مقاوم سازی و تقویت سازه های بتنی ، فلزی و بنایی با الیاف FRP ، ژاکت فلزی و بتنی

مقاوم سازی و تقویت سازه های بتنی ، فلزی و بنایی با الیاف FRP ، ژاکت فلزی و بتنی
599 1397/12/12

مقاوم سازی و تقویت سازه های بتنی ، فلزی و بنایی با الیاف FRP ، ژاکت فلزی و بتنی

 

سازه های بتنی به صورت کلی و یا جزئی مانند تیر ، فونداسیون ، ستون ، سقف ، دیوار برشی و ... ، بنا به دلایل مختلف از جمله اشتباهات طراحی ، اشتباهات اجرایی ، عمر بالای سازه ، تغییرات در کاربری سازه ها ، تغییر آیین نامه ها ، افزایش طبقات ، حوادث بهره برداری مانند زلزله و ... ، شرایط محیطی ، نیازمند تعمیر و تقویت می باشند.

امروزه روشها و استاندارد های مختلفی چه داخلی و چه بین المللی برای تقویت و مقاوم سازی سازه ها وجود دارد. هر کی از این روش ها دارای مزایا و معایبی می باشند که می توانند در شرایط خاص پروژه موثر باشند.

کلینیک فنی و تخصصی بتن ایران ، با اتکا به چدین سال تجربه تخصصی در تعمیر و تقویت سازه های بتنی اقدام به ارائه خدمات در زمینه تعمیر و مقاوم سازی سازه ها ی بتنی و فلزی و بنایی می نماید. شما می توانید برای مشاروه و اجرای پروژه های مختلف تعمیراتی و تقویت تیر ، ستون ، دال ، فونداسیون و دیوار برشی با انواع روش های رایج با بخش فنی و مهندسی کلینیک فنی و تخصصی بتن ایران ( 44618462-44618379-09128889641 ) تماس حاصل فرمایید.

 

 

مقاوم‌سازی لرزه‌ای  سازه‌های بتنی با الیاف FRP

وقوع زلزله‌های اخیر در کشورمان که موجب ایجاد خرابی‌های بسیار و نیز از دست‌رفتن جان بسیاری از هموطنان گشت، نشانگر وسعت زیاد آسیب‌پذیری و وجود ضعف‌های بسیار در ساختمان‌های موجود بود. لذا انجام مقاوم‌سازی و بهسازی لرزه‌ای برای اکثر ساختمان‌ها امری ضروری می‌باشد و بایستی سریعاً به انجام مطالعات آسیب‌پذیری ساختمان‌ها پرداخت تا از تکرار فاجعه‌ای دیگر جلوگیری نمود. این مقاوم‌سازی برای سازه‌های مختلف انجام می‌گیرد و از میان آنها سازه‌های بتنی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است چرا که بسیاری از ساختمان‌های مسکونی ایران با این اسکلت بنا شده‌اند. مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی با سه رویکرد مختلف اضافه‌کردن عضو جدید، ترمیم با تقویت موضعی و یا استفاده از سیستم‌های هیبریدی جدید انجام می‌گیرد. شناخت FRP ، فیبرها و رزین‌های تشکیل‌دهنده آن، به دلیل وسعت کاربرد و اهمیت آن‌ها در فرآیند مقاوم‌سازی، در کسب دانش مقاوم‌سازی بسیار مهم‌اند. از جمله کاربردهای FRP می‌توان به تقویت دیوارهای بتن‌آرمه، تقویت دیواره تونل‌ها، تقویت لوله‌های بتنی یا فولادی، تقویت دیوارهای آجری و مصالح سنتی، ساخت دیوارهای ساحلی، سقف‌های پشت‌بام‌های صنعتی، نشمین‌گاه تجهیزات راکتورها، سیستم دال کف در محیط‌های خورنده شیمیایی، مرمت و تقویت سازه‌های مهمی چون بیمارستان‌ها، آثار باستانی و غیره اشاره کرد. 

 

 

در باب تاریخچه مقاوم‌سازی می‌توان گفت که پس از زلزله 1971 سانفرناندو در کالیفرنیا، زلزله 1989 لوما پریتا در سانفرانسیسکو، زلزله نورثریج در سال 1994 و زلزله 1995 کوبه، تغییرات عدیده‌ای در آیین‌نامه طراحی لرزه‌ای به خصوص در مناطق با لرزه‌خیزی بالا به‌وجود آمد. سازه‌های بتن‌آرمه موجود برای بارهای گرانشی و بارهای جانبی کمتر از آیین‌نامه‌های اخیراً طراحی‌شده بودند و مشکلاتی چون عدم هم‌پوشانی و پیوستگی آرماتورهای طولی تیرها و ستون‌ها، فواصل زیاد آرماتورهای عرضی و سنجاقی‌ها و خاموت‌های باز با خم 90 درجه، کیفیت اجرای نامطلوب اعضای باربر، ازدحام آرماتورها در محل اتصالات، عدم تأمین پوشش کافی، فقدان محصورشدگی در ناحیه مفصل خمشی و ... در پیکربندی و جزئیات سازه‌های طراحی‌شده قبل از سال 1970 به وضوح دیده می‌شد. تا این‌که در دهه 90 میلادی اداره فدرال مدیریت شرایط اضطراری FEMA بر اثر تحقیقات انجام‌شده اقدام به ارزیابی لرزه‌ای و روش‌های تقویت سازه‌های موجود نمود و نتایج این تحقیق را در قالب آیین‌نامه‌هایی ارائه داد، چرا که تا آن زمان بیشتر ساختمان‌های ساخته‌شده در ایالات متحده امریکا، در برابر زلزله ایمن نبودند.

متأسفانه بسیاری از ساختمان‌های موجود در کشور ما نیز، از مقاومت کافی در برابر نیروهای زلزله برخوردار نیستند؛ که این امر خرابی ناشی از زمین‌لرزه‌های آتی را تشدید خواهد کرد. برای جلوگیری از بروز چنین خسارت‌هایی، یک‌ راه‌حل منطقی و اقتصادی، مقاوم‌سازی ساختمان‌های موجود است. شناخت ساختمان‌های آسیب‌پذیر در برابر زلزله مرحله پیشین و بسیار مهم در جهت مقاوم‌سازی است، ‌خصوصاً در میان ساختمان‌های چهار طبقه غیرایمن، که بیشترین میزان خرابی را در هنگام زلزله دارند، و متأسفانه بخش زیادی از بافت مسکونی کلانشهرهای ما، خصوصاً تهران، را تشکیل می‌دهند. بعد از شناسایی سازه آسیب‌پذیر، عملیات مقاوم‌سازی آغاز می‌شود. در تعریف مقاوم‌سازی می‌توان گفت «مقاوم‌سازی به مجموعه عملیاتی گفته می‌شود که روی یک قسمت از سازه یا تمامی آن انجام می‌شود تا سازه بتواند بارها و سَربارهای بیشتری را نسبت به حالت اولیه تحمل نماید و خصوصیت‌های رفتاری بهتری را از خود نشان‌دهد».

بسیاری از سازه­های بتنی به دلایل: خطاهای محاسباتی، اشتباه در ساخت و اجرا، ضعف آیین نامه­های قدیمی، تغییرکاربری سازه و بارهای بهربرداری وارد به سازه، خوردگی و زنگ‌زدگی آرماتورها و .....، ضوابط آیین‌نامه­های جدید را ارضا نمی­کنند؛ لذا ارائه روش‌های مقاوم‌سازی و بهسازی و تعمیر برایچنین سازه­هایی لازم است. از میان تمامی شیوه‌های مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی، امروزه در دنیا به مقاوم‌سازی از طریق FRP توجه ویژه‌ای می‌شود. در این تحقیق نیز هدف اصلی آشنایی با این نوع مقاوم‌سازی است.

 

 

بخش اول: مبانی 

به طور کلی فرایند بازسازی کلی یا محلی سازه­ای به سه بخش اصلی مقاوم‌سازی، بهسازی و تعمیر تقسیم می‌شود.

1- معیارهای مقاوم‌سازی لرزه‌ای

به‌طور کلی در بازسازی و مقاوم‌سازی سازه‌ها بایستی به پارامترهای زیر توجه داشت:

افزایش مقاومت، افزایش سختی، کاهش تغییر مکان، افزایش شکل‌پذیری، افزایش زوال و استهلاک انرژی آزادشده زلزله

2-کنترل رفتار اعضای سازه‌ای

هر سازه به مثابه یک زنجیر می‌باشد که اعضای تشکیل‌دهنده آن شبیه حلقه‌های زنجیر هستند که می‌توانند شکل‌پذیر، ترد و نیمه شکل‌پذیر باشند. اگر آنها را به دو دسته شکل‌پذیر و شکننده تقسیم‌ کنیم اعضایی که ترد هستند فلسفه طراحی‌شان بر اساس عملکرد، اعضای شکل‌پذیر بر اساس کنترل تغییر شکل و اعضای ترد و شکننده براساس کنترل نیرو قرار می‌گیرد.

3-هدف از بهسازی و مقاوم‌سازی لرزه‌ای

این اهداف در موارد زیر برشمرده می‌شوند:

  • تأمین مقاومت در برابر زلزله‌های خفیف بدون هیچ‌گونه آسیب‌دیدگی
  • تأمین مقاومت در برابر زلزله‌های متوسط بدون هیچ‌گونه آسیب سازه‌ای ولی احتمال برخی خسارت‌های غیر سازه‌ای وجود دارد.
  • تأمین مقاومت در برابر زلزله شدیدی که در محل سازه قبلاً رخ داده و یا قابلیت وقوع دارد البته بدون فروریزی، ولی با این‌حال احتمال خسارت‌های سازه‌ای و غیرسازه‌ای وجود دارد.

4-گام‌های کلی در فرآیند بهسازی و مقاوم‌سازی

  • مبانی بهسازی و مقاوم‌سازی و تعیین سطوح عملکرد
  • انتخاب روش تحلیل
  • انتخاب روش مقاوم‌سازی

4-1-مبانی بهسازی و مقاوم‌سازی و تعیین سطوح عملکرد

4-1-1-تعیین مشخصات ساختمان

در این مرحله پیکربندی سازه از نظر معماری و از نظر سازه‌ای بررسی می‌شود و خواص مهندسی مصالح به کار رفته و نحوه استقرار اعضای سازه‌ای و اتصال آنها به یکدیگر مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.

4-2-1- تعیین مشخصات ساختگاه

وضعیت ساختگاه از نظر شرایط زیرسطحی و سطحی چون نوع خاک، طبقه‌بندی لایه خاک، وضعیت شالوده، سرعت امواج طولی و برشی و ... از طریق بررسی‌های میدانی و آزمایش‌های لازم مشخص گردد.

4-1-3-بررسی ساختمان‌های مجاور

احتمال برخورد سازه‌های مجاور با سازه هدف در هنگام وقوع زلزله بررسی شود.

