فهرست مطالبفصل اول : کليات.. 11 – 1 مقدمه.. 11 – 2 هدف تحقيق.. 31 – 3 روش تحقيق.. 41 – 4 ساختار پايان نامه.. 5فصل دوم: تاريخچه تحقيقات.. 62 – 1 مقدمه.. 62 – 2 بتن سبک.. 72 – 2 – 1 تاريخچه.. 72 – 2 – 2 تعريف سنگدانه هاي سبک.. 72 – 2 – 4 بررسي مقايسه‌اي سبك دانه‌ها.. 82 – 2 – 5 تعريف بتن سبک.. 92 – 2 – 6 روشهاي توليد بتن سبك.. 112 – 2 – 7 بررسي اقتصادي بتن سبك.. 112 – 2 – 8 افزودني ها.. 122 – 2 – 9 تحقيقات انجام شده.. 142 – 3 بتن اليافي.. 152 – 3 – 1 مشخصات کلي.. 152 – 3 – 2 عملکرد کامپوزيت هاي اليافي.. 162 – 3 – 3 رابطه بار تغيير مکان.. 182 – 3 –4 خصوصيات الياف فلزي براي مسلح کردن بتن اليافي 192 – 3 – 5 تهيه بتن هاي مسلح با الياف فلزي.. 202 – 3 – 6 تحقيقات انجام شده.. 212 – 4 ميلگردهاي FRP. 262 – 4 – 1 مشخصات کلي.. 262 – 4 – 2 ميلگردهاي FRP در صنعت ساختمان.. 272 – 4 – 3 روابط آئين نامه ACI براي طراحي خمشي تيرهاي بتني مسلح با آرماتورهاي GFRP[15]312 – 4 – 4 تحقيقات گذشته.. 402 – 5 خلاصه تحقيقات.. 46فصل سوم: روش انجام آزمايش.. 473 – 1 مقدمه.. 473 – 2 هدف آزمايش.. 483 – 3 نامگذاري نمونه ها.. 483 – 4 طرح سازه اي تيرها.. 493 – 5 روش انجام آزمايش.. 503 – 6 وسايل مورد استفاده در آزمايش.. 503 – 6 – 1 Data Logger503 – 6 – 2 Load Cell513 – 6 – 3 کرنش سنج.. 523 – 6 – 4 ميکروسکوپ.. 533 – 6 – 5 تغييرمكان سنج.. 543 – 6 – 6 سيستم بارگذاري.. 553 – 7 طرح اختلاط بتن سبک.. 553 – 7 – 1 سبک دانه.. 553 – 7 – 2 پودر سنگ.. 563 – 7 – 3 ماسه.. 573 – 7 – 4 سيمان.. 573 – 7 – 5 آب.. 583 – 8 افزودني ها.. 593 – 8 – 1 ميکروسيليس.. 593 – 8 – 2 فوق روان کننده.. 593 – 9 الياف.. 603 – 9 – 1 الياف پروپيلن.. 603 – 9 – 2 الياف فولادي.. 603 – 10 ميلگردها.. 613 – 11 روش ساخت نمونه ها.. 623 – 11 – 1 آماده نمودن مصالح سنگي.. 623 – 11 – 2 طرح اختلاط.. 623 – 11 – 3 روند تهيه بتن سبک.. 633 – 11 – 4 آرماتوربندي، قالب بندي و بتن ريزي تيرها 643 – 11 – 5 عمل‌آوري تيرها.. 643 – 12 تست مقاومت فشاري بتن ساخته شده.. 65فصلچهارم : نتايج آزمايشات.. 674 – 1 مقدمه.. 674 – 2 نتايج.. 684 – 2 – 1 تيرهاي سري NF. 684 – 2 – 2 تيرهاي سري SF. 724 – 2 – 3 تيرهاي سري PF. 764 – 2 – 4 مقايسه ظرفيت خمشي به دست آمده ازآزمايشات با روابط آئين نامه ACI. 794 – 2 – 5 مقايسه عرض ترک به دست آمده از آزمايشات با روابط آئين نامه ACI. 834 – 3 بررسي نحوه شکست و ترک خوردگي تيرها.. 854 – 3 – 1 بررسي نتايج به صورت تجربي.. 854 – 3 – 2 بررسي نتايج به صورت تئوري.. 93فصل پنجم: نتيجه گيري.. 965-1 مقدمه.. 965-2 نتايج آزمايشات.. 975-3 پيشنهادات براي تحقيقات آينده.. 99مراجع.. 100 فهرست جداولجدول (2-1) مقاومت کششي و فشاري و وزن مخصوص بتن سازه اي سبک.. 10جدول (2-2) رابطه تقريبي بين مقاومت فشاري متوسط و مقدار سيمان.. 11جدول (2-3) ضريب كاهش محيطي براي الياف در شرايط محيطي مختلف.. 31جدول (3-1) مشخصات وسايل آزمايش.. 51جدول (3-2) مشخصات Load Cell نيروسنج.. 52جدول (3-3) مشخصات کرنش سنج.. 52جدول (3-4) مشخصات ميکروسکوپ.. 