مقاوم سازی با FRP

مقاوم سازی با FRP

پلیمر مسلح شده با فیبر Fiber Reinforcement Polymer

سیستم‌‌ مقاوم سازی با FRP ، یکی از روش نوین مقاوم سازی و پوشش محافظتی در صنایع مختلف می باشد. مصالح

(FRP (Fiber Reinforcement Polymer یا پلیمر تقویت شده با فیبر که امروزه کاربرد زیادی در ترمیم، تقویت و مقاوم سازی سازه ی بتنی و فلزی و نیز صنعت کامپوزیت دارند، از دو جزء اساسی تشکیل می‌شوند؛ فایبر (الیاف) و ماتریس (رزین). فایبر یا الیاف FRP که دارای مشخصات فنی الاستیک و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در ماده FRP محسوب می‌شوند. فیبرهای تشکیل دهنده FRP می توانند در یک راستا یا در دو راستای عمود بر هم قرار داشته باشند. رزین FRP نیز اصولاً به عنوان یک محیط چسباننده عمل می‌کند که فایبر را درکنار یکدیگر نگاه می ‌دارد.

الیاف کامپوزیت FRP با چسب‌ و رزین مستحکم بمنظور تقویت سازه به سطح بتن چسبانده می‌شوند. الیاف و ورقه FRP پوشش مناسبی جهت ایزوله کردن و مقاوم سازی بتن سازه آبی از محیط خورنده مجاور هستند. همچنین از ورقه کامپوزیتی FRP جهت تعمیر و تقویت سازه ی آسیب دیده (ناشی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آب یون‌دار) استفاده می‌شوند.

دلایل استفاده روز افزون از FRP در پروژه مقاوم سازی را می‌توان به صورت زیر لیست کرد:

  1. افزایش تولید، تامین و توزیع وسیع که باعث کاهش قیمت FRP و خرید و فروش FRP شده است.
  2. بهبود خصوصیات الیاف و رزین مصالح FRP در سال های اخیر، سبب بکارگیری آن در اکثر پروژه  مقاوم سازی شده است.
  3. خواص ضد خورندگی مواد FRP در کنار مقاومت مکانیکی بالا سبب شده است که دو مقوله مقاوم سازی تقویت سازه و پوشش ضد خوردگی در سازه ی بتنی، فولادی، پل، لوله، مخازن و تاسیسات پتروشیمی و صنعتی، به صورت همزمان با صرفه جویی در زمان و هزینه صورت گیرد.
  4. استفاده از FRP در تقویت سازه بتنی، ارزان تر از تخریب اجزای سازه بتن آرمه و مقاوم سازی با روش سنتی شده است.
  5. روش تولید اصلاح شده کامپوزیت FRP، منجر به تولید محصولاتی با خواص مقاومتی و مشخصات فنی بالاتر و کاهش قیمت FRP تولید شده است.
  6. بهینه کردن ترکیب فیبر اف آر پی با ماتریس چسب اف ار پی (رزین اپوکسی FRP) برای سازگاری مناسب تر با یکدیگر در سیستم FRP در عملیات بازسازی و تقویت سازه امکان پذیر شده است.

مزایای سیستم FRP در مقاوم سازی

مقاوم‌ سازی با FRP- مقاوم‌سازی پایه های پل

مزیت مصالح FRP در ترمیم و تقویت سازه نسبت به روش مقاوم سازی سنتی عبارتند از:

  • وزن مصالح FRP بسیار ناچیز است که یکی از اهداف تقویت و مقاوم سازی سازه می باشد. با اینکه FRP ها نسبت به فولاد و بتن بسیار سبک تر هستند ولی دلیل اصلی کاربرد آنها در مقاوم سازی سازه بدلیل عوامل زیر است.
  • ضخامت کم لایه های FRP (در حد میلی‌متر)، باعث می‌گردد تا استفاده از آنها در مقاوم سازی سازه، اضافه فضا نداشته باشد.
  • استفاده از FRP برای تقویت و مقاوم سازی ساختمان نیاز به زمان زیادی ندارد و اعضای مقاوم سازی شده در زمان بسیار کوتاهی آماده سرویس دهی می شوند.
  • FRP مقاومت بالایی در مقابل خوردگی دارد. این امر سبب می‌گردد تا علاوه بر مقاوم سازی سازه بدلیل خواص نفوذ ناپذیری بالا اعضای سازه ای را از عوامل خورنده محافظت کند و نیاز به تعمیرات دوره ای را حذف کند.
  • توانمندی بالای مصالح FRP در محاسبات فنی و طراحی (سختی، مقاومت و شکل پذیری)، آنها را به سیستم های بی نظیر در مقاوم سازی تبدیل کرده است.
  • عدم توقف کاربری در زمان اجرای مقاوم سازی با FRP

