مقاوم سازی تیر بتنی با FRP
امروزه بسیاری از سازه‌های بتن مسلح موجود بنا به دلایلی از قبیل تغییرات کاربری، تغییرات الزامات آیین‌نامه‌ای نسبت به گذشته، افزایش بار‌های وارد بر سازه، عدم طراحی درست، بی دقتی در اجرا و … دچار مشکل در ظرفیت باربری و بهره‌برداری می‌شوند. از آنجا که هزینه تخریب و ساخت ساختمان جدید بسیار سنگین و غیراقتصادی است، بحث بهسازی و تقویت سازه‌های موجود به شدت رونق یافته است. از روشهای مقاوم سازی ساختمان بتنی میتوان به ژاکت فولادی و بتنی، استفاده از کامپوزیت‌های FRP جهت افزایش ظرفیت باربری عضو و اضافه کردن المان‌های مقاوم لرزه‌ای مانند بادبند و میراگر اشاره کرد.
مقاوم سازی ساختمان ها با استفاده از FRP ها به علت وزن سبک و کاربرد آسان و همچنین مقاومت و سختی مناسب، بسیار مورد توجه و استفاده مهندسان قرار گرفته و پروژه‌های متعددی در دنیا و کشورمان انجام گرفته است. تیرها در جریان انتقال نیروهای ثقلی و جانبی دیافراگم به ستون نقش دارند، از این‌رو جزئی از سیستم سازه می‌باشند. شکست ترد در این اعضا منجر به خسارات گسترده‌ای در سازه می‌شود که باید از آن جلوگیری کرد. متأسفانه اغلب در سازه‌های موجود به علت عدم پیش‌بینی صحیح نیروهای وارد بر سازه از جمله نیروهای ناشی از زلزله، مشکل کمبود مقاومت در تیرها مشاهده می‌شود.
تقویت خمشی با استفاده از پلیمرهای مسلح شده با الیاف (FRP)
یکی از کاربرد پلیمرهای مسلح شده با الیاف (FRP) تقویت خمشی تیرها و یا دال‌های بتنی در دهانه‌های بلند می‌باشد. البته این به این معنی نیست که نمی‌توان از FRP در تیرها و دال‌های با دهانه‌های کوچک استفاده کرد.
درصورتی‌که طراحی اولیه عضو نامناسب باشد میتوان با استفاده از الیاف FRP سختی و مقاومت خمشی را افزایش داد. اگر نسبت ضخامت و ارتفاع عضو به دهانه آن کم باشد، سختی آن کم و در نتیجه خیز وسط دهانه عضو ( تیر یا دال) افزایش می‌یابد. همچنین اگر مقدار آرماتور خمشی در تیر یا دال از حد نیاز کمتر باشد، ترک‌های خمشی در زیر تیر یا دال ایجاد می‌شود. این ترک‌ها به‌صورت قائم بوده و در راستای خمش (عمود بر راستای آرماتورهای طولی) در محل لنگر خمشی بیشینه ایجاد می‌شوند.
پیشنهاد برای مطالعه
برای افزایش سختی و مقاومت خمشی میتوان ورق‌های پلیمری کربنی (CFRP) را توسط چسب اپوکسی FRP به وجه کششی عضو خمشی چسباند. درنتیجه وسط تیر ورق‌های پلیمری باید به وجه تحتانی و تکیه‌گاه این ورق‌ها باید به وجه فوقانی چسبانده شوند. جهت الیاف باید در راستای آرماتورهای فولادی باشند زیرا سختی و مقاومت کششی الیاف در راستای آن بیشترین مقدار را دارند. با وجود ضخامت کم الیاف پلیمری، مدول الاستیسیته بالایی دارند که سختی تیر یا دال افزایش پیدا می‌کند و درنتیجه خیز آن کاهش می‌یابد.
مقاوم‌سازی اعضای خمشی با الیاف اف آر پی (FRP) اهمیت زیادی دارد. این روش مقاوم‌سازی در سازه‌های متنوعی استفاده می‌شود. برای مثال روش مقاوم‌سازی خمشی با FRP برای مقاوم‌سازی عرشه پل‌ها، تیر ساختمان‌های مسکونی، دال ساختمان‌ها به‌طور متداول مورد استفاده قرار میگیرند.
