مقاوم سازی با الیاف
آسیب‌پذیری ساختمان‌ها و شریان‌های حیاتی در برابر عواملی مانند زلزله و آتش‌سوزی، یکی از چالش‌های مهم سال‌های اخیر محسوب میشود. از همین رو، مقاومسازی لرزهای سازه‌ها به یکی از موضوعات اساسی و محوری در حوزه مهندسی زلزله تبدیل شده است.
طبق آمار سال 1393، در کشور بیش از 360 هزار پل بزرگ و کوچک در حوزه جاده‌ای با طول تقریبی 1500 کیلومتر و بیش از 26 هزار و 500 پل در حوزه ریلی وجود داشته است. این سازه‌های حیاتی ارزش اقتصادی بالایی دارند و نقش مهمی در حمل‌ونقل و ارتباطات ایفا می‌کنند.
تصور کنید که تخریب و جایگزینی چنین سازه‌هایی چه هزینه سنگینی را بر اقتصاد تحمیل می‌کند.
استفاده از کامپوزیت‌های FRP می‌تواند بهبود قابل توجهی در مقاومت خمشی، کششی، برشی و بارگذاری محوری این پلها ایجاد کند. این فناوری مدرن به افزایش عمر مفید سازه‌ها کمک کرده و موجب صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه‌ها و انرژی میشود، در حالی که نیاز به تخریب و بازسازی را به حداقل می‌رساند.
روش های مقاوم سازی
روشهای مختلفی برای تقویت و مقاومسازی سازه‌ها وجود دارد، از جمله دیوار برشی، ژاکت بتنی، ژاکت فولادی، مهاربندی فلزی، قاب پیرامونی، کاشت آرماتور و مقاومسازی با الیاف FRP که هر یک به شیوه‌ای خاص باعث افزایش استحکام و دوام سازه‌ها در برابر نیروهای وارده میشوند.انتخاب روش مقاوم سازی
پارامترهای اصلی در انتخاب روش مقاومسازی شامل تشخیص مهندسی دقیق، صرفه اقتصادی، سهولت در اجرا، و اعمال حداقل تغییرات در ساختمان هستند؛ در صورتی که تشخیص یا اجرای مقاومسازی اشتباه انجام شود، ممکن است سازه تحت فشارهای اضافی آسیب ببیند، عملکرد مورد انتظار را ارائه ندهد، یا حتی باعث وقوع حوادث جبران‌ناپذیری شود.
مقاوم سازی با frp
از مهمترین کاربردهای سیستم FRP در مقاومسازی سازه، تقویت ستونها، پایه پلها و به طور کلی اعضای باربر سازه است. در مقاومسازی مقاطع بتنی با استفاده از مواد کامپوزیتی FRP، بهسازی در سطح بالایی صورت میپذیرد تا در هنگام وقوع زلزله و تحمل بارهای لرزهای بهترین عملکرد را داشته باشد.
استفاده از این سیستم به دلیل ضخامت پایین ورقههای آن، یکی از روشهای مناسب و جدید برای مقاومسازی ستونها با افزایش شکل‌پذیری (محصورشدگی) و افزایش مقاومت مشخصه بتن است.
الیاف FRP از دو جز اصلی ماتریس (پلیمر) و تقویت کننده (الیاف) ساخته میشوند و با توجه به ماهیت خود توانایی تحمل نیروهای بسیار زیادی را دارد. جهت اتصال FRP به بتن از چسب اپوکسی استفاده میشود تا هم چسبندگی به بهترین نحو ممکن برقرار گردد و هم از الیاف در برابر حملات شیمیایی و آسیبهای مکانیکی محافظت شود.
در نهایت، استفاده از این روش مقاومسازی، علاوه بر تأثیر ناچیز در بار مرده سازه و همچنین افزایش مقاومت سازه در مقابل نیروهای خمشی و کششی، با توجه به بنیان شیمیایی رزین اپوکسی، از بتن در مقابل خوردگی نیز محافظت می نماید.
