مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP
مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP چیست ، مزایا ، معایب و کاربرد الیاف اف آر پی در مقاوم سازی و تعمیر سازه های بتنی
توان‌بخشی (بهسازی)، روند و شیوه تعمیرکردن یا اصلاح کردن یک سازه به منظور دستیابی به شرایط بهره‌برداری جدید و یا افزایش عمر مفید بهره‌برداری آن است.
در واقع ما در طرح و اجرای مقاوم سازی به دنبال حصول شرایط جدید در سازه بتنی از نظر بهره برداری و یا بارگذاری می باشیم. عملیات مقاوم سازی می تواند به علل زیر مورد نیاز باشد :
- اشتباهات و مشکلات طراحی
- مشکلات و اشتباهات اجرایی
- تغییر در استانداردها و آیین نامه ها
- افزایش عمر مفید بهره برداری
- تغییر کاربری سازه
- افزایش طبقات و بار وارده
واضح است که در گزینه اول ما نیاز به شرایطی بوده ایم یا نیازمند آن می باشیم که به علت اشتباهات در طرح و اجرا الان دارای آن نبوده و نیازمند آن می باشیم که به آن برسیم . مانند زمانی که بتن نتوانسته مقاومت لازم را کسب نماید ، یا زمانی که ابعاد عضو باربر کوچک تر از ابعاد مورد نیاز اجرا گردیده است. همچنین این امر می تواند زمانی اتفاق بیافتد که ستون به صورت خارج از محور و یا دچار پیچش شده است.
در چهار گزینه بعد ، سازه در شرایط موجود مشکلی نداشته و شرایط جدید بهره برداری ایجاب می کند که تغییراتی از منظر باربری در سازه ایجاد گردد. به طور مثال سازه در زمانی طراحی و اجرا می گردد و پس از چند سال تغییراتی در آیین نامه طراحی مانند آیین نامه ۲۸۰۰ داده می شود که نیازمند اصلاح استراکچر سازه می باشد.
یا ما سازه ایی داریم که اکنون عمر مفید آن اتمام یافته و یا در شرف اتمام است و ما تصمیم داریم چند سال دیگر از سازه بهره برداری نماییم. همچنین ممکن است ما سازه و ساختمان داشته باشیم که طرح و اجرای ان براساس طاختمان مسکونی انجام شده باشد و در آینده ما تصمیم بگیریم از آن کاربری آموزشی و یا اداری داشته باشیم.
در خصوص گرینه آخر می توان ساختمانی را متصور شد که چند سال پس از احداث بنا به تغییرات قوانین و یا توجیهات اقتصادی تصمیم گرفته می شود طبقاتی به سازه اضافه گردد که قبلا پیش بینی نشده است.
در همه این موارد ما نیازمند این هستیم که باربری سازه را افزایش و به نقطه B برسانیم.
امروز روش های مختلفی برای مقاوم سازی و تقویت سازه های بتنی وجود دارد. هر یک از روش های دارای مزایا ، معایب و محدودیت هایی می باشند. از جمله مهمترین عوامل موثر در انتخاب روش تعمیر می توان به ابعاد و محدودیت های ابعادی در روش تعمیر ، محدودیت های معماری ، محدودیت ها افزایش باربری ، محدودیت های زمانی ، محدودیت های بهره برداری اشاره کرد.
برخی از انواع روش های مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP به شرح ذیل می باشد :
- استفاده از الیاف FRP
- ژاکت بتنی
- ژاکلت فلزی
- افزایش ابعاد عضو باربر
- افزایش ظرفیت برابر بستر ( مقاوم سازی فونداسیون )
- افزایش دیوارهای برشی
- افزایش اعضا باربر و کاهش بار وارده به عضو باربر
- …
لازم به ذکر است در پاره ای موارد ممکن است عملیات مقاوم سازی به صورت همزمان با فرآیند ترمیم و تعمیر انجام شود تا سازه موجود ابتدا به شرایط قابل بهره برداری رسید و سپس ظرفیت های آن ارتقاء داده شود.
معرفی سیستم نوین الیاف fiber reinforced polymer ) FRP)
- سیستم های FRPچسبیده به صورت خارجی برای مقاوم سازی سازه های بتنی از حدود اواسط سال ۱۹۸۰ میلادی مورد استفاده قرار گرفته اند .
- تعداد پروژه هایی که از سیستم FRPدر سراسر جهان استفاده میکنند ، به طور چشم گیری از پانزده سال پیش تا کنون افزایش یافته است .
- اعضای سازه ای که توسط سیستم های FRPمقاوم سازی می شوند عبارتند از تیرها ، دال ها، ستون ها ، دیوارها ، اتصالات ، و سازه هایی همانند کوره ها ، دودکش ها ، طاق ها ، تونل ، سیلوها و خرپا ها .