4-2-تعیین سطح عملکرد مورد انتظار

سطوح عملکرد بر اساس سطح آسیب و سطح خطر لرزه‌ای (دو جزء اصلی آن) انتخاب می‌گردد و برای عملکرد هر ساختمان هنگام زلزله باید سطح خطر را دانست، بنابراین سطح هر آسیب باید متناظر با سطح خطر باشد. عملکرد لرزه‌ای نیز عبارت است از تعیین حداقل خسارت مجاز (سطح عملکرد) برای پذیرش خطر لرزه‌ای معین (حرکت زمین ناشی از زلزله) که دارای چهار سطح عملکرد اصلی و دو سطح میانی است.

سطوح عملکرد اصلی عبارتند از:

  • قابلیت استفاده بی‌وقفه Fully Operational/ Immediate Occupancy
  • ایمنی جانی Life Safety/ Operational
  • آستانه فروریزش  Near Collapse
  • لحاظ‌نشده (تعیین‌نشده)  

سطوح عملکرد میانی عبارتند از:

  • خرابی محدود Limited Collapse
  • ایمنی جانی محدود Limited Life Safety

سطح عملکرد هدف به دو دسته تقسیم می‌شود:

  • سطح عملکرد سازه‌ای Structural Performance Level
  • سطح عملکرد غیرسازه‌ای Non-Structural Performance Level

سطوح مختلف خطر زلزله

سطوح مختف خطر زلزله که ناشی از نوع حرکت زمین است عبارت است از:

  • سطح خطر 1- مترادف با زلزله سطح طراحی (Design Base Earthquake) DBE

برمبنای سطحی از لرزش‌های زمین است که احتمال وقوع زلزله‌ای بزرگ‌تر از آن در 50 سال برابر 10 درصد،‌دوره بازگشت آن 475 سال ‌باشد. این زلزله مترادف با زلزله استاندارد آیین‌نامه 2800 است.

  • سطح خطر 2- مترادف با بیشینه زلزله محتمل (Maximum Probable Earthquake) MPE

این سطح خطر براساس 2 درصد احتمال رویداد در 50 سال تعریف می‌شود؛ که دوره بازگشت متوسط آن 2475 سال است.

  • سطح خطر انتخابی:  معرف زلزله‌ای با هر احتمال رویداد در 50 سال می‌باشد.
  • زلزله سطح بهره‌برداری SE (Serviceability Earthquake): زلزله خفیف یا متوسط است که احتمال وقوع آن در 50 سال بزرگ‌تر از 50 درصد می‌باشد. دوره بازگشت زلزله سطح بهره‌برداری تقریباً 75 سال است. این زلزله عموماً در حدود نصف زلزله سطح طراحی است.
  • زلزله بیشینه ME (Maximum Earthquake) : بیانگر سطحی از لرزش‌های زمین است که احتمال وقوع زلزله بزرگ‌تر از آن در 50 سال برابر 50 درصد است.
  • طیف طرح استاندارد : مترادف با سطح خطر 1 با میرایی 5 درصد در استاندارد 2800 ایران برای 4 نوع زمین به عنوان طیف طرح استاندارد ارائه شده‌است.

طیف طرح ویژه ساختگاه

بر مبنای تحلیل خطر ویژه‌ای برای بهسازی ویژه مورد استفاده قرار می‌گیرد و به چند عامل که عبارتند از شرایط ساختگاه، بزرگی زلزله، فاصله گسل تا ساختگاه، نوع خاک و رابطه کاهندگی مربوط به روش برآورد سطح خطر بستگی دارد. برای تحلیل خطر ویژه باید گسل‌های فعال در اطراف ساختگاه و تا شعاع 100 کیلومتری تعیین گردند. سطوح مقاوم‌سازی به چهار دسته تقسیم می‌شود:

  1. بهسازی و مقاوم‌سازی محدود: مقاوم‌سازی تحت اثر زلزله‌ای خفیف‌تر از سطح خطر 1 باشد به‌طوری که ایمنی جانی ساکنین تأمین گردد.
  2. بهسازی و مقاوم‌سازی مبنا: مقاوم‌سازی تحت اثر زلزله سطح خطر 1 است به طوری‌که ایمنی جانی ساکنین تأمین گردد.
  3. بهسازی و مقاوم‌سازی مطلوب: هدف این است که مقاوم‌سازی مطلوب تأمین شود، ثانیاً ساختمان مقاوم‌شده تحت اثر زلزله فرو نریزد.
  4. بهسازی و مقاوم‌سازی ویژه: در این سطح سازه می‌بایست عملکرد بهتری نسبت به سطح بهسازی مطلوب داشته‌باشد.

4-3-مبانی و روش‌های تحلیلی

1-روش استاتیکی خطی

2-روش دینامیکی خطی

3-روش استاتیکی غیرخطی

4-روش دینامیکی غیرخطی

4-4-انتخاب روش مقاوم‌سازی

عوامل متعددی در انتخاب تکنیک مقاوم‌سازی تأثیر دارند که در زیر به بخشی از آنها می‌پردازیم

1-«ارزش سازه در مقابل اهمیت سازهCost versus importance of structures

2-نیروی انسانی موجودAvailable workmanship

3-طول مدت اجرا یا زمان عدم‌استفادهDuration of work/ disruption of use

4-تکمیل و تقویت براساس عملکرد موردنظر کارفرماFulfillment of the performance goals of owner

5-توجه به تناسب زیبایی‌شناسی (معماری) نقش سازه‌ای و تکمیل سازه موجود

Functionally and aesthetically compatible and complementary to the existing structures

6-تداخل برگشت‌پذیری Reversibility of intervention

7-کنترل کیفی سطح عملکرد Performance level of quality control

8-اهمیت تاریخی و سیاسی سازهPolitical and historical significance

9-سازگاری روش مقاوم‌سازی با سیستم سازه‌ای موجود

Structural compatibility with the existing structural system

10-نامنظمی در سختی، مقاومت و شکل‌پذیریIrregularity of stiffness strength and ductility

11-کنترل آسیب وارده به اجزای غیرسازه‌ایControlled damage to non-structural components

12-ظرفیت مناسب باربری سیستم فونداسیون Sufficient capacity of foundation system

13-مواد ترمیمی و روش موحود و ممکن مقاوم‌سازی» Repair materials and technology available

5-مراحل مقاوم‌سازی

1-گردآوری اطلاعات در مورد مشخصات سازه

2- تحلیل سازه‌ای ساختمان آسیب‌پذیر

3-طراحی تقویت سازه در صورت نیاز

4-تهیه نقشه‌های طرح تقویت

5-1-گردآوری اطلاعات در مورد مشخصات سازه

الف- نقشه‌هایی شامل جزئیات لازم در مورد سیستم سازه‌ای و نحوه آرماتورگذاری

ب-نحوه ساخت و اطمینان از مطابقت نقشه‌های طراحی با اجرا

ج-کنترل کیفیت مصالح به کمک آزمایش‌های مخرب و غیرمخرب چون چکش اشمیت، مغزه‌گیری و اولتراسونیک

د-جزئیات و نحوه آسیب‌دیدگی در پلان و ارتفاع به تفصیل

ه-کنترل طراحی و محاسبات اولیه

و-کنترل اعضای مهم سازه‌ای نظیر دیوار برشی و ستون‌ها از نظر قابلیت تحمل در برابر بارهای وارده

5-2-تحلیل سازه آسیب‌پذیر

الف-تخمین اطلاعات سازه‌ای: به عنوان مثال سختی اعضاء و سازه آسیب‌دیده کاهش می‌یابد و به واسطه مقاوم‌سازی ضریب رفتار سازه تغییر می‌کند.

ب-تعیین پارامترهای لرزه‌ای: به عنوان مثال تعیین کردن PGA یا حداکثر شتاب زمین حین وقوع زمین‌لرزه.

ج-تحلیل سیستم سازه‌ای آسیب‌دیده: به عنوان مثال استفاده از تحلیل طیفی.

د-برآورد مقاومت لرزه‌ای سازه: به‌طور کلی باید Sd ≤ Rd که Sd اثرات عملکرد سازه‌ای روی المان سازه و Rd مقاومت طراحی همان المان سازه‌ای است که در یک ضریب کاهنده ضرب می‌شود.

ه-تصمیم نهایی برای ترمیم یا تقویت: چناچه شاخص مقاومت برای عضوی بزرگ‌تر از 8/0 باشد، آن عضو فقط یک‌سری ترمیم لازم خواهد داشت و اعضایی که در آنها شاخص مقاومت کمتر از 8/0 می‌باشد باید تقویت گردند. تصمیم در مورد تقویت کل سازه، مثلاً اضافه‌ کردن یک‌سری المان دیگر برمبنای درصد اعضایی که به تقویت نیاز دارند یا بر اساس نسبت برش باقیمانده به برش پایه‌ای که سازه باید تحمل کند، بر مبنای آیین‌نامه‌های مختلف تعیین می‌گردد.

5-3-طراحی تقویت سازه

الف-طراحی اولیه

  • انتخاب بهسازی و مصالح موردنیاز و محل اعضایی که باید تعمیر، تقویت و یا به سازه اضافه شوند.
  • تخمین اولیه ابعاد قسمت‌های اضافه‌شده
  • تخمین اولیه سختی اعضای تقویت‌شده
  • تخمین اولیه از ضریب رفتار برحسب انعطاف‌پذیری موضعی و کلی

ب-طراحی مجدد سازه

  • تعیین مشخصات بارهای لرزه‌ای
  • تعیین اثرات بارهای اعمالی (محاسبه تنش‌ها-تغییر مکان‌ها) با در نظرگیری سختی سختی اصلاح‌شده و باز توزیع نامناسب احتمالی اثرات بار در نتیجه گسترده و سنگین

ج-ضریب اطینان

  • انتخاب مدل رفتاری اعضای ترمیم یا تقویت‌شده
  • انتخاب ضریب ایمنی مصالح مصرفی
  • محاسبه مقاومت طراحی
  • نامساوی Sd ≤ Rd برای بارگذاری لرزه‌ای و غیرلرزه‌ای در 2 حالت حدنهایی و بهره‌برداری

5-4-تهیه نقشه‌های طرح تقویت

باید کلیه اعضای جدید و اعضایی جدید و اعضایی که احتیاج به ترمیم و تقویت دارند، با جزئیات کامل ترسیم شوند و میزان و محل آسیب باید در نقشه‌های طرح تقویت مشخص شده و محل‌های تقویت و شیوه انجام تقویت توضیح داده شود.

5-5-برآورد هزینه

کاری بسیار پیچیده و مشکل‌تر از متره و برآورد احداث ساختمان جدید است.

6-معیارهای حاکم بر مقاوم‌سازی

6-1-معیارهای عمومی

  1. قیمت اولیه ساختمان و قیمت طرح ترمیم یا تقویت
  2. قابلیت دوام جدید و قدیم و نیز سازگاری فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مصالح جدید و قدیم
  3. فراهم بودن تجهیزات، امکانات و نیروی کار
  4. امکان کنترل کیفیت
  5. پر یا خالی از سکنه بودن ساختمان
  6. مدت زمان انجام کار ترمیم یا تقویت
  7. زیبایی طرح
  8. حفظ هویت معماری،‌ برای ساختمان‌های باستانی

6-2-معیارهای فنی

  1. برای ساختمان‌های بسیار نامنظم، باید تا حد امکان به نظمی در رفتار سازه رسید.
  2. تا حد امکان بخشی از سازه را که پتانسیل رفتار غیرالاستیک دارد، در کل سازه توزیع کرد.
  3. بعد از تقویت باید تمام موارد آیین‌نامه‌ای مگر در موارد محدودی که اجازه داده می‌شود، رعایت گردد.
  4. در نواحی بحرانی، تا حد امکان باید انعطاف‌پذیری موضعی را بالا برد.
  5. یک حداقل افزایش سختی موضعی را در قسمت‌های مختلف سازه به وجود آورد.

