مقدمة

في بيئة عدوانية، قد تكون الخرسانة معرضة لهجمات كيماوية، مثل تلوث كربوناتي و كلوريدي الذي یؤدي الی کسر الحواجز القلوية في مصفوفة الاسمنت. وبالتالي ، فإن حديد التسليح في الهياكل الخرسانية يصبح عرضة للتآكل. هذه الظواهر تؤدي إلى تفتيت الخرسانة بسبب زيادة حجم حديد التسليح.
في الولايات المتحدة ، ما يقارب من ثلث الجسور البالغة 581000  جسر في البلاد تعتبر ناقصة بنيويا أو عفا عليها الزمن من الناحية الوظيفية. وهناك عدد كبير من هذه الجسور التي تعاني من قصور في الهياكل المعززة أو المعززة مسبقا ، وهي في حاجة ماسة للإصلاح والتقوية. في المملكة المتحدة ، أكثر من 10،000 جسر بحاجة ماسة إلى الاهتمام الهيكلي. في أوروبا ، تقدر تكلفة إصلاح الهياكل الخرسانية المسلحة بسبب تآكل قضبان التسليح بأكثر من 600 مليون دولار سنوياً. في كندا ، تشير التقديرات إلى أن تكاليف الإصلاح المطلوبة لمرائب السيارات وحدها تبلغ 6 مليارات دولار. ومن الحلول الممكنة لمكافحة التآكل المقاوم للتشييد الجديد استخدام المواد غير القابلة للتآكل لاستبدال القضبان الفولاذية التقليدية. قوة الشد العالية ، وخواص الوزن الخفيف والمقاومة للتآكل تجعل FRP مثالية لهذه التطبيقات. كما يوفر FRP تقنية عملية لإصلاح وتقوية الهياكل والجسور الخرسانية باستخدام صفائح مرتبطة خارجيًا أو شرائح مسبقة الصنع. يمكن أيضا استخدام رقائق FRP لتدعيم عوارض الخرسانة القديمة الإجهاد المسبق.

فلسفة التصمیم

يتطلب استخدام مواد FRP كتدعيم للهياكل الخرسانية تطوير إجراءات التصميم التي تضمن الأمان الكافي من الفشل الذريع. ﺗﺳﺗﻧد اﻟﺗوﺻﯾﺎت اﻟﺧﺎﺻﺔ ﺑﺎﻟﺗﺻﻣﯾم للعناصر المدعمة بال FRP إﻟﯽ ﻣﺑﺎدئ ﺗﺻﻣﯾم الحالة الحدیة (limit state). يعتمد تصميم الأعضاء الخرسانية المعززة باستخدام FRP بشكل أساسي على القوة المطلوبة ومن ثم التحقق من معايير الخدمة وقوة التحمل والتغلب على التمزق و الزحف. في كثير من الحالات ، قد تتحكم معايير الخدمة ، وحدود تحمل الزحف و الإنهاک و ماشابة. بسبب السلوك المرن الخطي لمواد FRP ، فإن الفشل في الانثناء و القص و فشل في هذة الموا یحدث بشکل مفاجئ و لا يمكن تجنبه. تعرف أكواد البناء الحالية ومواصفات التصميم لـ FRP و میزات وعيوب هذه المواد وتحديد الإجراءات التحليلية التي يمكن للمهندسين استخدامها للتصميم.

الفشل في الإنحناء

التصميم المرن لأعضاء الخرسانة المسلحة المعززة بمواد FRP ينبع من التوازن الأساسي في المقطع العرضي والسلوك التأسيسي للخرسانة و FRP . يستمر الضغط في تدعيم FRP بالزيادة مع زيادة الجهد حتى يتمزق.

 

أظهرت الدراسات البحثية أن أعضاء الخرسانة المسلحة المصممة بشكل صحيح مع FRP أو أعضاء معززة بالفولاذ المعزز قد تفشل في الانحناء وفقا لأحد متواليات وضع الفشل التالية: خضوع الصلب يليه تمزق FRP ، أو خضوع الصلب يليه تكسير الخرسانة. بالنسبة للحالات التي كانت فيها المساحة الكلية للصلب وتقوية FRP مرتفعة نسبيًا ، لوحظ حدوث حالة فشل ثالثة ، حيث تسحق الخرسانة بطريقة كارثية. تظهر الأشكال المختلفة لفشل الانحناء في الشكل 3. ويمكن التعبير عن قدرة مقابلة العزم الاسمية Mn المقابلة لهذه الإخفاقات من خلال:

 

PI هو ثابت تجريبي يعتمد على قوة ضغط الخرسانة.

