الیاف کربن تک جهته CFRP

راهنمای کارفرمایان

به طور کلی منظور از مقاوم سازی بالا بردن تحمل سازه در برابر انواع نیروها خصوصا زلزله می باشد. البته هدف از انجام مقاوم سازی همیشه بالا بردن مقاومت سازه در برابر زلزله نیست و می تواند علت های دیگر از جمله تغییر کاربری و کاهش کیفیت مصالح نیز داشته باشد. مقاوم سازی ساختمان در دو دسته از انواع ساختمان ها قابل بررسی است:

• ساختمان های موجود و در حال استفاده
• ساختمان های آسیب دیده در زلزله

از آن جا که تخریب و جایگزینی ساختمان های موجود با ساختمان های جدید امری بسیار پر هزینه و زمان بر است لذا روز به روز بر اهمیت مقاوم سازی ساختمان ها افزوده می شود.

موارد نیاز به مقاوم سازی در ساختمان

در ادامه به مواردی اشاره میکنیم که در صورت رخداد هرکدام از آن ها نیاز به ارائه طرح و اجرای مقاوم سازی در ساختمان پیدا می کنیم:

خرابی های موجود در ساختمان های قدیمی

یکی از موارد شایع در ساختمان ها بروز خرابی و اشکال در طول مدت استفاده  از ساختمان است. این خرابی ها به اشکال مختلف در ساختمان ها میتوانند رویت شوند. کرمو شدن بتن، ایجاد ترک های غیر عادی و خوردگی میلگرد های موجود در تیرها، ستون ها و سقف ها را میتوان جز خرابی های رایج و متداول در ساختمان های بتنی به حساب آورد که البته تشخیص بسیاری از این موارد به راحتی امکان پذیر نیست و  نیاز به انجام روش های مختلف تست بتن شامل کرگیری، اسکن میلگرد و… دارد.

اشتباهات و خطاهای اجرایی

یکی از مهم ترین مواردی که حتما لازم است تا ساختمان توسط کارشناسان مقاوم سازی مورد بررسی قرار گیرد وقوع اشتباهاتی است که در مرحله‌ی اجرای سازه پیش می آید. این اشتباهات در ساختمان های مختلف به شکل های بسیار گوناگونی امکان اتفاق افتادن دارد که می توان به ضعف در نمونه های آزمایش بتن، عدم همخوانی مقاومت طراحی بتن با مقاومت موجود، شکم دادن تیر و ستون، کرمو شدگی بتن و… اشاره کرد.

 تغییر کاربری ساختمان

تغییر در کاربری ساختمان ها امروزه امری متداول بوده و از جمله مواردی است که در آن باید قبل از انجام این کار ساختمان به طور کامل و توسط کارشناسان خبره مورد بررسی قرار گیرد. تغییر در کاربری ساختمان باعث به وجود آمدن نیروهای جدیدی در اعضای ساختمان می شود که ساختمان برای آن ها طراحی نشده و به وجود آمدن آن ها ممکن است اعضای باربر مثل تیر، ستون و … را دچار گسیختگی و خرابی های شدیدی بکند. در این موارد لازم است تا مهندس مشاور مجرب به طور کامل ارزیابی از سازه موجود به عمل آورده و امکان سنجی تغییر کاربری را انجام دهد تا در نهایت طرحی با دقت بالا و جزئیات کامل ارائه گردد.

تشخیص به موقع ایرادات و انتخاب راه حل درست باعث صرفه جویی زیادی درهزینه های ساختمان خواهد شد. از آن جایی که انتخاب یک شیوه‌ نامناسب مقاوم‌سازی، تعمیر و یا تقویت یک سازه، حتی می‌تواند شرایط را بدتر هم بکند لازم است تا از افراد با تجربه و خبره در این زمینه کمک گرفته شود.

