بخشی از مقاله
معرفي کامپوزيت هاي پليمري در تقويت و مقاومسازي سازه هاي موجود
چکيده :
در اين مطالعه ابتدا کلياتي دربارة کامپوزيت هاي پليمري و تاريخچۀ پيدايش آنها توضيح داده شده است . سپس ويژگيهاي اين مصالح و همچنين ويژگيهاي اجزاي تشکيل دهنده اين مواد، در ساختار کامپوزيتي مورد بررسي قرار گرفته است . آنگاه اشکال مختلف استفاده از اين مواد در صنعت ساختمان توضيح داده شده و ويژگي هاي منحصر بفرد اين محصولات در تقويت و مقاومسازي خارجي سازه هاي موجود در موارد خمشي ، برشي ، دورگيري مورد بررسي قرار گرفته است .
در ادامه در مورد انواع مدهاي خرابي حاصل در تيرهاي تسليح شده با کامپوزيت هاي پليمري و مکانيزم هاي آنها بحث شده و راهکارهايي جهت احتراز از اين نوع خرابي ها پيشنهاد شده است .
واژه هاي کليدي : کامپوزيت پليمري - FRP - تقويت – الياف - رزين
١- مقدمه
کامپوزيت ها همچنانکه از نامشان پيداست ترکيبي فيزيکي از دو يا چند ماده هستند که مادة حاصل داراي ويژگيهاي خاصي است که در هيچ يک از مواد تشکيل دهنده به تنهايي يافت نمي شود اين ويژگيها بستگي به خواص اجزاي تشکيل دهنده و روش ترکيب آنها دارد. يک ماده کاملا ترد مي تواند با اضافه شدن ماده اي نرم به يک ماده شکل پذير تبديل شود و بر عکس يک ماده نرم مي تواند سخت تر شود. چوب مثال خوبي از يک کامپوزيت طبيعي است که در آن فيبرهاي سلولز بعنوان عامل اصلي مقاومت چوب توسط رزين ( شيرة درخت ) در کنار هم قرار گرفته اند . بتن مسلح نيز مثال ديگري در اين زمينه است در حاليکه ميلگرد هاي فولادي عامل مقاومت کششي مجموعه هستند بتن مقاومت فشاري را تأمين کرده و بار را بين ميلگرد ها انتقال مي دهد.
کامپوزيتهاي مدرن FRP ( پلاستيک ها يا پليمرهاي تقويت شده با الياف ) جديدترين گزينۀ در دسترس مهندسين سازه و ساختمان مي باشند. اگرچه از ساخت و پيدايش اين مواد چندين دهه بيشتر نمي گذرد ولي داشتن امتيازاتي چون صرفه جويي در هزينه در کنار امتيازاتي مانند فرم پذيري ساده تر و خواص ممتاز خود مواد کامپوزيتها ، باعث شده تا بتدريج اين مواد در جريان اصلي صنعت ساختمان جايگاه شايستۀ خود را بيابند.
٢- تاريخچۀ کامپوزيت هاي FRP
با ارائۀ چسب هاي سازه اي در جريان جنگ جهاني دوم ( براي چسباندن قطعات هواپيما ) و سپس ورود الياف شيشه به بازار، مهندسين بزودي دريافتند که ترکيب شيشه با چسب امکانات گسترده اي را براي طراحي هاي نوين سازه هاي بدست مي دهد.
بيشترين پيشرفت ها در اين زمينه در صنايع هوافضا و در طي جنگ سرد حاصل شد. در اين دوره بود که چسب ها و رزين هاي قويتر و الياف جديدي نلير کربن و که ولار عرضه شدند . در کامپوزيت هاي جديد تلاش مي شد علاوه بر سبک تر و مقاومتر کردن مصالح ، دوام آنها در شرايط مختلف محيطي و بارگذاري افزايش يابد.
از سال ١٩٧٠ به بعد قيمت کامپوزيت ها به حدي کاهش يافت که تبديل به يک انتخاب سهل الوصول براي کاربردهاي زير هوا فضا شدند. اکنون بسياري از قطعات اتومبيلها و قايز ها با کامپوزيت ساخته مي شوند. همچنين ابزارهاي ورزشي نلير چوبهاي گلف و ماهيگيري ، راکت تنيس و قطعات دوچرخه از کامپوزيت ساخته مي شوند.
