امروزه و در دهه های اخیر به دلایل مختلفی همچون افزایش بارهای بهره برداری، خطاهای اجرایی، تغییرات آیین نامه و … تقویت، مرمت و مقاوم سازی تیرهای بتنی از موضوعات مورد علاقه بسیاری از محققان بوده است.
از مهم ترین عوامل مؤثر بر قابلیت بهره برداری سازه ها، تغییرشکل و ترک خوردگی تیر بتن آرمه می باشد. عرض ترک بیش از حد، موجب آسیب و خرابی بتن سازه ها می گردد و تأثیر نامطلوبی بر زیبایی ظاهری سازه دارد. تغییر شکل های تیر بتنی نیز باید در حدود قابل قبول برای استفاده از سازه باشد.
با توجه به هزینه قابل ملاحظه نوسازی مجدد سازه ها، در سال های اخیر مسئله تقویت، ترمیم و مقاوم سازی سازه های ضعیف و خسارت دیده در سطح وسیعی مطرح شده است. یکی از روش های نسبتاً جدید مقاوم سازی اجزاء بتنی تقویت شده و از جمله تیر بتنی ، محصورشدگی مناطق تحت تنش و برش با CFRP است.
این روش مقاوم سازی به علت وضعیت مواد کامپوزیتی نظیر وزن سبکشان و رفتار الاستیک خطی تا نقطه گسستگی و مقاومت کششی خیلی بالا و مدول الاستیسیته بالا، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت بالا نسبت به خستگی و… خیلی مرسوم گردیده اند. ورق های پیش تنیده FRPو میلگردهای FRP در سال های اخیر برای تقویت خمشی و مقاوم سازی تیرهای بتن آرمه استفاده می گردند.
میلگردهای کامپوزیت اف آر پی(FRP) مورد استفاده جهت مقاوم سازی، در برابر خوردگی مقاوم می باشند؛ بنابراین، زمانی که خوردگی میلگرد دلیل اصلی برای کنترل ترک در اعضای بتن آرمه است، از عرض ترک های بزرگتر اعضای بتن آرمه با میلگرد اف آر پی (FRP) می توان چشم پوشی نمود.
دلایل نیاز به مقاوم سازی تیر های بتنی با الیاف اف آر پی(FRP)
در تیرهای بتن آرمه ی تقویت شده با ورق های اف آر پی (FRP) به دلیل جداشدگی زودرس و ناگهانی ورق ، ممکن است تیر به ظرفیت نهایی خود نرسد.
پدیده ی جداشدگیورق و ایجاد دیرکرد در آن با کمک روش های گوناگون انجام شده است. با این همه ، این موضوع هنوز از اصلی ترین موضوع ها در زمینه کاربرد ورق های FRP در مقاوم سازی می باشد. استفاده از این کامپوزیت ها در تقویت خمشی دال ها و تیرها بیشتر مورد استفاده قرار گرفته است.
در سال ۱۹۹۹ ،آقای گریس و همکارانش برای بررسی رفتار تیرهای بتن مسلّح که با انواع مختلف ورق های پلیمری مسلّح به الیاف تقویت شده اند، ۱۴ تیر بتنی را مورد آزمایش قرار دادند. هر تیر در ابتدا به اندازه مقاومت ترک خوردگی بارگذاری شده و سپس تیرهای ترک خورده با ورقهایFRP تقویت شدند و تا مرحله شکست تحت بارگذاری قرار گرفتند. ۵ سیستم تقویت کننده از انواع مختلف پلیمرهای مسلّح به الیاف شیشه ای/کربنی بکار گرفته شد و تأثیر مقاوم سازی تیرها بر خیز، بار نهایی، شکل گسیختگی و شکل پذیری آنها مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به آزمایش های انجام شده نتایج زیر حاصل شد : الف) بکارگیری ورقهای FRP در تقویت تیرهای بتنی سبب افزایش ظرفیت باربری وکاهش خیزآن می شود. همچنین ترک های ایجاد شده کوچک تر و به طور یکنواخت پخش گردیده اند و وجود لایه های عمودی تقویت، باعث جلوگیری از پارگی در الیاف خمشی (افقی) می شود. ب)ظرفیت باربری نهایی تیرها با به کاربردن ترکیبی از ورق های تقویتی مسلّح به صورت عمودی وافقی همراه با چسب اپوکسی مناسب تقریباً دوبرابر می شود. ج) گسترش لایه های عمودی در سراسر دهانه تیر، کاهش ترک های قطری را در پی داشته و نیز سبب می شود تا از ظرفیت الیاف طولی به طور کامل استفاده شود در نتیجه ظرفیت باربری نهایی تیرها به طور قابل ملاحظه ای افزایش خواهد یافت. د)تیرهایی که ورق هایGFRP در زیر و طرفین آنها بکار رفته است نسبت به تیرهایی که فقط در زیر به وسیله ورق تقویت شده اند رفتار بهتری از خود نشان می دهند. تمامی تیرهای تقویت شده با FRP دچار تردشکنی شدند که استفاده از ضریب اطمینان بزرگتری در طراحی احساس می شود.
