مقاوم سازی ساختمان بتن آرمه با FRP

در دهه ۸۰ میلادی سیستم های پلیمر مسلح شده با الیاف Fibre Reinforced Polymers به نام اختصاری FRP در دنیا معرفی شدند که به دلیل داشتن دو جزء اصلی شامل الیاف و ماده چسباننده آن ها به یکدیگر به عنوان نوعی ماده مرکب یا کامپوزیت به شمار می رود. در کامپوزیت ها مشخصات شیمیایی و فیزیکی هر کدام از اجزای متشکله به تنهایی محفوظ است، اما در کنار یکدیگر تشکیل ماده ای جدید با خصوصیات فیزیکی و رفتار مکانیکی تازه ای را می دهند که کاربردهای ویژه دارند. در کامپوزیت های FRP مشخصات فیزکی جدید، سبکی وزن، نازک بودن، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت کششی بالا و چندین برابر فولاد و ضریب ارتجاعی مناسب که تقریبا در حدود فولاد است، کاربردهای آن ها را در مقاوم سازی و بازسازی سازهای بتنی، فولادی و بنایی بسیار فراگیر و گسترده کرده است.
کامپوزیت ها می توانند به صورت ورقه هایی با جنس های مختلف باشند که به دسته های CFRP، GFRP و AFRP تقسیم بندی می شوند که اولی از جنس کربن، دومی از جنس شیشه و سومی نیز از جنس آرامید می باشد. این ورقه ها دارای الیافی می باشند که می توانند در راستاهای مختلف قرار گرفته و در نوع مورد نظر مقاوم سازی، مورد استفاده قرار گیرند. از مهمترین دلایل استفاده از کامپوزیت ها در صنعت ساختمان مقاومت بالای آن ها در برابر خوردگی، استحکام و… مزایایی است که در مقایسه با دیگر مصالح جایگزین از اهمیت بالایی برخوردار است. به کارگیری پروفیل ها و آرماتورهای کامپوزیتی تولید شده به روش های پالتروژن، تزریق رزین و ذخیره رطوبت، باعث افزایش عمر و کاهش هزینه های ساخت و ساز و نگهداری در محیط های خورنده ساحلی و دریایی گردیده است و در ضمن کاربرد کامپوزیت ها را در شرایط خورنده آب های شور و سواحل دریایی بالا برده است. آمارها در سطح جهان نشان می دهد که سالیانه دو میلیارد دلار صرف جبران خسارت خوردگی در سازه های ساحلی در حاشیه دریا می شود. نیاز به کاهش هزینه تعمیر و نگهداری سازه های عظیم و متعدد ساحلی و فراساحلی، ما را به استفاده از مواد نوینی که دارای مزیت های نسبی نسبت به نمونه های مشابه استفاده (بتن، فولاد، چوب و …) دارا می باشد، سوق داده است. سازه های بتن آرمه به عنوان بخش گسترده ای از سازه ها، چنانچه بر حسب محاسبات دقیق و روابط شکل پذیری طراحی و اجرا شوند، ساختمان های بسیار مطلوبی خواهند بود، اما کیفیت ساخت در برخی ساختمان ها به دلایل مختلفی بسایر نامطلوب بوده که از جمله آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

۱_ عدم تامین مقاومت برشی لازم در هر طبقه توسط ستون ها و دیوارهای برشی
۲_ شکست برشی ستون هایی که طول آن ها به طور ناخواسته ای توسط دیوارها و سایر عناصر غیر سازه ای کوتاه شده است.
۳_ لغزش میگردها در اتصال تیر به ستون
۴_ شکست برشی اتصال تیر به ستون
۵_ شکست ترد دیوارهای برشی که دارای بازشو هستند یا دیوارهایی که به اعضای افقی اتصال دارند
۶_ پیچش ناشی از برون محوری و تمرکز تنش در یک طبقه به دلیل توزیع نامنظم سختی در ارتفاع

