مقاوم‌سازی با استفاده از الیاف FRP

تعریف FRP یا فیبرهای پلیمری تقویت شده:

FRPنوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به‌وسیله یک ماتریس از جنس پلیمر احاطه شده است. فیبرهای FRP به روش پلی اکریلونیتریل ساخته می‌گردند و میلگردها و پروفیل‌ها به روش پالتروژن تولید می‌شوند که در این روش دسته‌های الیاف پس از آغشته شدن با رزین پس از عبور از یک قالب در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت را به وجود می‌آورند. محصولات پلیمری مورد استفاده در سازه‌ها به شکل ورقه‌های (الیاف FRP)، میلگردهایFRP، مش‌های FRP و پروفیل‌های FRP وجود دارند. از این محصولات جهت ساخت و مقاوم سازی ساختمان و سازه‌ها استفاده می‌شود.

نقش اصلی ماتریس:

ü انتقال برش از فیبر تقویتی به ماده مجاور؛

ü محافظت از فیبر در شرایط محیطی؛

ü جلوگیری از خسارات مکانیکی وارد بر الیاف؛

ü کنترل کمانش موضعی الیاف تحت‌فشار؛

· الیاف (ورقه‌های) FRP و انواع آن

الیاف FRP از حدود دهه 1980 مورداستفاده قرار گرفته است. الیاف FRP ورقه‌هایی با ضخامت چند میلی‌متر از جنس FRP می‌باشند. این ورقه‌ها با رزین و چسب‌های مستحکم و متناسب به سطح بتن چسبانده می‌شوند. ورقه‌های FRP از لحاظ فرمی می‌توانند به شکل پارچه‌ای یا صفحه‌ای باشند، شکل پارچه‌ای خاصیت شکل‌پذیری بالایی دارد و راستای الیاف در آن می‌تواند در یک‌جهت یا دو جهت باشد، درکل الیاف اف آر پی صفحه‌ای بر خلاف الیاف پارچه‌ای، شکل‌پذیر نیستند و در ضخامت و عرض‌های مختلف یافت می‌شوند.

الیاف FRP بر اساس فیبر تشکیل‌دهنده آنها به چهار نوع و دسته کلی تقسیم می‌گردند:

ü CFRP پلیمرهای FRP مسلح شده با الیاف کربن (Carbon Fiber Reinforced Polymers)؛

ü GFRP پلیمرهای FRP مسلح شده با الیاف شیشه (Glass Fiber Reinforced Polymers)؛

ü AFRP پلیمرهای FRP مسلح شده با الیاف آرامید (Aramid Fiber Reinforced Polymers)؛

ü Basalt FRP پلیمرهای FRP مسلح شده با الیاف بازالت (Basalt Fiber Reinforced Polymers)؛

صفحات پلیمری تقویت شده با فیبر کربن که یک نوع صفحه FRP باکیفیت بالا اما گران‌قیمت است، در شکل 2 انواع پروفیل ها و صفحات ساخته شده از پلیمرهای FRP نشان‌داده‌شده است.

مزایای استفاده از الیافFRP:

ü مشخصات فنی مناسب شامل مدول و مقاومت بالا

ü دوام بالا

ü سبک‌وزن بودن و چگالی پایین صفحات

ü مقاومت در برابر خوردگی

ü مقاومت در برابر شرایط محیطی و ترکیبات شیمیایی

ü قابل کاربرد در برابر محیط‌های اسیدی و ترکیبات شیمیایی (مقاومت ضد اسیدی)

ü نفوذناپذیری مغناطیسی که مناسب برای مکان‌هایی که در آنجا دستگاه‌های حساس به میدان مغناطیسی است

ü مقاومت در برابر ضربه

ü ضخامت کم

ü اتصال و هم‌پوشانی آسان در بتن و آهن

ü حمل و نقل آسان به دلیل وزن کم

ü اجرای ساده ورق‌ها

ü عدم توقف کاربری در زمان اجرای تقویت با FRP

ü عدم افزایش ابعاد مقاطع در مقاوم‌سازی بتن با FRP

ü سرعت کار بیشتر توجیه اقتصادی برای تقویت و ترمیم پروژه‌های سنگین به‌عنوان‌مثال پل‌ها

ü عدم توقف کاربری در زمان اجرای تقویت

ü عایق مناسبی در مقابل محیط اسیدی، شیمیایی و خورنده می‌باشد.

