مقاله کاربرد مواد پلمری در صنعت ترمیم و مقاوم سازی ساختمان های آجری

بخشی از مقاله

خلاصه

بیش از سه دهه از آغاز مطالعات کاربردی در زمینه به کارگیری الیاف پلیمری تقویت شده در مقاوم سازی سازه های بنایی و بتون آرمه می گذرد؛ مطالعاتی که دامنه و وسعت آن روز به روز در حال افزایش است و زمینه ای وسیع جهت استفاده از این نوع مصالح را در سازه های نیازمند به تقویت، بهسازی و یا ترمیم فراهم نموده است. هم اکنون تعداد زیادی از محققان و پژوهشگران صنعت سازه در سراسر جهان در حال بررسی، مطالعه و انجام آزمایش بر روی تقویت سازه ها با الیاف پلیمری، پلی پروپیلنی و سایر مشتقات پالایشگاهی میباشند.

در مدت کوتاهی، پلیمرها به سرعت تبدیل به یکی از مواد پرکاربرد جهت مقاوم سازی شده و نسبت بالای مقاومت و سختی به وزن این مواد، آن را برای مصارف سازه ای ایده آل نموده است. الیاف پلیمری از آن جهت در زمینه مقاوم سازی لرزه ای کاربرد بسیاری دارد که متوسط چگالی آن حدود یک پنجم چگالی فولاد سازه ای بوده و به ازای اضافه شدن مقدار ناچیزی جرم به سازه، مقادیر زیادی به مقاومت و سختی آن افزوده می شود؛

در پژوهش پیش رو سعی شده است اولا انواع مختلف الیاف پلیمری قابل استفاده در صنعت ترمیم و مقاوم سازی سازه های بنایی معرفی و مزایا و معایب به کار گیری آن در مقایسه با سایر روشهای نوین متداول در مقاوم سازی مورد ارزیابی قرار گیرد؛

دوما با یک مدل کامپیوتری صحت سنجی شده و با هدف سنجش کارایی پلیمر در مقاوم سازی سازه ها، تغییرات ظرفیت و مقاومت نهایی دیوار بنایی غیر مسلح در شرایط تقویت آن با یک پوشش پلیمری در یک طرف و دوط رف دیوار بررسی و مطالعه گردد.

.1 مقدمه

سازه های آجری غیر مسلح، گونه ای از ساختمان های بنایی بوده که بدون محاسبات مهندسی ساخته شده و عمدتا دیوارهای باربر متشکل از واحدهای آجری، نقش سیستم باربر جانبی را در آنها ایفا می کند؛ با توجه به در دسترس بودن مصالح و قیمت تمام شده کمتر از یک سو و نبود سیستم جامع نظارت عالیه مهندسی و آیین نامه های مدون و همچنین رایج نبودن مدل اسکلت فلزی و بتون آرمه از سوی دیگر، اکثریت سازه های مربوط به پیش از تدوین استاندارد زلزله در ایران در سال 1368، در دسته بندی انواع سازه ها جزو سازه های بنایی محسوب می شوند؛

همچنین بسیاری از بناهای تاریخی در سراسر دنیا خصوصا سازه های مربوط به قرن هجدهم میلادی و پیش از آن نیز، سازه های بنایی از نوع آجری غیر مسلح میباشد. اهمیت ترمیم، نگهداری و ایمن سازی سازه های بنایی برای سازه های دارای ارزش فرهنگی و تاریخی بر کسی پوشیده نیست و اهمیت این امر در سایر سازه های بنایی از دو جهت قابل بررسی و تامل است؛

اولا این سازه ها در بسیاری از موارد از حداقل عناصر لازم برای تحمل نیروهای جانبی برخوردار نبوده و بخصوص در مناطق لرزه خیر در زمین لرزه های متوسط و بزرگ تلفات فاجعه باری در پی خواهند داشت؛ برای نمونه میتوان به تلفات بیست و شش هزار نفری زلزله بم - دی ماه - 1382 اشاره نمود؛ بنابراین هدف از مقاوم سازی یک سازه بنایی، حفظ سازه برای بهره برداری پس از وقوع زلزله نیست؛ بلکه صرفا ایجاد پایداری و مقاومت بیشتر در برابر بارهای جانبی لرزه ای اگر چه به مدت کوتاه و ایجاد حداقل فرصت فرار برای ساکنین آن سازه بوده که با خود ایمنی جانی را به همراه خواهد آورد و در ادبیات فنی به اصطلاح به دنبال افزایش ظرفیت و مقاومت عناصر باربر جانبی سازه و در نتیجه مقاومت کلی سازه هستیم.

