معرفی روش مقاوم سازی با FRP

خوردگی قطعات فولادی در سازه‌های مجاور آب و نیز خوردگی میلگردهای فولادی در سازه‌های بتن آرمه ای که در معرض محیط‌های خورنده کلروری و کربناتی قرار دارند، یک مساله بسیار اساسی تلقی می‌شود. در محیط‌های دریایی و مرطوب وقتی که یک سازه بتن‌آرمه معمولی به صورت دراز مدت در معرض عناصر خورنده نظیر نمک‌ها، اسید‌ها و کلرورها قرار گیرد، میلگردها به دلیل آسیب دیدگی و خوردگی، قسمتی از ظرفیت خود را از دست خواهند داد. به علاوه فولادهای زنگ زده بر پوسته بیرونی بتن فشار می‌آورد که به خرد شدن و ریختن آن منتهی می‌شود. تعمیر و جایگزینی اجزاء فولادی آسیب دیده و نیز سازه بتن آرمه‌ای که به دلیل خوردگی میلگردها آسیب دیده است، میلیون‌ها دلار خسارت در سراسر دنیا به بار آورده است. به همین دلیل سعی شده که تدابیر ویژه‌ای جهت جلوگیری از خوردگی اجزاء فولادی و میلگرد‌های فولادی در بتن اتخاذ گردد. با این وجود برای حذف کامل این مساله، توجه ویژه ای به جانشینی کامل اجزاء و میلگردهای فولادی ب یک ماده جدید مقاوم در مقابل خورندگی معطوف گردیده است. از آن‌جا که کامپوزیت‌های FRP Polymers/Plastics) Reinforced (Fiber بشدت در مقابل محیط‌های قلیایی و نمکی مقاوم هستند که در دو دهه اخیر موضوع تحقیقات گسترده‌ای جهت جایگزینی کامل با قطعات و میلگردهای فولادی بوده‌اند. چنین جایگزینی بخصوص در محیط‌های خورنده نظیر محیط‌های دریایی و ساحلی بسیار مناسب به نظر می‌رسد. در این مقاله مروری بر خواص، مزایا و معایب مصالح سیستم مقاوم سازی FRPصورت گرفته و قابلیبت کاربرد آنها به عنوان جانشین کامل فولاد در سازه‌های مجاور آب و بخصوص در سازه بتن آرمه، به جهت حصول یک سازه کاملاً مقاوم در مقابل خوردگی، مورد بحث قرار خواهد گرفت.
بسیاری از سازه‌های بتن آرمه موجود در دنیا در اثر تماس با سولفاتها، کلریدها و سایر عوامل خورنده، دچار آسیب‌های اساسی شده‌اند. این مساله هزینه‌های زیادی را برای تعمیر، بازسازی و یا تعویض سازه‌های آسیب ‌دیده در سراسر دنیا موجب شده است. این مساله و عواقب آن گاهی نه تنها به عنوان یک مساله مهندسی، بلکه به عنوان یک مساله اجتماعی جدی تلقی شده است . تعمیر و جایگزینی سازه‌های بتنی آسیب‌دیده میلیون‌ها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته است. در امریکا، بیش از ۴۰ درصد پلها در شاهراهها نیاز به تعویض و یا بازسازی دارند . هزینه بازسازی و یا تعمیر سازه‌های پارکینگ در کانادا، ۴ تا ۶ میلیارد دلار کانادا تخمین زده شده است . هزینه تعمیر پلهای شاهراهها در امریکا در حدود ۵۰ میلیارد دلار برآورد شده است؛ در حالیکه برای بازسازی کلیه سازه‌های بتن آرمه آسیب‌دیده در امریکا در اثر مساله خوردگی میلگردها، پیش‌بینی شده که به بودجه نجومی ۱ تا ۳ تریلیون دلار نیاز است! در مناطق مختلف ایران نیز اثرات مخرب کلریدها و سولفاتهای مهاجم در محیط های دریایی و ساحلی بر پایه‌های پل، آبگیرها، سدها و کانال‌های بتن آرمه که باعث ایجاد خوردگی فولاد بتن میشود سبب اعمال هزینه های سنگین جهت مرمت ویا بازسازی ابنیه ها خواهد بود.
حال اگر بخواهیم تمامی این ابنیه ها را از نو بسازیم متحمل هزینه های گزافی خواهیم گشت فلذا با اعمال تمهیداتی جهت مرمت و ترمیم سازه ها می توان هزینه ها را پایین آورد.تکنیک‌هایی چند، جهت جلوگیری از خوردگی قطعات فولادی الحاقی به سازه و نیز فولاد در بتن مسلح توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته است که از بین آنها می‌توان به:پوشش اپوکسی بر قطعات فولادی ومیلگردها، تزریق پلیمر به سطوح بتنی و حفاظت کاتدیک میلگردها اشاره نمود. با این وجود هر یک از این تکنیک‌ها فقط تا حدودی موفق بوده است محققان امروزه به جانشین کردن قطعات فولادی و میلگردهای فولای با مصالح جدید مقاوم در مقابل خوردگی، معطوف گردیده اند.
سیستم مقاوم سازی FRP، تحت عنوان (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) موادی بسیار مقاوم در مقابل محیط‌های خورنده همچون محیط‌های نمکی و قلیایی هستند به همین دلیل امروزه سیستم مقاوم سازی FRP، موضوع تحقیقات توسعه‌ای وسیعی به عنوان جانشین قطعات و میلگردهای فولادی و کابلهای پیش‌تنیدگی شده‌اند. چنین تحقیقاتی به خصوص برای سازه‌های در مجاورت آب و بالاخص در محیط‌های دریایی و ساحلی، به شدت مورد توجه قرار گرفته‌اند.

