مقاوم سازی ساختمان با FRP

 
 
FRP

یکی از روش های مقاوم سازی برای انواع ساختمان ها استفاده از الیاف پلیمری است .اف ارپی مخفف Fiber – rein forced polymer به معنای فیبرهای پلیمری تقویت شده است .

ماده ای کامپوزیتی از ترکیب پلیمر تقویت شده ماتریس همراه الی (fiber) است. آر پی یا همان کامپوزیت های پیشرفته از جنس فیبرهای پلیمری تقویت شده , با توجه به توسعه ی ساخت و ساز در سراسر جهان به شدت محبوب شده و به وفور در امر مقاوم سازی سازه ها استفاده می شوند .

از آن جا که پلیمرهای تقویت شده با فیبرهای کربن (CFRP) دارای مقاومت بالایی نسبت به وزن آن است برای تقویت سازه های جدید , مقاوم سازی و بازسازی ساختمان های بتنی , پل و سایر سازه ها مورد استفاده قرار می گیرد .

این نکته را باید در نظر داشت که در مقاوم سازی با FRP مهندسین طراح مقاوم سازی دارای محدودیت می باشند که مانع از این خواهند شد که بتوانند هرگونه المان ضعیف بتنی را با استفاده از الیاف FRP و یا لمینت FRP تقویت نمایند.

این محدودیت ها عبارتند از :

 

  • پایین بودن بیش از حد مقاومت فشاری بتن اجراء شده.
  • مستطیلی بودن ابعاد ستون های بتنی بنحوی که ستون اصطلاحاً کتابی قلمداد شود.
  • نیاز به افزایش سختی در المان ضعیف ( معمولاً در مقاوم سازی تیرها و دال ها این موضوع مطرح می شود).
  • مقاوم سازی ستون هایی که میزان لنگرهای خمشی آن ها زیاد و نیروهای فشاری وارده برآن کم باشد.

در ادامه اطلاعاتی در خصوص مقاوم سازی با FRP در پروژه های عمرانی ارائه می گردد.

مقاوم سازی با FRP

با پیشرفت علم و تکنولوژی، مواد و مصالح نوین به بخش ساختمان وارد شدند که این مصالح نقش به‌ سزایی در مقاوم ‌سازی نیز دارند. از جمله این مواد که در حال حاضر در مقاوم ‌سازی ساختمان کاربرد دارد FRP می‌باشد. در مقاوم سازی ساختمان با FRP المان‌های ضعیف بتنی اعم از تیر، ستون، دیوار برشی و دال‌های بتنی با استفاده از الیاف FRP تقویت می‌شوند که هم در مقاوم‌ سازی کل ساختمان به ‌کار برده می ‌شوند هم در تقویت بخشی از سازه یا المانی مانند تیر یا ستون که ضعیف شده است.

عملیات مقاوم سازی ساختمان با FRP می‌تواند به علل زیر مورد نیاز باشد:

  • اشتباهات و مشکلات طراحی
  • مشکلات و اشتباهات اجرایی
  • تغییر در استانداردها و آیین‌نامه‌ها
  • افزایش عمر مفید بهره‌برداری
  • تغییرکاربری سازه
  • افزایش طبقات و بار وارده

مزایای مقاوم سازی با FRP :

مهمترین مزایای استفاده از روش مقاوم سازی با FRP نسبت به سایر روش های مقاوم سازی ساختمان عبارتند از :

 

  • استفاده از FRP برای تقویت و مقاوم سازی ساختمان نیاز به زمان زیادی ندارد و اعضای مقاوم سازی شده در زمان بسیار کوتاهی آماده سرویس دهی می شوند.
  • نیاز به تخریب کمتر بخش هایی از سازه در مقایسه با دیگر روش های مقاوم سازی.
  • نیاز به بازسازی کمتر المان مقاوم سازی شده در برابر دیگر متدهای مقاوم سازی ساختمان.
  • ارزان تر بودن روش استفاده از مقاوم سازی با FRP ( در بسیاری موارد ) نسبت به روش های دیگر مقاوم سازی.
  • مقاوم سازی با FRP نیازمند تجهیزات کارگاهی زیادی نمی باشد .
  • در مقاوم سازی با FRP میزان خوردگی در حد صفر است .
  • مقاوم سازی با FRP به صورت عایق مغناطیسی و الکتریکی در مناطق حساس به امواج مغناطیسی و الکتریکی توصیه می شود
  • افزایش تولید، تامین و توزیع وسیع که باعث کاهش قیمت FRP و افزایش خرید و فروش FRP شده است.
  • ضخامت کم لایه های FRP (در حد میلی‌متر)، باعث می‌گردد تا استفاده از آن ها در مقاوم سازی سازه، اضافه فضا نداشته باشد.

