طی چند هزار سال گذشته، زیرساخت های حمل و نقل نقش مهمی در توسعه تمدن‌های اولیه ما، گسترش دانش، تجارت محلی و جهانی و افزایش حمل و نقل را داشته اند. از این رو تعمیر و مقاوم سازی آن ها از جمله کارهای حساس و مهم می‌باشد.
بسیاری از کشورها جهت بهبود عملکرد لرزه ای زیرساخت ها و افزایش ظرفیت باربری آن ها اقدام به مقاوم سازی و بهسازی پل های قدیمی در قسمت سازه فوقانی و زیرساخت می کنند. همه این موارد باعث می شوند تا محصولات کامپوزیت پلیمری FRP شرکت افزیر، گزینه ای ایده آل برای مقاوم سازی پل ها و زیرساخت های حمل و نقل باشند.
امروزه کامپوزیت های FRP به طور گسترده ای برای تعمیر پل های آسیب دیده و مقاوم سازی پل هایی که دیگر قابلیت برآورد نیازهای روزافزون را ندارند، به ویژه مقاوم سازی ستون ها، جهت بهبود ظرفیت باربری لرزه ای مورد استفاده قرار می گیرند. آنها همچنین در مقاوم سازی پل های جدید به منظور تقویت عرشه های بتنی، ستون ها/ پایه ها ، کابل ها در پل های معلق، پل های عابر پیاده و موارد بیشتر دیگری مورد استفاده قرار می گیرند.
مهم ترین علل خرابی پل ها
– عوامل محیطی مانند خوردگی فولاد در سازه فوقانی و زیرسازه
– تصادف خودرو ها
– خطاهای طراحی و ساخت و ساز و در نتیجه ظرفیت باربری پایین تر از حد مجاز طراحی شده
– خرابی آن ها در اثر گسیختگی، زلزله یا روانگرایی خاک
– خرابی عرشه و انحراف سازه فوقانی در هر دو امتداد طولی و عرضی
– فروریزی و کج شدگی پایه ها به علت کمبود ظرفیت برشی یا خمشی
– فروریزی دهانه های پل به خاطر لغزش از نشیمن
– خرابی دیواره پشتیبان کوله
– خرابی المان‌های سازه ای پل‌ها ناشی از زلزله
– خرابی پل‌های طراحی‌شده با روش الاستیک
روش های مقاوم سازی پل ها
پل ها با توجه به نوع کاربرد و سیستم سازه ای که دارند می توانند به یکی از روش های زیر مقاوم سازی شوند:
– استفاده از روش های سنتی شامل ژاکت بتنی، ژاکت فولادی، ورقه های فولادی
– استفاده از روش نوین مقاوم سازی با کامپوزیت های FRP شرکت افزیر
مزایا و ویژگی های استفاده از مصالح FRP جهت مقاوم سازی پل ها
– مقاومت کششی قابل توجه کامپوزیت های FRP در مقایسه با فولاد
– نسبت مقاومت به وزن بسیار بالا مواد FRP
– مقاومت در برابر عوامل محیطی مانند خوردگی و در نتیجه امکان استفاده برای پل های معرق در آب
– امکان استفاده از مواد FRP در سطوح نامنظم و مکان هایی که فضا محدود است
– سرعت نصب بالا و جلوگیری از ایجاد ترافیک و بسته شدن راه های ارتباطی در هنگام مقاوم سازی پل
– سازگاری حرارتی مواد FRP با بتن که منجر می شود با تغییر شرایط آب و هوایی دچار انبساط و انقباض نشوند
مقاوم سازی اجزای پل ها با استفاده از مواد FRP
مقاوم سازی کوله پل با FRP
کوله به دیوارحائلی گفته میشود که تکیه گاه طرفین پل است. کوله وزن کل سازه را تحمل می کند و بار ناشی از آن را به فونداسیون انتقال می دهد در واقع هم نقش دیوار باربر جهت انتقال بارهای قائم و هم نقش دیوار حائل را ایفا می کند. اگرچه در اکثر موارد کوله شامل شالوده ، دیوار، نشستگاه ، جناح و دیوار گلی است اما برخی از کوله ها دارای ستون هایی برای حمل کلاهک یا نشیمنگاه به جای دیوار می باشند. با این حال زمانی که کوله از یک دیوار ساخته شده است میلگردهای تقویتی تحت فشار کلاهک نشیمنگاه قرار خواهند گرفت. خوردگی میلگرهای فولادی طولی و عرضی در کوله منجر به ترک خوردن و شکستگی بتن می شود که به نوبه خود می تواند سبب فروافتادن دهانه پل در طول زمین لرزه شود.کوله بتنی یا دیوار پشتیبان کوله (که معمولا به صورت دیوار بتنی است) از جمله اجزای پل می باشد که قابلیت مقاوم سازی با نوارها، ورقه ها و یا میلگردهای FRP را دارد.
