فیبرهای پلیمری تقویت شده نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر تقویتی و ماتریس رزینی از جنس پلیمر احاطه شده است. فیبرهای FRP به روش پلی اکریلونیتریل PAN ساخته می‌شوند و میلگردها و پروفیل‌ها به روش پیش عمل آوری تولید می‌گردند 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 می آورند. محصولات پلیمری مورد استفاده در سازه‌ها به شکل ورق هایFRP، میلگردهای FRP، مش‌های FRP و پروفیل‌های FRP وجود دارد.
از فیبرهای پلیمری تقویت شده FRP یا همان Fiber Reinforced Polymer ها را می‌توان برای ترمیم یا تقویت و بهسازی انواع سازه‌های بتنی با نصب بر روی سطح (دال‌ها و تیرها، ستونها، دیوارهای حمال، شناژها و فونداسیون) و در ساختمان‌های مسکونی، اداری و تجاری، ساختمان‌های صنعتی، تکیه‌گاه‌های ماشین‌الات و تأسیسات سنگین، سازه‌های آبی از قبیل سد، کانال، کالورت و غیره، پل‌های جاده‌ای و ریلی و دیواره ی داخلی تونل‌ها بهره برد.
اعضای قابل تقویت با سیستم‌های FRP در سازه‌های بنایی و بتنی به صورت پوشش‌های بیرونی شامل تیرها، دال‌ها، ستونها، دیوارها، اتصالات و طاق‌های گنبدی شکل می‌باشند.
پوشش‌های FRP را می توان جایگزین روش‌های دیگر، مانند استفاده از صفحات فولادی، غلاف‌های دور ستون‌های بتنی یا فلزی کرد.
این دستورالعمل در برگیرنده ضوابط کنترل، طراحی و نصب سیستم‌های FRP روی وجوه بیرونی سازه‌های بتنی و بنایی به منظور مقاوم سازی آن‌ها است.
مواد متشکله در FRP
مواد متشکله مورد استفاده در اغلب سیستم‌های تجاری FRP شامل رزین، آستر، بتونه، اشباع کننده، چسب و الیاف است که برای تقویت سازه‌های بتنی تولید شده اند. این مواد نقش موثر خود را برای مقاوم سازی سازه‌های بنایی نیز اثبات کرده اند.
حداقل مقاومت سطوح بتن
سیستم‌های FRP روی سطوح سالم بتن قابل استفاده می‌باشند و نباید از آن‌ها در سازه‌هایی که دارای فولاد خورده شده یا بتن فرسوده اند استفاده کرد، مگر آنکه این سطوح قبلا مطابق بخش‌های آتی، تعمیر شده باشند. لازم است نواقص، فرسودگی بتن و خوردگی آرماتورها از قبل شناسایی و ارزیابی شوند. شرایط و مقاومت بتن باید به منظور محاسبه ظرفیت چسبندگی بین مصالح تعمیری و بتن با توصیه‌های ACI 503 R مطابقت داشته باشد.
مقاومت بتن موجود عامل مهمی برای مقاوم سازی خمشی یا برشی اعضا می‌باشد. بتن موجود باید مقاومت لازم به منظور تحمل تنش‌های انتقال یافته سیستم FRP از طریق چسب را داشته باشد. حداقل مقاومت کششی بتن مگا پاسکال است که با آزمایش کشش اندازه گیری می‌شود. استفاده از سیستم‌های FRP سبب توقف خوردگی میلگردهای در حال خورده شدن نخواهد شد. هرگاه خوردگی فولادها مشهود باشد لازم است پیش از استفاده از سیستم FRP، آرماتورها و بتن تعمیر شود.
