طراحی و محاسبات مقاوم سازی با FRP

مقاوم سازی سازه های موجود یا مرمت آنها به منظور تحمل بارهای مضاعف طراحی، بهبود نارسایی های ناشی از فرسایش، افزایش شکل پذیری سازه یا سایر موارد با استفاده از مصالح مناسب و شیوه های اجرایی صحیح بطور متعارف انجام می گردد. استفاده از صفحات فولادی به صورت پوشش خارجی، غلاف های بتنی یا فولادی و پس کشیدگی خارجی تعدادی از روش های متعارف موجود است. امروزه گرایش به استفاده از سیستم کامپوزیت پلیمری FRP در صنعت مقاوم سازی ساختمان رشد زیادی داشته است. در طراحی برای تقویت سازه ها و مقاوم سازی با FRP و نیز در عملیات بهسازی لرزه ای، استفاده از مصالح FRP  یکی از روش های مناسب می‌باشد که رعایت ضوابط طراحی در آنها حائز اهمیت است. شرکت مقاوم سازی افزیر با سابقه طولانی در امر مقاوم سازی ساختمان ها و تقویت سازه ای صنایع مختلف، تجربه و توان علمی بالا در زمینه مشاوره و طراحی سیستم FRP در کشور ایران دارد. شرکت مقاوم سازی افزیر با بررسی ضعف ها و مشکلات سازه ای موجود و نقشه های as-built (نقشه چون ساخت)، طراحی سیستم FRP به صورت بهینه انجام می شود.

FRP ها بر اساس مقاومت در برابر نیروهای کششی طراحی می شوند، این مصالح کامپوزیتی می‌بایست سازگاری کرنشی را با بتن متصل شده داشته باشند. از مقاومت فشاری مصالح مقاوم سازی FRP در محاسبات و طراحی سازه صرف نظر می‌شود.

اصول طراحی مقاوم سازی با FRP

اصول طراحی سیستم مقاوم سازی FRP بر اساس محاسبات و طراحی سازه های بتنی مرسوم و نیز رفتار مکانیکی مصالح FRP پایه گذاری شده است. سازه های بتن آرمه مقاوم سازی شده با FRP باید براساس ضوابط موجود برای مقاومت و قابلیت خدمت رسانی طراحی شوند. برای این منظور باید از ضرائب بار آیین نامه بتن ایران (آبا) برای مقاصد طراحی استفاده گردد. برای طراحی سیستم FRP بمنظور بهسازی لرزه ای ساختمان ها، پیشنهاد می‌گردد از اصول حاکم طراحی بر اساس ظرفیت در محاسبات تقویت با FRP استفاده گردد.

محدودیت های مقاوم سازی با FRP

به منظور طراحی سیستم‌ FRP نیاز است تا محدودیت هایی که در این روش مقاوم سازی وجود دارند، بررسی شود. محدودیت های اشاره شده به منظور جلوگیری از فروریزش سازه و سایر آسیب های سیستم FRP که ناشی از عواملی نظیر حریق، خرابکاری و … است، می باشد. در مجموع اعضای سازه ای تقویت نشده، بدون نصب مصالح FRP، توان تحمل کافی برای مقاومت در برابر مقدار معینی از بار را داشته باشند.

مقاومت کلی سازه تقویت شده با FRP

هدف نهایی از بکارگیری و طراحی سیستم FRP، مقاوم سازی سازه و افزایش مقاومت اعضا در خمش و برش می‌باشند که پیش تنیدگی مضاعفی را نیز ایجاد می‌کنند. در این فرایند باید مطمئن شد که دیگر حالات گسیختگی همانند برش سوراخ شدگی پانچ و ظرفیت باربری فونداسیون‌ها تحت تاثیر سیستم FRP قرار نگیرد. بنابراین نیاز است تا تمامی اعضاء سازه، قادر به تحمل بارهای افزایش یافته وارد بر اعضای مقاوم سازی باشند. در طراحی سیستم FRP ، باید تحلیل های لازم جهت بررسی و اطمینان از بالاتر بودن احتمال وقوع گسیختگی خمشی نسبت به گسیختگی برشی برای اعضای تقویت شده با FRP انجام گیرد.