الیاف FRP را در راستای طولی جهت تقویت خمشی و در راستای عرضی جهت تقویت برشی دیوارهای حائل نصب می کنیم.
جهت مقاوم سازی کوله پل‌هایی که بخشی از آنها در آب معرق است و جهت افزایش ظرفیت نیروی محوری برای انتقال بارهای قائم و جلوگیری از فروریختن آنها می توان کل سطح کوله را با کامپوزیت های FRP محصور کرد.
مقاوم سازی پایه یا ستون پل با FRP
پایه پل، ستون بتن مسلحی است که به زمین متصل می شود تا سازه را نگه دارد. در اکثر موارد پایه ی پل ها معرق و یا در زیر آب قرار دارند بنابراین در معرض خطر خوردگی و زنگ زدگی قرار دارند ضمن اینکه مقاوم سازی آنها در آب کار دشواری است. پایه سازه های دریایی و اسکله ها نیز شامل چنین مشکلاتی بوده و به سادگی با تکنولوژی FRP قابل ترمیم و ارتقاء عملکرد می‌باشند. علاوه بر مشکل خطرات محیطی، پایه ی پل ها به دلیل مشکلات طراحی و یا افزایش نیازهای روزافزون ممکن است دچار گسیختگی برشی و یا خمشی شوند. مواد FRP را می توان به صورت نواری و یا به صورت سرتاسری در تمام ارتفاع ستون جهت افزایش ظرفیت برشی و شکل پذیری خمشی این ستون های بتن آرمه استفاده کرد.
مقاوم‌سازی کلاهک در پل با FRP
کلاهک در بالای پایه یا کوله پل قرار می گیرد و بار را برروی ستون و یا دیوار توزیع می کند. ترکیب کلاهک و ستون، پایه و ترکیب کلاهک و دیوار، کوله نامیده می شود. جمع شدن زباله ها و روان آب ها در بالای کلاهک برای طولانی مدت سبب خوردگی آنها می شود، علاوه بر این نفوذ این مواد به بتن سبب کاهش مقاومت آن ها، ترک خوردگی و زنگ زدگی در بتن خواهد شد به همین دلیل مقاوم سازی کلاهک ها برای حفظ طول عمر پل ها امری مهم تلقی می شود.
مصالح FRP بهترین گزینه برای مقاوم سازی این کلاهک ها در برابر خوردگی و عوامل شیمیایی هستند. برای مقاوم سازی کلاهک ها ورقه ها و یا نوارهای FRP را می توان به صورت عرضی و یا ضربدری متصل کرد.
مقاوم سازی تیرهای پل با FRP
تیرها یکی از اجزای اصلی پل هستند که تمام پایه ها را به هم متصل و در برابر بارهای جانبی مقاومت می کنند. هر پل می تواند از چندین دهانه تیر ساخته شده باشد. گاهی اوقات یک تیر بزرگ می تواند از پرچ یا جوش شدن ورقه های آهنی بزرگ ساخته شود.
