بخشی از مقاله
معرفي استفاده از مصالح FRP به روش NSM به عنوان روشي کارآمد در مقاوم سازي سازه ها
چکيده
مقاوم سازي سازه هاي بتن مسلح با استفاده از مصالح FRP در مقايسه با ساير روش هاي مقاوم سازي به دليل حصول مقاومـت بالاتر در ازاي زحمت کمتر و همچنين بدون تغيير باقي ماندن ابعاد و شکل سـازه پـس از مقـاوم سـازي، بـه عنـوان روشـي متداول در سرتاسر جهان پذبرفته شده است . تحقيقات انجام شده نشان مي دهند که استفاده از اين مصالح به شيوه “ تسليح بـا اتصال خارجي (EBR)” يعني چسباندن ورقه هاي FRP بر سطوح خارجي سازه ها، به علت جدا شدگي پيش از موعـد، امکـان استفاده از تمامي مقاومت کششي FRP را فراهم نمي کند. براي غلبه بر اين ضعف تلاش هاي گونـاگوني صـورت گرفتـه کـه يکي از کارآمدترين آنها استفاده از مصالح FRP به روش “نصب در نزديک سطح (NSM)” مـي باشـد کـه بـر اسـاس ايـده ي کارگذاشتن مصالح مقاوم کننده در شيارهاي تعبيه شده در سطح سازه ها شکل گرفته است .
در اين تحقيق سعي مي شود تا با معرفي کامل روش NSM به عنوان روشي کارآمد در مقاوم سازي سازه هاي بتني بـا مصـالح
FRP، مزيت هاي اين روش در مقايسه با روش EBR نشان داده شده و تحقيقات انجام شده بر کاربرد اين روش در زمينه هـاي مختلف مقاوم سازي مورد اشاره قرار گيرند.
کليد واژه ها: بتن مسلح ، مصالح FRP، روش NSM، مقاوم سازي.
١- مقدمه
تعمير يک سازه بتن آرمه وقتي که اجزاي آن قادر به تامين سرويس دهي يا مقاومت لازم نباشند، ضروري مي گردد. در عمل اين موقعيت هنگامي پيش مي آيد که سازه هاي بتني و يا قسمت هايي از آنها، بـه دلايـل گوناگون ، ضعيف تشخيص داده شده و احتياج به مقاوم سازي داشته باشند. ايـن ضـعف مـي توانـد در اثـر آسيب هاي مکانيکي ، خوردگي آرماتور و يـا تغييـر کـاربري بوجـود آمـده باشـد. بـر مبنـاي نـوع سـازه و کاربري آن ، روش هاي موفق و متفاوتي براي تعمير و مقاوم سازي تمام و يا قسمت هايي از سازه هـاي بتنـي گسترش داده شده اند. در دهه هاي اخير و با توليد چسب هـاي شـيميايي بسـيار قـوي، چسـباندن ورقـه هـاي مقاوم کننده به اجزاي بتن آرمه به عنوان روش موثري در افزايش سرويس دهي و بالا بردن مقاومت نهايي سازه هاي بتني مطرح شده است . سادگي و سرعت اجراي بالا در کنار افـزايش کـم در وزن سـازه بتنـي را مي توان به عنوان مزاياي اين روش برشمرد [١].
بطور سنتي ، تعمير يا بهسازي تيرهاي بتن آرمه با چسباندن ورقه هاي فـولادي انجـام مـي پذيرفتـه اسـت . بـا وجود آنکه کارآيي اين روش در عمل به اثبات رسيده است ، اما اين روش معايب بزرگي از جملـه : ١) در معرض خوردگي بودن ورق ها و ٢) وزن زياد ورق ها بـه خصـوص در تيرهـاي بلنـد دهانـه را دارد [٢]. در سال هاي اخير، ورق هاي “پليمر مسلح شده با اليـاف (Fiber Reinforced Polymer)” مزايـاي بسـياري از خود به عنوان جايگزين ورقه هاي فولادي در تعمير و بهسازي سازه هاي بتني ، نشان داده اند. در کنار نسبت بالاي مقاومت به وزن ، اين مصالح در برابر خوردگي و ديگر آسيب هاي شيميايي مقاوم مي باشند.
