بررسی رفتار خمشی عرشه ها و تیرهای پل های بتنی مسلح شده با میلگردهای طولی غیرفولادی الیافی پلیمری FRP

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان

2 کارشناس ارشد سازه و دانش‌آموخته دانشگاه سمنان

چکیده

سال­هاست که از میلگردهای فولادی برای تسلیح اعضای سازه‏های بتنی استفاده می‏شود. اگرچه فولاد، کاربری مناسبی از خود نشان داده، اما در شرایط محیطی مهاجم، زوال سازه‏هایی مانند پایه­ها یا عرشه‏های پل‏های بتن مسلح، به‏دلیل خوردگی فولاد، اتفاق می­افتد. لذا، بهره­گیری از آرماتورهای FRP راه مناسبی در حل این معضل شناخته شده زیرا این مصالح در محیط­های اسیدی، پایایی و دوام خوبی از خود نشان می­دهند. تأثیر پارامترهای مختلف، از جمله مدول الاستیسیته، مقطع و درصد آرماتورهای کششی FRP بر ظرفیت، جابه­جایی و لنگر نهایی و  رفتار خمشی عرشه‏ها و تیرهای پل‏های مسلح به‏صورت عددی در این مقاله بررسی شده است. به این منظور، رفتار 18 تیر با میلگردهای FRP  به روش المان محدود شبیه­سازی و تحلیل شده و تأثیر عوامل ذکر شده بر میلگردهای FRP بررسی گشته­ است. نتایج نشان داد که به طور میانگین، در تیرهای مسلح به میلگردهای FRP، با افزایش 62/73 درصدی میزان آرماتور کششی مقطع، بار نهایی نیز افزایش 45/16 درصدی و با افزایش 3/35 درصدی مدول الاستیسیته آرماتور کششی مقطع، بار نهایی افزایش 75/9 درصدی اتفاق می­افتد. بنابراین، با کاربرد میله‏های FRP بجای میلگرد متداول فلزی در اعضای بتنی پل‏ها، علاوه بر محافظت در مقابل زوال احتمالی، باعث افزایش ظرفیت تیرهای بتنی می‏شود. 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of Flexural Behavior of Concrete Bridge Decks and Beams Reinforced with Non-metallic Fiber Polymer FRP Bars

نویسندگان [English]

  • M. Kazem Sharbatdar 1
  • Mohsen Barooh 2
1 Associate Professor, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, I. R. Iran.
2 MSc. of Structure, Faculty of Civil Engineering, Semnan University, Semnan, I. R. Iran.
چکیده [English]

Steel bars are widely used for reinforcing of structural concrete members. Although the steel bars have suitable application, but its deterioration and corrosion in aggressive environmental conditions such as reinforced decks or beams in bridges was displayed as a disaster. Replacing steel bars with Fiber Reinforced Polymer (FRP) bars is a good way to solve this problem, because FRP materials have high durability in acidic and aggressive environments. The influence of different parameters such as modulus of elasticity, section, and percentage of FRP tensile reinforcement on capacity, displacement and ultimate moment and the overall flexural behavior of RC decks and beams of bridges were numerically investigated in this paper.In order to evaluate the effectiveness of considered parameters with FRP, the behavior of 18 beams, reinforced with FRP bars, was simulated via finite element method. Results indicated that the ultimate capacity of beams reinforced with FRP bars was increased up to 16.45% due to increasing amount of longitudinal tensile bar percentage up to 73.62%. Also, after increasing the modulus of elasticity of FRP bars up to 35.3%, the ultimate capacity of beams was increased up to 9.75%. Therefore, application of FRP bars in bridges members can prevent probable deterioration and also increase load capacity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bridge reinforced concrete beam
  • Durability
  • Numerical modeling
  • FRP Bars
  • Flexural strength

حاجی هاشمی، ع.، مستوفی نژاد، د. و ازهری، م. 1385. "مقاوم سازی سازه‎های بتن آرمه با استفاده از مصالح پیش‎تنیده  FRP به روش نصب در نزدیک سطح (NSM)". همایش تکنولوژی‎های نوین بهسازی لرزه‎ای.

