مقاوم سازی تیر بتنی با FRP

در سال های اخیر، آسیب عناصر سازه ای مانند پل ها، ساختمان ها به دلیل ناکافی بودن سازه ها (خرابی مصالح یا پیری، ترمیم و نگهداری ضعیف، زمین لرزه) باعث شد که از چندین روش برای مقاوم سازی ساخت و ساز به روش های مختلف استفاده شود. استفاده از FRP با خواص مکانیکی عالی آنها برای مقاوم سازی سازه های بتن آرمه یکی از آنهاست. طی دو دهه گذشته، مزایای مقاوم سازی FRP از نظر زمان و هزینه آشکار شده است  .با این حال، مطالعات گسترده برای بررسی، به ویژه عملکرد تیرهای بتن مسلح که توسط صفحات FRP مقاوم سازی شده اند، انجام شده است. کامپوزیت های FRP از الیاف مقاوم در برابر کشش بالا که در یک ماتریس اپوکسی جاسازی شده تشکیل شده است، آنها مقاومت را در برابر خوردگی، وزن کم، نسبت مقاومت به وزن بالا، مقاومت مکانیکی افزایش می دهند. این روش یک روش سریع و اقتصادی برای بازسازی یا ترمیم تیرها، ستون ها یا دال ها است و آماده سازی سطح برای دستیابی به یک تقویت کننده موفق در FRP و بتن مهم است. بنابراین، کارایی و کیفیت اتصال بین کامپوزیت های FRP و بتن نقش عمده ای در انتقال تنش بین سازه های بتنی و صفحات FRP با پیوند خارجی دارد.

خصوصیات مواد ماتریس الیاف به همراه خواص بستر بتن مانند زبری، مقاومت، تمیزی سطح بتن نیز ممکن است در کیفیت یا قابلیت اطمینان اتصال موثر باشد. رزین های اپوکسی به دلیل قابلیت چسبندگی بسیار زیاد آنها به FRP و بتن، بیشتر برای اتصال آنها به یکدیگر انتخاب می شوند.

معمولاً هنگامی که عناصر سازه ای بتن مسلح تحت بار قرار می گیرند ، خستگی بیش از حد تجربه می شود. این تمایل به مقاوم سازی و همچنین بهبود عملکرد خستگی و افزایش طول عمر خستگی اجزای سازه بتنی به ویژه تیر بتنی را تأکید می کند. در طی چند دهه گذشته، مقاوم سازی عناصر سازه ای بتنی توسط الیاف FRP در جایی که به مقاومت بالایی برای حمل بارهای سنگین یا ترمیم به دلیل ترک خوردگی خستگی، حالت های خرابی و یا خوردگی لازم است، به روشی پرکاربرد تبدیل شده است. این روش میزان رشد ترک را از بین می برد و یا کاهش می دهد، ترک اولیه را به تأخیر می اندازد، سختی را کاهش می دهد و عمر خستگی تیر بتنی را افزایش می دهد. بهترین گزینه مقاوم سازی کننده در این مورد، پلیمر مقاوم سازی شده با الیاف FRP است.

یکی از کاربرد های FRP مقاوم سازی خمشی تیرها و یا دال های بتنی در دهانه های بلند می باشد و در صورتی که طراحی اولیه عضو نامناسب باشد می توان با استفاده از الیاف FRP سختی و مقامت خمشی را افزایش داد و همچنین اگر تعداد آرماتور خمشی در تیر کمتر از حد نیاز باشد، ترک های خمشی در زیر تیر بتنی ایجاد می شود که این ترک ها به صورت قائم و در راستای خمش ایجاد می شود که برای افزایش مقاومت خمشی و سختی میتوان از الیاف FRP استفاده کرد. این الیاف بخاطر ضخامت کم و مدول الاستیسیته بالایی که دارند سختی تیر بتنی را فزایش و خیز آن را کاهش می دهد.

برای مقاوم سازی برشی تیر ها معمولا الیاف FRP را به صورت مایل یا قائم ( عمود بر راستای ترکهای برشی) به طرفین تیر می چسبانند. هرچه زاویه بین الیاف با راستای عمود بر ترکهای برشی کمتر باشد اثر آنها در افزایش مقاومت برشی تیر بتنی بیشتر می شود، الیاف FRP که برای مقاوم سازی برشی تیر بتنی استفاده می شوند می توانند به صورت U شکل باشند و یا کاملا پیرامون تیر بتنی را بپوشانند.