در صنعت ساختمان ، با اينکه نخستين کاربرد سازه اي کامپوزيت ها ، در دهۀ ٦٠ ميلادي در چندين سازه در انگلستان و آمريکا انجام شد ولي تا دهۀ ٨٠ ميلادي چندان توجهي به اين مصالح نمي شد . در اواسط سال ١٩٨٠ ميلادي دکتر مايرز در سوئيس چسباندن کامپوزيت ها را در مورد تيرهاي بتني و عرشۀ پلها مورد آزمايش قرار داد. نتايج حاصل بسيار موفقيت آميز بود او همچنين ستونها وبسياري ديگر از المانهاي سازه هاي را با استفاده از کامپوزيت ها دورپيچ کرد. متعاقب اين مسأله مهندسين
ياپني بسرعت دريافتند که اين شيوه روش مناسبي را براي مقاومسازي سازه ها در برابر زلزله هاي شديد مي باشد. آنها نخستين بار کامپوزيت ها را در تعمير و تقويت سازه ها وارد کردند. تا امروز صدها سازه در ياپن با اين روش تقويت شده و هماکنون استفاده از کامپوزيت بعنوان يک گزينه مناسب در مقاومسازي سازه اي مطرس است . تأخيري که در پذيرش کامپوزيت ها در صنعت ساختمان آمريکا وجود داشت بدليل طبيعت محافله کار جامعۀ مهندسي آمريکا بود . چندين سال وقت صرف تحقيز براي تدوين استانداردهايي در اين زمينه شد. منسسۀ بتن آمريکا هماکنون راهنماي جامعي را براي استفاده از کامپوزيت ها تدوين کرده است ( ٤٤٠ ACI ) .
٣- اجزاي کامپوزيت هاي FRP
کامپوزيت هاي FRP در شکلي که هماکنون استفاده مي شوند متشکل است از يک سري فيبر يا الياف که درون رزيني بعنوان ماتريس يا زمينه قرار گرفته اند. اين مواد اساسا با بتن هاي تقويت شده با الياف کوتاه يا FRC تفاوت دارند. در FRP الياف بلند و ممتد عامل ايجاد مقاومت هستند و رزين آنها را در جاي خود نگه داشته و بار را از سازه به الياف منتقل و در طول آنها به طور يکندددواخت توزيع مي کند. همچنين رزين باعث حفامت الياف مي شود. بنابراين الياف و رزين ، اجزاي اصلي تشکيل کامپوزيت هاي FRP هستند. البته در کنار اين مواد ، مواد ديگري نيز در نقش فيلر ، هاردنر و مواد مضاف جهت بهبود خواص مادة حاصل مورد استفاده قرار مي گيرند.
انواع الياف متداول بکار رفته در ساخت کامپوزيت هاي FRP عبددارتند از اليدداف شيشه ، آراميد ( که ولار) و کربن
الياف شيشه : متداولترين نوع الياف مي باشد که معمولاه در ٣ کلاس E ،S و C عرضه مي شود . کلاس متداولترين نوع مورد استفاده اين الياف مي باشد که عمدتاه درکاربردهاي معمولي مورد استفاده قرار مي گيرد . کلاس S با مقاومت بسيار بالا معمولا کاربردهاي نلامي دارد و کلاس C داراي مقاومت خوردگي بسيار بالايي است ولي براي کاربردهاي سازه اي مناسب نيست .
اين الياف در شرايط دمايي بسيار بالا ( آتش سوزي ) دچار کاهش مقاومت مي شوند. همچنين در زير بار دچار خزش مي شوند .
الياف آراميد: اين الياف که مقاومت عالي در برابر خستگي و خزش دارند داراي چند کلاس مختلف هستند که متداولترين آنها کولار ٢٩ و کولار ٤٩ مي باشد . کار کردن با اين الياف و چسباندن شيميايي و مکانيکي آنها با رزين ها اندکي مشکل است .
الياف کربن : اين الياف بهترين نوع الياف از لحاش مقاومت ، تاب خستگي و خزش هستند و در شرايط دمايي بسيار بالا مقاومت خود را به سختي از دست مي دهند. عيب اين الياف گراني آن و همچنين کرنش بسيار کم گسيختگي مي باشد که آنرا به يک مصالح ترد تبديل مي کند.
در شکل (١ ) نمودارهاي تنش -کرنش انواع الياف با فولادهاي رايج در ساخت قطعات بتن مسلح معمولي و پيش تنيده مقايسه شده است .
