گزارش فنی جامع: الزامات طراحی، خواص مکانیکی و استانداردهای اتصال پنل‌های GFRC با ابعاد بزرگ

1. خلاصه اجرایی و دامنه کاربرد

این گزارش تحقیقاتی در آلومینیوم شیشه تهران ، مشاور تخصصی نما به منظور ارائه یک تحلیل فنی دقیق و جامع در پاسخ به نیازهای طراحی و تولید پنل‌های بتن مسلح به الیاف شیشه (GFRC/GRC) تدوین شده است. تمرکز اصلی این گزارش بر روی پنل‌هایی با مشخصات زیر است:

• گرید مواد: GRC Grade 18P

• ضخامت: ۲۰ تا ۴۰ میلی‌متر (ضخیم‌تر از استانداردهای پوسته نازک معمول)

• ابعاد: فرمت بزرگ (بالای ۴ متر مربع).

• نوع اتصالات: اتصالات مکانیکی پنهان (Undercut/Keil) یا اتصالات مدفون (Buried/Gravity Anchors).

• مراجع استاندارد: انجمن بین‌المللی بتن مسلح به الیاف شیشه (GRCA) و موسسه بتن پیش‌ساخته/پیش‌تنیده (PCI MNL-128).

یافته‌های کلیدی نشان می‌دهد که برای تضمین عملکرد ایمن در درازمدت، طراحی باید بر اساس خواص مکانیکی در حالت خیس (اشباع) و پیرشده (Aged) انجام شود، نه مقادیر خشک ۲۸ روزه. برای پنل‌های گرید 18P، حداقل MOR مشخصه خیس باید برابر با ۱۸ مگاپاسکال (N/mm²) و LOP مشخصه خیس باید حداقل ۷ تا ۸ مگاپاسکال باشد. استفاده از پنل‌های بزرگ با ضخامت بالا (تا ۴ سانتیمتر) چالش‌های وزن و لنگر خمشی را افزایش می‌دهد که نیازمند استفاده از سیستم قاب‌بندی فولادی (Steel Stud Frame) و شبکه‌بندی دقیق اتصالات Keil یا اتصالات منعطف (Flex Anchors) برای مدیریت بارهای حرارتی و لرزه‌ای است.

۲. مبانی تئوریک و استانداردهای GFRC گرید 18P

برای درک الزامات MOR و LOP، ابتدا باید فلسفه پشت گریدبندی GFRC و نقش پلیمر در مخلوط‌های 18P را تشریح کرد.

۲.۱ تعریف گرید 18P در استانداردهای GRCA

طبق استاندارد "مشخصات ساخت، عمل‌آوری و آزمایش محصولات GRC" منتشر شده توسط GRCA، طبقه‌بندی GFRC بر اساس مدول گسیختگی مشخصه (Characteristic MOR) در سن ۲۸ روزگی انجام می‌شود.

• گرید 18: عدد ۱۸ نشان‌دهنده حداقل مقاومت خمشی نهایی (MOR) برابر با 18 N/mm² است.1 این مقدار یک میانگین نیست، بلکه یک مقدار مشخصه آماری (Characteristic Value) است، به این معنی که ۹۵٪ از نتایج آزمایشگاهی باید بالاتر از این عدد باشند.

• پسوند 'P': این حرف نشان‌دهنده استفاده از پلیمر اکریلیک ترموپلاستیک در طرح اختلاط است. استفاده از پلیمر (معمولاً ۴٪ تا ۷٪ مواد جامد پلیمری نسبت به وزن سیمان) برای پنل‌های نما حیاتی است زیرا امکان عمل‌آوری خشک (Dry Curing) را فراهم می‌کند. عمل‌آوری مرطوب سنتی (۷ روز در رطوبت ۱۰۰٪) برای پنل‌های بزرگ ۴ متر مربعی در تیراژ بالا عملاً غیرممکن است.2

۲.۲ تفاوت روش تولید Spray-up و Premix در ابعاد بزرگ

برای دستیابی به خواص مکانیکی گرید 18P در پنل‌های بزرگ (>۴ متر مربع)، روش تولید پاشش همزمان (Simultaneous Spray-up) الزامی است.

