دسته: <span>مقاوم سازی با FRP</span>

بررسی راهکار­های مقاوم­سازی ستون های بتنی و مقاوم سازی ستون

یکی از معمول‌ترین تکنیک‌ها برای مقاوم­سازی ستون­های بتنی، استفاده از ورق‌های فولادی (Steel Jacket) است که از بیرون به این اجزاء چسبانده می‌شود.

یک روش دیگر برای مقاوم­سازی ستون­های ضعیف استفاده از نبشی­هایی در چهار طرف و چهار کنج ستون و اتصال آنها با یکدیگر به وسیله ورق ها و پلیت های فلزی می باشد. فاصله بین پوشش فلزی و ستون بتنی با گروت ضد انقباض پر می­شود.

ضعف اصلی این روش قطع تقویت در زیر و روی سقف­ها و ایجاد نقاط ضعف برای ساختمان می­شود و عملا مقاوم­سازی ستون را بی­تاثیر می­کند و ایجاد این اتصال بسیار مشکل و هزینه­بر و غیر اقتصادی می­باشد.

در کل این روش، روشی ساده است؛ اما از جهات زیر مسئله‌ ساز است:

• زوال چسبندگی بین فولاد و بتن که از خوردگی فولاد ناشی می‌شود.
• مشکلات ساخت صفحات فولادی سنگین در کارگاه ساختمان.
• نیاز به نصب داربست.
• محدودیت طول در انتقال صفحات فولادی (تقویت خمشی) به کارگاه ساخت .
• زمان طولانی عملیات اجرا .

روش مرسوم دیگر مقاوم­سازی ستون­های بتنی، استفاده از پوشش‌های بتن‌آرمه(Concrete Jacket) می‌باشد.

برای رفع ضعف باربری ستون­های بتنی تقویت یکطرفه و دو طرفه وسه طرفه و چهار طرفه، با توجه به موقعیت ستون، با روش jackting  (پوشش) بتنی می­تواند روش موثری باشد. نکته مهم اتصال مناسب بتن جدید با بتن قدیم است،  که باید یک عضوی یکپارچه را تشکیل دهند. این مورد برای تحمل بار زلزله بسیار مهم می­باشد.

ذکر این نکته ضروری است که برای تقویت ستونها باید عمل تقویت و مقاوم­سازی از پی تا بالاترین نقطه ساختمان (انتهای ستون)ا انجام پذیرد و قطع آن در زیر و روی سقف­ها سبب ایجاد نقاط ضعف برای ساختمان می­شود و عملا مقاوم­سازی ستون را بی­تاثیر می­کند.

این روش تا جایی که مربوط به مقاومت، سختی و شکل ‌پذیری می‌شود، کاملا مؤثر است؛ اما:

• باعث افزایش ابعاد مقاطع و بار مرده سازه می‌شود.
• همچنین این شیوه نیازمند عملیات پر دردسر مانند سوراخ کاری و کاشت آرماتور است که ممکن است منجر به ایجاد و گسترش ترک های احتمالی موجود و ایجاد آسیب بیشتر در ستون­ها شود.
• به صورت بالقوه باعث افزایش نامطلوب سختی اعضای بتن‌آرمه می شود.
• زمان طولانی تر عملیات اجرا.
• نیاز به نصب داربست.
• نیاز به بررسی فونداسیون موجود و مقاوم­سازی آن در اثر اضافه وزن ایجاد شده.

قطع آرماتور و تقویت در زیر و روی سقف­ها و در نتیجه ایجاد نقاط ضعف مجدد برای ستون­ها

روش نسبتا جدید جهت مقاوم­سازی ستون­های بتنی، استفاده از پوشش‌های الیاف FRP می‌باشد.

مواد مرکب FRP، دامنه وسیعی از کاربردها را برای مقاوم ‌سازی سازه‌های بتن‌آرمه در مواردی که تکنیک‌های مرسوم مقاوم‌ سازی ممکن است مسئله‌ ساز باشند، به ‌خود اختصاص داده‌اند.

