معرفی FRP ( اف آر پی ) و کاربرد آن در تقویت سازه ها

تقویت موضعی و بهسازی لرزه ای سازه های بتنی

1. دلايل ترميم و تقويت سازه‌ها

بنا به دلایل مختلفی ساختمان‌ها نیاز به ترمیم و تقویت دارند در زیر چند دلیل که از اهمیت بیشتری برخوردار می‌باشند ذکر می‌گردد:

1-در موارد متعددي ممکن است کاربري يک سازه دستخوش تغيير شود؛ به‌طور مثال تغيير از مسکوني به تجاري، با تغيير کاربري، بارهاي وارده نيز تغيير کرده لذا با فرض اينکه سازه در مرحله طراحي خود به درستي طراحي شده و تمام بارها به‌خصوص بار زلزله درست در نظر گرفته شده‌باشد، سازه با کاربري جديد تحت بارگذاري‌هاي جديدي قرار مي‌گيرد که در مرحله طراحي اوليه مطرح نبوده‌اند؛ لذا تقويت سازه در اين حالت التزام مي‌يابد.

2- خطاهای طراحی شامل عدم شناخت خاک و پي، عدم توجه به اصول مباني طراحي ساختمان‌هاي مقاوم در برابر زلزله، اشتباه در تحليل و طراحي، تهيه نقشه‌ها، مدارک و جزئيات اجرايي باعث کاهش توان باربري در سازه، خرابي زود هنگام يا پي‌آمدهايي در شکل ظاهري بنا مي‌شود.

3- آسیب‌دیدگی سازه‌ها ناشی از بلایای طبیعی یا حوادث مانند زلزله، باد و عوامل ديگري نظير آتش سوزي، انفجار و … مي‌تواند موجب وارد شدن خسارت و بروز نواقص در سازه‌ها گردد لذا به‌منظور استفاده مجدد، نياز است سازه ترميم گردد.

4- خطاهای اجرایی از قبيل اشکال در قالب‌بندي، آرماتوربندي،‌ ‌‌‌توليد و اجراي بتن، قالب برداري و عمل‌آوري بتن که اغلب از عدم وجود سيستمهاي کنترل کيفي، نظارت و يا وجدان کاري در کارگاه ناشي مي‌شود.

5- خوردگی فولاد و تخریب شیمیایی بتن، خوردگي قطعات فولادي در سازه‌هاي مجاور آب از قبيل خوردگي ناشي از کربناتاسيون، نفوذ کلر به داخل بتن، تهاجم سولفات‌ها و اسيدها، يك مسالة بسيار اساسي تلقي مي‌شود. در محيط‌هاي دريايي و مرطوب وقتي كه يك سازة بتن‌مسلح معمولي به صورت دراز مدت در معرض عناصر خورنده نظير نمك‌ها، اسيد‌ها و كلرها قرار گيرد ميلگردها به دليل آسيب‌ديدگي و خوردگي، قسمتي از ظرفيت خود را از دست خواهند داد. به علاوه فولادهاي زنگ زده بر پوستة بيروني بتن فشار مي‌آورند كه به خرد شدن و ريختن آن منتهي مي‌شود. اين امر بخش وسيعي از کشور ما خصوصاً جنوب و شمال کشور را که داراي شرايط محيطي خاص آب و هوايي مي‌باشد را تحت تاثير قرار مي‌دهد.

6- بررسي زلزله‌هاي اخير نشان مي‌دهد سازه‌هايي که مطابق آيين‌نامه‌هاي قديمي ساخته شده‌اند آسيب‌پذير بوده و عمدتاًًًً نياز به تقويت دارند؛ در مواردي ممکن است به علت يافته‌هاي جديد علمي بخشهايي از آئين‌نامه‌ها و ضرايب بارگذاري تغيير پيدا کند و سازه‌هايي که بر اساس آئين‌نامه‌هاي قبلي طراحي شده‌اند مي‌بايست خود را با شرايط آئين‌نامه‌ جديد هماهنگ نمايند که جهت اين هماهنگي ممکن است در مواردي به تقويت سازه نياز باشد. به‌طور مثال تغییراتی که در ویرایش سوم آئین‌نامه 2800 زلزله نسبت به ویرایش اول و دوم بعمل آمد گواه این موضوع می‌باشد.

