طراحی فیسینگ دیواره زیر گذر از جنس بتن الیافی سبک پر مقاومت

مقدمه

امروزه جهت اجرای سازه های بتنی از جمله دیوار حائل زیرگذرهای شهری عموماٌ از روش سنتی قالب بندی و بتن ریزی درجا و یا اجرای شمعهای بتنی در جا ریز با پوششی از بتن پیش ساخته معمولی استفاده می گردد. به دنبال پیشرفت تکنولوژی و علم مهندسی امروزه میتوان از مصالح نوین بارکارایی بیشتر، اجرای آسانتر و ارزانتر استفاده نمود. در این گزارش به معرفی روش طراحی و ارائه نوعی قالب ماندگار جهت فیسینگ و پوشش دیواره زیرگذر از جنس بتن الیافی سبک پر مقاومت می پردازیم. ابتدا معرفی و تاریخچه بتن الیافی،استانداردهای مربوطه،  مزایا و معایب آن و مشخصات مکانیکی مورد بررسی قرار گرفته و در ادامه با ارائه محاسبات فنی و ارائه مقایسه اقتصادی استفاده از بتن سبک پر مقاومت به عنوان جایگزینی مناسب برای بتن معمولی مورد ارزیابی قرار میگیرد.

 

فصل اول:   معرفی محصول پایه

 

1-1-معرفی

بتن اليافي در حقيقت نوعي كامپوزيت است كه با به كارگيري الياف تقويت­ كننده داخل مخلوط بتن، مقاومت كششي، برشی، سایشی و فشاري آن افزايش مي­يابد. اين تركيب كامپوزيتي، يكپارچگي و پيوستگي مناسبي داشته و امكان استفاده از بتن به عنوان يك ماده شكل­ پذير جهت توليد سطوح مقاوم پرانحنا را فراهم مي­آورد. بتن اليافي از قابليت جذب انرژي بالايي نيز برخوردار است و تحت اثر بارهاي ضربه­ اي به راحتي از هم پاشيده نمي­شود. شاهد تاريخي اين فناوري، كاربرد كاهگل در بناي ساختمان است. در واقع بتن اليافي نوع پيشرفته اين تكنولوژي مي‌باشد كه الياف طبيعي و مصنوعي جديد، جانشين كاه و سيمان جانشين گل به كار رفته در تركيب كاهگل شده‌اند. 

امروزه از انواع الياف شيشه، پلي‌پروپيلن، فولاد و بعضاً كربن، برای تولید بتن های کامپوزیت در کشورهای مختلف جهان استفاده می­گردد.

بتن اليافي خواص مناسبي همچون شكل‌پذيري بالا، مقاومت فوق‌العاده، قابليت جذب انرژي و پايداري در برابر ترک خوردن را دارا مي­باشد كه متناسب با آنها مي­توان موارد كاربرد فراوانی براي آن يافت. به طور مثال در ساخت كف سالن‌های صنعتی، مي­توان از اين نوع بتن به جای بتن مسلح متداول سود جست اين نوع بتن از بهترين مصالح مورد استفاده در ساخت بناهاي مقاوم‌ به‌ ضربه، همچون سازه پناهگاه­ها و انبارهاي نگهداري مواد منفجره به شمار مي­رود و بناي شكل گرفته از بتن، قابليت فوق­ العاده ­ای در جذب انرژی ضربه دارد. همچنين در ساخت باند فرودگاه­ ها به خوبي مي­توان از اين نوع بتن كمك گرفت. موارد ديگري از به كارگيري اين بتن، ساخت قطعات پيش ساخته ساختماني همچون پانل های سايبان و يا پاشش بتن روي سطوح انحنا‌دار همچون تونل­ها مي­باشد. به‌كارگيري اين بتن در بنای يك سازه علاوه بر موارد ياد شده از مزايايي همچون عايق بودن سازه در برابر صدا و سرعت بالاي اجرا نيز برخوردار است. 

اما از آنجا كه نحوه قرار گرفتن الياف داخل بتن كاملاً تصادفي مي­باشد، از اين بتن معمولاً نمي­توان به نحو مطلوبي در ساخت تيرها و ستون‌ها بهره گرفت و در اين نوع سازه­ ها استفاده از روش سنتي و شبكه­ بندي فولادي به‌صرفه­ تر و مناسب­ تر مي­باشد. لازم است به اين نكته توجه شود كه ناكارآمدی يك تكنولوژي جديد در نقاط ضعف خود نبايد مانع ناديده گرفتن كاربردهاي مناسب آن در نقاط قوت آن و عدم توجه به آن گردد.