• روش پاشش (Spray-up): در این روش، الیاف شیشه AR (مقاوم در برابر قلیا) به صورت کلاف (Roving) وارد تفنگ پاشش شده و همزمان با دوغاب سیمان بریده و پاشیده می‌شوند. این روش امکان دستیابی به درصد الیاف ۵٪ (وزنی) و توزیع دو بعدی تصادفی را فراهم می‌کند که برای رسیدن به MOR بالای ۱۸ مگاپاسکال ضروری است.2

• روش پریمیکس (Premix): معمولاً به گریدهای پایین‌تر (مانند Grade 10) منجر می‌شود و برای پنل‌های نما با ابعاد بزرگ و بارهای باد بالا توصیه نمی‌شود، زیرا در فرآیند اختلاط، الیاف آسیب دیده و طول موثر آن‌ها کاهش می‌یابد.5

۳. تحلیل دقیق خواص مکانیکی: MOR و LOP

طراحی سازه‌ای پنل‌های GFRC بر دو پارامتر اصلی استوار است که از آزمایش خمش ۴ نقطه‌ای (مطابق ASTM C947 یا EN 1170-5) استخراج می‌شوند. تفاوت بین مقادیر "خیس" و "خشک" و همچنین "میانگین" و "مشخصه" در اینجا حیاتی است.

۳.۱ حد تناسب (LOP - Limit of Proportionality)

LOP تنشی است که در آن رفتار ماده از حالت خطی-الاستیک خارج می‌شود. این نقطه نشان‌دهنده آغاز ترک‌های میکروسکوپی در ماتریس سیمانی است.

• اهمیت: بارهای سرویس (مانند بادهای معمول) نباید تنشی بیش از LOP در پنل ایجاد کنند، در غیر این صورت ترک‌های مویی قابل رویت در نما ایجاد می‌شود.

• مقادیر استاندارد: برای گرید 18P، استاندارد GRCA بازه مشخصه LOP را ۵ تا ۱۰ مگاپاسکال تعیین کرده است.1 با این حال، برای پنل‌های بزرگ که تحت لنگرهای خمشی ناشی از وزن خود و باد قرار دارند، مهندسان معمولاً حداقل LOP طراحی را ۷ یا ۸ مگاپاسکال در نظر می‌گیرند.6

۳.۲ مدول گسیختگی (MOR - Modulus of Rupture)

MOR مقاومت نهایی پنل است، جایی که الیاف شیشه پاره شده یا از ماتریس بیرون کشیده می‌شوند. این پارامتر ضریب اطمینان در برابر شکست کامل را تعیین می‌کند.

• مقادیر استاندارد: حداقل MOR مشخصه برای گرید 18P برابر با ۱۸ مگاپاسکال است. مقادیر معمول تولیدی اغلب بین ۲۰ تا ۳۰ مگاپاسکال قرار دارند.1

۳.۳ تأثیر رطوبت (خیس در برابر خشک) بر مقاومت

یکی از الزامات کلیدی در پرسش شما، تفاوت بین مقادیر خیس و خشک است. بتن GFRC متخلخل است و رطوبت بر پیوند بین الیاف و ماتریس تأثیر می‌گذارد.

• حالت خشک: پلیمر در حالت خشک فیلمی سخت تشکیل می‌دهد که باعث افزایش سختی و مقاومت می‌شود.

