مقاوم سازی یک پروژه بتنی با استفاده از روش FRP
در این مطلب هدف مقاوم سازی یک پروژه بتنی است که تحت شرایط و بارگذاری مورد نظر با شکست مواجه شده است و برخی مقاطع ستون ها بعد از پایان طراحی جواب نداده اند.
برای رفع این مشکل یعنی در واقع عدم جواب گویی مقاطع و بیش از حد مجاز بودن تنش ها از مقاوم سازی استفاده شده است. ضمن معرفی روش مقاوم سازی با FRP، نقشه ها و جزئیات آن نیز ذکر گردیده است.
یک ساختمان اسکلت بتنی با کاربری مسکونی و یک طبقه زیر زمین و ۷ طبقه روی آن با متراژ کل ۲۳۷۶٫۷۴ متر مربع می باشد. در طراحی این سازه از آیین نامه CSA و ترکیب بارهای مربوطه استفاده شده است.
در این پروژه تعدادی از ستون ها تحت شرایط بارهای وارده، قادر به تحمل تنش ها نبوده و از مقدار مجاز تجاوز نموده است. مقاطع ستون های ذکر شده به صورت زیر می باشند:
- ستون با مقطع ۳۵X60 سانتی متر و دارای ۱۸ میلگرد ۲۰ میلیمتر(شکل۱)
- ستون با مقطع ۳۵X70 سانتی متر و دارای ۲۴ میلگرد ۲۰ میلیمتر(شکل۱)
بیشتر بدانیم:
۳٫ ستون با مقطع ۵۵ X70 سانتی متر و دارای ۴۰ میلگرد ۲۰ میلیمتر(شکل۲)
- راهکار حل این مسئله، استفاده از روش های مقاوم سازی می باشد که برای این منظور از روش FRP استفاده شده است.
- مقاوم سازی سازه ها با FRP :
سیستم مقاوم سازی سازه های بتنی با کامپوزیت FRP ( الیاف تقویت شده با پلیمر های رزین اپوکسی) یکی از مصالح مدرن برای مقاوم سازی و تقویت سازه های بتنی می باشد. این نوع کامپوزیت متشکل از دو بخش الیاف تقویتی FRP است که به وسیله یک ماتریس رزین ازجنس رزین اپوکسی احاطه شده است. فیبرهای FRP به روش پلی اکریلونیتریل (PAN) ساخته می شوند و میلگردها و پروفیل ها به روش پالتروژن (Pultrusion) تولید می گردند. در این روش دسته های الیاف پس از آغشته شدن در رزین پس از عبور از یک قالب در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت منشوری را به وجود می آورند. محصولات پلیمری مورد استفاده در سازه ها به شکل ورق های پلیمری FRP، میلگردها یا آرماتور FRP، مش هایFRP و پروفیل FRP مشابه تیرآهن اف آرپی و نبشی اف آرپی وجود دارند. از این مصالح پلیمری FRP برای ساخت و تقویت سازه ها استفاده می شود.
به طور کلی ۴ نوع الیاف FRP برای سیستم مقاوم سازی با FRP استفاده می شود (FRP Fabric ) که شامل مقاوم سازی با الیاف کربن، شیشه، آرامید و بازالت می باشد.