 

الفشل في القص

تكون عمليات الفشل في القص عادة غیرمرنة ويجب تجنبها كوضع عطل للأعضاء الخرسانية المعززة . يمكن تصنيف أنماط فشل القص لأعضاء FRP مع تقوية القص إلى نوعين: نمط فشل القص – الشد (يتم التحكم فيه عن طريق تمزق تقوية FRP بالقص و وضع فشل القص – الضغط (يتم التحكم فيه عن طريق تكسير الشبكة الخرسانية). النمط الأول للفشل هو أقل مرونة، وهذا الأخير يؤدي إلى انحرافات أكبر.

وقد أظهرت النتائج التجريبية أن أنماط الفشل تعتمد على مؤشر تقوية القص Pfv Ef ، حيث Pfv هي نسبة تقوية FRP للقص الی مساحة المقطع العرضي الفعال و Ef هو معامل مرونة FRP. عندما تزداد قيمة pfvEf ، تزداد قدرة القص في الشد- القصي ويتغير نمط الفشل من الشد- القصي إلى الضغط- القص. يفترض التصميم الحالي أن الخرسانة والقدرات التقوية يمكن أن تُقدَّر لتقدير قدرة القص لدى العضو عندما يتم التحكم في شقوق القص بشكل كافٍ. لذلك ، يجب أن تقتصر سلالة الشد في تقوية القص FRP على ضمان تطبيق نهج التصميم.
توجد خيارات متعددة لتقوية القص ، كما هو موضح في الشكل 4 ، بما في ذلك الترابط اللامع لجوانب الحزم ، والتطريز الخامس حول القاع ، والتلف الإجمالي للحزمة. يمكن أن يكون نظام مقاومة القص على شكل صفائح أو صفائح متواصلة مع تباعد. يمكن توجيه الألياف إما عموديًا إلى محور الحزمة أو عموديًا على شقوق القص المحتملة ، أو مزيج من الاتجاهين كليهما. تعتمد مساهمة قوة القص المقدمة إلى عضو من نظام FRP على اتجاه الألياف ونمط التشرخ المفترض ويمكن التعبير عنها على النحو التالي:

حيث Afv هي مساحة تقوية القص FRP ؛ ffe هو الإجهاد الفعال في FRP ، الذي يؤخذ على أنه أصغر من قوة مقاومة الشد ffu أو الإجهاد المقابل لـ 0.002 Ef ؛ Ef هو معامل مرونة FRP ؛ df هو عمق تقوية القص FRP ؛ Sf هو تباعد تقوية القص FRP و tX هي زاوية ميل تقوية القص. يمكن تحديد قدرة القص الاسمية للأعضاء الخرسانية المسلحة أو المعززة باستخدام FRP في القص بإضافة المساهمة الكاملة لتقوية FRP إلى المساهمات من حديد التسليح والخرسانة.

الفشل بسبب عدم الترابط

الفشل في بسبب عدم الترابط شائع جدا في الأعضاء الخرسانية المعاد تجهيزها مع أنظمة FRP المطبقة خارجيا. هذه الأنواع من حالات الفشل غالباً ما تكون غیرمرنة ، تحدث مع القليل من التحذير المسبق المرئي أو بدونها ، وتحدث عند مستويات تحميل أقل بكثير من قوة الانثناء أو القص للنظام المعدَّل. بالنسبة للصفائح / الشرائط FRP في الانحناء ، يبدأ هذا النمط من الفشل مع تكشع أفقي تكفي لحواف صفائح / شرائح FRP تحت مستوى تدعيم الصلب الداخلي و / ينتشر نحو منتصف المسافة ، مما يؤدي في النهاية إلى فصل كامل عن فرب مع طبقة غطاء الخرسانة المجاورة.
يتميز التكسير من شقوق القص الحالية بالتشريد الرأسي التفاضلي عند أطراف الشروخ في الحزم الخرسانية المعاد تدعيمها. هذه الظاهرة تسبب شدة الإجهاد في منطقة السندات ، والتي تبدأ بكسر وينتج عن انتشار التفريغ تحت تحميل متزايد. تتميز أخطاء الفشل بانتشار عملية الفشل بالتوازي مع مستوى الصفائح ، في حين أن حالات الفشل الأخرى مثل الانثناء أو القص تنتشر عموديًا على هذا المستوى. يشتمل التصحيح على فشل الطبقة الخرسانية بين FRP والفولاذ المرن يليه إزالة أو تقشير FRP من الخرسانة. تم توضيح ثلاثة آليات فشل محتملة للتغلب على الفشل من قبل العديد من الباحثين في الشكل التالی :