الیاف کربن ، الیاف FRP چیست؟
ABA WRAP پارچه الیاف کربن تک جهته برای کاربردهای مقاوم سازی در صنعت عمران می باشد. این فرآورده با تکنولوژی ساخت پیشرفته در مقاومسازی انواع سازه های بتنی و در شرایطی ویژه فلزی و حتی چوبی کاربرد دارد. لازم به ذکر است این محصول به واسطه مقاومت شیمیایی زیاد و با هدف محافظت در برابر خوردگی در انواع مخازن و خطوط لوله نفت و گاز نیز کاربرد دارد.
ویژگی های الیاف FRP
از ویژگی های این کالا میتوان به موارد ذیل اشاره نمود:
– جلوگیری از رشد ترک های ناشی از بارهای لرزهای
– کاهش اثرات تخریبی انفجار
– بهبود عملکرد لرزهای سازه ها
– افزایش دوام سازه ها
– امکان مقاوم سازی سازه با حداقل افزایش وزن در آن
– افزایش ظرفیت باربری مقطع
– مقاومت در برابر عوامل شیمیایی
الیاف FRP با نصب بر روی سطوح بتنی مانند دال‌ها، تیرها، ستونها، دیوارها و فونداسیون‌ها، موجب افزایش مقاومت بتن در برابر بارهای وارده میشود. این الیاف به دلیل ویژگی‌های خاص خود، می‌توانند به بهبود عملکرد بتن در برابر تنش‌ها، فشارها و ارتعاشات کمک کنند. همچنین در ساختمان‌ها و سازه‌های در حال احداث، استفاده از الیاف FRP موجب افزایش عمر مفید سازه و بهره‌وری حداکثری میشود، چرا که این مواد سبک و مقاوم هستند و تأثیر زیادی در کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری در آینده دارند.
روش اجرای الیاف FRP
روش نصب دستی (FRP (Hand lay-up
در روش نصب دستی FRP، اولین مرحله آماده سازی سطح زیر کار می باشد؛ سطوح بتنی باید به صورت مکانیکی و به وسیله گرانیت ساب، اسکراچر یا سندبلاست آماده سازی شوند تا تمامی ذرات و قسمت های سست از بین رفته و عیوب بتن مانند حباب ها و سوراخ ها به طور کامل نمایان گردد. ذرات گرد و غبار به وسیله جارو و مکش از روی سطح پاک شود. در صورت وجود برجستگی و عوارض، سطح بتن در حین فرآیند ساب زدن باید صاف و یکنواخت گردد.
به این ترتیب کـه سطوح محل اجرا باید عاري از هرگونه چربي، گرد و غبار، روغن، رطوبت و خوردگی باشد. سپس یک لایه چسب توسط غلتک و یا قلم مو روی سطح عضو اعمال میشود. در ادمه الیاف نصب و یک لایه چسب دیگر بر روی الیاف اجرا میشود.
روش نـصب و اجرای دستی آسان ترین و متداولترین روش به‌کارگیری الیاف FRP در مقاوم سازی به روش FRP است.
تست مقاومت الیاف FRP
برای ارزیابی خواص الیاف FRP که به‌عنوان سیستم تقویت داخلی یا خارجی در سازه‌ها استفاده میشوند، روشهای مختلفی وجود دارد. استانداردهای ASTM روشهای آزمایشگاهی برای تعیین خواصی مانند وزن مخصوص، ضریب حرارتی انبساط و کسر حجم فیبر را ارائه می‌دهند. این خواص بسته به ترکیب و روش تولید الیاف FRP متفاوت است و تأثیر زیادی بر کارایی آنها در سازه‌ها دارد.
تست کشش الیاف FRP
یکی از مهمترین آزمایش‌ها، تست کشش است که مشخصات کششی مواد کامپوزیت تقویت‌شده با الیاف با مدول بالا را تعیین می‌کند. در این تست، ویژگی‌هایی مانند مقاومت کششی، مدول الاستیسیته و ازدیاد طول نهایی اندازه‌گیری میشوند. این آزمایش می‌تواند به‌طور موثری در تست‌های آزمایشگاهی و صحرایی برای ارزیابی کیفیت و طراحی سازه‌های تقویت‌شده با FRP مورد استفاده قرار گیرد. استاندارد ASTM D3039 به‌طور خاص به روشهای آزمون کششی این مواد پرداخته و برای تحقیقات، توسعه، کنترل کیفیت و تحلیل سازه‌ها مفید است.