مشکلات استفاده از کامپوزیت FRP در تقویت و مقاوم سازی سازه

  • طراحی و محاسبات مصالح FRP در بهسازی و مقاوم سازی سازه بدلیل رفتار غیر ایزوتروپ نسبت به فولاد و بتن متفاوت تر است.
  • در روش تقویت سازه با FRP، انتخاب نسبت مناسب الیاف به رزین، نوع الیاف و رزین مصرفی، مواد تکمیل کننده مورد نیاز و نیز نصب و اجرای لایه ها نیاز به دقت فراوانی دارد.
  • شکل پذیری پایین مصالح FRP، سبب می‌شود تا برآورده کردن بندهای مطلوب آئین نامه های مقاوم سازی، مستلزم رعایت برخی محدودیت‌ کرنش گسیختگی در کشش برای این مصالح گردد.
  • بدلیل ضعف نسبی مصالح FRP در برابر حریق و آتش سوزی، در پروژه مقاوم سازی نیاز است تا پوشش اضافی بر روی لایه‌ FRP اجرا گردد که باعث می شود هزینه مقاوم سازی بالا رود.

انواع مصالح FRP مورد استفاده در مقاوم سازی

دو نوع کلی از مصالح FRP در ساخت، بهسازی و مقاوم سازی سازه‌ها به کار می‌روند. این دو نوع عبارتند از میله ­FRP یا میلگرد FRP و مصالح پوششی FRP. علاوه بر این دو نوع، پروفیل FRP به صورت I شکل، ناودانی، قوطی و نبشی نیز امروزه در ساخت سازه جدید و بازسازی ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرند.

الف) میلگرد FRP

از انواع میلگرد FRP (آرماتور FRP) که از سه نوع الیاف شیشه GFRP، الیاف کربن CFRP و الیاف آرامید AFRP به همراه رزین اپوکسی، پلی استر و وینیل استر تولید می‌شوند، امروزه در صنایع مختلف و روش مقاوم سازی ساختمان استفاده فراوانی می‌گردد. یکی از روشی که از میلگرد FRP برای تقویت لرزه ای سازه و مقاوم سازی استفاده می‌شود، روش نصب نزدیک سطح NSM می باشد که خود شامل روش NSM FRP Rods و NSM FRP Strips می باشد.

ب) پوشش FRP

پوشش FRP عمدتاً برای مقاوم سازی و بهبود و تقویت رفتار سازه ی موجود یا تعمیر خرابی‌ ایجاد شده در سازه ی فعلی به عنوان یک روش نوین در مهندسی به کار می‌روند. همانگونه که اشاره شد، ویژگی‌ کلیدی که این مصالح را برای مقاوم سازی مناسب می‌سازد، خواص غیر قابل خوردگی و مقاومت بالا نسبت به وزن است. از این رو تکنیک‌ مختلفی برای تقویت سازه بتنی نظیر روش زیر بوجود آمده است. پوشش FRP که به سطح خارجی یک عضو بتنی یا هر سطح دیگری می‌چسبند، به روش EBR- Externally Bonded Reinforcement معروف هستند.

مقاوم سازی با FRP- مقاوم‌سازی دالها

مقاوم سازی با FRP- پلیمر مسلح شده با فیبر

سه نوع از پوشش FRP برای بازسازی، تعمیر، بهسازی، تقویت و مقاوم سازی سازه‌ مورد استفاده قرار می‌گیرند.

  • پوشش دست ساز FRP

در این نوع پوشش FRP، ابتدا سطح عضو بتن‌آرمه آماده شده و یک لایه چسب یا رزین روی آن اجرا می‌گردد. سپس الیاف بافته شده در یک راستا یا چند راستا با دست روی سطح مورد نظر نصب می‌گردد. به این ترتیب پس از خشک شدن، یک لایه‌ پوشش کامپوزیت FRP به صورت چسبیده بر روی سطح عضو ایجاد می‌شود. در این روش، الیاف FRP به صورت پارچه کربن، شیشه یا آرامید (یک جهته یا چند جهته) می باشد.

