مقاوم سازی با استفاده از الیاف FRP
بطور کلی مقاوم سازی سازه های بتنی موجود یا مرمت آنها به منظور تحمل بارهای مضاعف طراحی، بهبود نارسایی های ناشی از فرسایش، افزایش شکل پذیری سازه یا سایر موارد با استفاده از مصالح مناسب و شیوه های اجرایی صحیح بطور متعارف انجام می¬گردد. استفاده از مواد مرکب ساخته شده از الیاف در محیط رزین پلیمری به عنوان پلیمرهای مسلح شده با الیافFRP – Fiber Reinforced Polymers به عنوان یک ضرورت در جایگزینی مصالح سنتی و شیوه های موجود معرفی شده است. سیستم FRP بدین صورت تعریف می¬شود که الیاف و رزین ها برای ساخت چند لایه مرکب مورد استفاده قرار می گیرند، به نحوی که رزین های مصرفی به منظور چسباندن چند لایه مرکب به سطح بتن زیرین و پوشش ها به منظور محافظت مصالح ترکیب شده استفاده می شوند. استفاده از FRP به دلیل وزن کم، سرعت اجرای بالا، مقاومت بالا و عدم ایجاد محدودیت معماری به خصوص در ساختمان های بتنی توجیه پذیر می باشد.
سیستم تقویتی FRP(فیبرهای پلیمریتقویت شده) یکی از مصالح کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله یک ماتریس رزین ازجنس پلیمر 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 FRP ، میلگردهای FRP ، مش هایFRP و پروفیل های FRP وجود دارد. از این محصولات برای ساخت و تقویت سازه ها استفاده می شود.
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
1- carbon FRP
2-Glass FRP
3- Aramid FRP
4- basalt FRP
از FRP در تقویت ستون ها، تیرها، دال ها، اتصالات، دیوارهای برشی بتنی، دیوارهای آجری، پایه و عرشه پل ها و . . . می توان استفاده نمود. تکنیک مقاوم سازی ستون های مسلح بتنی با استفاده از کامپوزیت های 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 FRP .می تواند در تیرها و دال های بتنی به عنوان جایگزین تمام یا بخشی از میلگرد کششی مورد نیاز بکار رود. همچنین FRPدر اتصالات بتنی می تواند استفاده گردد و شکل پذیری اتصال را افزایش دهد (تقریبا هیچ روش دیگری نمی تواند چنین تاثیری داشته باشد). ازFRP در تقویت دیوارهای برشی نیز استفاده می گردد FRP .می تواند شکل پذیری دیوارهای بنایی را افزایش داده و آنها را مهار نماید.
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 FRP ها 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
مزایای استفاده از FRP :
۱- وزن کم (چگالی آن در حدود ۲۰% فولاد است(.
۲- مقاومت کششی زیاد
۳- مقاومت در برابر خوردگی
۴- نفوذناپذیری مغناطیسی
۵- امکان تقویت به صورت خارجی
۶- حمل و نقل آسان وسرعت اجرای بالابه دلیل وزن کم
۷- 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 محصولاتFRP
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.
۲- کابل، نوار و تاندن‌های پیش‌تنیدگی
محصولاتی شبیه میله‌های FRP، ولی به صورت انعطاف‌پذیر هستند که در سازه‌های کابلی و بتن پیش تنیده (مطالعه مقاله پیش تنیدگی خالی از لطف نمی باشد) در محیط‌های دریایی و خورنده کاربرد دارند. این محصولات در اجزاء پیش‌تنیده در مجاورت آب نیز بکار گرفته می‌شوند.
۳- میلگردهای 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. مصالح FRP بر خلاف مصالح فولادی، رفتارالاستیک خطی از خود نشان می‌دهند. درشکل زیر میلگردهای FRP نشان داده شده است.