بررسی استفاده از FRP در مقاوم‌سازی ستون‌های بتنی تحت بارها و عوامل مختلف

علاوه بر سوانح طبیعی که باعث تخریب سازه‌های ناکارآمد می‌گردند، شرایط جوی و آب و هوایی نامناسب و وجود یون‌هایی مانند کربن دی‌اکسید، سولفات دی‌اکسید و غیره نیز در بلندمدت بر سازه‌های بتنی تأثیر گذاشته و باعث می‌گردد که این سازه‌ها به طور پیوسته به سمت زوال و کاهش ظرفیت باربری، پیش روند. از سوی دیگر بسیاری از این سازه‌ها (مانند پل‌ها و فرودگاه‌ها)، با استفاده از آیین‌نامه‌های قدیمی طراحی شده‌اند که نشانگر ظرفیت و مقاومت کمتر آن‌ها می‌باشد و ممکن است در طول عمر مفید خود، تحت بارهای افزایشی بسیاری قرار گیرند. یک راه مناسب برای مقابله با زوال و بارهای افزایشی، که از لحاظ کاربردی و اقتصادی کارآمد می‌باشد، بازیابی و یا افزایش ظرفیت به وسیله‌ی تجهیز کردن، مقاوم‌سازی است. روش‌های سنتی برای مجهزسازی سازه‌های بتن آرمه شامل محصور کردن صفحات فلزی و پس کشیدگی می‌باشد که به دلیل مشکلاتی مانند تغییر سختی ستون، تأثیر برنیروی لرزه‌ای و نیاز به تجهیزات سنگین، با محدودیت‌هایی مواجه هستند. اما با پیشرفت تکنولوژی، استفاده از تکنولوژی جدید الیاف پلیمری تقویت‌شده (FRP) از محبوبیت بسیاری برخوردار شده است. این موضوع به دلیل نیاز به نگهداری و افزایش مقاومت شالوده‌های سازه‌های مهم در سراسر دنیا و همچنین مزایای استفاده از این الیاف مانند مقاومت در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی در برابر مواد شیمیایی، امکان جا به جایی و نصب آسان، زمان ساخت کم، نسبت مقاومت به وزن زیاد، نسبت سختی به وزن زیاد و همچنین توانایی نصب بر روی اکثر سطوح، می‌باشد. یکی از کاربردهای مهم الیاف‌های پلیمری برای مقاوم‌سازی سازه‌ای، افزایش مقاوم‌سازی ستون‌های بتنی می‌باشد. در دهه‌های اخیر، مقاوم‌سازی ستون‌ها به وسیله‌ محصورشدگی با FRP، محبوبیت بسیاری کسب کرده است. تعمیر و مقاوم‌سازی ستون‌های بتن آرمه به وسیله‌ی کامپوزیت‌های پلیمری شامل الیاف پوششی، محفظه‌ای و اسپری می‌باشد.  نمونه‌ای از این روش‌ها در شکل (1) نمایش داده شده است. مقاوم‌سازی ستون‌های بتنی، بدون ایجاد تغییر در سختی ستون، از دیگر مزایای استفاده از  الیاف‌ frp می‌باشد. نمودار تنش کرنش نمونه‌ای از ستون مقاوم‌سازی شده با ستون معمولی در شکل (2) نشان داده شده است.

