مقاوم‌سازی تیر بتنی دارای خیز غیرمجاز با لمینیت کربن CFRP (پروژه خزرشهر)

شرح عارضه و ارزیابی اولیه تیر بتنی در ویلای خزرشهر

در تابستان سال ۱۴۰۱، در یکی از ویلاهای شهرک خزرشهر مازندران، به دنبال تغییر کاربری بام و افزایش بار مرده وارد بر سازه، یکی از تیرهای بتن‌آرمه دچار خیز قابل توجه و ترک‌های خمشی شده بود.

تیر موردنظر دارای دهانه ۷ متر، عرض ۶۰ سانتی‌متر و ارتفاع ۴۵ سانتی‌متر بود. در ارزیابی میدانی انجام‌شده توسط تیم مهندسی، میزان خیز تیر در محدوده وسط دهانه حدود ۳ سانتی‌متر (۳۰ میلی‌‌متر) اندازه‌گیری شد. همچنین ترک‌های خمشی در وجه زیرین تیر و در محدوده لنگر خمشی مثبت حداکثر در وسط دهانه کاملاً مشهود بود.

وجود همزمان خیز و ترک‌های خمشی در ناحیه کششی، ضرورت بررسی دقیق عضو و اتخاذ راهکاری ایمن در حوزه مقاوم‌سازی با FRP را جهت بالا بردن ظرفیت باربری و تضمین پایایی سازه در برابر بارهای آتی ایجاب می‌نمود.

چرا برای این تیر از لمینیت کربن CFRP استفاده شد؟

یکی از اصولی‌ترین و کارآمدترین روش‌های تقویت مقاطع خمشی بتن‌آرمه، بهره‌گیری از تکنیک تخصصی مقاوم‌سازی با لمینیت FRP در وجه کششی عضو است.

در این متد، نوارهای کامپوزیتی صلب و پیش‌ساخته کربن با استفاده از چسب‌های اپوکسی ساختاری با مقاومت برشی بالا، به بستر آماده‌سازی‌شده بتن متصل می‌شوند. استقرار لمینیت CFRP در وجه زیرین تیر موجب می‌گردد که این مصالح با اتکا به مدول الاستیسیته چشمگیر و مقاومت کششی فوق‌العاده در کشش مقطع فعال شده و در افزایش لنگر مقاوم و ارتقای ظرفیت خمشی عضو تقویت‌شده مشارکت مستقیم داشته باشند.

از مهم‌ترین مزایای این روش در پروژه ویلایی خزرشهر می‌توان به وزن ناچیز، ضخامت بسیار کم، سرعت بالای اجرا، عدم تغییر در ارتفاع مفید طبقه و حذف نیاز به تخریب اشاره کرد؛ برای بررسی جزئیات این سیستم می‌توانید به صفحه مقاوم‌سازی تیر با FRP مراجعه نمایید.

مشخصات لمینیت کربن مصرفی و محاسبات سطح مقطع تسلیح

برای تقویت خمشی تیر دهانه ۷ متری، ۳ نوار لمینیت کربن ژاپنی به‌صورت موازی در امتداد طولی و در وجه زیرین مقطع اجرا گردید:

• طول تیر بتنی: ۷ متر
• عرض تیر: ۶۰ سانتی‌متر
• ارتفاع تیر: ۴۵ سانتی‌متر
• مشخصات ابعادی هر نوار: عرض ۱۰۰ میلی‌متر | ضخامت ۱.۴ میلی‌‌متر
• تعداد و آرایش نوارهای کربنی: ۳ نوار موازی در وجه زیرین (تار کششی)
• مقاومت کششی کامپوزیت لمینیت: حدود ۲۲۰۰ تا ۲۸۰۰ مگاپاسکال
• مدول الاستیسیته کامپوزیت لمینیت: حدود ۱۶۰ گیگاپاسکال

این سطح مقطع معادل ۴۲۰ میلی‌متر مربع مربوط به مقطع یکپارچه کامپوزیت لمینیت CFRP نهایی است که نیروهای کششی ناشی از لنگر حداکثر را تحمل می‌کند.

تفاوت مقاومت الیاف کربن با مقاومت لمینیت CFRP (خطای رایج بازار)

یکی از خطاهای فنی و رایج در اعلام مشخصات سیستم‌های CFRP، عدم تفکیک خواص فیزیکی-مکانیکی الیاف کربن خام (Carbon Filament) از محصول لمینیت نهایی است.

الیاف کربن مورد استفاده در سیستم‌های پیش‌ساخته می‌توانند به خودی خود دارای مقاومت کششی تا حدود ۴۰۰۰ مگاپاسکال و مدول الاستیسیته حدود ۲۳۰ گیگاپاسکال باشند؛ اما پس از ترکیب تارهای کربن با ماتریس پلیمری طی فرآیند پالتروژن کارخانه‌ای، محصول نهایی یک کامپوزیت ناهمگن است.

در لمینیت مورد استفاده در پروژه خزرشهر، مقاومت کششی کامپوزیت عمل‌آوری‌شده نهایی بر اساس آزمون‌های استاندارد در محدوده ۲۸۰۰ مگاپاسکال و مدول الاستیسیته آن معادل ۱۶۰ گیگاپاسکال تعیین گردید. بنابراین، اطلاق مقاومت ۴۰۰۰ مگاپاسکال به عنوان مقاومت خودِ لمینیت کامپوزیتی اشتباه بوده و این مقدار صرفاً بیانگر توان الیاف خام درون ماتریس است.