-الیاف شیشه Glass FRP
–الیاف کربن Carbon FRP
–الیاف آرامید یا الیاف کولارAramid FRP
–الیاف بازالت Basalt FRP
از FRP در تقویت ستون ها و تیرها، مقاوم سازی دال ها و اتصالات، دیوارهای برشی بتنی، دیوارهای آجری، مقاوم سازی پایه و عرشه پل ها و . . . می توان استفاده نمود. تکنیک مقاوم سازی ستون های مسلح بتنی با استفاده از کامپوزیت های FRP به طور گسترده ای به جای پوشش نمودن به وسیله فولاد (Steel Jacketing) مورد کاربرد قرار گرفته است. در مقایسه با استفاده از تنگ ها و مارپیچ فولادی، تکنیک محصور سازی با استفاده از FRP قابلیت این را دارد که محصور شدگی را به صورت پیوسته برای تمام مقطع عرضی ستون تامین کنند. همچنین این مواد دارای خواص ذاتی مطلوبی (نسبت زیاد مقاومت به وزن و مقاومت بالا در برابر خوردگی و خنثی بودن الکترو مغناطیسی) هستند به گونه ای که می توان در مقاوم سازی یا بازسازی اعضای بتنی به طور موفقیت آمیزی از آنها بهره گرفت. FRP می تواند در مقاوم سازی تیرها و دال های بتنی به عنوان جایگزین بخشی از میلگرد کششی مورد نیاز بکار رود. همچنین FRP در اتصالات بتنی می تواند استفاده گردد و شکل پذیری اتصال را افزایش دهد (تقریبا هیچ روش دیگری نمی تواند چنین تاثیری داشته باشد). از FRP در تقویت دیوارهای برشی نیز استفاده می گردد.
FRP می تواند شکل پذیری دیوارهای بنایی را افزایش داده و آنها را مهار نماید بنابراین برای مقاوم سازی سازه های بنایی نیز مناسب می باشد.
بر طبق گزارش اداره فدرال بزرگراه های آمریکا هنگام بررسی پلها از نظر سازه ای به دلیل پوشش کم بتن، طراحی ضعیف، عدم مهارت کافی هنگام اجرا و سایر عوامل همانند شرایط آب و هوایی، سبب ایجاد ترک در بتن و خوردگی آرماتور های فولادی شده است.
پس از سالها مطالعه بر روی خوردگی، مقاوم سازی با FRP به عنوان یک جایگزین مناسب برای آرماتور های فولادی کششی در بتن پیشنهاد شد. از این مواد به جای آرماتور های فولادی یا کابل های پیش تنیده در سازه های بتنی پیش تنیده و یا غیر پیش تنیده استفاده می شود. مصالح FRP موادی غیر فلزی با مقاومت بالا در برابر خوردگی است که در کنار خواص مهم دیگری همانند مقاومت کششی زیاد، آنها را برای استفاده به عنوان جایگزین آرماتور کششی مناسب می کند. از آنجایی که FRP ها مصالحی با فن آوری بالا هستند نوع و مقدار فیبر و رزین مورد استفاده، سازگاری فیبر و کنترل کیفیت لازم هنگام ساخت آن نقش اصلی را در بهبود خواص مکانیکی آن دارد.
- انواع محصولات FRP :
- ورقههای FRP:
ورقههایFRP، ورقههای با ضخامت چند میلیمتر از جنس FRP هستند. این ورقهها با چسبهای مستحکم و مناسب به سطح بتن چسبانده میشوند. از ورقههای FRP جهت تعمیر و تقویت سازههای آسیب دیده (ناشی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آبهای یوندار) استفاده میشود. ورق های FRP از لحاظ شکل پذیری می توانند به شکل پارچهای و صفحهای باشند. شکل پارچهای خاصیت شکل پذیری بالایی دارد و راستای الیاف در آن می تواند در یک جهت یا دو جهت باشد. صفحهها بر خلاف الیاف پارچهای، شکل پذیر نیستند و در ضخامت ها و عرض های مختلف یافت می شوند.
۲٫ کابل، نوار و تاندونهای پیشتنیدگی :
محصولاتی شبیه میلههای FRP، ولی به صورت انعطافپذیر هستند که در سازههای کابلی و بتن پیش تنیده در محیطهای دریایی و خورنده کاربرد دارند. این محصولات در اجزاء پیشتنیده در مجاورت آب نیز بکار گرفته میشوند.