• حالت خیس: در حالت اشباع، فیلم پلیمری و ژل سیمان نرم‌تر می‌شوند و فشار آب منفذی ایجاد می‌شود. تحقیقات نشان می‌دهد که مقاومت خمشی در حالت خیس می‌تواند ۱۰٪ تا ۲۰٪ کمتر از حالت خشک باشد.8

• الزام طراحی: استانداردهای PCI MNL-128 و GRCA صراحتاً بیان می‌کنند که محاسبات طراحی باید بر اساس خواص خیس (Saturated) انجام شود، زیرا نمای ساختمان در معرض باران و رطوبت قرار دارد. استفاده از مقادیر خشک برای طراحی خطرناک و غیرمجاز است.1

۳.۴ جدول مقادیر طراحی پیشنهادی (حداقل‌های مجاز)

بر اساس تلفیق داده‌های استخراج شده از اسناد فنی 1، جدول زیر حداقل مقادیر مورد نیاز برای پنل‌های گرید 18P با ضخامت بالا را نشان می‌دهد:

۴. تحلیل ابعادی: ضخامت و مساحت بزرگ

درخواست شما برای ضخامت ۲ تا ۴ سانتیمتر (۲۰-۴۰ میلی‌متر) و مساحت بالای ۴ متر مربع، پارادایم طراحی GFRC معمولی (که معمولاً ۱۲-۱۵ میلی‌متر است) را تغییر می‌دهد.

۴.۱ چالش‌های ضخامت بالا (۲۰-۴۰ میلی‌متر)

افزایش ضخامت از ۱۵ میلی‌متر به ۴۰ میلی‌متر چندین پیامد دارد:

1. افزایش وزن: GFRC چگالی تقریبی ۲۱۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب دارد.1 یک پنل ۴ متر مربعی با ضخامت ۴ سانتیمتر وزنی حدود ۳۴۰ کیلوگرم خواهد داشت. این وزن سنگین نیازمند سیستم‌های اتصال بسیار قوی‌تر از GFRCهای نازک معمولی است.

2. افزایش سختی (Stiffness): ممان اینرسی با توان سوم ضخامت رابطه دارد. پنل ۴۰ میلی‌متری بسیار سخت‌تر از پنل ۱۵ میلی‌متری است و در برابر کمانش مقاوم‌تر است، اما نیروهای حرارتی بزرگتری را به اتصالات منتقل می‌کند.

3. خطر ترک‌های جمع‌شدگی (Shrinkage): در پنل‌های ضخیم و بزرگ، گرادیان رطوبت و دما بین سطح رویی و پشتی پنل می‌تواند باعث تابیدگی (Warping) شود. استفاده از نسبت آب به سیمان پایین (۰.۳۰-۰.۳۵) و مقدار صحیح پلیمر برای کنترل این پدیده حیاتی است.2

۴.۲ ضرورت سیستم قاب‌بندی (Steel Stud Frame)

برای پنلی با مساحت بیش از ۴ متر مربع، اتکا به خودِ پوسته GFRC برای تحمل بارهای باد و وزن، حتی با ضخامت ۴ سانتیمتر، ریسک بالایی دارد. استاندارد PCI MNL-128 توصیه می‌کند که برای چنین ابعادی از سیستم قاب فلزی (Stud Frame) استفاده شود.9

• در این سیستم، یک قاب فولادی گالوانیزه در پشت پنل قرار می‌گیرد.

• پوسته GFRC توسط اتصالات منعطف (Flex Anchors) یا اتصالات لغزشی به قاب متصل می‌شود.

• قاب وظیفه تحمل بارهای خمشی را بر عهده می‌گیرد و پنل GFRC تنها به عنوان یک پوسته و پوشش عمل می‌کند. این امر به پنل اجازه می‌دهد تا در اثر تغییرات دما منبسط و منقبض شود بدون اینکه ترک بخورد.

۵. سیستم‌های اتصال: مدفون و Keil

انتخاب نوع اتصال برای پنل‌های ضخیم و سنگین بسیار حیاتی است. در اینجا دو روش مورد نظر شما تحلیل می‌شود.