ضوابط لرزه ای در طراحی سیستم FRP

در مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای ساختمان ها، سهم عمده تقویت‌ های سازه، مربوط به تقویت ستون ها با FRP می‌باشد. تقویت ستون ها در سیستم های FRP، توسط محصور سازی آنها صورت می‌گیرد و سبب افزایش مقاومت فشاری و برشی بتن، افزایش ظرفیت منحنی اندرکنش ستون و شکل پذیری و نیز کاهش طول وصله می‌گردد.

در مواردی که تیرها یا دال های ساختمانی در نواحی زلزله خیز مقاوم سازی می شوند، باید تدابیری اندیشید که تقویت سازه با FRP سبب تشکیل مفصل پلاستیک در بر ستون و اتصال صورت نگیرد. برای این منظور نیاز است تا مقاومت و سختی تیر، دال و ستون به صورت جداگانه کنترل شود.

مقاومت سازه مقاوم سازی شده با FRP در برابر آتش

مقادیر مقاوم سازی که توسط روش های FRP بصورت روش اجرای پوشش بیرونی یا روش EBR صورت می‌گیرد، اغلب توسط آیین نامه های حریق به مقادیر مشخصی محدود می‌شوند. رزین اپوکسی بکار رفته در در سیستم های FRP ، پس از اجرا و عمل آوری، در صورتی که تحت تاثیر آتش قرار گیرند، یکپارچگی و استحکام خود را در درجه حرارت بیشتر از دمای گذار شیشه ای (Tg) از دست خواهند داد. دمای Tg  برای رزینها و چسبهای FRP عموماً، در محدوده بین 60 تا 80 درجه سانتی‌گراد متغیر است. این مقادیر به وضوح نشان می‌دهند که در اثر وقوع آتش سوزی سیستم های مقاوم سازی FRP، پایایی کافی در برابر حریق را نخواهند داشت. برای افزایش مقاومت مصالح FRP در برابر حریق، مناسبترین روش عایق بندی آنها با پوشش های ضد حریق FRP می‌باشد.

مصالح FRP به تنهایی پایایی زیادی در برابر حریق ندارند، اما با ترکیب مناسب سیستم‌های FRP  و سازه بتنی تقویت شده، می‌توان دوام و پایایی  بسیار بالایی در کل سازه در برابر حریق ایجاد کرد. این افزایش بدین صورت ایجاد می‌گردد که در طراحی سازه، شرایطی ایجاد کرد که وظیفه مقاومت در برابر حریق منحصراً توسط سازه بتنی موجود تامین گردد. جهت برآورد مقاومت در برابر حریق سازه های بتنی مقاوم سازی شده با FRP ، نیاز است تخمین زده شود که تحمل سازه های بتنی تا چه حدی بدلیل افت مقاومت تسلیم فولاد و مقاومت فشاری بتن ناشی از حریق، کاهش یافته و گسیخته می گردد.

با بررسی دقیق آئین نامه ACI 216R  برای اعضای بتنی مقاوم‌سازی شده با FRP، مشخص می‌شود که  محدودیت های موجود در طراحی های تقویت با FRP  به منظور جلوگیری از فروریزش سازه تقویت شده در اثر حریق می‌باشد. باید دقت گردد که مقاومت فولاد و بتن در اثر حریق کاهش یافته و برای محاسبه مقاومت کل عضو نیاز است از مقاومت FRP  صرفنظر کرد. جهت بررسی عدم گسیختگی سازه تقویت شده با FRP تحت بارهای بهره برداری و درجه حرارت های زیاد، می‌توان مقاومت مورد نظر را با مقاومت تخمین زده شده مقایسه کرد.

دوام سیستم ها و کامپوزیت FRP در برابر حریق را می‌توان با بهره گیری از رزین های خاص و پیشرفته یا محافظت آن با پوشش های مناسب افزایش داد. جهت محاسبه میزان افزایش دوام (پایایی) رزین های سیستم FRP در برابر حریق، باید زمان مقاومت سیستم FRP در برابر آتش (که زمان لازم جهت رسیدن رزینها به دمای گذار شیشه ای است) اندازه گیری شود. در آئین نامه ASTM E119 شرایط و راهنمایی مورد نیاز جهت ایجاد شرایط آزمایشگاهی انواع آتش سوزی ها (شامل درجه حرارت و زمان آنها)، آورده شده است.