يمكن تقسیم العمل النظري على قوة الترابط ونماذج التفكيك إلى ثلاث فئات رئيسية:
نماذج تجريبية ، تستند مباشرة إلى تراجع بيانات الاختبار. تم اقتراح علاقات مختلفة تتعلق بطول الربط لألواح / شرائط FRP لقوة الترابط المتوسطة. هذه النماذج قللت من قوة الترابط وأدت إلى تبعثر كبير ؛
منهجيات میکانیک المواد التي تم فيها تحليل حقل الإجهاد المرن عند نقطة انهیار مواد FRP. تفترض هذه الأنواع من الحلول سلوكًا مرنًا خطيًا لكل من الخرسانة والمواد اللاصقة. وبالتالي ، فإن هذا النوع من التحليل يقتصر على النواحی ذات الجهد المنخفض ، مثل نقاط الانعكاس حيث تكون الإجهادات العادية منخفضة بشكل عام ؛
نهج ميكانيكا الكسر. توفر الدراسات الكمية من تفتيت FRP من خلال مفاهيم الميكانيكا الكسر إمكانات كبيرة في فهم دور المواد النسبية وخصائص التصميم على عملية الفشل الكلي من خلال التفريغ. يمكن استخدام ميكانيكا الكسر السطحي لتوصيف ضغوط التشققات ، انتشار الشروخ ، وتقييم مسار الشروخ. ومع ذلك ، فقد كان استخدام ميكانيكا الكسور البينية مع هياكل الخرسانة مغلفة محدود. العديد من البرامج التجريبية ، والإبلاغ عن الفشل لا تحتوي على أحكام للكشف عن الأصل الدقيق ، والآليات الثانوية المشاركة في عملية انهیار الترابط وبالتالي ، هناك حاجة إلى تقنية تجريبية محسنة لمراقبة فشل عدم الترابط. توصي توجيهات التصميم 440 للجنة ACI بحد أقصى للاستطالة لتصميم ألواح / شرائح FRP لتجنب تقشير تدعيم FRP استنادًا إلى نتائج تجريبية أجراها باحثون آخرون. تتضمن الوثيقة أيضًا بعض الأحكام التفصيلية التي تتناول حالات فشل عمليات التفريغ.

 

طرق التدعيم باستخدام مواد FRP

نظام FRP المستقر خارجیاً (EXTERNALLY BONDED FRP SYSTEMS)

