تقویت دال‌های بتن آرمه توسط کامپوزیت‌های FRP

روش‌ها و مصالح مختلفی جهت مقاوم‌سازی سازه‌های بتن آرمه وجود دارد، اما در سال‌های اخیر استفاده از ورق‌های FRP بسیار رواج یافته و مطالعات بسیاری انجام‌گرفته تا بتوان از آن‌ها بجای ورق‌های فولادی استفاده نمود. به طور کلی استفاده از کامپوزیت‌ها از دهه 1940 آغاز شد در ابتدا کاربرد نظامی داشت و بیشتر در صنایع هوا و فضا استفاده می‌شد. ولی ویژگی‌های منحصر بفرد آن مانند وزن کم و استحکام بالا باعث شد تا به سرعت در سایر زمینه‌ها از جمله صنعت ساختمان‌سازی، صنعت خودروسازی، ساخت اسکله و شناورها (کشتی‌ها و قایق‌های تندرو سازه‌های دریایی) نیز بکار رود.

معرفی FRP

FRP یا فیبر تقویت شده با پلیمر (Fiber Reinforced Polymer)، نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله یک ماتریس رزین (ماده چسبنده) از جنس پلیمر احاطه شده است.

به بیان ساده‌تر کامپوزیت‌های FRP متشکل از یک سری فیبر یا الیاف که درون رزینی به عنوان ماتریس یا زمینه قرار گرفته که در آن‌ها الیاف بلند و ممتد عامل ایجاد مقاومت هستند و رزین آن‌ها را در جای خود نگه داشته و بار را از سازه به الیاف منتقل می‌کند و در طول آن‌ها به طور یکنواخت توزیع می‌کند. همچنین رزین باعث حفاظت الیاف می‌شود بنابراین الیاف و رزین اجزای اصلی تشکیل دهنده کامپوزیت‌های FRP هستند. البته در کنار این مواد، مواد دیگری نیز در نقش فیلر و هاردنر و مواد مضاعف جهت بهبود خواص ماده حاصل مورد استفاده قرار می‌گیرند.

انواع محصولات FRP

1. میلگردهای FRP

فولادها به طور مختصر در مقابل خوردگی به وسیله قلیایی بتن محافظت می‌شوند و معمولاً  سبب دوام خدمت پذیری سازه می‌گردند. برای خیلی از سازه‌هایی که در محیط‌های مهاجم از قبیل سازه‌های دریایی، پل‌ها، پارکینگ که در معرض نمک‌های یخ 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 رفتاری تقریباً همسانگردی می‌باشند ولی میلگردهای FRP به بتن تأثیر می‌گذارد. مصالح FRP برخلاف مصالح فولادی، رفتار الاستیک خطی از خود نشان می‌دهند. در شکل 1 انواعی از میلگردهای FRP نشان داده شده است.

شکل 1 : میلگردهای FRP

ورقه‌های FRP، 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 یون دار) استفاده می‌شود. ورق‌های FRP از لحاظ شکل‌پذیری می‌توانند به شکل پارچه‌ای و صفحه‌ای باشند. شکل پارچه‌ای خاصیت شکل‌پذیری بالای دارد و راستای الیاف در آن می‌تواند در یک جهت یا دو جهت باشد. صفحه‌ها بر خلاف الیاف پارچه‌ای شکل‌پذیر نیستند و در ضخامت و عرض‌های مختلف یافت می‌شوند.

2. ورق‌های FRP

ورق‌های FRP، 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 آسیب‌دیده (ناشی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آب‌های یون دار) استفاده می‌شود. ورق‌های FRP از لحاظ شکل‌پذیری می‌توانند به شکل پارچه‌ای و صفحه‌ای باشند. شکل پارچه‌ای خاصیت شکل‌پذیری بالایی دارد و راستای الیاف در آن می‌تواند در یک جهت یا دو جهت باشد. صفحه‌ها بر خلاف الیاف پارچه‌ای شکل‌پذیر نیستند و  در ضخامت و عرض‌های مختلف یافت  می‌شوند.

3. کابل، نوار و تاندن های پیش تنیدگی

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

4. پروفیل‌های ساختمانی

مصالح FRP همچنین در شکل پروفیل‌های ساختمانی به صورت I شکل، T شکل نبشی و ناودانی تولید می‌شوند. چنین محصولاتی می‌تواند جایگزین بسیار مناسبی برای قطعات و سازه‌های فولادی در مجاور آب تلقیس شوند.