تقویت برشی با استفاده از الیاف پلیمری (FRP)
در تیرهای بتنی خاموت‌ها که در جهت عمود بر راستای تیر قرار میگیرند، نقش تأمین مقاومت برشی آن را ایفا می‌کند. همان‌طور که می‌دانیم به علت مقاومت برشی کم بتن، از خاموت برای تأمین مقاومت برشی کافی در تیرها استفاده می‌شود. چنانچه تیری فاقد مقاومت برشی کافی باشد، ترک‌های برشی در محل برش بیشینه، برای تکیه‌گاه، به‌صورت مایل با زاویه حدوداً 45 درجه تشکیل می‌شوند. برای تقویت برشی تیرها معمولاً الیاف پلیمری (FRP) را به‌صورت مایل یا قائم (عمود بر راستای ترک‌های برشی) به طرفین تیر می‌چسبانند. هرچه زاویه بین الیاف با راستای عمود بر ترک‌های برشی کمتر باشد اثر آنها در افزایش مقاومت برشی تیر بیشتر است. نوارهای FRP که برای تقویت برشی تیر به کار می‌روند می‌توانند به صورت U شکل باشند و یا کاملاً پیرامون تیر را بپوشاند.
پیشنهاد برای مطالعه
تسلیح سطحی با استفاده از آرماتورهای FRP
ورق‌های FRP که به منظور مقاوم‌سازی عضو بتنی به سطح اعضای بتنی چسبانده می‌شوند در مقابل ضربه، حرارت، آتش و اشعه ماورای بنفش آسیب‌پذیر می‌باشند. برای جلوگیری از این آسیب‌ها میتوان از روش تسلیح سطحی یا همان روش مقاوم‌سازی با FRP به روش NSM استفاده نمود.
در این روش شکاف‌هایی با عمق کمتر از ضخامت پوشش بتن در سطح بتنی عضو ایجاد شده و آرماتورهای پلیمری کربنی (CFRP) و یا آرماتورهای پلیمری شیشه (GFRP) در داخل این شکاف‌ها چسب می‌شوند. در این روش سطح مناسبی بین آرماتورهای GFRP و CFRP و عضو ایجاد می‌شود.
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP جهت رسیدن به عملکرد دلخواه از طریق افزایش ظرفیت باربری خمشی و برشی، افزایش مقاومت در برابر سایش، افزایش مقاومت در برابر خوردگی و حتی حرارت می باشد. برای مقاوم سازی تیر بتنی با FRP که آرماتور آنها به دلیل حضور در شرایط نامساعد خورده شده اند، نیز میتوان از مصالح FRP استفاده کرد. بدین ترتیب تیر بتنی ضمن افزایش مقاومت خمشی و برشی، در مقابل شرایط محیطی خورنده نیز با استفاده از FRP محافظت می شوند.