فروافتادن تیرها در جهت طولی و عرضی ممکن است تنها مفهوم رویداد لرزه ای باشد زمانی که سازه فوقانی از زیر سازه تنها به وسیله غلتک های نگه دارنده از هم جدا شده باشند به عبارت دیگر پل های با دهانه ساده در طول زمین لرزه در معرض فروریختن قرار دارند در حالی که خطر فروریختن در پل های پیوسته رو به کاهش است زیرا نیروی افقی در اینگونه پل ها در انتها به ستون ها و کوله ها خواهد رسید ولی در پل های با دهانه ساده این نیرو تنها توسط تیرها تحمل می شود. بنابراین مقاوم سازی تیرهای پل برای افزایش ظرفیت برشی، خمشی، افزایش شکل پذیری، جلوگیری از خوردگی و ترک خوردگی برای حفظ طول عمر پل ها حیاتی است.
استفاده از محصولات کامپوزیت پلیمری FRP شرکت افزیر یکی از روش های نوین برای تقویت تیرهای پل می باشد.
برای تقویت برشی تیر الیاف FRP در راستای عمود بر طول تیر و در نزدیکی تکیه گاه ها که مشکل برشی دارند و برای تقویت خمشی الیاف در راستای طولی و در وسط دهانه تیر نصب می شوند.
در مکان هایی که مشکل برشی دارند مانند تکیه گاه ها ورقه های FRP به صورت پیوسته استفاده می شوند و گسسته نیستند.
در تیرها مواد FRP می توانند به صورت U شکل (3 طرف دورپیچ) و یا 2 طرف دورپیچ در اطراف سطح مقطع نصب شوند.
مقاوم سازی عرشه پل با FRP
عرشه دائمی ساده از بتن یا بتن مسلح ساخته شده است. آنها شامل اجزای فرعی مانند دال (قسمتی که عرشه اصلی پل را با زمین در دو طرف پل متصل می‌کند)، بسط اتصال، مسیرهای زهکشی و سطح پیاده رو می باشند. عرشه 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.
اکثر عرشه ها به صورت دال بتنی ساخته شده اند. عرشه ها در دو نوع یک طرفه و دو طرفه می باشند که با توجه به جهت بارگذاری در آنها الیاف FRP را نصب می کنیم.
مقاوم سازی نرده پل با FRP
نرده در طرفین عرشه پل قرار می گیرد و مانع از سقوط وسائل نقلیه و عابران خواهد شد. نرده به دلیل قرار گرفتن در شرایط آب و هوایی مختلف و در معرض خطرات شدید محیطی و به خصوص زنگ زدگی قرار دارد به همین دلیل بهترین راهکار جهت حفظ نرده ها و افزایش طول عمر آنها استفاده از مواد FRP به عنوان محافظی بر روی سطح نرده ها می باشد.
مقاوم سازی قوس پل با FRP
قوس ها براساس تعداد مفاصلی که دارند مشخص می شوند (معمولاً بین صفر یا سه) که تعیین می‌کنند چقدر تنش و بار را می‌توانند به طور ایمن تحمل کنند و از چه موادی باید ساخته شوند (مواد جامد، سیستم خرپا).
به منظور بهبود قدرت، سختی و انعطاف پذیری قوس بتن مسلح، استفاده از ورقه ها، نوارها و یا میلگردهای FRP بهترین و موثرترین روش است.
نصب FRP به صورت طولی سبب محدود شدن نیروهای افقی می شود و FRP در راستای عرضی مقاومت و شکل پذیری را در قوس ها افزایش می دهد. برای اتصال خارجی ورقه های و نوارهای FRP از سه روش می توان استفاده کرد:
– O شکل (تمام دورپیچ)
– U شکل (سه طرف دورپیچ)
– I شکل (دو طرف دورپیچ)
انواع پل ها به منظور مقاوم سازی با FRP
مقاوم سازی پل قوسی با FRP
در این نوع پل ها طاق ها به عنوان یک المان اصلی سازه ای همیشه در زیر سازه قرار خواهند گرفت (هرگز بالاتر از آن قرار نمی گیرند). به کمک پایه های میانی، آن ها می‌توانند با یک یا چند طاق ساخته شوند، بسته به این که چه نوع از نیروهای بار و فشار را باید تحمل کنند. جز اصلی این پل دیواره های حائل طرفین پل و ستون‌های آن است که باید مستحکم ساخته شوند زیرا آن ها وزن کل سازه پل را تحمل و نیروها را منتقل خواهند کرد. رایج‌ترین مصالح ساختمانی پل قوسی، سنگ بنایی، بتن، چوب، آهن، چدن و فولاد ساختمانی است.