 

مشکلات استفاده از سیستم مقاوم سازی با FRP

  • طراحی و محاسبات مصالح FRP در بهسازی و مقاوم سازی سازه بدلیل رفتار غیر ایزوتروپ نسبت به فولاد و بتن متفاوت تر است.
  • در روش تقویت سازه با FRP، انتخاب نسبت مناسب الیاف به رزین، نوع الیاف و رزین مصرفی، مواد تکمیل کننده مورد نیاز و نیز نصب و اجرای لایه ها نیاز به دقت فراوانی دارد.
  • شکل پذیری پایین مصالح FRP، سبب می‌شود تا برآورده کردن بندهای مطلوب آئین نامه های مقاوم سازی، مستلزم رعایت برخی محدودیت‌ کرنش گسیختگی در کشش برای این مصالح گردد.
  • بدلیل ضعف نسبی مصالح FRP در برابر حریق و آتش سوزی، در پروژه مقاوم سازی نیاز است تا پوشش اضافی بر روی لایه‌ FRP اجرا گردد که باعث می شود هزینه مقاوم سازی بالا رود.

مزایای مقاوم سازی با FRP

 

 

 

از جمله موارد مقاوم سازی سازه ها با FRP بدین شرح می‌باشد:

  • افزایش کرنش ستون های بتنی با استفاده از دورپیچ های FRP
  • تقویت خمشی تیرهای بتنی با مصالح کربن FRP
  • تقویت برشی یا افزایش شکل پذیری تیرها یا ستون های بتنی
  • تقویت خمشی و برشی دیوارهای برشی بتنی
  • تقویت خمشی و برشی دال ها توسط ورقه ها یا شیت های پلیمر کربن
  • تقویت اتصالات با FRP
  • افزایش مقاومت در برابر عوامل محیطی مانند خستگی، خوردگی، رطوبت، تغییر دما و….
  • افزایش مقاومت ، عمر مفید ، بهسازی و مقاوم سازی تاسیسات و تجهیزات (سازه های خاص) توسط سیستم های کامپوزیتی
  • تقویت عرشه پل با استفاده از الیاف کربن
  • ترمیم و تقویت با مصالح FRP و پوشش با رزین مناسب نظیر اپوکسی
  • بازسازی بتن و جایگزینی آرماتور فولادی با میلگرد FRP
  • تقویت سازه ای المان و اجزا توسط مصالح FRP
  • تزریق رزین اپوکسی و هاردنر در اجزای سازه و یا محافظت بتن توسط پوشش پلیمری FRP ضد اسید
  • پوشش اجزا با FRP
  • جایگذاری میلگرد FRP به جای میل گردهای پوسیده شده بتن
  • جایگزینی بتن جدید و دور پیچی المان های ستون ها، تیرها و کف ها با الیاف FRP
  • تامین کمبود مقاومت با پروفیل ها، و ورق FRP کامپوزیت
  • مقاوم سازی با سیستم ترکیبی پلیمری FRP و روش سنتی
  • مقاوم سازی با ورق و الیاف CFRP و الیاف GFRP در تیر، ستون و دیوار بتنی
  • دور پیچی الیاف FRP  و محصور سازی با الیاف پلیمری در بتن
  • پکر گذاری و تزریق گروت اپوکسی و افزایش مقاومت بتن توسط محصور سازی و دور پیچی با FRP
  • تقویت خمشی توسط آئین نامه نشریه مقاوم سازی FRP
  • استفاده از سیستم مهار جانبی و تقویت موضعی اعضا با اف آر پی
  • استفاده از روش تقویت سازه و مقاوم سازی با FRP بدلیل سرعت بالای اجرای الیاف FRP، ورق FRP لمینت، و میلگرد FRP کامپوزیتی
  • ساخت سازه با سیستم کامپوزیتی FRP با مقاومت و دوام بالا در محیط های اسیدی و خورنده
  • استفاده از روش کاشت میلگرد FRP در داخل عضو بتنی بدلیل مقاومت بسیار بالای آرماتور FRP
  • مقاوم سازی با FRP
  • استفاده از دتایل های مناسب مقاوم سازی شرکت آرین تیس
  • مقاوم سازی FRP در طول و عرض تیر
  • ترمیم با استفاده از پلیمر مسلح FRP به جای روش سنتی
  • تزریق رزین و محصورسازی Confinement با الیاف اف آر پی