ماتريس يا زمينۀ رزيني نيز بعنوان يکي از اجزار اصلي تشکيل دهندة کامپوزيت در دو کلاس طبقه بندي مي شود که مشتمل است بر رزين هاي ترموست (گرماسخت ) و ترموپلاستيک (گرمانرم ). رزين هاي ترموپلاستيک در دماي معمولي جامد هستند ولي با افزايش دما بتدريج نرم مي شوند. اين ضعف ، که دليل آن عدم وجود پيوندهاي عرضي ميان زنجيره هاي پليمر تشکيل دهندددة رزين مي باشد، رزين هاي ترموپلاستيک را براي استفاده هاي سازه اي نامناسب مي کند. ولي در رزين هاي ترموست بدليل وجود پيوندهاي عرضي اين مشکل برطرف شده است . انواعي از رزين هاي ترموست که در ساخت FRP استفاده مي شوند عبارتند از : پلي استرزير اشباع ، اپوکسي ، وينيل استر ، پلي اورتان و فنوليک . انتخاب نوع رزين و مقدار آن بستگي به نوع کار ، مقاومت هاي مورد نلر و شرايط استفادة کامپوزيت و همچنين نوع الياف مورد استفاده دارد.
معمدولا ه در سداخت کامپوزيت هاي FRP از يکي از دو شيوة اپيش عمل آوري ا و يا اعمل آوري در پاي کارا استفاده مي شدود. در روش اپديش عمدل آوري ا ، الياف در شدرايطي کنتدرل شدده و کارخانه اي در شکل و قالبي مشخک با رزين هاي مدربوطه آزدشته شدده و سدپس فدرايند عمل آوري روي آنها انجام مي شود. طبيعتاه محصولات ساخته شده در اين روش داراي کيفديت بهتدري هستند منتهي عيب بزرص اين روش انعطاف پذيري کم محصولات توليد شده براي تيييرات ( مثلاه خم کردن ، وصله زدن و ... ) مي باشد. نمونه اي از محصولات توليد شده در اين روش ميلگردهاي کامپوزيتدي مي باشد. (شکل ٢ ) در روش اعمدل آوري در پداي کدارا الياف به شکل ورقه هايي انعطاف پذير پس از قرارگيري و تثبيدت در جاي خود، با رزين آزشته مي شوند. به همين علت روش اعمل آوري در پاي کارا عليرزم نياز به کنترل بيشتر و کندي نسبي کار، داراي انعطاف پذيري و سازگاري بسيار خوبي است و ميتوان الياف را در سطوس مختلف و پيچيده قرار داده با رزين هاي مربوطه آزشته کرد.
معمولاه ورقه هاي پارچه اي شکل الياف تسليح کننده به صورت يک و يا چند لايه مورد استفاده قرار مي گيرند هر کدام از لايه هدا مي تواند شامل اليداف را در يک جهت و يا دو جهت ( بافته شده )، بسته به مشخصات فيزيکي و مکانيکي مورد نياز باشد .
ورقه هداي چند لايه با روي هم چيدن چند لايۀ نازم از الياف و رزين و فشردن آنها براي رسيدن به ضخامت مورد نلر ساخته مي شوند. ورقه هاي چند لايۀ الياف مي توانند بصورت تک جهتي و يا چند جهتي باشند. (شکل ٣ و٤ ) در مورد آرايش الياف لازم به ذکر است در هر جهت حجم الياف بيشتر باشد در آنجهت مقاومت مجموعه بيشتر خواهد بود.
معمولاه آرايش يک جهتي الياف داراي مقاومت و مدول بالاتري (در جهت الياف ) نسبت به ساير آرايشها مي باشدو البته عملکرد اين آرايش کاملاه زيرايزوتروح مي باشد . اين در حاليست که در آرايش چند جهتي با اينکه رفتار شبه ايزوتروح است اما مقاومت و مدول در هر جهت کمتر از حالت آرايش يکطرفه مي باشد. (شکل ٥ )
در اينجا مجدداه لازم به يادآوري است که الياف پس از قرار گيري در بستر رزيني ، کامپوزيتي را تشکيل مي دهند که ضرايب و مقاومت هاي مکانيکي آن با الياف و رزين تشکيل دهنده متفاوت بوده ولي در عين حال بستگي به نوع الياف و جهت قرارگيري آنها ، نوع رزين ، درصد الياف به رزين و عمل آوري کامپوزيت دارد.