صدر ممتازی، ع. 1382. "خصوصیات و ضوابط طرح و تقویت سازه‏های بتنی با مصالح کامپوزیتی  FRP". دهمین کنفرانس دانشجویی مهندسی عمران، دانشگاه امیرکبیر، تهران.

مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران. 1383. "معاونت امور فنی، دفتر تدوین ضوابط و معیارهای فنی". سازمان مدیریت و برنامه­ریزی کشور، تهران.   

مستوفی نژاد، د. 1386. "کاربرد کامپوزیت­های FRP در سازه‏های بتن آرمه و بررسی دوام آن­ها". فصل­نامه انجمن بتن ایران.

موسوی، ر. 1390. "بررسی سختی و خیز تیرهای مسلح شده با میلگرد FRP به کمک آزمایش مودال و الگوریتم ژنتیک". رساله دکتری، دانشگاه فردوسی مشهد.

Ali, M. G., Dannish, S. A. and Al-Hussaini, A. 1996. “Strength and durability of concrete structures in Bahrain”. Concrete Int., 18(7): 39-45.

Alsayed, S. H. 1998. “Flexural behavior of concrete beams reinforced with GFRP bars”. Cement Concrete Compos., 20(7): 1-11.

Alsayed, S. H. and Alhozaimy, A. M. 1999. “Ductility of concrete beams reinforced with FR bars and steel fibers”. SAGE, J. Compos. Mater., 33(19): 1792-1806.

American Concrete Institute (ACI). 1999. “Building code requirements for reinforced concrete and commentary”. ACI 318R-99, ACI Committee 318, Farmington Hills, Michigan.

American Concrete Institute (ACI). 2015. “Guide for design and construction of structural concrete reinforced with FRP bars”. ACI 440-1R-15, Farmington Hills, Michigan.

Barris, C., Torres, L., Turon, A., Baena, M. and Catalan, A. 2009. “An experimental study of the flexural behavior of GFRP RC beams and comparison with prediction models”. Compos. Struct., 91: 286-295.

Bedard, C. 1992. “Composite reinforcing bars: Assessing their use in concrete”. Concrete Int., 14: 55-59.

Benmokrane, B., Chaallal, O. and Masmoudi, R. 1996a. “Flexural response of concrete beams reinforced with FRP reinforcing bar”. ACI Struct. J., 91(2): 46-55.

Benmokrane, B., Tighiouart, B. and Chaallal, O. 1996b. “Bond strength and load distribution of composite GFRP reinforcing bars in concrete”. ACI Mater. J. 93(3): 246-252.

Canadian Standard Association (CSA). 2002. ‘Design and construction of building components with fiber-reinforced polymers”. Concrete Design Handbook, CSA-S806-02, Toronto, Ontario, Canada, 177 p.

Char, M. S., Saadatmanesh, H. and Ehsani, M. R. 1994. “Concrete girders externally prestressed with composite plates”. PCI J., 39(3): 40-51.

Cohn, M. Z. and Bartlett, M. 1982. “Computer-simulated flexural tests of partially prestressed concrete sections”. ASCE, J. Struct. Div., 108 (12): 2747-2765.

Coronado, C. and Lopez, M. M. 2006. “Sensitivity analysis of concrete beams strengthened with FRP laminates”. Cement Concrete Compos., 28: 102-114.

Darwin, D., Zuo, J., Tholen, M. and Idun, E. 1996. “Development length criteria for conventional and high relative rib area reinforcing bars”. ACI Struct. J., 30: 722-730.

Ehsani, M. R., Saadatmanesh, H. and Tao, S. 1993. “Bond of GFRP rebars to ordinary- strength concrete”. Fiber-Reinforced-Plastic Reinforcement for Concrete Structures, International Symposium, ACI-SP-138, pp. 333-346.

Faza, S. S. and Ganga Rao, H. V. S. 1992. “Pre- and post-cracking deflection behavior of concrete beams reinforced by fiber reinforced plastic rebars”. Proceedings of 11th International Conference on the Use of Advanced Composite Materials in Bridges and Structures, (ACMBS I), Montreal, Canada, pp. 151-160.

Hamid, A. A. 1995. “Improving structural concrete durability in the Arabian Gulf”. Concrete Int., 17(7): 32-35.