٢- انواع محصولات FRP و کاربرد آنها در سازه هاي بتن آرمه
کامپوزيت ها (مواد مرکب )، دسته اي از مواد هستند که همان طور که از نامشان برمي آيد، از اجزاء مختلفي تشکيل يافته اند. به طور کلي FRP از دو جزء تشکيل شده است ؛ جزء اول که قسمت باربر FRP محسوب مي شود، الياف هستند. اين الياف کاملاً الاستيک رفتار مي کنند، شکننده هستند و مقاومت کششي بسيار بالايي دارند. قطر اين الياف بسته به نوع آن ها در محدوده ٥ تا ٢٥ ميکرون قرار دارد؛ جنس الياف مي تواند از شيشه ، کربن ، آراميد يا وينيل باشد که FRP ساخته شده با هر يک از اين مواد را به ترتيب GFRP،CFRP ،AFRP و VFRP مي نامند. در بين انواع ذکر شده ، CFRP به خاطر خواص بهتر نسبت به ٣ دسته ديگر داراي بيشترين کاربرد است . الياف بکار رفته در CFRP، با نام شيميايي پلي آکريلونيتريل ، مقاومت بسيار بالايي دارند؛ به طوري که گاه مقاومتي نزديک به MPa٤٠٠٠ از خود نشان مي دهند [٣]. جزء دوم ساختار FRP چسب يا رزين است . اين جزء که به عنوان يک محيط چسبنده الياف را در کنار هم نگاه مي دارد، نقش چنداني در باربري ندارد. چسب هاي موجود در ساخت FRP از دو نوع ترکيب ترموست و ترموپلاستيک ساخته مي شوند.
مقاومت FRP در برابر خوردگي با هيچ ماده اي قابل مقايسه نيست . اين خصيصه FRP را به عنوان جايگزين مناسبي براي فولاد در بتن مطرح ساخته است .
به عنوان کاربردهاي مختلف مصالح FRP در ترکيب با سازه هاي بتني به اين موارد مي تـوان اشـاره نمـود:
١) استفاده به عنوان تاندون هاي پيش تنيدگي با استفاده از الياف پيوسته هم راستا.
٢) استفاده به عنوان مسلح کننده هـاي داخلـي در محـيط هـاي خورنـده يـا سـازه هـايي کـه بايـد نارسـاناي الکتريسيته باشند.
٣) استفاده به عنوان محصور کننده در ساخت ستون ها.
٤) استفاده به عنوان مقاوم کننده خارجي [٤].
٣- روش “ نصب در نزديک سطح (Near Surface Mounted) ”
براي مقاوم سازي اجزاي بتن آرمه ، ورقه ها و تسمه هاي FRP عموماً بر روي سطح آنها چسبانده مـي شـوند که اين روش متداول را “تسليح با اتصـال خـارجي (Externally Bonded Reinforcement)” مـي نامنـد.
تحقيقاتي که تاکنون انجام شده نشان مي دهد که در اين روش ، به علت جدا شدگي پيش از موعد، امکـان استفاده از ظرفيت کششي کامل مصالح FRP وجود ندارد که براي بر طرف کردن اين نقيصه سيسـتم هـاي مهار گوناگوني پيشنهاد شده اند. هم چنين در ايـن روش کـارکرد مصـالح FRP بـه علـت اثـرات نامناسـب سيکل هاي يخ زدن و ذوب شدن و تغييرات شديد دمايي ، دچار افت مي گـردد [٥]. از طرفـي سيسـتم هـاي EBR در معرض حرکات خرابکارانه نيز قرار دارند.
براي غلبه بر اين ضعف ها تلاش هاي متعددي صورت گرفته اسـت کـه از موفـق تـرين آنهـا بايـد بـه روش نصب در نزديک سطح (NSM) اشاره نمود. اين روش بـر مبنـاي کـار گذاشـتن مصـالح مقـاوم کننـده در شيارهاي از پيش تعبيه شده در پوشش اجزاي بتني استوار است و قدمت آن در مورد ميله هاي مقاوم کننده فولادي به دهه ١٩٥٠ بر مي گردد. اخيرا موارد جديد ديگري نيز از کـاربرد ايـن روش در مـورد ميلـه هـاي ضد زنگ فولادي به عنوان مقاوم کننده در مقاوم سازي سازه هاي بنايي و پل هاي قوسي گزارش شده انـد.