مزیت های سیستم مقاوم سازی بتن آرمه FRP

مزیت اصلی مصالح FRP، نسبت زیاد مقاومت به وزن و مقاومت بالای آن در مقابل خوردگی است. مقاومت بالای آن ها در عین حال که وزن کمی نیز دارند، موجب می شود که جابه جایی و نقل و انتقال آن ها راحت تر باشد و هزینه استفاده از آن ها و نیروی کار، کاهش یابد. به علاوه مقاوم بودن آن ها در مورد خوردگی سبب دوام و پایا بودن عملکرد آن هاست. مقاومت صفحات FRP دست کم دو برابر مقاومت صفحات فولادی است که این مقدار ممکن است تا ۱۰ برابر نیز افزایش یابد، در حالی که وزن آن ها فقط ۲۰ درصد وزن فولاد است. محدودیت استفاده و کاربرد آن ها در مهندسی ساختمان به دلیل قیمت بالای آن هاست. استفاده از این نوع کامپوزیت ها در زمینه مقاوم سازی سازه ها، هرچند هزینه زیادی دارد، اما با توجه به هزینه اجرای کم و نیز سایر مزایای FRP، به صورت کلی به عنوان یکی از موثرترین راه های مقاوم سازی سازه های بتنی به شمار می رود.

دلایل تقویت سازه های بتنی

• خطاهای طراحی
• خطاهای اجرایی
• افزایش بار سازه
• تغییرات آیین نامه ای
• شناخت بهتر نیروهای زلزله نسبت به گذشته
• تاثیر شرایط محیطی مخرب
• آسیب دیدگی سازه ها ناشی از حوادثی چون ضربه، آتش سوزی، باد، زلزله و … .

مزایای کامپوزیت های پلیمری FRP

• وزن کم
• انعطاف پذیری بالا
• سهولت در حمل و نصب
• عدم نیاز به سیستم های محافظ در برابر خوردگی
• برشکاری در قطعات دلخواه
• نسبت بالای مقاومت به وزن
• مقاومت و سختی بالا
• امکان تقویت به دو صورت داخلی و خارجی

معایب کامپوزیت پلیمری FRP

• آسیب پذیری در مقابل اتش سوزی
• کم تجربگی مشاوران و پیمانکاران
• عدم امکان استفاده از ورق های FRP در سطوح ناصاف
• افزایش وقوع شکست ترد با مصرف این گونه کامپوزیت ها

روش های ساخت و خصوصیات فیزیکی مواد کامپوزیت FRP

شکل گیری FRP به صورت قرار دادن الیاف پیوسته در یک رزین است که این رزین نقش نگهداری و به هم مرتبط کردن این الیاف جداگانه را ایفا می کند. الیاف متداول مورد استفاده نیز کربن، شیشه و آرمید هستند و همین طور، رزین های مورد استفاده هم عبارتند از پلی استر، ونیل استر و اپوکسی.
دو روش متداول برای استفاده از FRP در مقاوم سازی سازه های بتن مسلح وجود دارد. روش اول چسباندن تر است. در این روشف در محل اجرا از رزین برای آغشته سازی الیاف به هم بافته نشده یا الیاف در یک جهت نگه داشته شده استفاده می شود. روش دوم استفاده از مصالح FRP پیش ساخته است. مصالح پیش ساخته FRP را می توان به اشکال متفاوتی تولید کرد که هم مناسب برای مقاوم سازی تیرها در برابر خمش باشند و هم به شکل صفحاتی باشند که بتوان از آن ها برای دور پیچ کردن ستون ها استفاده کرد. مصالح FRP به طور معمول به صورت بسته بندی شده و همراه با دستورالعمل استفاده عرضه می شود. از جمله خصوصیات فیزیکی این گونه مصالح می توان به موارد زیر اشاره کرد که به صورت ازمایشگاهی نیز اثبات شده اند.

چگالی

محدوده چگالی مواد FRP از ۲/۱ تا ۱/۲ گرم بر سانتی متر مکعب است که حدود ۴ تا ۶ برابر کمتر از چگالی فولاد است. این کاهش در وزن به کاهش هزینه حمل و نقل، کاهش وزن بار مرده اعمال شده به سازه و امکان حمل و نقل و نصب در کارگاه به صورت دستی منجر می شود.

