در این پ‍ژوهش مجموعه ای از تحقیقات آزمایشی به منظور قابلیت استفاده از سگمنت های پیش ساخته بتنی مسلح ( تقویت شده) با الیاف به جای سگمنت های بتنی تقویت شده سنتی (RC) ارائه شده است. بر طبق این مقایسات انجام گرفته شده، سگمنت های پیش ساخته بتنی مسلح با الیاف دارای چندین مزیت از جمله افزایش کیفیت و کارایی و کاهش هزینه های ساخت می باشد. نتایج این مقایسات منجر به حذف سیستم های تقویت کننده سنتی ( آرماتوربندی) شده است. در این مقاله یک مورد از استفاده اجزاء پیش ساخته به همراه ماشین تونلزنی (TBM) در تونل Brennero مورد بررسی قرار گرفته شده است. بر روی هر دو نوع سگمنت نمونه یعنی سگمنت بتنی مسلح با الیاف (FRC) و سگمنت بتنی تقویت شده سنتی (RC)، آزمایشاتی در مقیاس واقعی انجام گرفته شده است. بر روی این دو نوع سگمنت،به منظور ارزیابی رفتار آنها تحت اثر نیروی خمشی، آزمایشات خمشی به طور رضایتبخشی اجرا گردید. سپس آزمایشات بارگذاری نقطه ای با هدف شبیه سازی نیروی ضربه ای وارد شده توسط جک های ماشین تونلزنی و در نهایت اثرات تمرکز بارگذاری و سپس پدیده شکاف ( ترک خوردگی) انجام گرفته شد. نتایج آزمایشات نشان دهنده این مطلب می باشد که در این کاربرد ویژه،بتن مسلح با الیاف می تواند جایگزین بتن تقویت شده سنتی ( بتن دارای میلگردهای سنتی) گردد، مخصوصا عملکرد و کارایی سگمنت در صورت استفاده از الیاف بهبود می یابد و استفاده از الیاف به طور عمده تاثیر مثبت و زیادی بر روی کنترل پذیری شرایط باز شدگی درزده ها دارد.
مقدمه
امروزه به طور وسیعی از بتن مسلح با الیاف FRC در مهندسی عمران استفاده می شود که علت آن امکانن کاهش یافتن یا جایگزینی به حای سیستم های تقویت کننده سنتی( آماتورها) می باشد. پس از اولین کاربرد الیاف فولادی به عنوان سنگفرش خیابان، چندین کاربرد در مورد استفاده از آنها توسعه داده شد مخصوصا در صنایع پیش ساخته،زیرا بطور کلی استفاده از الیاف باعث حذف و جایگزینی به جای سیستم های تقویت کننده سنتی شده است و دارای چندین مزایا در شرایط عملکردی و نیز کاهش هزینه می باشد. این مزایا مخصوصا برای اجزاء پیش ساخته مناسب می باشد زیرا در جایی که امکان فرآیند صنعتی ساخت آنها باشد، صرفه و سود حاصله توسط استفاده از مواد کامپوزیتی بالا می باشد. در شرایط ظاهری ساختاری، استفاده از الیاف تقویت کننده باعث بهبود رفتار و کارائی مواد تحت اثرات کششی می گردد و بطور قابل ملاحظه ای استحکام و سختی مواد افزایش می یابد و پدیده ترک خوردگی نیز کنترل پذیرتر می گردد. به علاوه حضور الیاف در ملات سیمانی، تاثیر بسزایی بر افزایش حد خستگی و مقاومت در برابر ضربه دارد. تمامی موارد ذکر شده ناشن دهنده مزایای استفاده از FRC می باشد. در فرآیند طراحی، توصیف کارایی موردانتظار از مصالح، یک فاکتور کلیدی می باشد انواع مختلفی از بتن های مسلح باالیاف وجود دارد که هر کدام از آنها دارای کارایی خاص و موارد استفاده مخصوص به خود می باشد و هر کدام دارای نتایج و اثرات و نیز هزینه های متفاوتی می باشد. به علاوه طرح اختلاط مواد برای کاربری سازه ای مورد نیاز می بایستی بهینه سازی می شود. ( یعنی می بایستی با در نظر گرفتن کاربری سازه، طرح اختلاط مواد تعیین گردد) جایگزینی بتن مسلح با الیاف به جای سیستم های تقویت کننده سنتی ( آرماتورها) می بایستی با در نظر گرفتن فاکتورهای مختلفی صورت بپذیرد. حقیقتا نه تنها هزینه مواد لخت (یعنی هزینه سیستم های تقویت کننده سنتی حذف شده در برابر هزینه FRC)، بلکه همچنین هزینه های کاهش نیروی انسانی و افزایش کیفیت سازه نیز می بایستی محاسبه گردد. با اشاره مخصوص به سگمنت های پیش ساخته تونل، هزینه استفاده از الیاف فولادی ( برای هر واحد وزنی)، در