استفاده از مصالح FRP به عنـوان مقـاوم کننـده در روش NSM داراي مزايـاي متعـددي نسـبت بـه فـولاد مي باشد که از جمله مي توان به مقاومت در برابر خوردگي ، راحتي و سرعت نصب بالاتر به دليل وزن کـم و کاهش اندازه شيارها به دليل نسبت بالاي مقاومت کششي به سـطح مقطـع در مصـالح FRP اشـاره نمـود .[6]
در مقايسه با کاربرد مصالح FRP به روش EBR، روش NSM داراي مزاياي زير مي باشد [٦]:
١) به علت عدم نياز به عمليات آماده سازي سطح ، حجم عمليات مقاوم سازي کاهش مي يابد،
٢) مسلح کننده هاي NSM به مراتب کمتر در معرض جدا شدگي قرار دارند،
٣) مسلح کننده هاي NSM را مي توان به راحتي در سطوح جنبي قطعات مهار نمود تا مانع از جـدا شـدگي آنها گرديد؛ اين مزيت به خصوص در مقاوم سازي خمشي اجزاي قاب هاي خمشي در نواحي لنگـر منفـي مورد توجه مي باشد،
٤) مسلح کننده هاي NSM راحت تر پيش تنيده مي گردند،
٥) مسلح کننده هاي NSM بوسيله پوشـش بتنـي محافظـت شـده و در نتيجـه کمتـر در معـرض ضـربه هـا و آسيب هاي مکانيکي ، آتش سوزي و حرکات خرابکارانه قرار دارند، و
٦) ظاهر سازه پس از مقاوم سازي بدون تغيير باقي مي ماند.
مراحل انجام روش NSM به اين ترتيب است که ابتدا شياري در راسـتاي مـورد نظـر در سـطح بـتن ايجـاد مي گردد. اندازه شيار طوري انتخاب مي شود که فضاي کافي براي نفـوذ چسـب بـه اطـراف مقـاوم کننـده
وجود داشته باشد. داخل شيار با فشار متوسط آب يا هوا از ذرات گرد و غبار تميـز شـده و سـپس شـيار تـا نيمه با چسب پر مي شود. مصالح FRP درون شيار قرار گرفتـه و بـراي اطمينـان از نفـوذ چسـب بـه تمـامي فضاهاي اطراف ، به آرامي فشار داده مي شود. در انتها شيار با چسب اضافه پر شده و سطح تـراز مـي گـردد .[7]
آزمايش هاي چسبندگي ، حالات مختلف شکست چسبندگي در سيستم هاي NSM را مطابق شکل ١ نشـان مي دهند.
٤- کاربرد روش NSM در مقاوم سازي خمشي تيرهاي بتن آرمه
٤-١ استفاده از تسمه هاي FRP
باروس و فورتس [٥] با هدف دو برابر کردن ظرفيت باربري، چهار سري تير را با مقادير مختلـف مصـالح
FRP مورد آزمايش قرار دادند (شکل ٢).
نتايج گزارش شده توسط آنها به شرح زير مي باشند:
(1 حالت شکست در همه نمونه ها، به جز يکي از آنها، جداشدگي لايه تحتاني بتن بود.
(2 افزايش ٣٢ تا ٤٧ درصدي در ميزان بار ترک خوردگي وبار تسليم نمونه ها مشاهده شد.
(3 بار سرويس (بار معادل تغيير شکل ٤٠٠.l ) تا ٤٥ درصد افزايش داشت .
(4 کرنش ثبت شده براي تسمه هاي CFRP از ٦٢ تا ٩١ درصد کرنش نهايي مصالح بود.
(5 سختي تير به ميزان قابل توجهي افزايش يافته و تغيير شکل ها مشخصاً کم شده بودند.
٤-٢ استفاده از ميله هاي FRP
تنگ و همکاران [٨] با هدف بررسي اثـرات نـوع بـتن (بـتن سـبک و معمـولي )، نـوع ميلگردهـاي تقـويتي (فولادي يا GFRP ) و نوع چسب مصرفي ، تعداد ١٠ نمونه تير را مورد آزمايش قرار دادند.
نتايج بدست آمده به اين شرح مي باشند:
١) حالت شکست در تيرهاي تقويـت شـده بـاNSM GFRP، شکسـت برشـي يـا متلاشـي شـدن چسب و بطور همزمان پارگي ميله هاي GFRP بوده است .
٢) بطور کلي تقويت تيرها با NSM GFRP موجب کاهش تغيير شکل نهايي و افـزايش سـختي خمشي و ظرفيت خمشي تير بوده است .
٣) افزايش قطر ميلگرد GFRP باعث افزايش سختي خمشي وکاهش تغيير شکل ها بوده است .
٤) بطور کلي تيرهاي تقويت شده با NSM GFRP افزايش ٢٣ تـا ٥٣ درصـدي در مقـدار لنگـر نهايي داشتند.
٥- کاربرد روش NSM در مقاوم سازي برشي تيرهاي بتن آرمه
٥-١ با استفاده از تسمه هاي FRP
باروس و دياس [٩] با هدف مقايسه روش هاي EBR و NSM و همچنين اثر زاويه قرار گيري تسمه ها در
وجه جانبي تير، چهار سري تير را مورد آزمايش قرار داده و نتايج زير را گزارش نمودند:
١) ظرفيت باربري نمونه هاي تقويت شده با روش هاي EBR و NSM به ترتيب ٥٤ و ٨٣ درصـد افزايش داشتند،