توجیه و جنبه دوم ضرورت مقاوم سازی سازه های بنایی این است که اغلب مالکین و ساکنین سازه های بنایی مسکونی عموما از قشر محروم و متوسط جامعه، حاشیه نشین ها و جوامع روستایی هستند؛ بطوریکه آمارها نشان می دهد تا سال 1390 حدود 55 درصد از واحدهای مسکونی موجود در کشور را ساختمان های آجری تشکیل می دهد و این رقم در روستاها به 78/8 درصد میرسد [1] که اکثریت این واحدها کم دوام یا بی دوام هستند؛ لذا این بخش از جامعه که بخش عظیمی را نیز در بر میگیرد، به لحاظ اقتصادی عموما امکان تخریب کامل سازه و نوسازی و جایگذینی آن را با یک سازه دارای سیستم موثر باربر جانبی همانند اسکلت فلزی یا بتون آرمه مطابق با استانداردهای امروزی زلزله، حتی با حمایت سیاستگذار بخش مسکن در جامعه بصورت تسهیلات مالی نخواهند داشت؛ با توجه به گستردگی و این حجم از سازه های آسیب پذیر، صرف یکجا و حتی تدریجی چنین منابع مالی برای متولی بخش مسکن در جامعه نیز عملا دور از ذهن است؛ لذا ضرورت مقاوم سازی چنین سازه هایی بخصوص در مناطق لرزه خیر برای جلوگیری از تبعات فاجعه بار زمین لرزه های احتمالی آتی کاملا احساس می شود.

در همین راستا بایستی از میان روشهای رایج و متعدد بهسازی، ترمیم و مقاوم سازی سازه های بنایی، به دنبال الگوهای تیپ بندی شده و بهینه ای بود تا هم به لحاظ اقتصادی توجیه پذیر و مقرون به صرفه باشد، هم بتوان با این الگوها بخش زیادی از سازه های بنایی را پوشش داد؛ از طرفی دیگر بهتر است روشهایی را مد نظر قرار داد که پیاده سازی آنها سریع و آسان باشد و نیاز به نیروی متخصص هم نداشته باشد

در همین راستا پژوهش پیش رو، استفاده از مواد پلیمری را به عنوان پوششی برای دیوارهای باربر بنایی که قطعا مهمترین رکن سازه های بنایی محسوب شده و بیشتر بارهای جانبی سازه را تحمل می نمایند، پیشنهاد می کند؛ لذا در این تحقیق، پس از آنکه انواع مواد و مصالح پلیمری رایج در صنعت مقاوم سازی معرفی و این روش با سایر روشهای نوین متداول، بصورت کیفی مقایسه گردید، یک نمونه دیوار بنایی آجری پس از صحت سنجی مدل کامپیوتری آن نسبت به نمونه آزمایشگاهی ثبت شده توسط مرجع [2] ، با پوششی از الیاف پلیمری، مقاوم سازی شده و نتایج افزایش ظرفیت و مقاومت دیوار نسبت به حالت مقاوم نشده در دو حالت تقویت دیوار از یک طرف و همچنین پوشش پلیمر در هر دو طرف دیوار، بررسی خواهد شد.

.2 معرفی انواع مواد پلیمری رایج در صنعت ساختمان و روشهای به کار گیری آن

الیاف پلیمری تقویت شده - FRP - از دو جزء اساسی تشکیل میشوند؛ فیبر - الیاف - و رزین - ماده چسباننده - . فیبرها که اصولاً الاستیک، ترد و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در الیاف پلیمری محسوب می شوند. بسته به نوع فیبر، قطر هر رشته آن، در محدوده 5 تا 25 میکرون میاشدب  . رزین اصولاً به عنوان یک محیط چسباننده عمل میکند و فیبرها را در کنار یکدیگر نگاه میدارد. فیبر معمولا از جنس شیشه، کربن و یا آرامید باشد که در این صورت محصولات مربوطه به ترتیب با نامهای GFRP ، CFRP و AFRP شناخته میشود

رزین های مورد استفاده هم عبارتند از پلی استر، نیل استر و اپوکسی. بطور کلی کامپوزیت های CFRP دارای خصوصیات بالاتری نسبت به GFRP میباشند، اما در عوض کامپوزیت های GFRP ارزنتر است.