سیستم مقاوم سازی FRP چیست؟

سیستم مقاوم سازی FRP (الیاف پلیمری تقویت شده) یکی از مصالح سیستم مقاوم سازی FRP متشکل از دو بخش الیاف تقویتی FRP است که به وسیله یک ماتریس رزین ازجنس پلیمر رزین اپوکسی احاطه شده است. فیبرهای FRP به روش پلی اکریلونیتریل (PAN) ساخته می شوند و میلگردها و پروفیل ها به روش پالتروژن (Pultrusion) تولید می گردند که در این روش دسته های الیاف پس از آغشته شدن در رزین پس از عبور از یک قالب در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت منشوری را به وجود می آورند. محصولات پلیمری مورد استفاده در سازه ها به شکل ورق های پلیمری FRP ، میلگردها یا آرماتور FRP ، مش هایFRP و پروفیل FRP وجود دارند. از این مصالح پلیمری FRP برای ساخت و تقویت سازه ها استفاده می شود.

                                          

اجزای تشکیل دهنده سیستم مقاوم سازی FRP

به طور کلی ۴ نوع الیاف FRP برای سیستم مقاوم سازی با FRP استفاده میشود که شامل الیاف کربن، شیشه، آرامید و بازالت می باشد.
از FRP در تقویت ستون ها، تقویت تیرها، مقاوم سازی دال ها، مقاوم سازی راه پله، دیوارهای برشی بتنی، مقاوم سازی فنداسیون ، مقاوم سازی اتصالات ، دیوارهای آجری، پایه و عرشه پل ها و . . . می توان استفاده نمود. تکنیک مقاوم سازی ستون های مسلح بتنی با استفاده از سیستم مقاوم سازی FRP به طور گسترده ای به جای پوشش نمودن به وسیله فولاد (Steel Jacketing) مورد کاربرد قرار گرفته است. در مقایسه با استفاده از تنگ ها و مارپیچ فولادی، تکنیک محصور سازی با استفاده از FRP قابلیت این را دارد که محصور شدگی را به صورت پیوسته برای تمام مقطع عرضی ستون تامین کنند. همچنین این مواد دارای خواص ذاتی مطلوبی (نسبت زیاد مقاومت به وزن و مقاومت بالا در برابر خوردگی و خنثی بودن الکترو مغناطیسی) هستند به گونه ای که می توان در مقاوم سازی یا بازسازی اعضای بتنی به طور موفقیت آمیزی از آنها بهره گرفت.می تواند در تیرها و دال های بتنی به عنوان جایگزین بخشی از میلگرد کششی مورد نیاز بکار رود. همچنین سیستم مقاوم سازی FRPدر اتصالات بتنی می تواند استفاده گردد و شکل پذیری اتصال را افزایش دهد (تقریبا هیچ روش دیگری نمی تواند چنین تاثیری داشته باشد). از FRP در تقویت دیوارهای برشی نیز استفاده می گردد .سیستم مقاوم سازی FRP می تواند شکل پذیری دیوارهای بنایی را افزایش داده و آنها را مهار نماید بنابراین برای مقاوم سازی سازه های بنایی نیز مناسب میباشد.