AFRPCFRPGFRPSTEEL
کامپوزیت آرامیهکامپوزیت کربنکامپوزیت شیشهفولاد
۱/۵ – ۱/۲۱/۶ – ۱/۵۲/۱ – ۱/۲۷/۹

جدول ۱- چگالی مواد FRP رایج بر حسب گرم بر سانتی متر مکعب

ضریب انبساط حرارتی

ضریب انبساط حرارتی مواد FRP تک جهتی در جهت طولی و عمود بر آن متفاوت است و به نوع الیاف، رزین و مقدار الیاف به کار رفته بستگی دارد. جدول زیر ضریب های طولی و عرضی انبساط حرارتی برای مواد FRP تک جهتی رایج را نشان می دهد.

ضریب انبساط حرارتی (سانتی گراد)جهت
AFRPCFRPGFRP
۲- تا ۶-۰ تا ۱-۱۰ تا ۶طولی
۸۰ تا ۶۰۵۰ تا ۲۲۲۳ تا ۱۹عرضی

جدول ۲- ضریب انبساط حرارتی مواد FRP

مشخصات مکانیکی مواد مرکب FRP

تاکنون از هر سه نوع FRP یعنی GFRP، CFRP و AFRP برای مقاصد عملی مقاوم سازی استفاده شده است. جدول زیر مشخصات بدست آمده مصالح FRP با الیاف یک جهتی یا خطی را نشان می دهد. باید یادآور شد که این ارقام و محدوده ها برای مصالح معمولی و متداول FRP تهیه شده است و ممکن است محصولی خاص در شرایطی خاص، مشخصات دیگری را از خود بروز دهد. همچنین وقتی الیاف دو یا سه جهتی باشند، مشخصات FRP با آنچه ذکر شده، متفاوت خواهد بود.

جنسمدول الاستیسیته (GPa)مقاومت کششی (MPa)حد نهایی کرنش کششی (%)
با مقاومت زیاد۲۳۵ – ۲۱۵۴۸۰۰ – ۲۵۰۰۲ – ۴/۱
با مقاومت بسیار زیاد۲۳۵ – ۲۱۵۶۰۰۰ – ۴۵۰۰۳/۲ – ۵/۱
با مدول زیاد۵۰۰ – ۳۵۰۳۱۰۰ – ۲۵۰۰۹/۰ – ۵/۰
با مدول بسیار زیاد۷۰۰ – ۵۰۰۲۴۰۰ – ۲۱۰۰۴/۰ – ۲/۰
E۷۰۳۰۰۰ – ۱۹۰۰۵
S۹۰ – ۸۵۴۸۰۰ – ۳۵۰۰۵/۵ – ۴/۵
با مدول متوسط۸۰ – ۷۰۴۱۰۰ – ۳۵۰۰۵ – ۳/۴
با مدول زیاد۱۳۰ – ۱۱۵۴۰۰۰ – ۲۵۰۰۵/۳ – ۵/۲

جدول ۳- مشخصات مصالح FRP با الیاف خطی

رزین ها

رزین های پلیمری هم به عنوان ماده نگه دارنده الیاف در ساخت لایه FRP و هم برای چسباندن این لایه ها بر روی بتن استفاده می شوند. کاربرد آن ها به عنوان متصل کننده FRP به بتن بسیار حیاتی تر است، زیرا چسبندگی ضعیف ممکن است سبب شکست ناگهانی و غیرمنتظره سیستم مرکب شود.

فلسفه طراحی

به طور کلی هدف از طراحی یک سازه، تامین ایمنی در مقابل فروریختگی و تضمین عملکرد مناسب در زمان بهره برداری است. روش های متداول طراحی سازه های بتن آرمه و تفاوت آن ها از نظر جنبه های سازه ای و نحوه منظور کردن ایمنی مورد بررسی خواهد گرفت.

روش‌های طراحی

برای طراحی سازه‌های بتن آرمِ، سه روش کاربرد بیشتری دارند که عبارتنداز:
روش تنش مجاز
روش مقاومت نهایی
روش طراحی بر مبنای حالات حدی

روش تنش مجاز

این روش که پیش از این، روش تنش بهره برداری یا روش تنش باز نامیده می‌شد و اکنون بانام روش دیگر طراحی آیین‌نامه شناخته می‌شود، اولین روشی است که به‌صورت مدون برای طراحی سازه‌های بتن آرمِه به کار گرفته شد. در این روش، یک عضو سازه‌ای به نحوی طراحی می‌شود که تنش‌های ناشی از بارهای بهره‌برداری (سرویس) که به کمک نظریه‌های خطی مکانیک جامدات محاسبه می‌شوند، از مقادیر مجاز تنش‌های تجاوز نکنند.