۵.۱ اتصالات آندرکات (Keil Anchors)

اتصالات Keil (یا سیستم‌های مشابه مانند Fischer FZP) اتصالات مکانیکی پنهانی هستند که با ایجاد یک سوراخ با انتهای مخروطی (Undercut) در پشت پنل نصب می‌شوند. این اتصالات تنش انبساطی در پنل ایجاد نمی‌کنند (Stress-free).12

• عمق کاشت (Embedment Depth): برای پنل‌های نازک سرامیکی، عمق کاشت ۷ میلی‌متر رایج است. اما برای GFRC با ضخامت ۲۰ تا ۴۰ میلی‌متر، باید از انکرهای بلندتر با عمق کاشت ۱۵ میلی‌متر استفاده کرد تا ظرفیت کششی به حداکثر برسد.14

• ظرفیت باربری (Pull-out): طبق تاییدیه ETA و آزمایش‌های ICC-ES، ظرفیت بیرون‌کشیدگی طراحی (با اعمال ضریب اطمینان) برای یک انکر Keil در GFRC گرید 18P معمولاً بین ۱.۵ تا ۲.۵ کیلونیوتن است.15

• آرایش در پنل‌های بزرگ: برای یک پنل ۴ متر مربعی تحت بار باد ۱.۵ کیلوپاسکال (مجموع ۶ کیلونیوتن بار جانبی)، استفاده از تنها ۴ انکر در گوشه‌ها کافی نیست (نیروی هر انکر ۱.۵ کیلونیوتن می‌شود که لب‌به‌لب ظرفیت است). برای این ابعاد، باید از یک شبکه‌بندی (Grid) از انکرها (مثلاً ۳×۳ یا ۴×۴) که به یک زیرسازی آلومینیومی متصل هستند استفاده شود تا دهانه‌های خمشی پنل کاهش یابد.16

۵.۲ اتصالات مدفون (Buried / Gravity Anchors)

این دسته شامل اتصالات ثقلی و اتصالات خمشی (Flex Anchors) است که در استاندارد PCI تعریف شده‌اند.

• اتصالات میله‌ای خمشی (Flex Anchors): میله‌های فولادی نازک (قطر ۴-۶ میلی‌متر) که در یک پد (Bonding Pad) از جنس GFRC در پشت پنل دفن می‌شوند. این پدها در حین تولید پنل به صورت یکپارچه اجرا می‌شوند.

• مزیت: این اتصالات امکان حرکت صفحه در صفحه (In-plane movement) را برای جبران انقباض و انبساط حرارتی فراهم می‌کنند.

• کاربرد: این روش استاندارد طلایی برای پنل‌های بزرگ (>۴ متر مربع) با قاب فولادی است.17

• اتصالات رزوه‌ای مدفون (Cast-in Inserts): بوش‌های رزوه‌دار که در حین پاشش بتن در ضخامت پنل قرار می‌گیرند.

• هشدار: برای ضخامت ۲-۴ سانتیمتر، باید دقت شود که این قطعات سایه (Ghosting) روی نمای اصلی پنل ایجاد نکنند. حداقل پوشش روی این قطعات باید ۱۰-۱۵ میلی‌متر باشد.

۵.۳ حداقل‌های طراحی برای اتصالات

طبق PCI MNL-128 و GRCA، مقادیر طراحی اتصالات باید با ضرایب ایمنی بالا در نظر گرفته شوند:

1. ضریب اطمینان انکرها: برای اتصالات مکانیکی مانند Keil یا Insertها، ضریب اطمینان (Safety Factor) برابر با ۴.۰ در نظر گرفته می‌شود. یعنی اگر بار نهایی شکست در آزمایش ۱۰ کیلونیوتن باشد، بار مجاز طراحی ۲.۵ کیلونیوتن است.15

2. ضخامت باقی‌مانده: در نصب انکر Keil، باید حداقل ۵ تا ۸ میلی‌متر ضخامت پنل در جلوی انکر باقی بماند تا از قلوه‌کن شدن سطح نما جلوگیری شود.

۶. ضرایب اطمینان و دوام (Safety Factors & Durability)

بتن GFRC در طول زمان دچار پدیده‌ای به نام "پیرشدگی" (Aging) می‌شود که باعث کاهش شکل‌پذیری و اندکی کاهش در MOR می‌شود (هرچند در گرید 18P پلیمری این کاهش کمتر است).