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP و تقویت تیر بتنی با FRP روش نسبتاً جدیدی به شمار می‌رود که در پروژه های بهسازی لرزه ای مورد استفاده قرار می‌گیرد. مصالح FRP خواص فیزیکی بسیار مناسبی دارند که میتوان به مقاومت کششی بالا و ضخامت و وزن کم اشاره آن نمود. در مجموع مقاوم سازی و تقویت تیر بتنی با FRP جهت افزایش عملکرد لرزه ای آن از طریق افزایش ظرفیت باربری خمشی، برشی، افزایش مقاومت در برابر سایش، افزایش مقاومت در برابر خوردگی و حتی حرارت می‌باشد. روشهای متعددی جهت رفع ضعف تیر وجود دارد، که از جمله آنها میتوان روش مقاوم سازی تیر بتنی با FRP را به دلیل مزایای بسیار بالای آن نام برد. در حقیقت مقاوم سازی تیر بتنی با FRP راه حل اقتصادی و موثری برای تقویت تیر بتنی در برابر خمش و برش می باشد که امروزه بدلیل کاهش قیمت FRP به خصوص در ایران بسیار متداول شده است. در جریان مقاوم سازی تیر بتنی با FRP مصالح و الیاف FRP در طی 3-4 روز به 3 برابر مقاومت کششی فولاد می رسند، از این رو با توجه به اینکه الیاف FRP مقاومت کششی بسیار بالایی نسبت به ورقه های فولادی دارند، اتصال FRP به ناحیه کششی بتن در تیر بتنی سبب افزایش ظرفیت خمشی مقطع خواهد شد. عوامل متعددی مانند ابعاد مقطع تیر بتنی، مساحت و مشخصات مکانیکی میلگردهای موجود و FRP مورد استفاده و همچنین مقاومت بتن موجود، در میزان افزایش مقاومت خمشی سازه های بتنی با استفاده از سیستم های FRP دخیل می باشند. در ادبیات فنی این افزایش مقاومت از 10 تا 160 درصد گزارش شده است. لذا با توجه به محدودیت های موجود در خصوص شکل پذیری، ضوابط بهره برداری و دیگر محدودیت های آیین نامه ای، افزایش مقاومت خمشی سازه های بتنی تا حداکثر 40 درصد قابل قبول تلقی و توصیه شده است. همچنین در مقاوم سازی تیر بتنی با FRP با اتصال مصالح FRP به ناحیه کششی بتن به طوری که راستای الیاف آن عمود بر محور طولی تیر باشد، موجب افزایش مقاومت برشی تیر می شود. نتایج مطالعات نشان می‌دهد که سختی تیرهای بتنی مقاوم سازی شده با FRP، بعد از ترک خوردگی بسیار بیشتر از سختی تیرهای تقویت نشده بعد از ترک خوردگی است که این مسئله در هنگام زلزله بسیار حائز اهمیت می‌باشد. ورقه ها و لمینیت FRP بدلیل ضخامت کمی که دارند (حدود 05/0 اینچ یا 3/1 میلی متر) با کمترین افزایش در ابعاد تیر باعث مقاوم سازی تیر می‌شوند. کارشناسان فنی و مهندسان شرکت مقاوم سازی افزیر جهت مقاوم سازی تیر بتنی با FRP، تعداد و جهت گیری فیبرها در هر لایه FRP را بطور دقیق محاسبه کرده و نقشه مهندسی برای ترمیم و مقاوم سازی تیر بتنی با FRP ارائه می دهند.
لازم به ذکر است جهت مقاوم سازی تیرهایی که آرماتور آنها به دلیل حضور در شرایط نامساعد محیطی خورده شده اند نیز میتوان از مصالح FRP بهره جست.
کاربرد FRP در تیرهای بتنی
انواع تیرهای بتنی که میتوان با FRP مقاوم سازی کرد عبارتند از:
- تیر بتنی مسلح
- تیر بتنی پیش تنیده
- تیرهای بتنی پیش ساخته
پیشنهاد برای مطالعه
مزایای روش مقاوم سازی تیر بتنی با FRP
کامپوزیت FRP مزایای مختلفی دارند که به طور خلاصه عبارتند از:
- افزایش مقاومت خمشی تیر
- افزایش مقاومت برشی تیر
- افزایش شکل پذیری تیر
- افزایش مقاومت در برابر خوردگی
- افزایش دوام و عمر
- کنترل عرض ترک
- ضخامت کم ورقه های FRP و عدم تغییر قابل توجه در ابعاد تیر
- سهولت در اجرا
- هزینه پایین نسبت به روش های مرسوم دیگر
- ترمیم ناشی از خوردگی
اجرای مقاوم سازی تیر بتنی با FRP
جهت استفاده از مصالح FRP برای مقاوم سازی تیر بتنی با FRP، سطح بتن و سطح الیاف بایستی جهت نصب و اجرای سیستم مقاوم سازی آماده سازی گردد. این آماده سازی شامل مراحل زیر است:
آماده کردن سطح بتن
برای جلوگیری از کنده شدن صفحه FRP و چسب یا رزین از روی سطح بتن، این سطح باید به نحو مناسبی قبل از رزین زدن آماده سازی گردد. در این راستا تمام موارد ناصافی و ناهمواری باید صاف و هموار گردند. وقتی یک لایه نازکFRP بر روی سطح ناهموار بتنی چسبانده شود، قسمت های FRP که روی ناهمواری ها قرار گرفته دچار کشش می‌گردد و تمایل به صاف شدن دارند و این سبب ایجاد تنشهای جدا کننده می‌گردد که ممکن است پس از رسیدن به حد معینی، سبب از بین رفتن چسبندگی در این نقاط شود.