همان طور که راهکارهای مقاوم سازی گوناگون می باشد کارفرمایان نیز گزینه های مختلفی برای انجام مقاوم سازی ساختمان دارند که باید از بین همگی این روش ها یک گزینه را جهت اجرا در پروژه های خود انتخاب کنند. مقاوم سازی با استفاده از الیاف کربن تک جهته روشی است که روز به روز استفاده از آن گسترده تر می شود. اما مهم ترین علل فراگیر شدن این روش چیست؟

• مقاومت بالا
• وزن کم
• عدم رسانایی جریان الکتریسیته
• کاهش هزینه ها
• و…

هم چنین مشکلاتی که سایر روش های متداول مقاوم سازی مثل ژاکت فولادی و بتنی برای ساختمان ایجاد می کنند مثل افزایش وزن ساختمان، تغییر در معماری و کوچک کردن زیر بنای مفید ساختمان، اخلال در کاربری ساختمان به مدت طولانی، افزایش هزینه ها و هم چنین امکان تکرار مشکلات پیش آمده مثل خوردگی و زنگ زدگی همه و همه به فواید مقاوم سازی با استفاده از الیاف کربن تک جهته می افزاید.

راهنمای ناظران و طراحان

بطور کلی مقاوم سازی سازه ها به منظور افزایش ظرفیت باربری ساختمان، بهبود نارسایی های ناشی از خوردگی و فرسایش، افزایش شکل پذیری سازه، نیاز به تغییر در کاربری سازه و جبران خطاهای طراحی و اجرایی صورت می گیرد.

الیاف تک جهته کربن یا فیبر کربن سبک، مقاوم در برابر خوردگی و دارای مقاومت کششی بالا می باشند و وزن کم آن که یکی از اهداف مقاوم سازی است باعث افزایش روزافزون استفاده از آن ها در پروژه های مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای شده است.

برای انجام مقاوم سازی در پروژه ها لازم است تا وضعیت موجود سازه از قبیل ظرفیت باربری فعلی المان ها، نقص ها و اشکالات پیش آمده، فایل های محاسباتی سازه و مدارک و نقشه های موجود سازه به طور کامل مورد بررسی قرار گیرد.

اصول کلی طراحی سیستم مقاوم سازی با الیاف کربن تک جهته

اصول کلی و روش کلی طراحی بر پایه حالت حدی می باشد تا سطح عملکردی و ایمنی قابل قبولی ارائه شود و به دلیل شناخت کمتری که از کامپوزیت های FRP نسبت به سایر مصالح موجود مانند بتن وجود دارد لازم است تا ضرایب کاهش مقاومت به گونه ای اعمال شوند تا ضریب اطمینان طراحی بیش از 3.5 باشد. هم چنین لازم است تا خواص مصالح موجود مانند مقاومت فشاری، مدول الاستیسیته و … به وسیله ی آزمایشاتی مثل انجام کرگیری و تست مقاومت فشاری و انجام تست التراسونیک اندازه گیری شود.

انواع رفتار الیاف کربن تک جهته

رفتار کششی

در بارگذاری کشش مستقیم، الیاف کربن قبل از گسیختگی هیچ رفتار خمیری ندارند. رفتار کششی مصالح توسط یک رابطه تنش – کرنش خطی الاستیک تا هنگام شکست که بطور ناگهانی اتفاق می افتد، مشخص می شود. مقاومت کششی و سختی مصالح به عوامل متعددی بستگی دارد. از آنجا که در  کامپوزیت FRP الیاف نقش اساسی در باربری دارند، نوع الیاف، جهت قرارگیری و همچنین مقدار آنها مهمترین نقش را در خواص کششی ایفا می کنند.

رفتار فشاری

کامپوزیت های CFRP که به صورت پوشش بیرونی عمل می کنند ، نباید به عنوان تقویت کننده فشاری مورد استفاده قرار بگیرند. البته در ستون ها به دلیل رفتار محصور کنندگی الیاف مقاوم فشاری و ظرفیت ستون به صورت غیر مستقیم افزایش می یابد.

ارزیابی و پذیرش

برای ارزیابی سیستم FRP  باید راستای قرارگیری الیاف، وجود جدایش لایه ای و چسبندگی به سطح، جهت قرارگیری لایه ها و …. و هم چنین تطابق یا عدم تطابق با نقشه های طراحی توسط دستگاه نظارت بررسی شود که در ادامه به پاره ای از موارد و وظایف دستگاه نظارتی اشاره می کنیم.

