مقاوم سازی ساختمان های قدیمی با FRP

ساختمان‌های که در گذشته ساخته شده اند به دو قسمت تقسیم می‌شوند. بخش اول، ساختمان‌های بنایی که از خشت و گل و سیمان و … ساخته شده اند و کلاف بندی و یا اسکلت در آنها وجود ندارد و فاقد سیستم باربری جانبی می باشند. بخش دوم ساختمان‌های می باشند که کلاف های بتنی و یا فلزی در آن اجرا شده و دارای سیستم باربری جانبی میباشند در این مقاله منظور از ساختمان‌های قدیمی ساختمان‌های دارای کلاف می‌باشد. در این مقاله سعی شده است که به نقش FRP در مقاوم سازی ساختمان قدیمی بپردازد.

ساختمان‌های قدیمی در اجرا یا دارای مهندس ناظر در حین اجرا بوده اند که باعث افزایش کیفیت ساخت ساختمان‌های قدیمی می‌شود یا فاقد مهندس ناظر می باشند که سبب افت کیفیت اجرا می‌شود ( در گذشته به علت عدم مرجع و مدیریت صحیح عموماً ساخت ساختمان ها بدون وجود ناظر انجام می گرفت ). مسئله بعد در ساخت ساختمان‌های قدیمی  عدم وجود آیین نامه و یا عدم رعایت آیین نامه سبب آسیب پذیری ساختمان در برابر زلزله می‌باشد.

یکی دیگر از مسائلی که نقش FRP در مقاوم سازی ساختمان قدیمی را نشان می دهد تغییر آیین نامه ها می‌باشد که سبب شده ضوابط سخت گیرانه تری نسبت به آیین نامه های گذشته ارائه کند. با این حال ممکن است مقاوم سازی همه ساختمان‌های قدیمی نیاز نباشد و بعضی از ساختمان‌های قدیمی نیاز مقاوم سازی داشته باشد. که ما در این مطلب نقش FRP در مقاوم سازی ساختمان قدیمی را بررسی میکنیم.

نقش FRP در مقاوم سازی ساختمان قدیمی به دو دسته تقسیم می‌شوند :

• ساختمانهای قدیمی فولادی
• ساختمان قدیمی بتنی

نقش FRP در مقاوم سازی ساختمان قدیمی، یکی از روش نوین مقاوم سازی با FRP و پوشش محافظتی در صنایع مختلف می باشد. مصالح (FRP (Fiber Reinforcement Polymer یا پلیمر تقویت شده با فیبر که امروزه کاربرد زیادی در ترمیم، تقویت و مقاوم سازی سازه ی بتنی و فلزی و نیز صنعت کامپوزیت دارند، از دو جزء اساسی تشکیل می‌شوند، فایبر ( الیاف ) و ماتریس ( رزین ). فایبر یا الیاف FRP که دارای مشخصات فنی الاستیک و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در ماده FRP محسوب می‌شوند.

فیبرهای تشکیل دهنده FRP می توانند در یک راستا یا در دو راستای عمود بر هم قرار داشته باشند. رزین FRP نیز اصولاً به عنوان یک محیط چسباننده عمل می‌کند که فایبر را درکنار یکدیگر نگاه می ‌دارد. الیاف کامپوزیت FRP با چسب‌ و رزین مستحکم بمنظور تقویت سازه به سطح بتن چسبانده می‌شوند. الیاف و ورقه FRP پوشش مناسبی جهت ایزوله کردن و مقاوم سازی بتن سازه آبی از محیط خورنده مجاور هستند. همچنین از ورقه کامپوزیتی FRP جهت تعمیر و تقویت سازه ی آسیب دیده ( ناشی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آب یون‌دار) استفاده می‌شوند.