۳٫ میلگردهای FRP:
فولادهای ساختمانی به طور مختصر در مقابل خوردگی به وسیله قلیای بتن محافظت میشوند و معمولا سبب دوام خدمتپذیری سازه میگردند. برای خیلی از سازه هایی که در محیط های مهاجم از قبیل سازههای دریایی، پل ها، پارکینگ که در معرض نمک های یخ زا قرار میگیرند، ترکیب رطوبت، افزایش دما و محیط کلریدی، قلیایی بتن را کاهش میدهد و سبب خوردگی فولادها میشود که در نهایت موجب تخریب سازه بتنی میشود. به همین خاطر امروزه از میلگردهای ساخته شده با مواد پلیمری FRP در این سازهها استفاده میکنند. بهدلیل اینکه میلگردهای FRP دارای یک رفتار غیر شکلپذیر میباشند لذا موارد استفاده این میلگردها محدود به سازه هایی میشود که مهمترین مشکل آنها خوردگی یا خاصیت الکترومغناطیسی فولاد میباشد. رفتار مکانیکی میلگردهای FRP با میلگردهای فولادی تفاوت دارد؛ لذا نحوه طراحی سازه های بتنی با استفاده از میلگرد های FRP دارای تغییراتی نسبت به میلگردهای فولادی میباشد. میلگردهای فولادی دارای رفتار تقریبا همسانگرد میباشند ولی میلگردهای FRP دارای رفتار ناهمسانگرد هستند. این رفتارناهمسانگرد در مقاومت برشی و رفتار چسبندگی میلگردهای FRP به بتن تاثیر میگذارد. مصالح FRP بر خلاف مصالح فولادی، رفتارالاستیک خطی از خود نشان میدهند. درشکل زیر میلگردهای FRP نشان داده شده است.
- مهم ترین مزایای روش مقاوم سازی با FRP به سایر روش های مقاوم سازی به شرح زیر هستند:
- مقاوم سازی با FRP بسیار سریعتر از سایر روش های مقاوم سازی می باشد.
- مقاوم سازی با FRP نیاز به تخریب و یا بازسازی بخش هایی از سازه در مقایسه با سایر روش های مقاوم سازی ندارد.
- مقاوم سازی با FRP در بیشتر موارد ارزانتر از سایر روش های مقاوم سازی است.
- مقاوم سازی با FRP به مرور زمان و در مجاورت مصالح ساختمانی (مانند گچ و خاک) دچار خوردگی نمی شود. (در مقایسه با بعضی روش های مقاوم سازی سنتی مانند ژاکت فولادی)
- مقاوم سازی با FRP مبتنی بر فن آوری های نوین است ( در مقایسه با سایر روش های مقاوم سازی سنتی ) و بنابراین روش های مقاوم سازی باFRP هرروز در حال تکامل و پیشرفت می باشد .
- مقاوم سازی با FRP دارای کد ها و آیین نامه های خاص می باشد در حالی که بیشتر روش های مقاوم سازی سنتی مبتنی آیین نامه های عمومی هستند ( مانند مقاوم سازی به روش ژاکت بتنی و مقاوم سازی به روش ژاکت فولادی )
- برای کنترل کیفیت مقاوم سازی با FRP روش های 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.
در شکل زیر تست Pull Off را مشاهده می نمایید.
۸٫ اجرای عملیات مقاوم سازی با FRP نیاز به تجهیزات خاص و افراد با مهارت های متعدد در مقایسه با سایر روش های مقاوم سازی ندارد.
- اجرای عملیات مقاوم سازی با FRP نیاز به عملیات خاصی به عنوان زیرسازی و نیز مهارت های ویژه ای دارد که قابل آموزش به افراد در مدت کوتاه تری در مقایسه با سایر روش های مقاوم سازی می باشد.
در نهایت برای این منظور از ورق های FRP با ابعاد۰٫۶x40 سانتی متر، ۰٫۶x60 سانتی متر، ۰٫۶x70 سانتی متر، ۰٫۸x60 سانتی متر و ۰٫۸x70 سانتی متری استفاده شد که نقشه های اجرایی و جزییات آن را می توانید در زیر مشاهده نمایید.