برای استفاده از فیبر کربن در پروژه ها، این مواد باید بر اساس اطلاعات آزمایشگاهی مربوط به این مصالح کنترل شود. اطلاعات آزمایشگاهی به وسیله ی شرکت تامین کننده فراهم می شود.

پس از نصب و کسب مقاومت کامپوزیت های CFRP آزمایش کشش چسب (تست Pull Off) بر روی نمونه های مغزه گیری شده انجام می شود و مقاومت چسب باید بیش از 1.4MPa باشد تا پدیده جدا شدن و گسیختگی در بتن مشاهده شود. در صورتی که میزان مقاومت کمتر از مقدار تعیین شده باشد یا جدایش سیستم FRP از بتن اتفاق بیوفتد نشان دهنده وجود اشکال در سیستم است و الیاف کربن نمی تواند عملکرد مورد انتظار را فراهم کند.

برای ارزیابی و تایید الیاف نصب شده باید موارد دیگری نیز در نظر گرفته شود که به پاره ای از آن ها اشاره می کنیم:

• وقوع پدیده جداشدگی
• جهت قرارگیری لایه ها که امری بسیار مهم بوده و وجود انجراف حتی به اندازه 5 درجه از راستای تعیین شده میتواند تاثیر زیادی در کاهش مقاومت داشته باشد.
• ضخامت بعد از عمل آوری با رزین
• طول وصله الیاف
• و…

راهنمای نقشه و فایل های کمکی

راهنمای اجرا

جزئیات اجرای الیاف تک جهته کربن به هندسه سازه، صافی سطوح زیرکار و… بستگی دارد و لازم است پیمانکار مصالح FRP را مطابق با مشخصات توصیف شده توسط مهندس مشاور مثل نوع الیاف، نوع رزین، تعداد لایه ها، نحوه ی اجرا و… در اجرای عملیات مقاوم سازی استفاده نماید.

مراحل اجرای الیاف کربن تک جهته

اجرای سیستم های مقاوم سازی با فیبر کربن باید مطابق مراحل زیر و به دقت انجام شود تا کیفیت مطلوب به دست آید.

ترمیم بتن و آماده سازی زیرکار

لازم است تمام اشکالات موجود در بتن اصلی و بتن زیرکار که ممکن است یکپارچگی کامپوزیت CFRP را دچار مشکل کند، قبل از اجرای الیاف از بین برده شود و هم چنین در مواردی که احتمال خوردگی و زنگ زدگی میلگردهای موجود در بتن می رود باید ابتدا اثرات خوردگی و رسوبات پاکسازی شده و خرابی ها ترمیم شوند.

اختلاط رزین ها

اختلاط رزین ها باید مطابق رویه توصیه شده توسط سازنده مطابق با مشخصات فنی پروژه انجام شود. تمامی اجزای رزین باید در شرایط دمایی مناسب و به مقدار کافی مخلوط شوند تا زمانی که مواد به حالت یکنواخت برسد..

نصب الیاف FRP

پس از آماده سازی سطح زیرکار نوبت به نصب الیاف FRP می رسد که دارای روش های مختلفی است و روش نصب باید توسط مشاور مشخص شود. در ادامه به انواع روش های نصب الیاف FRP می پردازیم:

انواع روش های نصب الیاف تک جهته

سیستم چسباندن تر الیاف الیاف

در این روش نصب، سیستم الیاف به صورت رزین نخورده یا خشک با دست نصب می شوند. الیاف می توانند در یک فرآیند جداگانه به کمک دستگاه آغشته ساز با مواد رزین بارور و اشباع شده و بعد از آن روی سطح بتن نصب شوند.

سیستم پیش آغشته الیاف

سیستم های پیش آغشته تک جهته ابتدا در کارخانه با رزین آغشته می شوند، ولی رزین عمل آوری نمی شود. این الیاف به سطوح با یا بدون رزین اضافی چسیانده می شوند و در محل عمل آوری می شوند.

عدم رعایت هر یک از موارد فوق  و سایر مواردی که توسط مشاور و سازنده بیان می شود باعث ایجاد ضعف در باربری سیستم و در مواردی جدا شدن الیاف از سطح می شود.در ادامه به پاره ای از مواردی که رعایت آن ها از وقوع جدا شدگی الیاف جلوگیری خواهد کرد اشاره می شود:

• حتی المقدور از چسباندن فیبر کربن در سطح داخلی گوشه ها پرهیز شود طول مهاری کافی رعایت شود.
• همپوشانی (Overlap) لازم  در محل های وصله اجرا گردد.

