مقاوم سازی FRP

سیستم های پلیمر مسلح شده با الیاف (Fibre-reinforced plastic or polymer) با نام اختصاری FRP  در دنیا معرفی شدند که به دلیل داشتن دو جزء الیاف و ماده چسباننده به عنوان نوعی ماده مرکب یا کامپوزیت به شمار می روند.

تاریخچه استفاده از FRP و مقاوم سازی

استفاده از FRP به منظور مقاوم سازی و تقویت سازه های بتنی در اواسط دهه ۸۰ میلادی در اروپا و ژاپن آغاز شد. در این سال ها ، پژوهش های زیادی به منظور استفاده بهینه از این مواد و همچنین توسعه کاربرد FRP در سازه ها و زیرساخت ها در شرایط محیطی مختلف انجام شده است که نتیجه آن تدوین آئین نامه های مختلف در حوزه بهسازی و طراحی مقاوم سازی می باشد . در ده سال گذشته انجمن مهندسین ژاپن (JSCE)چند گزارش در رابطه با نحوه طراحی سیستم های FRP ارائه داده است. به طور همزمان در اروپا سازمان بین المللی سازه های بتنی (FIB)مجموعه ای برای اصول مقاوم سازی و طراحی سازه های بتنی با مصالح FRP ارائه داده است. انجمن استاندارد کانادا (CSA) نیز مجموعه های مشابهی را به منظور مقاوم سازی ساختمان های بتنی تدوین نموده است. در ایالات متحده مقاوم سازیFRP به عهده انجمن بتن آمریکا (ACI) واگذار شده که کمیته ۴۴۰ ، هفت آئین نامه و دستور طراحی تدوین نموده است.

 

کاربرد FRP در مقاوم سازی اعضای بتنی:

از سیستم های FRP برای:

*مقاوم سازی یک عضو سازه ای خسارت دیده

*مقاوم سازی یک عضو سالم

*رفع اشکالات اجرایی در سازه های در حال ساخت

*ساخت اعضای سازه ای جدید

 

(مقاوم سازی تیروستون)

استفاده از خاصیت محبوس کنندگی برای افزایش مقاومت فشاری در ستون و افزایش مقاومت برشی وخمشی در تیر

 

مزایای استفاده از  در مقاوم سازیFRP :

* مقاومت کششی بسیار زیاد مزیت اصلی کاربرد در مقاوم سازی –

مقاومت الیاف FRP دست کم دو برابر مقاومت فولاد است که این مقدار ممکن است تا ۱۰ برابر نیز افزایش یابد، در حالیکه که وزن آنها فقط ۲۰درصد وزن فولاد است. وزن کم این مواد سبب می شود که جابجایی و حمل و نقل آنها راحت تر باشد و هزینۀ استفاده از آنها و نیروی کار در اجرای مقاوم سازی، کاهش یابد.

* مقاومت زیاد در برابر خوردگی –

مقاوم بودن آنها دربرابر خوردگی، سبب دوام و پایا بودن عملکرد آنهاست.

دیگر مزیت های FRP عبارت است از :

*قابلیت تغییر شکل بالا که موجب کاربرد راحت تر در فضا ها با دسترسی محدود در اجرای مقاوم سازی شده است.

*سختی متغیر که متناسب با نیازها و شرایط طراحی تعیین می شود.

*عدم نیاز به داربست و جک برای اجرای مقاوم سازی.

*به حداقل رساندن عملیات تخریب و عدم تغییر در معماری سازه در هنگام مقاوم سازی

*پوشش مناسب اتصالات

*سرعت اجرای مقاوم سازی بسیار بالا در مقایسه با روش ژاکت فولادی

* نبود مشکلات رایج در روش مقاوم سازی ژاکت فولادی از جمله : مشکل زنگ زدگی ورق های فولادی ، عدم سازگاری مناسب بتن و فولاد ، مشکلات جوش سربالا و غیر استاندارد و…

 

مشخصات مکانیکی FRP :

 

الیاف  FRP به سه نوع GFRP (الیاف شیشه) CFRP (الیاف کربن) و AFRP (الیاف آرامید) دسته بندی می شود.