7-شیوه‌های مقاوم‌سازی سازه‌های بتن‌آرمه

روش‌های زیادی برای مقاوم‌سازی ارائه شده‌اندکه در اینجا به تعدادی از آنها اشاره می‌کنیم:

  1. «استفاده از بادبندهای هم‌محور یا برون‌محور فولادیConcentric Existence Steel Braces
  2. استفاده از کابل‌های پس‌تنیده و استفاده از باز توزیع نیروهاPost-Tensioned Cables
  3. استفاده از دیوار برشیShear Wall
  4. استفاده از میان‌قاب با مصالح بناییMasonery Infilled
  5. استفاده از جداگرهای پایه و پی‌های لغزشیBase Isolator
  6. استفاده از پوشش و غلاف فولادیSteel Jacketing
  7. استفاده از ورق‌های پوششی یا غلاف FRP    FRP Laminates or FRP Wrapping
  8. استفاده از لایه پوشش بتنی با ملات مسلح (زره پوش بتنی)
  9. استفاده از میراگرهای اصطکاکی، هیسترزیس و ویسکو الاستیک Frictional-Hysteretic Viscoelastic Dampers
  1.  استفاده از روش‌های ترکیبی فوق
  2.  محدود نمودن در استفاده از سازه یا تغییر کاربری
  3.  اصلاح کلی یا موضعی اعضای آسیب‌دیده و ندیده و در صورت امکان تبدیل اعضای غیرسازه‌ای به اعضای سازه‌ای
  4. اصلاح سیستم سازه‌ای به منظور افزایش سختی، منظم کردن سازه در پلان و ارتفاع، حذف عضو آسیب‌پذیر و تغییر مناسب در پریود طبیعی ساختمان
  5. سبک‌سازی و کاهش وزن ساختمان
  6.  جابجایی کامل اعضای به شدت آسیب‌دیده یا اعضای نامناسب»

 

به طور کلی روش منحصربه‌فردی برای رسیدن به پاسخ قانع‌کننده وجود ندارد و الگوهای مقاوم‌سازی متفاوتی را می‌توان برای تقویت یک سازه خاص به‌کار برد ولی آنچه مسلم است تکنیکی که تغییر نسبی طبقات را بهتر کنترل می‌کند، کارآمدتر است و به سایر روش‌ها ترجیح دارد. این روش‌ها به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند:

1-تقویت سازه با اضافه کردن اعضای جدید

2-ترمیم با تقویت موضعی

3-سیستم هیبریدی جدید

 

بخش دوم: مقاوم‌سازی با FRP

2- تعاریف: بهسازی، تعمیر

در ابتدا لازم است تعریفی از اصطلاحات کلیدی بهسازی و تعمیر ارائه شود که به به شرح زیر تعریف می­شوند:

بهسازی: فرایند تغییر و اصلاح پارمترهای طراحی با استفاده از مقطع موجود را بهسازی گویند.

تعمیر:گاهی اوقات برخی از عناصر سازه­ای یا غیرسازه­ای بر اثر پدیده­هایی چون آتش‌سوزی، زلزله، عبور وسایل سنگین، خوردگی آرماتورها به مرور زمان، ضربه و برخورد وسایط نقلیه و نظایر آن دچار تخریب شده و نیاز به تعمییر و مرمت برای بدست آوردن عملکرد اولیه خود دارند.

سیستم‌های مرکب جدید: گاهی اوقات برای بازسازی یک سازه یا یک عضو از ترکیب چندین روش بازسازی یا ترکیب چند روش مقاوم سازی استفاده می­شود.

۲-1- FRP چیست ؟

این کلمه اختصاریFiber Reinforced Polymer or Plastic   می­باشد. FRP نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده­اند». «فیبرهای تشکیل‌دهنده  می­توانند در یک راستا یا دو راستای عمود برهم قرار داشته باشند. به طور کلی FRP ها به دو شکل وجود دارند: ورقه­­های FRP به صورت ارتوتروپیک یا شبه ایزوتروپیک بوده یعنی مدول الاستیسیته آن در جهت قرارگیری فیبر با جهات عمود بر آن متفاوت است. پوشش­هایFRP عمدتاً برای بهسازی رفتار سازه­های موجود یا تعمیر خرابی­های ایجاد شده در اثر خستگی، خوردگی، فرسودگی و ... در سازه­های موجود به کار می­روند. این پوشش به وجه خارجی عضو بتن می­چسبد. نسبت وزن به مقاومت این مواد ۵۰ برابر بتن و ۱۸ برابر فولاد می­باشد. انواع کامپوزیت­های پلیمری FRP  متداول در مهندسی عمران عبارتند از الیاف کربن CFRP، الیاف شیشه GFRP و الیاف آرامید. از محاسن کامپوزیت­های پلیمری FRP می­توان به وزن کم، انعطاف­پذیری بالا، راحتی در جابجایی، سرعت عمل بالا، برشکاری در قطعات دلخواه، سادگی اجرا و امکان تقویت به صورت خارجی و از معایب آن می­توان به آسیب پذیری در مقابل آتش­سوزی و کم­تجربگی مشاوران و پیمانکاران اشاره نمود».

دوام بالا، سبک وزن بودن، مقاومت مشخصه و مدول بالای برخی از نمونه­های آن، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر شرایط محیطی و ترکیبات شیمیایی، نفوذ ناپذیری مغناطیسی، مقاومت در برابر ضربه، ضخامت کم، حمل‌ونقل آسان به دلیل وزن کم، اجرای ساده ورقه­ها، توجیه اقتصادی برای تقویت و ترمیم پروژه­های سنگین به عنوان مثال پلها، از جمله مزایای استفاده از FRP در سازه­های بتن آرمه می­باشد.

به طورکلی عملکرد یک کامپوزیت بستگی به عوامل مختلفی از جمله مواد سازنده آن، نسبت مواد سازنده آن، ظرفیت باربری فیبر یا الیاف تقویتی و نحوه­ی قرارگیری آنها و همینطور رفتار توأم سازنده با یکدیگر دارد. عملکرد فیبر تقویتی نیز  تحت تأثیر عواملی چون جهت قرارگیری الیاف، طول فیبر، شکل آن، ترکیب آن با ماتریس و رزین و چسبندگی بین آن دو و جنس الیاف قرار دارد.

۲-۱-۱-  انواع فیبرهای تشکیل دهنده FRP :

فیبر شیشه­ای:

 اولین فیبر مهم است که در مهندسی عمران استفاده می­شود و به خاطر توازنی که بین قیمت و مقاومت آن وجود دارد کاربرد وسیعی پیدا کرده است. انواع آن عبارتند از:

E-Glass: نوعی فیبر شیشه­ای که برای کارهای الکتریکی معتبر است؛ متداول‌ترین نوع فیبر شیشه­ای موجود در بازار است دارای مدول الاستیسیته E=70Gpa و مقاومت نهایی و حداکثر کرنش نهایی دارد.E-Glass  از سیلیکات آلومینیم کلسیم بدست می­آید. 80 تا 90 درصد تولیدات GFRP را تشکیل می­دهد و کم‌ترین مقدار مواد قلیایی در ترکیب آن به کار رفته است.

Z-Glass: این نوع الیاف مقاومت بسیار زیادی در برابر محیط‌های قلیایی دارند و به صورت الیافی برای مسلح کردن بتن آرمه به کار می­رود.

A-Glass:  نوعی فیبر شیشه­ای است که درصد مواد قلیایی به کار رفته در ترکیب آن زیاد است و امروزه از چرخه تولید خارج شده است.

فیبر پرمقاومت :ECR Glass، s2  که همان E-Glass  اصلاح شده و دارای مقاومت مناسب در برابر اسیدها است.

S-Glass: سیلیکات آلومینیم مغناطیسی است. مقاومت بالا، عملکرد حرارتی مناسب و اصلاح سطحی دارد گرانقیمت‌ترین نوع GFRP می­باشد و نیاز به کنترل کیفیت خاص در زمان تولید دارد و بیشتر کاربرد نظامی دارد.

C-Glass: از بارو سیلیکات سود آهک بدست می­آید. پایداری شیمیایی مناسب در برابر محیط خورنده دارد.GFRP به اشکال مختلف چون سوزن پانچ، STICHED، کشبافی شده، چسبیده شده، چند محوره، چندلا می­باشد. مدول الاستیسیته یک رشته منفرد Eglass در حدود Gpa73 می­باشد. ماکزیمم کرنش نهایی آن 5/2 تا 3 درصد می­باشد و اگر GFRP در معرض محیط خورنده با PH بالا قرار گیرد روی وام آن تأثیرگذار است.

فیبر کربن:

 از قیر ارزان می­باشد (که از تقطیر زغال سنگ بدست می­آید) ولی مدول الاستیسیته پایین دارد و ابریشم مصنوعی ساخته می­شود. برای تشکیل این نوع فیبر به درجه حرارتی دست کم OC 100 احتیاج است اکثر فیبرهای مصنوعی در این درجه حرارت ذوب و تبخیر می­شوند ولی فیبر کربنی به دلیل داشتن اکریلیک همچنان باقی می­ماند. این فیبر دارای سه 3 تیپ می­باشد: با مدول بالا،  با مقاومت بالا و با مقاومت و مدول الاستیسیته بینابین. عنصر سازنده CFRP گرافین است که در فیبر کربنی دارای ساختار 2 بعدی است. اگر گرافین ساختار 3 بعدی و به صورت 6 ضلعی داشته باشد بدان گرافیت می­گویند که در صنعت مدادسازی از آن استفاده می­شود. و قیر همسانگرد در ساخت GFRP با مدول پایین (حدود Gpa 50) استفاده می­شوند که مدول فیبرکربنی با اصلاح حرارتی در درجه حرارت بین 1000 تا OC 3000 افزایش می­یابد. با PAN و قیر نا‌همسانگرد meaophase  فیبر کربنی نوع 2 با مقاومت بالا در درجه حرارت حدود   OC1500 بدست می‌آید. جهت قرارگیری گرافین در راستای فیبر کربن تعیین‌کننده مدول فیبر می­باشد و جهت قرارگیری گرافین روی رطوبت سطحی و چسبندگی با ماتریس نیز تأثیر می­گذارد. الیاف کربنی با رزین به خوبی خیس نمی­شوند بنابراین اصلاح سطحی بایستی بر روی آنها انجام شود. نوع خاصی فیبر کربنی به نام Tows متشکل از 1000 تا 200 هزار الیاف یا تار کربنی است.

