بخشی از مقاله
استفاده از FRP برای مقاوم سازی ساختمان و معرفی به عنوان یک مصالح جدید در ساخت سازه
چکیده
کشور عزیزمان ایران بر روی کمربند زلزله قرار دارد و نیروی آزاد شده از زلزله در ساختمان ها باعث خرابی های زیادی می شود. برای تعمیر این خسارات هزینه های زیادی باید صرف تعمیر تیرها و ستون ها شود تا شاید این تیر و یا ستون های تعمیر شده به ًَ% مقاومت قبلی خود برسند، اما FRP با هزینه کمتر و کارایی راحتتر نسبت به تعمیرات با استفاده از روش های قدیمی، باعث حل اینگونه مشکلات شده است. در ضمن می توان گفت حتی استفاده از FRP به عنوان یکی از مصالح اصلی ساخت سازه ها امکان پذیر می باشد.
در این مقاله سعی شده است جایگاه FRP در صنعت ساختمان و مهندسی عمران روشن شود و استفاده از FRP در ساختمان به عنوان جایگزینی برای آرماتور مورد ارزیابی قرار گیرد.
واژههای کلیدی: الیاف مسلح شده، مقاوم سازی، . FRP
ٌ1-مقدمه
بسیاری از سازه های بتن آرمه موجود در دنیا در اثر تماس با سولفاتها، کلریدها و دیگر عوامل خورنده، دچار آسیب های جدی شده اند. این مسأله هزینه های زیادی را برای تعمیر، بازسازی و یا تعویض سازه های آسیب دیده در سراسر دنیا موجب شده است. این مساله و عواقب آن گاهی نه تنها به عنوان یک مسأ هل مهندسی، بلکه به عنوان یک مس أ هل اجتماعی جدی تلقی می شود. بازسازی و جایگزین کردن سازه های بتنی آسیب دیده میلیون ها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته است. در آمریکا، بیش از40درصد پل ها در شاهراه ها نیاز به تعویض و یا بازسازی دارند. هزینه بازسازی و یا تعمیر سازه های دارای پارکینگ در کانادا،4 تا6میلیارد دلار کانادا تخمین زده شده است. هزینه تعمیر پلهای شاهراه ها در آمریکا در حدود50 میلیارد دلار برآورد شده است؛ در حالیکه برای بازسازی کلیه سازه های بتن آرمه آسیب دیده در آمریکا در اثر مساله خوردگی میلگردها، پیش بینی شده که به بودجه نجومی1 تا3 تریلیون دلار نیاز است.
ٍ2 ساختار مصالح FRP
مواد FRP از دو جزء اصلی ساخته می شوند : فایبر (الیاف) و رزین (ماده چسباننده). الیاف هاکه اصولاً الاستیک، ترد و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در ما ده FRP هستند . بسته به نوع فایبر، قطر آن در محدوده5 تا25 میکرون می باشدرزین. اصولاً به عنوان یک م اده چسباننده عمل می کند، که فایبرها را در کنار یکدیگر نگاه می دارد. با این وجود، رزین ( ماتریس ) های با مقاومت کم به صورت چشمگیر بر خواص مکانیکی کامپوزیت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثر ندارند. رزین را می توان از مخلوط های ترموست و یا ترموپلاستیک انتخاب نمود . رزین های ترموست با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت مایع یا روان در نمی آیند؛ در حالیکه رزین های ترموپلاستیک را می توان با اعمال حرارت، مایع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد درآورد .به عنوان رزین های ترموست می توان از پلی استر، وینیل استر و اپوکسی، و به عنوان رزین های ترموپلاستیک از پلی وینیل کلرید (P.V.C)، پلی اتیلن و پلی پروپیلن((P.P ، نام برد . فایبر ممکن است از شیشه، کربن، آرامید و یا وینیلون باشد که در اینصورت محصولات کامپوزیت مربوطه به ترتیب به نامهای G.FRP، C.FRP،A.FRPو V.FRPشناخته می شود.
نقش اصلی ماتریس عبارت است از
• انتقال برش از فیبر تقویتی به ماده مجاور
• محافظت از فیبر در شرایط محیطی
• جلوگیری از خسارات مکانیکی وارد بر الیاف
• کنترل کمانش موضعی الیاف تحت فشار
َ 3-دلیل استفاده از میلگردهای FRP به جای میلگردهای فلزی
دلیل اصلی استفاد ه از میلگردهای FRP در داخل بتن، جلوگیری از پدید ه خوردگی و افزایش میرایی ارتعاشات ایجاد شده در سازه در مقابل ارتعاش می باشد. هر چند که استفاده از میلگردهای FRP به جای نمونه های فلزی سبب کاهش وزن بنا نیز خواهد شد، اما در استفاده از این میلگردها، مسأله کاهش وزن اهمیت کمی نسبت به دو مورد بیان شده دارد .دلیل بالا بودن ضریب میرایی کامپوزیت ها، خواص غیرکشسان آنها می باشد که انرژی جذب شده را میرا می کنند. در حالی که مواد فلزی حالت کشسان دارند و انرژی جذب شده را میرا نمی نمایند. بنابراین مواد کامپوزیتی در برابر ارتعاشات زلزله عملکرد بهتری خواهند داشت و بهترین گزینه جهت مقاومت سازه در برابر لرزه ها خواهند بود.بکارگیری میلگردهای FRP به جای میلگردهای فلزی، به طور قابل ملاحظه ای از زیانهای ناشی از بروز خوردگی جلوگیری می کند.