 

 

انواع روش های مقاوم سازی با FRP :

در کل مقاوم سازی ساختمان و سازه های بتنی موجود و یا تقویت و بهسازی لرزه ای آن ها جهت تحمل بارهای وارده ثقلی و زلزله انجام می گیرد . در این راستا به منظور بهبود نارسایی هایی که ناشی از قدمت سازه و یا فرسایش سازه و نیز در جهت افزایش شکل پذیری سازه و بهتر کردن عملکرد سازه و رفتار آن در برابر بار های زلزله از انواع روش های مقاوم سازی ساختمان استفاده گردیده که یکی از روش های مقاوم سازی با FRP می باشد.

 

  • الیاف FRP پلیمر های مسطح شده ای تحت نام Fiber Reinforced polymere که به اختصار FRP می گویند ، می باشد .
  • الیاف FRP جایگزین مناسبی در مصالح سنتی و روش های متعارف فعلی در مبحث مقاوم سازی ساختمان می باشد.
  • مکانیزم FRP بدین صورت می باشد که از الیاف و رزین ها برای ساخت چندین لایه مرکب استفاده می شود.
  • رزین های مورد استفاده جهت چسبانیدن چندین لایه به سطح بتن به منظور محافظت مصالح ترکیبی مورد استفاده قرار می گیرند.
  • الیاف FRP سبک بوده و در برابر خوردگی هایی مانند زنگ زدگی و پوسیدگی دارای مقاومت بالایی می باشند.
  • همچنین الیاف FRP دارای مقاومت کششی بالایی بوده و در حدود ۱۰ برابر فولاد از مقاومت کششی برخوردار می باشد.

FRP :

به شکل ها و چگالی های سطحی مختلفی بصورت ورقه های چند لایه که به آن ها لمینت FRP گفته می شود و یا به صورت شیت که مانند پارچه دارای تار و پود می باشد و قابل خم شدگی و پیچش روی ستون و سطح المان های سازه ای جهت مقاوم سازی می باشد.

در بیشتر موارد سیستم های FRP به شکل پروفیل های نازک تولید شده و در مواقعی که از ظاهر آن ها بتوان در نازک کاری و پوشش نهایی ساختمان استفاده کرد بکار گرفته می شود. گرایش جامعه مهندسین سازه و مقاوم ساز به استفاده از FRP در مقاوم سازی ساختمان یا مرمت ساختمان دارای مزیت های گوناگونی می باشد .

با وجود این که مصالح FRP نسبت به دیگر مصالح متعارف مانند فولاد و بتن گرانتر می باشد اما به هنگام اجراء هزینه های مرتبط با اجراء شامل دستمزد نیرو های بکار گرفته شده و عدم نیاز به تجهیزات خاص نسبت به دیگر سیستم های مقاوم سازی ساختمان ارزانتر می باشد.

 

 

انواع روش های مقاوم سازی با FRP :

انواع روش های مقاوم سازی با FRP

  • عدم خوردگی و پوسیدگی الیاف FRP در المان مقاوم سازی شده (در مقایسه با برخی از روش هایی مانند ژاکت فولادی).
  • مبتنی بودن روش مقاوم سازی با FRP با فن آوری های نوین مقاوم سازی.
  • تدوین آئین نامه مختص مقاوم سازی با FRP که مبتنی بر آخرین روش های آزمایشگاهی و تحقیقاتی می باشد.
  • وجود آزمایش تشخیص کیفیت المان مقاوم سازی شده با الیاف FRP مانند تست Pull off جهت اطمینان از عملکرد صحیح سیستم مقاوم سازی.
  • عدم نیاز به تجهیزات و ابزارآلات خاص در مقایسه با دیگر روش های مقاوم سازی.
  • عدم تداخل زیاد در کاربری ساختمان نسبت به دیگر روش های سنتی مقاوم سازی ساختمان .
  • در مواردی که استفاده از ماشین آلات سنگین و یا توقف بهره برداری از ساختمان امکان پذیر نبوده استفاده از روش مقاوم سازی با FRP تنها روش مقاوم سازی ساختمان می باشد.
  • بالا بودن نسبت مقاومت به وزن و سختی در روش مقاوم سازی با FRP
  • دارا بودن اتصال بهتر با سطح بتن تیر ، ستون و دیوار برشی در روش مقاوم سازی با FRP نسبت به اتصال ما بین بتن با ژاکت فولادی در تیر و ستون . دلیل این امر چسبندگی فوق العاده بالای FRP توسط چسب اپوکسی در کلیه سطوح می باشد.اما درروش مقاوم سازی ساختمان با ژاکت فولادی فقط با استفاده ازکاشت بولت اتصال فولاد به بتن تأمین خواهد شد.