2. روش های مختلف مقاوم سازی

روش های مختلفی جهت مقاوم سازی سازه های بتن مسلح وجود دارد که با توجه به نیاز سازه و مسائل اقتصادی و مدت زمان لازم برای انجام پروژه و همچنین اهمیت سازه از منظر های مختلف، مناسب ترین روش بررسی و انتخاب می گردد. به دلیل گوناگونی ساختمان ها و تنوع نواقص و کاستی هایی که امکان دارند و نیز گوناگونی مقاصد مقاوم سازی، تکنیک های مقاوم سازی نیز متفاوت می باشند.

عمده ترین روش های مقاوم سازی سازه های بتن مسلح عبارتند از:

a استفاده از دیوار برشی بتنی و فولادی

b استفاده از بادبندها

c استفاده از غلاف فولادی برای ستونها

d استفاده از بتن با مقاومت بالا

e استفاده از کامپوزیت های FRP به صورت نوار و میلگرد

f استفاده از سیستم های جاذب انرژی نظیر میراگرها و جداسازهای لرزه ای

مقاوم سازی سازه های بتن مسلح با استفاده از کامپوزیت های FRP در مقایسه با سایر روش های مقاوم سازی به دلیل دستیابی به مقاومت بالاتر در ازای زحمت کمتر و همچنین عدم تغییر در شکل و ابعاد سازه پس از مقاوم سازی، به عنوان روشی متداول در سرتاسر جهان پذیرفته شده است. این روش برای اولین بار در سوئیس و آلمان توسعه یافت و تا قبل از پيدايش و ظهور صنعت FRP، از ورق‌هاي فولادي براي تقويت و يا ترميم اعضاي سازه‌اي استفاده مي‌شد. استفاده از ورق فولادي به دليل معايبي همچون زنگ‌زدگي، وزن زياد، مشكلات در حمل‌ و نقل و . . . رفته رفته جاي خود را به تقويت‌كننده‌هاي پليمري مانند FRP داده است. استفاده از ورقه‌هاي FRP در تقويت تيرهاي بتن آرمه اين مشكلات را برطرف كرده و نتايج مناسب‌تري ارائه مي‌دهد.

شرکت مهندسین کهن کارآزما طراح و مجری مقاوم سازی ، طراحی بهینه ساختمان (بهینه سازی سازه) ، مجری کاشت میلگرد ، مجری FRP می باشد.

3. معرفی FRP

FRP ( فیبرهای پلیمری تقویت شده) نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده است. فیبرهای FRP به روش پلی اکریلونیتریل(PAN) ساخته می شوند و میلگردها و پروفیل ها به روش پالتروژن (Pultrusion) تولید می گردند که در این روش دسته های 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 می آورند. محصولات پلیمری مورد استفاده در سازه ها به شکل ورق هایFRP ، میلگردهای FRP ، مش های FRP و پروفیل های FRP وجود دارد. از این محصولات برای ساخت و تقویت سازه ها استفاده می شود.

مقاوم سازی ، FRP ، کاشت میلگرد ، بهینه سازی ساختمان ، طراحی بهینه سازه

پروسه Pultrusion

پس از سالها مطالعه بر روی خوردگی،FRP به عنوان یک جایگزین خوب آرماتور های فولادی کششی در بتن پیشنهاد شده اند. از این مواد به جای آرماتور های فولادی یا کابلهای پیش تنیده در سازه های بتنی پیش تنیده و یا غیر پیش تنیده استفاده می شود. مواد FRP موادی غیر فلزی و مقاوم در برابر خوردگی است که در کنار خواص مهم دیگری همانند مقاومت کششی زیاد آنها را برای استفاده بعنوان آرماتور کششی مناسب می کند.از آنجایی که FRP ها مصالحی ناهمسانگرد هستند نوع و مقدار فیبرورزین مورد استفاده، سازگاری فیبر و کنترل کیفیت لازم هنگام ساخت آن نقش اصلی را در بهبود خواص مکانیکی آن دارد.

