شرایط حالت حدی بهره برداری و حالت حدی نهایی برای طراحی اعضای خمشی بتن الیافی ارائه دادند. این مدل می­ تواند برای هر دو حالت نرم شوندگی کرنشی و سخت شوندگی کرنشی در بتن الیافی مورد استفاده قرار بگیرد. با بسط و گسترش این مدل، ترکیبی از الیاف و آرماتور در بتن را می ­توان به عنوان طرح هیبریدی در نظر گرفت، که عضو سازه­ ای دارای آرماتورهای پیوسته به همراه الیاف­، که به صورت همگن در مخلوط بتن توزیع شده باشد. یک مدل تحلیلی برای پیش ­بینی رفتار خمشی بتن هیبریدی که برای بتن مسلح شده با آرماتور و الیاف نیز کاربرد دارد.

نمودارهای تنش-کرنش حاصل از کشش و فشار در طراحی پارامتری مربوط به مقاطع بتنی در شکل برای یک مقطع مسلح الیافی یا مقطع بتن مسلح هیبریدی (الیاف به همراه میلگرد) نشان داده شده است. شکل بیانگر رفتار مصالح می‏ باشد. شکل(الف) رفتار کششی بتن الیافی را نشان می ‏دهد که در آن کرنش و مقاومت اولین ترک خوردگی به ترتیب εcr وσcr می‏ باشد. همچنین مدول الاستیک یا سختی با پارامتر E نمایش داده می­ شود. پس از این نقطه تنش باقی مانده با مقدار ثابتی وجود دارد که ناشی از رفتار بیرون کشیدگی و لغزش الیاف ­ها در طول امتداد ترک خوردگی است، و با پارامترμ (به عنوان جزیی از مقاومت کششی) نشان داده می ­شود. مقدار این تنش ثابت برابر μσcr می ­باشد. در شکل(ب) رفتار فشاری الاستوپلاستیک با مدول اولیه γE تا مقاومت فشاری ωμσcr نمایش داده شده است که در آن پارامتر ω نسبت کرنش فشاری به کششی را نشان می­ دهد و در اکثر موارد مدول الاستیسیته کششی و فشاری با هم برابرند، در نتیجه γ=1 می­ باشد. بنابراین پارامتر ω را نسبت مقاومت فشاری به کششی σcy = ωσcr نیز می­ توان در نظر گرفت. شکل(ج) رفتار الاستوپلاستیک کامل را برای آرماتورهای فولادی نشان می­ دهد. آرایش آرماتورها در مقطعی با عرض b و ارتفاع h در شکل(د) نشانگر این است که عمق مرکز ثقل آرماتورها در فاصله d=αh می­ باشد.

مدل طراحی بتن مسلح

شکل مدل طراحی بتن مسلح (الف) رفتار کششی، (ب) رفتار فشاری، (ج) رفتار آرماتور و (د) مقطع تیر بتنی

 

شکل مراحل مختلف رفتار کششی و فشاری را بر اساس توزیع کرنش خطی در ناحیه­ های الاستیک و پلاستیک نشان می ­دهد. همبستگی رفتار کرنش و انحنا در مقطع بتنی، مقادیر کرنش­ را به انحنا، تنش، نیرو و در نتیجه لنگر خمشی مرتبط می ­سازد. پس از بدست آوردن عمق تار خنثی، مقادیر لنگر و انحنا برای هر محدوده کرنش اعمال شده قابل محاسبه می ­باشد و از این مقادیر برای ترسیم رفتار لنگر-انحنا مقطع استفاده می ­شود. پارامترهای بتن الیافی از استاندارد ASTM C1609/C1609M یا BS EN 14651:2005 و بر اساس توصیه­ های روش طراحی پارامتری که در دستورالعمل ACI 544.8R  بحث شده است، بدست می ­آید.

حداقل سه پارامتر برای این روش طراحی مورد نیاز است که شامل نسبت مقاومت فشاری به کششی (ω)، مقاومت باقی مانده کششی پس از ترک خوردگی (μσcr) و کرنش فشاری یا کششی مجاز در حالت بهره برداری (βtuεcr یا λcuεcr) می ­باشد. با استفاده از این پارامترها، می ­توان محل تار خنثی، ظرفیت خمشی و انحنای مقطع را برای هر کرنش اعمالی بدست آورد.

نمودار تنش و کرنش برای مقطع بتن الیافی در شکل(ج) ارائه شده که در آن مقطع ترک خورده تحت کشش و حداکثر کرنش فشاری در ناحیه فشاری الاستوپلاستیک (λ > λcr = ω ،εc > λεcr) می ‏باشد. با توجه به دیاگرام توزیع کرنش محل تار خنثی kd فرض می ­شود. با استفاده از نمودارهای تنش و کرنش مقطع، معادله تعادل نیروهای داخلی بدست می­ آید. عمق تار خنثی k، با حل معادله تعادل نیروهای داخلی Fs + Fc1 + Fc2 + Ft1 + Ft2 = 0 که بیانگر نیروهای ناشی از تنش­ های داخلی نشان داده شده در شکل(ج) است، محاسبه می ­شود. در یک حد بهره ­برداری مشخص، با فرض مقدار حداکثر کرنش فشاری مجاز برابر با εc = λcu εcr عمق تار خنثی بر اساس رابطه(الف) بدست می­ آید.

 

رابطه(الف)    

K=(2µλcu)/(-ω2+2λcu(ω+µ)+2µ-1)

 

شکل نمودارهای تنش و کرنش در سه محدوده کرنش فشاری نرمال مقطع با توجه به مقادیر پارامتر λ (الف) رفتار الاستیک در فشار و کشش لاندا بین صفر و یک ، (ب) رفتار الاستیک در فشار و رفتار پلاستیک در کشش لاندا بین 1 و امگا و (ج) رفتار پلاستیک در فشار و کشش لاندا بزرگ تر از امگا است.

رابطه(الف) برای مقطع بتن الیافی مورد استفاده است و رابطه مشابه آن برای بتن الیافی هیبریدی است. مقدار لنگر، Mn، با در نظر گرفتن اولین لنگر نیروهای داخلی حول تار خنثی طبق معادل تعادل Mn = Fc1yc1 + Fc2yc2 + Ft1yt1 + Ft2yt2 با استفاده از روابط(ب و ج) محاسبه می­ شود.