  • ورق FRP یا صفحات و لمینیت پیش ساخته‌ مرکب

در این حالت، کامپوزیت FRP به صورت صفحات، لمینیت یا تسمه های یک جهته در کارخانه ساخته می‌شوند. در اعضای تخت مانند دال‌ها و تیرها، تسمه ها و ورقه پیش ساخته‌ FRP روی سطح تمیز شده‌ی عضو با استفاده از چسب و رزین مناسب، چسبانده می‌شوند. عرض این تسمه‌ها معمولاً بین 5 تا 15 سانتی‌متر متغیر است.

  • ورقه ماشینی

در این سیستم، الیاف FRP به صورت خشک یا پیش آغشته شده به چسب و رزین FRP بکار می‌روند. یک محفظه‌ حرارتی یا کورهی نگه دارنده همراه برای عمل آوری کامل لایه های چسبیده FRP به عضو بتن‌آرمه به کار می‌روند.

تقویت و مقاوم سازی با ورق های FRP

راهکار مقاوم سازی با FRP

پروژه ترمیم، بازسازی و مقاوم سازی با FRP ، امروزه بسیار فراگیر شده و آسیب و ضعف سازه ای می‌توان با استفاده از مصالح FRP تقویت کرد.

ارتباط از جمله مسائل بسیار قابل توجه، زوال الیاف پلیمری مسلح کننده نظیر آرامید است. به عنوان مثال برای آرامید ساخته شده از الیاف نازک پس از پنج هفته قرار گرفتن در نور آفتاب فلوریدا، 50 درصد افت مقاومت گزارش شده است. با این وجود این اثر معمولاً سطحی است؛ بنابراین در کامپوزیت‌های ضخیم‌تر، تأثیر این زوال بر خصوصیات سازه‌ای جزئی است. در مواردی که خواص سطحی نیز مهم تلقی شوند، لازم است ملاحظاتی را جهت کاهش ترک‌خوردگی سطحی تحت اشعه خورشید، منظور نمود.

به دنبال فرسوده شدن سازه‌های زیر‌بنایی و نیاز به تقویت سازه‌ها برای برآورده کردن شرایط سخت‌گیرانه 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 FRP به‌عنوان مسلح‌ کننده 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 دهه 1980 توسعه بسیار زیادی در زمینه استفاده از مواد FRP در مقاوم‌‌سازی سازه‌های مختلف مشاهده می‌شود؛ بطوری‌که دامنه کاربردهای آن به سازه‌هایی با مصالح بنایی، چوبی و حتی فلزی نیز گسترش یافته است. اجزاء سازه‌ای مختلفی شامل تیرها، دال‌ها، ستون‌ها، دیوارهای برشی، اتصالات، دودکش‌ها، طاق‌ها، گنبدها و خرپاها تاکنون توسط مصالح FRP مقاوم شده‌اند.

در مقایسه با استفاده از تنگ ها و مارپیچ های فولادی، تکنیک محصورسازی با استفاده از FRP قابلیت این را دارد که محصور شدگی را به صورت پیوسته برای تمام مقطع عرضی ستون تامین کند. همچنین این مواد دارای خواص ذاتی مطلوبی (نسبت زیاد مقاومت به وزن و مقاومت بالا در برابر خوردگی و خنثی بودن الکترومغناطیسی) هستند به گونه‌ای که می‌توان در مقاوم سازی و بازسازی اعضای بتنی به طور موفقیت آمیزی از آنها بهره گرفت.

FRP می‌تواند در تیرها و دال های بتنی به عنوان جایگزین تمام یا بخشی از میلگردهای کششی مورد نیاز به کار رود. همچنین در اتصالات بتنی می‌تواند استفاده گردد و شکل پذیری اتصال را افزایش دهد. از FRP در تقویت دیوارهای برشی نیز استفاده می گردد. FRP می‌تواند شکل پذیری دیوارهای بنایی را افزایش داده و آنها را مهار نماید.

تقویت اتصالات با FRP 

اتصالات آسیب پذیرترین قسمت سازه بوده و در عین حال سخت ترین جز سازه جهت تقویت می‌باشند. تقویت توسط FRP یکی از موثرترین و ساده ترین روش های تقویت اتصالات سازه می باشد.