قوس ها، ستون ها ، کوله و عرشه از جمله مواردی در پل قوسی هستند که قابلیت مقاوم سازی با FRP را دارند.
مقاوم سازی پل تیری با FRP
از ساده ترین اشکال پل می باشد. یک یا چند تیر افقی که می‌توانند به سادگی محدوده بین تکیه گاه ها را اشغال کرده و یا فشار بر روی پایه های ساختاری را کاهش دهند. نیروی اصلی که پل‌های تیری را تحت تاثیر قرار می‌دهد تبدیل نیروی عمودی به نیروی برشی و خمشی است که به سازه های نگهدارنده انتقال داده میشود (تکیه گاه ها یا پایه های میانی).
پل های تیری به دلیل سادگی، قدیمی ترین پل های شناخته شده برای بشر بودند. این نوع پل در ابتدا با انداختن کنده چوبی بر روی رودخانه های کوچک یا چاله ها ساخته می شد که با ورود فولاد و بتن پیش ساخته به صنعت ساخت ، توسعه یافت. پل‌های تیری امروزه به پل‌های تیرآهنی، پل‌های تیرآهنی صفحه ای، پل‌های تیرآهنی جعبه ای و پل‌های ساده تقسیم بندی می‌شوند.
تیرها از مهم ترین اجزای این نوع پل ها هستند که برای مقاوم سازی آنها می توان از FRP استفاده کرد. به جز تیرها، ستون ها و کوله ها را نیز می توان با استفاده از نوارها و یا ورقه های FRP تقویت کرد.
مقاوم سازی پل خرپایی با FRP
از محبوب ترین نوع پل ها می باشند که به صورت مش مورب و اغلب قالب های مثلثی شکل در بالای سازه فوقانی ، برای توزیع نیروها در کل سازه قرار می گیرند. هر یک از عناصر این ساختار به صورت فردی (اغلب به طور مستقیم) می توانند نیروهای کششی و فشاری را تحمل کنند، اما با توزیع این نیروها در کل سازه می توانند نیروهای بیشتر و بارهای سنگین تری را نسبت به سایر پل ها تحمل کنند.
دو نوع رایج طراحی خرپا به صورت زیر می باشد:
شاه تیر:دو تیر قطری که توسط یک تیر عمودی در مرکز نگه داشته می شوند.
ملکه: دو تیر قطری، دوتیر عمودی و افقی که به هم متصل شده اند.
پل های خرپایی مدت زمان زیادی است که معرفی شده اند و بلافاصله به دلیل مقاومت باورنکردنی آن ها و اقتصادی بودن، تبدیل به یکی از محبوب ترین انواع پل ها شدند. رایج ترین مصالح ساختمانی مورد استفاده برای ساخت این پل ها، چوب ،آهن، فولاد، بتن تقویت‌شده و بتن پیش‌ساخته است. پل‌های خرپایی می‌توانند هم متحرک و هم ثابت باشند.
برای مقاوم سازی این نوع پل ها نیز می توان از کامپوزیت های FRP، جهت تقویت عرشه، کوله و ستون ها استفاده کرد. علاوه بر این تیرهای اعضای خرپایی که مهم ترین بخش سازه هستند نیز با مواد FRP قابل مقاوم سازی می باشند.
مقاوم سازی پل طره ای یا کنسول با FRP
پل های طره ای تا حدودی شبیه به پل های قوسی هستند با این تفاوت که آنها نه به وسیله مهاربند های عمودی بلکه به وسیله مهاربند های قطری همراه با تیرهای افقی که تنها از یک سمت نگهداری می شوند، بارهای خود را تحمل می کنند.
عمده این پل ها از یک جفت دهانه که بین دو ستون قرار گرفته است و در مرکز بر روی مانعی در طول مورد نظر (رودخانه، زمین ناهموار) که عرشه بر روی آن قرار گرفته است به هم متصل شده اند. پل های طره ای را می توان به صورت دو نیمه پل نیز در نظر گرفت.