Hasaballa, M. H. 2009. “Seismic behavior of exterior GFRP reinforced concrete beam-column joints”. MSc. Thesis, University of Manitoban, Canada.

Hibbitt, K. and Sorensen, I. 1997. “ABAQUS Standard User Manual”. Version 5.6, Pub. HKS Inc., Rhode Island, New York.

Hillerborg, A., Modeer, M. and Petersson, P. E. 1976. “Analysis of crack formation and crack growth in concrete by means of fracture mechanics and finite elements”. Cement Concrete Res., 6: 773-782.

Japan Society of Civil Engineers (JSCE). 1997. “Recommendation for design and construction of concrete structures using continuous fiber reinforced materials”. Concrete Eng. Series, No. 23, 325 p.

Mallick, P. K. 1988. “Fiber reinforced composites”, Marcel Dekker, Inc., New York.

Martin, P. and Roderick, H. 1996. “Fiber reinforced plastic standards for the offshore industry”. SAMPE J., 32(6): 37-41.

Minosaku, K. 1992. “Using FRP materials in prestressed concrete structures”. Concrete Int., 14(8): 41-45. 

Mota, C., Alminar, S. and Svecova, D. 2006. “Critical review of deflection formulas for FRP-RC members”. ASCE, J. Compos. Constr., 10(3): 183-194.

Mufti, A. A. 2001. “FRP composites in civil engineering”. Vol. 1, a model specification for FRP composites for civil engineering structures.

Naaman, A. E. and Jeong, S. M. 1995. “Structural ductility of concrete beams prestressed with FRP tendons”. Non-metallic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures, Proceedings of the Second International RILEM Symposium (FRPRCS-2), London, pp. 379-386.

Oh, H., Sim, J., Kang, T. and Kwon, H. 2011. “An experimental study on the flexural bonding characteristic of a concrete beam reinforced with a GFRP rebar”. KSCE J. Civ. Eng., 15(7): 1245-1251.

Pecce, M., Manfredi, G, and Cosenza, E. 2000. “Experimental response and code models of GFRP RC beams in bending”. ASCE, J.  Compos. Constr., 4(4).

Rasheed, H. A., Nayal, R. and Melhem, H. 2004. “Response prediction of concrete beams reinforced with FRP bars”. Compos. Struct., 65: 193-204.

Razaqpur, A. G. and Kashef, A. H. 1993, “State-of-the-art on fiber reinforced plastics for buildings”. Institute for Research in Construction, National Research Council of Canada, Carleton University, Ottawa.

Razaqpur, A. G., Svecova, D. and Cheung, M. S. 2000. “Rational method for calculating deflection of fiber reinforced polymer reinforced beams”. ACI Struct. J., 97(1): 175-184.

Saadatmanesh, H. and Ehsani, M. R. 1991. “RC beams strengthened with GFRP plates, I: Experimental study”. ASCE, J. Struct. Eng., 117(11): 3417-3433.

Spadea, G., Bencardino, F. and Swamy, R. N. 1997. “Strengthening and upgrading structures with bonded CFRP sheets design aspects for structural integrity”. Non-metallic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures, Proceedings of the Third International RILEM Symposium (FRPRCS-3), Japan, pp. 379-386.

Uomoto, T. 2001. “FRP composites in civil engineering”. Vol. 1, Proceedings of the International Conference on FRP composites in Civil Engineering, Elsevier.

Vemer, P. A. and De Borst, R. 1984. “Non-associated plasticity for soils, concrete and rock”. Delft, Hernon.

Yamasaki, Y., Masuda, Y., Tanano, H. and Shimizu, A. 1993. “Fundamental properties of continuous fiber bars”. Fiber-Reinforced-Plastic Reinforcement for Concrete Structures, International Symposium, ACI-SP-138, pp. 715-730.

Ye, L., Feng, P. and Yue, Q. 2010. “Advances in FRP composites in civil engineering”. Springer, New York, 951 p.

Yost, J. R., Gross, S.P. and Dinehart, D.W. 2003. “Effective moment of inertia for glass fiber-reinforced polymer-reinforced concrete beams’. ACI Struct. J., 100(6): 732-739.