53جدول (3-5) مشخصات جابجايي سنج.. 54جدول (3-6) دانه بندي ليکاي مورد استفاده در ايران و مقايسه آن با استاندارد ASTMC330. 56جدول (3-7) تجزيه شيميايي پودر سنگ آهک.. 56جدول (3-8) دانه بندي ماسه مورد استفاده (مدول نرمي 3.34) بهمراه محدوده استاندارد دانه بندي ماسه.. 57جدول (3-9) خواص فيزيکي سيمان نکا تيپ 2. 58جدول (3-10) : ترکيبات شيميايي موجود در سيمان نکا.. 58جدول (3-11) آناليز شيميايي ميکروسيليس.. 59جدول(3-12) مشخصات فوق روان کنندهPLASTIMENT P-10. 59جدول (3-13) مشخصات فيزيکي و مکانيکي الياف هاي مصرفي.. 61جدول (3-14) مشخصات ميلگردهاي GFRP. 61جدول (3-15) مشخصات خاموتها.. 62جدول (3-16) طرح اختلاط بتن بر حسب کيلوگرم در مترمکعب.. 63جدول (3-17) نتايج تست مقاومت فشاري براي تيرها.. 66جدول (4-1) نتايج به دست آمده از آزمايش تيرNF1. 69جدول (4-2) نتايج به دست آمده از آزمايش تيرNF2. 70جدول (4-3) نتايج به دست آمده از آزمايش تيرNF3. 70جدول (4-4) نتايج به دست آمده از آزمايش تيرSF1. 73جدول (4-5) نتايج به دست آمده از آزمايش تيرSF2. 73جدول (4-6) نتايج به دست آمده از آزمايش تيرSF3. 74جدول (4-7) نتايج به دست آمده از آزمايش تيرPF1. 77جدول (4-8) نتايج به دست آمده از آزمايش تيرPF2. 77جدول (4-9) نتايج به دست آمده از آزمايش تيرPF3. 78جدول (4-10) مقايسه لنگر نهايي آزمايشگاهي با لنگر نهايي آيين نامه ACI 80جدول (4- 11 ) درصد افزايش لنگر با افزايش درصد آرماتورها در تيرهاي سري NF. 81جدول (4- 12 ) درصد افزايش لنگر با افزايش درصد آرماتورها در تيرهاي سري SF. 82جدول (4- 13) درصد افزايش لنگر با افزايش درصد آرماتورها در تيرهاي سري PF 83جدول (4-14) مقايسه عرض ترک آزمايشگاهي با عرض ترک آيين نامه ACI. 83جدول(4-15) مقادير پارامتر B در تيرها.. 84جدول (4-16) بار نهايي و بار ترک خوردگي و مود شکست تيرها.. 94 فهرست اشکالشکل(2-1) نمودار کلي بار-تغيير مکان در تير بتني مسلح با الياف فلزي در خمش.. 18شکل(2-2) اشکال مختلف از الياف فلزي.. 22شکل(2-3) عملکرد الياف در جلوگيري از بازشدن ترک ها.. 22شکل (2-4) رابطه تئوري لنگر – انحنا براي مقاطع بتني مسلح با فولاد و FRP 28شکل (2-5) توزيع تنش و کرنش در حالت نهايي.. 33شکل(2-6) ضرايب کاهش مقاومت تابعي از نسبت تسليح بتن.. 36شکل (3-1) ابعاد هندسي تيرهاي NF1,SF1,PF1. 49شکل (3-2) ابعاد هندسي تيرهاي NF2,SF2,PF2. 49شکل (3-3) ابعاد هندسي تيرهاي NF3,SF3,PF3. 50شكل(3-4) دستگاه Data logger51شکل (3-5) Load cell مورد استفاده.. 52شکل (3-6) کرنش سنج مورد استفاده.. 53شکل (3-7) ميکروسکوپ مورد استفاده در خواندن عرض ترک ها.. 54شكل (3-8) تغيير مکان سنج.. 54شکل (3-9) سيستم و قاب بارگذاري.. 55شکل (3-10) منحني دانه بندي ماسه و محدوده مجاز.. 57شکل (3-11 ) الياف پروپيلن.. 60شکل (3-12) الياف فولادي مصرفي.. 61شکل (3-13) دستگاه مورد استفاده جهت موجدار نمودن الياف هاي فولادي 61شکل(3-14)ميلگردهاي GFRP مورد استفاده.. 62شکل (3-15) آرماتوربندي، قالب بندي و بتن ريزي تيرها.. 64شکل (3-16) دستگاه تست مقاومت فشاري.. 