بررسی تیرهای بتن آرمه خورده شده و ترمیم آن‌ها با CFRP

ترمیم و تقویت تیرهای بتن آرمه

از ساده‌ترین روش‌های تقویت، ترمیم و مقاوم سازی تیرهای بتن آرمه استفاده از ورقه های فلزی یا صفحات الیاف مسلح پلیمری می‌باشد که حتی در هنگام بهره برداری سازه نیز می توان از آن بهره برد. اما برخی خصوصیات منحصر بفرد ورقه‌های کامپوزیتی مانند مقاومت فوق العاده در محیط های مرطوب و خورنده و نیز سبکی و سهولت نصب، استفاده از این کامپوزیت‌ها را نسبت به ورقه‌های فلزی رایج‌تر ساخته است.

تکنولوژی FRP از روش‌هایی است که به سادگی و سهولت در تقویت سازه های اجرا شده و بهره برداری شده برای بهبود باربری و رفتار مناسب سازه به کار برده می‌شود. معمولا این مصالح به صورت پلیمرهای تقویت شده با الیاف کربنی CFRP و یا پلیمرهای تقویت شده با الیاف شیشه ای GFRP استفاده می‌شود. به خصوص در سالهای اخیر گرایش به استفاده از FRP در تقویت دال ها افزایش یافته که این امر به دلیل سهولت کار کردن با این ماده ، وزن کم ، مقاومت کششی و مدول الاستیسیته بالا، مقاومت شیمیایی زیاد در برابر خوردگی ، پوسیدگی و زنگ زدگی می‌باشد. لذا در این راستا هدف ما از این تحقیق بررسی ظرفیت تیر های بتن آرمه خورده شده با ترمیم CFRP می‌باشد.

روش پژوهش

در ابتدا با استفاده از مطالعات و مقالات دیگر، علل ایجاد خوردگی در مقاطع را بررسی خواهیم کرده سپس به روش المان محدود با مدل سازی نمونه در برنامه ABAQUS به بررسی و تحقیق در این زمینه خواهیم پرداخت.

خوردگی های بتن  

در این بخش، به معرفی دو نوع از مهمترین خوردگی ها که مستقیما بر روی خود بتن تاثیر دارند می‌پردازیم.

بطور کلی خوردگی در بتن، به خرابی یا تغییر و دگرگونی در خواص و مشخصات مواد بتن اطلاق می گردد. خوردگی را نمی توان بطورکامل متوقف نمود بلکه می توان سرعت این فرایند را کاهش داد. این مشکل ممکن است ناشی از آسیب از طرف یون‌های معلق در هوا باشد. در مقاوم سازی سازه ها پیش از هر چیز انتخاب روش مناسب است که با شناخت دقیق علت وجود مشکل و برطرف ساختن آن میسر می‌شود.

عوامل مؤثر بر خوردگی تیرهای بتن آرمه

1. درجه حرارت محیط وقتی افزایش می یابد محیط برای انجام واکنش های شیمیایی آماده می شود. وقتی کاهش می یابد یخ زدگی مسیر نفوذ عوامل خورنده را فراهم می کند.
2. سائیدگی باعث از بین رفتن پوشش بر روی فلزات و تماس آنها با عوامل خوردگی می شود.
3. عوامل شیمیایی در هوا، آب و خاک و یا بصورت تماس مستقیم
4. شدت تنش موجود در سازه باربر

عوامل شیمیایی خورنده سولفات ها

وجود مقدار بسیار زیاد سولفات های داخل خاک یا آب قادر است در بتن هایی که به طرز صحیح طراحی و ساخته نشده اند سبب بروز اشکال شده و باعث تخریب آنها شود. سولفات ها که عمدتاً شامل سولفات کلسیم، سولفات سدیم و سولفات منیزیم هستند در تماس با ترکیبات هیدرات سیمان سخت شده به بتن حمله می کنند. در جایی که سازه های بتنی در مناطق ساحلی با فنداسیون هایی در تراز آب های زیرزمینی نمک دار واقع شده باشند نیز بتن در معرض حمله مواد شیمیایی از جمله سولفات ها قرار دارد. حمله سولفات ها در مناطق گرمسیر ساحلی با آب و هوای گرم باعث خرابی های بسیار شدیدی در سازه های بتنی می شود. در حالت کلی فعل و انفعال سولفات سدیم با هیدروکسید کلسیم وفعل و انفعال سولفات سدیم با هیدروآلومنیات کلسیم باعث ایجاد محصولاتی مانند زیر می شوند:

1. گچ باعث سستی در سطح بتن و مقاومت آن می شود، حجم مواد جامد را 125 درصد افزایش می دهد.
2. سولفوآلومینات کلسیم سبب افزایش قابل ملاحظه در حجم بتن و در نتیجه ترک خوردگی بتن و ریزش آن می شود. افزایش حجم مواد بر اثراین ترکیب به مقدار 225 درصد می باشد.