ملاحظات محیطی در انتخاب سیستم FRP جهت طراحی سازه

مشخصات مکانیکی رزین ها و الیاف موجود در سیستم های تقویتی FRP ، مشابه سایر سازه ها تحت تاثیر شرایط محیطی قرار می‌گیرند و در اثر قرارگیری در معرض محیط های اسیدی قلیایی، آب نمک، مواد شیمیایی، اشعه فرا بنفش UV، درجه حرارت های بالا و رطوبت بالا کاهش مقاومت می‌دهند. این کاهش مقاومت مصالح FRP باید در طراحی توسط مهندسان مشاور و محاسب FRP در نظر گرفته شوند. حال به بررسی تاثیر هر کدام از مووارد فوق در مقاومت FRP می پردازیم:

الف) مقاومت FRP در محیط قلیایی یا اسیدی: مقاومت و رفتار سیستم FRP درمحیط‌ های اسیدی و قلیایی در بیشتر مواقع به رزین و الیاف موجود بستگی دارد. الیاف کربن به تنهایی، در برابر اسید و محیط قلیایی مقاوم هستند. الیاف شیشه نسبت به این عوامل نسبتا حساس تر می‌باشد. با این حال انتخاب یک رزین مناسب می‌تواند از تاثیر این عوامل روی الیاف، محافظت کند. کامپوزیت های FRP استفاده شده در این حالت باید از رزین مقاوم به اسید و محیط قلیایی، ساخته شده باشد. در مجموع بهتر است از الیاف کربن در مناطق محیطی سخت و درصد رطوبت زیاد استفاده شود.

ب) انبساط حرارتی: خصوصیات انبساط حرارتی الیاف و رزین کامپوزیت FRP متفاوت بوده و در درجه حرارت های مختلف می تواند تغییر کند. الیاف شیشه ضریب انبساط حرارتی نزدیک با بتن دارد. ولی رزین های استفاده شده در سیستم های مقاوم سازی با FRP، معمولاً ضریب انبساط حرارتی حدود پنج برابر ضریب انبساط بتن دارند. این تغییرات و اختلاف موجود نقص زیاد جدی در مقابل توانایی‌های عمده اف ار پی ها نمی‌باشد و مسئله زیاد مهمی نیست. طبق راهنمایی‌های صورت گرفته در نشریه 345 (راهنمای طراحی و ضوابط اجرایی بهسازی ساختمان های بتنی موجود با استفاده از مصالح تقویتی FRP)، تفاوت انبساط حرارتی در مصالح FRP و بتن، تاثیری در چسبندگی آنها در درجه حرارت از 28- تا 28+ درجه سلسیوس نمی‌گذارد.

ج) رسانایی الکتریکی مصالح FRP: الیاف شیشه و کولار – آرامید عایق الکتریکی می‌باشند ولی الیاف کربن رسانای الکتریکی می‌باشد.

د) مصالح FRP ساخته شده با الیاف کربن: در کارهای مقاوم سازی، نباید با فولاد تماس مستقیم داشته باشند، تا از خوردگی الکترو شیمیایی فولاد جلوگیری به عمل آید.

بارگذاری FRP

رفتار سیستم های FRP تحت شرایط بارگذاری های مختلف و الیاف بکار رفته در آن مختلف متفاوت است. بنابراین نیاز است تا سیستم FRP بر پایه اطلاعات مربوط به رفتار سیستم تحت شرایط مورد نظر انتخاب شود. در زیر به برخی از ملاحظات مربوط به بارگذاری های مهم اشاره شده است. سایر اطلاعات و مشخصات فنی مربوط به مصالح FRP را می‌توان از بخش محصولات شرکت مقاوم سازی افزیر ملاحظه کرد.

مقاومت در برابر ضربه FRP

 کامپوزیت های ساخته شده با الیاف آرامید و شیشه مقاومت خوبی در مقابل ضربه نسبت به سیستم های مقاوم سازی شده FRP با الیاف کربن دارند.