آماده سازی سطح FRP
اگر سطح صفحه FRP به طور مناسب آماده نشود، به عنوان مثال اگر ذرات آلودگی و چربی از سطح FRP برداشته نشود، ممکن است جدایی اتصال در سطح نوار FRP با چسب رخ دهد.
در حال حاضر چسب های FRP بسیار قدرتمندی توسط شرکت مقاوم سازی افزیر در دسترس می‌باشند که می‌توانند در چسباندن و استفاده از نوارها، لمینیت ها و الیاف FRP مورد استفاده قرار گیرند. با توجه به اینکه مقاومت رزین ها و چسبها از مقاومت بتن بیشتر است، به همین دلیل در اغلب حالات مکانیزم شکست در بتن رخ می‌دهد و شکست در لایه چسب به ندرت رخ می‌دهد. تنها در صورت استفاده از چسب نامناسب و یا اجرای غلط و نامطلوب در سیستم FRP، امکان بروز مشکل در لایه چسب وجود دارد. این مشکل در سطح مشترک چسب و الیاف FRP و یا در سطح مشترک بتن و چسب رخ می‌دهد.
محل کاربرد و مزایای مقاوم سازی تیر بتنی با FRP
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در پروژه های دارای محدودیت منابع مالی به علت صرفه اقتصادی
- کاهش هزینه های تولید، طراحی، نصب و اجرای مصالح FRP به علت پیشرفت دانش فنی و در نتیجه عدم نیاز به ضرایب اطمینان گذشته به علت جهل در رفتار آن ها
بهسازی تیر بتنی با FRP در پروژه های دارای محدودیت اجرایی
- انتقال آسان مصالح FRP به فضای داخلی پروژه به علت حجم و وزن اندک آن ها در مقایسه با روش های سنتی مقاوم سازی با جکت فولادی یا بتنی
- نصب ساده مصالح FRP به کمک چسباندن بر روی تیر
- سهولت برش در اندازه‌های دلخواه
- امکان تقویت به صورت خارجی
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در پروژه های نیازمند به اجرای سریع و ضربتی
- عدم نیاز به عمل آوری طولانی مدت و کاهش زمان اجرا
- رسیدن به 3 برابر مقاومت کششی فولاد در طی یک روز
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در پروژه های نیازمند به عدم اختلال در بهره برداری
- استفاده از ابزار آلات ساده و کم حجم برای اجرا و در نتیجه کمترین اختلال در بهره برداری
- عدم نیاز به عملیات کارگاهی دشوار و نیازمند به تخلیه سازه از جمله برشکاری، سوراخ کاری و جوشکاری
- عدم نیاز به کاشت بولت و خرابی های آن بر خلاف روش های سنتی مقاوم سازی با جکت فولادی یا بتنی
- عدم نیاز به داربست گسترده بر خلاف روش های سنتی مقاوم سازی با جکت فولادی یا بتنی
ترمیم و تقویت تیر بتنی با FRP در پروژه های نیازمند به کمترین تغییر معماری
- کم ترین تغییر در ابعاد، شکل و وزن در المان های مقاوم سازی شده با FRP به علت ضخامت کم آن ها نسبت به روش های سنتی مقاوم سازی با جکت فولادی یا بتنی
مقاوم‌سازی تیر بتنی با FRP در تیر دارای ضعف خمشی
- افزایش قابل توجه ظرفیت خمشی تیر در صورت هم راستایی الیاف با راستای تیر
- بهره گیری از ظرفیت کششی FRP برای مقاوم سازی المان تحت خمش مثبت و منفی با چسباندن صفحات FRP به وجوه بالا و پایین تیر
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در تیر دارای ضعف برشی
- افزایش قابل توجه ظرفیت برشی تیر در صورت عمود یا مایل بودن راستای الیاف نسبت به راستای تیر (رکابی خارجیU شکل)
- بهبود وضعیت مهاری صفحات FRP به کار گرفته شده برای تقویت خمشی در صورت استفاده از رکابی خارجی U شکل ممتد