سولفات کلسیم فقط با هیدروآلومینات کلسیم واکنش انجام می دهد که در اثر این واکنش دو شکل مختلف هیدروسولفوآلومینات کلسیم تشکیل می شود.

الف) منوسولفات با مقدارکم  ب) سولفوآلومینات کلسیم یا اترینگایت به مقدار زیاد

واکنش قلیایی سنگدانه ها

این واکنش یک واکنش شیمیایی میان اجزای معدنی فعال تعدادی از سنگدانه ها و یون هیدروکسید سدیم-پتاسیم قلیایی بتن است. این پدیده می تواند بر مقاومت بتن و در نتیجه بر عملکرد سازه بتنی تاثیر گذار باشد. برخی واکنش ها سودمند هستند اما بعضی از واکنش های به وجود آمده می‌تواند باعث به وجود آوردن مشکلاتی در بتن شود که شامل انبساط غیرعادی درونی که باعث ترک خوردگی، جابجایی قسمت های مختلف سازه و کاهش مقاومت آن می‌باشد. این واکنش در دو حالت اتفاق می افتد: واکنش قلیایی سیلیکا – واکنش قلیایی کربنات. واکنش قلیایی سیلیکا بیش از واکنش کربنات نگران کننده است زیرا سنگدانه های معدنی حاوی سیلیکا متداول تر هستند. نشانه های وقوع آسیب در اثر واکنش قلیایی می تواند به صورت شبکه‌ای از ترک‌ها، گره‌های نزدیک، ورقه ای شدن و جابجایی قسمت های مختلف سازه نمایان شوند. سرعت خرابی به وجود آمده در اثر واکنش قلیایی سنگدانه ها یک فرایند کند می باشد.

  شکل(1) : ترک های کشیده در اطراف سنگدانه ها

امتیازات کامپوزیت های CFRP در تقویت بتن

با توجه به اینکه کامپوزیت‌ها در مقیاس وزنی خیلی سبک‌تر از فولاد و بتن بوده و همچنین مقرون به صرفه برای استفاده از الیاف ها در مصارف ترمیم و مقاوم سازی در سازه ها می باشند. از جمله دلایل مزیت استفاده از این کامپوزیت‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره نمود.

استفاده از کامپوزیت‌ها برای تقویت در مقایسه با سایر روش‌ها نیاز به زمان بسیار کمتری دارد، و اعضای تقویت شده حداکثر ظرف چند ساعت آماده سرویس‌دهی می‌شوند. بدلیل نازک بودن ضخامت لایه های کامپوزیت (در حد میلیمتر)، استفاده از آنها برای تقویت، اضافه فضایی را اشغال نمی‌کند. اضافه وزن تحمیلی ناشی از وزن این مصالح بسیار ناچیز و قابل صرفه نظر کردن است.

کامپوزیت‌ها خود زنگ نمی‌زنند همچنین با نفوذ ناپذیر کردن سطوح، از تماس عوامل مضره با اعضای سازه‌ای جلوگیری کرده آنها را محافظت می‌کنند همچنین در طولانی مدت نیاز به تعمیرات دوره‌ای ندارند. انعطاف موجود در طراحی این مصالح متناسب با نیاز (سختی، مقاومت و شکل پذیری) آنها را به مصالحی بی‌رقیب در مقاوم سازی تبدیل کرده است.

با توجه به خواص این نوع الیاف در برابر خوردگی میتوان گفت ایده‌ای بسیار مناسب در جهت افزایش ظرفیت مقاطع خورده شده می‌باشد چه در زمینه ترمیم و چه در زمینه جلوگیری از ایجاد خوردگی های آتی. در ادامه برای آشنایی بیشتر با مقاوم سازی تیرها با کامپوزیت های FRP مطالعه مقاله “بررسی رفتار تیرهای مقاوم سازی شده با CFRP در محل اتصال تیر و ستون” را پیشنهاد می دهیم.