66شکل (4-1) محل قرارگيري کرنش سنج ها و تغييرمکان سنج ها.. 68شکل (4-2) نمودار نيرو-تغيير مکان براي تير NF1 در نقاط 1 و 2 و 3 69شکل (4-3) نمودار نيرو-تغيير مکان براي تير NF2 در نقاط 1 و 2 و 3 70شکل (4-4) نمودار نيرو-تغيير مکان براي تير NF3 در نقاط 1 و 2 و 3 71شکل (4-5) نمودار نيرو-تغيير مکان براي تيرهاي NF در وسط دهانه.. 71شکل (4-6) نمودار نيرو-کرنش در تراز C براي تيرهاي NF. 72شکل (4-7) نمودار نيرو-تغيير مکان براي تير SF1 در نقاط 1 و 2 و 3 73شکل (4-8) نمودار نيرو-تغيير مکان براي تير SF2 در نقاط 1 و 2 و 3 74شکل (4-9) نمودار نيرو-تغيير مکان براي تير SF3 در نقاط 1 و 2 و 3 75شکل (4-10) نمودار نيرو-تغيير مکان براي تيرهاي SF در وسط دهانه.. 75شکل (4-11) نمودار نيرو-کرنش براي تير SF1 در تراز A,B,C.. 76شکل (4-12) نمودار نيرو-کرنش در تراز C براي تيرهاي SF. 76شکل (4-13) نمودار نيرو-تغيير مکان براي تير PF1 در نقاط 1 و 2 و 3 77شکل (4-14) نمودار نيرو-تغيير مکان براي تير PF2 در نقاط 1 و 2 و 3 77شکل (4-15) نمودار نيرو-تغيير مکان براي تير PF3 در نقاط 1 و 2 و 3 78شکل (4-16) نمودار نيرو-تغيير مکان براي تيرهاي PF در وسط دهانه.. 78شکل (4-17) نمودار نيرو-کرنش براي تير PF1 در تراز A,B,C.. 79شکل (4-18) نمودار نيرو-کرنش در تراز C براي تيرهاي PF. 79شکل (4-19) مقايسه لنگر اسمي آئين نامه اي، لنگر نهايي آئين نامه اي و لنگر نهايي آزمايشگاهي در تيرهاي NF. 81شکل (4-20) مقايسه لنگر اسمي آئين نامه اي، لنگر نهايي آئين نامه اي و لنگر نهايي آزمايشگاهي در تيرهاي SF. 82شکل (4-21) مقايسه لنگر اسمي آئين نامه اي، لنگر نهايي آئين نامه اي و لنگر نهايي آزمايشگاهي در تيرهاي PF. 82شکل(4-22) نمودار بار-عرض ترک برای تیرهای با درصد میلگرد 3 برابر حالت بالانس.. 84شکل (4-23) نحوه گسيختگي و ترک خوردگي تير NF1. 86شکل (4-24) نحوه گسيختگي و ترک خوردگي تير NF2. 87شکل (4-25) نحوه گسيختگي و ترک خوردگي تير NF3. 88شکل (4-26) گسيختگي و ترک خوردگي تير SF1. 89شکل (4-27) گسيختگي آرماتورهاي GFRP. 90شکل (4-28 ) نحوه گسيختگي و ترک خوردگي تير SF2. 90شکل (4-29) نحوه گسيختگي و ترک خوردگي تير SF3. 91شکل (4-30) نحوه گسيختگي و ترک خوردگي تير PF1. 92شکل (4-31) نحوه ترک خوردگي و گسيختگي تير PF2. 92شکل (4-32) چگونگي ترک خوردگي و گسيختگي تير PF3. 93 ليست علائم و اختصاراتارتفاع بلوك تنش مستطيليmmaمساحت مؤثر كششي بتن تقسيم بر تعداد ميلگردها برحسب ميلي‌مترمربع(mm)2Aسطح مقطع آرماتور كششي مقطع از جنس FRP(mm)2Afسطح مقطع آرماتور كششي مقطع از جنس FRP در حالت متعادل(mm)2Afbحداقل آرماتور كششي در مقطع از جنس FRP(mm)2Afminعرض مقطعmmbعرض جان مقطعmmbwارتفاع تار خنثيmmCارتفاع تار خنثي در حالت متعادلmmCbضريب كاهش شرايط محيطيبدون بعدCEعمق موثر مقطعmmdقطر آرماتور FRPmmdbضخامت موثر محافظ بتني كه برابر با دورترين تار كششي تا مركز نزديك‌ترين ميلگرد به آن درنظر گرفته مي‌شودmmdcمدول الاستيسيته آرماتور FRPMpaEfمقاومت فشاري بتنMpafcنيروي كششي آرماتور FRPNffمقاومت كششي آرماتور FRPMpaffuمقاومت كششي ارائه شده توسط كارخانه سازنده آرماتور FRPMpaمقاومت تسليم آرماتور فولاديMpafyممان