نقش FRP در مقاوم سازی ساختمان قدیمی را می‌توان به صورت زیر لیست کرد :

افزایش تولید، تأمین و توزیع وسیع که باعث کاهش قیمت FRP و خرید و فروش FRP شده است. بهبود خصوصیات الیاف و رزین مصالح FRP در سال های اخیر، سبب بکارگیری آن در اکثر پروژه  مقاوم سازی شده است. خواص ضد خورندگی مواد FRP در کنار مقاومت مکانیکی بالا سبب شده است که دو مقوله مقاوم سازی تقویت سازه و پوشش ضد خوردگی در سازه ی بتنی، فولادی، پل، لوله، مخازن و تأسیسات پتروشیمی و صنعتی، به صورت همزمان با صرفه جویی در زمان و هزینه صورت گیرد. استفاده از FRP در تقویت سازه بتنی، ارزان تر از تخریب اجزای سازه بتن آرمه و مقاوم سازی با روش سنتی شده است.

روش تولید اصلاح شده کامپوزیت FRP، منجر به تولید محصولاتی با خواص مقاومتی و مشخصات فنی بالاتر و کاهش قیمت FRP تولید شده است. بهینه کردن ترکیب فیبر اف آر پی با ماتریس چسب اف ار پی ( رزین اپوکسی FRP ) برای سازگاری مناسب تر با یکدیگر در سیستم FRP در عملیات بازسازی و تقویت سازه امکان پذیر شده است.

مزایا و نقش FRP در مقاوم سازی ساختمان قدیمی : 

مزیت نقش FRP در مقاوم سازی ساختمان قدیمی در ترمیم و تقویت سازه نسبت به روش مقاوم سازی سنتی عبارتند از :

• وزن مصالح FRP بسیار ناچیز است که یکی از اهداف تقویت و مقاوم سازی سازه می باشد. با اینکه FRP ها نسبت به فولاد و بتن بسیار سبک تر هستند ولی دلیل اصلی کاربرد آنها در مقاوم سازی سازه بدلیل عوامل زیر است.
• ضخامت کم لایه های FRP ( در حد میلیمتر )، باعث می‌گردد تا استفاده از آنها در مقاوم سازی سازه، اضافه فضا نداشته باشد.
• 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.
• FRP مقاومت بالایی در مقابل خوردگی دارد. این امر سبب می‌گردد تا علاوه بر مقاوم سازی سازه بدلیل خواص نفوذ ناپذیری بالا اعضای سازه ای را از عوامل خورنده محافظت کند و نیاز به تعمیرات دوره ای را حذف کند.
• توانمندی بالای مصالح FRP در محاسبات فنی و طراحی ( سختی، مقاومت و شکل پذیری )، آنها را به سیستم های بی نظیر در مقاوم سازی تبدیل کرده است.
• عدم توقف کاربری در زمان اجرای مقاوم سازی با FRP

در مقاله ای که مقاوم سازی ساختمان قدیمی با اطاق امن را توضیح داده با استفاده از لینک مقابل مشاهده کنید.

معایب و نقش FRP در مقاوم سازی ساختمان قدیمی : 

• 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 میشود هزینه مقاوم سازی بالا رود.

انواع مصالح FRP مورد استفاده در مقاوم سازی : 

دو نوع کلی از مصالح FRP در ساخت، بهسازی و مقاوم سازی سازه‌ها به کار می‌روند. این دو نوع عبارتند از میله ­FRP یا میلگرد FRP و مصالح پوششی FRP. علاوه بر این دو نوع، پروفیل FRP به صورت I شکل، ناودانی، قوطی و نبشی نیز امروزه در ساخت سازه جدید و بازسازی ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرند.

1. میلگرد FRP

از انواع میلگرد FRP ( آرماتور FRP ) که از سه نوع الیاف شیشه GFRP، الیاف کربن CFRP و الیاف آرامید AFRP به همراه رزین اپوکسی، پلی استر و وینیل استر تولید می‌شوند، امروزه در صنایع مختلف و روش مقاوم سازی ساختمان استفاده فراوانی می‌گردد. یکی از روشی که از میلگرد FRP برای تقویت لرزه ای سازه و مقاوم سازی استفاده می‌شود، روش نصب نزدیک سطح NSM می باشد که خود شامل روش NSM FRP Rods و NSM FRP Strips می باشد.