بر طبق گزارش اداره فدرال بزرگراه های آمریکا هنگام بررسی پلها از نظر سازه ای به دلیل پوشش کم بتن، طراحی ضیعف، عدم مهارت کافی هنگام اجرا و سایر عوامل همانند شرایط آب و هوایی، سبب ایجاد ترک در بتن و خوردگی آرماتور های فولادی شده است.
پس از سالها مطالعه بر روی خوردگی، FRP به عنوان یک جایگزین مناسب برای آرماتور های فولادی کششی در بتن پیشنهاد شد. از این مواد به جای آرماتور های فولادی یا کابلهای پیش تنیده در سازه های بتنی پیش تنیده و یا غیر پیش تنیده استفاده می شود. مواد FRP موادی غیر فلزی با مقاومت بالا در برابر خوردگی است که در کنار خواص مهم دیگری همانند مقاومت کششی زیاد، آنها را برای استفاده بعنوان آرماتور کششی مناسب می کند. از آنجایی که سیستم مقاوم سازی FRP مصالحی ناهمسانگرد هستند نوع و مقدار فیبر و رزین مورد استفاده، سازگاری فیبر و کنترل کیفیت لازم هنگام ساخت آن نقش اصلی را در بهبود خواص مکانیکی آن دارد.

نقش اصلی ماتریس عبارت است از :

۱-انتقال برش از فیبر تقویتی به ماده مجاور
۲- محافظت از فیبر در شرایط محیطی
۳- جلوگیری از خسارات مکانیکی وارد بر الیاف
۴- کنترل کمانش موضعی الیاف تحت فشار

به طور کلیFRP ها بر اساس فیبر تشکیل دهنده ی آنها به چهار دسته زیر تقسیم می شوند

CFRP -1 با الیافی از جنس کربن
GFRP-2 با الیافی از جنس شیشه
AFRP-3 با الیافی از جنس آرامید
BFRP-4 با الیافی از جنس بازالت

مزایای استفاده از FRP

• وزن کم (چگالی آن در حدود ۲۰% فولاد است)
• مقاومت کششی زیاد
• مقاومت در برابر خوردگی
• نفوذناپذیری مغناطیسی
• امکان تقویت به صورت خارجی
• حمل و نقل آسان وسرعت اجرای بالابه دلیل وزن کم
• روشهای تولید حجیم و وسیع FRP
لذا به دلیل مزایای بالا، FRP به عنوان یک جایگزین مناسب برای آرماتورهای فولادی در سازه های دریایی، سازه پارکینگ ها، عرشه های پل ها، ساخت بزرگراه هایی که بطور زیادی تحت تاثیر عوامل محیطی هستند و در نهایت سازه هایی که در برابر خوردگی و میدانهای مغناطیسی حساسیت زیادی دارند پیشنهاد می شود.