اينرسي مقطع ترك‌خورده(mm)4Icrممان اينرسي موثر مقطع(mm)4Ieممان اينرسي مقطع ترك‌نخورده(mm)4Igفاصله ميان دو بار متمركز اعمالي بر تيرهاmmlمقاومت خمشي اسمي (لنگر اسمي)N-mmMnمقاومت خمشي اسمي در حالت استفاده از آرماتور FRPN-mmMnfمقاومت خمشي نهايي (مقاومت خمشي مورد نياز)N-mmMuمقاومت خمشي مقطع در سطح سرويسN-mmMserلنگر ترك‌خوردگي مقطعN-mmMcrلنگر اعمالي بر مقطعN-mmMaنسبت مدول الاستيسيته FRP به بتن بدون بعدnfعرض تركmmwنسبت فاصله دورترين تار كششي از تار خنثي به فاصله مركز ثقل ميلگردهاي كششي تا تار خنثيبدون بعدbضريب تبديل به بلوك تنش مستطيليبدون بعدكرنش در دورترين تار فشاريبدون بعدecكرنش حداكثر بتن در دورترين تار فشاريبدون بعدecuكرنش در تار كششي بتن هم سطح با آرماتور كششيبدون بعدetكرنش آرماتور FRPبدون بعدefكرنش نهايي آرماتور FRPبدون بعدefuدرصد آرماتور مقطعبدون بعدrدرصد آرماتور متعادل مقطعبدون بعددرصد آرماتور مقطع در حالت استفاده از FRPبدون بعددرصد آرماتور متعادل مقطع در حالت استفاده از آرماتور FRPبدون بعدتغييرمكان تير زير بار متمركزmm Bending behavior of lightweight aggregate concrete beams reinforced with FRP rebars AbstractReinforced concrete is a composite material that is used widely in civil engineering constructions because of appropriate compressive strength, low cost, and availability of raw materials. However, because of disadvantages such as high density, steel corrosion, and shrinkage cracking, usage of conventional reinforced concrete made with cement paste, normal aggregates, and steel rebars is limited in some situations. Special concretes containing lightweight aggregates, FRP rebars, and fibers have been developed to overcome these deficiencies. Usage of these special concretes is growing due to their undeniable benefits in many countries including Iran. Thus, more studies should be done over different aspects of their utilization.In the present study, an experimental work has been done to study the bending behavior of lightweight aggregate concrete beams containing fibers, reinforced with longitudinal GFRP rebars. A total of nine beams with rectangular cross sections in three different groups have been designed and constructed. The first group includes three lightweight aggregate concrete beams, the second group includes three lightweight aggregate concrete beams containing steel fibers, and the third group includes three lightweight aggregate concrete beams containing polypropylene fibers. In each group, the GFRP reinforcement ratio was 100%, 200%, and 300% of balance reinforcement for each one of beams. Using four points bending test setup, the beams were incrementally loaded in different stages until failure. In each stage, the values of displacements, strains, and crack width at appropriate locations, together with