2.  پوشش FRP پوشش FRP عمدتاً برای مقاوم سازی و بهبود و تقویت رفتار سازه ی موجود یا تعمیر خرابی‌ ایجاد شده در سازه ی فعلی به عنوان یک روش نوین در مهندسی به کار می‌روند. همانگونه که اشاره شد، ویژگی‌ کلیدی که این مصالح را برای مقاوم سازی مناسب می‌سازد، خواص غیر قابل خوردگی و مقاومت بالا نسبت به وزن است. از این رو تکنیک‌ مختلفی برای تقویت سازه بتنی نظیر روش زیر بوجود آمده است. پوشش FRP که به سطح خارجی یک عضو بتنی یا هر سطح دیگری می‌چسبند، به روش EBR- Externally Bonded Reinforcement معروف هستند.

مقاوم سازی با FRP- پلیمر مسلح شده با فیبر : 

سه نوع از پوشش FRP برای بازسازی، تعمیر، بهسازی، تقویت و مقاوم سازی سازه‌ مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پوشش دست ساز FRP : 

در این نوع پوشش FRP، ابتدا سطح عضو بتن‌آرمه آماده شده و یک لایه چسب یا رزین روی آن اجرا می‌گردد. سپس الیاف بافته شده در یک راستا یا چند راستا با دست روی سطح مورد نظر نصب می‌گردد. به این ترتیب پس از خشک شدن، یک لایه‌ پوشش کامپوزیت FRP به صورت چسبیده بر روی سطح عضو ایجاد می‌شود. در این روش، الیاف FRP به صورت پارچه کربن، شیشه یا آرامید ( یک جهته یا چند جهته ) می باشد.

ورق FRP یا صفحات و لمینیت پیش ساخته‌ مرکب : 

در این حالت، کامپوزیت FRP به صورت صفحات، لمینیت یا تسمه های یک جهته در کارخانه ساخته می‌شوند. در اعضای تخت مانند دال‌ها و تیرها، تسمه ها و ورقه پیش ساخته‌ FRP روی سطح تمیز شده‌ی عضو با استفاده از چسب و رزین مناسب، چسبانده می‌شوند. عرض این تسمه‌ها معمولاً بین ۵ تا ۱۵ سانتی‌متر متغیر است.

ورقه ماشینی : 

در این سیستم، الیاف FRP به صورت خشک یا پیش آغشته شده به چسب و رزین FRP بکار می‌روند. یک محفظه‌ حرارتی یا کورهی نگه دارنده همراه برای عمل آوری کامل لایه های چسبیده FRP به عضو بتن‌ آرمه به کار می‌روند.

نقش FRP در مقاوم سازی ساختمان قدیمی : 

پروژه ترمیم، بازسازی و مقاوم سازی با FRP ، امروزه بسیار فراگیر شده و آسیب و ضعف سازه ای می‌توان با استفاده از مصالح FRP تقویت کرد. ارتباط از جمله مسائل بسیار قابل توجه، زوال الیاف پلیمری مسلح کننده نظیر آرامید است. به عنوان مثال برای آرامید ساخته شده از الیاف نازک پس از پنج هفته قرار گرفتن در نور آفتاب فلوریدا، ۵۰ درصد افت مقاومت گزارش شده است. با این وجود این اثر معمولاً سطحی است؛ بنابراین در کامپوزیت‌های ضخیم‌تر، تأثیر این زوال بر خصوصیات سازه‌ای جزئی است. در مواردی که خواص سطحی نیز مهم تلقی شوند، لازم است ملاحظاتی را جهت کاهش ترک‌خوردگی سطحی تحت اشعه خورشید، منظور نمود.