استفاده از مواد مرکب  FRPبه‌عنوان مسلح‌ کننده خارجی به دلیل خصوصیات منحصر به فرد آن، از جمله افزایش قابل توجه مقاومت و شکل ‌پذیری، در مقاوم­‌سازی و تقویت سازه‌ها اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. از طرف دیگر، این تکنیک‌ها به دلیل اجرای سریع و هزینه‌های اجرایی کم جذابیت ویژه‌ای یافته‌اند.

مواد FRP  برخلاف فولاد، تحت تأثیر زوال الکتروشیمیایی قرار نمی‌گیرند و می‌توانند درمقابل خوردگی اسیدها، بازها و نمک‌ها و مواد مهاجم مشابه در دامنه وسیعی از دما مقاومت کنند.

در نتیجه نیاز به سیستم‌های حفاظت از خوردگی نمی‌باشد و آماده‌کردن سطوح اعضاء قبل از چسباندن صفحات FRP و نگهداری از آن‌ها بعد از نصب، از صفحات فولادی آسان‌تر است. علاوه بر این، الیاف مسلح‌کننده در FRP می‌توانند در موضع معین و در نسبت حجمی و جهت خاصی درون ماتریس قرارگیرند تا بیش‌ترین کارایی به‌دست آید.

مواد حاصله تنها با درصدی از وزن فولاد، مقاومت و سختی بالایی در جهت الیاف دارند. آن‌ها همچنین حمل و نقل آسان‌تری داشته، نیازمند داربست کمتری برای نصب می‌باشند، و می‌توانند برای مکان‌هایی که دارای دسترسی محدود هستند، مورد استفاده قرار گیرند؛

استفاده از پوشش‌هایی از نوع بتن‌آرمه پس از نصب، بار اضافی قابل‌توجهی را به سازه تحمیل می‌کنند. به‌عنوان یک جایگزین، صفحات FRP می‌توانند به دور اجزاء بتن‌آرمه پیچیده شوند و افزایش قابل توجه مقاومت و شکل ‌پذیری را به دنبال داشته باشند؛ بدون آن‌که تغییر زیادی در سختی ایجاد نمایند.

مواد کامپوزیتی FRP به وفور جهت تقویت خمشی و فشاری و نیز افزایش شکل­پذیری ستون‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در همین ارتباط محصور شدگی بتن مهم‌ترین خصوصیتی است که می توان آن را با چسباندن این مواد در اطراف ستون‌ها فراهم نمود. از طرفی استفاده از مواد کامپوزیتی FRP برای افزایش شکل­پذیری اتصالات و رفتار مناسب‌تر آن در زلزله نیز بسیار مطلوب خواهد بود.

مزیت های استفاد از FRP در مقاوم سازی ستون­های موجود:

• عدم افزایش ابعاد مقاطع و بار مرده سازه .
• عدم ایجاد آسیب در سازه موجود.
• حمل و اجرای سریع.
• افزایش قابل توجه مقاومت و شکل ‌پذیری و عدم افزایش سختی ستون­ها .
• زمان کوتاه­تر عملیات اجرا.
• عدم نیاز به بررسی و مقاوم سازی فونداسیون موجود در اثر اضافه وزن ایجاد شده.
• مقاومت بالای مواد FRP برخلاف فولاد در نتیجه عدم نیاز به سیستم‌های حفاظت از خوردگی.
• آماده‌کردن سطوح اعضاء قبل از چسباندن صفحات FRP و نگهداری از آن‌ها بعد از نصب، از صفحات فولادی آسان‌تر است.

 در ادامه جدول بررسی و مقایسه روش­های مقاوم­سازی ستون­های بتنی بتنی مذکور ارائه شده­است.

همانطور که در جدول فوق مشاهده می­گردد، بررسی­ها نشان می­دهد که استفاده از الیاف FRP جهت مقاوم­سازی و  رفع ضعف ستون­ها موجود به لحاظ فنی، اقتصادی و ملاحظات معماری مناسب می­باشد.