- سیستم های FRPهمچنین برای تقویت سازه های بنایی ، چوبی ، فولادی و چدنی مورد استفاده قرار گرفته اند .
- ایده مقاوم سازی سازه های بتنی به وسیله چسباندن تقویت کننده ها (الیاف اف آر پی) به صورت خارجی ، ایده ای جدید نیست .
- ایده سیستم های FRPبا جایگزینی آن به جای تقویت کننده های دیگر مانند صفحات فولادی و پوشش های بتنی ، شکل گرفته است .
- تا دهه ۷۰و۸۰ میلادی روش های مقاوم سازی بیشتر شامل مقاوم سازی سازه ها با ژاکت فولادی و روش های مقاوم سازی مشابه بود ولی در طول دهه های ۷۰ و ۸۰ میلادی با گسترش فن آوری و دانش استفاده از سیستم های کامپوزیتی FRP، روش مقاوم سازی با FRPبه سایر روشهای متداول مقاوم سازی افزوده شد.
- مقاوم سازی با FRPاز آن جهت به سایر روشهای مقاوم سازی ارجح بود که مزایای زیادی نسبت به روشهای مقاوم سازی متداول داشت و در عین حال برخی از معایب روشهای مقاوم سازی متداول را نیز نداشت.
- مقاوم سازی از جمله اقدامات مهمی است که در این چند دهه ی اخیر بسیار مورد توجه مهندسین عمران قرار گرفته است. با این کار هم در جهت اطمینان به سازه بهبود می بخشیم و هم در مقابل حوادث غیر مترقبه از جمله زلزله و باد و از این قبیل، مقاومت سازه را افزایش می دهیم .
- پلیمر های الیافی (FRP) از جمله مصالحی هستند که در بهسازی بتن آرمه استفاده می شود. نسبت بالای مقاومت به وزن، مقاومت در برابر خوردگی و حمل و نصب آسان، مواد #FRP را به عنوان گزینه ای مورد توجه در بسیاری از پروژه ها ی بهسازی و مقاوم سازی مطرح کرده است.
- روش های قدیمی مانند استفاده از پوشش های بتنی و یا فلزی برای تعمیر و تقویت ستون های بتن مسلح، رواج زیادی دارد اما این روش نیاز به تجهیزات و نیروی کار نسبتاً زیادی دارد و علاوه بر آن وزن سازه را زیاد می کند و در محیطهای خورنده آسیب پذیر است.
- به عنوان راه حلی جایگزین ، استفاده از الیاف پلیمری، FRP مورد توجه قرارمیگیرد.الیاف پلیمری به سهولت و همانند پارچه ای برروی سازه چسبانده شده و مقاومت و شکل پذیری عضو را بهبود می بخشد .
الیاف fiber reinforced polymer ) FRP) چیست ؟
سیستم های FRP چسبیده به صورت خارجی برای مقاوم سازی سازه های بتنی از حدود اواسط سال ۱۹۸۰ میلادی مورد استفاده قرار گرفته اند .
تعداد پروژه هایی که از سیستم FRP در سراسر جهان استفاده میکنند ، به طور چشم گیری از پانزده سال پیش تا کنون افزایش یافته است .
اعضای سازه ای که توسط سیستم های FRP مقاوم سازی می شوند عبارتند از تیرها ، دال ها، ستون ها ، دیوارها ، اتصالات ، و سازه هایی همانند کوره ها ، دودکش ها ، طاق ها ، تونل ، سیلوها و خرپا ها .
سیستم های FRP همچنین برای تقویت سازه های بنایی ، چوبی ، فولادی و چدنی مورد استفاده قرار گرفته اند .
همچنین
مقاوم سازی از جمله اقدامات مهمی است که در این چند دهه ی اخیر بسیار مورد توجه مهندسین عمران قرار گرفته است. با این کار هم در جهت اطمینان به سازه بهبود می بخشیم و هم در مقابل حوادث غیر مترقبه از جمله زلزله و باد و از این قبیل، مقاومت سازه را افزایش می دهیم .
پلیمر های الیافی (FRP) از جمله مصالحی هستند که در بهسازی بتن آرمه استفاده می شود. نسبت بالای مقاومت به وزن، مقاومت در برابر خوردگی و حمل و نصب آسان، مواد FRP را به عنوان گزینه ای مورد توجه در بسیاری از پروژه ها ی بهسازی و مقاوم سازی مطرح کرده است.
روش های قدیمی مانند استفاده از پوشش های بتنی و یا فلزی برای تعمیر و تقویت ستون های بتن مسلح، رواج زیادی دارد اما این روش نیاز به تجهیزات و نیروی کار نسبتاً زیادی دارد و علاوه بر آن وزن سازه را زیاد می کند و در محیطهای خورنده آسیب پذیر است.
