מדוע ריסון חשוב לעמודי בטון
כאשר עומס צירי דוחף עמוד בטון לכשל, הבטון מתפשט לרוחב ובסופו של דבר נמעך. עטיפת העמוד בבד סיבי פחמן יוצרת ריסון פסיבי: ככל שהליבה מתרחבת, מעטפת ה-CFRP מפתחת מאמץ היקפי המגביל התפשטות זו. התוצאה היא מצב מאמצים תלת-צירי המעלה הן את חוזק הלחיצה והן, חשוב לא פחות, את כושר העיוות. עבור חיזוקים סייסמיים ושדרוגי כושר נשיאה, משיכות זו היא לרוב יעד התכנון המכריע.
מודל הריסון של ACI 440.2R
ACI 440.2R, "Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures," נותן את מודל הריסון הנפוץ ביותר. עבור עמוד עגול, חוזק הלחיצה המרוסן של הליבה הוא:
f'cc = f'co + 3.3 . ka . f'l
כאשר f'co הוא חוזק הבטון הלא מרוסן, ka הוא מקדם צורה/יעילות (1.0 עבור חתך עגול מרוסן היטב), ו-f'l הוא לחץ הריסון הרוחבי האפקטיבי שמספקת מעטפת ה-CFRP. הלחץ הרוחבי הוא:
f'l = 2 . n . tf . Efu . efe / D
כאן n הוא מספר שכבות סיבי הפחמן, tf הוא העובי הנומינלי לשכבה, Efu הוא מודול האלסטיות של הסיבים, efe הוא מאמץ התכנון האפקטיבי של הסיבים, ו-D הוא קוטר העמוד. סידור מחדש לפתרון מספר השכבות הנדרש נותן:
n = (f'l . D) / (2 . tf . Efu . efe)
המפתח הוא בחירת efe. ACI 440.2R מגביל את המאמץ האפקטיבי למניעת קריעת המעטפת ולהתחשב בפיגור המאמץ בין הסיבים לליבה המתרחבת. עבור תכנון חוזק של עמודים עגולים, efe מוגבל בדרך כלל ל-0.004.
חישוב שלב אחר שלב: דוגמה מעשית
נניח עמוד עגול בקוטר 500 מ"מ עם f'co = 30 MPa שיש לשדרג ל-f'cc = 42 MPa. אנו בוחרים בבד סיבי פחמן FidStrong FSC-300A (PAN-based, T700, 300 g/m2), בעל עובי נומינלי לשכבה tf = 0.167 mm, מודול אלסטי Efu = 230 GPa, וחוזק מתיחה של לפחות 3400 MPa.
- לחץ רוחבי נדרש. מתוך f'cc = f'co + 3.3 . ka . f'l עם ka = 1.0: f'l = (42 - 30) / 3.3 = 3.64 MPa.
- מאמץ אפקטיבי. השתמש efe = 0.004 לפי תכנון חוזק של ACI 440.2R.
- פתרון לשכבות. n = (3.64 . 500) / (2 . 0.167 . 230000 . 0.004) = 1820 / 307.3, שהם בערך 5.9. עגל כלפי מעלה ל-6 שכבות.
- אמת את יחס המעטפת. עם 6 שכבות, f'l המסופק = 2 . 6 . 0.167 . 230000 . 0.004 / 500 = 3.69 MPa, מה שנותן f'cc של כ-42.2 MPa. התכנון תקין.
עבור יעד משיכות בלבד (ללא דרישת תוספת חוזק), ACI 440.2R מאפשר שימוש ב-efe גבוה יותר ובפחות שכבות, מכיוון שהמעטפת צריכה להתגייס רק בעיוותים גדולים. אשר תמיד איזה מצב גבולי שולט לפני קביעת n סופי.
עמודים מלבניים ומקדם הצורה
הריסון יעיל הרבה פחות בעמודים מרובעים או מלבניים מכיוון שהמעטפת קופצת מעל הפינות ומשאירה אזורים מרוסנים גרועים לאורך הפנים השטוחים. ACI 440.2R מתייחס לכך עם מקדמי יעילות ka ו-kb, שניהם קטנים מ-1.0, התלויים ברדיוס הפינה rc ובמידות החתך. ככלל מעשי, חתכים מלבניים זקוקים לרדיוס פינה מינימלי של 25 mm (המושג על ידי שיוף או פרופיל טיח) ובדרך כלל דורשים 30-60% יותר חומר מאשר עמוד עגול בעל שטח שווה עבור אותו תוספת חוזק. עבור חתכים צרים מאוד או מלבניים חדים, שקול במקום FRCM או עטיפת פלדה.
בחירת חומרים והתקנה
עטיפות ריסון משתמשות בבד חד-כיווני המכוון עם הסיבים בניצב לציר העמוד (כיוון ההיקף 0 מעלות). FSC-300A (300 g/m2, A-grade, T700) הוא דרגת העבודה העיקרית לעמודים; FSC-200C (200 g/m2, C-grade, T300) מתאים לשדרוגי משיכות קלים יותר. כל שכבה רוויה באפוקסי מבני - דבק הספגה FSE 322 (Tg של לפחות 60C) - המיושם בשיטה רטובה על גבי פריימר אפוקסי FSE 302. ספק חפיפה מינימלית של 100 mm של הבד בסיום למניעת קילוף, ושמור על משטח הבטון יבש ומעל 10C במהלך ההתקשות.
שאלות נפוצות
האם יש מספר מקסימלי של שכבות?
ACI 440.2R אינו קובע מגבלה קשיחה, אך מעבר לכ-6-8 שכבות תוספת החוזק השולית יורדת והסיכון לדלמינציה עולה. אם שש שכבות אינן עומדות ביעד, חזור על גיאומטריית החתך או שלב ריסון עם הגדלת חתך.
האם ריסון משפר את כושר הכפיפה?
לא ישירות. מעטפת בכיוון היקף מתנגדת להתפשטות צירית וגזירה; היא מוסיפה משיכות וחוזק צירי. עבור תוספת כפיפה, הוסף לוחות CFRP אורכיים או בד המכוון לאורך ציר העמוד.
באיזה מאמץ אפקטיבי עלי להשתמש?
השתמש efe = 0.004 עבור תכנון מבוסס חוזק של עמודים עגולים לפי ACI 440.2R. עבור תכנון סייסמי מבוסס משיכות, פעל לפי מגבלות המאמץ הגבוהות יותר בפרק הסייסמי של הקוד ובדוק תמיד מול מגבלת ההתארכות של הסיבים (1.7-1.8% עבור בד FSC).