کاربرد الیاف FRP:

ü تقویت ستون‌ها؛

ü تقویت دیوارهای برشی؛

ü تقویت دال‌ها؛

ü تقویت برشی و خمشی تیرها؛

ü تقویت اتصالات؛

ü تقویت فونداسیون؛

تقویت عرشه پل ها؛

سایر کاربردهای FRP:

ü مقاوم‌سازی سازه به‌منظور افزایش مقاومت و اخذ تأییدیه از سازمان‌ها و شهرداری.

ü تقویت المان‌های تیر، ستون و سقف بتنی؛

ü کنترل ترک در المان‌ها؛

ü افزایش طبقات در ساختمان بتنی؛

ü افزایش مقاومت فشاری، کششی و برشی؛

ü اصلاح ضعف اجرا و ضعف طراحی در سازه‌های بتنی؛

ü ترمیم کرموشدگی و یخ‌زدگی بتن؛

ü تغییر کاربری ساختمان‌ها؛

ü افزایش کرنش ستون‌های بتنی؛

ü تقویت خمشی تیرهای بتنی؛

ü تقویت خمشی و برشی دیوارهای برشی بتنی؛

ü تقویت برشی یا افزایش شکل‌پذیری تیرها یا ستون‌های بتنی؛

ü تقویت خمشی و برشی دال‌ها؛

ü افزایش مقاومت در برابر عوامل محیطی مانند خستگی، خوردگی، رطوبت، تغییر دما؛

ü مقاوم‌سازی و بهسازی لرزه‌ای سیلوها، مخازن، برج‌های خنک‌کننده و دودکش‌ها؛

· میلگرد FRP و کاربرد آن:

فولاد‌ها به طور مختصر در مقابل خوردگی به‌وسیله قلیای بتن محافظت می‌شوند برای خیلی از سازه‌هایی که در محیط‌های مهاجم از قبیل سازه‌های دریایی، پل ها، پارکینگ که در معرض نمک‌های یخ زا قرار می‌گیرند، ترکیب رطوبت، افزایش دما و محیط کلریدی، قلیایی بتن را کاهش می‌دهد و سبب خوردگی فولاد‌ها می‌شود که در نهایت موجب تخریب سازه بتنی می‌شود. به همین خاطر امروزه از میلگرد‌های ساخته شده با مواد پلیمری FRP در این سازه‌ها استفاده می‌کنند. به دلیل اینکه میلگردهای FRP دارای یک رفتار غیر شکل‌پذیر می‌باشند لذا موارد استفاده این میلگردها محدود به سازه‌هایی می‌شود که مهم‌ترین مشکل آن‌ها خوردگی یا مشکلات الکترومغناطیسی می‌باشد. رفتار مکانیکی میلگرد‌های FRP با میلگردهای فولادی تفاوت دارد؛ لذا نحوه طراحی سازه‌های بتنی با استفاده از میلگردهای FRP دارای تغییراتی نسبت به میلگرد‌های فولادی می‌باشد. میلگرد‌های فولادی دارای رفتار تقریباً همسانگرد می‌باشند ولی میلگرد‌های FRP دارای رفتار ناهمسان‌گرد هستند. این رفتار ناهمسان‌گرد در مقاومت برشی و رفتار چسبندگی میلگردهای FRP به بتن تأثیر می‌گذارد. مصالح FRP بر خلاف مصالح فولادی، رفتار الاستیک خطی از خود نشان می‌دهند.

