بخشی از مقاله
ورقه‌های FRP
در تقویت ترکیبی اعضای بار بر بتن‌آرمه سازه‌ای با ورقه‌های FRP یا ورقه‌های فلزی یک اثر متقابل پیچیده 2 بین آن دو وجود دارد، به عبارت دیگر بایستی رفتار مواد شامل مقاومت، تغییر شکل و کرنش نهایی، شکل پذیری، . . . و مودهای شکست هر 2 ماده (بتن آرمه + FRP ) را برای تشخیص نحوه گسیختگی مقطع تقویت شده بررسی و تلفیق نمود.
یکی از مودهای خطرناک شکست که در تقویت خمشی و سایر تقویتهای اعضای بار بر ساز های رخ می‌دهد، Delamination است و در این مقاله به دنبال شناخت این مود در تقویت خمشی تیر بتن آرمه با ورقه FRP هستیم.
با توجه به کاربرد روز افزون اشکال مختلف FRP در تقويت سازه های بتن آرمه , حتی کاربرد آنها در تقويت سازه های فولادی لزوم آشنايي با برخی از مفاهيم پايه در اين مقوله ضروری به نظر مي رسد.
مقدمه :
با آشنايي با مفهوم FRP , لزوم آشنايي با برخی ازمفاهيم چون کامپوزيت ,پليمر , رزين يا ماتريس , طبقه بندی FRP براساس فيبر يا الياف تشکيل دهنده يا انواع رزينهای پليمری تشکيل دهنده آن, مقايسه بين آنها , روشهای توليد, عوامل مؤثر در خواص مکانيکی لزوم دارد.
1- FRP چيست ؟
اين کلمه اختصاری از کلمات Fiber Reinforced Polymer or Plastic می با شد به عبارت ديگر به يک ماده مرکب و کامپوزيتی اطلاق می شود که از فيبريا الياف تقويتی و ماتريس ( ماده در برگيرنده ) يا رزين از جنس پليمر مطابق شکل 1 تشکيل شده است
مقاومت به خوردگي در ساختمان و اهميت ميلگرد هاي كامپوزيتي FRP
بزرگترين سهم بازار مصرف مواد مركب (كامپوزيت) در اختيار صنعت ساختمان است .در اين ميان آرماتورهاي كامپوزيتي به ميزان وسيعي در ساختمان¬سازي به¬ويژه احداث بناهاي ساحلي و يا سازه¬هاي مستقرشده در شرايط اقليمي خوردنده كاربرد يافته¬اند. گسترش تكنولوژي ساخت اين آرماتورها مي¬تواند علاوه بر مرتفع ساختن نياز صنعت ساختمان، راهگشاي توليد انواع محصولات در صنايع ديگر همچون وسايل ورزشي، خودرو و غيره باشد. در گفتگوي شبكة تحليل¬گران تكنولوژي ايران (ايتان) با دكتر محمود مهرداد شكريه، رئيس موسسه كامپوزيت ايران به اين مهم پرداخته شده است:
استفاده از آرماتورهاي كامپوزيتي چه مزايايي دارد؟
دليل عمدة استفادة از ميلگردهاي FRP در داخل بتن، جلوگيري از پديدة خوردگي و افزايش ميرايي ارتعاشات ايجاد شده در سازه در برابر ارتعاش مي¬باشد. هر چند كه استفاده از ميل¬گردهاي FRP به جاي نمونه¬هاي فلزي سبب كاهش وزن بنا نيز خواهد شد، اما در استفاده از اين ميل¬گردها، مساله كاهش وزن اهميت ناچيزي نسبت به دو مورد بيان¬شده دارد. دليل بالا بودن ضريب ميرايي كامپوزيت¬ها، خواص غيركشسان آنهاست كه انرژي جذب شده را ميرا مي¬كنند. در حالي كه مواد فلزي حالت كشسان داشته و انرژي جذب شده را ميرا نمي¬نمايند. بنابراين مواد كامپوزيتي در برابر ارتعاشات زلزله عملكرد بهتري خواهند داشت و بهترين گزينه جهت مقاومت سازه در برابر لرزه¬ها خواهند بود.