السمة الأكثر إلحاحًا لأنظمة FRP الملتصقة خارجياً في تطبيقات الإصلاح / التدعيم هي سرعة وسهولة التركيب. يمكن ربط FRP بجانب الشد من العوارض الخرسانية والعوارض والألواح لتوفير قوة انثناء إضافية و / أو على جانبي الحزم والعوارض لتوفير قوة إضافية للقص. بالنسبة للمناطق الزلزالية ، يمكن أيضًا استخدام FRP للف الأعمدة لتحسين الليونة بسبب الاحتجاز المستحث للخرسانة. يجب أن يعتمد اختيار المواد من FRP على القوة والصلابة والمتانة اللازمة لتطبيق معين. يتم اختيار الراتنجات على أساس البيئة التي يتعرض لها FRP ، وكذلك الطريقة التي يتم بها تصنيعFRP.  تم التحقق لأول مرة من تقنية ربط ألواح FRP في المختبر السويسري الفيدرالي لاختبار المواد والأبحاث (EMPA). لقد استخدمت مركبات FRP في مجالات أخرى مثل صناعة الطيران لسنوات عديدة وخصائصها الفائقة مقارنة بالمواد الإنشائية التقليدية الأخرى معروفة جيداً. أنظمة FRP  خارجية الربط تأتي في مجموعة متنوعة من الأشكال ، بما في ذلك أنظمة الوضع الرطب و المعالجة المسبقة. تتكون أنظمة FRP الرطبة من صفائح ألياف أو خيوط جافة أحادية الاتجاه أو متعددة الاتجاهات مشربة براتنج مشبع في الموقع. تتكون أنظمة FRP المثبتة من مجموعة متنوعة من الأشكال المركبة المصنعة خارج الموقع. عادة ، يتم استخدام المادة اللاصقة مع الراتنج البرایمر عادة لربط الأشكال السابقة على سطح الخرسانة. يستخدم البرایمر لاختراق سطح الخرسانة ، مما يوفر رابطة لاصقة محسنة للراتنج المشبع أو المادة اللاصقة. يتم استخدام المعجون لملء الفراغات السطحية الصغيرة في الركيزة ولتوفير سطح أملس يمكن لـ FRP الارتباط به. تشتمل أنظمة FRP المعهودة على شرائح أحادية الاتجاه وشبكة متعددة الاتجاهات و الواح مسبقة الصنع.

منذ عام 1982 ، تم تطبيق الواح / شرائح FRP المستعبدة خارجياً بنجاح على الحزم الخرسانية المسلحة. يقترح الباحثون في جميع أنحاء العالم أن ألواح / شرائح FRP يمكن أن تحل محل ألواح الصلب المستنفدة خارجياً مع توفير إجمالي في التكاليف ناتج عن بساطة طريقة التدعيم . تعتبر ألواح وأشرطة FRP المستعبدة خارجياً حالياً هي الأساليب الأكثر استخداماً لتدعيم الجسور والهياكل الخرسانية. على الرغم من الأبحاث الهامة التي تم الإبلاغ عنها حول آليتها الهيكلية وأدائها ، لا تزال هناك مخاوف متزايدة بشأن احتمال حدوث فشل سابق لأوانه بسبب التضاؤل ، لا سيما في المناطق ذات الضغط المرتفع والقص العالي.
يبين الشكل 6 فشل عدم الترابط لأوراق FRP المربوطة خارجيًا. وبالإضافة إلى ذلك ، فإن تدعيم FRP المستنفد خارجيًا غير محمي بشكل نسبي ضد أحمال التآكل والتأثير. كما يمكن أن يتأثر الأداء الهيكلي لـ FRP المستنفد خارجيًا بشكل كبير بالظروف البيئية القاسية.

نظام FRP المقترب من السطح (NEAR-SURFACE-MOUNTED FRP)

یؤدي نظام FRP المقترب للسطح (NSM) الی حلول عاریة من حدوث حالات فشل من نوع عدم الترابط، والتي يتم ملاحظتها بشكل متكرر من خلال استخدام التدعيم المستقر خارجيًا. يمكن إدراج قضبان أو شرائط FRP في أخاديد مبنية خصيصًا داخل طبقة التغطية الخرسانية ، و تربط بالخرسانة باستخدام مواد لاصقة إبوكسية كما هو موضح في الشكل 7. وتصبح تقنية NSM جذابة بشكل خاص لتقوية الثني في نواحي العزوم السالبة للبلاطات والمسطحات. ، حيث يتعرض التدعيم الخارجي للضرر الميكانيكي والبيئي وسيتطلب تغطية واقية ، والتي يمكن أن تتداخل مع وجود التشطيبات الأرضية. تم استخدام قضبان الصلب NSM في أوروبا منذ عام 1947. أظهرت الاختبارات على الحزم الخرسانية المقواة بالقضبان الفولاذية وغيرها من قضبان الصلب المملوءة في الأخاديد المنشورة بالماس سلوكًا متطابقًا لكلتا المجموعتين من العينات. أظهر تقوية الانحناء أو القص مع قضبان NSM FRP قدرة أكبر على التثبيت مقارنة مع شرائح FRP المستقرة خارجيا. تم دراسة جدوى شرائط و قضبان NSM FRP تجريبيا من قبل العديد من الباحثين. أظهرت نتائج الاختبار أن كفاءة شرائح NSM FRP ، ثلاثة أضعاف الشرائط المستقطعة خارجياً. تم التحقيق في منهجية عامة لتقييم طول أشرطة NSM FRP من تكوينات مختلفة من قبل المؤلفين. ويستند هذا النموذج إلى إجراءات توافق التوازن والإزاحة باستخدام تحليل العناصر المحدودة. يوضح الشكل 8 تمثيلًا تخطيطيًا لضغوط الشد الرئيسية حول شريط FRN الخاص بـ NSM. يعتمد الطول المستخدم للأشرطة بشكل كبير على أبعاد القضبان، خواص الخرسانة ، خواص اللصق ، نسبة تقوية الفولاذ الداخلية ، تكوين التدعيم ، نوع التحميل و عرض الأخدود.