شکل (1) مقاوم‌سازی ستون‌های بتنی با FRP: اسپری – محفظه‌ای – پوششی

شکل (2) نمودار تنش کرنش ستون مقاوم نشده و مقاوم شده با پوشش FRP

به طور کلی، ستون‌ها برای افزایش ظرفیت محوری، خمشی و برشی و به دلایل مختلفی مانند عدم محصورشدگی، بارهای خارج از مرکز، بارهای ضربه‌ای و خوردگی مقاوم‌سازی می‌گردند. در حالت بارگذاری بر روی ستون، انبساط جانبی بتن توسط پوشش FRP، محدود می‌گردد. بعد از پیدایش ترک‌های داخلی، ضریب پواسون بتن که در محدوده‌ی 0.2-0.15 می‌باشد، شروع به افزایش می‌کند. در نتیجه بتن با شدت بیشتری به صورت غیر‌خطی و در جهت جانبی، انبساط می‌یابد. این تغییر شکل ناپایدار، فشاری به سمت بیرون به الیاف وارد می‌سازد که باعث می‌شود کرنش حلقه‌ای در FRP ایجاد گردد. در نتیجه الیاف فشاری داخلی به هسته‌ی بتن وارد می‌سازد که باعث محدود شدن انبساط جانبی هسته‌ی بتن می‌شود و ظرفیت باربری و شکل‌پذیری افزایش می‌یابد. در ستون‌های استوانه‌ای، بتن به صورت یکنواخت در جهت جانبی منبسط می‌گردد. به همین دلیل فشار محدودکننده‌ی یکنواخت از الیاف به آن وارد می‌شود. اما در ستون‌های غیر دایره‌ای، به دلیل شکل سطح مقطع، فشار FRP و انبساط بتن یکنواخت نمی‌باشد. در ستون‌های مربعی و مستطیلی، انبساط جانبی بتن در سطح صاف مقطع، تغییر شکل خمشی در FRP ایجاد می‌کند و مقاوم‌سازی الیاف زمانی به صورت مفید فعال می‌شود که بتن در قسمت خمش یافته و سهمی‌وار، ترک بردارد. تأثیر مقاوم‌سازی با FRP، معمولاً در نقاط تیز کمتر می‌شود زیرا که باعث گسستگی نا به هنگام الیاف FRP به دلیل تیزی یا تمرکز تنش می‌شود. برای جلوگیری از این شرایط، نقاط تیز ستون‌های غیر دایره‌ای، به صورت گرد برش داده می‌شوند. این شکل مقطع جدید، باعث افزایش سطح مقطع مؤثر در مقاوم‌سازی می‌شود. جزئیات سطح مقطع مؤثر در انواع ستون‌ها در شکل (3) نمایش داده شده است.

شکل (3) سطح مقطع مؤثر در انواع ستون‌های بتنی

مطالعات گذشته نشان داده است که استفاده از انواع محصولاتFRP در جهت جانبی، باعث افزایش ظرفیت باربری و کرنشی بتن، تحت بار محوری، می‌گردد که بسته به نوع ستون باید نوع مناسب انتخاب گردد. به عنوان مثال، در الیاف پوششی و ستون‌های استوانه‌ای، اگر FRP به صورت نشان داده شده در شکل (4) و به دو صورت a: (بدون زاویه- زاویه- بدون زاویه) و b: (زاویه- بدون زاویه- زاویه) نصب گردد، در هر دو حالت، مقاومت محوری فشاری و شکل‌پذیری بالاتری نسبت به حالت غیر مقاوم حاصل می‌گردد. اما شکل با حالت a، ظرفیت کرنشی و تنش محوری بالاتری از خود نشان می‌دهد. همچنین مطالعات بیان می‌دارد که ترکیب شکل و مقدار زاویه پوشش‌ها، مقاومت و شکل‌پذیری متفاوتی ایجاد می‌سازد که بسته به مقدار تقاضا باید بهترین نوع پوشش تعیین گردد.

شکل (4) دو نوع پوشش FRP در ستون استوانه‌ای

مقاوم‌سازی ستون‌های بتنی تحت بار متمرکز

در ستون‌ها با بار محوری متمرکز و مقاوم شده با FRP، افزایش ظرفیت تغییر شکل محوری، به طور چشمگیری نسبت به ستون‌های مقاوم نشده، دیده شده است. این افزایش شکل‌پذیری با سختی الیاف نسبت معکوس دارد به این معنا که برای افزایش مقاومت، الیاف با شکل‌پذیری محدودتر مورد نیاز می‌باشد. علاوه بر این، با پوشش FRP، کمانش میلگردهای طولی و گسترش ترک‌ها محدود می‌گردد.