1-2- تاریخچه

مصری­ها از کاه برای مسلح کردن آجرهای گلی استفاده می­کرده­اند شواهدی هست که در حدود 5000 سال قبل، از الیاف آزبست در ساخت ظروف گلی استفاده شده است . در دهه ۱۹۵۰برای اولین بار در کشور شوروی و بعد درکشور امریکا در سال۱۹۶۰ تحقیقاتی انجام شده که در صورت استفاده از الیاف فولادی در ماتریس شکننده ، تمرکز تنش در محل ترکهای بوجود آمده کاهش می یابد.

بتن الیافی که به نام های زیر در جهان موجود است آرماتورها که معروف به آرماتورهای با الیاف پلاستیکی(FRP) هستند از الیاف مختلفی چون الیاف شیشه ای (GFRP) الیاف آرامیدی (Afrp) والیاف کربنی (CFRP) در یک رزین چسباننده تشکیل شده اند در دنیا معروف است.

این مواد یکی از پر مصرف ترین مواد در مناطق سرد نظیر شمال آمریکا و کانادا و بعضی کشورهای اروپایی است که همراه با آن از سنگدانه های هوا ساز نیز استفاده می شودکاربرد صفحات با الیاف کربنی برای این تقویت بیشتر رایج گشته و در چندین پل در ژاپن و در بعضی کشورهای اروپایی از آن استفاده شده است.

به خصوص در ژاپن که به علت مقاومت در بتن الیافی در برابر خوردگی در پل و دیوار های نما از این بتن الیافی خیلی استفاده می کنند. همچنین امروزه علم نانو نیز به کمک بتن الیافی و صنعت ساختمان آمده وامروزه استفاده از انواع پلیمر والیاف در بتن به وسیله علم نانو رونق گرفته است که تاریخ این علم بر میگردد به دهه 70 میلادی .یکی از شرکت های که در این علم پیشتاز است شرکت تویوتا ژاپن می باشد تکنولوژی نانو فلز آرتوناید که اخیرا الیاف تجاری نانو آلومینا را تولید کرده است یکی دیگر از موفقیت کشور های پیشرفته می باشد که امروزه در این علم به دست آمده امروزه بسیاری از دانشگاه دنیا سعی در استفاده از این دانش درصنعت ساختمان می باشدیکی دیگر از اختراعات در ژاپن جلوگیری از یخ زدگی بتن الیافی به وسیله علم نانو می باشد.

 

1-3-مزایای بتن الیافی سبک پرمقاومت

از مزایای بتنهای کامپوزیت سبک میتوان به موارد زیر اشاره نمود.

1-مقاومت بسیار بالا

2-سبک بودن

3-پایداری در برابر ترک خوردگی

4-صرفه اقتصادی

5-قابلیت جذب انرژی بالا

6- مقاومت در برابر تورق و سایش

7-مقاومت بسیار بالا در برابر ضربه

8- مقاومت در برابر تنشهای خستگی

9-قابلیت باربری بعد از ترک خوردگی

10- شکل پذیری مناسب

1-4-معایب بتن الیافی سبک پر مقاومت

 از آنجا که نحوه قرار گرفتن الیاف داخل بتن کاملاً تصادفی می باشد ، ازاین بتن معمولاً نمی توان در اجزای باربر سازه ای مثل تیرها و ستونها بهره گرفت و استفاده از سیستم قدیمی بتن معمولی مسلح با آرماتور برای اجزای سازه ای باربر مطمئن تر می باشد.

 

5-1-اهمیت ویژگی سبک بودن

در یک تقسیم بندی کلی می توان انواع بتن سبک را به دو گروه متکی بر سبکدانه بجای سنگدانه و متخلخل یا سلولی تقسیم بندی نمود. در گروه اول انواع گوناگون سبکدانه های طبیعی و یا صنعتی بجای سنگدانه مورد استفاده قرار می گیرد که از انواع آن میتوان به بتن ترکیبی ماسه و گرانول، بتن سبک لیکا، بتن سبک پرلیتی، بتن سبک پلی استیرن و بتن سبک پوکه ای اشاره کرد. در گروه دوم ایجاد چگالی پائین در بتن بر مبنای ایجاد تخلخل در خمیر سیمان صورت می گیرد. برای این منظور از دو روش عمده استفاده می شود. در یک روش از عوامل حباب ساز در مخلوط طرح اختلاط بتن استفاده شده و محصول را بتن گازی گویند و در روش دوم تخلخل با استفاده از حباب های خارجی (کف) که توسط ماشین کف ساز یا فوم ژنراتور تهیه شده است ایجاد می شود که با عنوان بتن کفی یا فومی یا هوادار شناخته می شود.