بكارگيري ميل¬گردهاي FRP به جاي فلزي، به-طور قابل ملاحظه¬اي از زيان¬هاي ناشي از بروز خوردگي جلوگيري مي¬كند. ظهور تخريب ناشي از پديدة خوردگي در بتن مسلح¬شده با ميل¬گرد فلزي بدين گونه است كه نخست ميله¬-هاي فلزي داخل بتن دچار زنگ¬زدگي شده و اكسيد مي¬شوند. سپس اين اكسيد¬ها به سمت سطح بيروني بتن شروع به مهاجرت كرده و با انتشار در داخل بتن باعث از بين رفتن آن مي¬شوند. بدين ترتيب با خورده¬شدن دو جزء فلزي و بتني سازه، زمينة تخريب كامل سازة بتني فراهم مي¬گردد. روش¬هاي سنتي گذشته مانند چسباندن صفحات فلزي بر روي سازه يا اضافه كردن
ضخامت بتن جهت مقابله با پديدة خوردگي ضمن آنكه مشكل خوردگي فلز را مرتفع نخواهد نمود، سبب افزايش وزن سازه و آسيب¬پذيرترشدن آن در برابر زلزله نيز خواهد شد. جهت جلوگيري از اين امر مي-توان با تقويت سطح خارجي سازة بتني توسط مواد مركب و استفاده از ميل¬گردهاي FRP در داخل بتن، هم مشكل خوردگي فلز داخل سازه را حل نمود و هم جلوي مختل شدن كارايي سازه در صورت خورده شدن بتن را گرفت كه اين بهترين روش مقابله با پديدة خوردگي در يك سازة بتني مي¬باشد.
كشور ما نياز بسيار گسترده¬اي به استفاده از كامپوزيت¬ها در قالب آرماتورهاي كامپوزيتي دارد. هم¬اكنون بسياري از سازه-هاي بنا شده در محيط¬هاي خورندة مناطق مختلف كشور همچون پل¬هاي درياچة اروميه و يا ساختمان¬هاي جنوب كشور دچار معضل خوردگي هستند كه استفاده از كامپوزيت¬ها مي¬تواند پاسخگوي مشكل اين قبيل سازه¬ها باشد.
تكنولوژي توليد آرماتورهاي كامپوزيتي FRP و لزوم توجه به آن را چگونه ارزيابي مي-كنيد؟
ميل¬گردهاي FRP به روش پالتروژن ساخته مي-شوند. در اين روش دسته¬اي از الياف پس از آغشته¬شدن با رزين پس از عبور از يك قالب در كنار هم قرار گرفته و يك پروفيل داراي مقطع ثابت را به¬وجود مي¬آورند. از عمده¬ترين مزاياي روش پالتروژن چندمنظوره بودن آن و كاربردهاي گوناگون آن در صنايع مختلف است. به عبارتي صرفاً با تغيير قالب دستگاه مي¬توان علاوه بر محصولاتي كه در صنعت ساختمان كاربرد دارد، همانند انواع آرماتورها، محصولات گوناگون ديگري در حوزه¬هاي مختلف از جمله تسمه¬هاي ماشين نساجي، ريل¬ها، محافظ اتوبان¬ها، چارچوب پنجره¬ها و درها، تيرهاي با مقطع I شكل، نبشي¬ها و غيره توليد نمود. عمر محصولات پالتروژني بسيار بالاست و سرعت توليد يك محصول پالتروژني نيز نسبتاً زياد است. از نظر قيمت نيز با وجود اينكه يك تير
پالتروژني قيمت ظاهري بيشتري نسبت به نمونة مشابه آهني دارد ليكن مقاومت خوب آن در مصارف خاص ضدخوردگي و زلزله و عمر بالاي آن مي¬تواند توجيه¬گر قيمت اولية بالاي آن باشد. در مصارف عمومي مانند ساخت سازه¬ها اگر نياز به مقاومت در برابر خوردگي و زلزله وجود داشته باشد، استفاده از تيرهاي پالتروژني مي¬تواند توجيه اقتصادي نيز داشته باشد.