نتایج تحقیقات بر روی ستون‌های مقاوم شده با FRP و تحت بار متمرکز نشان می‌دهد که ظرفیت کرنش محوری با شدت بیشتری نسبت به ظرفیت تنش محوری افزایش می‌یابد. همچنین نتایج آزمایشگاهی بر روی ستون‌های مقاوم شده بیان می‌دارد که افزایش ظرفیت بار محوری، به متغیرهای بسیاری از جمله انواع مشخصه‌های کامپوزیت‌های FRP مثل مقاومت بتن، شکل سطح مقطع و شدت بار محوری بستگی دارد.

مقاوم‌سازی ستون‌های بتنی تحت بار با خروج از مرکزیت

در عمل، بیشتر ستون‌های یک سازه، تحت بار محوری با خروج از مرکزیت قرار دارند. که این عامل سبب می‌شود تنش غیر خطی در سطح ستون به وجود آید. مطالعات نشان می‌دهد که به طور کلی بار با خروج از مرکزیت، ظرفیت بار محوری و تغییر شکل محوری ستون را کاهش می‌دهد که با مقاوم‌سازی ستون با الیاف پلیمری، مقداری از این ظرفیت بازیابی می‌گردد. نتایج تحقیقات پیشین بیانگر این است که پوشش‌های طولی FRP، باعث افزایش ظرفیت مقاومت نهایی ستون می‌شوند و پوشش‌های عرضی شکل‌پذیری را در ستون بتن آرمه افزایش می‌دهند. تعداد لایه‌های FRP، بر روی ظرفیت بار فشاری تأثیر بسیاری دارد و هر چه قدر خروج از مرکزیت افزایش یابد، این ظرفیت برای الیاف ثابت، کاهش می‌یابد. با افزایش قطر ستون مقاوم شده ظرفیت تغییر شکل جانبی افزایش می‌یابد.

مقاوم‌سازی ستون‌های بتنی تحت بار ضربه‌ای

ستون‌های پل‌ها، به دلیل افزایش ترافیک، همواره در معرض بار کاملاً دینامیکی وسایل نقلیه قرار دارند که به صورت ضربه‌ای بر آن‌ها وارد می‌شوند و باعث خسارت، شکست ستون‌ها، شکست اتصالات یا در بعضی مواقع شکست کل سازه می‌گردند. مقاوم‌سازی با الیاف پلیمری روشی مناسب برای مقاوم‌سازی این ستون‌ها می‌باشد.

مقاوم‌سازی ستون‌های بتنی تحت بار لرزه‌ای

همانگونه که بیان گردید، سازه‌های بتن آرمه ممکن است به طور مناسبی در برابر بارهای لرزه‌ای طراحی نشده باشند. فروشکست ستون‌های بتن آرمه, عموماً به دلیل شکست بتن در اثر محصورشدگی کم، گسیختگی میلگردهای عرضی و کمانش میلگردهای طولی می‌باشند. در ستون‌ها، حداکثر خمش و کرنش در انتهای آن‌ها اتفاق می‌افتد. در حین یک زلزله، نواحی خارج از مرکز پلاستیک، در ناحیه‌ی الاستیک باقی می‌مانند و خسارت در مفاصل پلاستیک ایجاد می‌گردد. بنابراین طول مفاصل پلاستیک مهم می‌باشد. زیرا که علاوه بر نمایش طول نواحی آسیب‌دیده‌ی ستون، در ظرفیت دریفت نیز تأثیرگذار است.سیستم FRP به عنوان جایگزین راهکارهای مقاوم سازی مرسوم، می‌تواند رفتار لزره‌ایی سازه را بدون افزایش وزن آن، بهبود بخشد.