تست کشش لمینت FRP
تست کشش لمینیت‌های FRP به‌طور خاص بر ارزیابی مشخصات کششی این مواد متمرکز است. در این روش، شکست در قسمت‌های مهاری نادیده گرفته میشود و نتایج آزمون فقط از نمونه‌های آزمایشی که در ناحیه گیج دچار خرابی شده‌اند، استخراج میشود. این تست برای طراحی لمینیت‌های FRP به‌عنوان مقاومسازی سطحی بتن بسیار اهمیت دارد.
در این آزمایش، یک نوار نازک از ماده FRP که روی یک سطح تخت آغشته به رزین است، به‌صورت یکنواخت در دستگاه کشش بارگذاری میشود. حداکثر بار اعمال‌شده قبل از شکست ماده، به‌عنوان مقاومت نهایی کششی تعیین میشود. همچنین، رفتار تنش-کرنش با استفاده از مبدل‌های کرنش یا جابجایی قابل اندازه‌گیری است که میتوان از آن برای تعیین مقاومت نهایی کششی، مدول الاستیسیته کششی، نسبت پواسون و کرنش انتقالی استفاده کرد.
این آزمایش برای ارزیابی خصوصیات کششی مواد، تحقیق و توسعه، و تضمین کیفیت مناسب است. عواملی که بر رفتار کششی تأثیر می‌گذارند و باید گزارش شوند شامل نوع مصالح، روشهای آماده‌سازی، تعداد لایه‌های FRP، و شرایط آزمایش مانند دما و زمان آزمایش است. از نتایج این آزمایش میتوان برای طراحی و تحلیل سازه‌ها استفاده کرد.
تست مقاومت الیاف FRP
در یک مطالعه تجربی و تحلیلی، رفتار استوانه‌های بتنی استاندارد تقویت‌شده با کامپوزیت‌های پلیمری (FRP) بررسی شده است. برای انجام آزمایش، ۵۱ استوانه به ابعاد ۱۵۰*۳۰۰ میلی‌متر که با سیمان پرتلند با مقاومت بالا و شن محلی ساخته شده‌اند، تحت فشار محوری خالص قرار گرفته‌اند. این استوانه‌ها با نسبت‌های مختلف محصورکنندگی تحت آزمایش قرار می‌گیرند و پارامترهایی مانند شکست ناشی از پارگی الیاف و خرد شدن بتن مورد بررسی قرار می‌گیرد.
نتایج آزمایشات نشان می‌دهد که مقاومت استوانه‌های بتنی محصور شده با FRP به طور مستقیم با افزایش تعداد لایه‌های کامپوزیت افزایش می‌یابد. همچنین جهت قرارگیری الیاف یکی از عوامل مهم تأثیرگذار بر مقاومت و شکل‌پذیری CFRP است.
تست کشش Pull-off الیاف FRP
این روش، الزامات آزمایش مقاومت کششی چسبندگی لمینیت‌های FRP که به سطح یک عضو بتنی متصل شده‌اند، برای تعیین مقاومت کششی بتن بستر یا هر دو، مشخص می‌کند. استاندارد ASTM-D4541 روش آزمون استانداردی است که برای تعیین مقاومت pull-off پوشش‌ها از چسب‌های قابل حمل استفاده میشود.
آزمون pull-off بر روی یک سطح 25 تا 40 میلی‌متر مربعی یا صفحه‌ای دایره‌ای که به سطح FRP یا بتن با چسب متصل شده است، انجام میشود. پس از عمل‌آوری چسب، دستگاه مخصوصی به محل بارگذاری متصل میشود و برای اعمال کشش عمود بر بتن تنظیم می‌گردد. نمونه تا زمانی که دستگاه چسبندگی از سطح جدا شود، بارگذاری میشود.