رابطه (ب)

Mn=((3ωλ2cu3+3µλ2cu-3µ+2)*(k22cu)-3µ(2k-1)).Mcr

 Mcr=((σcrbh2)/(6))

اگر یک تحلیل تقریبی برای محاسبه ظرفیت خمشی در حالت حدی انجام شود، یک رابطه طراحی ساده شده برای ظرفیت خمشی نرمال شده بدست می­ آید. این حالت مانند وقتی است که مقطع ترک خورده در خمش به طور قابل توجهی فراتر از حد بهره ­برداری باز می ­شود. با این حال به علت حضور الیاف، مقطع همچنان قادر به انتقال بار و تحمل لنگر خمشی اعمال شده می ­باشد. ظرفیت خمشی در این حالت توسط حالت حدی پارامتر کرنش ترک خوردگی فشاری، λcu، که به مقدار نسبتا بزرگی رسیده است، تعریف می­ شود. برای ساده سازی محاسبه لنگر خمشی در این حالت، پارامتر محور خنثی را k می ‏نامیم و مقدار آن را می­ توان با جایگزینی ∞= λcu  در رابطه(الف) بدست آورد. لنگر نرمال حالت حدی نهایی با پارامتر m نشان داده می ‏شود و طبق معادله(د) محاسبه می ‏شود. ظرفیت خمشی نهایی با جایگزینی رابطه m در mcu حاصل می­ شود. بنابراین محاسبه ظرفیت خمشی اسمی مقطع بتن الیافی، Mn، طبق رابطه(د) انجام می ­شود.

رابطه(د)

k=lim k = (µ)/(ω+µ)

m = (3ωµ)/(ω+µ)

Mn= mmcr = (3ωµ)/(ω+µ)Mcr

 اصول روش طراحی بر اساس ضرایب بار و مقاومت در محاسبه مقاومت نهایی، بر اساس ظرفیت خمشی اسمی کاهش یافته، ϕpMn ، که بزرگتر از لنگر مورد نیاز Mu است، می­ باشد. مقدار لنگر مورد نیاز از تحلیل الاستیک خطی و با استفاده از ضرایب بار طبق آیین‏ نامه ACI 318-1  بدست می ‏آید. ضریب کاهش مقاومت، ϕp، به مقاومت کششی پس از ترک خوردگی اعمال می ­گردد و مقدار تجربی ϕp در بازه 0/75 تا 0/9 بر اساس تحلیل آماری داده­ های آزمایشی محدود شده است. برای ساده تر کردن رابطه(د) با استفاده از معادلات قبلی، از یک رابطه تجربی بین مقاومت کششی و فشاری نیز می­ توان استفاده کرد که در آن ½(f′c)0.6  در واحد استاندارد (f′c)(6.7)=(f′t) می­ باشد. بنابراین مقاومت فشاری نرمال ω طبق رابطه زیر است:

رابطه(ه)   

 

ω=(γEωεcr)/(Eεcr)≈

( fبر حسب مگاپاسکال)

½fc/ft=(0.85fc)/(0.56(fc)½)=1.518(fc)

و 

( fبر حسب psi)

½fc/ft=(0.85fc)/(6.7(fc)½)=0.127(fc)

                                                                              

با جایگزین کردن ω در معادله(د)، ظرفیت خمشی اسمی به عنوان تابعی از مقاومت کششی پس از ترک خوردگی μ و مقاومت فشاری نهایی f′c و برای یک لنگر نهایی داده شده طبق رابطه (و) بدست می­ آید.

رابطه(و)             

Mn=[6µ*(f′c)½ / ξµ+2*( f′c)½]Mcr

                                     

که در آن ξ=1.32 در واحد استاندارد (15/8 در واحد اینچ-پوند) می­ باشد.

در بتن الیافی معمولی، مقاومت باقی مانده ظاهری در خمش حدودا سه برابر مقاومت باقی مانده آن در کشش است، یعنی  feq,3 = 3µσcr ، در نتیجه، Mn را می ­توان مطابق رابطه(ز) بدست آورد.

رابطه(ز)     

Mn=[6feq,3*(f′c)½/ξ(feq,3+2.54 f′c)]Mcr

                                 

که در آن ξ=1.32 در واحد استاندارد (15/8 در واحد اینچ-پوند) می ­باشد.

از طرف دیگر یک رابطه توانی کلی بین مقاومت کششی و فشاری مطابق زیر برقرار است که با استفاده از آن لنگر خمشی نهایی، Mn، را می ‏توان با رابطه(ح) نیز محاسبه کرد:

رابطه(ح)   

f′t=n(f′c)k

Mn=[3feq,3*(f′c)1-k/(n)(feq,3+3 f′c)]Mcr

                                                         

مثال: اگر مخلوط بتن با feq,3 = 1.72  مگاپاسکال (250 پوند بر اینچ مربع) و مقاومت بتن 35 مگاپاسکال (5000 پوند بر اینچ مربع) طراحی شود، مقادیر n=6  وk=0.5 برای همبستگی مقاومت کششی و فشاری و Mn=0.35Mcr به عنوان حالت حدی ظرفیت خمشی استفاده می ­گردد. لازم به ذکر است که مقدار ضریب Mcr طبق رابطه (ز) محاسبه شده است. همچنین رابطه(و) را می ­توان به صورت رابطه(ط) بازنویسی کرد که در آن m=Mn/Mcr می ‏باشد.

رابطه(4-9-ط)     

µ=(2m∞(f′c)½)/(6 (f′c)½-m∞ξ)

                                                    

روابطی که برای تعیین رابطه لنگر-انحنا، ظرفیت خمشی نهایی، حداقل نسبت مسلح سازی خمشی می ‏باشند، صریحا بدست آمده ‏اند .

شکل تحلیل هر سه مصالح متفاوت را برای بدست آوردن روابط لنگر-انحنا و بار-تغییرمکان تیرهای بتن مسلح هیبریدی شامل اندر کنش شکست فشاری یا کششی بتن الیافی و گسیختگی ناشی از جاری شدن کششی میلگرد را ارائه می ­دهد. ظرفیت خمشی نهایی را می­ توان به عنوان تابعی از مقاومت کششی باقی مانده بتن الیافی و آرماتور در نظر گرفت. برای طراحی در حالت هیبرید (استفاده همزمان الیاف و آرماتور) از رابطه(ک) می ‏توان استفاده کرد. همچنین با استفاده از این معادله، یک رابطه تحلیلی برای محاسبه حداقل درصد آرماتورها، ρg,min، برای بتن مسلح شده با میلگرد بدست می ­آید. برای مثال، با فرض پارامترهای μ=0، γ=0.75 و ω=6، رابطه(ل) حاصل می ­شود که حداقل درصد مسلح سازی بتن را برحسب عمق موثر و سختی میلگرد ارائه می ­دهد.