یافته ها

مدلسازی تیر بتن آرمه خورده شده در آباکوس

در ادامه با مدل سازی دو تیر بتنی یکسان از لحاظ خوردگی و ابعاد و نوع بارگذاری خواهیم پرداخت که یکی از آنها را با CFRP به طور کامل دورپیچ نموده ایم.

شکل(2) : تغییرات جابه جایی در تیر بتنی آرمه بدون CFRP

شکل(3) : تغییرات جابه جایی در راستای محور Y (دور پیچ کامل با CFRP)

شکل(4) : تغییرات تنش S Mises در تیر بتنی (دور پیچ کامل با CFRP)

نتیجه‌گیری تیرهای بتن آرمه

به طور کلی مطالعات بر روی ترمیم خوردگی بسیار محدود می‌باشد و معمولا استفاده از انواع الیاف کربن CFRP در تحقیقاتی مورد مطالعه قرار گرفته اند که به طور مثال مقاطع تحت بارگذاری، آتش سوزی و ….. تحت ترمیم یا تقویت قرار گرفته اند.

نتایج ما در این مقاله بر روی تیری می‌باشد که طور کامل با  CFRP تقویت شده می‌باشد همینطور نوع خوردگی تنها بر روی خود بتن در نظر گرفته شده است و در ابتدا آسیبی را به فولاد داخل بتن در نظر نگرفته ایم.

همین طور پیشنهاد می‌شود در زمینه ترمیم خوردگی مواردی چون مدل سازی انواع خوردگی بر روی بتن و فولاد مورده توجه بیشتری قرار بگیرد و البته مدل سازی های متنوع تر بسته به شرایط بارگذاری، ترک های موجود و البته مدل های مختلف نصب الیاف بر روی مقاطع در جهات زوایای مختلف صورت گیرد. از جمله نتایج حاصل شده می‌توان به موارد زیر اشاره نمود :

• در مطالعات انجام شده در این زمینه به این نتیجه رسیدیم که دور پیچ کردن تیرهای بتن آرمه خورده شده میتواند تا 1/13 برابر نسبت به حالتی که از CFRP استفاده نشده جابه جایی در جهت Y را کاهش دهد.
• تنش نیز میتواند به میزان 3/35 برابر برای کل تیر در صورت استفاده از CFRP کاهش یابد.
• با توجه به این که نوع بارگذاری به صورت متمرکز در قسمت های 3/2 و 3/1 تیر میباشد نوع ترک ها عموما به صورت افقی در زیر بار های وارده میباشد، به همین دلیل با توجه به عمود قرار گرفتن الیاف و ترک‌ها می‌توان گفت این حالت یعنی دورپیچ نمودن کامل تیر با الیاف عملکرده مناسبی داشته است.
• البته باید به این موضوع اشاره نمود که نوع بارگذاری و مقدار آن نیز می‌تواند در این زمینه موثر واقع شود زیرا ممکن است نوع ترک های ایجاد شده متفاوت باشد.

شرکت مقاوم سازی افزیر در زمینه مقاوم سازی تیرهای بتن آرمه آماده خدمات رسانی و مشاوره می باشد. برای دریافت قیمت خرید لمینیت و ورق کربن FRP و قیمت فروش الیاف FRP می توانید با کارشناسان ما در تماس باشید.

منابع

بررسی ظرفیت تیر های بتن آرمه خورده شده با ترمیم CFRP؛ امیر نجاری؛ سومین کنفرانس سالانه پژوهش‌های معماری، شهرسازی و مدیریت شهری.

jackets for seismic retrofit of.Zou, X. K., Teng, J. G., De Lorenzis, L. and Xia, S. H. (2006). “Optimal performance -based design of FRP.

افتخار، محمدرضا؛ مستوفی نژاد، داوود؛ 1388؛ ” اثرات آرایش میلگرد بر نحوه ترک خوردگی و بار جداشدگی ورق در تیرهای بتن آرمه تقویت شده با صفحات CFRP”؛ هشتمین کنگره بین المللی مهندسی عمران شیراز؛ ایران.