مقاومت pull-off بر اساس حداکثر باری که دستگاه نشان می‌دهد، اطلاعات کالیبراسیون دستگاه و سطح تحت تنش اصلی محاسبه میشود. جدا شدن صفحه چسبیده به FRP معمولاً نشان‌دهنده آماده‌سازی نامناسب سطح یا چسب کم‌مقاومت است. این آزمون به دلیل سادگی و راحتی، برای استفاده در محیط‌های کارگاه و آزمایشگاه مناسب است. با افزایش استفاده از لمینیت‌های FRP، ارزیابی رفتار کششی الیاف نیز بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد.
نتایج بدست آمده از این روش در کنترل کیفیت چسب‌ها و همچنین طراحی لمینیت‌های FRP به عنوان مقاوم‌سازی‌کننده خارجی برای تقویت سازه‌های موجود مورد استفاده قرار می‌گیرد.
تست ازدیاد طول Pull-Off الیاف FRP
روش آزمون ASTM D7205 برای ارائه داده‌های مربوط به مقاومت کششی و ازدیاد طول طراحی شده است. این تست کشش اطلاعات مختلفی را فراهم می‌کند که برای اهداف طراحی ضروری است. عواملی که بر پاسخ کششی میلگردها تأثیر می‌گذارند و باید گزارش شوند شامل مواد تشکیل‌دهنده، میزان حفره‌ها، درصد حجمی آرماتورها و روشهای ساخت می‌باشند.
به‌طور مشابه، عوامل تأثیرگذار در آزمون کششی میلگردها شامل نحوه تهیه نمونه، شرایط نمونه، محیط آزمایش، تراز کردن نمونه و سرعت آزمایش می‌باشد. از ویژگی‌های اصلی که ممکن است از این روش به‌دست آید میتوان به مقاومت کششی نهایی، کرنش نهایی کششی، مدول الاستیسیته کششی و منحنی تنش-کرنش اشاره کرد.
این روش آزمون به‌طور خاص برای تعیین خصوصیات کششی شبه استاتیک و خواص کششی میلگردهای کامپوزیت ماتریس پلیمر مقاومسازی شده با الیاف (FRP) طراحی شده است، که معمولاً به عنوان اعضای کششی در بتن مسلح، پیش‌تنیده یا پس‌کشیده استفاده میشود.
مولفه‌های خطی مورد استفاده برای مقاومسازی بتن با سیمان پرتلند، بسته به نوع کاربرد میلگرد یا تاندون، مشخص میشود. این آزمون تحت محدودیت‌های خاص خود برای انواع مدل‌های مقاوم‌سازی‌کننده قابل اجرا است. در کل، میلگردها دارای مقطع عرضی توپر و الگوی منظمی از عاج‌های سطحی هستند که اتصال مکانیکی میان میلگرد و بتن را بهبود می‌بخشند. مقادیر مقاومت ارائه‌شده توسط این روش، نقاط مقاومت استاتیک کوتاه‌مدت هستند و برای بارگذاری استاتیک یا خستگی در نظر گرفته نمی‌شوند.
دانلود نتایج تست الیاف کربن شرکت آبادگران
نتایج آزمون مقاومت چسبندگی (PULL OFF)- آزمایشگاه مقاومت مصالح دانشگاه امیرکبیر
نتایج آزمون مقاومت فشاري نمونه هاي مکعبي- آزمایشگاه مقاومت مصالح دانشگاه امیرکبیر
نتایج آزمون مقاومت کششی- آزمایشگاه مقاومت مصالح دانشگاه امیرکبیر
نتایج آزمون خمش سه نقطه اي- آزمایشگاه مقاومت مصالح دانشگاه امیرکبیر
مقایسه روش های مقاوم سازی (مقاوم سازی با FRP و مقاوم سازی با کاشت میلگرد)
1. نوع تقویت و هدف
- الیاف کربن (CFRP): این روش برای افزایش مقاومت کششی و تقویت خمشی در سازه‌های بتنی به‌کار می‌رود. الیاف کربن به سطح بتن چسبانده میشوند تا مقاومت بتن در برابر بارهای کششی و خمشی افزایش یابد. این روش معمولاً برای سازه‌های بتنی مانند دال‌ها، تیرها و ستونها استفاده میشود که نیاز به تقویت سطحی دارند.