رابطه (ک)

Mn≈mMcr=((6ρgnk(µα-µ+αω)+3ωµ-3(ρgnk)2)/(ω+µ))*Mcr

رابطه (ل)

Ρmin=(9α-(81α2-6)½)/(2αnk)              

شکل(ج) یک نمودار طراحی، برای روش طراحی پارامتری را در رده‏ های مقاومتی مختلف آرماتور نشان می ­دهد. طراحی خمشی با استفاده از این چارت نیازمند لنگر نهایی، Mu، حاصل از بارهای ضریب دار می‏ باشد. با در نظر گرفتن پارامترهای مقاومت کششی باقی مانده نرمال شده μ، رده مقاومتی میلگرد و درصد آرماتور ρg، ظرفیت خمشی نهایی مورد نیاز مجاز، MU از این نمودار بدست می­ آید. سپس نتایج با استفاده از ظرفیت ترک خوردگی مقطع Mcr به مقادیر عددی مقیاس می­ شوند. یک جدول به عنوان راهنمای طراحی بتن الیافی و بتن مسلح هیبریدی ارائه داده ­اند. در بخش‏ های بعدی مثال­ های متعددی در این موضوع ارائه می­ گردد.

Reinforcement ration

شکل(ج) نمودار محاسبه ظرفیت خمشی نهایی (در λ=λcu) به ازای مقادیر مختلف مقاومت کششی پس از ترک خوردگی بتن الیافی (μ)، رده مقاومتی و درصد آرماتور.

 

دال های زمینی

دال­ های زمینی یکی از اصلی­ترین زمینه ‏های کاربرد الیاف به عنوان تنها عامل مسلح سازی بتن است. انواع مختلف دال­ های زمینی مانند کف­ های مسکونی و تجاری، همچنین جاده­ ها و پیاده­ روها قبل از اعمال بارهای نهایی ممکن است دچار ترک­ خوردگی شوند. از جمله دلایل این امر می ‏توان به جمع شدگی ناشی از خشک شدن، تغییرات حرارتی، شرایط محیطی (مانند ذوب و انجماد و واکنش قلیایی-سیلیسی)، تمرکز تنش در گوشه­ ها و بارگذاری مکرر (خستگی) اشاره کرد. مسلح سازی سه بعدی که با استفاده از الیاف­ های ماکرو فولادی یا پلیمری صورت می­ گیرد، مقاومت ترک خوردگی بتن، به ویژه مقاومت سطحی بتن را در مقابل ترک خوردگی بهبود می ­بخشد که باعث افزایش عمر بهره برداری می­ گردد.

آیین نامه ACI360R به بحث در ارتباط با جزییات و محاسبات مسلح سازی با الیاف می­ پردازد که تنها خلاصه­ ای از آن در اینجا ارائه می ­شود. ضخامت دال به طور مرسوم بر اساس روابط تجربی ارائه شده توسط وسترگارد (1923، 1925، 1926) و با در نظر گرفتن پارامترهایی نظیر: ضریب بستر خاک، مقاومت خمشی بتن و بارهای اعمالی، ضخامت بتن طراحی می­ گردد. علیرغم محافظه کاری این روش، دال ­های بتنی اغلب دچار ترک ­هایی می­ شوند که در اثر جمع شدگی، تنش­ های حرارتی یا سایر دلایل غیر سازه ­ای به وجود می­ آیند. بنابراین، مسلح سازی با استفاده از میلگردهای فولادی، شبکه آماده یا الیاف­ ماکرو به منظور کنترل عرض ترک خوردگی و تامین ظرفیت باربری پس از ترک خوردگی بتن در دال مورد استفاده قرار می­ گیرد. بنابراین حداقل مقدار الیاف به منظور کنترل ترک­ های ناشی از جمع شدگی و تنش ­های حرارتی در نظر گرفته می­ شود. مقدار حداقل برای الیاف­ های فولادی بین10 تا 12 کیلوگرم بر متر مکعب (17 تا 20 پوند بر یارد مکعب) و برای الیاف ­های ماکروی پلیمری، این مقدار تقریبا بین 1/8 تا 2/4 کیلوگرم بر متر مکعب (3 تا 4 پوند بر یارد مکعب) می­ باشد. مقادیر بیشتر الیاف باعث ایجاد ظرفیت خمشی و طاقت خمشی (جذب انرژی) مقطع پس از ترک خوردگی می­ شود.

به طور معمول الیاف­ فولادی با مقدار بین10 تا 36 کیلوگرم بر متر مکعب (17 تا 60 پوند بر یارد مکعب) مورد استفاده قرار می­ گیرد و الیاف­ ماکرو پلیمری در محدوده 1/8 تا 4/5 کیلوگرم بر متر مکعب (3 تا 7/5 پوند بر یارد مکعب) و به عنوان مسلح کننده در دال­ های زمینی استفاده می ­شود. مقدار واقعی الیاف­ ها را می­ توان بر اساس لنگر خمشی مورد نیاز ناشی از بارهای اعمال شده و مشخصات بستر تعیین کرد. مقادیر مقاومت باقی مانده مانند fe,3  ، f R,i  و یا غالبا نسبت مقاومت باقی مانده  (همانند fe,3) برای طراحی و تعیین دال ­های بتن الیافی استفاده می ­شود. (یا fe,3) نسبت مقاومت باقی مانده خمشی بتن الیافی به مقاومت ترک خوردگی بتن است که معمولا برای طراحی دال­ مورد استفاده قرار می­ گیرد.  (یا fe,3) دلالت بر ظرفیت خمشی پس از ترک خوردگی دال بتنی مسلح شده با الیاف دارد. روش طراحی خط تسلیم که به طور مفصل در آیین نامه ACI360R مورد بحث قرار گرفته است، توزیع مجدد لنگرها و تشکیل مفصل­ های پلاستیک در دال را پس از ترک خوردگی بتن توضیح می­ دهد. این نواحی مفصل پلاستیک در نقاط لنگر حداکثر گسترش می ­یابند و باعث تغییر و انتقال در نمودار لنگر الاستیک می ­شوند. این عمل سبب استفاده بهینه از بتن الیافی پس از ترک خوردگی و تعیین دقیق ظرفیت نهایی آن می ­شود. روش خط تسلیم برای طراحی دال­ های زمینی به کار برده شده است که در آن مسلح سازی در توزیع مجدد تنش ­های مقطع ترک خورده در نظر گرفته می ­شود . برای دال­ های مسلح شده با بتن الیافی، مدلی مشابه بر اساس روش خط تسلیم توسط قلیب (1980) ارائه شده است. برای محاسبه ظرفیت خمشی دال­ های بتن الیافی در حالت حدی نهایی روابط ساده شده در دستورالعمل ACI 360R ارائه شده است. سه مورد مجزا در روابط(الف،ب وج) برای بارگذاری­ های مختلف نشان داده شده است.