 بررسی روش مقاوم­سازی (استفاده از الیاف FRP)

استفاده از الیاف­های ترکیبی FRP جهت تقویت و مقاوم سازی به منظور انتقال و تحمل بارهای بیشتر، اصلاح نقایص ناشی از آسیب­ها و یا افزایش شکل­پذیری سازه­های بتنی موجود از جمله گزینه­های جایگزین روش­های سنتی می­باشد.

سبک بودن، عدم خوردگی و مقاومت کششی بالای الیاف FRP از جمله مزایای آن محسوب می­گردد. همچنین ضخامت کم این الیاف عامل موثری در کاهش نگرانی­ها در خصوص مسائل معماری می­باشد. الیاف FRP حداقل دو برابر و حداکثر ۱۰ برابر صفحات صفحات فولادی را دارد در حالی که وزن آن حدود ۲۰ درصد وزن فولاد است.

مقاومت در برابر خوردگی یکی از مزایای مهم الیافFRP می­باشد. مواد مرکب FRP، دامنه وسیعی از کاربردها را برای مقاوم ‌سازی سازه‌های بتن‌آرمه در مواردی که تکنیک‌های مرسوم مقاوم‌ سازی ممکن است مسئله‌ ساز باشند، به ‌خود اختصاص داده‌اند.

استفاده از مواد مرکب  FRPبه‌عنوان مسلح‌ کننده خارجی به دلیل خصوصیات منحصر به فرد آن، از جمله افزایش قابل توجه مقاومت و شکل­‌پذیری، در مقاوم­‌سازی و احیاء سازه‌ها اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. از طرف دیگر، این تکنیک‌ها به دلیل اجرای سریع و هزینه‌های کم جذابیت ویژه‌ای یافته‌اند.

مواد FRP  از دو جزء اساسی تشکیل می‌شوند؛ فایبر (الیاف) و رزین (ماده چسباننده). فایبرها که  اصولاً الاستیک، ترد و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در ماده FRP محسوب می‌شوند. بسته به نوع فایبر، قطر آن در محدوده ۵ تا ۲۵ میکرون می‌باشد.

مصالح  FRPمعمولاً مقاومت کششی بسیار بالایی دارند، که از مقاومت کششی فولاد به مراتب بیشتر است. مقاومت کششی بالای مواد FRP کاربرد آنها را برای مقاوم سازی سازه‌های بتن آرمه بسیار مناسب نموده است. مقاومت کششی مصالح FRP اساساً به مقاومت کششی، نسبت حجمی، اندازه و سطح مقطع فایبرهای بکار رفته در آنها بستگی دارد.

الیاف FRP به لحاظ مشخصات مواد انواع گسترده­ای داشته و عمدتا در سه نوع GFRP، CFRP و AFRP تولید می­گردند و براین اساس انتخاب نوع الیاف بسته به شرایط وضع موجود و نیازهای فنی صورت می­پذیرد. مشخصات تیپ الیاف مورد استفاده در سیستم­های FRP بقرار جدول زیر نشان داده شده است.

Fiber type	Elastic Modulus	Ultimate Strength	Rupture strain. Min %
	Gpa	Mpa
Carbon
General Purpuse	۲۲۰ to 240	۲۰۵۰ to 3790	۱٫۲
High Strength	۲۲۰ to 240	۳۷۹۰ to 4820	۱٫۴
Ultra-High Strength	۲۲۰ to 240	۴۸۲۰ to 6200	۱٫۵
High Modulus	۳۴۰ to 520	۱۷۲۰ to 3100	۰٫۵
Ultra-High Modulus	۵۲۰ to 690	۱۳۸۰ to 2400	۰٫۲
Glass
E-Glass	۶۹ to 72	۱۸۶۰ to 2680	۴٫۵
S-Glass	۸۶ to 90	۳۴۴۰ to 4140	۵٫۴
Aramid
General Purpuse	۶۹ to 83	۳۴۴۰ to 4110	۲٫۵
High Performance	۱۱۰ to 124	۳۴۴۰ to 4140	۱٫۶

خستگی خاصیتی است که در بسیاری از مصالح ساختمانی وجود داشته و در نظر گرفتن آن ممکن است به شکست غیر منتظره، خصوصاً در اجزایی که در معرض سطوح بالایی از بارها و تنش‌های تناوبی قرار دارند، منجر شود.