نقش اصلی ماتریس عبارت است از :

1) انتقال برش از فیبر تقویتی به ماده مجاور

2) محافظت از فیبر در شرایط محیطی

3) جلوگیری از خسارات مکانیکی وارد بر الیاف

4) کنترل کمانش موضعی الیاف تحت فشار

مزایای استفاده از FRP

1) وزن کم (چگالی آن در حدود 20% فولاد است)

2) مقاومت کششی زیاد

3) مقاومت در برابر خوردگی

4) نفوذناپذیری مغناطیسی

5) امکان تقویت به صورت خارجی

6) حمل و نقل آسان وسرعت اجرای بالابه دلیل وزن کم

لذا به دلیل مزایای بالا به عنوان یک جایگزین مناسب برای آرماتورهای فولادی در سازه های دریایی، سازه پارکینگ ها، عرشه های پل ها، ساخت بزرگراه هایی که بطور زیادی تحت تاثیر عوامل محیطی هستند و در نهایت سازه هایی که در برابر خوردگی و میدانهای مغناطیسی حساسیت زیادی دارند پیشنهاد می شود.

4. جایگزینی FRP با میلگرد های فولادی:

دلیل عمده استفاده از میلگردهای FRP در داخل بتن، جلوگیری از پدیده خوردگی و افزایش میرایی ارتعاشات ایجاد شده در سازه در برابر ارتعاش می باشد. هر چند که استفاده از میلگردهای FRP به جای نمونه های فلزی سبب کاهش وزن بنا نیز خواهد شد، اما در استفاده از این میلگردها، مساله کاهش وزن اهمیت ناچیزی نسبت به دو مورد بیان شده دارد. دلیل بالا بودن ضریب میرایی کامپوزیتها، خواص غیرکشسان آنهاست که انرژی جذب شده را میرا می کنند، در حالی که مواد فلزی حالت کشسان داشته و انرژی جذب شده را میرا نمی نمایند. بنابراین مواد کامپوزیتی در برابر ارتعاشات زلزله عملکرد بهتری خواهند داشت و بهترین گزینه جهت مقاومت سازه در برابر لرزه ها خواهند بود. بکارگیری میلگردهای FRP به جای فلزی، بطور قابل ملاحظه ای از زیانهای ناشی از بروز خوردگی جلوگیری می کند. ظهور تخریب ناشی از پدیده خوردگی در بتن مسلح شده با میلگرد فلزی بدین گونه است که نخست میله های فلزی داخل بتن دچار زنگ زدگی شده و اکسید می شوند. سپس این اکسیدها به سمت سطح بیرونی بتن شروع به مهاجرت کرده و با انتشار در داخل بتن باعث از بین رفتن آن می شوند. بدین ترتیب با خورده شدن دو جزء فلزی و بتنی سازه، زمینة تخریب کامل سازة بتنی فراهم می گردد. روشهای سنتی گذشته مانند چسباندن صفحات فلزی بر روی سازه یا اضافه کردن ضخامت بتن جهت مقابله با پدیدة خوردگی ضمن آنکه مشکل خوردگی فلز را مرتفع نخواهد نمود، سبب افزایش وزن سازه و آسیب پذیرترشدن آن در برابر زلزله نیز خواهد شد. جهت جلوگیری از این امر میتوان با تقویت سطح خارجی سازة بتنی توسط مواد مرکب و استفاده از میلگردهای FRP در داخل بتن، هم مشکل خوردگی فلز داخل سازه را حل نمود و هم جلوی مختل شدن کارایی سازه در صورت خورده شدن بتن را گرفت که این بهترین روش مقابله با پدیده خوردگی دریک سازه بتنی میباشد.