 

 رابطه (الف) بار در مرکز پنل             p0=6[1+(2a)/L]M0

رابطه (ب) بار در لبه پنل                p0=6[1+(3a)/L]M0

رابطه (ج) بار در گوشه پنل             p0=6[1+(4a)/L]M0

                                   

در این روابط L شعاع نسبی سختی (بدون واحد) که طبق رابطه(د) تعریف می ­شود که در آن K ضریب عکس العمل خاک بستر (نیوتن بر میلی متر مکعب یا پوند بر اینچ مکعب)، E مدول الاستیسیته بتن (نیوتن بر میلی متر مربع یا پوند بر اینچ مربع)، ν ضریب پواسون بتن (بدون واحد) می­ باشد و M0 طبق رابطه(ه) محاسبه می ­شود. پارامترهای دیگر نیز پیش تر تعریف شده­ اند.

 

رابطه (د)                                  ¼L=((Eh3)/(12(1-v2)K))

 رابطه (ه)             M0=[1+(( RDT,150)/(100))]*fp*(bh2)/(6)

 

عبارت داخل براکت ضریب افزایش در نظر گرفته می­ شود که نشانگر مشارکت الیاف در تامین ظرفیت خمشی پس از ترک خوردگی در دال زمینی هنگامی که از روش خط تسلیم استفاده می ­شود، می­ باشد. برخی از نمونه ­های دال­ های زمینی که با الیاف مسلح شده اند در شکل نشان داده شده است.

hoor concrate slab

شکل(الف) دال بتنی زمینی مسلح شده با 2/5 کیلوگرم بر مترمکعب (4/3 پوند بر یارد مکعب) الیاف ماکروی پلیمری (مرکز پزشکی و همایش کلیولند در اوهایو)

 

reinforced concrate airport field

شکل باند بتنی مسلح شده با 39 تا 50 کیلوگرم بر مترمکعب (66 تا 85 پوند بر یارد مکعب) الیاف فولادی (باند فرودگاه O’Hare، شیکاگو)

 

reinforced concrete channel

شکل کانال بتنی مسلح شده با شبکه ملیگردی پیش جوش (عکس بالا) و 4/5 کیلوگرم بر مترمکعب (7/5 پوند بر یارد مکعب) الیاف ماکرو پلیمری (عکس پایین) (پروژه آبیاری Pima-Maricopa، ساکاتون، آریزونا)

 

در تحقیقات مدلی برای پرداختن به ترک خوردگی ناشی از جمع شدگی و تابیدگی دال­ ها که در اصطکاک سطح زمین قرار دارند به همراه مکانیزم کنترل ترک توسط الیاف­ ها به عنوان دو فاکتور اصلی، پیشنهاد شد. پارامترهای اصلی موثر بر جمع شدگی ناشی از خشک شدن را می ­توان به سه دسته تقسیم کرد:

  • خصوصیات مخلوط بتن مانند تخلخل درونی، میزان رطوبت، پتانسیل کرنش جمع شدگی آزاد و مقاومت ترک خوردگی کششی.
  • مهار ترک خوردگی داخلی به دلیل افزودن الیاف که با یک رابطه تنش-عرض ترک خوردگی مدل می‏ شود.
  • هندسه دال و شرایط محیطی از نظر میزان تبخیر در سطح بتن و درجه گیرداری ناشی از اصطکاک با بستر.

این روش رفتار تشکیل پی در پی ترک­ های متعدد و بازشدگی ترک ‏ها را در اثر کرنش جمع شدگی شبیه سازی می‏ کند. همانطور که در شکل نشان داده شده است، پارامترهای اصلی مدل مبتنی بر علم مکانیک طبق موارد زیر تعریف می ‏شوند:

  • معیار ترک خوردگی مخلوط بتن.
  • نیروی اصطکاک در تکیه ­گاه که با استفاده از المان فنری خطی و به عنوان المان نیرو-لغزش مدل می­ شود.
  • ترکیبی از سختی الیاف و مشخصات مقاومت پیوستگی الیاف با بتن که تحت رابطه تنش-عرض ترک خوردگی تعریف می ­شود.

مطالعات پارامتری بر روی هر دو مدل نشان داد که با افزایش مقدار الیاف، مقاومت پیوستگی و نیروی اصطکاکی تکیه گاه، عرض ترک متوسط کاهش می ‏یابد. نتایج شبیه سازی شده با مقادیر اندازه گیری شده در محل سه دال در حال بهره برداری با اندازه دهانه­ های مختلف به ترتیب 36×36 متر، 40×40 متر و 50×50 متر (118×118 فوت، 131×131 فوت و 164×164 فوت) مقایسه شد. هر دو روش به طور دقیق میزان بازشدگی ترک خوردگی را که نتیجه اندازه ‏گیری در محل می ‏باشد، پیش ­بینی می­ کند .

بتن الیافی در کاربردهای رویه­ های سطحی مانند عرشه­ پل و پارکینگ ­ها استفاده شده است. بطور معمول ضخامت رویه‏ های سطحی کم است بنابراین تامین کاور بتنی لازم برای میلگردهای فولادی ممکن نیست. الیاف­ ها را می­ توان به تنهایی برای مسلح سازی رویه­ های سطحی به عنوان عامل کنترل ترک خوردگی یا در جهت تامین ظرفیت خمشی مورد نیاز پس از ترک خوردگی یا هر دو مورد استفاده کرد. روکش­ های بتن الیافی در رویه‏ های بتنی یا آسفالتی نیز استفاده شده­ اند. طراحی روکش ­های نازک بتن الیافی که به روسازی آسفالتی متصل می­ شوند در تحقیقات مورد بحث قرار گرفته است.