رزین های مورد استفاده هم عبارتند از: پلی استر، ونیل استر و اپوکسی

 

مشخصات مکانیکی انواع الیاف

جنس مدول­الاستیسیته

(GPa)

مقاومت کششی

(MPa)

حدنهایی کرنش

کششی (%)

کربن
با مقاومت زیاد ۲۳۵-۲۱۵ ۴۸۰۰-۳۵۰۰ ۲-۴/۱
بامقاومت بسیارزیاد ۲۳۵-۲۱۵ ۶۰۰۰-۳۵۰۰ ۳/۲-۵/۱
با مدول زیاد ۵۰۰-۳۵۰ ۳۱۰۰-۲۵۰۰ ۹/۰-۵/۰
با مدول بسیار زیاد ۷۰۰-۵۰۰ ۲۴۰۰-۲۱۰۰ ۴/۰-۲/۰
شیشه
E ۷۰ ۳۰۰۰-۱۹۰۰ ۵
S ۹۰-۸۵ ۴۸۰۰-۳۵۰۰ ۵/۵-۵/۴
آرامید
با مدول متوسط ۸۰-۷۰ ۴۱۰۰-۳۵۰۰ ۵-۳/۴
با مدول زیاد ۱۳۰-۱۱۵ ۴۰۰۰-۳۵۰۰ ۵/۳-۵/۲

 

مقاوم سازی تیر و ستون بتنی با استفاده از FRP

الف- رفتار خمشی تیر مقاوم سازی شده با FRP:

تیرهای بتن آرمهء تحت خمش و همچنین تغییراتی را که در مراحل مختلف بارگذاری درمقادیر تنش وکرنش مقاطع حاصل میشود می توان تحت اثر بارهای متمرکز مورد بررسی قرارداد. منحنی نیرو-تغییر مکان در این تیرها دارای سه شیب متفاوت است بخش اول منحنی مربوط به حد فاصل ترک خوردن بتن کششی است که در این مرحله سختی تیر زیاد است( مشابه تیر تقویت نشده ) بخش دوم مربوط به حد فاصل ترک خوردگی بتن کششی تا هنگام جاری شدن میلگرد است که شیب نمودار کاهش می یابد ، ولی همچنان سختی آن نسبت به تیر تقویت نشده بیشتر می باشد و بخش سوم مربوط به حد فاصل تسلیم میلگردها تا گسیختگی FRP ویا جداشدگی FRP از سطح بتن است.

 

 

با توجه به مدول الاستیسیته بالای مواد FRP  چسباندن آنها برروی تیر ، سبب افزایش سختی و کاهش خیز تیر می شود . همچنین مواد FRP تا لحظه گسیختگی رفتار تنش-کرنش خطی از خود نشان میدهند و بدون جذب انرژی کافی وعدم دارا بودن ناحیه تسلیم شبیه ناحیه تسلیم فولاد ، دچار گسیختگی می شوند. بنابراین مقاوم سازی و  نصب آنها برروی تیر سبب کاهش شکل پذیری و مقدار جذب انرژی می شود شایان ذکراست کاهش انرژی جذب شده در اصل به علت تسلیم شدن موضعی میلگردهای طولی در محدوده گسیختگی FRP است چرا که در تیرهای مقاوم سازی نشده تیر در محدوده ای وسیع ترک می خورد و میلگردها به تسلیم می رسند، در حالیکه در تیر های تقویت شده میلگردها فقط در مرحله گسیختگی FRP تغییر شکل می دهند و انرژی جذب می کنند . به طورکلی با افزایش لایه های FRP از شکل پذیری تیر کاسته می شود.بنابراین با توجه به اینکه مقدار کرنش نهایی مواد FRP در مقایسه با فولاد بسیار زیاد است هنگامی که این مواد بوسیله اپوکسی به سطح کششی تیر برای مقاوم سازی و تقویت خمشی چسبیده می شود قبل از آنکه کامپوزیت FRP شروع به تحمل بار زیادی کند ، فولاد به حالت تسلیم خود می رسد. بنابراین افزایش سختی تیر یا بار تسلیم آن بدون افزایش سطح مقطع FRP ، برای همکاری بیشتر در باربری تیر، قبل از به تسلیم رسیدن فولاد ممکن نیست. به طور کلی مقاوم سازی و تقویت تیر با سیستم FRP  سبب افزایش ظرفیت نهایی مقطع می شود.