زمان حاضر در حدود 2 برابر هزینه آرماتورهای فولادی سنتی می باشد. با این حال مقدار و اندازه الیاف مورد نیاز برای ساخت سگمنت های FRC در حدود نیمی از مقدار آرماتور بندی مورد نیاز برای ساخت سگمنت های بتنی سنتی می باشد به طوری که هزینه ساخت سگمنت های FRC و RC تقریبا با هم یکسان می باشد. در طی سال های اخیر میل و رغبت زیادی به استفاده از FRC در سگمنت های پیش ساخته تونل نشان داده شده است مخصوصا زمانی که ماشین حفر تونل TBM مورد استفاده قرار گرفته شده باشد. شکل خمیده این اجزاء سگمنت منجر به استفاده از تقویت کننده های معمولی همراه با جزئیات پیچیده گردید. همچنین این ساختارها اساسا در طی مراحل ساخت نسبت به مرحله بهره برداری بیشتر تحت تاثیر تنش و فشار قرار می گیرند. بنابراین نگهداری از یکپارچگی ساختار- محدو دکردن ترک خوردگی بتن- بطور عمده در مراحل عمل آوردن بتن و مونتاژ بتن یعنی زمانی که سگمنت تحت تاثیر بارهای فشاری ناشی از عملیات حمل و نقل و بطور معمول تحت تاثیر بار نقطه ای اعمال شده توسط جک های ماشین حفاری می تواند قرار بگیرد، یک امر مهمی می باشد. الیاف تقویت کننده به طور ویژه ای برای اهداف فوق مناسب می باشند. از دیگر مزیت های استفاده از FRC در سگمنت های تونل، امکان حذف حفاظت کاتدی( جلوگیری از خوردگی فلز داخل یک الکترولیت که در آن فلز نقش کاتد را ایفا می کند) می باشد زیرا الیاف در ملات بتن پراکنده می گردند و بین آنها تماسی برقرار نمی باشد و بنابراین به جریان اجازه جاری شدن نمی دهد( عایق می باشد) به علاوه استفاده از بتن مسلح با الیاف، باعث افزایش کارایی مواد در برابر حریق و آتش سوزی می گردد و نیز باعث محدودتر شدن فرآیند پوسته پوسته شدن بتن می گردد. با ملاحظه کردن مطالب فوق و در نظر گرفتن تمامی جنبه ها،به نظر می آید که FRC ماده مناسبی برای ساخت پوشش سگمنتال پیش ساخته برای تونل ها می باشد. در این مقاله سگمنت های تونل برای طولی در حدود 55 کیلومتر از تونل اصلی Brennero که بین کشورهای ایتالیا و اتریش قرار گرفته شده است، مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گرفتند،. لازم به ذکر می باشد که این سگمنت ها برای کاربرد در سیستم حفاری مکانیزه تونل بوسیله ماشین حفر تونل با سیر مضاعف (TBM) طراحی شده اند، تونل مورد نظر در میان لایه هایی از سنگ گرانیت معمولی و در عمق تقریبی 1300 متری از سطح زمین حفر گردیده شده است که دارای خواص مکانیک سنگی زیر می باشد.
این شرایط که بر بخش عمده ای از لایه بندی سنگ ها حاکم می باشد، منجر به کاهش مقادیر تنش ( فشار) وارده بر سگمنت ها می گردد و در نهایت باعث کاهش بخش های تقویت کننده ( شبکه آرماتوربندی) در سگمنت های معمولی (RC) می گردد. در این موقعیت ظرفیت باربری سگمنت های FRC که فاقد سیستم های تقویت کننده سنتی ( شبکه آرماتوربندی) می باشد، می تواند با ظرفیت باربری سگمنت هایی که به طور معمول تقویت شده اند ( سگمنت های تقویت شده معمولی RC) معادل و برابر شود. به منظور بررسی کارائی و تاثیر راه حل پیشنهاد شده،یک دستور کار،توسط انجام گرفتن آزمایشات آزمایشگاهی بر روی نمونه هایی با سایز و ابعاد واقعی توسعه داده شد. در این دستور کار 2 نوع متفاوت از آزمایشات با اهداف متفاوت و خاص خود مطرح گردید. آزمایش خمشی به منظور مقایسه کردن و سنجیدن عملکرد و کارایی خمشی اجزاء FRC نسبت به اجزاء تقویت شده معمولی ( با استفاده از آرماتور) به طور صحیح اجرا گردید. آزمایش بار نقطه ای نیز برای شناسایی عوامل و بررسی کارایی ( عملکرد) ساختاری اجزاء در طی مرحله ساخت و نیز امکان ترک خوردن سگمنت توسط جک های ماشین حفاری ( شبیه سازی نیروی وارده از طرف جک های ماشین حفاری) اجرا گردید.