به عنوان راه حلی جایگزین ، استفاده از الیاف پلیمری، FRP مورد توجه قرارمیگیرد.الیاف پلیمری به سهولت و همانند پارچه ای برروی سازه چسبانده شده و مقاومت و شکل پذیری عضو را بهبود می بخشد .
کاربرد الیاف FRP
مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP
- خوردگی و فرسایش سازه ای در سیستم های صنعتی، پالایشگاه ها و پتروشیمی
- ترک خوردگی و کنده شدگی بتن ناشی از خوردگی
- کاهش ظرفیت سازه ای
- نفوذ کلریدها
- کربناته شدن
- خوردگی فولادهای پس کشیدگی
- تابیدگی دال های ریخته شده روی سطوح بستر
- اشتباهات طراحی
- میلگرد گذاری نادرست بتن
- اجرای اشتباه خاموت ها
- جدا شدگی سنگ دانه های بتن
- خیز غیرمجاز دال و سقف بتن آرمه
- کرمو شدگی سطح بتن و تجمع سنگدانه ها
- تغییر در کاربری سازه ها و بارگذاریهای اضافی ثقلی و جانبی
- نیاز به کاهش زمان ایجاد وقفه در حین ترمیم و مقاوم سازی
- خوردگی میلگرد در بتن
- ظرفیت خمشی ناکافی بتن
- افزایش تعداد طبقات ساختمان های بتنی
- افزایش ظرفیت برشی ترک در تیر بتنی و عرشه پل
- ضعف اتصالات بتن
- ترک در ستون های ساختمان ها و پل ها
مهمترین مزایای مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP نسبت به سایر روشهای مقاوم سازی به شرح زیر هستند:
- مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP بسیار سریعتر از سایر روشهای مقاوم سازی می باشد.
- مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP نیاز به تخریب بخشهایی از سازه در مقایسه با سایر روشهای مقاوم سازی ندارد.
- پس از اجرای مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP ، نیاز به بازسازی بخشهایی از سازه در مقایسه با سایر روشهای مقاوم سازی ندارد.
- مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP در بیشتر موارد ارزانتر از سایر روشهای مقاوم سازی است.
- مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP به مرور زمان دچار خوردگی نمی شود. ( در مقایسه با بعضی روشهای مقاومسازی سنتی مانند ژاکت فولادی)
- مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP در مجاورت مصالح ساختمانی (مانند گچ و خاک) دچار خوردگی نمی شود ( در مقایسه با برخی روش های مقاومسازی سنتی مانند ژاکت فولادی ) .
- مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP مبتنی بر فن آوری های نوین است ( در مقایسه با سایر روش های مقاومسازی سنتی ) و بنابراین روش هایمقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP هرروز در حال تکامل و پیشرفت می باشد .
- مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP دارای کد ها و آیین نامه های خاص برای مقاوم سازی با FRP میباشد در حالیکه بیشتر روش های مقاوم سازی سنتی مبتنی آیین نامه های عمومی هستند ( مانند مقاوم سازی به روش ژاکت بتنی و مقاومسازی به روش ژاکت فولادی ).
- برای کنترل کیفیت مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP روشهای مشخصی مانند تست Pull Off وجود دارد که برای اطمینان از عملکرد صحیح سیستم مقاوم سازی با FRP باید پس از اجرای عملیات مقاوم سازی با FRP انجام شود.
- اجرای عملیات مقاوم سازی با FRPنیاز به تجهیزات خاصی در مقایسه با سایر روشهای مقاوم سازی ندارد.
- اجرای عملیات مقاوم سازی با FRPنیاز به افراد مختلف با مهارت های متعدد در مقایسه با سایر روشهای مقاوم سازی ندارد.
انواع محصولات اف آر پی FRP و نحوه تولید آنها :
- (فیبرهای پلیمری تقویت شده) نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده است.
- فیبرهای FRPبه روش پلی اکریلونیتریل(PAN) ساخته می شوند و میلگردها و پروفیل ها به روش پالتروژن (Pultrusion) تولید می گردند که در این روش دسته های الیاف پس از آغشته شدن با رزین پس از عبور از یک قالب در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت را به وجود می آورند.
- محصولات پلیمری مورد استفاده در سازه ها به شکل ورق های FRP، میلگردهای FRP ، مش های FRP و پروفیل های FRP وجود دارد. از این محصولات برای ساخت و مقاوم سازی سازه ها استفاده می شود.
- به طور کلی ۴ نوع الیاف بافته شده FRPوجود دارد (Fabric FRP) که شامل الیاف کربن، شیشه، آرامید و بازالت می باشد.