 

مدل پارمتری برای دال های زمینی بتن الیافی

شکل مدل پارمتری برای دال ­های زمینی بتن الیافی ترک خورده (الف) مقاومت مخلوط بتن در معیار ترک خوردگی، (ب) مدل فنری غیرخطی برای شبیه سازی نیروی اصطکاکی، (ج) مدل عرض پیوستگی-لغزش، (د) دال بتنی ترک خورده، (ه) آرایش گره­ ها و فنرها و (و) توزیع لغزش در نمونه­ های ترک خورده  

فاصله درز انبساط

الیاف­ ها در ساخت دال­ های زمینی و رویه ­های بتنی سطحی با تعداد کمتر درزهای کنترل انبساط (استفاده از الیاف باعث افزایش طول دال و در نتیجه کاهش تعداد درزهای انبساطی می ‏شود) در مقایسه با دال­ های بتنی مسلح نشده، به طور موفق استفاده شده اند. افزایش فاصله بین درزهای انبساط در کف­ های بتنی، احتمال ترک خوردگی میانی را در پانل افزایش می­ دهد. هنگامی که الیاف­ به مقدار کافی مورد استفاده قرار گیرند، وجود تعداد بی شمار الیاف در بتن باعث بسته شدن ترک­ ها در هنگام شروع تشکیل آن ‏ها می ­شود و از باز شدن این ترک­ ها جلوگیری می ­کند. علاوه بر این، مقاومت باقی مانده که توسط الیاف­ تامین می­ شود، ظرفیت خمشی پس از ترک خوردگی را با کوچک نگه داشتن عرض ترک­ ها در یک سطح مطلوب تامین می­ کند. در شکل، استفاده درست از الیاف ­های فولادی با نسبت ابعادی (نسبت طول به قطر الیاف) بالا در کف­ های بدون درز گزارش شده است. الیاف­ را همچنین می ­توان در ترکیب با میلگردهای فولادی یا شبکه آماده برای افزایش بیشتر فاصله درزها استفاده کرد. شکل یک کفسازی بتن الیافی بدون درز را در بندر را نشان می‏ دهد که در آن از الیاف­ های فولادی و شبکه فولادی استفاده شده است.

روش دیگر برای افزایش فاصله درزها در کف ­ها، استفاده ترکیبی از الیاف­ ها و مخلوط­ بتن با قابلیت جمع شدگی پایین می ­باشد. از آنجا که جمع شدگی ناشی از خشک شدن یکی از دلایل اصلی ترک خوردگی در کف­ های بتنی است، کاهش مقدار آن باعث افزایش فاصله بین درزهای انبساط می­ شود. در این سیستم مقدار مورد نیاز الیاف و جمع شدگی بتن برای هر پروژه تعیین و مشخص می­ گردد. عوامل موثر بر مقدار الیاف شامل مدول عکس العمل بستر، بارهای پیش بینی شده، ضخامت دال و فاصله درز مورد نظر می­ باشد. طرح مخلوط بتن را می ­توان با کاهش مقدار آب و مواد سیمانی و افزایش مقدار سنگدانه­ های درشت (به منظور کاهش خمیر سیمان مورد نیاز) برای کاهش جمع شدگی بهینه کرد. مواد افزودنی بتن مانند مواد کاهنده انقباض و سیمان­ های بدون انقباض را می ­توان برای رسیدن به مقادیر مشخص جمع شدگی مورد استفاده قرار داد. کف­ های بتنی بدون درز کنترل (معروف به کف­ های بدون درز) با استفاده از مقدار جمع شدگی نزدیک به صفر و الیاف­ های ماکرو (فولادی یا پلیمری) ساخته شده اند. همانطور که در دستورالعمل ACI 360R بیان شده است، در صورت استفاده از بتن بدون انقباض، دال­ ها را می­توان در نواحی به بزرگی 930 مترمربع (10000 فوت مربع) با فاصله درز 30 متر(100 فوت) و با حداقل میزان ترک خوردگی اجرا کرد. برای اطلاع بیشتر در مورد استفاده از بتن بدون انقباض، می ­توان به دستورالعمل ACI223R مراجعه کرد. همچنین لازم است به عواملی مانند مهارت و روش ­های ساخت مانند آماده سازی مناسب بستر روسازی و بتن ریزی صحیح و عمل آوری آن توجه شود. شکل یک انبار با دال بتنی بدون درز را که در آن از الیاف­ های ماکرو و بتن کم انقباض استفاده شده است را نشان می ­دهد.

steel fiber reinforced concrete warehouse

شکل انبار بتن الیافی با الیاف فولادی با نسبت ابعادی بالا و مقدار 30 کیلوگرم بر مترمکعب (51 پوند بر یارد مکعب) با فاصله درزهای گسترده (استایکو، لهستان)

seamless steel fiber floor construction

شکل کف سازی بتن الیافی بدون درز 50000 مترمربع (538000 فوت مربع) با الیاف فولادی با نسبت ابعادی بالا و مقدار 25 کیلوگرم بر مترمکعب (42 پوند بر یارد مکعب) به همراه شبکه میلگردی پیش جوش (بندر بریزبن، استرالیا)

steel fiber reinforced concrete warehouse faratav

شکل انبار بتن الیافی با فاصله مفصلی گسترده و با استفاده از الیاف­ های ماکروی پلیمری به مقدار 4/5 کیلوگرم بر مترمکعب 7/5 پوند بر یارد مکعب) و بتن کم انقباض (Champaign, IL) 

کف های طبقات/ دال های روی شمع

روش ­های طراحی و ساخت دال­ های روی ستون با بتن مسلح به الیاف فولادی بطور کامل در دستورالعمل ACI544.6R بحث شده است. کاربرد دال­ های روی شمع برای مناطقی که اندر کنش خاک و سازه باعث ایجاد نشست غیر یکنواخت، ترک خوردگی یا مشکلات سرویس دهی طولانی مدت می ­شود، نسبتا رایج است. برای شرایطی که دال‏ ها در معرض بارگذاری نسبتا زیاد مانند بارهای متمرکز، بارهای یکنواخت و بارهای دینامیکی از جمله بار جرثقیل قرار گیرند ساخت آن‏ ها بر روی شمع­ های با فاصله نزدیک و نسبت­ طول دهانه به ضخامت دال در محدوده 8 تا 30 ‏می باشد. این موضوع به شدت بار و ظرفیت شمع بستگی دارد مطابق با دستورالعمل ACI 544.6R با توجه به عملکرد الیاف، بارهای وارده و شرایط تکیه‏ گاه، دال­ های روی شمع را می‏ توان با الیاف­ فولادی تنها یا با ترکیبی از الیاف فولادی و میلگرد مسلح کرد. مقادیر زیاد الیاف­ فولادی، به طور معمول بین 50 تا 100 کیلوگرم بر مترمکعب (85 تا 170 پوند بر یارد مکعب)، به عنوان مسلح کننده اصلی برای این دال ­های مرتفع استفاده می­ شود. الیاف­ های فولادی مقاومت و شکل پذیری مورد نیاز در دال‏ های معلق را برای بارهای قائم و جانبی اعمال شده فراهم می­ کند. میلگردهای فولادی در این نوع دال­ ها بین ستون ­ها برای جلوگیری از فروریختگی تحت شرایط خاص مانند زلزله یا انفجار استفاده می­ شوند که به آنها میلگردهای مقاوم در برابر خرابی پیش رونده گفته می­ شود. ساخت دال یا کف در ارتفاع برای ساختمان چند طبقه با استفاده از بتن مسلح به الیاف فولادی در شکل نشان داد شده است که در آن الیاف­ های فولادی به عنوان مسلح کننده اصلی کف ­ها استفاده شده ‏اند.