فیبر آرامیدی

در انتخاب نوع فیبر بایستی به قیمت، درجه حرارت، زمان بهره‌برداری و دوام آن توجه داشت. این نوع فیبر ازPPDT ساخته می­شود و دو شرکت هلندی Akzo Nobel (سازنده نوعی AFRP به نام Twaron) و شرکت فرانسوی Dupont ( سازنده نوعیAFRP به نامKevlar) سازندگان مهم AFRP در دنیا هستند. امروزه 4 نوع الیاف کولار در جهان وجود دارد یکی از آنها به نام 49Kevlar دارای مشخصات زیر است. مقاومت کششی الیاف کولار 55% مقاومت کششی الیاف شیشه­ای و مقاومت برشی آن 180%  الیاف شیشه­ای است و نتایج آزمایشات نشان می­دهد مقاومت کششی الیاف کلوار10% از مقاومت فیبر کربنی کمتر است و قیمت آن تقریباً نصف الیاف کربنی است با این حال قابلیت کار کردن با الیاف کولار بیشتر از فیبر شیشه­ای و کربنی است میلگرد ساخته شده از Kevlar نیز دارای مشخصات زیر است.

از خصوصیات AFRP، صلب بودن و شبیه میلگرد بودن، پایداری حرارتی بالا، مقاومت بالا و مدول بالا می­باشد. مقاومت کششی تحت تأثیر قرارگیری مولکول‌ها است. مقاومت کششی فیبر پارا آرامید تقریباً 50 درصد مقاومت کششی EGlass  می­باشد. در اتاق حرارتی رطوبت روی خواص کششی فیبر آرامیدی تأثیری کمتر از 5% دارد.       فیبر پارا آرامید در برابر خستگی و گسیختگی خزشی مقاوم است. خواص فشاری پارا آرامید به صورت غیر خطی می­باشد و رفتار شکل پذیر در فشار دارد. در کرنش 3/0 تا 5/0 درصد تسلیم فشاری رخ می­دهد اما معمولاً کمانش قبل از تسلیم فشاری بر اثر kink bond رخ می­دهد. فیبر p-aramid پایداری حرارتی بالایی دارد و عملکرد مناسب در درجه حرارت بین OC 200-  تا  OC 200 دارد ولی برای عملکرد طولانی مدت و دوام مناسب نبایستی درجه حرارت بیشتر از OC 150 گردد. فیبر آرامیدی ضریب انبساط حرارتی منفی دارد و مقاوم در برابر اسیدها و بازها می­باشد. خاصیت از هم پاشیدگی اشعه ماورای بنفش دارد. مقاومت فشاری فیبر آرامیدی به دلیل کمانش کم است لذا برای اصلاح آن از ترکیب آن با فیبر کربن یا شیشه استفاده می­شود. فیبر وینیولی، فیبر پلیمری پلی‌اتلین با مولکول سنگین: این نوع پلیمر به شکل رشته­ای یا به صورت پارچه می­باشد. افزایش طول کمی دارد نیاز به اصلاح پلاسما نیز دارد. نوعی خاصی از این پلیمر را شرکت هلندی به نام Spectra تولید می­کند. موارد مصرف FRP تولیدی به این روش در لوله‌سازی، ساخت لوله­های تحت پیچش، بدنه و جداره موشک، بطری‌ها و شیشه­های تحت فشار، تانک‌های ذخیره و فیوز تأخیری هواپیما می­باشد.

۲-۱-۲- عوامل مؤثر در خواص مکانیکی FRP

عوامل مؤثر درخواص یک محصول تولیدی، حجم و نوع رزین کاربردی، جهت قرارگیری فیبرها، تأثیرات ابعادی و کنترل کیفیت در زمان تولید و عوامل مؤثر در خواص مکانیکی FRP شامل مدت بارگذاری، تاریخچه بارگذاری، درجه حرارت و رطوبت می­باشد.

رطوبت خواص رزین را تغییر داده، منجر به باد کردن و تابیدگی یا اعوعاج کامپوزیت می­گردد. لذا برای جلوگیری از اثر مخرب رطوبت بایستی به شرایط استفاده از کامپوزیت و نوع آن توجه داشت. رزین­ها به دلیل داشتن مقادیر قابل توجهی کربن و هیدروژن قابل اشتعال هستند اما ترکیب آنها با فیبر یا الیاف تقویتی منجر به افزایش مقاومت FRP در برابر آتش‌سوزی می­گردد. اشعه ماورای بنفش که در نور خورشید وجود دارد با ماتریس پلیمری واکنش شیمیایی داده و اثر مخربی روی FRP می­گذارد برای کاهش این اثر سو از مواد افزاینده مناسب استفاده می­شود.

۲-۱-۳-روش­های تولید FRP

روند تولید از طریق فرایند فشرده سازی در خلاء: در این روش وزن هوای بین لایه­های FRP مانع از تشکیل آن می­گردد، بنابراین بر اثر پرس و فشار اعمالی بایستی هوای محبوس خارج شد تا ورق پوشی FRP یا لمینیت شکل گیرد. یک یا چند لایه با ضخامت مختلف روی فیلم یا غشا قابل گسترش قرار داده شده، سپس تحت پرس و فشار قرار می­گیرند تا هوای بین لمینیت خارج شده و ماتریس رزین به یکی از روشهای موجود حرارت داده شده و به لایه فیبر تزریق می­شود.

فرایند تولید بوسیله قالب‌گیری متناسب: این روش خود به 2 صورت برای تولید FRP بکار برده می­شود. با به کاربردن قالب انتقالی رزین یا به­ کاربردن قالب مرکب ورقه­ای. کامپوزیت‌های FRP تولیدی به این روش خاصیت شبه ناهمسان­گرد دارد.

 

انواع پوشش­های FRP براساس نحوه تولید، پوشش دست‌ساز و درجا در محل Wet-Lay-Up و ورقه­های Pultrusion  می­باشد.

۲-۳- مقاوم‌سازی اعضای باربر سازه­ای با ورقه FRP

از ورقه­های FRP برای تقویت خشمی، برشی، پیچشی و ترکیب آنها در اعضای باربر سازه چون تیرها، ستونها، اتصالات، دیوارها و دال‌های بتن‌آرمه و حتی عناصر غیرباربر استفاده می­شود. اخیراً حتی برای تقویت پروفیل‌های فولادی ساختمانی از ورقه FRP استفاده شده و برای استفاده بهینه حتی ورقه­ها را در حالت پس‌تنیده و یا پیش‌تنیده در سیستم تقویت به کار می­برند. در حالت تقویت برشی می­توان از الگوی یکپارچه ورقه یا Laminate  و نوارهای منقطع یا Strips  استفاده کرد. گاهی اوقات یک عضو باربر سازه­ای را با ترکیب چند روش تقویت می­کنیم. باریکه­ها و نوارهای FRP یا حتی ورقه­های آن می­تواند در زوایای مختلف بخصوص 45 درجه برای کنترل ترک‌های برشی و در تعداد لایه­های مختلف و حتی دو لایه عمود بر هم با زوایای مختلف به عنوان مثال 0-90 درجه یا  درجه بکار برده شوند.

«در اعضای تخت مانند دال­ها و تیرها صفحات پیش­ساخته کامپوزیت­های FRP با عرض ۵ تا ۱۵ سانتی­متر بر روی سطح تمیز شده عضو سطح بتن با ماسه و با فشار هوا تمیز می­شود و با استفاده از چسب چسبانده می‌شوند. در اعضای عمودی مانند ستون­ها برای تقویت از صفحات پیش­ساخته که در آن­ها الیاف به صورت حلقه­ای قرار دارند، استفاده می­شود. پس از آماده­سازی سطح عضو بتنی با لایه چسب روی آن را می­پوشاند و صفحه مورد نظر در راستای مشخص روی عضو چسبانده می­شود».

۲-۳-۱- تکنیک­های تسلیح سطحی عضو بتن­آرمه با ورقه FRP

به طور کلی دو تکنیک برای تسلیح سطحی سازه­ای بتنی موجود است:

- لایه­های پیوندی خارجی                                                            External Bonded Laminates

- میله­های جاسازی شده نزدیک سطح                NSM)                      Near Surface Mounted Rods (

برای مقاوم­سازی تیرهای بتنی رایج­ترین نوع FRP ها عبارتند از:

میلگردهای صاف و عاج­دار                                                              Smooth and Deformed

تاندون­های پیش­تنیده                                                                              Pretension Tendons 

پوسته­های عمل­­آمده در محل                                                  Cured in Place Laminates/Shells

پوسته­های پیش­عمل­آمده                                                Pre-Cured in Place Laminates/Shells 

نصب لایه­های پیوندی خارجی

لایه­های پیوندی سطح به دو صورت موجود هستند. روش اول استفاده از پوسته‌های عمل­آمده در محل می­باشد. در روش دوم جهت پر کردن حفره­های کوچک بر روی سطح آماده­شده بتن یک لایه آستری کشیده می­شود. پس از آن یک لایه فیبری به طول و عرض موردنیاز بریده شده و به کمک دستگاه گرداننده جداکننده حباب (bubble roller) با فشار روی بتن نصب می­شود. این کار سبب می­شود که هوای حبس شده بین رزین و لایه فیبری حذف شده و از تلفیق بین ورقه­های فیبری و رزین اطمینان حاصل شود. باید توجه کرد که اگر ورقه FRP از جهت ضعیف نصب شود، مقاومت ورقه­ها کاهش می­یابد. پس از اینکه لایه نصب شد، لایه دومی از رزین­های تلفیق­گر بر روی ورقه­ها کشیده می­شود. تکنیک­های ترمیم شامل عمل تزریق رزین­ها یا جایگزین کردن لایه­ها می­باشد که خود وابسته به اندازه، تعداد و مکان محل­های ورقه­ورقه­شده می­باشد.

«در اکثر سیستم­های FRP، نصب مناسب بسیار مهم می­باشد. نصب نامناسب می­تواند به صورت­های مختلف نظیر مخلوط نشدن اعضا به صورت کافی، اشباع نشدن و یا ناهمراست بودن فیبرها ظاهر شود».

۲-۳-۲- تقویت ستونها

روشهای تقویت ستونها با ورقه FRP  عبارتند از:

  • دور پیچ سراسری                                                                   
  • پیچاندن ولفاف کردن به صورت دورانی
  • استفاده از نوارها/ کابل­های کامپوزیت
  • دورپیچ به صورت خودکار واتوماتیک
  • چسباندن پوسته­های پیش ساخته
  • تزریق چسب یا ماتریس                                                                                   

 ۲-۳-۳- تقویت اتصال و سیستم دال یا عرشه پل

 

 

اتصالات بتن‌آرمه­ای که از حساسیت زیادی برخوردار هستند و در مجموع تقویت آنها به دلایل اجرایی ساده نمی­باشند را می­توان به کمک ورقهای FRP تقویت نمود.

 

 

۲-۴- مراحل اجرایی مقاوم سازی یک ساختمان مسکونی با استفاده از FRP

۲-۴-۱- بررسی شرایط بتن موجود و تعمیر بتن در اتصالات

نحوه بتن‌ریزی و کیفیت بتن خصوصاً در نواحی اتصالات باید به دقت مورد بررسی قرار گیرد. گاهی عدم دقت در ویبره بتن باعث ایجاد حفرات بزرگ و متخلخل شدن بتن می­شود تا حدی که در بعضی نقاط میلگردهای داخل سازه به کل نمایان می­باشند. تخریب بتن و جایگزین نمودن آن با بتن جدید و یا بتونه یکی از روشهای سنتی و کارآمد جهت تعمیر و تقویت سازه­های بتنی می­باشد. یکی از عوامل مهم در این روش تعمیری، ایجاد پیوستگی بین بتن جدید و قدیم و امکان انتقال برش در سطح تماس دو لایه بتن جدید و قدیم می­باشد. از عواملی که در به دست دادن این امکان سهم به سزایی دارند، می­توان موارد زیر را نام برد:

زبری سطح بتن قدیم، عاری بودن سطح بتن قدیم از هرگونه مواد سست، تمیز بودن سطح بتن قدیم، جنس و طرح اختلاط بتن جدید، برش گیر.