گسیختگی در اثر خزش و خستگی FRP

تحت اثر بارهای مداوم و پیوسته سیستم های FRP با الیاف کربن، مقاومت خوبی در مقابل گسیختگی خزشی و گسیختگی خستگی، تحت بارهای رفت و برگشتی و نوسانی دارند. سیستم های FRP با الیاف شیشه نسبت به هر دو شرایط بارگذاری، حساستر می‌باشند.

دوام FRP

سیستم تقویتی FRP باید قادر به تحمل دوره های گرم و سرد شدگی هوا، غوطه وری در محیط های قلیایی، دوره های یخ زدن و آب شدن و قرارگیری در معرض اشعه فرابنفش باشد.

سیستم هایی از FRP نیز که به صورت کامل با پوشش‌های محافظتی پوشش بتنی ، پوشیده شده باشد، باید از نظر تاثیرات  یخ زدگی و  آب شدن، خوردگی فولاد، واکنشهای قلیایی و سیلیکاتی سنگدانه ها، محبوس شدگی در آب، فشار ناشی از بخار و سرایت بخار مرطوب، مورد بررسی و مقاومت آنها اثبات گردند. البته قابل ذکر است که اکثر سیستم های FRP، یک لایه نفوذ ناپذیر در مقابل رطوبت و سایر شرایط محیطی بر روی سطح بتن و سایر سطوح ایجاد می‌کنند.

انتخاب پوشش محافظ FRP

بمنظور محافظت و جلوگیری از کاهش مشخصات مکانیکی FRP ، می‌توان از پوشش های حفاظتی استفاده کرد. ضخامت و نوع پوشش FRP، می‌باید بر اساس مقاومت در برابر عوامل محیطی (مانند رطوبت، شرایط خورندگی، آب شور، درجه حرارتهای بالا، حریق، ضربه و اشعه ماورای بنفش) انتخاب شود.

پوشش های های با ضخامت بالای رزین بر روی الیاف در سیستم های FRP، سبب محافظت آنها از صدمات ناشی از ضربه یا ساییدگی و خراش می‌گردند. در مناطقی که احتمال برخورد ضربه شدید وجود دارد و یا در معرض تردد ناشی از رفت و آمد زیاد هستند، استفاده از یک لایه محافظ دیگر ضروری است. پوشش های بر پایه سیمان و یا پلیمری شرکت مقاوم سازی افزیر را می‌توان برای این منظور مورد استفاده قرار داد.

خصوصیات مصالح در طراحی FRP

مشخصات مورد نیاز طراحی سیستم FRP و محاسبات سازه ای برای الیاف و رزین مصالح FRP مانند مقاومت کششی، مدول الاستیسیته، کرنش نهایی گسیختگی و … در بخش محصولات شرکت مقاوم سازی افزیر در دسترس است.

تقویت خمشی با FRP

نصب مصالح FRP  در ناحیه کششی بتن بطوریکه راستای الیاف آن در جهت طولی یک عضو خمشی باشد، سبب افزایش مقاومت خمشی آن عضو می‌گردد. در مجموع فرضیات زیر در طراحی و محاسبات تقویت خمشی مقاطع بتن آرمه با مصالح FRP به کار می‌روند. فرضیات طراحی سیستم FRP از آئین نامه ACI 4402R-2008 و نشریه 345 اقتباس شده‌اند.

 فرضیات طراحی سیستم FRP در خمش

محاسبات طراحی سیستم FRP براساس ابعاد واقعی اعضاء، نحوه قرارگیری میل‌گردها و مشخصات مصالح اعضاء تقویت شده می‌باشد.

در محاسبات طراحی سیستم FRP فرض می‌شود که شکل مقطع قبل و بعد از بارگذاری ثابت می‌ماند. به عبارت دیگر، کرنش در بتن و مصالح FRP متناسب با فاصله آنها از محور خنثی است و در موقع بارگذاری هیچ گونه لغزش نسبی بین FRP و بتن رخ نمی‌دهد.