راهنمای QC (کنترل کیفی)

پس از اجرای سیستم FRP لازم است تمهیدات و برنامه های تضمین و کنترل کیفیت توسط واحد کنترل کیفی (QC) به کار گرفته شود. کنترل کیفیت از طریق یک سری بازرسی ها و آزمایش های مورد نیاز انجام گردد.

بازرسان کنترل کیفی باید با سیستم FRP و نحوه ی اجرا و نصب آن به طور کامل آشنایی داشته باشد و در جریان نصب سیستم الیاف کربن بازرسی هایی را به صورت روزانه انجام دهد که این بازرسی ها باید شامل موارد زیر باشد:

• دمای محیط، رطوبت نسبی و شرایط آب و هوایی
• میزان خشک بودن سطوح
• روش های آماده سازی سطوح
• مشاهده فرآیند گیرش رزین ها
• موقعیت و اندازه هر نوع جدایش لایه ای یا وجود حباب های هوا
• و…

هم چنین واحد کنترل کیفی باید به صورت دوره ای کامپوزیت CFRP اجرا شده را مورد بازرسی و ارزیابی قرار دهد.

انواع روش های ارزیابی سیستم FRP

بازرسی های کلی

با بازرسی های چشمی هر نوع تغییرات در رنگ، جدا شدن الیاف، ترک خوردگی و… مورد بررسی قرار می گیرد که وجود هریک از این عوامل نشان دهنده ی ضعف در سیستم و اجرای نادرست می باشد. طبیعت مصالح مرکب FRP به گونه ای است که باید در حین بهره برداری، تاحد امکان هرگز و یا خیلی به ندرت مورد تعمیر قرار گیرند لذا لازم است سطوح پوشانده شده با مصالح FRP

به صورت کلی مورد پایش و بازرسی قرار گیرند.

یکی از خرابی های رایج در سیستم های FRP جدا شدن مصالح مرکب از بتن است که خرابی بسیار خطرناکی است که در صورت رخداد آن عملا سیستم FRP کارایی ندارد. لذا جدا شدن مصالح مرکب از بتن باید مورد ارزیابی قرار گیرد. بهترین راه تشخیص این حالت انجام تست Pull-off  می باشد که طبق آیین نامه در فواصل زمانی معین باید انجام گیرد و در صورت جدایی الیاف از سطح بتن لازم است که سازه مورد بررسی توسط مشاور مورد تحلیل مجدد قرار گرفته تا نوع عملیات اصلاحی برای آن تعیین شود . چنانچه آسیب های جزیی مصالح مرکب شناسایی شدند ، می توان با روش هایی نظیر تزریق رزین با رعایت احتیاط در اینکه مصالح آسیب بیشترنبیند تعمیر شوند. چنانچه آسیب های کلی و با اهمیت بیشتر نظیر پوسته شدن یا جداشدن لایه ها از یکدیگر در مقیاس وسیع رخ دهد، ممکن است لازم باشد تا چسب و مواد مرکب از محل برداشته شوند . مواد معیوب در یک سطح وسیع و به حد کافی از سطح بتن کنده شده و قسمت پاک شده مجددا با مواد جدید پوشش داده می شود.

پایش و بازرسی دراز مدت

مطابق نظام پایش و بازرسی لازم است همانند تمامی اعضای سازه ای، سیستم مقاوم سازی با الیاف کربن نیز مورد پایش و بازرسی قرار گیرد. چنین اقداماتی برای پل ها معمولا سالیانه یک بار به صورت کلی و هر شش سال یکبار به صورت تفصیلی به اجرا در می آید، اما در ساختمان ها بازرسی های منظم به ندرت انجام می گردد. لازم است مهندسین کنترل کیفی ساختمان نسبت به پایش و بازرسی منظم اعضای مقاوم سازی شده توجیه باشند و ساختمان های مقاوم سازی شده با کامپوزیت CFRP مورد پایش و بازرسی منظم برای اعضای تقویت شده قرار گیرند.