 ۲-۴-۲-تخریب بتن آسیب دیده

 

عمق تخریب بتن آسیب دیده بستگی به عمق بتن پوک و کرمو دارد که در بعضی از قسمتها به 7 تا 8 سانتی متر نیز می­رسد. در صورت عدم تخریب بتن در این نواحی، امکان لایه لایه شدن بتن جدید و قدیم در زمان بارگذاری بوجود می­آید. تخریب بتن می­تواند توسط چکش­های برقی انجام شود. تخریب بتن به عمق نیم تا یک سانتی‌متر بیشتر از عمق بتن پوک باعث ایجاد زبری و دندانه شدن سطح بتن قدیم می­گردد که از مهم‌ترین عوامل جهت افزایش چسبندگی بتن قدیم و جدید و همچنین افزایش قابلیت انتقال برش در سطح تماس می‌باشد.



 

۲-۴-۳- تمیز کردن سطح بتن تخریب شده

تمیز کردن سطح بتن تخریب شده توسط فشار آب و هوا، و همچنین استفاده از اسیدهای مخصوص باعث از بین بردن سنگ دانه­های سست، شیره بتن و همچنین از بین رفتن چربی‌ها و آلودگی‌های سطح بتن شده که نقش به سزایی در کیفیت تعمیر و قابلیت انتقال برش در سطح تماس دارد.

          

 ۲-۴-۴- برش گیر

در صورتی که عمق تعمیر زیاد باشد، وجود برش‌گیر برای افزایش مقاومت برشی در سطح تماس بتن قدیم و جدید و جلوگیری از ترک خوردگی بتن جدید لازم می­باشد.

۲-۴-۵- بتن و بتونه تعمیراتی

جنس بتونه تعمیراتی و طرح اختلاط آن اهمیت به سزایی در انجام یک تعمیر موفق دارد. استفاده از لاتکس، الیاف و همچنین فیلرهای سیلیسی در بتن­ها و مواد تعمیراتی توصیه شده است. لاتکس، ذرات کوچک پلیمر آلی معلق درآب بوده که وقتی به مخلوط سیمان افزوده می­شود، مخلوط به دست آمده به نام ملات یا بتن اصلاح شده پلیمری نامیده می­شود. ذرات پلیمر در لاتکس کروی بوده و معمولا قطر آنها بین 5/. تا 05/. میلیمتر می­باشد.

مقاومت خمشی، کشش و سایشی بتن یا ملات اصلاح شده با پلیمر بالاتر از بتن یا ملات اصلاح نشده می­باشد. همچنین لاتکس­ها سبب افزایش چسبندگی مخلوط سیمان می­شوند. اصلاح ملات یا بتن توسط لاتکس ناشی از دو فرایند هیدراسیون سیمان و انعقاد لاتکس است. زمانی که هیدراسیون سیمان انجام می­شود، ذرات لاتکس در فضاهای منافذ متمرکز می­شود. در همین حال ذرات به یکدیگر نزدیک شده و تشکیل لایه نازک در بین ذرات سیمان هیدراته شده می­دهد. این لایه پلاستیک و پیوسته ذرات سیمان هیدراته شده و سطوح سنگدانه­ها را اندود می‌کند در نتیجه با انعقاد ذرات لاتکس منافذ بین سنگدانه­ها و سیمان پر شده و همچنین چسبندگی بین ذرات سیمان هیدراته شده سنگدانه­ها افزایش می­یابد. به همین دلیل وجود لاتکس باعث کاهش نفوذ‌پذیری ملات نیز می­گردد. علاوه برافزایش چسبندگی ملات سیمانی اصلاح شده با پلیمر، چسبندگی بین دو لایه بتن قدیم و جدید نیز افزایش می­یابد. وجود فیلر و پودر سیلیس در ملات تعمیراتی به سبب پر کردن منافذ بین سنگدانه­ها باعث کاهش نفوذ پذیری ملات و افزایش مقاومت و چسبندگی ملات می­گردد. همچنین به دلیل روان شدن و افزایش کارایی بتن مقدار آب مصرفی کاهش یافته که خود باعث افزایش مقاومت ملات و کاهش ترک خوردگی و انقباض بتن ­گردد. وجود الیاف در بتونه تعمیری باعث افزایش مقاومت برشی، فشاری و کششی ملات شده و همچنین باعث کاهش ترک خوردگی و انقباض بتونه می­گردد.

۲-۴-۶- تقویت خمشی تیرهای بتنی توسط میلگردهایFRP با سیستم نزدیک به سطح (NSM)

در این سیستم با تعبیه شیارهایی در سطح بتن میلگردهای FRP  توسط بتونه اپوکسی می­شود. میلگردهای FRP به عنوان تقویت کننده خمشی (همچون میلگرد طولی فولادی در داخل بتن) رفتار نموده و باعث انتقال تار خنثی به ناحیه کششی می­گردد که خود باعث افزایش ظرفیت خمشی تیرها می­شود. مراحل نصب میلگردهای FRPدر زیر توضیح داده شده است.

 

 

              

       

 

                   

۲-۴-۷- طراحی تقویت خمشی تیرهای بتنی توسط میلگردهای FRP

ضرایب و روش طراحی تیرهای بتنی مورد استفاده در این قسمت براساس آئین نامه ACI 440 مربوط به طراحی اعضای بتنی توسط میلگردهای FRP می­باشد. ابتدا کلیه مشخصات مکانیکی میلگردهای FRP جهت در نظر گرفتن اثرات محیطی در دراز مدت می­بایست بر اساس رابطه 1 کاهش یابد.

۲-۴-۸- فرضیات مورد استفاده در طراحی تقویت در سیستم NSM

  1. مقاطع صفحه­ای بعد از بارگذاری به صورت صفحه باقی می­مانند.
  2. حداکثر کرنش فشاری قابل تحمل بتن 003/0 می­باشد.
  3. رفتار میلگردهای FRP تا لحظه شکست به صورت خطی می­باشد.
  4. چسبندگی کامل بین میلگردهای FRP و بتن وجود دارد.

۲-۴-۹- ضریب کاهش مقاومت

براساس فلسفه کاهش مقاومت در آئین نامه (1992) ACI و براساس رابطه شماره 2 ضریب کاهنده 9/0 به تیرهای شکل پذیر، 7/0 برای تیرهای ترد و رابطه خطی بین 7/0و 9/0 برای تیرهای با شکل پذیری متوسط تخصیص داده می­شود. ضرایب مستطیل ویتنی در مواقعی که خرابی تیر توسط خرابی فشاری بتن کنترل شود همانند روابط قبل بتن می­باشد. روند آنالیز نیز همچون آنالیز تیر بتنی به صورت آزمون و خطا و با فرض موقعیت تا خنثی و نوع خرابی انجام می­پذیرد. ضریب کاهش مقاومت نهایی برابر 85/0 نیز برای سیستم NSM توسط آئین نامه­ها توصیه شده است.

۲-۴-۱۰-مهار الیاف FRP در محل اتصال

جهت مهار الیاف FRP در محل انتهای تیرها و انتقال مناسب نیروی کشش FRP به ستون، نوارهای FRP به طول 25سانتی‌متر بر روی ستون امتداد داده می­شود. سپس با نصب یک نبشی در محل اتصال تیر به ستون و دوختن نبشی به ستون به کمک پیچ­های پر مقاومت (استاندارد ASTM ) با کربن متوسط نیروی کششی الیاف به ستون انتقال داده می­شود. برای مهار پیچ­ها در بتن، از چسب اپوکسی مخصوص کاشت میلگرد استفاده می­شود.

                                                                

۲-۴-۱۱-تقویت تیرها با صفحات فلزی

برای این تیرها استفاده از الیاف پلیمری و سیستم NSM با توجه به حجم بالای مصالح مورد نیاز و عرض کم تیر (عدم توانایی در افزایش تعداد میلگردهای FRP در سیستم NSM) نه به لحاظ اجرایی و نه به لحاظ اقتصادی توجیه پیدا نمی­کند. لذا برای تقویت این تیرها از ورق فولادی استفاده می­گردد.

 

 

۲-۴-‍۱۲- طراحی بولت‌های مهار ورق به تیر

طراحی برش‌گیرها براساس Dowel Action  میلگردها صورت می­گیرد. با توجه به کاهش تأثیر مشارکت بولت‌های دورتر، از ضریب اطمینان 25/1 استفاده می­شود و در تقویت ممان منفی تیرها اصولاً طولی از تیرها را که به تقویت نیاز دارند برابرL 2/0 در نظر می­گیرند.

۲-۴-۱۳- طراحی طول گیرایی میلگردهای FRP در روش NSM

در تقویت تیرهای بتنی در ناحیه ممان منفی توسط میلگردهای FRP، این میلگردها می­بایست تا نقطه ممان صفر امتداد پیدا کرده و پس از آن نیز به اندازه طول گیرایی امتداد یابند. با توجه به بررسی اعضای بتنی در ترکیبات بار مختلف، امکان پیدا کردن نقطه عطف در داخل تیر امکان­پذیر نمی­باشند. در این مواقع مقدار L 2/0 از هر طرف به عنوان نقطه عطف تقریبی تیر در نظر گرفته می­شود. با توجه به طول هر شاخه میلگرد FRP (6 متر) و جهت جلوگیری از دور ریز طول کلیه میلگردهای FRP در سیستم NSM برابر 2 متر در نظر گرفته می‌شود.

طول گیرایی الیاف CFRP

همانطور که در بخش طول گیرایی NSM توضیح داده شد برای تقویت تیر در قسمت ممان منفی می­بایست المان تقویتی را تاL  2/0 و از آن نقطه به اندازه طول گیرایی امتداد داد براساس آئین نامه ACI مقدار طول گیرایی به ازای هر لایه FRP برابر 6 اینچ می­باشد. از آنجایی که الیاف کربن می­بایست 25 سانتی­متر روی ستون امتداد یابند طول کلی آنها از قرار زیر می­باشد.

 

سه لایه الیاف کربن

چهار لایه الیاف کربن

پنج لایه الیاف کربن

شش لایه الیاف کربن

 

علاوه بر اقدامات فوق از روش‌هایی چون افزایش مقطع دیوارهای برشی وکاشت میلگرد و اجرای دیوار برشی نیز می­توان استفاده کرد.

 

 

نتیجه گیری

استفاده از ورقه­ها و میلگردهای FRP برای تقویت و بازسازی سازه­های بتن آرمه با توجه به مزایای بی­شمار و شناخته شده آن روز به روز در حال افزایش است، لذا انجام تحقیقات بیشتر در مورد تقویت جزیی یا کلی با FRP به صورت تئوری و آزمایشگاهی ضروری است.