انواع روش های مقاوم سازی تیر بتنی با FRP
تیرها قطعات سازه ای هستند که عموماً به صورت افقی در سازه قرارگرفته و بارهای قائم برمحور خود را به تکیه گاه ها که غالباً ستون ها هستند، منتقل می کنند. در اثر بارهای وارده، تیر تحت خمش قرار گرفته و در لایه های مختلف آن، تنش کششی و فشاری ایجاد می شود. در هنگام خمش که انحنای تیر به سمت پایین است، تارهای بالا تحت فشار و تارهای پایین تحت کشش قرار می گیرند.
مقاوم سازی تیر بتنی با استفاده ازمصالح پلیمری FRP
از ورقه های اف آر پی(FRP) برای تقویت خمشی ، برشی ، پیچشی و ترکیب آنها در اعضای باربر سازه از جمله تیر بتنی استفاده می شود. پارامترهای تأثیرگذار در تقویت تیر بتنی عبارت اند از جهت الیاف نسبت به محور طولی تیر بتنی ، تعداد لایه ها، ضخامت لایه ها ، جنس ، پهنا و طول کامپوزیت، چیدمان لایه ها و سایر پارامترهای مربوط به خصوصیات تیر بتنی چون مقاومت فشاری بتن ، سطح مقطع آرماتور کششی . در اشکال ۱و ۲ نمونه هایی از مقاوم سازی تیر بتنی جهت بالا بردن مقاومت خمشی و برشی تیرها مشاهده می شود.
تقویت خمشی تیر بتنی با استفاده از ورقه های FRP
مشکل جدا شدگی سریع کامپوزیت از سطح بتن پس از اتصال آن جهت مقاوم سازی ودر ضمن باربری یکی از مهم ترین مشکلات در بهره گیری از این ماده به منظور تقویت سازه های بتنی می باشد، که به عنوان مانعی جدی در بهره برداری کامل از ظرفیت کامپوزیت های اف آر پی(FRP) مطرح بوده است .روش جدید ابداع شده تحت عنوان روش شیارزنی برای نخستین بار در دنیا مشکلات ناشی از جداشدگی ورق FRP را به میزان قابل ملاحظه ای کاهش داده است .
مقاوم سازی تیر بتنی با استفاده ازمیلگردهای پلیمری FRP روش (NSM)
کاربرد میله های اف آر پی(FRP) تعبیه شده نزدیک به سطح، روش مناسبی برای افزایش مقاومت خمشی و برشی تیر بتنی مسلح معیوب می باشد. این تکنیک زمانی عملی است که مهار میلگرد های تعبیه شده در مجاورت عضو ممکن باشد. علاوه بر این کاربرد میله های NSM FRP به عملیات آماده سازی سطح نیاز ندارد. در موارد بخصوص کاربرد میله های NSM FRPدارای کارایی بالاتری از ورقه های پیوندی اف آر پی (FRP)می باشد، بخصوص مواقعی که مهار انتهایی تقویت های FRP نیاز به یک طراحی اساسی دارند یا نصاب ورقه ها نیاز به یک عملیات وسیع آماده سازی سطح داشته باشد.
دو روش طراحی برای تعیین نسبت میلگرد به منظور کنترل ترک خوردگی خمشی تیر بتنی وجود دارد: ۱)روش مستقیم که در آن عرض ترک ها محاسبه می شود؛ و ۲) روش غیر مستقیم که در آن حداکثر فاصله میلگرد مشخص شده است. کنترل مستقیم ترک، به محاسبه عرض ترک احتمالی و مقایسه آن با عرض ترک قابل قبول اشاره دارد. این رویکرد توسط انجمن مهندسین عمران ژاپن دنبال می شود، که تنها زیبایی شناسی در تعیین حداکثر عرض ترک قابل قبول ۵/۰ میلی متر لحاظ شده است. در آیین نامه CAN/CSA S6-06، تعیین نسبت میلگرد FRP را با فرض عدم تجاوز ترک از ۵/۰ میلی متر برای اعضای در معرض محیط های مهاجم، و ۷/۰ میلی متر برای سایر اعضا، مجاز می داند. در ACI 318 ، مقررات کنترل عرض ترک برای میلگردهای FRP عنوان نشده است و کنترل ترک برای میلگرد فولادی مطابق با حداکثر عرض ترک که تقریباً بین ۴۶/۰ و ۵۶/۰ میلی متر می باشد، تغییر می کند.