 

building construction with high altitude

شکل ساخت یک ساختمان چند طبقه با استفاده از دال­ های مرتفع بتن الیافی فولادی، لازم به ذکر است که تنها میلگردهای موجود در دال­ های معلق به عنوان میلگردهای ضد خرابی پیش رونده در بین ستون­ ها می­ باشند و خود دال تنها با الیاف فولادی مسلح شده استACI 544.6R.

سقف کامپوزیت عرشه فولادی

آرماتورهای فولادی که برای کنترل ترک­ های جمع شدگی و حرارتی در قسمت بتنی سقف‏ های کامپوزیت عرشه فولادی استفاده می ­شوند را می ­توان با الیاف­ های ماکرو فولادی یا پلیمری جایگزین کرد. آیین‏ نامه بین المللی ساختمان International Code Council 2015 با ارجاع به ANSI/SDI-C1.0:2014 به این موضوع اشاره دارد که امکان استفاده از بتن الیافی به جای شبکه میلگردی پیش جوش شده برای کنترل ترک خوردگی بتن تحت تنش ­های جمع شدگی و حرارتی وجود دارد. این آیین نامه مقدار حداقل 15 کیلوگرم بر متر مکعب (25 پوند بر یارد مکعب) را برای الیاف فولادی و مقدار حداقل 2/4 کیلوگرم بر متر مکعب (4 پوند بر یارد مکعب) را برای الیاف پلیمری پیشنهاد می­ کند. با این وجود، مقادیر کمتر الیاف فولادی را می ­توان با انجام آزمایش و تایید مهندسی استفاده کرد. عرشه فولادی تنها به عنوان مسلح سازی کششی در لنگرهای مثبت کاربرد دارد و در نواحی لنگر منفی مانند بالای تیرهای اصلی، میلگردهای فولادی ممکن است مورد استفاده قرار گیرد. در صورت استفاده از الیاف­ ها در مقدار مهندسی شده، این مواد قادر به تامین لنگر اضافی مثبت و منفی و همچنین ظرفیت برشی بیشتر در سقف کامپوزیت عرشه فولادی می ­باشند. اگر طراحی دال پیوسته مدنظر باشد، آرماتورهای منفی آن باید با استفاده از معیارهای طراحی بتن مسلح با میلگرد و طبق ضوابط آیین نامه ACI 318 یا سایر آیین ‏نامه ‏های ساختمانی طراحی شود. مقادیر الیاف ذکر شده در دستورالعمل ANSI/SDI-C1.0:2014 را نباید جایگزین گل میخ­ های برشی جوش شده روی عرشه در نظر گرفت. با این حال، آزمایش ­ها در ابعاد واقعی نشان داده است که مقادیر بالای الیاف­ ماکرو فولادی یا پلیمری می ­توانند همان سطح ظرفیت برشی شبکه فولادی جوش نخورده را در سقف کامپوزیت عرشه فولادی تامین کنند. افزایش سطح ایمنی کاری و کاهش خطر سقوط کارگران نیز یک مزیت مهم استفاده از بتن الیافی به جای شبکه میلگرد درعرشه ­های فولادی کامپوزیت می­ باشد. ساخت یک عرشه کامپوزیت معمولی با استفاده از الیاف­ های ماکرو پلیمری در شکل نشان داده شده است.

 

concrete slab on steel deck

شکل دال بتنی بر روی عرشه فولادی و مسلح شده با 2/4 کیلوگرم بر مترمکعب (4 پوند بر یارد مکعب) الیاف ماکرو پلیمری (ساختمان 22 طبقه قاب فولادی، نیوجرسی)

قطعات پیش ساخته

استفاده از الیاف در قطعات پیش ساخته به دلیل مزایای فنی و اقتصادی، انتخابی محبوب توسط بسیاری از تولید کنندگان است. طیف متنوعی از قطعات پیش ساخته را می ­توان با استفاده از بتن الیافی ساخت که برخی از آن ها شامل اعضا و قطعات سازه ­ای (پانل­ های عرشه و سگمنت تونل)، قطعات مدیریت آب و فاضلاب (لوله­ ها، مخزن­ های فاضلاب، مخازن پسماندهای هسته­ ای و سیل ‏بند) و قطعات تزیینی (مبلمان شهری، اثاث خانه، پانل­ های دیوار) می­ شود. در هنگام انتخاب نوع الیاف و سیستم بتن الیافی مناسب؛ پارامترهایی نظیر ظرفیت سازه ‏ای مطلوب، مقاومت در برابر آتش و سایر الزامات عملکردی ویژه باید در نظر گرفته شوند. قطعات پیش ساخته ممکن است دارای مقاطع نسبتا نازک باشند، بنابراین قرار دادن میلگردها یا مش فولادی و متراکم کردن بتن می ­تواند زمان ‏بر و مشکل باشد. همچنین با حذف حداقل پوشش بتنی که برای جلوگیری از خوردگی آرماتورها مورد نیاز است، می ­توان ضخامت مقطع را کاهش داد. الیاف­ فولادی که روی سطح قرار دارند، ممکن است با گذشت زمان دچار خوردگی شوند؛ با این وجود، خوردگی تنها محدود به تعداد کمی از الیاف­ ها می ­شود و اثری بر یکپارچگی سازه ­ای مقطع نخواهد داشت. همچنین الزامات محافظت در برابر آتش سوزی باید در انتخاب ضخامت قطعات پیش ساخته بتن الیافی در نظر گرفته شود.