 تقویت برشی تیر با FRP

بهترین شیوه تقویت برشی تیرها Wrapping توسط ورقهای FRP می باشد. همچنین به راحتی و به شکل بسیار موثری می‌توان تیرها را توسط FRP تقویت خمشی نمود.

تقویت دیوار برشی با FRP

FRP می‌تواند تاثیر زیادی در تقویت خمشی و برشی دیوارهای برشی داشته باشد.

افزایش مقاومت فشاری بتن با FRP

FRP کاربردهای فراوانی در تقویت ستونهای بتنی دارد. از FRP میتوان برای تقویت خمشی ستون ها، افزایش مقاومت مشخصه بتن و افزایش شکل پذیری (اثر محصور شدگی) استفاده نمود. به علت ضخامت کم ورقهای FRP، این روش یکی از راه‌های مناسب برای تقویت ستون ها است چرا که در معماری ساختمان خللی ایجاد نمی نماید. تاثیر عمده تقویت توسط FRP، در ستونهای دایره‌ای شکل بوده ولی ستون های مربع یا مستطیل را می توان با گرد کردن گوشه ها به صورت مناسب جهت تقویت با FRP تبدیل نمود.

تقویت داده‌های بتنی توسط FRP

یکی از ابزار کمکی برای بهبود خواص دال های بتنی که نیاز به تقویت دارند، پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP) می‌باشند که در شرایط مختلف با اهداف مختلف و به اشکال مختلف به دال ها متصل می‌شوند.

تقویت خمشی دال‌های بتنی توسط FRP

در دهانه های تقویت شده با CFRP در دال‌های دوطرفه، ورق‌های CFRP می‌توانند برای حفظ و حتی افزایش ظرفیت اولیه باربری دال های بتنی دوطرفه دهانه دار مورد استفاده قرار بگیرند. برای دال های تقویت شده با CFRP ظرفیت حمل بار در مقایسه با تیر ضعیف شده 12.5 تا 24 درصد افزایش یافته است.

رفتار دال های تقویت شده با FRP تست شده تا زمان نقص، الاستیک دوخطی می باشد. سفتی دال ها تقویت شده با تقویت شبکه CFRP پس از آغاز ترکها در مقایسه با دال تقویت شده با فولاد به طور قابل توجهی کاهش می یابد. برای اطمینان از سفتی انعطافی کافی جهت کنترل اعوجاج نیاز به نسبت های تقویت بالاتر است.

برای تقویت شبکه FRP گنجانده شده در بتن، میله های عرضی، مهار میله های طولی را تامین میکنند. در این مورد فضابندی میله های شبکه، ترک را کنترل میکند. اعوجاج تابعی از سختی تقویت و نسبت واقعی تقویت مورد استفاده در دال است. دال ها تقویت شده با FRP خصوصاً با نسبت کوچکتر تقویت، قبل از ایجاد نقص از طریق اعوجاج ها نسبتاً بزرگ و عرض ترک های وسیع، هشدار لازم را می دهند.

تست های آزمایشگاهی اعتبار و اثربخشی تقویت با شبکه CFRP برای استفاده در دالهای بتنی تقویت شده را نشان میدهند که در آن طراحی عمدتاً تحت تنظیم معیار قابلیت سرویس دهی است. تطابق نزدیک در رفتار انعطافی بین دال های مختلف نشان می دهد که دال تقویت شده با FRP  باید با یک کشش انعطافی معادل تقویت با فولاد، بیشتر تقویت شوند. FRP می‌تواند مقاومت دالهای بتنی را در برابر خمش چندین برابر افزایش داده و شکست دال های بتنی تقویت شده با FRP به صورت ناگهانی و غالباً در محل ایجاد نقص در FRP روی می‌دهد.

نوارهای CFRP به صورت پوشش بیرونی ظرفیت باربری دال ها تقویت شده را افزایش میدهند. علاوه بر این در دال های تقویت شده نسبت به دال تقویت نشده ترکهای ایجاد شده کوچکتر و به طور یکنواخت تری توزیع گردیده اند.

  • مقاوم سازی دال ها با میزان فولاد کششی 25 درصد فولاد معادل، مقاومت نهایی تیر در حدود 31-62 درصد افزایش می‌دهد.
  • مقاوم‌ سازی دال‌ها با میزان فولاد کششی ۵۰ درصد فولاد معادل، مقاومت نهایی تیر را در حدود 22-50 درصد افزایش می‌دهد.

