کنترل خیز با FRP

همانطور که می دانید اگر در طراحی سازه خیزهای ایجاد شده در المان های خمشی ساختمان (مانند تیر و دال بتنی) کنترل نشوند و از خیز مجاز فراتر روند، خرابی های غیرسازه ای را به وجود خواهند آورد. این مورد علاوه بر نازیبایی فضای داخلی، احساس ایمنی ساکنین را صلب خواهد نمود.

می دانیم دال های بتنی قبل از آنکه تحت نیروی های زلزله قرار گیرند تحت بارهای ثقلی (مرده و زنده) هستند.با تاثیر این بارها در دراز مدت (که سبب ایجاد افت و خزش در بتن می شود)، تغییر شکل های قابل توجهی در وسط چشمه ی دال ایجاد می شود.تیرهای بتنی نیز حداکثر تغییر شکل را تحت بارهای ثقلیِ دراز مدت، عموماً در وسط دهانه خود تجربه می کنند. این تغییرشکل که یکی از مهم ترین عوامل تعیین کننده ی ابعاد تیر و ضخامت دال هاست، در بین مهندسین عمران با نام «خیز» شناخته شده تر است، که مهندسین در پی کاهش آن تا رسیدن به خیز مجاز آیین نامه ای هستند.

کاهش زیبایی فضای داخلی، سلب آسایش ساکنین ساختمان، اختلال در عملکرد درب و پنجره و حتی آسانسور و آسیب دیدگی اجزاء غیرسازه ای نظیر تیغه ها، نازک کاری ها و سقف های کاذب (در صورتیکه این اجزاء به دال متصل باشند.) از اثرات ایجاد خیز در سقف و تیر می­باشند.

استفاده از تاندون های فولادی پس کشیده (EPT) یک انتخاب مناسب در بازسازی سازه پل های چوبی، بتنی و فولادی طی 50 سال گذشته بوده است. این روش برای تقویت و ترمیم اعضای خمشی کاملا مناسب است، به ویژه هنگامی که عملکرد سازه در شرایط سرویس باید بهبود یابد (به عنوان مثال، کاهش تنش کششی با توجه به بارهای سرویس در هر دو لنگر مثبت و منفی، کاهش شدت تنش خستگی و کنترل خیز با بهبود تغییر شکل های کوتاه مدت بیش از حد و کاهش اثر بارهای ثابت بر تغییر شکل های طولانی مدت).

در سازه های بتنی، سوپرپوزیشن یا برهم نهی نیروهای فشاری در نواحی کششی امکان کاهش عرض ترک های موجود را فراهم می کند، در نتیجه اثرات خوردگی آرماتور داخلی و احتمالاً دامنه ارتعاشات ناشی از بارهای زنده را کاهش می دهد. مهندسان پل با این مسائل بطور مکرر روبرو می شوند. پتانسیل قابل توجهی نیز برای افزایش مقاومت برشی و پیچشی با استفاده از آرماتورهای EPT وجود دارد.

امکان نصب و اجرا به دلیل مقرون به صرفه بودن سیستم پس کششی خارجی در پروژه با کمترین یا بدون اختلال در خدمات افزایش می یابد. علاوه بر این، طراحی سیم های رشته ای مستقیم یا استرندهای سیمی، بسته به نیازهای خاص و ملاحظات سود و هزینه می تواند متناسب باشد.

افزایش ظرفیت خمشی عضو بتنی به وسیله FRP باعث کاهش ترک­ها و کنترل خیز عضو بتنی می­شود.در صورتی که عضو بتنی توانایی تحمل بارگذاری انجام شده را نداشته باشد دچار افزایش خیز می­شود. عدم مقاومت کافی در برابر خمش در عضو بتنی ناشی از ضعف آرماتورهای کششی پایین تار خنثی و یا ضخامت پایین عضو بتنی است.البته ضعف در اجرا و یا کیفیت بد بتن مصرفی و یا تغییر کاربری نیز می­تواند سبب ایجاد خیز در عضو شود. الیاف FRP اف آر پی بدلیل داشتن مزیت وزن کم ، مدول الاستیسیته ی زیادی دارند در نتیجه می توان مقاومت و سختی عضو بتنی (دال ها یا تیرها) را افزایش بدهند که بدنیال آن خیز در عضو مورد نظر نیز کاهش پیدا میکند . الیاف CFRP اف آر پی در راستای آرماتورهای فولادی به بیشترین مقدار از مقاومت کششی خود می رسند به همین جهت باید آنها را در همین راستا نصب و اجرا کرد.