انواع محصولات سیستم مقاوم سازی FRP

۱- ورقه‌های FRP
ورقه‌هایFRP، ورقه‌های با ضخامت چند میلیمتر از جنس FRP هستند. این ورقه‌ها با چسب‌های مستحکم و مناسب به سطح بتن چسبانده می‌شوند. از ورقه‌های FRP جهت تعمیر و تقویت سازه‌های آسیب دیده (ناشی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آبهای یون‌دار) استفاده می‌شود. ورق های FRP از لحاظ شکل پذیری می توانند به شکل پارچه‌ای و صفحه‌ای باشند. شکل پارچه‌ای خاصیت شکل پذیری بالایی دارد و راستای الیاف در آن می تواند در یک جهت یا دو جهت باشد. صفحه‌ها بر خلاف الیاف پارچه‌ای، شکل پذیر نیستند و در ضخامت و عرض های مختلف یافت می شوند.

ورق های سیستم مقاوم سازی FRP

۲- کابل، نوار و تاندن‌های پیش‌تنیدگی
محصولاتی شبیه میله‌های FRP، ولی به صورت انعطاف‌پذیر هستند که در سازه‌های کابلی و بتن پیش تنیده در محیط‌های دریایی و خورنده کاربرد دارند. این محصولات در اجزاء پیش‌تنیده در مجاورت آب نیز بکار گرفته می‌شوند.

 

                                                                                                                                        

۳- میلگردهای سیستم مقاوم سازی FRP
فولاد‌های ساختمانی به طور مختصر در مقابل خوردگی به وسیله قلیای بتن محافظت می‌شوند و معمولا سبب دوام خدمت‌پذیری سازه می‌گردند. برای خیلی از سازه هایی که در محیط های مهاجم از قبیل سازه‌های دریایی، پل ها، پارکینگ که در معرض نمک های یخ زا قرار می‌گیرند، ترکیب رطوبت، افزایش دما و محیط کلریدی، قلیایی بتن را کاهش می‌دهد و سبب خوردگی فولاد‌ها می‌شود که در نهایت موجب تخریب سازه بتنی می‌شود. به همین خاطر امروزه از میلگرد‌های ساخته شده با مواد پلیمری FRP در این سازه‌ها استفاده می‌کنند. به‌دلیل اینکه میلگردهای FRP دارای یک رفتار غیر شکل‌پذیر می‌باشند لذا موارد استفاده این میلگردها محدود به سازه‌ هایی می‌شود که مهمترین مشکل آنها خوردگی یا خاصیت الکترومغناطیسی فولاد می‌باشد. رفتار مکانیکی میلگرد‌های FRP با میلگردهای فولادی تفاوت دارد؛ لذا نحوه طراحی سازه های بتنی با استفاده از میلگرد های FRP دارای تغییراتی نسبت به میلگرد‌های فولادی می‌باشد. میلگرد‌های فولادی دارای رفتار تقریبا همسانگرد می‌باشند ولی میلگرد‌های FRP دارای رفتار ناهمسانگرد هستند. این رفتارناهمسانگرد در مقاومت برشی و رفتار چسبندگی میلگردهای FRP به بتن تاثیر می‌گذارد. مصالحسیستم مقاوم سازی FRP بر خلاف مصالح فولادی، رفتارالاستیک خطی از خود نشان می‌دهند. درشکل زیر میلگرد‌های FRP نشان داده شده ‌است.

عملیات اجرای FRP

پیش از نصبFRP باید بتن های سست از سطح بتن زدوده گردد. همچنین سطح بتن باید عاری از هرگونه مواد مانع نظیر عایق، رنگ، پلاستر و یا چربی باشد. به منظور تمیز نمودن سطح بتن می توان از روش ساب زدن با دستگاه فرز و یا سند بلاست استفاده نمود.
عملیات ساب زنی بتن
عملیات ساب زدن باید تا جایی ادامه یابد که شیره بتن زدوده و سنگدانه های بتن نمایان گردد. پس از ساب زدن، چنانچه سطح بتن نیاز به ترمیم داشته باشد باید پیش از نصب سیستم مقاوم سازی FRP سطح بتن با مواد مناسب ترمیم گردد. همچنین باید سطح بتن توسط پمپ هوا و یا برس تمیز گردد. چنانچه از FRP Laminate در اجرا استفاده شود باید سطح نوارها با پارچه آغشته به مواد مخصوصی گردد.
چنانچه هوا سرد باشد پیش از نصب سیستم مقاوم سازی FRP باید سطح بتن گرم گردد. همچنین پس از نصب FRP باید رزین به اندازه ای گرم گردد که دمای آن کمتر از ۱۰ درجه سانتیگراد نباشد. این دما حداقل دما برای عمل آوری و Curing رزین می باشد. همچنین سطح بتن محل نصب FRP نباید مرطوب باشد.