the value of applied load were measured and recorded. Then, with the processing of recorded data, the properties of beams such as load-displacement behavior, bending capacity, and crack initiation and growth were studied.Obtained results showed that the load-displacement relationship of GFRP reinforced concrete beams is approximately linear until failure, and at a specific strain value, the beam that has higher reinforcement ratio has larger load bearing capacity. Also, comparing experimentally obtained flexure strength of beams with code suggestions reveals that these suggestions are underestimate. فصل اول : کليات 1 – 1 مقدمهبتن پرمصرف ترين مصالح ساختماني است و در اغلب کشورهاي جهان نسبت مصرف بتن به فولاد از 10 به 1 نيز فراتر رفته است. تنها ماده اي را که بشر به اين ميزان مصرف مي کند، آب است. بتن داراي مزايايي از قبيل مقاومت عالي در برابر آب، سهولت شکل دهي در اشکال گوناگون، ارزان و در دسترس بودن مصالح اوليه است. همچنين در مقايسه با فولاد نياز به نگهداري کمي داشته، مقاومت مناسبي در دماهاي بالا از خود نشان داده، و به دليل اينکه تحت ميدان‌هاي تنش موضعي کمتري قرار دارد، خستگي مشکل مهمي براي آن محسوب نمي‌شود[1].علي رغم مزاياي مذکور براي بتن، به علت وجود مواد مختلف در بتن و نيز اندرکنش اين مواد به ويژه در ناحيه بين سنگدانه ها و خمير سيمان، هنوز در اين ماده و محصول نهايي حاصل از ساخت آن پيچيدگي ها و نادانسته هاي فراواني وجود دارد. سازه هاي بتني در بعضي موارد پاسخگوي نيازهاي بهره برداري نخواهند بود. از جمله نواقص سازه هاي بتني مي توان به مقاومت کششي کم، خوردگي فولاد، سهولت ايجاد و گسترش ترک، و وزن زياد آنها اشاره کرد.تلاش محققان صنعت ساختمان همواره بر رفع نواقص سازه هاي بتني بوده است و روش هاي مختلفي براي اين منظور ارائه داده اند که در زير به چند نمونه از آن ها اشاره مي شود:- ميلگردهاي FRP براي جلوگيري از خوردگي و افزايش مقاومت و افزايش ميرايي: استعداد خوردگي فولاد در برابر شرايط محيطي قليايي كه در سازه هاي بتن آرمه در معرض آب دريا استفاده مي شود، باعث گرديده است كه استفاده از FRP بعنوان جايگزين آن مطرح شود. مقاومت خوردگي و کششی مواد کامپوزيت مي‌تواند تا چهار برابر فولاد باشد. اين مواد به دليل بالا بودن ضريب ميرايي آنها که ناشي از خواص غيركشسانآنها است انرژي جذب شده را ميرا ميكنند.- استفاده از فايبرها براي افزايش مقاومت کششي و کاهش عرض ترک ها: الياف دراندازه ها و اشکال مختلف و از جنس فولاد، خميري، شيشه و مواد طبيعي مورد استفاده قرار مي گيرند. استفاده از الياف با حجم و اندازه هاي متفاوت در ملات، تا حدي باعث افزايش مقاومت کششي نهايي شده ولي کرنش کششي در هنگام گسيختگي در اين نوع از بتن ها در مقايسه با انواع معمولي بسيار بيشتر است که اين بدليل جلوگيري از باز شدن ترکها و تبديل يک ترک بزرگ به چندين ترک کوچک مي‌باشد.