۶.۱ رویکرد طراحی PCI (روش حالت حدی)

استاندارد PCI MNL-128 از روش ضرایب بار و مقاومت (LRFD) استفاده می‌کند:

• ضریب کاهش مقاومت ($\phi$):

• برای خمش (MOR): $\phi = 0.75$

• برای برش و کشش اتصالات: $\phi = 0.60$ (به دلیل رفتار تردتر).9

• فرضیات پیرشدگی: در طراحی نهایی، فرض می‌شود که MOR پنل در پایان عمر مفید ممکن است تا حد LOP اولیه افت کند. بنابراین، بسیاری از مهندسان محافظه‌کار، ظرفیت خمشی نهایی پنل را بر اساس LOP ۲۸ روزه محدود می‌کنند تا ایمنی در برابر پیرشدگی تضمین شود.19

۶.۲ رویکرد GRCA (روش تنش مجاز)

• ضریب ایمنی مواد ($\gamma_m$): معمولاً ۱.۵ برای GFRC تولید شده در کارخانه با کنترل کیفیت بالا.

• برای پنل‌های بزرگ، تنش‌های ناشی از بارهای سرویس (باد + وزن + دما) باید همواره کمتر از LOP خیس تقسیم بر ضریب ایمنی باشد.

۷. الزامات تولید و کنترل کیفیت (QA/QC)

برای تضمین اینکه پنل‌های تولید شده واقعاً گرید 18P هستند، رعایت پروتکل‌های زیر الزامی است:

1. کنترل نسبت‌ها:

• درصد الیاف شیشه: حداقل ۵٪ وزنی (تست شستشو یا Bag & Bucket روزانه).2

• درصد پلیمر: ۴٪ تا ۷٪ وزن سیمان (ماده جامد).

• نسبت آب به سیمان: حداکثر ۰.۳۵.

2. آزمایش‌های مکانیکی (Test Boards):

• به ازای هر میکسر یا هر ۱۵ پنل، باید یک "تست برد" تولید شود.

• کوپن‌های آزمایش باید به مدت ۲۴ ساعت در آب غوطه‌ور شوند (آزمایش خیس) و سپس تحت خمش ۴ نقطه‌ای قرار گیرند.

• اگر میانگین MOR خیس کمتر از ۱۸ مگاپاسکال باشد، محصول رد می‌شود.4

3. چگالی خشک: چگالی باید بین ۱۹۰۰ تا ۲۱۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب باشد. چگالی پایین نشانه هوای محبوس شده و تراکم نامناسب (Rolling ضعیف) است که منجر به افت شدید مقاومت اتصال Keil می‌شود.1

۸. نتیجه‌گیری و توصیه‌های نهایی

برای پروژه نمای ساختمان با پنل‌های GFRC بزرگ (بالای ۴ متر مربع) و ضخامت ۲ تا ۴ سانتی‌متر با اتصالات پنهان، مشخصات فنی زیر باید الزام شود:

جدول خلاصه مشخصات فنی

توصیه اکید: با توجه به ابعاد بزرگ و وزن بالای پنل‌ها (احتمالاً بیش از ۳۰۰ کیلوگرم)، استفاده صرف از ۴ عدد انکر Keil در گوشه‌ها حتی با ضخامت ۴ سانتیمتر مردود است. طراحی باید شامل یک شبکه از انکرها متصل به یک شاسی‌کشی ثانویه باشد تا نیروهای باد و تنش‌های حرارتی به درستی توزیع شده و از حد تناسب (LOP) ماده فراتر نروند.