نکته مهم

پس از نصب FRP در هر پروژه، انجام تست Pull Off کاملا ضروری بوده و حتما باید در فاصله زمانی کمی بعد از نصب انجام شود تا از عملکرد صحیح FRP اطمینان حاصل شود. همانطور که بعد از بتن ریزی لازم است تا نمونه گیری شده و مقاومت بتن مورد آزمایش قرار گیرد. نتایج حاصل از تست Pull Off نشاندهنده کیفیت مصالح و نصب آن بوده و براساس آن میتوان نسبت به پذیرش یا رد سیستم مقاوم سازی FRP اقدام کرد.
برای اطمینان از مشخصات مکانیکی مصالح FRP می توان از تست کشش الیاف FRP و رزین استفاده نمود.
برای کنترل مقاومت کششی بتن و کنترل کیفیت نصب FRP می توان ازتست Pull Offاستفاده کرد.
بعد از نصب FRP لازم است حتما تست Pull Off انجام شود تا از عملکرد صحیح سیستم مقاوم سازی FRP اطمینان حاصل شود. همانطور که بعد از بتن ریزی لازم است تا نمونه گیری شده و مقاومت بتن مورد آزمایش قرار گیرد.

سوالات متداول

مزیت استفاده از روش نوین FRP نسبت به روش های سنتی متداول جهت مقاوم سازی چیست؟

الیاف FRP دارای وزن پایینی هستند و به نسبت مصالح سنتی مانند بتن و فولاد باعث افزایش چشمگیر وزن سازه نمی شوند. این الیاف دارای ضخامت کمی هستند بنابراین فضای آزادی را اشغال نمی کنند و خللی در زیبایی شناسی معماری ایجاد نمی کند در صورتی که در روش های ستنی مانند ژاکت بتنی فضای به سبت زیادی اشغال می شود. علاوه بر این الیاف FRP مقاومت کششی بالاتری نسبت به مصالح سنتی بتن و فولاد دارند و همچنین در برابر شرایط محیطی مانند خوردگی ، اسید، سیکل حرارتی مقاوم هستند.

دلیل روز افزون شدن استفاده از الیاف FRP نسبت به روش های ستنی؟

بدلیل ویژگی های متعدد الیاف FRP که باعث بهبود عملکرد مقاوم سازی شده افزایش تولید این الیاف باعث کاهش قیمت این مصالح شده است. همچنین سهولت در حمل و نقل و اجرا و ایجاد نکردن خلل در بهره برداری حین اجرا و کاهش زمان فرایند مقاوم سازی از دیگر ویژگی هایی است که باعث افزایش استفاده از این مصالح جهت مقاوم سازی شده است.

محصولات FRP جهت مقاوم سازی سازه ها به چه اشکالی تولید می شود؟

به شکل نوار (strip)، ورق (sheet) و یا پوشش لمینت (laminate) و یا میلگرد FRP در دسترس می باشد.

موارد استفاده از FRP در مقاوم سازی سازه ها کدام است؟

جهت محصور کردن ستون و افزایش ظرفیت محوری ، مقاوم سازی دال بتنی جهت کاهش خیز و افزایش ظرفیت باربری ، مقاوم سازی خمشی و برشی تیر های بتنی با استفاده از الیاف و یا لمینت FRP ، مقاوم سازی دیوارهای برشی بتنی جهت افزایش ظرفیت کششی و شکل پذیری ، مقاوم سازی اتصالات بتنی جهت افزایش ظرفیت خمشی و برشی و شکل پذیری