 

دور پیچ کردن ستونها و اعضای فشاری در روش مقاوم سازی با FRP

 

 

دور پیچ کردن ستونها و اعضای فشاری در روش مقاوم سازی با FRP :

دورپیچ کردن ستون ها با FRP آن عضو را محصور کرده و باعث افزایش مقاومت فشاری ستون می گردد. در این روش با محصور کردم ستون شکل پذیری عضو تحت اثر نیروهای محوری و لنگرهای خمشی افزایش می یا بد.

مقاوم سازی اعضاء بتنی با مصالح FRP روش جدیدی بوده ، مواد FRP خاصیت فیزیکی مطلوبی داشته از جمله مقاومت کششی بالا و ضخامت کم و سبکی آن مزیت مطلوب آن می باشد.

در ستون بتنی با کمک از الیاف FRP همچنین ظرفیت برشی ستون افزایش یافته حالت گسیختگی آن از حالت برش به حالت خمشی تغییر شکل یافته و باعث افزایش شکل پذیری آن به میزان زیادی خواهد شد.

همچنین دورپیچ کردن ستون ها با FRP مقاومت فشاری ستون را افزایش داده و باعث تقویت ستون می شود. برای دورپیچ کردن اعضاء فشاری مانند ستون ابتدا می بایست راستای الیاف عمود بر راستای طولی ستون باشد.

در این حالت حلقه های الیاف عیناً مطابق با خاموت های یک ستون به صورت تنگهای مجزای بسته یا خاموت های دورپیچ فولادی رفتار خواهند کرد.در این روش معمولاً از الیاف FRP دارای یک جهت Unidirectional استفاده می گردد. به هنگام وقوع زلزله جذب انرژی و میزان شکل پذیری ستون افزایش یافته و ظرفیت باربری آن زیاد خواهد شد.

مواد و مصالح مربوط به مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

 

  • چسب ها

 

دلیل استفاده از چسب، به وجود آوردن انتقال نیروی برشی بین سطوح بتنی و مواد مرکب تقویت ‌کننده است. از متداول ترین چسب های سازه ای می توان به چسب ها اپوکسی اشاره کرد.

 

  • رزین

 

این مواد نقش بسیار مهمی در خواص مکانیکی کامپوزیت ها دارند. حفاظت از الیاف و پخش بار های وارده از دیگر نقش های رزین است.

 

  • الیاف

عموماً سه گروه عمده از الیاف هستند که برای مقاوم سازی در مهندسی ساختمان به کار گرفته می شوند که عبارت اند از شیشه، آرامید و کربن. محدوده چگالی مواد FRP از ۱٫۲ تا ۲٫۱ گرم بر سانتیمتر مکعب بوده که تقریباً حدود ۴ تا ۶ برابر کمتر از چگالی فولاد (۷٫۹) است. این کاهش در وزن منجر به کاهش هزینه حمل‌ونقل، کاهش وزن بار مرده اعمال ‌شده به سازه و امکان حمل ‌و نقل و نصب در کارگاه به‌ صورت دستی می شود.

 

استفاده از FRP بعنوان مسلح کننده خارجی

مواد مرکب FRP، دامنه وسیعی از کاربردها را برای مقاوم ‌سازی سازه‌های بتن‌آرمه در مواردی که تکنیک‌های مرسوم مقاوم‌ سازی ممکن است مسئله‌ ساز باشند، به ‌خود اختصاص داده‌اند. برای نمونه، یکی از معمول‌ترین تکنیک ها برای بهسازی اجزاء بتن آرمه، استفاده از ورق‌های فولادی است که از بیرون به این اجزاء چسبانده می‌شود. این روش، روشی ساده، مقرون به صرفه و کارا است، اما از جهات زیر مسئله‌ ساز است:

 

۱- زوال چسبندگی بین فولاد و بتن که از خوردگی فولاد ناشی می‌شود.