٤- کامپــوزيت هاي FRP در تقويت سازه ها
سازه ها معمولار يا بدليل افزايش نيروهاي وارد برآنها و يا بدليل فرسوده شدن در اير عواملي نلير عوامل محيطي و يا در اير کاستي هاي موجود در ساخت اوليه ، نياز به تقويت و بازسازي پيدا مي کنند. فرايند تقويت سازه فرايندي پيچيده و دقيز است که نياز به شناخت دقيز سازه و ضعف هاي آن دارد تا روشي که براي ترميم سازه اتخاذ مي شود در عين جبران کاستي ها ، ضعف هاي ديگري را به سازه تحميل نکند.
ضعف سازه هرچه باشد مي توان آنرا در سه پارامتر سازه اي مقاومت ، سختي و شکل پذيري خلاصه کرد. آنچه که استفاده از کامپوزيت ها را در تقويت و ترميم سازه ها ممتاز مي کند آنست که مي توان اين مواد را به گونه اي طراحي کرد که سازه را وادار کنند آنگونه رفتار کند که نياز است . زيرا کارکرد و مقاومت اين مواد فقط در راستاي اليافشان است و ميتوان آنها را طوري طراحي کرد که فقط در راستاي مورد نياز از خود مقاومت نشان دهند. اما در روشهاي ديگر نلير تقويت با ورت هاي فولادي يا اضافه کردن ابعاد اعضا بطور مثال در مورد ستونهاي قابها، در کنار افزايش مقاومت خمشي و محوري ، سختي اعضا نيز افزايش مي يابد که اين مسأله ممکن است بنوبۀ خود موجب افزايش نيروهاي وارده به آن اعضا ، بويژه در بحث زلزله ، شود. اين در حاليست که در بحث تقويت با FRP مي توان به افزايش مقاومت خمشي يا افزايش باربري يا ترکيبي از افزايش مقاومت خمشي بهمراه مرفيت باربري بدون تييير آنچناني در سختي دست يافت .
در دورپيچي اعضاي خمشي بتن مسلح با FRP، خصوصاه در مورد ستونها، بکمک محصوريت ايجاد شده ، بتن و فولاد امکان مي يابند منيرتر کار کنند بعبارت ديگر چرخه هاي هيسترزيس اين اعضا، بعلت دورپيچي پايدارتر مي شود . علت اين رفتار اينست که در يک عضو بتن مسلح تحت اير خمش ، قسمتي از ميلگردهاي مقطع ، کشش حاصل را تحمل مي کند و بتن ، ميلگردها را در کنار هم نگه مي دارد. در هنگام زلزله زمانيکه عضو دچار خمش مي شود يک سمت آن به کشش مي افتد که منجر به ترم خوردگي بتن مي شود زمانيکه عضو مزبور در جهت عکس دچار خمش مي شود وجه ترم خوردة قبلي در فشار مي افتد که منجر به ليزيدن و جدا شدن بتن قسمت هاي ترم خورده مي شود. ادامۀ اين روند باعث جدا شدن بتن بيشتري مي شود تا آنجا که بتن نگه دارندة ميلگردها از بين رفته و ميلگردها دچار کمانش مي شوند. دورپيچ کردن اعضاي خمشي بتن مسلح در محل لنگر حداکثر ، بتن را محصور کرده از متلاشي شدن بتن جلوگيري مي کند و امکان ادامۀ عملکرد ميلگردها را فراهم مي کند.
براي افزايش مقاومت برشي تيرها ، ستونها و ديوارها و همچنين در برخي مواقع براي مقاوم کردن پانلهاي ديوار در مقابل انفجار لايه هاي الياف به صورت متقاطع و يا با زاويۀ ٤٥ درجه بکار مي روند.
انواع الياف بکار رفته در ساخت کامپوزيت ها داراي گسترة بسيار وسيع ضريب ارتجاعي هستند ( از ٣ برابر بتن الي ٢٣ برابر فولاد ) بنابراين ميتوان با انتخاب الياف مناسب ، از کامپوزيتهاي FRP براي سخت تر کردن قسمتهاي مورد نياز در سازه استفاده کرد . بعنوان مثال با کارگيري کامپوزيت هاي کربن CFRP در قسمت تحتاني تيرها يا عرشه پل ها ، مي توان بدون افزايش تييير شکل تير يا عرشه ، مرفيت اعمال بارهاي زنده يا مرده را اضافه کرد.
شکلهاي ٦ تا ١١ به صورت شماتيک چگونگي استفاده از FRP را براي تقويت قسمتهاي مختلف سازه اي نشان مي دهند.