محدودیت‌های استفاده از FRP
| نوع مصالح بنایی | مشخصات اجرایی دیوار | آرایش مقاوم سازی به وسیله FRP |
|
دیوار بنایی با آجر مجوف |
ضخامت برابر میلی متر یا کمتر دیوارهای بدون گروت ریزی یا گروت ریزی جزیی (محدود) با فاصله سوراخ های گروت ریزی شده بیشتر از متر | چسباندن FRP بر روی یک سمت دیوار قابل قبول است |
| ضخامت برابر میلی متر یا کمتر دیوارهای به صورت جزیی یا کامل گروت ریزی شده با فاصله سوراخ های گروت ریزی شده متر یا کمتر | چسباندن FRP بر روی دو سمت دیوار الزامی است | |
| ضخامت برابر میلی متر یا کمتر تا میلی متر دیوارهای بدون گروت ریزی یا گروت ریزی جزیی (محدود) با فاصله سوراخ های گروت ریزی شده بیشتر از متر | چسباندن FRP بر روی دو سمت دیوار الزامی است | |
| ضخامت برابر میلی متر تا میلی متر دیوارهای به صورت جزیی یا کامل گروت ریزی شده با فاصله سوراخ های گروت ریزی شده متر یا کمتر | استفاده از FRP توصیه نمی‌شود | |
| ضخامت بزرگ تر از میلی متر گروت ریزی شده یا نشده | استفاده از FRP توصیه نمی‌گردد
|
|
|
دیوار بنایی با آجر توپر |
دیوار تک رج ضخامت کوچک تر یا مساوی میلی متر | چسباندن FRP بر روی یک سمت دیوار قابل قبول است |
| دیوار دو رج ضخامت کوچکتر یا مساوی میلی متر | چسباندن FRP بر روی دو سمت دیوار الزامی است | |
| دیوار چند رج ضخامت بزرگ تر از میلی متر | استفاده از FRP توصیه نمی‌گردد |
جزئیات مقاوم سازی ستون بتنی با صفحات FRP
کاربرد صفحات FRP برای مقاوم سازی ستونها معمولا به منظور کاستی‌های زیر است:
- ظرفیت برشی ناکافی
- ظرفیت فشاری ناکافی ناشی از کمبود نیروی محصور کنندگی بتن
- وصله نامناسب آرماتورها
استفاده از صفحات FRP برای ستون ساختمان‌ها و پل‌ها روش مناسب و شناخته شده ای محسوب می‌شود. دورپیچ کردن ستونها توسط FRP باعث افزایش نیروی محصور کنندگی بتن، افزایش گیرداری وصله‌های پوششی و جلوگیری از کمانش آرماتورهای طولی می‌شود. همچنین می‌توان از این صفحات جهت افزایش مقاومت برشی ستونها استفاده نمود.
به طور کلی در قاب‌های بتنی که شرایط ستون قوی – تیر ضعیف وجود ندارد. استفاده از FRP جهت افزایش مقاومت ستون مناسب نیست، مگر اینکه به علت محدودیت های خاص اجرایی امکان استفاده از سایر روش ها وجود نداشته باشد. در هر صورت در این خصوص باید تحلیل و طراحی بسیار دقیق صورت گیرد. عدم قطعیت در تامین مواردی چون سازگاری کرنش بین FRP و سطح بتنی و طول گیرداری مناسب،این روش را نامطلوب می‌سازد.
ملاحظات طراحی
یکی از آسیب‌های اصلی وارد بر ستون‌های بتنی طی زلزله‌های گذشته ناشی از کمبود مقاومت برشی بوده است دو ناحیه از ستون باید برای برش ارزیابی شود: انتهای ستون در ناحیه مفصل پلاستیک (در این ناحیه زوال مقاومت بتن رخ می‌دهد)، و ناحیه خارج از مفصل پلاستیک (در این ناحیه زوال مقاومت بتن اتفاق نمی‌افتد).
اثر محصور کنندگی در افزایش مقاومت ستون‌های دایره ای بیشتر از ستون‌های با مقطع مستطیل است. اتساع مقطع ستون در اثر نیروی فشاری، در مقاطع دایره ای، یکنواخت بوده و صفحه FRP اثر زیادی در جلوگیری از وقوع آن دارد. در مقاطع مستطیلی، صفحه FRP فقط از اتساع گوشه‌های مقطع جلوگیری می‌کند و اضلاع بین گوشه ها در اثر فشار خمیده می‌شوند.
در مقاطع مستطیلی اندازه هسته بتنی کاهش می‌یابد. به همین دلیل توصیه می‌شود نسبت اضلاع مقاطع مستطیلی به محدود شود و بزرگترین ضلع از سانتی متر کمتر باشد.
محصور کردن ستون توسط FRP هر چند باعث افزایش اندکی در مقاومت خمشی و سختی ستون می‌گردد، ولی برای رسیدن به این اهداف، استفاده از روش ژاکت بتنی مناسب تر است. افزایش ظرفیت خمشی مقطع محصور شده به دلیل افزایش مقاومت پوسته و هسته بتن در اثر محصور شدگی است که در هر انتهای ستون در ناحیه ای به نام ناحیه مفصل پلاستیک اولیه رخ می‌دهد.