وقتی مقدار پوشش FRP ستون‌های مقاوم‌سازی شده افزایش یابد، ظرفیت انحنای سطح مقطع افزایش می‌یابد، اما ظرفیت دریفت می‌تواند افزایش یا کاهش یابد. این موضوع به دلیل این است که ظرفیت دریفت از طول مفاصل پلاستیک و انحنای مقطع توامان تأثیر می‌پذیرد. اما به طور کلی مطالعات نشان می‌دهند که کامپوزیت‌ FRP، ظرفیت دریفت و بار جانبی را افزایش داده و خسارت را به مقدار چشمگیری کاهش می‌دهند.

مقاوم‌سازی ستون‌های بتنی در برابر خوردگی

ستون‌های بتن آرمه، قابلیت خوردگی در شرایط جوی دریایی، آتش و یخ‌زدگی را دارا هستند. رفتار ستون‌های مقاوم‌سازی شده با الیاف پلیمری نشانگر مقاومت ستون در برابر این شرایط می‌باشد. این موضوع به ویژه درمورد پوشش‌های کربنی CFRP، صادق می‌باشد. علاوه بر این، سرعت خوردگی در ستون‌های آسیب‌دیده مقاوم شده به شدت کاهش می‌یابد.

نحوه‌ی استفاده از پوشش‌های الیاف پلیمری به صورت شماتیک در شکل (5) نمایش داده شده است.

مقاوم‌سازی ستون‌های بتنی در برابر برش

تحقیقات نشان داده است که پوشش‌های FRP، رفتار کلی برشی ستون‌های بتن آرمه را بهبود می‌بخشد اما تغییر شکل‌های برشی به دلیل مودهای شکست و پارگی الیاف، کاهش می‌یابد. انتقال تنش از بتن به FRP، یک پارامتر مهم برای مقاوم‌سازی با الیاف پلیمری می‌باشد، زیرا ممکن است باعث شکست ترد گردد. مقاله ” چگونه ساختمان خود را با سیستم FRP تقویت کنیم؟ ” اطلاعات مفیدی را در رابطه با مکانیزم FRPدر تقویت انواع المان‌های سازه‌ایی، ارائه می‌دهد.

شکل (5) استفاده از پوشش FRP در ستون آسیب‌دیده

نتیجه گیری

در این مطالعه، علت، شرایط و محدودیت‌های استفاده از FRP در مقاوم‌سازی ستون سازه‌های بتن آرمه ذکر گردید و نتایج کلی حاصل از مطالعات گذشته مورد بررسی قرار گرفت. تحقیقات بیانگر این موضوع هستند که به طور کلی استفاده از الیاف FRP، باعث افزایش ظرفیت باربری و شکل‌پذیری ستون‌ها تحت انواع بارها و خوردگی می‌باشند.

منابع

1. Hassan Baji, Hamid Reza Ronagh, Chun-Qing Li,(2016)”Probabilistic assessment of FRP-confined reinforced concrete columns”,Composite Structures,Volume 153,2016,Pages 851-865,ISSN 0263-8223.
2. Parvin, Azadeh & Brighton, David. (2014). FRP Composites Strengthening of Concrete Columns under Various Loading Conditions. Polymers. 6. 1040-1056. 10.3390/polym6041040.
3. Shahzad Saleem, Amorn Pimanmas, Winyu Rattanapitikon (2018),”Lateral response of PET FRP-confined concrete”,Construction and Building Materials,Volume 159 ,Pages 390-407,ISSN 0950-0618,
4. Hanan Al-Nimry, Ahmad Soman, (2018),”On the slenderness and FRP confinement of eccentrically-loaded circular RC columns”,Engineering Structures,Volume 164,2018,Pages 92-108,ISSN 0141-0296,
5. Shin, Jiuk & Jeon, Jong-Su & Kim, J. (2018). Mainshock-aftershock response analyses of FRP-jacketed columns in existing RC building frames. Engineering Structures. 165. 315-330. 10.1016/j.engstruct.2018.03.017.

گردآورنده : زهرا روشن فکر راد