ظهور تخریب ناشی از پدیده خوردگی در بتن مسلح شده با میلگرد فلزی بدین صورت است که نخست میله های فلزی داخل بتن دچار زنگ زدگی شده و اکسید می شوند. سپس این اکسیدها به سمت سطح بیرونی بتن حرکت کرده و با انتشار در داخل بتن باعث از بین رفتن آن می گردند. بدین ترتیب با خورده شدن دو جزء فلزی و بتنی سازه، زمین ه تخریب کامل سازه بتنی فراهم می شود . روشهای سنتی گذشته مانند چسباندن صفحات فلزی بر روی سازه یا اضافه کردن ضخامت بتن جهت مقابله با پدید ه خوردگی ضمن آنکه مشکل خوردگی فلز را رفع نمی کند بلکه سبب افزایش وزن سازه و آسیب پذیرترشدن آن در برابر زلزله نیز خواهد شد. جهت جلوگیری از این امر می توان با تقویت سطح خارجی ساز ه بتنی توسط مواد مرکب و استفاده از میلگردهای FRP در داخل بتن، هم مشکل خوردگی فلز داخل سازه را حل نمود و هم جلوی مختل شدن کارایی سازه در صورت خورده شدن بتن را گرفت که این بهترین روش مقابله باپدیده خوردگی در یک سازه بتنی می باشد.
ُ 4- مزایای استفاده از الیاف پلیمری FRP
• وزن کم (چگالی آن در حدود20% فولاد است.)
• مقاومت در برابر خوردگی
• نفوذناپذیری مغناطیسی
• امکان تقویت به صورت خارجی
• حمل و نقل آسان وسرعت اجرای بالابه دلیل وزن کم.
ِ 5-تقویت خمشی با استفاده از الیاف پلیمری FRP
یکی از موارد کاربرد الیاف پلیمری ( (FRP تقویت خمشی تیرها و یا دال های بتنی در دهانه های بلند می باشد.در این موارد، اگر طراحی اولیه عضو نامناسب باشد می توان با استفاده از الیاف FRP سختی و مقاومت خمشی آنرا افزایش داد. اگر نسبت ضخامت (یا ارتفاع) عضو به دهانه آن کم باشد، سختی آن کم و در نتیجه خیز وسط دهانه عضو (تیر یا دال) افزایش می یابد. همچنین اگر مقدار آرماتور خمشی در تیر یا دال از حد نیاز کمتر باشد، ترک های خمشی در زیر تیر یا دال ایجاد می شود. این ترک ها بصورت قائم بوده و در راستای خمش (عمود بر راستای آرماتورهای طولی) در محل لنگر خمشی بیشینه ایجاد می شوند. به بیان دیگر، در وسط تیر ترک های خمشی در وجه زیرین آن و در محل تکیه گاه ها ترک های خمشی در وجه فوقانی تیر ایجاد می شوند.
شکل1 نحوه ترک خوردن تیر بدون پوشش الیافی را تحت بارگذاری نشان می دهد.
برای برای افزایش سختی و یا مقاومت خمشی عضو می توان ورقهای پلیمری کربنی ( (C.FRP را توسط چسب اپوکسی به وجه کششی عضو خمشی چسباند. ( در نتیجه در وسط تیر ورق های پلیمری باید به وجه تحتانی و در تکیه گاه ها این ورق ها باید به وجه فوقانی چسبانده شوند.) جهت الیاف باید در راستای آرماتور های فولادی باشند، زیرا سختی و مقاومت کششی الیاف در راستای آن بیشترین مقدار را دارند. با وجود ضخامت کم الیاف پلیمری (حدود 01/0 میلیمتر) مدول الاستیسیته بالای آنها (10برابر فولاد) باعث افزایش سختی تیر و در نتیجه کاهش خیز آن می گردد.