اندازه و ظرفیت باربری پل های طره ای در تعیین تعداد بخش های آن تاثیر به سزایی دارد. برای عبور ساده در فواصل کوتاه و به عنوان پیاده رو می توان از تیرهای طره ای ساده استفاده کرد. اما برای فواصل بزرگ باید از دو تیر که دارای ستون مرکزی هستند و به کوله متصل می شوند استفاده کرد.پل های طره ای را برای مسافت های طولانی نمی توان به کار برد. مواد ساختمانی معروف برای ساخت آنها، فولاد ساختمانی، آهن و بتن پیش ساخته می باشد.
تیرها در خرپاها ، قوس های بتنی ، ستون ها و کوله از جمله اجزای آن ها می باشند که قابلیت مقاوم سازی با مصالح کامپوزیت پلیمری FRP را دارند.
عمده ترین علل خرابی این پل ها فروافتادن دهانه به دلیل لغزش از نشیمن است که با استفاده از مصالح FRP و تقویت عرشه می توان مانع از وقوع این رخداد شد.
مقاوم سازی پل قوسی مهار شده با FRP
طراحی این پل ها نیز به نوع قوسی شباهت دارد با این تفاوت که وزن عرشه و بارهای ترافیکی را به قوس بالایی که توسط طناب های پایینی به فونداسیون متصل است، منتقل می کند. آنها معمولاً قوس های ریسمان دار و یا پل های ریسمان دار نیز نامیده می شوند. قوس این نوع از پل ها و عرشه آنها از مقاومت بالایی برای تحمل وزن سازه برخوردار می باشند که با استفاده از مصالح FRP این امکان برای آنها فراهم خواهد شد.
مقاوم سازی پل معلق با FRP
پل های معلق از تعداد زیادی طناب و یا کابل های عمودی جهت حفظ وزن عرشه و ترافیک استفاده می کند. این نوع از پل ها امروزه در سراسر جهان بسیار محبوب هستند.
در زمان‌های قدیم با موادی مانند طناب، با عرشه چوبی یا از جنس بامبو ساخته می شدند، اما نوع مدرن آنها از طیف وسیعی از مواد مانند سیم فولادی ساخته می شود. از آنجا که تنها کوله و اسکله ها به زمین متصل هستند، بیشتر ساختار آن ها می‌تواند بسیار انعطاف پذیر باشد و اغلب می‌تواند پاسخگوی نیروهای باد شدید، زلزله یا حتی نوسانات ترافیک عابر پیاده یا وسیله نقلیه باشد. برخی از معروف‌ترین نمونه آن ها گلدن گیت در سان فرانسیسکو و بروکلین در شهر نیویورک است.
کوله و اسکله ها از مهم ترین اجزای این نوع پل ها می باشند به دلیل اینکه وزن زیادی را متحمل می شوند، استفاده از کامپوزیت های FRP برای تقویت آنها یکی از موثرترین روش ها می باشد.
مقاوم سازی پل کابلی با FRP
در این نوع پل کابل های عرشه مستقیماً به یک یا چند ستون عمودی متصل می‌شوند (به نام برج‌های پل)، که این ستون ها می‌توانند در نزدیکی کوله یا در وسط محدوده عرشه نصب شوند. اتصال کابل ها معمولاً به دو روش است:
اتصال چنگ : هر کابل به نقاط مختلف در ستون متصل میشود، و طرح های رشته مانندی را به وجود می آورد.
اتصال پروانه: همه کابل ها به یک نقطه در بالای ستون متصل می‌شوند
امروزه پل‌های کابلی یک طراحی محبوب هستند که اغلب برای فواصل متوسط تا فواصل طولانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که طولانی‌تر از پل های طره و کوتاه تر از پل های معلق هستند. رایج‌ترین مصالح ساختمانی، میله های فولادی یا بتن، میله های تیر بتنی است. آنها می‌توانند تقریبا هر نوع عرشه ای (به جز ریل راه آهن سنگین) را نگهداری کنند و به طور گسترده در سراسر جهان در طرح های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. تقویت برج ها و عرشه ی این نوع پل ها با مصالح FRP راهکاری موثر برای مقاوم‌سازی آن ها می باشد.