از مزایای بتن سبک در مقایسه با بتن معمولی می توان به موارد زیر اشاره نمود.

·       سبکتر کردن سازه در واقع به معنای کاهش بار مرده ساختمان می باشد که در نهایت منجر به کاهش وزن بخشهای مختلف سازه و صرفه جویی در هزینه های ساخت می گردد.

·       از آنجایی که خسارات ناشی از نیروی زلزله ارتباط مستقیم با جرم سازه دارد، سبک تر کردن آن می­تواند در کاهش خسارات وارده در زمان وقوع زلزله تاثیر بسزایی داشته باشد.

·       سبک بودن اجزای بتنی سبب سهولت حمل و نقل و نصب قطعات می گردد.

·       بتن های سبک عایق مناسی در برابر حرارت و صوت می باشند.

 

6-1-انواع الیاف بتن

·       الیاف فولادی با مقاومت كششی بسیار بالا به قطر 1 میلی متر و طول 5 سانتی متر ، قطر8/0 و 6 سانتی متر.

·       الیاف مصنوعی كه برای ارتقا و پایداری وعملكرد مكانیكی بتن ، بخصوص شاتكریت استفاده می شود.

·       الیاف شیشه ای كه جهت مسلح كردن بتن و افزایش مقاومت شیمیایی استفاده می شود .

·       الیاف پلی پروپیلن كه به قصد كنترل تركهای مویی ، تقویت عملکرد پلاستیكی بتن در دراز مدت (پدیده خزش در بتن ) استفاده می شود.

1-7-استفاده از بتن الیافی در ایران

در ویراش جدید مبحث نهم مقررات ملی ساختمان در قسمت بتن های ویژه به معرفی بتن با مقاومت بالا، بتن الیافی، بتن سبک و غیره پرداخته شده است و در خصوص مصالح، طرح اختلاط و روش اجرا مطالبی ارائه گردیده است. اما حقيقت آن است كه گسترش اين فناوري بيش از همه وابسته به اعلام نياز از سوي صنعت و مقرون به‌صرفه‌ نمودن كاربري آن از سوي محققان كشور مي باشد. چند سال پيش كنفرانسي در زمينه تكنولوژي بتن اليافي با هدف شناساندن فناوري مذكور، در دانشگاه صنعتي شريف برگزار گرديد. در اين كنفرانس، محققان و سخنرانان از مراكز مختلفي به ايراد سخنراني و ارائه مقاله پرداختند. به طور مثال در يك نمونه از كارهاي ارائه شده، مسئله به‌صرفه‌بودن استفاده از اين نوع بتن مورد بررسي و مطالعه كارشناسي قرار گرفته بود. حاصل اين بررسي مؤيد آن بود كه در بعضي پروژه هاي صنعتي، به‌كارگيري بتن اليافي نسبت به روش‌هاي متداول استفاده از شبكه بندي فولادي، بسيار اقتصادي تر، سريعتر و آسان تر مي باشد. فصل چهارم این گزارش نیز به بررسی مطالعه اقتصادی بتن های سبک پر مقاومت اختصاص دارد که نتایج آن تائیدی بر مطلب فوق می باشد.

برگزاري اين كنفرانس دانشگاه شریف اثرات مثبت زيادي در شناسايي و توسعة اين فناوري داشت. پس از آن، بخش هايي از صنعت و دانشگاه به بررسي امكان توليد الياف گوناگون بالاخص الياف شيشه و فولاد پرداختند. همچنين به تدريج بتن اليافي با الياف تقويت‌كنندة پلي پروپيلن به بازار مصرف راه يافت و در انجام پروژه هايي به كار گرفته شد. در مجموع قدم هاي مثبتي در اين جهت برداشته شده است اما سرعت اين حركت نسبتاً كند بوده است.

1-8-استانداردهای بین المللی

در آیین نامه های ACI و استاندارد ASTM   مطالبی در خصوص بتن های الیافی (FRC) ارائه شده است. همچنین در راهنمای مربوط به مقاطع پیش ساخته PRC  و مقالات و راهنماهای موجود در خصوص انواع مختلف بتن های الیافی مثل GFRC  و ... مطالب مفیدی قابل دسترس می باشد.