از دیگر فرضیات طراحی سیستم FRP  می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• از تغییر شکل برشی در لایه چسب، با توجه به ضخامت خیلی کم آن، صرفنظر و صفر در نظر گرفته می‌شود.
• کرنش فشاری حداکثر بتن 0/003 فرض می‌شود.
• مقاومت کششی بتن صفر فرض می‌شود.
• منحنی تنش – کرنش FRP تا قبل از نقطه شکست آن به صورت الاستیک خطی می‌باشد.

مقاومت برشی مقطع تقویت شده با FRP

در مواردی که از سیستم‌های FRP برای تقویت خمشی عضوی استفاده می‌شود، عضو مورد نظر باید توانایی نیروی برشی مربوط به افزایش ظرفیت خمشی مقطع را داشته باشد. هرگاه پس از بررسی ظرفیت برشی مقطع، به مقاومت اضافی نیاز باشد، مصالح FRP باید بصورت عرضی بر روی سطح مقطع مورد نظر نصب و اجرا گردند.

کرنش لایه زیرین بتن FRP

در مواردی که قبل از نصب و اجرای FRP ، بارها و وزن موجود روی تیرها و کف ها و هر نیروی پیش تنیدگی، از روی عضو حذف نشوند، کرنش اولیه در سطح کششی بتن باید محاسبات خمشی در طراحی سیستم FRP در نظر گرفته شود. کرنش اولیه از کرنش موجود در FRP  مجزا می‌باشد و با استفاده از تحلیلهای الاستیک و با در نظر گرفتن تمامی بارهای وارده در حین نصب FRP تعیین می‌گردد. طبق توصیه آئین نامه ها پیشنهاد می‌گردد که تحلیل مورد نظر بر اساس مشخصات مقطع ترک خورده صورت گیرد.

کرنش در مصالح FRP

مصالح FRP  قبل از نقطه گسیختگی رفتار الاستیک خطی دارند، پس کرنش FRP  ، معرف تنش ایجاد شده در FRP نیز می‌باشد. بنابراین تعیین میزان کرنش FRP  در حالت حدی نهایی اهمیت زیادی دارد. ماکزیمم کرنشی که در مصالح FRP  ایجاد می‌گردد، از مقدار کرنش FRP  در نقطه ای که بتن فشاری گسیخته می‌گردد یا نقطه ای که FRP  گسیخته می‌شود، بدست می‌آید.

ضرایب ایمنی در طراحی FRP

در مراحل طراحی سیستم FRP، ضرایب کاهش محیطی و ضریب جزیی ایمنی مصالح بر اساس نشریه 345 و یا آئین نامه ACI 4402R-2008 قابل استخراج است. ضرایب جزیی ایمنی مصالح فولاد و بتن نیز بر اساس ضوابط مندرج در آیین نامه بتن ایران آبا بدست می‌آید.

تنش موثر مصالح FRP

تنش موثر در سیستم‌های FRP ، ماکزیمم تنشی است که قبل از شکست خمشی مقطع در FRP می‌تواند ایجاد شود. تنش موثر مصالح FRP را می‌توان از سطح کرنش FRP با فرض رفتار الاستیک کامل محاسبه کرد.

حالات گسیختگی خمشی FRP

مقاومت خمشی یک مقطع تقویت شده با FRP به حالات شکست آن بستگی دارد. برای این منظور نیاز است حالات گسیختگی خمشی زیر برای یک مقطع بررسی شود.

• تخریب بتن فشاری قبل از جاری شدن فولاد
• گسیختگی لایه های FRP پس از جاری شدن فولاد کششی
• تخریب بتن فشاری پس از جاری شدن فولاد کششی
• جدا شدگی FRP از سطح بتن در کشش
• جدا شدگی کاور بتن در سطوح کششی یا برشی

تقویت برشی با FRP

در روش تقویت برشی و تقویت پیچشی با FRP، ورقه‌های FRP به وجوه جانبی تیر نصب می‌گردند که در آن راستای الیاف عمود بر محور طولی تیر یا مورب باشد. برای داشتن رکابی خارجی U شکل، الیاف FRP به صورت پیوسته بر روی دو وجه جانبی و زیر تیر چسبانده می‌شود که این امر سبب بهبود مهاری تقویت خمشی FRP  نیز می‌شود. به منظور تامین مهار انتهایی رکابی های  U شکل می‌توان از مهاربندی مکانیکی نیز استفاده کرد.