روش مقاومت نهایی

روش مقاومت نهایی که در آیین‌نامه ACI به روش طراحی بر مبنای مقاومت موسوم است، حاصل پژوهش گسترده روی رفتار غیرخطی بتن و تحلیل عمیق مسئله ایمنی در سازه‌های بتن‌آرمه است.
روند طراحی را در این روش می‌توان به‌صورت زیر خلاصه کرد:
بار بهره‌برداری به‌وسیله ضریبی موسوم به ضریب بار افزایش داده می‌شود. بار حاصل را در اصطلاح، بار ضریب دار یا بار نهایی می‌نامند.

روش طراحی بر مبنای حالات حدی

به‌منظور تکامل روش مقاومت نهایی، به‌ویژه ازنظر نحوه منظور کردن ایمنی، روش طراحی بر مبنای حالات حدی ابداع شد.
آنچه به‌طور خلاصه در مورد روش طراحی بر مبنای حالت‌های حدی می‌توان گفت این است که این روش ازنظر اصول محاسبات، مشابه روش مقاومت نهایی است، تفاوت عمده آن با این روش در نحوه منطقی‌تر ارزیابی ظرفیت باربری و احتمال ایمنی اعضاست. اعضا و سازه‌های بتن‌آرمه باید با توجه به سه حالت حدی زیر آنالیز و طراحی شوند:
حالت حدی نهایی که مربوط به ظرفیت باربری می‌شود (مانند مقاومت و پایداری)
حالت حدی تغییر شکل (مانند تغییر مکان و ارتعاش اعضا)
حالت حدی ترک‌خوردگی یا باز شدن ترک‌ها
به حالت تغییر شکل و ترک‌خوردگی یا باز شدن ترک‌ها، به‌طورمعمول حالت‌های حدی بهره‌برداری گفته می‌شود.

محدودیت‌های مقاوم‌سازی با مصالح FRP در حالت مقاومت نهایی

توصیه‌های طراحی در آیین‌نامه ACI بر اساس اصول حالت مقاومت نهایی پایه‌گذاری شده است. این روش بر اساس درجه ایمنی است و برخلاف دو حالت دیگر طراحی (حالت حدی سرویس که بر اساس تغییر شکل زیاد و ترک‌خوردگی است و حالت نهایی که بر اساس شکست، گسیختگی تنش و خستگی است) می‌باشد.

گسیختگی

ملاحظات دقیق و معقولی باید برای تعیین محدودیت‌های مقاوم‌سازی اختصاص داده شود. این محدودیت‌ها به دلیل تضمین عدم فروریختن سازه و وقوع دیگر گسیختگی‌های سیستم FRP، ناشی از آتش‌سوزی، خرابکاری یا دلایل دیگراست. به این منظور توصیه می‌شود که باید اعضای سازه‌ای مقاوم‌سازی نشده، بدون نصب تقویت‌کننده‌های FRP، ظرفیت تحمل کافی برای مقاومت در برابر مقدار مشخص از بار را داشته باشند. بر اساس این ایده، در حوادثی که خرابی در سیستم FRP منجر می‌شود، سازه هنوز قادر به مقاومت مناسبی در برابر بارها بدون این‌که دچار تخریب شود، مواد بود. توصیه لازم برای کافی بودن مقاومت موجود سازه برای تحمل بار در رابطه زیر آورده شده است.
(φR_n )_existing ≥ (۱٫۲۵S_DL+0.85S_LL )_new
در این رابطه φ ضریب کاهش ظرفیت وR_n مقاومت مقطع است. ترکیبات بارهای مرده وزنده و زلزله به‌صورت زیر مشخص می‌گردند.
U=104DL+107 LL
U=0.75(104DL+107LL+107E)