لزوم مقاوم‌سازی و طراحی لرزه­ای سازه­ها و آشنایی با نحوه عملکرد سازه­ها در مقابل زلزله با توجه به این که کشور در محدوده گسل­های با لرزه خیزی زیاد قرار دارد دارای اولویت  می­باشد که در این میان بررسی روش‌های مختلف مقاوم‌سازی و مقایسه آنها با یکدیگر برای انتخاب روش مقاوم سازی مناسب و کارآمد با توجه به شرایط اقتصادی، اجتماعی و پتانسیل یک منطقه ضروری است.

 

 

 

الیاف های مسلح  تقویت سازه های بتنی یا frp

بسیاری از سازه‌های بتن آرمة موجود در دنیا در اثر تماس با سولفاتها، كلریدها و سایر عوامل خورنده، دچار آسیب‌های اساسی شده‌اند. این مساله هزینه‌های زیادی را برای تعمیر، بازسازی و یا تعویض سازه‌های آسیب ‌دیده در سراسر دنیا موجب شده است. این مساله و عواقب آن گاهی نه تنها به عنوان یك مسالة مهندسی، بلكه به عنوان یك مسالة اجتماعی جدی تلقی شده است . تعمیر و جایگزینی سازه‌های بتنی آسیب‌دیده میلیون‌ها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته است. در امریكا، بیش از 40 درصد پلها در شاهراهها نیاز به تعویض و یا بازسازی دارند . هزینة بازسازی و یا تعمیر سازه‌های پاركینگ در كانادا، 4 تا 6 میلیارد دلار كانادا تخمین زده شده است . هزینة تعمیر پلهای شاهراهها در امریكا در حدود 50 میلیارد دلار برآورد شده است؛ در حالیكه برای بازسازی كلیة سازه‌های بتن آرمة آسیب‌دیده در امریكا در اثر مسالة خوردگی میلگردها، پیش‌بینی شده كه به بودجة نجومی 1 تا 3 تریلیون دلار نیاز است! در مناطق مختلف ایران نیز اثرات مخرب كلریدها و سولفاتهای مهاجم در محیط های دریایی و ساحلی بر پایه‌های پل، آبگیرها، سدها و كانال‌های بتن آرمه که باعث ایجاد خوردگی فولاد بتن میشود سبب اعمال هزینه های سنگین جهت مرمت ویا بازسازی ابنیه ها خواهد بود.

حال اگر بخواهیم تمامی این ابنیه ها را از نو بسازیم متحمل هزینه های گزافی خواهیم گشت فلذا با اعمال تمهیداتی جهت مرمت و ترمیم سازه ها می توان هزینه ها را پایین آورد.

تكنیك‌هایی چند، جهت جلوگیری از خوردگی قطعات فولادی الحاقی به سازه و نیز فولاد در بتن مسلح توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته است كه از بین آنها می‌توان به:

پوشش اپوكسی بر قطعات فولادی ومیلگردها، تزریق پلیمر به سطوح بتنی و حفاظت كاتدیك میلگردها اشاره نمود. با این وجود هر یك از این تكنیك‌ها فقط تا حدودی موفق بوده است محققان امروزه به جانشین كردن قطعات فولادی و میلگردهای فولای با مصالح جدید مقاوم در مقابل خوردگی، معطوف گردیده اند.

مواد كامپوزیتی (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) FRP موادی بسیار مقاوم در مقابل محیط‌های خورنده همچون محیط‌های نمكی و قلیایی هستند به همین دلیل امروزه كامپوزیتهای FRP، موضوع تحقیقات توسعه‌ای وسیعی به عنوان جانشین قطعات و میلگردهای فولادی و كابلهای پیش‌تنیدگی شده‌اند. چنین تحقیقاتی به خصوص برای سازه‌های در مجاورت آب و بالاخص در محیط‌های دریایی و ساحلی، به شدت مورد توجه قرار گرفته‌اند.

 

آشنائی با FRP

FRP (Fiber Reinforcement polymer ) نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده است. که به دو شکل ورق های FRP و میلگردهای FRP وجود دارد.

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

 

به طور کلیFRP  ها بر اساس فیبر تشکیل دهنده ی آنها به چند دسته زیر تقسیم می شوند:

  •   CFRP با الیافی از جنس کربن
  • GFRP  با الیافی از جنس شیشه
  •  AFRP با الیافی از جنس آرامید

 

مزایای استفاده از FRP :

  • وزن کم (چگالی آن در حدود 20% فولاد است .
  • مقاومت در برابر خورندگی
  • نفوذناپذیری مغناطیسی
  • امکان تقویت به صورت خارجی
  • حمل و نقل آسان وسرعت اجرای بالابه دلیل وزن کم

 

مواد   FRP از دو جزء اساسی تشكیل می‌شوند؛ فایبر (الیاف) و رزین (مادة چسباننده  .  (فایبرها كه اصولاً الاستیك، ترد و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در مادة FRP محسوب می‌شوند. بسته به نوع فایبر، قطر آن در محدودة5 تا 25 میكرون می‌باشد.

رزین اصولاً به عنوان یك محیط چسباننده عمل می‌كند، كه فایبرها را در كنار یكدیگر نگاه می‌دارد. با این وجود، ماتریس‌های با مقاومت كم به صورت چشمگیر بر خواص مكانیكی كامپوزیت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثر نمی‌گذارند. ماتریس (رزین) را می‌توان از مخلوط‌های ترموست و یا ترموپلاستیك انتخاب كرد. ماتریس‌های ترموست با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت مایع یا روان در نمی‌آیند؛ در حالیكه رزین‌های ترموپلاستیك را می‌توان با اعمال حرارت، مایع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد درآورد. به عنوان رزین‌های ترموست می‌توان از پلی‌استر، وینیل‌استر و اپوكسی، و به عنوان رزین‌های ترموپلاستیك از پلی‌وینیل كلرید (PVC)، پلی‌اتیلن و پلی پروپیلن (PP)، نام برد .
فایبر ممكن است از شیشه، كربن، آرامید و یا وینیلون باشد كه در اینصورت محصولات كامپوزیت مربوطه به ترتیب به نامهای GFRP، CFRP،AFRP و VFRP شناخته می‌شود. در ادامه شرح مختصری از بعضی از فایبرهای متداول ارائه خواهد شد.

1-الیاف شیشه:

فایبرهای شیشه در چهار دسته طبقه‌بندی می‌شوند :

 : E-Glass متداول ترین الیاف شیشه در بازار با محتوای قلیایی كم، كه در صنعت ساختمان به كار می‌رود، ( با مدول الاستیسیتة، مقاومت نهایی ، و كرنش نهایی ).

  :Z-Glass با مقاومت بالا در مقابل حملة قلیائیها، كه در تولید بتن الیافی به كار گرفته می‌شود.

 :  A-Glass  با مقادیر زیاد قلیایی كه امروزه تقریباً از رده خارج شده است.

: S-Glass كه در تكنولوژی هوا-فضا و تحقیقات فضایی به كار گرفته می‌شود و مقاومت و مدول الاستیسیتة بسیار بالایی دارد،

2-الیاف كربن:

الیاف كربن در دو دسته طبقه‌بندی می‌شوند:

الیاف كربنی از نوع PAN در سه نوع مختلف هستند. تیپ I كه تردترین آنها با بالاترین مدول الاستیسیته محسوب می‌شود. ( و). تیپ II كه مقاوم‌ترین الیاف كربن است ( و)؛ و نهایتاً تیپ III كه نرمترین نوع الیاف كربنی با مقاومتی بین تیپ ‌I و IIمی‌باشد.

الیاف با اساس قیری(Pitch-based)   كه اساساً از تقطیر زغال سنگ بدست می‌آیند. این الیاف از الیاف PAN  ارزان‌تر بوده و مقاومت و مدول الاستیسیتة كمتری نسبت به آنها دارند .
لازم به ذكر است كه الیاف كربن مقاومت بسیار خوبی در مقابل محیط های قلیایی و اسیدی داشته و در شرایط سخت محیطی از نظر شیمیایی كاملاً پایدار هستند.

3- الیاف آرامید:

آرامید،یك كلمة اختصاری از آروماتیك پلی‌آمید است .

 

انواع محصولات FRP

میله های كامپوزیتی:

میله‌های ساخته شده از كامپوزیت‌های FRPهستند كه جانشین میلگردهای فولادی در بتن آرمه خواهند شد. كاربرد این میله‌ها به دلیل عدم خوردگی، مساله كربناسیون و كلراسیون را كه از جمله مهم‌ترین عوامل مخرب در سازه‌های بتن آرمه هستند، به كلی حل خواهند نمود.

شبكه‌های كامپوزیتی:

شبكه‌های كامپوزیتی FRP (Grids) محصولاتی هستند كه از برخورد میله‌های FRP در دو جهت و یا در سه جهت ایجاد می‌شوند. نمونه‌ای از این محصول، شبكة كامپوزیتی NEFMAC است كه از فایبرهای كربن، شیشه یا آرامید و رزین وینیل استر تولید می‌شود و منجمله برای مسلح كردن بتن مناسب است.

كابل:

طناب و تاندن‌های پیش‌تنیدگی: محصولاتی شبیه میله‌های كامپوزیتی FRP، ولی به صورت انعطاف‌پذیر هستند، كه در سازه‌های كابلی و بتن پیش تنیده در محیط‌های دریایی و خورنده كاربرد دارند. این محصولات در اجزاء پیش‌تنیدة در مجاورت آب نیز بكار گرفته می‌شوند.

ورقه‌های كامپوزیتی:

ورقه‌های كامپوزیتی Sheets) FRP)، ورقه‌های با ضخامت چند میلیمتر از جنس FRP هستند. این ورقه‌ها با چسب‌های مستحكم و مناسب به سطح بتن چسبانده می‌شوند. ورقه‌های FRP پوشش مناسبی جهت ایزوله كردن سازه‌های آبی از محیط خورندة مجاور هستند. همچنین از ورقه‌های كامپوزیتی FRP جهت تعمیر و تقویت سازه‌های آسیب دیده (ناشی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آبهای یون‌دار) استفاده می‌شوند.

پروفیل‌های ساختمانی:

مصالح FRP همچنین در شكل پروفیل‌های ساختمانی به صورت I شكل، T شكل، نبشی و ناودانی تولید می‌شوند. چنین محصولاتی می‌توانند جایگزین بسیار مناسبی برای قطعات و سازه‌های فولادی در مجاورت آب تلقی شوند.

 

مشخصات اساسی محصولات كامپوزیتی FRP

مقاومت در مقابل خوردگی:

بدون شك برجسته ترین و اساسی ترین خاصیت محصولات كامپوزیتیFRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است. در حقیقت این خاصیت مادهFRP تنها دلیل نامزد كردن آنها به عنوان یك گزینة جانشین برای اجزاء فولادی و نیز میلگردهای فولادی است. به خصوص در سازه‌های بندری، ساحلی و دریایی،مقاومت خوب كامپوزیت FRP در مقابل خوردگی، سودمندترین مشخصة میلگردهای FRP است.