در سال های اخیر، راه حل های جایگزینی ایجاد و اعتبارسنجی شده است که از الیاف تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) در ساخت و سازهای جدید و مقاوم سازی استفاده می کند. الیاف و تاندون های از جنس CFRP به دلیل مقاومت کششی بالا (معمولاً بیش از 1800 مگاپاسکال) و مقاومت در برابر خوردگی برای استفاده در سیستم های پیش تنیده و پس کشیده مناسب هستند. در ساخت و ساز جدید، استفاده از محصولات CFRP به صورت تاندون در مقایسه با عملکرد تاندون های گروتی داخلی، عملکرد سازه ای و دوام بهتری دارد. عدم رسانایی نیز از ویژگی هایی است که ممکن است در کاربردهای خاص هنگام استفاده از الیاف کربن با ارزش باشد.

گزینه های مقرون به صرفه برای افزایش مقاومت برشی و خمشی با استفاده از ورق یا نوارهای FRP غیر پیش تنیده، اتصال خارجی FRP، تأیید شده و به سرعت در حال تبدیل شدن به یک روش کاربردی هستند. با این حال، سیستم های EB FRP در کنترل خیز و به طور کلی پرداختن به مسائل مربوط به سرویس دهی و بهره برداری به اندازه کافی تأثیرگذار نیستند، که نمایانگر یک بخش مهمی است که توسط گزینه های EPT CFRP پوشش داده می شود. علاوه بر کنترل خیز، روش پس کششی امکان استفاده موثرتر از CFRP را فراهم می کند، بنابراین میزان مصالح مورد نیاز را به حداقل می رساند. هزینه اضافی هزینه ای برای سیستم های مهاری و همچنین تجهیزات تخصصی، همراه با روش های نصب است که ممکن است شامل عملیاتی زمانبر باشد که گاهی اوقات توسط پرسنل ویژه آموزش دیده انجام می شود. نگرانی دیگر آسیب پذیری تاندون های CFRP در برابر خرابکاری های عمدی یا عملیات پس از نصب است.

نمای کلی سیستم EPT در شکل زیر نشان داده شده است. این سیستم از دو نوار میله ای CFRP تشکیل شده است که هرکدام دارای یک مهار انتهایی از فولاد ضد زنگ مصنوعی و یک دویاتور متوسط هستند. هر میله در هر دو انتها مجهز به کوپلرهای مصنوعی فولاد ضد زنگ است که برای ایجاد مقاومت حداکثر CFRP به میله ها طراحی شده اند. در ناحیه انتهایی، مونتاژ میله با یک رشته فولادی و یک میله فولادی رزوه دار با اتصالات انتهایی که به مهار فولادی T شکل متصل می شود، با استفاده از پیچ و مهره فولادی وصل شده، در نتیجه چرخش انتهایی امکان پذیر می شود.

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، شکل مهار انتهایی زنده دارای یک پیچ و مهره ترکیبی است که بین یک میله فولادی رزوه ای متشکل از رشته های فولادی و یک میله رزوه دار با انتهای شکاف دار متصل شده است که به مهار T شکل مصنوعی متصل می شود.

اتصالات مهار را می توان با استفاده از میله های رشته ای فولادی با مقاومت بالا با چسب اتصال داد، جایی که چسب سازه ای باید در شرایط مناسب برای اتصالات بالاسری مانند شکل زیر انتخاب شود. می توان از اتصالات مکانیکی با پیچ و مهره های فولادی با مقاومت بالا روی اعضای سازه ای فلزی استفاده کرد. نیروی لازم را می توان با استفاده از پیچ و مهره در انتهای زنده و با استفاده از آچار در حالی که از آچار دیگری برای جلوگیری از چرخش میله متشکل از رشته های فولادی استفاده کرد. یک آچار با بازوی بلند ممکن است برای تسهیل عملیات در صورت امکان مناسب باشد.

شکل حاضر همان نمونه هایی از تاندون های CFRP را که در نزدیکی سطح قرار دارند، تکرار می کند و عملکرد سازه ای مشابهی را برای همان نیرو به وجود می آورد، بنابراین یک نیروی محوری برآیند در پیچ های رزوه ای ایجاد می شود که مستقیماً به سمت بالا فشار وارد می کند. دویاتور را می توان بر روی یک عضو سازه ای که باید بازسازی شود، نصب کرد. با انتخاب مناسب نیروی لازم اعمال شده در انتهای زنده و تعداد، موقعیت و ارتفاع امتداد یافته دویاتورها، می توان نیروی بالابرنده را برای دستیابی به کارایی مناسب یا بهبود مقاومت مورد نظر طراحی کرد. هنگام طراحی سیستم CFRP EPT با اتصالات میله ای پیش ساخته که باید بر روی سطوح نصب شود (به عنوان مثال، دال ها و عرشه های پل) یا در قسمت بیرونی تیر فلزی یا بتنی، برای به حداکثر رساندن خروج از مرکزیت، فاصله آزاد عمودی عامل اصلی به حساب می آید. در ساختمان هایی که از سقف های کاذب برای قرار دادن کانال های تهویه هوای مطبوع و سایر خطوط و تجهیزات آب و برق استفاده می شود، امکان استفاده از مصالح تقویتی بدون نیاز به تجهیزات خاص و عملیات زمانبر وجود دارد.