5. شبکه کامپوزیتی

شبکه کامپوزیتی FRP محصولاتی هستند که از برخورد میله‌های FRP در دو جهت و یا سه جهت ایجاد می‌شوند. نمونه‌ای از این محصولات، شبکه کامپوزیتی Nefmac است که از فیبرهای کربن، شیشه‌ای و یا آرمید و رزین و نیل استر تولید می‌شود و برای مسلح کردن بتن مناسب است. فیبر کربن را می‌توان از رایج‌ترین نوع الیاف مصرفی در کامپوزیت‌های Frp دانست. برای آشنایی بیشتر با فیبر کربن و کاربردهای آن، مقاله ” الیاف کربن، از صنایع هوایی تا صنعت ساختمان” را مطالعه فرمایید.

انواع فیبرهای تشکیل‌دهنده FRP

به طور کلی FRP را بر اساس فیبر تشکیل‌دهنده آن به چندین دسته تقسیم می‌کنند :

1. CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymers)

پلیمرهای مسلح شده با الیافی از جنس کربن

2. GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymers)

پلیمرهای مسلح شده با الیافی از جنس شیشه

3. AFRP (Aramid Fiber Reinforced Polymers)

پلیمرهای مسلح شده با الیافی از جنس آرمید

4. BFRP (Bazalt Fiber Reinforced Polymers)

پلیمرهای مسلح شده با الیافی از جنس بازالت

برخی از موارد کاربرد FRP

1. افزایش ظرفیت باربری و شکل‌پذیری ستون‌ها، تیرها، دال‌ها و اتصالات بتن آرمه
2. تقویت مخازن فولادی و بتنی
3. تقویت سازه‌های فراساحل و دریا
4. تقویت سازه‌های مقاوم در برابر انفجار
5. تقویت تیر و ستون‌های چوبی
6. تقویت دودکش‌های بتن آرمه با مصالح بنایی
7. تقویت دیوارهای بتن آرمه
8. تقویت دیوار تونل‌ها
9. تقویت لوله‌های بتنی یا فولادی
10. تقویت دیوارهای آجری و مصالح سنتی
11. ساخت دیوارهای ساحلی
12. سقف‌های پشت‌بام‌های صنعتی
13. نشیمن‌گاه تجهیزات راکتورها
14. تقویت سیستم دال کف در محیط‌های خورنده شیمیایی
15. مرمت و تقویت سازه‌های مهم چون بیمارستان‌ها، آثار باستانی و …

کاربردهای FRP در تقویت دال‌های بتن آرمه

از FRP در تقویت ستون‌ها، تیرها، اتصالات ، دیوارهای برشی بتنی، دیوارهای آجری، پایه و عرشه پل‌ها و … می‌توان استفاده نمود. تکنیک مقاوم‌سازی ستون‌های مسلح بتنی با استفاده از کامپوزیت‌های FRP به طور گسترده‌ای به جای پوشش نمودن به وسیله فولاد مورد کاربرد قرار گرفته است.  در مقایسه با استفاده از تنگ‌ها و مارپیچ فولادی، تکنیک محصورسازی با استفاده از FRP قابلیت این را دارد که محصورشدگی را به صورت پیوسته برای تمام مقطع عرضی ستون تأمین کند. همچنین این مواد دارای خواص ذاتی مطلوبی  (نسبت زیاد مقاومت به وزن و مقاومت با در برابر خوردگی و خنثی بودن الکترومغناطیسی) هستند. به گونه‌ای که می‌توان در مقاوم‌سازی یا بازسازی اعضای بتنی به طور موفقیت‌آمیزی از آن‌ها بهره گرفت .

FRP می‌تواند در تیرها و دال‌های بتنی به عنوان جایگزین تمام یا بخشی از میلگرد کششی مورد نیاز بکار رود. همچنین در اتصالات بتنی می‌تواند استفاده گردد و شکل‌پذیری اتصال را افزایش دهد. تقریباً هیچ روش دیگری نمی‌تواند چنین تأثیری داشته باشد. از FRP در تقویت دیوارهای برشی نیز استفاده میگردد. FRP می‌تواند شکل‌پذیری دیوارهای بنایی را افزایش داده و آن‌ها را مهار نماید.

در شکل 2 : قسمت‌های تقویت‌شده دال با FRP نشان داده شده است.