اعضای بتن مسلح، مانند تیرها و ستون ها، ممکن است در خمش به دلیل استفاده از کامپوزیت های FRP متصل به نواحی کششی آن ها، در جهت الیاف به موازات تنش های کششی بالا (محور عضو) مقاوم سازی شوند. این مفهوم در زیر نشان داده شده است.

تحلیل برای حالت حد نهایی در خمش برای چنین اعضایی ممکن است از روش های کاملاً ثابت برای سازه های بتن مسلح پیروی کند، به شرطی که:

(الف) سهم تقویت کننده FRP خارجی به درستی در نظر گرفته شود.

(ب) به موضوع پیوند بین بتن و FRP توجه ویژه ای می شود.

منحنی های تنش-کرنش ایده آل برای بتن، FRP و فولاد در زیر ارائه شده است. این منحنی ها، همراه با این فرض که ممکن است لغزش در اتصال بتن-FRP نادیده گرفته شود، پایه ای برای تحلیل حالت حدی مقاومت نهایی اعضای بتنی مقاوم سازی شده در خمش است. در تحلیل این اعضا، شناسایی کلیه حالت های احتمالی خرابی بسیار مهم است.

پلیمر مقاوم سازی شده با الیاف شیشه (GFRP) یا کربن (CFRP) راه حل های اقتصادی و کارآمد برای مقاوم سازی تیرهای بتنی برای خمش و برش ارائه می دهند. این روش برای مقاوم سازی تیرهای بتنی، فولادی، چوبی کار می کند.

مقاوم سازی برشی اعضای بتن مسلح با استفاده از FRP نیز ممکن است با اتصال آرماتور خارجی با جهت الیاف اصلی و موازی با حداکثر تنش های اصلی کششی فراهم شود، به طوری که اثربخشی FRP به حداکثر می رسد.

وابستگی مدول الاستیک FRP به جهت الیاف

برای پرکاربردترین اعضای سازه ای که تحت بارهای جانبی قرار می گیرند، یعنی بارهای عمود بر محور عضو (به عنوان مثال تیرهای تحت بارهای ثقلی یا ستون ها تحت نیروهای لرزه ای)، مسیرهای اصلی تنش اصلی در ناحیه های بحرانی با زاویه تقریباً برابر با 45 درجه نسبت به محور عضو تشکیل می شوند. با این حال، اتصال تقویت کننده های FRP خارجی با جهت الیاف اصلی عمود بر محور عضو، معمولاً عملی تر است.

a) الیاف متصل شده به جان، b) الیاف به صورت U شکل

تحقیقات در مورد تقویت برشی اعضای بتن مسلح از جمله تیرها نسبتاً محدود و تا حدی بحث برانگیز بوده است. با چند استثنا، اکثر محققان با فرض اینکه سهم FRP در ظرفیت برشی از ظرفیت الیاف برای حمل تنش های کششی در یک کرنش کم و بیش ثابت ناشی می شود، الیاف FRP را به طور مشابه با خاموت های فولادی متناظر کرده اند.

ورق های نازک FRP با ضخامت تقریبی 1.3 میلی متر را می توان مشابه کاغذ دیواری برای تقویت تیر بتنی استفاده کرد. این الیاف در طی یک روز عمل آوری شده و به مقاومت کششی سه برابر فولاد می رسند. مهندسان سازه پس از طراحی تعداد و جهت الیاف موجود در هر لایه از الیاف FRP را تعیین کرده و نقشه های مهندسی را برای اینگونه ترمیم ها ارائه می دهند.

ویژگی ها و مزایا

1. مقاومت خمشی را برای هر دو ناحیه لنگر مثبت و منفی افزایش می دهد.
2. مقاومت برشی را افزایش می دهد.
3. سختی را در بارهای سرویس افزایش می دهد.
4. برای افزایش دوام و مقاومت در برابر خوردگی، عرض ترک را کاهش می دهد.
5. با کاهش نفوذ رطوبت به تیرها، میزان خوردگی در آینده را به تأخیر می اندازد.
6. هزینه کمتر نسبت به روش های معمول.