تعمیر و نقش FRP در مقاوم سازی ساختمان قدیمی : 

به دنبال فرسوده شدن سازه‌های زیر‌بنایی و نیاز به تقویت سازه‌ها برای برآورده کردن شرایط سخت‌گیرانه طراحی، طی دو دهه اخیر تأکید فراوانی بر روی تعمیر و مقاوم‌ سازی سازه‌ها در سراسر جهان، صورت گرفته است. از طرفی، بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها به‌ خصوص در مناطق زلزله‌ خیز، اهمیت فراوانی یافته است. در این میان تکنیک‌های استفاده از مواد مرکب FRP به‌عنوان مسلح‌ کننده خارجی به دلیل خصوصیات منحصر به فرد آن، از جمله مقاومت بالا، سبکی، مقاومت شیمیایی و سهولت اجرا، در مقاوم ‌سازی و احیاء سازه‌ها اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده‌اند.

از طرف دیگر،  این تکنیک‌ها به دلیل اجرای سریع و هزینه‌های کم جذابیت ویژه‌ای یافته‌اند. اتصالات آسیب پذیرترین قسمت سازه بوده و در عین حال سخت ترین جز سازه جهت تقویت می‌باشند. تقویت توسط FRP یکی از موثرترین و ساده ترین روش های تقویت اتصالات سازه می باشد.

 تقویت برشی تیر با FRP : 

بهترین شیوه تقویت برشی تیرها Wrapping توسط ورقهای FRP می باشد. همچنین به راحتی و به شکل بسیار مؤثری می‌توان تیرها را توسط FRP تقویت خمشی نمود.

تقویت دیوار برشی با FRP : 

FRP می‌تواند تأثیر زیادی در تقویت خمشی و برشی دیوارهای برشی داشته باشد.

افزایش مقاومت فشاری بتن با FRP : 

FRP کاربردهای فراوانی در تقویت ستونهای بتنی دارد. از FRP میتوان برای تقویت خمشی ستون ها، افزایش مقاومت مشخصه بتن و افزایش شکل پذیری ( اثر محصور شدگی) استفاده نمود. به علت ضخامت کم ورقهای FRP، این روش یکی از راه‌های مناسب برای تقویت ستون ها است چرا که در معماری ساختمان خللی ایجاد نمی نماید. تأثیر عمده تقویت توسط FRP، در ستونهای دایره‌ای شکل بوده ولی ستون های مربع یا مستطیل را می توان با گرد کردن گوشه ها به صورت مناسب جهت تقویت با FRP تبدیل نمود.

تقویت داده‌های بتنی توسط FRP : 

یکی از ابزار کمکی برای بهبود خواص دال های بتنی که نیاز به تقویت دارند، پلیمرهای تقویت شده با الیاف ( FRP ) می‌باشند که در شرایط مختلف با اهداف مختلف و به اشکال مختلف به دال ها متصل می‌شوند.

تقویت خمشی دال‌های بتنی توسط FRP : 

در دهانه های تقویت شده با CFRP در دال‌های دوطرفه، ورق‌های CFRP می‌توانند برای حفظ و حتی افزایش ظرفیت اولیه باربری دال های بتنی دوطرفه دهانه دار مورد استفاده قرار بگیرند. برای دال های تقویت شده با CFRP ظرفیت حمل بار در مقایسه با تیر ضعیف شده ۱۲٫۵ تا ۲۴ درصد افزایش یافته است. رفتار دال های تقویت شده با FRP تست شده تا زمان نقص، الاستیک دوخطی می باشد. سفتی دال ها تقویت شده با تقویت شبکه CFRP پس از آغاز ترکها در مقایسه با دال تقویت شده با فولاد به طور قابل توجهی کاهش می یابد. برای اطمینان از سفتی انعطافی کافی جهت کنترل اعوجاج نیاز به نسبت های تقویت بالاتر است.

راهکار و نقش FRP در مقاوم سازی ساختمان قدیمی : 

• 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