تقویت برشی تیر بتنی با استفاده از ورقه های FRP
تقویت برشی تیر بتنی را می توان با استفاده از نوارهای اف آر پی (FRP)یا حتی ورقه های آن در زوایای مختلف بخصوص ۴۵ درجه برای کنترل ترک های برشی و در تعداد لایه های مختلف و حتی دو لایه عمود برهم با زاویه مختلف به عنوان مثال ۰-۹۰ درجه انجام داد.
انواع مودهای شکست تیر مقاوم سازی شده با مصالح کامپوزیتی اف آر پی(FRP)
با توجه به اینکه انتخاب الگوی مناسب برای تقویت تیر بتنی با توجه به انواع مودهای گسیختگی خمشی و برشی صورت می گیرد لذا شناخت و درک صحیح این مودها و بررسی تحلیلی و ارایه روابط قابل قبول برای آنالیز وطراحی سیستم تقویت با توجه به مود گسیختگی ضروری به نظر می رسد . در اینجا فقط به انواع مودهای شکست تیر بتنی اشاره می شود.
انواع مودهای گسیختگی خمشی
گسیختگی ناشی از پارگی ورق FRP
گسیختگی ناشی از خردشدگی بتن ناحیه فشار
انواع مودهای گسیختگی برشی
گسیختگی برشی با پارگی ورق FRP
گسیختگی برشی بدون پارگی ورق FRP
گسیختگی برشی ناشی ازعدم پیوند یا چسبندگی ورق FRP
هزینه مقاوم سازی با FRP
هزینه های مصالح ، نصب و اجرای الیاف اف آر پی (FRP)در مقایسه با سایر روش های مقام سازی پایین بوده و استفاده از آنها از لحاظ اقتصادی بسیار مقرون به صرفه است.
در مقایسه قیمت انواع الیاف های موجود نیز الیاف شیشه ای (GFRP) کمترین قیمت را داشته و الیاف کربنی (CFRP) دارای قیمت بالاتری می باشند ولی عملکردهای بسیار مطلوب الیاف کربنی مانند سختی بسیار بالا، مقاومت کششی بالا، وزن کم، مقاومت شیمیایی بالا و .. آن ها را بسیار کارآمد تر کرده است.
سوالات متداول
موارد مقاوم سازی تیرهای بتنی با استفاده از FRP کدام است؟
در تقویت خمشی ، برشی ، پیچشی و ترکیب آنها در تیرهای بتنی می توان از FRP ها بصورت شیت و یا لمینت و یا در مواردی از میلگرد در روشهای مختلف نصب استفاده کرد.
مشکل اساسی الیاف FRP در مقاوم سازی تیرهای بتنی چیست؟
مشکل جدا شدگی سریع کامپوزیت از سطح بتن پس از اتصال آن جهت مقاوم سازی ودر ضمن باربری یکی از مهم ترین مشکلات در بهره گیری از این ماده به منظور تقویت سازه های بتنی می باشد، که به عنوان مانعی جدی در بهره برداری کامل از ظرفیت کامپوزیت های اف آر پی(FRP) مطرح بوده است.
جهت رفع مشکل جداشدگی الیافFRP از سطح بتن در مقاوم سازی تیرها چه ایده ای مطرح شد؟
جهت رفع این مشکل با زدن شیارهای در عضو بتنی و قرار دادن FRP در آنها و سپس پر کردن با پرکننده اپوکسی میتوان از جداشدگی آن جلوگیری کرد که به روش NSM معروف است.
موارد لزوم مقاوم سازی تیر بتنی با استفاده از الیاف FRP چیست؟
تیرهای بتنی می توانند ناشی از طراحی نامناسب و یا اجرا نامناسب ، کرمو شدن بتن ، تغییر کاربری ، افزایش مقاومت در برابر بارهای وارد و کاهش خیز و جلوگیری از خوردگی میلگردها میتوان از الیاف FRP جهت مقاوم سازی و ترمیم آنها استفاده کرد.