کاربرد میلگرد FRP:

ü کانال‌ها و لوله‌های بتنی هدایت فاضلاب و مواد شیمیایی؛

ü سازه‌های بتنی اسکله‌ها و سازه‌های دریایی؛

ü سازه‌های مجاور دستگاه‌های MRI در مراکز بهداشتی و درمانی؛

ü آرماتوربندی لایه‌های فوقانی در عرشه پل‌ها؛

ü نیروگاه‌ها؛

ü دیواره موقت بتنی در داخل تونل‌های مترو؛

ü اتاقک پست برق پیش‌ساخته بتنی؛

ü نیلینگ و تحکیم خاک؛

ü شمع‌های داخل خاک و آب؛

ü کانال‌های روباز و لوله‌های بتنی هدایت آب؛

ü بلوک‌های بتنی پیش‌ساخته جاده‌ای؛

ü تیرهای برق و تیرهای جایگزین دکل‌های انتقال نیرو؛

ü آرماتوربندی کف پارکینگ‌ها و سالن‌های صنعتی؛

ü تأسیسات فاضلاب مانند تصفیه‌خانه‌ها.

در ادامه روش تقویت تیر و ستون‌های بتن مسلح با الیاف FRP آورده شده است.

· تقویت تیرهای بتن مسلح با استفاده از الیاف FRP (صفحه یا نوارهای FRP):

الیاف FRP را می‌توان برای افزایش مقاومت خمشی و برشی تیرهای بتن مسلح با پیچاندن کامل یا جزئی سیستم‌های FRP به‌دور اعضای بتن مسلح استفاده کرد. جهت افزایش مقاومت خمشی تیر می‌توان از این الیاف در یک یا چندلایه برای مقاومت در برابر خمش مثبت یا منفی تیر استفاده نمود. هرچند ازآنجایی‌که اکثر تیرهای بتن‌آرمه به‌صورت یکپارچه با سایر اعضای پیوسته مانند دال یا دیوار ساخته می‌شوند، بنابراین در اکثر موارد پیچیده شدن کامل الیاف FRP امکان‌پذیر نیست.

کارگذاریالیاف FRP عمود بر ترک‌های برشی احتمالی در ایجاد مقاومت برشی اضافی مؤثر است. علاوه بر این، افزایش مقاومت برشی ممکن است منجر به شکست خمشی شود که شکست انعطاف‌پذیرتر است و در نتیجه در مقایسه با شکست برشی ترد مطلوب‌تر است. مقاومت برشی اضافی که با اعمال صفحات یا نوارهای FRP به دست می‌آید به تعدادی از عوامل مانند هندسه تیر، مقاومت بتن موجود، و طرح اجرای دورپیچ FRP بستگی دارد

در سال‌های اخیر نصب الیاف FRP برای تقویت تیرهای بتن مسلح در برش و برای بهبود عملکرد پل ها به‌ویژه در ایالات متحده آمریکا با موفقیت به کار گرفته شده است. لازم به ذکر است به‌منظور مطالعه بیشتر روش‌های طراحی برشی ارائه شده توسط راهنمای طراحی و ساخت سیستم‌های FRP با چسب برای تقویت سازه‌های بتنی می‌توان به (ACI 440.2R-08 و نشریه شماره 345) مراجعه نمود.

· استفاده از صفحات یا نوارهای FRP در تیرهای بتن مسلح:

به‌طورکلی سه طرح دورپیچ اصلی نوارهای FRP روی تیرهای بتن مسلح وجود دارد که برای تقویت برشی آنها اجرا می‌شود:

ü دورپیچ کامل

ü دورپیچ U شکل

ü دورپیچ دوطرفه

دورپیچ کامل صفحات FRP

این نوع کارآمدترین روش دورپیچ است. سیستم FRP همان‌طور که در شکل 12 نشان‌داده‌شده است به طور کامل در اطراف عنصر بتنی پیچیده شده است. ازآنجایی‌که تیرها به‌صورت یکپارچه ریخته می‌شوند، دسترسی به هر چهار طرف برای دورپیچ کردن دشوار است. این روش برای تقویت ستون مناسب است.

دورپیچ Uشکل

این طرح برای مواردی استفاده می‌شود که تیر با دال‌ها یکپارچه شده است و فقط سه طرف برای استفاده در دسترس است

دورپیچ دوطرفه FRP:

در این حالت دو طرف عضو به سیستم FRP همان‌طور که در شکل 12 نشان‌داده‌شده است متصل می‌شود.