۲- مشکلات ساخت صفحات فولادی سنگین در کارگاه ساختمان.

۳- نیاز به نصب داربست.

۴- محدودیت طول در انتقال صفحات فولادی به کارگاه ساخت ( در مورد مقاوم ‌سازی خمشی اجزاء بلند ).

روش مرسوم دیگر در مقاوم ‌سازی اعضای بتن‌ آرمه، استفاده از پوشش‌هایی از نوع بتن‌ آرمه، بتن پاشیدنی و یا فولاد می‌باشد. این روش تا جایی که مربوط به مقاومت، سختی و شکل ‌پذیری می‌شود، کاملاً مؤثر است، اما باعث افزایش ابعاد مقاطع و بار مرده سازه می‌شود. همچنین این شیوه نیازمند عملیات پر دردسر و تخلیه ساکنین است و به صورت بالقوه باعث افزایش نامطلوب سختی اعضای بتن‌ آرمه می شود.

به‌ عنوان یک جایگزین، صفحات FRP می‌توانند به دور اجزاء بتن‌ آرمه پیچیده شوند و افزایش قابل توجه مقاومت و شکل ‌پذیری را به دنبال داشته باشند، بدون آنکه تغییر زیادی در سختی ایجاد نمایند. یک نکته مهم در ارتباط با مقاوم ‌سازی اعضا با استفاده خارجی از FRP آن است که باید درجه مقاوم‌ سازی ( نسبت ظرفیت نهایی عضو مقاوم‌ شده به ظرفیت نهایی عضو مقاوم ‌نشده) را محدود کنیم تا حداقل سطح ایمنی در حوادثی مانند آتش ‌سوزی که منجر به از دست رفتن کارایی FRP می‌شوند، حفظ گردد. امروزه مواد کامپوزیتی FRP به وفور جهت تقویت خمشی و برشی تیرهای بتن آرمه به کار می‌روند.

مقاوم سازی ستونهای بتن مسلح با FRP

کاربرد کامپوزیت FRP در مقاوم سازی سازه های بتن مسلح امروزه نگهداری از سازه ها به دلیل هزینه ساخت و تعمیر بسیار حائز اهمیت می باشد با مطالعه رفتار سازه های بتنی مشخص می شود عوامل متعددی مانند: اشتباهات طراحی و محاسبه، عدم اجرای مناسب تغییر کاربری سازه ها، آسیب دیدگی ناشی از وارد شدن بارهای تصادفی، خوردگی بتن و فولاد و شرایط محیطی از دوام آنها می کاهد ضمناً تغییر آیین نامه های ساختمانی (باعث تغییر در بارگذاری و ضرایب اطمینان می شود) نیز سبب ارزیابی و بازنگری مجدد طرح و سازه می گردد تا در صورت لزوم بهسازی و تقویت شود.

سیستمهای الیاف مسلح شده پلیمری FRP برای تقویت سازه های بتنی پدیدار شده و به عنوان یک جانشین برای روش های سنتی از قبیل چسباندن صفحات فولادی، افزایش سطح مقطع با بتن ریزی مجدد و پیش تنیدگی خارجی می باشد.

بر خلاف FRP ، مواد و مصالح فولادی با استحکام بالا آسانتر توسط مهندسان پل سازی مورد قبول قرار خواهد گرفت . قبول اولیه به خاطر مواد فولادی جدید حاصل خواهد شد که کاهش بارهای مرده سازه را امکان پذیر می سازد. قبول این مواد در سطح گسترده تر به خاطر خواص پیشرفته مصالح خواهد بود. نتایج بدست آمده از بهبود این مصالح سختی و جوش پذیری فولاد های با استحکام بالا به تمام درجات فولاد افزایش خواهد یافت . مشخصات طراحی همچنان به روز خواهد شد تا با مسایل مربوط به عملکرد مصالح نظیر جوش کاری ، سختی و قابلیت ساخت و تغییر شکل متناسب گردد. مصالح فولادی با کارایی بالا امروزه برای ساخت پل در آینده استاندارد خواهند شد.