آیا با نصب CFRP خیز ۳ سانتی‌متری تیر به حالت اولیه بازگردانده شد؟

پاسخ: خیر.

هدف از اجرای CFRP در این پروژه، بالا بردن تیر با جک‌های هیدرولیکی و بازگرداندن هندسی خیز ایجادشده به وضعیت تراز اولیه نبود.

در پروتکل‌های مهندسی و اجرایی شرکت بیکران سازان شمال، در چنین مواردی برای بازگرداندن اجباری تیر خیزکرده به موقعیت اولیه هرگز از جک‌زدن زیر تیر استفاده نمی‌شود. علت این تصمیم به مبانی کنترل بارگذاری و پایداری سازه بازمی‌گردد:

به همین دلیل، در پروژه خزرشهر خیز موجود تیر با جک هیدرولیکی دستکاری نشد و هدف‌گذاری پروژه بر اصلاح عملکرد باربری تمرکز یافت.

اهداف اصلی تقویت تیر بتنی با لمینیت کربن

در تحلیل سازه‌ای باید میان «خیز موجودِ ناشی از بارهای گذشته» و «تغییرشکل‌های بهره‌برداری آتی» تفکیک قائل شد. نصب لمینیت CFRP خیز را به شکل معجزه‌آسا صفر نمی‌کند، بلکه اهداف مهندسی پیاده‌شده در پروژه عبارت بودند از:

• افزایش ظرفیت خمشی نهایی: ارتقای توان باربری تیر بتنی در تحمل بارهای مرده اضافه و بارهای زنده بهره‌برداری.
• ارتقای صلبیت و سختی مقطع (Flexural Rigidity): کاهش نرخ تغییرشکل تحت بارهای متناوب بعدی.
• کنترل و دوخت ترک‌های خمشی: جلوگیری از تعریض و گسترش ترک‌های بازشده در ناحیه کششی بتن.
• کنترل و توقف خیز وابسته به زمان (Creep Deflection): مهار خیزهای بلندمدت ناشی از خزش بتن در طول عمر سازه.

بنابراین، ارزیابی موفقیت مقاوم‌سازی بر مبنای اصلاح رفتار باربری و توقف روند افتادگی تیر استوار است.

محل نصب لمینیت‌های CFRP و اهمیت آماده‌سازی سطح بتن

بر اساس نمودارهای لنگر خمشی، بیشترین مقدار تنش کششی در وسط دهانه تیر (تار زیرین) رخ می‌دهد. از این رو، هر ۳ نوار لمینیت دقیقاً در وجه زیرین تیر مهار گردیدند تا انتقال نیروی کششی به کربن تضمین گردد.

مکانیزم عملکردی این کامپوزیت کاملاً وابسته به سلامت لایه اتصال (Bonding) میان بتن، چسب اپوکسی و نوار کربنی است. اگر سطح بتن دچار کرموشدگی، شیرابه سست، گردوغبار یا چربی باشد، سیستم در تنش‌های پایین دچار پدیده جدایش زودهنگام (Debonding) خواهد شد.

در ویلای خزرشهر، مراحل ساب‌زنی عمیق با دستگاه وکیوم، برداشت لایه سست سطحی تا رسیدن به سنگدانه‌های مقاوم، گردگیری و اجرای دقیق رزین اپوکسی با کنترل دما صورت گرفت. برای آشنایی کامل با جزئیات این فرآیند، مطالعه صفحه تخصصی روش نصب FRP پیشنهاد می‌شود.

مشخصات فنی و عملکرد مکانیکی لمینیت‌های کربنی FRP (EN 2561)

کلیه لمینیت‌ها و میلگردهای کامپوزیتی مصرفی مطابق با استانداردهای کنترل کیفیت بین‌المللی ارزیابی می‌گردند. در ادامه جداول مرجع مشخصات مکانیکی صفحات لمینیت (Plates) و مقاطع نوارها درج شده است:

جدول ۱: مشخصات مکانیکی و تلورانس‌های تولیدی صفحات لمینیت کربنی تیپ‌های FLT S type و FLT M type بر اساس آزمون استاندارد EN 2561

جدول ۲: داده‌های تست کشش، مدول الاستیسیته و مقاومت برشی عرضی تیپ‌های S6 تا S20 بر اساس استاندارد EN 2561

نتیجه‌گیری مقاوم‌سازی تیر در پروژه خزرشهر

پروژه خزرشهر نشان داد که در مواجهه با خیز و ترک‌های کششی ناشی از افزایش بار مرده، استفاده از لمینیت کربن CFRP راهکاری مدرن، با دوام و مهندسی‌شده است. اجرای ۳ نوار لمینیت ژاپنی در زیر تیر دهانه ۷ متری، ظرفیت خمشی مقطع را به سطح ایمن آیین‌‌نامه‌ای بازگرداند و از گسترش ترک‌ها و تغییرشکل‌های بحرانی ممانعت به عمل آورد.

مجموعه بیکران سازان شمال با تکیه بر دانش فنی و اکیپ‌های تخصصی، پروژه‌های مقاوم‌سازی را با رعایت دقیق الزامات استاندارد و کنترل کیفیت متریال در سراسر کشور به انجام می‌رساند.