همچنین الیاف پلیمری را می توان از دیدگاه مدول الاستیسیته به سه دسته مدول الاستیسیته بالا - مثل الیاف ساخته شده از فولاد و کربن - ، مدول الاستیسیته متوسط - مثل الیاف ساخته شده از آرامید و شیشه - و مدول الاستیسیته پایین - مثل الیاف ساخته شده از کتان و کناف - تقسیم بندی نمود.

مصالح پلیمری در مقاوم سازی به دو صورت میلگرد شده و یا لایه پوششی استفاده می شود. دو روش متداول برای استفاده از الیاف پلیمری در مقاوم سازی سازه وجود دارد. روش اول، روش چسباندن تر میباشد؛ در این روش در محل اجرا، از زرین برای آغشته سازی الیاف استفاده میگردد. روش دوم نیز استفاده از مصالح پیش ساخته میباشد. مصالح پیش ساخته FRP میتواند به اشکال متفاوتی تولید شود. روش چسباندن تر این مزیت را دارد که استفاده از آن در نقاط غیرمسطح و دارای انحنا و همچنین لبه های مقاطع مختلف راحت تر است . به همین دلیل به نظر می رسد که تقویت دیوارهای آجری کهمعمولاً دارای سطوح غیرمسطح هستند با روش چسباندن تر، مناسب تر خواهد بود

هر متر مربع از الیاف پلیمری در بازار ایران بسته به نوع آن، حدود 100 الی 200 هزار تومان به فروش می رسد. در نتیجه هزینه تمام شده مقاوم سازی هر متر مربع از تیرها، ستونها یا دیوارهای سازه ای با استفاده از الیاف پلیمری، بسته به نوع چسب و الیاف استفاده شده متفاوت خواهد ود؛ اما بطور متوسط قیمت تمام شده ای در حدود 20 هزار تومان به ازای هر متر مربع مقاوم سازی دیوار را می توان در برآوردهای اولیه در نظر گرفت.
تقویت دیوارهای آجری با الیاف پلیمری به دو صورت امکان پذیر است:

-    تقویت برشی:

دیوارهایی که نسبت بعدی - ارتفاع به طول - کمی دارند دچار شکست برشی میگردند؛در این حالت در دیوار ترک های قطری ظاهر شده و مود شکست بصورت ترد رخ می دهد. برای جبران ضعف برش دیوار، صفحات پلیمری در راستای طول دیوار و به صورت افقی نصب میشود. نحوه عملکرد الیاف هم بدین صورت میباشد که پس از ایجاد ترک های برشی در دیوار، کرنش در نواحی نصب الیاف افزایش یافته و نیروها به ورقها منتقل می شود.

-    تقویت خمشی:

برای جبران ضعف خمشی دیوار، ورقهای پلیمری در راستای ارتفاع دیوار و بصورت قائم نصب میگردد و لازم است که انتهای آن به نحو مناسبی در پای دیوار مهار شود تا نیروهای درون این صفحات به تکیه گاه پای دیوار انتقال یابد. برای مهار انتقال صفحات خمشی میتوان از یک مقطع نبشی فولادی در مجاورت تکیه گاه دیوار که بر آن پیچ میشود یا از یک لایه پلیمری بصورت افقی در پای دیوار عمود بر لایه خمشی - قائم - استفاده نمود.

در صورتیکه از هر دو تقویت خمشی و برشی به صورت قرارگیری الیاف بطور افقی و عمودی بر روی دیوار به صورت توام استفاده گردد، افزایش سختی، مقاومت و شکل پذیری دیوار، به مراتب بیشتر از دو حالت فوق خواهد بود. همچنین اجرای صفحات به صورت مهاربند قطری یا ضربدری نیز در به کار گیری الیاف پلیمری قابل بحث و بررسی میباشد.

.3 مقایسه به کار گیری الیاف پلیمری در مقاوم سازی سازه های بنایی با سایر روشهای نوین متداول

مرجع [6] برخی از مهمترین روشهای نوین و کاربردی مقاوم سازی سازه های بنایی را بطور کیفی مقایسه نموده است که برای تنظیم جدول 1 از آن بهره گرفته شده است؛ این جدول، روش مقاوم سازی با الیاف پلیمری را نیز شامل میشود.