مقاوم سازی عرشه پل با FRP

عرشه، سطح پل و یکی از عناصر اساسی پل است که در قسمت فوقانی پل قرار می گیرد. عرشه پل ممکن است از فولاد، بتن، چوب و یا از ترکیب آنها ساخته شده باشد که امروزه عرشه پل بتن آرمه(RC) محبوب ترین نوع آن است.

عمر مفید عرشه پل ها اغلب به علت
– خوردگی میلگردهای فولادی به دلیل عوامل سخت محیطی
– ترک های ناشی از بارگذاری های بیش از حد مجاز
– افزایش حجم ترافیک
– و موارد دیگر
کاهش می یابد.

راه حل های پیشنهادی برای حل مشکلات

1- تعویض کل ساختار عرشه
2- استفاده از ورق‌های فولادی (ژاکت فولادی) جهت مقاوم سازی عرشه پل
3- استفاده از روش افزایش ابعاد و ضخامت عرشه به روش ژاکت بتنی
4- استفاده از مواد FRP جهت مقاوم سازی عرشه پل
بدیهی است که هر کدام از این راه‌حل‌ها به تناسب موقعیت، مزایا و معایبی دارند که در ادامه به بررسی برخی از آن‌ها خواهیم پرداخت.

 تعویض کل ساختار عرشه

جایگزینی به این معنی است که یک عرشه آسیب‌دیده را با یک عرشه‌ی جدید که به صورت نوین و با توجه به ظرفیت باربری و سرویس‌دهی جدید طراحی شده است، جایگزین کنیم.

مزایای تعویض ساختار عرشه

– استفاده از فناوری‌های ساخت ‌و ساز جدید
– اقتصادی بودن جایگزینی نسبت به تعمیر و بهسازی در بعضی از موارد
– قابلیت طراحی عرشه جدید با توجه به نیازهای روزافزون
– امکان افزایش ظرفیت سرویس‌دهی

معایب تعویض ساختار عرشه

– وقت‌گیر بودن
– اقتصادی نبودن
– ایجاد ترافیک شدید
– بسته شدن راه‌های ارتباطی مهم

استفاده از ورق‌های فولادی (ژاکت فولادی) جهت مقاوم سازی عرشه پل

ورق‌ها و یا ژاکت‌های فولادی یکی از روش‌های مقاوم‌سازی عرشه پل می باشند که سبب افزایش مقاومت و شکل‌پذیری در مقابل ایجاد تغییرات جزئی در وزن عرشه می شوند. در این روش با اضافه کردن یک ورق فولادی به عرشه و مهار کردن آن، فضای بین ورق و عرشه با گروت یا مصالح بر پایه اپوکسی پر می شود تا علاوه بر ایجاد چسبندگی ، مقاومت عرشه را افزایش دهد.

مزایای استفاده از ورق‌های فولادی

– امکان اصلاح اتصالات در قاب‌ها
– سهولت ایجاد پیوستگی بین اعضا
– عدم نیاز به پوشش ضد حریق
– دخالت ناچیز در معماری

معایب استفاده از ورق‌های فولادی

– کاهش ایمنی در برابر آتش
– خوردگی و زنگ‌زدگی فولاد
– افزایش سختی المان‌ها
– زمان نصب طولانی

 استفاده از روش افزایش ابعاد و ضخامت عرشه به روش ژاکت بتنی

یکی دیگر از روش‌های تقویت عرشه بتنی پل افزایش ضخامت و ابعاد آن با ژاکت بتنی است که در این روش بتن و میلگردهای جدید بر روی عرشه یا در قسمت زیرین عرشه برای افزایش مقاومت و سختی به کار گرفته می شوند.

مزایای افزایش ضخامت با استفاده از ژاکت بتنی

– اصلاح مشکل مقاومت و سختی عرشه به‌طور هم‌زمان
– عدم نیاز به پوشش ضد حریق
– سهولت ایجاد پیوستگی بین اعضا
– عدم آسیب‌پذیر کردن عرشه در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی

معایب افزایش ضخامت با استفاده از ژاکت بتنی

– افزایش قابل توجه وزن عرشه
– نیاز به قالب‌بندی و عملیات اجرایی متعدد
– هزینه نسبتاً زیاد
– زمان طولانی نصب

 استفاده از مواد FRP جهت مقاوم سازی عرشه پل

الیاف پلیمری تقویت‌شده (FRP) دارای دو جزء، الیاف یا فیبر به عنوان المان تقویت‌کننده و پلیمر یا رزین اپوکسی به عنوان المان نگه‌دارنده می باشند. الیاف به طور کلی محکم‌تر از پلیمر هستند و در واقع المان حمل بار نیز محسوب می شوند. رزین یک تکیه‌گاه جانبی را برای الیاف به وجود می آورد و از الیاف در برابر شرایط محیطی مقاومت می کند.
مصالح FRP را معمولا می توان به صورت ورقه‌های FRP (لمینیت)، نوارهای FRP و میلگردهای FRP جهت مقاوم سازی عرشه پل استفاده کرد.