نوع مقاومتضریب کاهش ظرفیت
خمش۹/۰
کشش محوری۹/۰
فشار محوری۹/۰ – ۷/۰
برش و پیچش۸۵/۰

جدول ۴- ضریب کاهش مقاومت اسمی

تحمل سازه در برابر آتش

میزان مقاوم‌سازی سازه به‌وسیله دستگاه‌های FRP چسبیده به‌صورت خارجی، اغلب توسط آیین‌نامه‌های مربوط به آتش‌سوزی محدود می‌شود. رزین‌های پلیمری، یکپارچگی و استحکام سازه‌ای خود را در درجه حرارت‌های محدوده ۶۰ تا ۸۰ درجه سلسیوس از دست خواهند دادن اگرچه سیستم FRP خود به‌تنهایی مقاومت کمی در برابر آتش‌سوزی دارد، اما با ترکیب با عضو بتنی موجود، سبب مقاومت کافی عضو بتنی در برابر حریق می‌گردد.

بررسی خمش در تیرهای بتن‌آرمه

وقتی یک تیر بتن‌آرمه تحت خمش قرار می‌گیرد، نمودار لنگر – انحناء آن مطابق شکل زیر هست.

نمودار لنگر – انحنا تیر بتنی

شکل ۱- نمودار لنگر – انحنا تیر بتنی
حال اگر منحنی بار – تغییر مکان را برای تیر تقویت‌شده با FRP با تیر تقویت نشده مقایسه کنیم، به نتایج مهمی خواهیم رسید.

منحنی بار – تغییر مکان برای تیر تقویت شده با FRP و تیر معمولی

شکل ۲- منحنی بار – تغییر مکان برای تیر تقویت‌شده با FRP و تیر معمولی

بررسی معایب مقاوم‌سازی خمشی تیرها با کامپوزیت FRP

به دلیل برخی خواص رفتاری مواد کامپوزیتی FRP، مودهای گسیختگی یک عضو بتن‌آرمه تقویت‌شده در خمش به‌وسیله FRP به حالت‌های زیر تقسیم می‌شود:
• شکست در اثر گسیختگی FRP در اثر کشش ناشی از خمش
• شکست در اثر خرد شدن بتن فشاری تیر در اثر فشار ناشی از خمش در وجه بالایی تیر
• شکست برشی
• جدا شدن پوشش بتن
• جدا شدن انتهای لایه مقاوم کننده چسبانده شده از بتن
• از بین رفتن چسبندگی در سطح تماس FRP

مودهای گسیختگی تیر بتنی تقویت شده با ورق FRP

شکل ۳- مودهای گسیختگی تیر بتنی تقویت شده با ورق FRP

بررسی خمش در دال های بتن آرمه

دال‌ها متداول‌ترین نوع پوشش کف را در سازه‌های بتن‌آرمه تشکیل می‌دهند. دال‌ها با توجه به رفتار خمشی به دودسته دال‌های یک‌طرفه و دوطرفه تقسیم می‌گردند و ازنظر ساخت به دال‌های تیر و دال و تخت و قارچی و مجوف و انواع دیگر اجرا می‌گردند. درحالی‌که تحقیقات موجود درزمینهٔ مقاوم‌سازی خمشی تیرها در بسیاری موارد در مورد دال‌ها هم قابل‌استفاده است، اما این دو بحث تفاوت‌هایی باهم دارند. درهرصورت، اساس مقاوم‌سازی خمشی در دال‌ها بر استفاده از مصالح مرکب FRP و چسباندن نوارها یا صفحات FRP بر روی سطوح تحت کشش استوار است.

تقویت دال در جهت اصلی

شکل ۴- تقویت دال در جهت اصلی

نحوه قرارگیری FRP در قسمت‌های مختلف دال

 

 

 

شکل ۵- نحوه قرارگیری FRP در قسمت‌های مختلف دال

شکل‌گیری خطوط تسلیم در دال تقویت‌شده در قسمت مرکزیشکل ۶- شکل‌گیری خطوط تسلیم در دال تقویت‌شده در قسمت مرکزی

تقویت در هر دو جهت

شکل ۷- تقویت در هر دو جهت

بررسی برش در تیرهای بتن‌آرمه

برای درک بهتر نحوه انتقال بار در مقاطع تحت برش، پدیده ترک‌خوردگی، نوع گسیختگی و نقش آرماتورهای برشی و چگونگی مقاوم‌سازی برشی تیرها، بررسی رفتار تیرهای بتنی تحت برش در مراحل مختلف بارگذاری ضروری است.