مسلح سازی با الیاف امکان اتوماسیون بهتر فرایند تولید، افزایش کنترل کیفیت و بهبود ویژگی­ های محصولات نهایی را فراهم می­ کند. در برخی موارد که امکان جایگزینی کامل میلگردهای فولادی نمی ­باشد، ممکن است با استفاده از سیستم ­های ترکیبی (میلگردهای فولادی به همراه الیاف) احتمال کاهش مقدار مصرف میلگرد وجود داشته باشد. انجمن ملی بتن پیش ساخته اجازه استفاده از مسلح سازی با الیاف برای قطعات پیش ساخته فاضلاب با مقدار الیاف فولادی بین 12 تا 36 کیلوگرم بر مترمکعب (20 تا 60 پوند بر یارد مکعب) و مقدار الیاف ماکروی پلیمری بین 1/8 تا 12 کیلوگرم بر مترمکعب (3 تا 20 پوند بر یارد مکعب) را می­ دهد. مقادیر واقعی باید مطابق الزامات طراحی محاسبه شوند تا سطح مطلوب کنترل عرض ترک، ظرفیت خمشی مقطع یا هر دو را تامین کنند. این مورد به طور دقیق در آیین‏ نامه ACI 544.7R مورد بحث قرار گرفته است. کاربردهای رایج بتن الیافی در قطعات بتنی پیش ساخته در شکل ها نشان داده شده است.

همانطور که در آیین‏ نامه ACI544.7R به طور مفصل بحث شده است، با توجه به تحقیقات گسترده و تجارب کاری یکی از کاربردهای بتن الیافی در پوشش تونل به وسیله قطعات پیش ‏ساخته سگمنت می ‏باشد. این قطعات پیش ساخته بتنی به منظور تامین تکیه‏ گاه دستگاه تی بی ام در پشت ماشین حفر تونل در زمین­ه ای نرم و سنگی ضعیف نصب می­ شوند. بتن الیافی را می ­توان برای افزایش تولید و کنترل قطعات بتنی پیش ساخته با به حداقل رساندن خطاهای انسانی در جایگذاری میلگردهای فولادی و افزایش سطح ایمنی کارگران استفاده نمود. بتن الیافی به طور قابل توجهی می ­تواند رفتارهای پس از ترک خوردگی را با ویژگی­ های کنترل بهتر ترک خوردگی نسبت به بتن مسلح شده با میلگرد، بهبود بخشد . میلگردها برای مقاومت در برابر تنش­ های موضعی در مقطع بتنی موثرند؛ با این حال، تنش­ های توزیع شده با استفاده از الیاف­ ها بهتر کنترل می­ شوند. از آنجا که هم تنش­ های موضعی و هم تنش­ های توزیع شده در پوشش­ های تونل موجودند، مسلح سازی ترکیبی می­ تواند یک راه حل بهینه باشد. بزرگترین قطر سگمنت ساخته شده تا به امروز که تنها با الیاف­ فولادی مسلح شده است، 12/4 متر (40/7 فوت) می­ باشد. آیین ‏نامه ACI544.7R یک روش طراحی برای قطعات بتن الیافی تونل پیشنهاد می­ کند که بارهای موقت و دائمی لازم را در طول ساخت قطعه، حمل، نصب و شرایط بهره­ برداری ناشی از فشار زمین، آب­ های زیرزمینی و بارهای اضافی؛ اعمال می­ کند. آزمایش­ هایی در مقیاس واقعی شامل آزمایش­ های خمش شکل و آزمایش ­های بار نقطه ­ای به منظور تایید طراحی و عملکرد قطعات برای بارهای حاکم انجام شده است.

 

steel fibers used in precast tunnel segments

شکل الیاف­ های فولادی استفاده شده در قطعات سگمنت تونل

 

pi precast segments

شکل مقطع پیش ساخته Pi ساخته شده از بتن الیافی فولادی با کارایی بسیار بالا (پل پارک Jackway، آیوا)

 

macro polymer fibers in coastal barriers

شکل الیاف ­های ماکروی پلیمری استفاده شده در موج شکن­ ها و مخازن فاصلاب پیش ساخته

 

flexural test in reinforceel segments

شکل آزمایش خمشی قطعات سگمنت مسلح شده با الیاف فولادی (موسیچینو و همکاران 2006)

 

بتن پاششی

حفاری­ های خاک و سنگ با استفاده از بتن پاششی الیافی به طور موثر تثبیت می­ شوند. بتن پاششی الیافی همچنین برای تکیه‏ گاه زمینی در تونل سازی و حفر معدن، به دلیل کاربرد آسان آن ایده آل و مناسب است. بتن پاششی در ترکیب با سایر المان­ های تکیه ‏گاهی می ­تواند پس از انفجار یا حفاری، با ایجاد زودهنگام مقاومت و سختی فشاری و خمشی، شرایط تحکیم اولیه و موثر فراهم آورد. این موضوع می ­تواند قابلیت انعطاف پذیری را به منظور تثبیت زمین و امکان تطابق با فرم نامنظم طبیعی زمین بدون قالب بندی، فراهم کند. مزایای استفاده از بتن پاششی الیافی به جای بتن پاششی مسلح با شبکه میلگردی پیش جوش یا میلگرد شامل صرفه جویی در نیروی کار و زمان، کاهش مصالح برگشتی و ایمنی بهتر می­ باشد. الیاف­ های ماکرو فولادی و پلیمری در بتن پاشی زیرزمینی و با هدف اصلی تامین مقاومت پس از ترک خوردگی و کاهش تعداد و عرض ترک­ های انقباضی که منجر به نشت آب در تونل­ ها می­ شوند، مورد استفاده قرار می‏ گیرند آیین نامه ACI506.1R. همچنین از بتن پاششی الیافی می­ توان به عنوان پوشش نهایی و دائمی در سازه­ های زیرزمینی استفاده کرد. استفاده از بتن پاششی الیافی در استخرها کاربرد دیگری از این تکنولوژی است. این تکنولوژی به دلیل پاشیده شدن روی گودبرداری­ ها و حذف هزینه­ های شکل دهی و نصب میلگرد، مناسب برای استخرها و زمین­ های اسکیت با انحنای زیاد می­ باشد. انعطاف پذیری محل بتن پاششی، به کارفرمای آن اجازه داشتن استخری با اشکال منحصر بفرد را می­ دهد. بتن الیافی همچنین در بسیاری از کاربردهای معماری و محوطه سازی مورد استفاده قرار گرفته است. فرایند بتن پاششی الیافی از بتن ریزی با میلگرد یا شبکه میلگردی پیش جوش سریع‏تر و اقتصادی تر است، زیرا زمان مربوط به نصب، بازرسی و ساخت شکل و قالب بندی فولادی، کاهش می ­یابد.