از جمله آیتمهای ASTM مرتبط با بتن های الیافی می توان به موارد زیر اشاره نمود:

A820/A820M Specification for Steel Fibers for Fiber- Reinforced Concrete

C31/C31M Practice for Making and Curing Concrete Test Specimens in the Field

C39/C39M Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens

C42/C42M Test Method for Obtaining and Testing Drilled Cores and Sawed Beams of Concrete

C94/C94M Specification for Ready-Mixed Concrete

C125 Terminology Relating to Concrete and Concrete Aggregates

C138/C138M Test Method for Density (Unit Weight), Yield, and Air Content (Gravimetric) of Concrete

C143/C143M Test Method for Slump of Hydraulic-Cement Concrete

C150 Specification for Portland Cement

C172 Practice for Sampling Freshly Mixed Concrete

C173/C173M Test Method for Air Content of Freshly Mixed Concrete by the Volumetric Method

C192/C192M Practice for Making and Curing Concrete Test Specimens in the Laboratory

C231 Test Method for Air Content of  Freshly Mixed Concrete by the Pressure  Method

C387 Specification for Packaged, Dry, Combined Materials for Mortar and Concrete

C567 Test Method for Determining Density of Structural Lightweight Concrete

C666/C666M Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing

C684 Test Method for Making, Accelerated Curing, and Testing Concrete Compression Test Specimens

C685/C685M Specification for Concrete Made by Volumetric Batching and Continuous Mixing

C1077 Practice for Agencies Testing Concrete and Concrete Aggregates for Use in Construction and Criteria for Testing Agency Evaluation

C1140 Practice for Preparing and Testing Specimens from Shotcrete Test Panels

C1385/C1385M Practice for Sampling Materials for Shotcrete

C1399 Test Method for Obtaining Average Residual- Strength of Fiber-Reinforced Concrete

C1436 Specification for Materials for Shotcrete

C1480 Specification for Packaged, Pre-Blended, Dry, Combined Materials for Use in Wet or Dry Shotcrete Applic

C1550 Test Method for Flexural Toughness of Fiber Rein- forced Concrete (Using Centrally Loaded Round Panel)

C1602/C1602M Specification for Mixing Water Used in the

Production of Hydraulic Cement Concrete

C1604/C1604M Test   Method for Obtaining and Testing Drilled Cores of Shotcrete

C1609/C1609M Test Method for Flexural Performance of Fiber-Reinforced Concrete (Using Beam With Third-Point Loading)

C1666/C1666M Specification for Alkali Resistant (AR) Glass Fiber for GFRC and Fiber-Reinforced Concrete and Cement

D6942 Test Method for Stability of Cellulose Fibers in Alkaline Environments

D7357 Specification for Cellulose Fibers for Fiber- Reinforced Concrete

D7508/D7508M Specification for Polyolefin Chopped Strands for Use in Concrete

 

و از جمله آیتمهای مرتبط در آئین نامه ACI  میتوان به موارد زیر اشاره نمود:

211.1        Standard Practice for Selecting Proportions for Normal, Heavyweight, and Mass Concrete4

211.2        Standard Practice for Selecting Proportions for Structural Lightweight Concrete4

506.2    Specification for Materials, Proportioning and Apply- cation of Shotcrete4

 

 

فصل دوم: توجیه طرح

همانطور که پیشتر نیز اشاره گردید امروزه برای اکثر پروژه های شهری از بتن معمولی استفاده می گردد. اما می­توان با تقویت رویکرد به استفاده از مصالح نوینی مانند بتن الیافی سبک پر مقاومت رفته رفته این مصالح را با مصالح سنتی جایگزین نموده و از مزایای آن بهره برد.

قالب بندی و بتن ریزی برای اجرای فیسینگ دیوار حائل زیرگذرها تا امروز به شکل ستنی صورت می گرفته است. از نمونه های آن می توان به زیر گذر تقاطع دو بزرگراه کردستان و جلال آل احمد اشاره نمود. در این پروژه همانطور که در تصاویر مشاهده می گردد از بتن معمولی مسلح شده با آرماتور و با ضخامت حدود 20 سانتیمتر استفاده گردیده است.