مقاومت:

مصالح FRPمعمولاً مقاومت كششی بسیار بالایی دارند، كه از مقاومت كششیفولاد به مراتب بیشتر است. مقاومت كششی بالای میلگردهای FRP كاربرد آنها را برای سازه‌های بتن آرمه، خصوصاً برای سازه‌های پیش‌تنیده بسیار مناسب نموده است. مقاومت كششی مصالح FRP اساساً به مقاومت كششی، نسبت حجمی، اندازه و سطح مقطع فایبرهای بكار رفته در آنها بستگی دارد. مقاومت كششی محصولات FRP برای میله‌های با الیاف كربن 1100 تا MPa2200، برای میله‌های با الیاف شیشه 900 تا MPa1100، و برای میله‌های با الیاف آرامید 1350 تا MPa 1650 گزارش شده است . با این وجود، برای بعضی از این محصولات، حتی مقاومت‌های بالاتر از MPa 3000 نیز گزارش شده است. توجه شود كه بطور كلی مقاومت فشاری میله‌های كامپوزیتی FRP از مقاومت كششی آنها كمتر است؛ به عنوان نمونه مقاومت فشاری محصولات ISOROD برابر MPa 600 و مقاومت كششی آنها MPa700 است.

مدول الاستیسیته:

مدول الاستیسیتة محصولات FRP اكثراً در محدودة قابل قبولی قرار دارد؛ اگر چه اصولاً كمتر از مدول الاستیسیتة فولاد است. مدول الاستیسیتة میله‌های كامپوزیتی FRP ساخته شده از الیاف كربن، شیشه و آرامیدبه ترتیب در محدوده 100 تا GPa 150، GPa 45  و GPa 60  گزارش شده است.

وزن مخصوص:

وزن مخصوص محصولات كامپوزیتی FRP به مراتب كمتر از وزن مخصوص فولاد است؛ به عنوان نمونه وزن مخصوص كامپوزیتهای CFRP یك سوم وزن مخصوص فولاد است. نسبت بالای مقاومت به وزن در كامپوزیتهایFRP از مزایای عمدة آنها در كاربردشان به عنوان مسلح كنندة بتن محسوب می‌شود.

عایق بودن:

مصالح FRP  خاصیت عایق بودن بسیار عالی دارند. به بیان دیگر، این مواد از نظر مغناطیسی و الكتریكی خنثی بوده و عایق محسوب می‌شوند. بنابراین استفاده از بتن مسلح به میله‌های FRP در قسمتهایی از بیمارستان كه نسبت به امواج مغناطیسی حساس هستند، و در مسیرهای هدایتی قطارهای شناور مغناطیسی و همچنین در باند فرودگاهها و مراكز رادار بسیار سودمند خواهد بود.

خستگی :

خستگی خاصیتی است كه در بسیاری از مصالح ساختمانی وجود داشته و در نظر گرفتن آن ممكن است به شكست غیر منتظره، خصوصاً در اجزایی كه در معرض سطوح بالایی از بارها و تنش‌های تناوبی قرار دارند، منجر شود. در مقایسه با فولاد، رفتار مصالح FRP در پدیدة خستگی بسیار عالی است؛ به عنوان نمونه برای تنش‌های كمتر از یك دوم مقاومت نهایی، مواد FRP در اثر خستگی گسیخته نمی‌شوند.

خزش :

پدیدة گسیختگی ناشی از خزش اساساً در تمام مصالح ساختمانی وجود دارد؛ با این وجود چنانچه كرنش ناشی از خزش جزء كوچكی از كرنش الاستیك باشد،  عملاً مشكلی بوجود نمی‌آید. در مجموع، رفتار خزشی كامپوزیت‌ها بسیار خوب است؛ به بیان دیگر، اكثر كامپوزیتهای در دسترس، دچار خزش نمی شوند.

چسبندگی با بتن :

خصوصیت چسبندگی، برای هر ماده‌ای كه به عنوان مسلح كنندة بتن بكار رود، بسیار مهم تلقی می شود. در مورد میله های كامپوزیتی FRP، اگر چه در بررسی بسیار اولیه، مقاومت چسبندگی ضعیفی برای كامپوزیت‌های از الیاف شیشه گزارش شده بود، تحقیقات اخیر در دنیا مقاومت چسبندگی خوب و قابل قبولی را برای میله‌های كامپوزیتی FRP گزارش می كند.

خم شدن:

چنانچه كامپوزیتهای FRP در بتن مسلح بكار گرفته شوند، به جهت مهار میلگردهای طولی، میلگردهای عرضی و تنگ‌ها، لازم است در انتها خم شوند. با این وجود عمل خم كردن میله‌های FRP بسیار دشوارتر از خم كردن میلگردهای فولادی بوده و در حال حاضر برای مصالح موجود FRP، نمی‌توان خم كردن را در كارگاه انجام داد. اگر چه در صورت لزوم، می‌توان خم میله‌های كامپوزیتی FRP را با سفارش آن به تولید كننده در كارگاه انجام داد.

انبساط حرارتی:

خصوصیات انبساط حرارتی فولاد و بتن بسیار به هم نزدیك هستند؛ ضریب انبساط حرارتی این دو ماده به ترتیب: و می‌باشد. ضریب انبساط حرارتی میله‌های FRP اغلب از بتن متفاوت است. به طور خلاصه ضریب انبساط حرارتی مصالح FRP با الیاف كربن و شیشه به ترتیب برابر با و می‌باشد. بدترین حالت مربوط به آرامید است كه ضریب انبساط حرارتی آن منفی بوده و برابر با می‌باشد.

 

استفاده از مواد  FRP به عنوان مسلح‌ کنندة خارجی در سازه‌ها


به دنبال فرسوده شدن سازه‌های زیر‌بنایی و نیاز به تقویت سازه‌ها برای برآورده کردن شرایط سخت‌گیرانة طراحی، طی دو دهه اخیر تأکید فراوانی بر روی تعمیر و مقاوم‌ سازی سازه‌ها در سراسر جهان، صورت گرفته است. از طرفی، بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها به‌خصوص در مناطق زلزله‌ خیز، اهمیت فراوانی یافته است. در این میان تکنیک‌های استفاده از مواد مرکب FRPبه‌عنوان مسلح‌ کنندة خارجی به دلیل خصوصیات منحصر به فرد آن، از جمله مقاومت بالا، سبکی، مقاومت شیمیایی و سهولت اجرا، در مقاوم ‌سازی و احیاء سازه‌ها اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. از طرف دیگر، این تکنیک‌ها به دلیل اجرای سریع و هزینه‌های کم جذابیت ویژه‌ای یافته‌اند.

مواد مرکب FRP در ابتدا به‌عنوان مواد مقاوم ‌کننده خمشی برای پل‌های بتن‌آرمه و همچنین به‌عنوان محصور ‌کننده در ستون‌های بتن آرمه مورد استفاده قرار می‌گرفتند؛ اما به دنبال تلاش‌های تحقیقاتی اولیه، از اواسط دهه1980 توسعة بسیار زیادی در زمینه استفاده از مواد FRP در مقاوم‌‌سازی سازه‌های مختلف مشاهده می‌شود؛ بطوری‌که دامنة کاربردهای آن به سازه‌هایی با مصالح بنایی، چوبی و حتی فلزی نیز گسترش یافته است. تعداد موارد کاربرد مواد FRP در مقاوم ‌سازی، تعمیر و یا بهسازی سازه‌ها از چند مورد در10 سال پیش، به هزاران مورد در حال حاضر رسیده است. اجزاء سازه‌ای مختلفی شامل تیرها، دال‌ها، ستون‌ها، دیوارهای برشی، اتصالات، دودکش‌ها، طاق‌ها، گنبدها و خرپاها تا کنون توسط مواد FRP مقاوم شده‌اند.

مقاوم ‌سازی سازه‌های بتن آرمه با مواد FRP

مواد مرکب FRP، دامنة وسیعی از کاربردها را برای مقاوم ‌سازی سازه‌های بتن‌آرمه در مواردی که تکنیک‌های مرسوم مقاوم‌ سازی ممکن است مسئله‌ ساز باشند، به ‌خود اختصاص داده‌اند. برای نمونه، یکی از معمول‌ترین تکنیک‌ها برای بهسازی اجزاء بتن آرمه، استفاده از ورق‌های فولادی است که از بیرون به این اجزاء چسبانده می‌شود. این روش، روشی ساده، مقرون به صرفه و کارا است؛ اما از جهات زیر مسئله‌ ساز است:

  • زوال چسبندگی بین فولاد و بتن که از خوردگی فولاد ناشی میشود .
  • مشکلات ساخت صفحات فولادی سنگین در کارگاه ساختمان.
  • نیاز به نصب داربست
  • محدودیت طول در انتقال صفحات فولادی به کارگاه ساخت (در مورد مقاوم ‌سازی خمشی اجزاء بلند)

 

نوارها یا صفحات می‌توانند جایگزینی برای صفحات فولادی باشند. مواد FRP برخلاف فولاد، تحت تأثیر زوال الکتروشیمیایی قرار نمی‌گیرند و می‌توانند درمقابل خوردگی اسیدها، بازها و نمک‌ها و مواد مهاجم مشابه در دامنة وسیعی از دما مقاومت کنند. در نتیجه نیاز به سیستم‌های حفاظت از خوردگی نمی‌باشد وآماده‌کردن سطوح اعضاء قبل از چسباندن صفحات FRP و نگهداری از آن‌ها بعد از نصب، از صفحات فولادی آسان‌تر است.

علاوه بر این، الیاف مسلح‌کننده در FRP می‌توانند در موضع معین و در نسبت حجمی و جهت خاصی درون ماتریس قرارگیرند تا بیش‌ترین کارایی به‌دست آید. مواد حاصله تنها با درصدی از وزن فولاد، مقاومت و سختی بالایی در جهت الیاف دارند. آن‌ها همچنین حمل و نقل آسان‌تری داشته، نیازمند داربست کمتری برای نصب می‌باشند، و می‌توانند برای مکان‌هایی که دارای دسترسی محدود هستند، مورد استفاده قرار گیرند؛ و پس از نصب، بار اضافی قابل‌توجهی را به سازه تحمیل نمی‌کنند.

روش مرسوم دیگر در مقاوم ‌سازی اعضای بتن‌آرمه، استفاده از پوشش‌هایی از نوع بتن‌آرمه، بتن پاشیدنی و یا فولاد می‌باشد. این روش تا جایی که مربوط به مقاومت، سختی و شکل ‌پذیری می‌شود، کاملا مؤثر است؛ اما باعث افزایش ابعاد مقاطع و بار مرده سازه می‌شود. همچنین این شیوه نیازمند عملیات پر دردسر و تخلیه ساكنین است و به صورت بالقوه باعث افزایش نامطلوب سختی اعضای بتن‌آرمه می شود. به‌عنوان یک جایگزین، صفحات FRP می‌توانند به دور اجزاء بتن‌آرمه پیچیده شوند و افزایش قابل توجه مقاومت و شکل ‌پذیری را به دنبال داشته باشند؛ بدون آن‌که تغییر زیادی در سختی ایجاد نمایند. یک نکتة مهم در ارتباط با مقاوم ‌سازی اعضا با استفادة خارجی از FRP آن است که باید درجة مقاوم‌ سازی (نسبت ظرفیت نهایی عضو مقاوم‌شده به ظرفیت نهایی عضو مقاوم ‌نشده) را محدود کنیم تا حداقل سطح ایمنی در حوادثی مانند آتش ‌سوزی که منجر به از دست رفتن کارایی FRP می‌شوند، حفظ گردد.