- ضرورت گرد کردن گوشه های مقطع مربع با شعاع حداقل 30 میلیمتر به علت احتراز از تمرکز تنش در آن ها
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP برای افزایش مقاومت موضعی تیرهای دارای سوراخ
- تقویت موضعی اطراف سوراخ های تیر به علت عبور تاسیسات به کمک FRP
- مقاوم سازی تیر بتنی با FRP برای تامین سطح مقاوم در برابر سایش
- مقاومت سایشی قابل توجه مصالح FRP در مقایسه با مصالح سنتی
- تعمیر تیر بتنی با FRP برای تیرهای با پوشش بتن ترک خرده
- افزایش دوام و مقاومت در برابر خوردگی با کاهش عرض ترک ها
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در پروژه های نیازمند به تامین سطح مقاوم در برابر خوردگی و دارای عمر مفید طولانی
- عدم نیاز به تکرار مقاوم سازی پس از چند سال و یا نگهداری شدید از المان بر خلاف استفاده از جکت های فولادی یا بتنی
- سازه طرح از ابتدا یا موجود
- افزایش عمر مفید سازه به علت محافظت از بتن و آرماتور در برابر شرایط مخرب محیطی از قبیل حضور سولفور، کلر، رطوبت، محیط قلیایی و اسیدی و …
- سازه آسیب دیده
استفاده از سامانه پس کششی FRP و در نتیجه
- تقویت خمشی و برشی المان
کاهش عرض ترک های موجود در پوشش بتنی به کمک کشش اولیه ایجاد شده در صفحات FRP
- محافظت آتی از آرماتورها در برابر شرایط مخرب محیطی
مقاوم سازی پوتر بتنی با FRP برای افزایش مقاومت در برابر حرارت
- محافظت از تیر بتنی به علت ایجاد پوشش نارسانای حرارتی
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP برای تامین آب بندی کامل المان
- افزایش عمر مفید
- کاهش سرعت خوردگی
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP برای تامین فضای نارسانای الکتریکی
- محافظت از تیر بتنی به علت ایجاد پوشش نارسانای الکتریکی
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP برای تامین فضای نارسانای مغناطیسی
- محافظت از تیر بتنی به علت ایجاد پوشش نارسانای مغناطیسی
- ایده آل برای سایت های با دسترسی محدود به علت حجم و وزن اندک
- دارای نسبت بالای مقاومت به وزن
- دارای چگالی در حدود 20 درصد فولاد
قاوم سازی تیر بتنی با FRP برای رفع مشکل کمبود سختی المان و خیز و ارتعاش بیش از حد آن
- تامین سختی قابل توجه با بهره گیری هوشمندانه از الیاف و رزین متناسب
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در پروژه های دارای اشتباهات طراحی
- میلگرد گذاری نادرست بتن
- اجرای اشتباه خاموت ها
- خیز غیر مجاز دال و سقف بتن آرمه
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در پروژه های دارای اشتباهات اجرایی
- جدا شدگی سنگ دانه ها بتن
- کرمو شدگی سطح بتن و تجمع سنگدانه ها
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در پروژه های مقاوم سازی به علت تغییر در کاربری سازه و بارگذاری های اضافی ثقلی و جانبی
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در پروژه های مقاوم سازی به علت افزایش تعداد طبقات ساختمان های بتنی
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در پروژه های دارای ضعف اتصالات بتن