در صورتی که فقط ناحیه مفصل پلاستیک اولیه تقویت شود، در مجاورتناحیه مفصل پلاستیک اولیه، امکان ایجاد لنگر خمشی بزرگتر از ظرفیت مقطع وجود خواهد داشتکه به ناحیه مفصل پلاستیک ثانویه موسوم است. محصور کنندگی FRP باید تمام طول نواحی مفصل پلاستیک اولیه و ثانویه را پوشش دهد.
علاوه بر موارد فوق محصور کردن ستونها باعث مقید کردن و افزایش گیرداری وصله‌های پوششی آرماتورهای طولی می‌شود. افزایش سطح مقطح ستون (اتساع مقطع) در اثر نیروی فشاری باعث کاهش گیرداری وصله‌های پوششی می‌شود. تحقیقات نشان می‌دهد وقتی کرنش اتساع مقطع به حدود می‌رسد، لغزش وصله‌های پوششی شروع می‌شود.
برای بهسازی ستون در مقابل هر یک از این کاستی‌های عنوان شده، کافی است که ضخامت صفحه FRP بر اساس عامل کنترل کننده طراحی شود و نیازی به در نظر گرفتن توام این عوامل نیست.
برای جلوگیری از لهیدگی و آسیب دیدن لبه صفحه FRP لازم است که فاصله ای حدود میلیمتر بین لبه FRP و عضو تکیه گاهی (دال، تیر یا شالوده) وجود داشته باشد.
جزئیات مقاوم سازی دیوار برشی بتنی
یکی از نکات مهم در مقاوم سازی دیوار بتنی با مصالح FRP، آماده سازی سطح بتن است، زیرا در این موارد مقاومت چسبندگی صفحات FRP به سطح دیوار تاثیر زیادی در انتقال جریان برش بین دو ماده دارد. بنابراین قبل از چسباندن صفحات FRP، سطوح متخلخل و سست بتن، لایه‌های ضعیف اندود روی سطح بتن و هر ضعف و کاستی در آن باید برطرف شود. بدین منظور می‌توان از ماسه پاشی و یا جریان آب فشار قوی استفاده نمود. سطح بتن قبل از اعمال اولین لایه رزین باید عاری از هر گونه غبار و خاک باشد. همچنین باید یک لایه بتونه برای پر کردن سوراخ‌ها به کار رود و سطحی صاف را مهیا سازد و گوشه‌های تیز را به صورت شیب دار و پخ زده در آورد.
سطح دیوار علاوه بر هموار بوئن باید صاف و بدون اعوجاج باشد تا صفحات FRP به صورت مستقیم و در یک راستا قرار بگیرند. در غیر این صورت تحت بارگذاری، این صفحات تمایل به راست شدن داشته که این موضوع باعث جدا شدن آن‌ها از سطح بتن می‌شود. زاویه خارج از صفحه یا درصد باعث آغاز جدا شدگی صفحات از سطح بتن می‌شود. چسباندن صفحات بدن FRP بر روی سطح بتن دیوار به منظور افزایش مقاومت برشی داخل صفحه به کار می‌رود. صفحه تقویتی می‌تواند در یک وجه یا هر دو وجه دیوار قرار بگیرد. چنانچه امکان داشته باشد جهت افزایش مهار شدگی صفحه، می‌توان دو انتهای دیوار را نیز با صفحات دورپیچ کرد. معیار طراحی صفحات اضافه شده به دیوار براساس مقاومت چسبندگی می‌باشد، حتی اگر این صفحات با دورپیچ کردن دو انتهای دیوار مهار شده باشند. الیاف تک جهته (در راستای افق) جهت افزایش مقاومت برشی دیوار استفاده می‌شوند. در این حالت در طراحی دیوار، خمش بعد از تسلیم کنترل کننده خواهد بود.
استفاده از الیاف راستای قائم در الیاف دو جهته باعث محدود کردن کرنش‌های قائم گردیده و در نتیجه شکل پذیری دیوار را کاهش می‌دهد. به همین دلیل توصیه می‌شود مقاوم سازی دیوار محدود به الیاف تک جهته در راستای افق باشد.