امروزه مواد كامپوزیتی FRP به وفور جهت تقویت خمشی و برشی تیرهای بتن آرمه به كار می‌روند كه نمونه‌ای از آن در شكل نشان داده شده است. در این شكل ملاحظه می‌شود كه با متصل كردن صفحات FRP به وجه پایینی تیر ظرفیت خمشی مثبت و با متصل كردن آن به وجه بالایی تیر ظرفیت خمشی منفی حاصل می‌شود. هم‌چنین می‌توان با اتصال صفحات FRP به دو وجه كناری تیر، ظرفیت برشی مناسبی فراهم نمود.

در شکست تیرهای بتن‌آرمة تقویت شده با صفحات FRP مکانیزم‌های مختلف شکست، ازجمله گسیختگی صفحات FRP، خرد شدگی بتن، شکست برشی بتن و ترک ‌خوردگی در محل اتصال چسب با بتن، گزارش شده است. همچنین نشان داده شده است که نوع FRP، ضخامت و طول آن باعث ایجاد انواع مختلفی از شکست نرم یا ترد می‌شود. بخصوص خواص مکانیکی ناحیة اتصال FRP و بتن از اهمیت خاصی برخوردار است. در این میان جدا شدن صفحات FRP از بتن مسالة كاملا حائز اهمیت است و امروزه توجه زیادی را در دنیا به خود جلب می‌نماید. در این ارتباط به نظر می‌رسد كه استفاده از تقویت‌کننده‌های خارجی حتی به میزان کم، می‌تواند ایمنی قابل ملاحظه‌ای در برابر جدا شدن صفحات FRP از بتن، و نیز شکست‌های برشی ترد فراهم آورد. از طرفی مواد كامپوزیتی FRP به وفور جهت تقویت خمشی و فشاری و نیز افزایش شكل پذیری ستون‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در همین ارتباط محصور شدگی بتن مهم‌ترین خصوصیتی است كه می توان آن را با چسباندن این مواد در اطراف ستون‌ها فراهم نمود. از طرفی استفاده از مواد كامپوزیتی FRP برای افزایش شكل پذیری اتصالات و رفتار مناسب‌تر آن در زلزله نیز بسیار مطلوب خواهد بود.

 

 

 

 

 

کلمات مرتبط : تقویت ستونی بتنی با فولاد ، هزینه اجرای FRP ، تقویت ستون بتنی با نبشی ، کتاب مقاومسازی با fRP ، قیمت الیاف fRP ، تقویت ستون بتنی ، مقاوم سازی ساختمان با frp، مقاوم سازی خانه ، مقاوم سازی تیر بتنی با frp، قیمت الیاف frp، مقاوم سازی الیاف با frp ، مقاو مسازی ستون با frp، روش اجرای frp، چسب frp، لیست شرکت های مقاومسازی ، فیلم اجرای FRP، شرکت های FRP، تاریخچه FRP، FRP چیست ، سیستم FRP، مقاوم سازی ساختمان قدیمی در برابر زلزله ، مقاوم سازی سقف طاق ضربی ، مقاله مقاوم سازی سازه های بتنی ، هزینه مقاوم سازی ساختمان ، مقاوم سازی دیوار حائل ، نحوه مقاوم سازی خانه های قدیمی ، مقاوم سازی خانه های قدیمی ، مقاوم سازی چیست ، روش های نوین مقاوم سازی در برابر زلزله ، ژاکت فلزی چیست ، ژلکت بتنی چیست ، روش اجرای ژاکت بتنی ، روش اجرای ژاکت فلزی ، مقاوم سازی ستون با ژاکت فلزی ، روش مقاوم سازی ستون با ژاکت بتنی ، مقاوم سازی اسکلت فلزی ، هزینه مقاوم سزای ساختمان ، لیست قیمت الیاف frp، تسمه frp ، در مورد frp، قیمت الیاف کربن ، تقویت فونداسیون ، مقاوم سازی فونداسیون ، مقاوم سازی DOC ، مقاله مقاوم سازی ، اجرای مقاوم سازی ، روش اجرای مقاوم سازی ساختمان ، کتاب مقاو مسازی ، روش مقاوم سازی با ژاکت فلزی ، روش مقاوم سازی با ژاکت بتنی ، اجرای مقاوم سازی با ژاکت فلزی ، اجرای مقاوم سازی با ژاکت بتنی، قیمت الیاف شیشه ، مقاوم سازی با الیاف شیشه ، الیاف شیشه سوزنی

 

 


[i] Penelis, G.-G. and Koppos, A.-J.,”Earthquake Resistant Concrete Structures”, Tomson Pres Ltd., 1997

[ii] Jong Wha Bai; “Seismic Retrofit for reinforced Concrete Building Structures” Consequence-Based Engineering (CEB)-Institute Final Report; Texas University; August;  2003

[iii]  الیاسیان، ایمان؛ «روش‌های مقاوم‌سازی سازه‌های بتن‌آرمه و آشنایی با روش تقویت با روش تقویت با ورقه FRP»؛ فصلنامه علمی-کاربردی مهندس اسوه؛ سال اول؛ شماره سوم؛ 1385

[iv] همان

[v] ناطق الهی، فریبرز؛ ملکی، شهرام؛ مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP

[vi] P. ChaNG Huang; Yaau T. Hse; Antonio Nanni; “ASSESMENT AND PROPOSED STRUCTURAL REPAIR STRATEGIES FOR ،BRIDGE PIERS IN TAIWAN DAMAGED BY THE JI-JI EARTHQUAKE”

[vii] الیاسیان، ایمان؛ «روش‌های مقاوم‌سازی سازه‌های بتن‌آرمه و آشنایی با روش تقویت با روش تقویت با ورقه FRP»؛ فصلنامه علمی-کاربردی مهندس اسوه؛ سال اول؛ شماره سوم؛ 1385

[viii] الیاسیان، ایمان؛ «روش‌های مقاوم‌سازی سازه‌های بتن‌آرمه و آشنایی با روش تقویت با روش تقویت با ورقه FRP»؛ فصلنامه علمی-کاربردی مهندس اسوه؛ سال اول؛ شماره سوم؛ 1385

 

منابع

اکابایشی، مینورو؛ ترجمه محمدمهدی سعادتپور؛ ساختمان‌های مقاوم در برابر زلزله؛ دانشگاه صنعتی اصفهان؛ 1374

الیاسیان، ایمان؛ «روش‌های مقاوم‌سازی سازه‌های بتن‌آرمه و آشنایی با روش تقویت با روش تقویت با ورقه FRP»؛ فصلنامه علمی-کاربردی مهندس اسوه؛ سال اول؛ شماره سوم؛ 1385

تسنیمی،‌عباسعلی؛ «بهسازی و مقاوم‌سازی لرزه‌ای سازه‌های بتن‌آرمه» ؛ پیش‌نویس دستورالعمل بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود؛ دانشگاه تربیت مدرس

کی، دیوید؛ ترجمه فریبرز ناطقی الهی، مهرتاش معتمدی؛ طراحی کابردی ساختمان‌های مقاوم در برابر زمین‌لرزه؛ پژوهشگاه بین‌المللی زلزله؛ نوپردازان؛ 1389

مجموعه مقالات هفتمین کنگره بین‌المللی مهندسی عمران؛ دانشگاه تربیت مدرس؛ تهران ؛ 1385

مجموعه مقالات اولین همایش بین‌المللی مقاوم‌سازی لرزه‌ای؛ دانشگاه تربیت مدرس؛ تهران ؛ 1385

مرشد، رضا؛ کاظمی، محمدتقی؛ «تقویت برشی ستون‌های کوتاه بتنی با ورق‌های گسترده فولادی»؛ چهارمین کنفرانس بین‌المللی زلزله‌شناسی و مهندسی زلزله؛ 1382

ناطقی الهی، فریبرز؛ مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی با استفاده از FRP ؛ نوپردازان؛ تهران؛ 1385

ناطقی الهی، فریبرز؛ «روش‌های مقاوم‌سازی و بهسازی ستون‌های بتن مسلح آسیب‌دیده»؛ فصلنامه علمی-کاربردی مهندس اسوه؛ سال اول؛ شماره اول؛ 1384

«دستورالعمل بهسازی لرزه‌ای-ساختمان‌های بتنی»؛ نشریه 363

آیین‌نامه 28000 زلزله؛ موسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران؛ ویرایش  سوم

معاونت‌ امورفنی‌دفتر نظارت‌ و ارزیابی‌طرح‌ها ؛ دستورالعمل بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود؛تهران؛ 1385

Chaar, Ghassan K. Al.; Lamb, Georgy E.; “Design of Fiber-Reinforced Polymer Materials for Seismic Rehabilitation of Infill Concrete Structures”;US Army Corps of Engineering-Research and Development Center; 2002

Liu, Jianhua; “Rehabilitation of Seismically Deficient Reinforced Concrete Structures- State of the art”; University of Alberta; An Interdisciplinary Journal; 2006

Mazzolani, F.M.; Della Corte, G.; Faggiano, B.; “Full scale Testing and Analysis of Innovative Techniques for Seismic Upgrading of RC Building”

Moehle, Jack P.; “State of Research on Seismic Retrofit of Concrete Building Structures in The US”; Pacific Earthquake Engineering Research Center University of California; Brukley; US-Japan Symposium and Workshop on Seismic Retrofit of Concrete Structures- State of Research and Practice

Monti, Giorgio; “Seismic Assessment and Retrofitting of Existing Building According to Euro code 8”; Dept of Civil Engineering of Patras; Fifth National Conference on Earthquake Engineering 26-30 May 2003; Istanbul; Turkey

Penelis, G.-G. and Koppos, A.-J.;”Earthquake Resistant Concrete Structures”;Tomson Pres Ltd., 1997

Sadoughi Yarandi, M.; Saatcioglu, M.; “Seismic Retrofit of Rectangular Concrete Column with Splice Deficiences by External by External Prestressing”; Fourth International Conference of Earthquake Engineering and Seismology; Tehran; 2003

Sehat Tabatabaei, Ali; “Energy Dissipation Systems for Siesmic Resistance”; Iran Civil Center Website(ICC82.com)

Wha Bai, Jong; “Seismic Retrofit for Reinforced Concrete Building Structures” Consequence-Based Engineering (CEB); Institute Final Report; Texas University; 2003

Yamkawa, Tetsuo; banazadeh,  Mehdi; Fujikawa, Shogo; “Emergency Retrofit of Damaged RC Columns Right After Seismic Attack Using Pre-Tensioned Aramid Fiber Belts”; 1st. Conference on Application of FRP Composite in Construction and Rehabilitation of Structures; 2004; Tehran; Iran

Yamakawa, T.; Nasrollahzadeh Nesheli, K.; H. Satoh; “Seismic Retrofitting of RC Columns Using Prestressed Aramid Fiber Belts”; Fourth International Conference of Earthquake Engineering and Seismology; Tehran; 2003