متأسفانه در كشور ما به دليل عدم شناخت اين تكنولوژي، تقريباً هيچ¬گونه حركت قابل توجهي به سمت بهره¬گيري و انتقال آن صورت نپذيرفته است. در گوشه¬وكنار تلاش¬هايي از سوي بعضي از كارخانجات و صنايع علاقه¬مند جهت ساخت دستگاه پالتروژن در كشور انجام گرفته است، اما هنوز تا رسيدن به يك محصول قابل قبول از نظر خواص مناسب و ساختار مكانيكي همگن فاصلة زيادي وجود دارد. اين دستگاه ساختار بسيار پيچيده¬اي ندارد و مي¬توان در صورت نياز از طريق ارتباط با كشورهاي خارجي اقدام به انتقال تكنولوژي آن به كشور نمود. نوع غربي آن حدود 350 تا 400 هزار دلار قيمت دارد و نوع روسي و چيني آن با قيمت ارزان¬تر، تقريباً با نصف اين هزينه قابل تهيه مي¬باشند.
نگاهي به مباحث مربوط به FRP:
امروزه تقويت بوسيله بتن پیش ریخته ، پوشش ورق فولادي ، تقويت ، مسلح كردن با فيبر مانند كربن ، آراميد و شيشه بعنوان روشهاى تقويت زلزله اى براى سازه هاى بتنى بكار ميرود . اخيرا يك روش تقويت زلزله اى كه بصورت استفاده از ورقهاى پيوسته پوششى از اين فيبرها می باشد استفاده شده است و بخاطر دوام و قابل استفاده بودن اهميت بيشتري دارند هر چند موادي كه روش فيبرهاى پيوسته پوششى استفاده مي شوند گران قيمت است .
در زمينه تقويت سازه ها و ساختمانها در مقابل نيروى زلزله در آينده تنها روشهاى ساده تقويت با قيمتهاى پايين نبايد مورد توجه قرار گیرد رفتارهاى زلزله بايد كاملاً شفاف شود .
در اين مطالعه يك روش ساده ، جديد و ارزان جهت تقويت سازه هاى بتنى براى بالا بردن توان زلزله اى آن ساختمانها مورد بررسى قرار گرفته است ، اين روش با استفاده از فيبرهاى كوتاه با وينيل استر يك تركيب جديد از مواد براى تقويت زلزله است فيبرهاى كوتاه از جنس كربن و شيشه با رزين وينيل استر به محل مورد نظر در سازه بتنى پاشيده مي شود به اين حالت FRP پاشيدنى مي گويند .
برتريهاى استفاده از رزين وينيل استر نسبت به رزين اپكسى اين است كه در اين روش تقويت بيشتر و زمان كمترى براى گرفته شدن و خشك شدن نياز است . بعلاوه مشخصات مكانيكى رزين وینيل استر مانند مشخصات رزين اپكسى است در اين مواقع نتايج اين روش و نتايج آزمايش تير T شكل تحت بارگذارى غير متقارن گزارش شده است بعلاوه لنگر و رفتار پیچشى و خمشى بين FRP و بتن با استفاده از اسليت گزارش شده .