شکل 2 : قسمت‌های تقویت‌شده دال با FRP

تقویت اتصالات با FRP

اتصالات آسیب‌پذیرترین قسمت سازه بوده و در عین حال سخت‌ترین جزء سازه جهت تقویت می‌باشند .تقویت توسط FRP یکی از مؤثرترین و ساده‌ترین روش‌های تقویت اتصالات سازه می‌باشد.

تقویت برشی تیر با FRP

بهترین شیوه تقویت برشی تیرها Wrapping توسط ورق‌های FRP می‌باشد. همچنین به راحتی و به شکل بسیار مؤثری می‌توان تیرها را توسط FRP تقویت خمشی نمود.

تقویت دیوار برشی با FRP

FRP می‌تواند تأثیر زیادی در تقویت خمشی و برشی دیوارهای برشی داشته باشد. برای آشنایی بیشتر با مکانیزم Frp در تقویت دیوار برشی، پیشنهاد می‌کنیم، مقاله جامع و کاربردی ” کامپوزیت FRP در تقویت دیوار برشی ” را مطالعه نمایید.

افزایش مقاومت فشاری بتن با FRP

FRP کاربردهای فراوانی در تقویت ستون‌های بتنی دارد. از FRP می‌توان برای تقویت خمشی ستون‌ها، افزایش مقاومت مشخصه بتن و افزایش شکل‌پذیری (اثر محصورشدگی) استفاده نمود. به علت ضخامت کم ورق‌های FRP، این روش یکی از راه‌های مناسب برای تقویت ستون‌ها است چرا که در معماری ساختمان خللی ایجاد نمی‌نماید. تأثیر عمده تقویت توسط FRP، در ستون‌های دایره‌ای شکل بوده ولی ستون‌های مربع یا مستطیل را می‌توان با گرد کردن گوشه‌ها، به صور مناسب جهت تقویت با FRP تبدیل نمود.

تقویت دال‌های بتن آرمه توسط FRP

یکی از این اجزاء کمکی برای بهبود خواص دال‌های بتنی که نیاز به تقویت دارند، پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف (FRP) می‌باشند که در شرایط مختلف با اهداف مختلف و به اشکال مختلف به دال‌ها متصل می‌شوند. استفاده از اجزاء FRP به عنوان تقویت، راه‌حلی مؤثر برای غلبه بر مسائل طول عمر سازه‌های بتن آرمه بنظر می‌رسد.

تقویت خمشی دال‌های بتنی توسط FRP

در دهانه‌های تقویت‌شده با CFRP در دال‌های دو طرفه، ورق‌های CFRP می‌توانند در برای حفظ و حتی افزایش ظرفیت اولیه بار دال‌های بتنی دو طرفه دهانه دار مورد استفاده قرار بگیرند. برای دال‌های تقویت شده با CFRP ظرفیت حمل بار در مقایسه با تیر ضعیف شده 12.5 – 24 افزایش یافته است.

راه‌های سنتی برای تقویت اضافی با میلگرد فولادی و دهانه ظرفیت بار بیشتری را در مقایسه با دال‌های بدون دهانه حاصل می‌کند.

رفتار دال‌ تقویت‌شده با FRP تست شده تا زمان نقص الاستیک دو خطی بوده، سفتی دال‌ها تقویت شده با تقویت شبکه CFRP پس از آغاز ترک‌ها در مقایسه با دال تقویت شده با فولاد به طور قابل‌توجهی کاهش یافت. برای اطمینان از سفتی انعطافی کلفی جهت کنترل اعوجاج، نیاز به نسبت‌های تقویت بالاتر است.

برای تقویت شبکه FRP گنجانده شده در بتن، میله‌های عرضی مهار میله‌های طولی را تأمین می‌کند. در این مورد فضابندی میله‌های شبکه ترک را کنترل می‌کند. اعوجاج تابعی از سفتی تقویت و نسبت واقعی تقویت مورد استفاده در دال است. دال‌ها تقویت شده با FRP خصوصاً با نسبت کوچکتر تقویت، قبل از ایجاد نقص از طریق اعوجاجات نسبتاً بزرگ و عرض ترک‌های وسیع هشدار لازم را می‌دهند.

تست‌های آزمایشگاهی اعتبار و اثر بخشی تقویت با شبکه CFRP برای استفاده در دال‌های بتنی تقویت شده را نشان می‌دهد که در آن طراحی عمدتاً تحت تنظیم معیار قابلیت سرویس‌دهی است. تطابق نزدیک در رفتار انعطافی بین دال‌های مختلف نشان می‌دهد که دال‌های تقویت شده با FRP باید با یک کشش انعطافی معادل تقویت با فولاد بیش تقویت شوند شبکه‌های CFRP NEFMAC C19-R می‌توانند بعنوان تقویت بتن به جای میله‌های فولادی 15 میلی‌متری در شبکه‌های به اندازه 225 در 150 میلی‌متری استفاده شوند.