- استفاده از بتن هاي سبک براي کاهش وزن کلي سازه: در مقايسه با فولاد، پائين بودن نسبت مقاومت به وزن بتن، براي ساخت برج ها و دهانه هاي بزرگ پل ها و سازه هاي شناور به عنوان يک مشکل اقتصادي محسوب مي شود. براي افزايش نسبت مقاومت به وزن بتن، يک راه حل مناسب، استفاده از سنگدانه‌هاي سبک مانند ليکا بجاي سنگدانه‌هاي معمولي است که تا کنون با موفقيت در ساخت برج هاي تا چند ده طبقه در دنيا مورد استفاده قرار گرفته است.بديهي است مواد جديد نواقصي هم دارند، شامل توليد محدود و هزينه بالا، شکست ترد، نياز به قلاب نمودن ميلگردهاي پليمري در کارخانه و . . . که سبب کاهش استفاده از آن ها در سازه هاي بتني در حال حاضر مي شود. با توجه به رشد صنعت و تکنولوژي، استفاده ي روزافزون از اين مصالح در آينده نزديک، دور از انتظار نخواهد بود. 1 – 2 هدف تحقيقدر تحقيق حاضر هدف اصلي بررسي مزايا، معايب، و محدوديت‌هاي استفاده ترکيبي از دو بتن يعني بتن سنگدانه سبک سازه‌اي و بتن اليافي در ساخت اعضاي سازه اي تحت خمش (تيرها)، بهمراه استفاده از سطح مقطع‌هاي متفاوتي از ميلگردهاي ساخته شده از کامپوزيت پليمري مسلح به الياف شيشه براي تقويت طولي آنها مي‌باشد. در راستاي تأمين اين هدف که يک برنامه آزمايشگاهي براي آن تدوين گرديد، مواردي که بايد مورد مطالعه قرار گيرند عبارتند از:- رفتار خمشي ( نيرو- تغييرمکان) تيرها،- ظرفيت خمشي نهايي و نوع شکست تيرها،- بار نظير اولين ترک و نحوه ايجاد و گسترش ترک ها،- کرنش هاي کششي و فشاري حاصله در مراحل مختلف بارگذاري، و- مقايسه نتايج با روابط آئين نامه اي و تحقيقات مرتبط موجود.لازم به توضيح است که هر چند بتن ها و ميلگردهاي مذکور در تحقيقات انجام شده مرتبط با سازه‌هاي بتني مورد توجه قرار داشته‌‌‌اند و ادبيات فني نسبتاً جامعي در مورد آنها وجود دارد، اما تحقيقات محدودي براي کاربرد ترکيبي آنها و با اهداف مذکور در کار حاضر انجام شده و لذا انجام اين تحقيق سهمي هر چند کوچک در کامل‌تر کردن متون علمي موجود در اين زمينه خواهد داشت. 1 – 3 روش تحقيقدر کار حاضر، ابتدا تحقيقات انجام شده در خصوص بتن سبک، بتن اليافي و ميلگردهاي FRP مورد مطالعه قرار گرفت و سپس از طريق مطالعه تجربي يا انجام آزمايش، رفتار خمشي تعدادي تير ساخته شده از مصالح مذکور ارزيابي گرديد. نمونه هاي آزمايشگاهي تعداد 9 عدد تير، شامل 3 نمونه با بتن سبک معمولي، 3 نمونه با بتن سبک با الياف فلزي و 3 نمونه بتن سبک با الياف پروپيلن در نظر گرفته شد. علاوه بر اين، براي هر تير به تعداد مناسب نمونه مکعبي جهت تخمين مقاومت فشاري و جرم حجمي بتن مصرفي در آنها تهيه گرديد. آزمايش به روش خمش چهار نقطه‌اي (تکيه گاه هاي ساده در دو انتها و دو بار متمرکز در دهانه تيرها) و بصورت مرحله به مرحله تا تخريب کامل تيرها انجام شده و با نصب حسگر در محل‌هاي مناسب بر روي تيرها، کميت‌هايي نظير جابجايي، کرنش، و عرض ترک و نيز نيروي اعمالي در مراحل مختلف بارگذاري اندازه گيري گرديد. در راستاي تأمين اهداف تعريف شده در کار حاضر نتايج خام حاصل از آزمايش تحليل و پردازش شده و خصوصيات يا پارامترهاي مورد نظر براي تيرها استخراج مي‌گردند. در نهايت با جمع بندي نتايج بدست آمده، مقايسه اي بين آنها و نتايج تحقيقات گذشته و نيز روابط آئين نامه اي انجام مي‌شود.