- کاشت میلگرد (آرماتور): این روش عمدتاً برای تقویت مقاومت برشی و کششی در بتن و افزایش ظرفیت تحمل بار انجام میشود. میلگردها به داخل بتن کاشته میشوند تا بتن از نظر داخلی تقویت شود و امکان تحمل بارهای بیشتر فراهم آید.
2. روش اجرا
- CFRP: فرآیند نصب الیاف کربن معمولاً سریع و آسان است و به کمترین تغییرات در ساختار سازه نیاز دارد. این روش به‌ویژه در پروژه‌های مقاومسازی که زمان محدود است و نیاز به حداقل اختلال در عملیات سازه‌ای دارند، ایده‌آل است.
- کاشت میلگرد: نیاز به انجام عملیات حفر سوراخ‌ها و تزریق رزین به داخل بتن دارد. این روش به‌طور معمول پیچیده‌تر است و نیاز به دقت بیشتر دارد.
3. ویژگی‌ها و مزایا
- CFRP:
- سبک و مقاوم در برابر خوردگی.
- نیاز به تغییرات حداقلی در سازه.
- بهبود مقاومت کششی و خمشی.
- هزینه کمتر برای سازه‌هایی که نیاز به مقاومسازی سریع دارند.
- کاشت میلگرد:
- مناسب برای تقویت عمیق‌تر و داخلی بتن.
- تأثیرگذاری بیشتر بر تقویت برشی و تحمل بار.
- نیاز به فضای بیشتر برای اجرا و زمان بیشتر.
4. مناسب‌ترین شرایط استفاده
- CFRP: مناسب برای سازه‌هایی که نیاز به تقویت سطحی دارند و در مناطقی که مقاومت در برابر خوردگی و محیط‌های شیمیایی اهمیت دارد.
- کاشت میلگرد: مناسب برای سازه‌هایی با نیاز به تقویت داخلی و مقاومت بیشتر در برابر نیروهای برشی، مانند فونداسیون‌ها و سازه‌های عمیق‌تر که نیاز به تقویت در لایه‌های درونی بتن دارند.
نتیجه‌گیری:
- CFRP به دلیل نصب سریع، مقاومت بالا در برابر خوردگی و سبک بودن، برای سازه‌های بتنی در معرض آسیبهای محیطی یا نیازمند تقویت سطحی مناسب است.
- کاشت میلگرد به عنوان یک روش تقویت داخلی بیشتر در پروژه‌هایی که نیاز به افزایش عمقی در مقاومت دارند، مانند تقویت برشی و کششی برای فونداسیون‌ها و سازه‌های بتنی بزرگ‌تر، استفاده میشود.
این دو روش در شرایط مختلف به‌کار می‌روند و انتخاب آنها بستگی به نوع سازه، میزان آسیب، و نیاز به تقویت دارد.
در انتخاب روشهای مقاومسازی، نظر طراح سازه نیز بسیار مهم است. طراح باید با در نظر گرفتن نوع آسیب، شرایط محیطی، هزینه‌ها و نیازهای سازه، بهترین گزینه را انتخاب کند. انتخاب روش مقاومسازی به‌ویژه در پروژه‌هایی که نیاز به تغییرات ساختاری دارند، نیازمند دقت و تجربه طراح است. علاوه بر این، طراح باید توجه داشته باشد که هر روش مقاومسازی مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارد که می‌تواند بر عملکرد بلندمدت سازه تأثیر بگذارد. در نتیجه، هماهنگی میان مهندسین، طراحان و سایر متخصصان می‌تواند تضمین‌کننده انتخاب بهینه روش مقاومسازی باشد.