استفاده از صفحه زیرین FRP برای مقاوم سازی خمشی تیرهای بتن مسلح

 

 

ب- رفتار برشی تیر مقاوم سازی شده با FRP:

اگر یک تیر بتنی در تحمل برش ضعیف باشد یا پس از مقاوم سازی خمشی، ظرفیت برشی آن در تحمل نیروهای برشی نسبت به ظرفیت خمشی ، ضعیف تر باشد باید مقاوم سازی برشی آن هم مد نظر قرار گیرد. مقاوم سازی برشی در بیشتر موارد ، یک مرحله کلیدی و اساسی در مقاوم سازی موثر تیرهای بتنی است.استفاده از صفحه زیرین FRP برای مقاوم سازی خمشی تیرهای بتن مسلح تاثیر چندانی در افزایش مقاومت برشی آنها ندارد، بنابراین از اثر مقاوم سازی خمشی تیرها هنگام طراحی برای مقاوم سازی برشی صرف نظر می شود .در اینجا باید تاکید شود هرچند الیاف چسبانده شده به سطوح جانبی در راستای طول تیر کمک شایانی به ظرفیت برشی تیر نمی کند اما الیاف چسبانده شده به این وجوه تحت زوایای دیگر، در افزایش مقاومت برشی تیر سهیم می شوند. بیشتر زوایا برای چسباندن الیاف به وجوه جانبی به جز زاویه موازی با ترک های برشی، در مهار کردن و کاهش دادن عرض ترک ها مفید و موثرند.

 

طرح های مختلفی برای استفاده از مصالح FRP در مقاوم سازی برشی پیشنهاد شده است . این طرح ها شامل چسباندن FRP به سطوح جانبی تیر، استفاده از پوشش U شکل برای سطوح جانبی(U-JACKET) وسطح زیرین تیر و نیز دورپیچ کردن دور مقطع با استفاده از الیاف و نوارهای FRP است.

مقاوم سازی و افزایش مقاومت برشی تیر با استفاده از پوشش Uشکل برای سطوح جانبی (U-JACKET)

 

ج-افزایش ظرفیت تغییر شکل و تاثیر محصورکنندگی در ستون مقاوم سازی شده با FRP:

با نزدیک شدن تنش به حد مقاومت فشاری بتن ، ترک هایی در داخل بتن ایجاد می گردد و بتن در جهت عمود بر جهت اعمال نیرو از هم باز می شود. در این حالت اگر بوسیله میلگرد عرضی و یا هر ابزار دیگری مانع از حرکت عرضی بتن شویم بر مقاومت و شکل پذیری بتن افزوده می گردد. نمونه ای از عملکرد محصورکننده الیاف شیشه (GFRP)در افزایش مقاومت و شکل پذیری نمونه های استوانه ای در شکل زیر ارائه شده است. در این آزمایش ها که در دانشگاه صنعتی شریف انجام شد، با افزودن لایه هایی از الیاف شیشه توانستیم مقاومت نهایی را تا حد دو برابر افزایش دهیم اما اثر خیلی مهمتر الیاف در این بود که ظرفیت تغییر شکل بتن را از حدود ۶۰۰۰ میکروکرنش برای بتن نا محصور به حدود ۳۵۰۰۰ میکروکرنش برای بتنمقاوم سازی شده افزایش داد.بدین ترتیب اگر تیرها و ستونهای مجاور گره یک قاب بتنی را با این روش مقاوم سازی کنیم باید انتظار داشت ظرفیت جابجایی آن حدوداً ۵ برابر شود. به عبارت دیگر حد پذیرش تغییرشکل چنین سازه هایی در زلزله سطح خطر مورد نظر به میزان پنج برابر افزایش می یابد.

استفاده از خاصیت محبوس کنندگی برای افزایش مقاومت فشاری در ستون

كاربردهاي ميلگرد FRP در نوسازی و مقاوم سازی

ميلگرد FRP در واقع الياف كامپوزيتي مسلح پيچيده شده اي است كه داراي مقاومت بسيار بالا در برابر خوردگي، خاصيت عدم هدايت الكتريكي و وزن سبك (حدود يك چهارم وزن ميلگردهاي فولادي) مي باشد.

این میلگردها براي ايجاد اتصالات باربر، مقاوم سازي و مسلح كردن اجزاي سازه هاي بتني و چوبي به کار میرود. استفاده گستردۀ اين ميلگردها به صورت جايگزين كردن ميلگردهاي فولادي با ميلگردهاي FRP در تير، ستون و دال ساختمان هاي بتني مي باشد. براي ارتباط ميلگردهاي FRP با اجزاي سازه اي اكثراً از چسب هاي اپوكسي استفاده مي شود.

.

درحال ارسال
امتیاز دهی کاربران
5 (1 رای)