FRP می‌تواند مقاومت دال‌های بتنی را در برابر خمش چندین برابر افزایش داده و شکست دال‌های بتنی تقویت شده با FRP به صورت ناگهانی و غالباً در محل ایجاد نقص در FRP روی می‌دهد.

تعداد ترک‌های ایجاد شده در دال‌های بتنی تقویت شده با FRP نسبت به دال نرمال تحت بارهای مختلف کاهش چشمگیری شبکه ترک را کنترل می‌کند. اعوجاج دال تابعی از سفتی تقویت و نسبت واقعی تقویت مورد استفاده در دال است. دال‌های تقویت شده با FRP، خصوصاً با نسبت کوچک‌تر تقویت، قبل از ایجاد نقص از طریق اعوجاجات نسبتاً بزرگ و عرض ترک‌های وسیع هشدار لازم را می‌دهند .

نوارهای CFRP به صور پوشش بیرونی، ظرفیت باربری دال‌ها تقویت‌شده را افزایش می‌دهد. علاوه برای در دال‌های تقویت‌شده نسبت به دال تقویت نشده، ترک‌های ایجاد شده کوچک‌تر و به طور یکنواخت‌تری توزیع گردیده‌اند .

مقاوم‌سازی دال‌های با میزان فولاد کششی 25 درصد فولاد متعادل، مقاومت نهایی تیر در حدود  31 – 62 درصد افزایش می‌دهد .

مقاوم‌سازی دال‌های با میزان فولاد کششی 50 درصد فولاد متعادل، مقاومت نهایی تیر را در حدود 22 – 50 درصد افزایش می‌دهد.

در شکل 3، قسمت‌های تقویت‌شده‌ی دال بتنی با ورق‌های CFRP نشان داده شده است.

شکل 3 : قسمت‌های تقویت‌شده‌ی دال بتنی با ورق‌های CFRP

مزایای استفاده از FRP

1. مقاومت کششی بیشتر از فولاد
2. مقاومت در مقابل نیروهای خمشی و برشی
3. مقاومت در برابر ضربه، خوردگی، حریق و اسیدها و بازها (به طور کلی ترکیبات شیمیایی)
4. ظرفیت بالای جذب ارتعاشات
5. عدم هدایت الکتریکی و حرارتی
6. عدم تأثیرپذیری در میدان‌های مغناطیسی و فرکانس‌های رادیویی (برای مثال دستگاه‌های بیمارستانی)
7. وزن کم (یک چهارم وزن آرماتور فولادی و چگالی حدود 20% فولاد)
8. حمل‌ونقل آسان و سرعت اجرای بالا

نتیجه‌گیری

• از مناسب‌ترین راه‌های تقویت قسمت‌های مختلف سازه استفاده از FRP با توجه به ضخامت کم آن‌ها می‌باشد، همچنین در معماری ساختمان نیز خللی ایجاد نمی‌کند.
• این کامپوزیت‌ها جایگزین مناسبی برای آرماتورهای فولادی در سازه‌های دریایی و عرشه پل‌ها می‌باشند.
• با توجه به وزن نسبتاً کم مصالح FRP در تقویت سازه‌ها بار مرده سازه افزایش چشم‌گیری ندارد، استفاده از مصالح FRP راهکار مناسبی است.
• با توجه به مزایای ذکر شده سازه‌هایی که در برابر خوردگی و میدان‌های مغناطیسی حساسیت زیادی دارند، استفاده از مصالح FRP پیشنهاد می‌شوند.

منابع

1. “مقاوم‌سازی دال بتن مسلح با استفاده از کامپوزیت‌های FRP”، طاهر محمدپناه، ارسطو ارمغانی، کنفرانس بین‌المللی مهندسی شهرسازی، عمران و معماری، 1395.
2. “دستورالعمل مقاوم‌سازی ساختمان‌ها با استفاده از ” FRP مرکز تحقیقات راه مسکن و شهرسازی،1392.
3. “ارزیابی تجربی تأثیر امتدادهای تقویت دال‌های دو طرفه با کامپوزیت FRP”، یاسری و کشاورزی، مجموعه مقالات همایش ملی نوین در مهندسی ، عمران