نتایج روش تقویت FRP پاشیدنی
شكل(1) ايده تقويت با FRP پاشيدنى را نشان مي دهد ، عكس (1) كارگاه ساختمانى نمونه هاى ستون اسپرى پاشيده شده را نشان مي دهد . در اين روش رزين از طريق يك لوله باريك بوسيله يك كپرسور هدايت ميشود ، رزين يا فيبرهاى كوتاه مانند كربن يا شيشه در نوک قسمت پاشنده مخلوط مي شود پس از ان مواد تقويت كننده مستقيماً به سطح مورد نظر پاشيده مي شوند ، سپس سطح بوسيله يك غلطك صاف ميشود ، رزين سخت مي شود و تمام قسمت سازه اى اسپرى شده (پاشيده شده ) ، بوسيله مواد FRP تقويت ميشود. اين روش تقويت زلزله اى را براى تمام اعضاى سازه اى مختلف امكانپذیر مي سازد كه ميتواند ستون ، تير ، ديوار ، دال و .... باشد كه بصورت منفرد و يا تمام قسمتهاى سازه اى داخل به همراه هم باشد .
روند اجراى تقويت پاشيدنى با FRP بصورت زير است :
گام اول :آماده کردن سطح مورد نظر
در اين مرحله سطح بتن بوسيله يك سنباده مكانيكى سائيده شده و با هوا تميز مي شود .
گام دوم :پوشش رزین اولیه
در ا ين مرحله رزين اوليه جهت ايجاد چسبندگى زياد بين بتن و رزين مقاومتى اصلى روى سطح انجام میشود.
گام سوم : آماده سازى قسمت بتني :
مناطق پله اى و یا غير هم سطح بر روى سطح بتن با بتونه پر مي شود و سطح را جهت جلوگیری از تنش موضعى ، FRP هواگیرى یك دست در سطح انجام مى شود . بعد از انكه بتونه خشك شد ، سطح دوباره سمباده زده ميشود .
گام چهارم : پوشش رزين :
در اين گام جهت بيشتر چسبناک كردن رزين ابتدا بوسيله يك پاشنده روى سطوح پاشيده مي شود .
گام پنجم : عمل اصلى اسپرى : (عكس 1)
رزين و فيبر كوتاه (SHORT) بر روى بتن در زمان مشابهى بهمراه هم پاشيده مي شوند . طول فيبر كربن و فيبر شيشه به ترتيب 2و 1.5 اینچ است .
گام ششم : اشباع ( عكس 2)
در اين مرحله هواى به دام افتاده با غلتك زدن خارج مي شود .
در اين مقاله جهت مقايسه رفتارهاى سازه اى FRP پاشيده شده نسبت به تقويت ورقه هاى پيوسته فيبر ، اماده سازیهاى اوليه اى مانند گامهاى 1 تا 3 انجام شده هر چند هدف رسيدن به مقاومت مناسب زلزله اى از گامهاى 4 به بعد جامه عمل مي پوشد .
مشخصات مکانیکی FRP پاشیده شده :
پنج نمونه از ماده پاشيده شده FRP بصورت نمونه هاى A(JISK7054) آماده شده ، شرايط آماده كردن نمونه ها دقيقا مانند شرايط اصلى مي باشد . ضخامت FRP با كنترل زمان پاشيدن 3 میلیمتر در نظر گرفته شد تا سختى مشابهى با ورقه هاى فيبرى فيبركربن 200 gr/m داشته باشد ، بر اساس روشهاى آزمايشى كششى براى مواد تقويتى پلاستيكى از فيبر شيشه آزمايشى كششى نيز براى اين نمونه ها استفاده شده است .
جدول (1) نتايج آزمايشهاى كششى را جمع بندى مي كند . مناطق مقاطع شامل رزين در تنش مورد محاسبه منظور شده . مقاومت كششى FRP پاشيدنى حدود 70Mpa است و مقاومت در طول واحد نيز حدود 270 N/mm است . ضريب الاستيسيته 8 Gpa و سختى آن 24 KN/mm مى باشد . اين مقادير تقريباً مشابه مقادير ورقه هاى فيبر كربن به مشخصات 200 Kg/m , 26 KN/mm ميباشد .
Elongation
(%) Elastic Modulus
(Gpa) Tensilc Strcngth
(Mpa) Thickncss
(mm) Width
(mm)
1.24 8.02 67.2 3.99 24.8