راهکار مقاوم سازی با FRP

  • ترمیم و تقویت با مصالح FRP و پوشش با رزین مناسب نظیر اپوکسی
  • بازسازی بتن و جایگزینی آرماتور فولادی با میلگرد FRP
  • تقویت سازه ای المان و اجزا توسط مصالح FRP
  • تزریق رزین اپوکسی و هاردنر در اجزای سازه و یا محافظت بتن توسط پوشش پلیمری FRP ضد اسید
  • پوشش اجزا با FRP
  • جایگذاری میلگرد FRP به جای میل گردهای پوسیده شده بتن
  • جایگزینی بتن جدید و دور پیچی المان های ستونها، تیرها و کفها با الیاف FRP
  • تامین کمبود مقاومت با پروفیل ها، و ورق FRP کامپوزیت
  • مقاوم سازی با سیستم ترکیبی پلیمری FRP و روش سنتی
  • مقاوم سازی با ورق و الیاف CFRP و الیاف GFRP در تیر، ستون و دیوار بتنی
  • دور پیچی الیاف FRP  و محصور سازی با الیاف پلیمری در بتن
  • پکر گذاری و تزریق گروت اپوکسی و افزایش مقاومت بتن توسط محصور سازی و دور پیچی با FRP
  • تقویت خمشی توسط آئین نامه نشریه مقاوم سازی FRP
  • استفاده از سیستم مهار جانبی و تقویت موضعی اعضا با اف آر پی
  • استفاده از روش تقویت سازه و مقاوم سازی با FRP بدلیل سرعت بالای اجرای الیاف FRP، ورق FRP لمینت، و میلگرد FRP کامپوزیتی
  • ساخت سازه با سیستم کامپوزیتی FRP با مقاومت و دوام بالا در محیط های اسیدی و خورنده
  • استفاده از روش کاشت میلگرد FRP در داخل عضو بتنی بدلیل مقاومت بسیار بالای آرماتور FRP
  • مقاوم سازی سازه ی بتنی با FRP
  • جایگذاری آهن با مصالح FRP کربن یا شیشه
  • مقاوم سازی تیرها، دیوارها و ستونهای سازه بتنی با FRP
  • مقاوم سازی FRP
  • استفاده از دتایل های مناسب مقاوم سازی شرکت افزیر
  • مقاوم سازی FRP در طول و عرض تیر
  • ترمیم با استفاده از پلیمر مسلح FRP به جای روش سنتی
  • تزریق رزین و محصورسازی Confinement با الیاف اف آر پی

مشکلات مقاوم سازی با FRP

  • خوردگی و فرسایش سازه ای در فضا صنعتی، پالایشگاه و پتروشیمی
  • ترک خوردگی و کنده شدگی بتن ناشی از خوردگی
  • کاهش ظرفیت سازه ای
  • نفوذ کلرید  بتن و کربناته شدن بتن
  • خوردگی در اثر مجاورت فلزات غیر مشابه
  • خوردگی فولاد پس کششی
  • هجوم سولفات در بتن
  • تابیدگی دال ریخته شده روی سطوح بستر
  • اشتباهات و خطای محاسباتی و طراحی
  • میلگرد گذاری نادرست و اشتباه بتن
  • اجرای اشتباه خاموت
  • جدا شدگی سنگ دانه های و بتن و کرمو شدگی سطح بتن و تجمع سنگدانه ها
  • خیز غیر مجاز دال و سقف بتن آرمه
  • تغییر در کاربری سازه و بارگذاریهای اضافی ثقلی و جانبی
  • نیاز به کاهش زمان ایجاد وقفه در حین ترمیم و مقاوم سازی سازه
  • افزایش عمر مفید سازه در سازه ی دریایی
  • اتصال بتن از طریق کاشت و نیاز به میلگرد با سایز بالا بدلیل تامین طول مهاری کافی
  • ظرفیت خمشی ناکافی سازه ی بتنی
  • از بین رفتن پیش تنیدگی به دلیل خوردگی در بتن پیش تنیده
  • افزایش تعداد طبقات ساختمان بتنی
  • افزایش ظرفیت برشی
  • انتقال برش بین اعضا
  • ترک در تیر بتنی و عرشه پل
  • ضعف اتصالات بتن
  • ترک در ستون های ساختمان و پل

مقاوم سازی با FRP
4.7 (94.07%) 27 votes