من الممکن حدوث نوعين مختلفين من فشل عدم الترابط لقضبان NSM FRP. يرجع السبب الأول في الفشل إلى فصل غلاف الإيبوكسي نتيجة لضغط الشد العالي في واجهة FRP-epoxy ، ويطلق عليه “فشل الانقسام الإيبوكسي”. زيادة سمك غطاء الايبوكسي تقلل من ضغوط الشد المستحدثة بشكل كبير. اضافتاً الی ذلك ، استخدام المواد اللاصقة ذات قوة الشد العالية يؤخر الإخفاق الإيبوكسي. يتكون الانقسام الانبوبي الإيبوكسي عادة مع تكسير طولي من خلال غطاء الايبوكسي. أما النمط الثاني من الفشل ، فيعزى إلى تكسير الخرسانة المحيطة بمادة لاصقة من الإيبوكسي ، ويطلق عليها “فشل انقسام الخرسانة”. يحدث هذا النمط من الفشل عندما تصل ضغوط الشد في السطح الخرساني الإيبوكسي إلى قوة الشد للخرسانة. توسيع الأخدود يقلل من إجهاد الشد المستحدثة في واجهة الخرسانة والايبوكسي ويزيد من الأحمال المسببة لعدم الترابط من قضبان NSM.

تستند النمذجة التحليلية لشرائح FRP من NSM على نموذج القص – الانحناء لصفائح FRP المستقرة خارجيا. يتم تعديل النموذج ليحاسب المنطقة المترابطة بشكل مزدوج من قضبانNSM. بالنسبة للحزم المستویة فی طرفیها علی مفاصل (دون عزوم انحناء) الخاضعة لحمل مركز P ، في منتصف المدى ، يمكن التعبير عن إجهاد القص عند نقطة قطع الشريط r من حيث اللحظة الفعالة للقصور الذاتي ، Jeff ، وسمك قطاع FRP ، tf ، على النحو التالي:

Ef هو معامل المرونة لشريط FRP ، Ec معامل المرونة للخرسانة ، Ga هو معامل المرونة في القص للمادة اللاصقة ، fa هو سمك المادة اللاصقة ، 10 هو الطول غير المربوط للشريط و Y هي المسافة من الشريط إلى المحور المحايد للمقطع المعدل. یتعین الإنفصال المبكر لأشرطة NSM FRP بقوة القص الخرسانة. تتميز المكونات الأخرى للنظام مثل لاصق الإيبوكسي قضبان FRP بالقوة الممتازة وخصائص الالتصاق مقارنة بالخرسانة. ومن خلال معرفة قوة الخرسانة والضغط للخرسانة ، يمكن التعبير عن خط Mohr-Coulomb ، الذي هو محور لدوائر Mohr من أجل للشد النقي والضغط النقي ، ويمكن التعبير عن ضغط القص النقي بالحرج لدائرة القص الصرفة على النحو التالي:

حيث Ie هي قوة الضغط للخرسانة بعد 28 يومًا لنفترض انها قوة الشد للخرسانة.
بشكل عام ، يجب تحديد حدود تدعيم الأعضاء الخرسانية المعاد تأهیلها بـ FRP ، بحيث یتمکن العنصرالخرساني بقدرة كافية على مقاومة الأحمال الذاتیة والحية على الأقل في حال فقدان تدعيم FRP.