بتن پاششی الیافی تکنیکی ایده­ ل در هنگام تعمیر و ترمیم سازه، به ویژه در شرایط با دسترسی مشکل، می ­باشد. از کانال­ ها و استخرها گرفته تا دیوارهای حائل و سازه ­های هیدرولیکی، استفاده­ های بیشماری از این نوع بتن می ­شود. هنگامی که الیاف در بتن پاششی برای تعمیر استفاده می ­شود، احتیاجی به برش و جایگذاری میلگرد در نواحی مورد تعمیر نمی­ باشد. بنابراین کار سریع‏ تر و ارزان ‏تر تمام می ­شود. دستورالعمل ACI506.1R توصیه‏ های مفصلی در مورد بتن پاششی الیافی دارد. این آیین­ نامه استفاده از استاندارد ASTM C1609/C1609M تیرهای بتن الیافی یا استاندارد ASTM-C1550 برای پانل­ های گرد بتن الیافی را جهت تعیین عملکرد بتن پاششی الیافی در اهداف طراحی و ویژگی­ های لازم پیشنهاد می­ کند. با استفاده از روش بلوک تنش برای لنگر خمشی معادل می ­توان میزان الیاف مورد نیاز برای بارها و لنگرهای اعمالی را تعیین کرد.

در کاربردهای معدن کاری و تونل سازی، طاقت خمشی (جذب انرژی) بتن پاششی الیافی به یک عامل تعیین کننده در طراحی تبدیل می­ شود. در این حالت، اغلب از استاندارد ASTM-C1550 برای ساخت و آزمایش پانل­ های گرد استفاده می ‏شود. مقادیر طاقت خمشی (جذب انرژی) مورد نیاز برای کاربردهای خاص یا شرایط معین ممکن است متفاوت باشد. برای مثال، اداره ایمنی و سلامت معادن استرالیا برای شرایط تکیه‏ گاهی زمینی با سطح کم، متوسط و بالا، به ترتیب به 280، 360 و 450 ژول جذب انرژی را مورد نیاز می‏ داند (AuSS 2010). مقدار واقعی مورد نیاز طاقت خمشی برای یک پروژه خاص بر اساس سطوح بار تکیه گاه زمینی تعیین می­ گردد. یک روش دیگر که برای آزمایش بتن پاششی الیافی کاربرد دارد، استفاده از پانل‏ های مربعی مطابق استاندارد BS EN 14488:2006 می ­باشد. نمونه هایی از کاربردهای بتن پاششی الیافی در شکل ها نشان داده شده است.

channel repair using shptcrete

شکل تعمیر کانال با استفاده از بتن پاششی الیافی ماکرو پلیمری در فونیکس، آریزونا 

stone stabihiting using shotcrete

شکل تثبیت سنگ با استفاده از بتن پاششی با الیاف فولادی

کنترل ترک خوردگی و دوام

در بسیاری از مناطق، دوام بتن را می ­توان با استفاده از الیاف به طور قابل توجهی بهبود بخشید آیین نامه ACI544.5R. بسیاری از  این موارد شامل ترک خوردگی انقباضی پلاستیک و مهارشده هستند که باعث مشکلات عمده در سازه­ های بتنی با مساحت نسبتا زیاد مانند دیوارها، عرشه پل­ ها، دال ­ها و روکش ­ها می ‏شوند. این نوع از کاربری ها مستعد تغییرات سریع دما و رطوبت هستند که موجب تبخیر زیاد آب و احتمال بالای ترک خوردگی انقباضی می شوند. همچنین اثبات شده است که مسلح سازی الیافی، مقاومت بتن در برابر چرخه ذوب و انجماد را بهبود می ­بخشد. استفاده از الیاف­ ماکرو در بتن باعث اصلاح عرض و فاصله ترک­ ها می­ گردد که می­ تواند بر دوام دراز مدت تاثیر مثبت داشته باشد.

روکش­ های نازک عرشه پل­ ها، سازه­ های دریایی و محیطی و پوشش تونل ­ها برخی کاربردهایی هستند که در آنها مسلح سازی الیافی باعث بهبود کنترل ترک خوردگی و افزایش دوام شده است. ترک‏ های موجود در بتن الیافی دقیق طراحی شده، معمولا بسیار باریک ‏تر از ترک­ های بتن مسلح شده با میلگرد می ­باشد. بنابراین سرعت نفوذ آب و مواد شیمیایی در بتن بسیار کمتر است که همین امر موجب طول عمر بیشتر بتن می­ گردد. علاوه بر این، بسیاری از تحقیقات و تجربیات کاهش عرض ترک در سازه­ های محیطی را در ازای استفاده از مسلح سازی ترکیبی نشان داده ­اند. برای سازه­ های بتنی نگهدارنده آب یا در معرض نفوذ آب خارجی، به علت خوردگی میلگردها، ترک خوردگی دلیل اصلی کاهش سرویس دهی می ‏باشد. در محیطی با چرخه­ های مکرر ذوب و انجماد، ترک خوردگی به طور ویژه تاثیر قابل توجهی بر دوام بتن دارد. به منظور اطمینان از سرویس دهی مناسب، ترک خوردگی باید مورد بررسی قرار گیرد تا عرض ترک خمشی بزرگتر از مقدار مجاز نباشد. آیین ‏نامه ACI 224R مقدار مجاز عرض ترک برای سازه­ های بتنی در معرض خاک را به 0/3 میلی متر (0.012 اینچ) محدود می­ کند. این مقدار برای کاربردهای مختلف در محیط­ های متفاوت ممکن است تغییر کند. حالت حدی بهره برداری برای پوشش تونل و با استفاده از ترکیب الیاف و میلگرد، به طور مفصل توسط بخشی و نصری (2015) مورد بحث قرار گرفته است. دستورالعمل fib 2013، CNR-DT 204/2006 شورای تحقیقات ملی 2007،RILEM TC 162-TDF 2003  و DAfStb 2012 از جمله منابع در دسترس برای محاسبه عرض ترک در مقاطع بتنی مسلح شده با الیاف و بدون میلگرد می­ باشند.

هر گونه باز نشر اطلاعات تحت اختیار این مرکز تنها با ایجاد پیوند به تارگاه فراتاو و ذکر منبع مجاز است. استفاده از لوگو و نام شرکت به هر صورت و شکلی، بدون اخذ مجوز کتبی از "فراتاو" پیگرد قانونی دارد.
© کلیه حقوق این سایت متعلق به شرکت فراتاو می باشد .