با توجه به اینکه که طول موجود برای اتصال رکابی های FRP  به ارتفاع تیر محدود می‌شود، بنابراین مقاومت بتن موجود مهم بوده و نیاز است تا از کیفیت مناسبی برخوردار باشد. سطح بتن باید متناسب با نیازمندی های سیستم FRP  آماده شده و در صورت نیاز ترمیم شود. بمنظور جلوگیری از گسیختگی رکابی های FRP  در اثر تمرکز تنش در لبه های تیر، این لبه ها و گوشه ها باید حداقل به شعاع 3.5 سانتی‌متر گرد شوند.

تقویت پیچشی با FRP

تقویت ظرفیت پیچشی مقاطع مختلف با FRP را می‌توان توسط دورپیچ انجام داد و محاسبات آن اختلاف جزئی با تقویت برشی با FRP ها دارد. ایجاد ترکهای پیچشی در مقاطع مستطیلی، شبیه ترکهای برشی میباشد. تفاوت اصلی ترکهای برشی و پیچشی در الگوی ترک می‌باشد. ترک های پیچشی نیز شبیه ترک های برشی اریب و مورب هستند، با این تقاوت که راستای آنها در وجوه مقابل عضو فرق کرده و از یک الگوی مارپیچی تبعیت می‌کنند.

در فرآیند تقویت پیچشی اعضاء با الیاف مواقعی که راستای الیاف FRP با محور عضو زاویه a را بسازد، مانع ایجاد ترکهای قطری در یک وجه عضو می‌گردد اما در وجه دیگر کاملاً بی اثر می‌باشد. پس نیاز است تا این مورد به دقت مورد بررسی قرار گیرد. الیاف FRP تنها در صورتی باعث افزایش ظرفیت پیچشی عضو می‌شود که بطور کامل به دور مقطع دورپیچ شده باشد.

تقویت اعضای فشاری با FRP

محصور سازی و دورپیچ کردن اعضای فشاری توسط مصالح FRP، سبب افزایش ظرفیت فشاری مقطع می‌گردد. عمل محصورشدگی با FRP همچنین سبب افزایش شکل پذیری عضو، تحت ترکیب نیروهای محوری و خمشی هم می‌شود. جهت مقاوم سازی اعضای فشاری با ورقه های FRP، نیاز است تا الیاف در راستای عمود بر محور طولی عضو دورپیچ گردد. الیاف محصور کننده FRP، مشابه خاموت های بسته یا مارپیچی عمل می‌کند و سبب محدود کردن کرنش های محیطی ستون می‌گردد.

در مسئله مقاوم سازی یا بهسازی لرزه ای ستون با FRP، ظرفیت جذب انرژی و شکل پذیری تحت اثر بارهای ارتعاشی زلزله اهمیت زیادی دارد. با تعبیه ورقهای FRP به صورت طولی در امتداد ستون می‌توان مقاومت خمشی آن را نیز افزایش داد، ولی این موضوع سبب افزایش شکل پذیری ستون ها نشده و تنها با اجرای الیاف FRP به صورت افقی دورپیچ، شکل‌پذیری افزایش می‌یابد.

افزایش ظرفیت ستون های تقویت شده با FRP در ستون مستطیلی نسبت به ستون گرد پایین می‌باشد، زیرا فشار محصورشدگی ناشی از دورپیچی مصالح FRP ، در ستون های مستطیلی محدودتر می باشد. باید دقت شود که کرنش محوری نهایی در ستون های محصورشده با FRP نسبت به ستون های محصور نشده، بزرگتر می‎‌باشد. پس کرنش در میلگردهای طولی، امکان دارد از کرنش تسلیم آنها بیشتر شود. همچنین در فرآیند تقویت ستون با کامپوزیت FRP، ستونی که ابتدا به عنوان ستون کوتاه تعریف شده ممکن است بعلت افزایش ظرفیت باربری، ستون لاغر محسوب شود.