 

استفاده از بتن معمولی سبب سنگین شدن پانلها گردیده که این مسئله علاوه بر افزایش هزینه ساخت، اجرای آن را نیز با دشواری همراه می سازد.

در این پژوهش قصد داریم طرحی از فیسینگ دیوار حائل برای پروژه های مشابه ارائه دهیم که با استفاده از بتن الیافی سبک پر مقاومت به جای بتن معمولی علاوه بر افزایش چشمگیر مقاومت بتن سبب کاهش ضخامت پانل تا 1 سانتیمتر، سبکتر شدن پانل و امکان حمل و نقل و نصب آسان می گردد.

همچنین در این طرح به دلیل افزایش مقاومت کششی بتن به طور قابل ملاحظه، نیازی به استفاده از شبکه آرماتور نبوده که این موضوع خود در سبک سازی و کاهش هزینه ها و تخریب ناشی از خوردگی فولاد در حمله مواد خورنده به بتن نقش بسزایی خواهد داشت.

 

 

 

 

فصل سوم: محاسبات فنی

3-1-مشخصات مدل

در این پژوهش به منظور دستیابی به طرحی با مقاومت بالاتر ، ضخامت کمتر و با سهولت اجرای بیشتر، استفاده از بتن الیافی پر مقاومت به عنوان قالب ماندگار در اجرای فیسینگ دیوار های حائل زیرگذرها مورد بررسی قرار گرفته است.

به این منظور پانلی با ابعاد 1 متر در 3 متر با ضخامت 1 سانتیمتر مطابق شکل(1) زیر مدلسازی و تحلیل گردیده است.

 

 

شکل (1)-مدل پانل فیسینگ در نرم افزار ANSYS

 

جهت تامین طول گیرداری برای سنجاقکهایی که نقش اتصال پانل با شبکه آرماتور دیوار را بر عهده دارند در 12 نقطه پد های بتنی با ضخامت 5 سانتیمتر تعبیه گردیده است.

همچنین به منظور اتصال مناسب پانلها به یکدیگر در بالا و پایین و نیز در طرفین پانل اجزایی به صورت نری و مادگی در زمان قالببندی تعبیه می گردد.

3-2-طراحی سنجاقکها

طراحی سنجاقکها در حالت پانل ایستاده: بیشترین فشار بتن ریزی:  q=kyH=0.9*2.4*0.001*300=0.64 kg/cm2 نیروی وارد بر کل پانل با فرض فشار حداکثر: F=q*A=0.64*100*300=19200 kg             نیروی وارد بر هر سنجاقی: F/n= 19200/12=1600 kg                           بدست آوردن ابعاد سنجاقی ها: Ft= 0.6 Fy= 1440                                        A=1600/1440=1.11 cm2

طراحی سنجاقکها در حالت پانل افقی: بیشترین فشار بتن ریزی:                                                          q=kyH=0.9*2.4*0.001*100=0.216 kg/cm2 نیروی وارد بر کل پانل با فرض فشار حداکثر:F=q*A=0.216*100*300=6480 kg                                                نیروی وارد بر هر سنجاقی:F/n=6480/12=450 kg                                                                           بدست آوردن ابعاد سنجاقی ها:Ft= 0.6 Fy= 1440  kg/cm2                                                         A=450/1440=0.31 cm2                                                                                                                                                                       بنابراین میلگرد 12 مناسب می باشد.

 

 

 

 

 

 

 

3-3-کنترل برش پانچ

محاسبه مقاومت بتن:                                                                                                            Vc=0.4*0.6*(fc)^0.5*b*d=63.49 kg

                                                                                                                                      

نیروی وارده: F=0.64*5*5=16<63.49                                                                                                                                                                                                                                                   

3-4-نتایج آنالیز غیر خطی مدل در نرم افزار ANSYS

آنالیز غیر خطی مدل پانل ساخته شده از بتن الیافی با مشخصات جدول (1) نشان داد که تحت فشار ناشی از بتن ریزی این پانلها در محل، تغییر مکانها بسیار کم و در حد صدم میلیمتر می باشد و در نتیجه این مدل با توجه به ضخامت کم و مقاومت بسیار بالا از عملکرد بسیار خوبی برخوردار می باشد.

 

جدول(1)- مشخصات مکانیکی بتن الیافی مورد استفاده

 

 

 

همچنین بررسی آنالیز دو قطعه پانل متصل به هم نیز نشان می دهد که مدل در محل اتصال نیز از مقاومت کافی برخوردار می باشد.

محل اتصال دو قطعه