منابع:

1. Glass Fibre Reinforced Concrete Grade 18P, accessed on December 16, 2025, https://assets.ctfassets.net/eta2vegx3yuv/6kBmZhMhFwAqFSsfLy5Xqw/e9e0d4bb7e164bde3ddbc2fda213cd92/TDSGRC18P-0720_grc.pdf

2. GRC SPECIFICATION - Squarespace, accessed on December 16, 2025, https://static1.squarespace.com/static/66f0e0286c70c3473a0f46c7/t/67d0f414f1fc825dd64f50ce/1741747222989/GRC+Specification.pdf

3. Dry Polymers VS Wet Polymers for GFRC: A detailed analysis and recommendation - The Concrete Countertop Institute, accessed on December 16, 2025, https://concretecountertopinstitute.com/free-training/dry-polymers-versus-wet-polymers-for-gfrc-a-detailed-analysis-and-recommendation/

4. GFRC panels and quality control during production, accessed on December 16, 2025, https://gfrc.co.uk/gfrc-panels-quality-control/

5. Testing and physical properties - Deko Egypt, accessed on December 16, 2025, https://www.dekoegypt.com/images/documents/testing-and-physical-properties.pdf

6. GRC Standards and testing, accessed on December 16, 2025, http://fibrotuning.kz/uploads/image/bending_mashin.pdf

7. H40 GLASSFIBRE REINFORCED CONCRETE CLADDING/COMPONENTS To be read with Preliminaries - BCM GRC, accessed on December 16, 2025, https://www.bcmgrc.com/wp-content/uploads/2020/08/H40-Spec-GRC-BCM-Single-Skin-Cladding.pdf

8. Durability of naturally aged, GFRC mixes containing Forton Polymer and SEM analysis of the facture interface - Smooth-On, accessed on December 16, 2025, https://www.smooth-on.com/tb/files/20_Year_Durability_Paper.pdf

9. IR 19-2: Glass Fiber Reinforced Concrete (GFRC) Panels: 2025 CBC - DGS (ca.gov), accessed on December 16, 2025, https://www.dgs.ca.gov/-/media/Divisions/DSA/Publications/interpretations_of_regs/IR_19-2_2025-CBC.pdf

10. section 3455 - glass fiber reinforced concrete (gfrc) - arcspec, accessed on December 16, 2025, https://arcspec.us/wp-content/uploads/2022/01/GFRCSPEC.pdf

11. PCI GFRC Manual 2nd Edition | PDF | Composite Material | Yield (Engineering) - Scribd, accessed on December 16, 2025, https://www.scribd.com/document/328975646/PCI-GFRC-Manual-2nd-Edition

12. UNDERCUT ANCHORS, accessed on December 16, 2025, https://keilanchor.com/wp-content/uploads/keil-anchor-concealed-anchoring-system-catalog-2020-undercut-anchors.pdf

13. Concealed Facade Safety & Technology - KEIL Anchor, accessed on December 16, 2025, https://keilanchor.com/concealed-facade-undercut-anchor-system/safety-technology/

14. Keil Undercut Anchors | PDF | Screw | Drill - Scribd, accessed on December 16, 2025, https://www.scribd.com/document/117986814/Keil-Undercut-Anchors

15. ESL-4297 - KEIL Befestigungstechnik GmbH - ICC-ES.org, accessed on December 16, 2025, https://icc-es.org/wp-content/uploads/report-directory/ESR-4297.pdf

16. THE USE OF VERY SMALL UNDERCUT CONCEALED ANCHORS ON GRC/FC BUILDING FACADES - Rickard Engineering, accessed on December 16, 2025, https://www.rickardengineering.com/wp-content/uploads/2025/06/ISSUE-NO.6_March-2025.pdf

17. 1 SECTION 034900 GLASS FIBER REINFORCED CONCRETE (GFRC) PART 1 - Willis Construction, accessed on December 16, 2025, https://willisconstruction.com/wp-content/uploads/2024/10/034900-Glass-Fiber-Reinforced-Concrete_WCCI-Spec.pdf

18. ESR-4919 - KEIL BEFESTIGUNGSTECHNIK GmbH - ICC-ES.org, accessed on December 16, 2025, https://icc-es.org/wp-content/uploads/report-directory/ESR-4919.pdf

19. 5 Durability of GRC with Modified Matrices and Glass Mesh - GRCA | International, accessed on December 16, 2025, http://www.grca.org.uk/pdf/congress-2011/5%20Durability%20of%20GRC%20with%20Modified%20Matrices%20and%20Glass%20Mesh.pdf