اگرچه هر سه نوع دورپیچ برای المان‌های بتن مسلح به‌منظور افزایش مقاومت برشی استفاده می‌شوند، اما کارآمدترین آن‌ها، دورپیچ کامل و سپس دورپیچ سه‌طرفه و در آخر اتصال دوطرفه الیاف FRP است. علاوه بر این، می‌توان همه طرح‌ها را به طور پیوسته یا گسسته اجرا کرد. در صورت اجرای گسسته نوارها، فاصله از مرکز به مرکز بین نوارها باید مساوی یا کوچک‌تر از (4/d + عرض نوار) ​​باشد.

ازآنجایی‌که در دورپیچ U شکل و دوطرفه ممکن است جدایی از سطح به دلیل عدم پیوند کافی اتفاق بیفتد بنابراین کرنش‌های آنها با ضریب کاهش پیوند برشی (kv) محدود می‌شود. ضریب کاهش پیوند برشی تابع نوع دورپیچ، مقاومت بتن و سختی سیستم تقویت FRP است. ACI 440.2R-08 معادله‌ای برای محاسبه (kv) ارائه می‌دهد:

که در آن df: عمق مؤثر سیستم‌های تقویت برشی FRP و در مورد دورپیچ U شکل برابر با ارتفاع کامل مقطع است درحالی‌که در اتصال دوطرفه فاصله آرماتور فولادی اصلی تا بالای سیستم FRP است.

طراحی برشی سیستم‌های FRP

که در آن Av: سطح مقطع آرماتور برشی. fyt: تنش تسلیم مشخص آرماتور برشی d: عمق مؤثر مقطع s: فاصله بین آرماتورهای برش است. α: زاویه بین خاموت شیب‌دار و محور طولی.

· استفاده از الیاف FRP در تقویت ستون‌های بتن‌آرمه

سیستم‌های تقویت محوری FRP برای بهبود یا افزایش ظرفیت ستون‌های بتن مسلح استفاده می‌شود. این روش می‌تواند برای ستون‌های دایره‌ای و مستطیلی شکل استفاده شود (شکل 14).

طراحی FRP به‌منظور تقویت مقاومت محوری ستون‌ها:

تقویت ستون‌های بتن مسلح به‌منظور افزایش مقاومت محوری معمولاً با الیاف (FRP) در دورتادور آنها انجام می‌شود. این تکنیک تقویتی به طور خاص در زمانی که ستون دایره‌ای است تأثیرگذار است. اما اگر ستون بتن‌آرمه مستطیلی باشد و نسبت عمق به عرض ستون بزرگ‌تر از 2 باشد یا کوچک‌ترین ضلع ستون بیشتر از 900 میلی‌متر باشد، آیین‌نامهACI 440.2R-08 استفاده از این روش را توصیه نمی‌کند. شکل 15 ناحیه محصور شده را در اشکال مختلف ستون‌های بتنی نشان می‌دهد.

ناکارآمدی محصور شدن ستون مستطیلی یا مربعی ممکن است به توزیع تنش غیریکنواخت و تمرکز تنش در گوشه مقطع منجر شود. این اثر ممکن است منجر به شکست زودرس عنصر تقویت شده نیز شود.

دورپیچ کردن ستون بتن مسلح به طور کامل با FRP به‌منظور محدودکردن و بهبود مؤثر عنصر ضروری است. بر خلاف تقویت خمشی و برشی تیرهای بتن مسلح، FRPهایی که ستون را احاطه کرده‌اند تنها در صورتی فعال می‌شوند که عضو به‌صورت جانبی اتساع یابند و بر FRPها فشار وارد کند. این بدان معنی است که تقویت تیر توسط الیاف FRP یک سیستم فعال است درحالی‌که تقویت ستون یک سیستم غیرفعال است. سیستم FRP که در اطراف ستون پیچیده شده است، فشار محصورشدگی محیطی یکنواختی ایجاد می‌کند که در برابر اتساع بتن فشرده‌سازی شعاعی عمل می‌کند. شکل 16 نشان می‌دهد که چگونه سیستم‌های FRP فشاری را در برابر اتساع بتن ستون بتنی ایجاد می‌کنند.