رفتار برشی تیرها

شکل ۸- رفتار برشی تیرها
شکست‌های برشی و خمشی، دو حالت عمده شکست در تیرهای معمولی بتن مسلح هستند.
افزایش مقاومت برشی تیرها به روش چسباندن صفحات FRP، احتمال گسیختگی خمشی را نسبت به گسیختگی برشی بیشتر کرده و درنتیجه عضو سازه‌ای شکل‌پذیرترمی شود.
طرح‌های مختلفی برای استفاده از مصالح FRP در مقاوم‌سازی برشی پیشنهادشده است. این طرح‌ها شامل چسباندن FRP به سطوح جانبی تیر، استفاده از پوشش U شکل برای سطوح جانبی و سطح زیرین تیر و نیز دورپیچ کردن مقطع با استفاده از الیاف و نوارهای FRP است.

انواع تقویت برشی در تیرها

شکل ۹- انواع تقویت برشی در تیرها

بررسی رفتار ستون‌های بتن‌آرمه

به‌طورکلی هر عضوی که تحت بارمحوری فشاری یا کششی قرار داشته باشد، یک عضو محوری نامیده می‌شود. این نام‌گذاری شامل اعضایی مه به‌طور هم‌زمان تحت خمش قرار دارد نیز می‌شود. متداول‌ترین روش مقاوم‌سازی ستون‌ها با FRP، دور پیچ کردن سطح خارجی ان ها با نوارهای FRP است. اساس این مقاوم‌سازی که درواقع محصور کردن ستون و ایجاد فشار جانبی بر بتن آن است، بر این اصل استوار است که وجود فشار محیطی بر روی یک المان بتنی، سبب افزایش مقاومت فشاری و شکل‌پذیری آن می‌شود.

روش‌های مقاوم‌سازی را می‌توان به سه گروه عمده تقسیم‌بندی کرد

  •  دور پیچ کردن مقطع ستون
  • پیچیدن مارپیچی
  • پوشاندن با پوسته‌های پیش‌ساخته

حالت‌های مختلف مقاوم‌سازی ستون

شکل ۱۰- حالت‌های مختلف مقاوم‌سازی ستون

بررسی رفتار ستون‌های بتن‌آرمه

روش‌های مختلفی برای طراحی ساختمان‌هایی با کارایی کماسب در برابر زلزله، آزمایش‌شده و به کار گرفته‌شده‌اند. در روش‌های مرسوم، ساختمان با استفاده از ترکیبی از سختی، قابلیت شکل‌پذیری و همچنین استهلاک انرژی در برابر زلزله از خود مقاومت نشان می‌دهد.

منحنی نیروی جانبی – تغییر مکان سازه بتن‌آرمه

شکل ۱۱- منحنی نیروی جانبی – تغییر مکان سازه بتن‌آرمه
به‌طورکلی برای بهسازی سازه‌های بتن‌آرمه، تیرها و ستون‌ها و دال‌ها و دیوار برشی و پی بایستی به‌طور جداگانه موردبررسی و مقاوم‌سازی قرار گیرند تا رفتار کل سیستم سازه بهبود یابد.

نحوه تقویت خمشی و برشی قاب خمشی با سیستم FRP

شکل ۱۲- نحوه تقویت خمشی وبرشی قاب خمشی با سیستم FRP

 

 

 

 

 

 

2 thoughts on “FRP و چگونگی مقاوم سازی ساختمان بتن آرمه

    • امیر محمد بنایی says:

      با سلام و احترام
      اگرچه سیستم FRP خود به‌تنهایی مقاومت کمی در برابر آتش‌سوزی دارد، اما با ترکیب با عضو بتنی موجود، سبب مقاومت کافی عضو بتنی در برابر حریق می‌گردد.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

طراحی سایت

با ما آنلاین گفتگو کنید

+۹۸-۹۱۰۴۹۷۷۸۷۱