مزایای استفاده از FRP

– زیاد بودن نسبت مقاومت به وزن مصالح FRP
– سازگاری حرارتی با بتن
– مقاوم بودن در برابر خوردگی
– قابلیت استفاده در سطوح نامنظم

معایب استفاده از روش FRP

– امکان جدا شدن کامپوزیت از بستر خود در صورت اتصال نامناسب و یا مرغوب نبودن رزین اپوکسی
– سازگاز نبودن FRP از نوع الیاف شیشه (GFRP) به جز ArGlassدر محیط‌های قلیایی
– رفتار FRP ترد است و گسیختگی ناگهانی رخ می دهد
– کاهش مقاومت کششی نهایی میلگردهای FRP با کاهش قطر

از جمله مزیت‌هایی که مواد FRP در مقایسه با روش‌های دیگر دارند

– مواد FRP نسبت به سایر موارد مشکلاتی از جمله حمل‌و نقل ، مشکلات نصب و همچنین افزایش وزن سازه را ندارند. و به همین دلیل (آسان بودن کار کردن با آن‌ها)، کاغذدیواری سازه‌ای (structural wallpaper) نیز نامیده می شوند.
– مقاومت کششی بتن تا حد زیادی پایین است و مقاومت کششی فولاد حدود 200 مگا پاسکال است در حالی که مقاومت کششی کربن (CFRP) 3500 تا 4800 مگا پاسکال است و این به این معنی است که مقاومت کششی FRP تقریبا 10 برابر است.
– در عرشه پل‌ها ازجمله مواردی که باید در نظر گرفته شود این است که فولاد مورد استفاده از لحاظ سیکل های باربرداری و بارگذاری مشکلی نداشته باشد این در حالی است که رفتار خستگی در FRP بر خلاف فولاد بسیار خوب است و آنها می توانند سیکل های بسیار زیادی را تحمل کنند و بعد گسیخته شوند.
– با نصب FRP کرنش ها به میزان 30 تا 40 درصد کاهش می یابند.
– نوارهای FRP استحکام خمشی را تا ۳۵% و مقاومت برشی را تا 20% افزایش می دهند.
– قرار گرفتن ورقه های FRP به مدت 60روز در آب و در دمای اتاق تاثیری بر ظرفیت باربری آنها نخواهد گذاشت.

عملکرد ورقه های FRP به عنوان اتصالات خارجی درعرشه پل ها بستگی به نوع کاربرد آنها دارد. از جمله کاربردهای FRP در عرشه پل ها می توان موارد زیر را نام برد:
– استفاده از مصالح FRP برای افزایش ظرفیت عرشه پل و مقاوم سازی آن
– استفاده از مواد FRP برای عرشه پل هایی که در معرض خطرات شدید محیطی(دما، رطوبت، خوردگی و …) قرار دارند
– استفاده از مواد FRP برای پوشاندن ترک در عرشه پل
– و ….

نکات اجرایی قبل از نصب مصالح FRP

– برای اجرای عملیات نصب مصالح FRP مقاومت فشاری بتن چندان اهمیتی ندارد بلکه مقاومت برشی سطحی برای ما مهم است. برای این منظور آزمایشی به نام آزمایش pull off را انجام می دهیم، مقدار مقاومتی که از طریق این آزمایش بدست می آید باید از حدی بیشتر باشد تا بتوانیم از روش اتصال FRP به سطح موردنظر استفاده کنیم.
– آماده سازی سطح بتن برای نصب، به صورتی که باید پرداخت ها و مصالحی که روی بتن قرار دارند و مقاومتی ندارند (مانند ملات ) را از روی سطح بتن برداشته به طوری که سنگدانه ها نمایان شوند.
– شستشوی سطح مورد نظر با آب و خشک کردن آن
– تمیز کردن سطح مورد نظر با استون
– آماده سازی سطح ورقه های کامپوزیت با سنباده کشیدن ورقه ها و سپس تمیز کردن با استون

نکات نصب مواد FRP به عرشه پل

– نصب ورقه های FRP معمولا در قسمت زیرین عرشه صورت می گیرد.
– ورقه های FRP به صورت موازی و عمود بر جهت ترافیک نصب می شوند.
– به دلیل مقاومت زیاد الیاف کربن نسبت به الیاف دیگر برای سازه های پل ترجیحاً از ورق کربن استفاده می کنیم.
– افزایش ضخامت ورقه های کامپوزیت نه تنها منجر به بهبود عملکرد نمی شود بلکه باعث کاهش مقاومت نیز می گردد.
– طول ورقه های کامپوزیت تاثیر قابل توجهی بر مقاومت دارد، هرچه طول ورقه ها افزایش یابد مقاومت بیشتر می شود.