همچنین باید توجه داشت که الیاف پلیمری، بر خلاف آرماتورهای فولادی، رفتاری ترد دارند. بدین معنا که پس از آنکه تنش کششی در آنها به مقدار بیشینه رسید، بلافاصله گسیخته می شوند. این درحالیست که آرماتورهای فولادی رفتاری نرم دارند، یعنی پس از رسیدن به تنش تسلیم تغییر شکل خمیری داده و طول آن ها تا 01/0طول اولیه افزایش می یابند.شکل ٍ همان تیر را تحت همان بارگذاری با پوشش الیافی نشان می دهد.
ّ6-تقویت برشی با استفاده از الیاف پلیمری FRP
در تیرهای بتنی، خاموت ها، که در جهت عمود بر راستای تیر قرار می گیرند، نقش تأمین مقاومت برشی آن را ایفا می کنند.همانطور که می دانیم بعلت مقاومت برشی کم بتن، از خاموت برای تامین مقاومت برشی کافی در تیرها استفاده می شود. چنانچه تیری دارای مقاومت برشی کافی نباشد، ترک های برشی در محل برش بیشینه، بر تکیه گاه، به صورت مایل با زاویه حدود45 درجه تشکیل خواهند شد.
برای تقویت برشی تیرها معمولا الیاف پلیمری را بصورت قائم و یا مایل (عمود بر راستای ترک های برشی) به طرفین تیر می چسبانند. هرچه زاویه بین الیاف با راستای عمود بر ترک های برشی کمتر باشد اثر آن ها در افزایش مقاومت برشی تیر بیشتر است. نوارهای پلیمری که برای تقویت برشی تیر به کار می روند می توانند بصورت U شکل باشند و یا کاملا پیرامون تیر را بپوشانند.
پوشش بسیار نازک ( فقط یک یا دو لایه با ضخامت میلیمتر ) میتواند به طور چشمگیری بهبود لرزه ای داشته باشد، چون پلیمر رزین یکی از اجزا اصلی مهم می باشد، پس ظرفیت کششی بالاتری نسبت به بتن و مصالح ساختمانی زیرین دارد.
یکی از کارهایی که برای بهبود بخشیدن ظرفیت برشی دیوارها با پوشش پیشرفته کامپوزیتی می توان انجام داد این است که محافظ کششی برای شکاف های مورب ( زاویه45 درجه) نصب شود و در نتیجه انجام این کار ظرفیت برشی افزایش می یابد.
گاهی برای مقاوم سازی اتصال تیر به ستون در ساختمان های بتنی، در صورت نیاز، پیرامون تیر و ستون را در محل اتصال کاملاً توسط ورق های پلیمری می پوشانند. این روش تقویت ضمن افزایش مقاومت برشی تیر و ستون در محل اتصال، باعث افزایش شکل پذیری سازه می شود. لازم به ذکر است شکل پذیری سازه، قابلیت تحمل تغییر شکل های خمیری، نقش تعیین کننده در تأمین پایداری ساختمان در هنگام زلزله دارد. شکل3 چسباندن الیاف پلیمری را به تیر بتنی نمایش می دهد.
ْ -بهبود کارایی ستون ها در برابر لرزه
زمین لرزه های اخیر در کالیفرنیا به عنوان مثال زلزله witter در سال ٌَُْ، زلزله Northridge در سال ٌُُُو...
همه تاییدی بر آسیب پذیری ستون ها به ویژه ستون پل
هایی بود که قبل از زلزله سال درSan Fernando
ساخته شده بودند.
طبق آزمایش انجام شده در سال بر روی مقیاس نمونه اصلی ستون های پل توسط Lelli Van Einde و Lei Zhao و Frieder Seible در دانشگاه کالیفرنیا در سن دیگو اثبات شد که فقط پوشش کربن / اپوکسی می تواند تأثیر بسزایی در مقایسه با پوشش فولادی داشته باشد.
اگر ابعاد ستون بتنی و یا مقدار آرماتور طولی آن کمتر از حد نیاز باشد، ستون فاقد مقاومت فشاری کافی بوده و نیاز به مقاوم سازی دارد. همچنین اگر فاصله بین خاموت ها زیاد باشد، آرماتورهای طولی ستون تحت فشار کمانش کرده و ستون مقاومت فشاری و خمشی خود را از دست خواهد داد. برای تقویت ستون ها در این شرایط، می توان الیاف پلیمری را توسط چسب اپوکسی به پیرامون آن متصل نمود. محصور نمودن ستون با این روش مانع کمانش آرماتورها شده و مقاومت فشاری ستون را افزایش می دهد. لازم به ذکر است مقاومت فشاری بتن محصور شده از بتن معمولی بیشتر است زیرا محصور شدگی باعث ایجاد تنش های دو جهته در بتن می شود. در این روش مقاوم سازی جهت الیاف باید عمود بر راستای ستون باشد، یعنی هم جهت با خاموت های ستون. شکل4ُ چسباندن الیاف پلیمری به ستون بتنی را نمایش می دهد.