5. انواع محصولات FRP

ورقه‌های FRPورقه‌هایFRP، ورقه‌های با ضخامت چند میلیمتر از جنس FRP هستند. این ورقه‌ها با چسب‌های مستحکم و مناسب به سطح بتن چسبانده می‌شوند. از ورقه‌های FRP جهت تعمیر و تقویت سازه‌های آسیب دیده (ناشی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آبهای یون‌دار) استفاده می‌شود. ورق های FRP از لحاظ شکل پذیری می توانند به شکل پارچه‌ای و صفحه‌ای باشند. شکل پارچه‌ای خاصیت شکل پذیری بالایی دارد و راستای الیاف در آن می تواند در یک جهت یا دو جهت باشد. صفحه‌ها بر خلاف الیاف پارچه‌ای، شکل پذیر نیستند و در ضخامت و عرض های مختلف یافت می شوند.


ورق های FRP

کابل، نوار و تاندن‌های پیش‌تنیدگی

محصولاتی شبیه میله‌های FRP، ولی به صورت انعطاف‌پذیر هستند که در سازه‌های کابلی و بتن پیش تنیده در محیط‌های دریایی و خورنده کاربرد دارند. این محصولات در اجزاء پیش‌تنیدة در مجاورت آب نیز بکار گرفته می‌شوند.

مقاوم سازی ، FRP ، کاشت میلگرد ، بهینه سازی ساختمان ، طراحی بهینه سازه

نوار FRP

میلگرد FRPفولاد‌ها به طور مختصر در مقابل خوردگی به وسیله قلیای بتن محافظت می‌شوند و معمولا سبب دوام خدمت‌پذیری سازه می‌گردند. برای خیلی از سازه هایی که در محیط های مهاجم از قبیل سازه‌های دریایی، پل ها، پارکینگ که در معرض نمک های 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. به‌دلیل 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 سازه های بتنی با استفاده از میلگرد های FRP دارای تغییراتی نسبت به میلگرد‌های فولادی می‌باشد. میلگرد‌های فولادی دارای رفتار تقریبا همسانگرد می‌باشند ولی میلگرد‌های FRP دارای رفتار ناهمسانگرد هستند. این رفتارناهمسانگرد در مقاومت برشی و رفتار چسبندگی میلگردهای FRP به بتن تاثیر می‌گذارد. مصالح FRP بر خلاف مصالح فولادی، رفتارالاستیک خطی از خود نشان می‌دهند. درشکل زیر انواعی از میلگرد‌های FRP نشان داده شده ‌است.

میلگردهای FRP

6. کاربردهای FRP در تقویت سازه:

از FRP در تقویت ستون ها، تیرها، دال ها، اتصالات، دیوارهای برشی بتنی، دیوارهای آجری، پایه و عرشه پل ها و . . . می توان استفاده نمود. تکنیک مقاوم سازی ستون های مسلح بتنی با استفاده از کامپوزیت های FRP به طور گسترده ای به جای پوشش نمودن به وسیله فولاد (Steel Jacketing) مورد کاربرد قرار گرفته است. در مقایسه با استفاده از تنگ ها و مارپیچ فولادی، تکنیک محصور سازی با استفاده از FRP قابلیت این را دارد که محصور شدگی را به صورت پیوسته برای تمام مقطع عرضی ستون تامین کنند. همچنین این مواد دارای خواص ذاتی مطلوبی (نسبت زیاد مقاومت به وزن و مقاومت بالا در برابر خوردگی و خنثی بودن الکترو مغناطیسی)هستند به گونه ای که می توان در مقاوم سازی یا بازسازی اعضای بتنی به طور موفقیت آمیزی از آنها بهره گرفت. FRP می تواند در تیرها و دال های بتنی به عنوان جایگزین تمام یا بخشی از میلگرد کششی مورد نیاز بکار رود. همچنین در اتصالات بتنی می تواند استفاده گردد و شکل پذیری اتصال را افزایش دهد (تقریبا هیچ روش دیگری نمی تواند چنین تاثیری داشته باشد.). از FRP در تقویت دیوارهای برشی نیز استفاده می گردد. FRP می تواند شکل پذیری دیوارهای بنایی را افزایش داده و آنها را مهار نماید.

در شکل های زیر تعدادی از روشهای تقویت المان ها مشاهده می شود.