تکنیک های مقاوم سازی با مواد FRP

رایج ترین تکنیک های مقاوم سازی با کامپوزیت های FRP عبارتند از:
1- روش تقویت اتصالات خارجی (EBR) با استفاده از ورق ها و نوارهای FRP
2- روش نصب در نزدیکی سطح (NSM) با استفاده از نوارها و میلگردهای FRP

مقاوم سازی عرشه پل با مصالح FRP

اكثر عرشه هاي پل ها به صورت دال هاي بتن مسلح ساخته مي شوند. بنابراین در این بخش به بررسی مقاوم سازی دال های بتنی با مصالح FRPخواهیم پرداخت.
دو نوع عرشه بتنی معمولی وجود دارد:
– عرشه بتنی یک طرفه
– عرشه بتنی دو طرفه

عرشه بتنی یک طرفه

عرشه یک طرفه، دالی است که توسط تیرهایی در دو سمت مخالف آن پشتیبانی می شود. انتقال بارها در این نوع آن ها در یک راستا انجام می شود. در این نوع عرشه ها، نسبت ضلع بلند به ضلع کوتاه برابر یا بیشتر از ۲ است.

مکانیزم شکست

در عرشه پل دو طرفه خطرشکست خمشی بیشتر از شکست برشی است. بنابراین معمولاً مقاوم سازی عرشه پل دو طرفه برای تقویت خمشی صورت می گیرد . زمانی که بار یکنواخت به عرشه بتنی یک طرفه اعمال می شود، در نقاطی با ماکزیمم لنگر خمشی مفصل پلاستیک تشکیل می¬شود و زمانی که این نقاط در یک خط به هم متصل می شوند گسیختگی خمشی در آن ها اتفاق خواهد افتاد. به این خطوط ،خطوط تسلیم گفته می شود.
خطوط تسلیم مستقیم هستند و انتهای خطوط تسلیم در مرز عرشه می باشد.

مقاوم سازی عرشه بتنی یک طرفه با FRP

مصالح FRP در جهت مورد نیاز و عمود بر خط تسلیم پیش بینی شده نصب می شوند. به عبارتی نوارهای FRP عمود بر تیرهای عرشه نصب می شوند.
در این عرشه ها هم می توان از نوارهای FRP و هم از میلگردهای FRP استفاده کرد. اما میلگردهای FRP مزایای کمی بهتری نسبت به نوارهای FRP دارند از جمله نصب سریع تر و اشغال کردن فضای کم تر که باعث می شود محدوده کمتری نیاز به آماده سازی داشته باشد.

عرشه بتنی دو طرفه

عرشه دو طرفه، دالی است که توسط تیرهایی در هر چهار طرف پشتیبانی می شود و انتقال بارها در چهار راستا صورت می گیرد. در دو طرف آن ها، نسبت ضلع بزرگتر به ضلع کوتاه تر کمتر از ۲ است.

مکانیزم شکست

گسیختگی در این نوع عرشه ها در جهات مختلف صورت می گیرد و خطوط گسیختگی در مرکز متمرکز هستند.

مقاوم سازی عرشه بتنی دو طرفه با FRP

با توجه به مکانیزم شکست در عرشه های دو طرفه، نوارها و ورقه های FRP باید در مرکز متمرکز شوند و دور از گوشه ها نصب شوند.
در این نوع عرشه ها می توان از ترکیب روش EBR و NSM استفاده کرد. به طوری که در جهت موازای به لبه های کوتاه تر میلگردها و یا نوارهای FRP را به روش NSM قرار می دهیم و در جهت موازی با لبه بلند تر نوارهای FRP را به روش EBR قرار می دهیم. علت این است که آزمایشات نشان داده است میلگردهای FRP در مقایسه با نوارهای FRP مقاومت خمشی کمتری ایجاد می کنند و در لبه طولانی تر به مقاومت خمشی بیشتری نسبت به لبه  کوتاه تر نیاز داریم.