در مقایسه با فولاد، رفتار مصالح FRP در پدیده خستگی بسیار عالی است؛ به عنوان نمونه برای تنش‌های کمتر از یک دوم مقاومت نهایی، مواد FRP در اثر خستگی گسیخته نمی‌شوند. رفتار خزشی کامپوزیت‌ها بسیار خوب است؛ به بیان دیگر، اکثر کامپوزیتهای در دسترس، دچار خزش نمی شوند.

رزین اصولاً به عنوان یک محیط چسباننده عمل می‌کند، که فایبرها را در کنار یکدیگر نگاه می‌دارد. با این وجود، ماتریس‌های با مقاومت کم به صورت چشمگیر بر خواص مکانیکی کامپوزیت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثر نمی‌گذارند. ماتریس (رزین) را می‌توان از مخلوط‌های ترموست و یا ترموپلاستیک انتخاب کرد.

ماتریس‌های ترموست با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت مایع یا روان در نمی‌آیند؛ در حالیکه رزین‌های ترموپلاستیک را می‌توان با اعمال حرارت، مایع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد درآورد.

به عنوان رزین‌های ترموست می‌توان از پلی‌استر، وینیل‌استر و اپوکسی، و به عنوان رزین‌های ترموپلاستیک از پلی‌وینیل کلرید (PVC)، پلی‌اتیلن و پلی پروپیلن (PP)، نام برد. مقاومت رزین به عنوان متصل کننده سیستم الیاف FRP به سطح بتن بسیار مهم است و  ضعف آن می­تواند باعث شکست زودهنگام موادFRP  می­گردد.

اگر چه در بررسی بسیار اولیه، مقاومت چسبندگی ضعیفی برای کامپوزیت‌های از الیاف شیشه گزارش شده بود، تحقیقات اخیر در دنیا مقاومت چسبندگی خوب و قابل قبولی را برای مواد کامپوزیتی FRP گزارش می کند.

متداول­ترین روش مقاوم­سازی ستونها با FRP، دور پیچ کرن سطح خارجی آنها با نوارهای FRP می­باشد. اساس این مقاوم­سازی که در واقع محصور کردن ستون می­باشد، بر این اصل استوار است که وجود فشار محیطی بر روی یک المان بتنی سبب افزایش مقاومت فشاری و شکل­پذیری آن می­گردد.

در حقیقت این کار، مقاومت و شکل­پذیری بتن را افزایش داده و بعلاوه از لغزش و کمانش آرماتورهای طولی جلوگیری می­کند.

استفاده از الیاف FRP به صورت دورپیچ عامل موثری در ایجاد محصورشدگی و همچنین افزایش شکل­پذیری مقاطع بتنی می­باشد. بر این اساس و با توجه به ضعف مقاومتی در بتن ستون­ها بکارگیری این راهکار بسیار موثر می­باشد. اشکال زیر نحوه اجرای سیستم دورپیچ  FRP(FRP Confining) و تاثیر آن را بر منحنی­ اندرکنش ستون و رفتار آن را نشان می­دهند.

بطور کلی در عمل، اغلب ستونها تحت بارهای خارج از مرکز قرار می­گیرند که منجر به این می شود که مقطع ستونها تحت تاثیر ترکیبی از خمش و نیروی محوری واقع گردد محصور کردن ستون با  FRP(FRP Confining) برای بارهای محوری و نیز افزایش باربری خمشی ستون در این شرایط مفید است. مقاومت محوری پوشش FRP اطراف ستون کوچک و قابل صرفنظر کردن است اما استفاده از الیاف دور ستون وقتی امکان­پذیر است که آنها تحت کشش در راستای حلقه FRP (در راستای طولی الیاف) قرار می گیرند.

در ستون­های بتنی استفاده از پوشش FRP باعث افزایش ظرفیت برشی ستون، و تغییر حالت احتمالی گسیختگی ترد برشی به حالت خمشی، و نهایتا افزایش شکل­پذیری ستون تحت نیروهای محوری و خمشی می­گردد. برای محصور کردن موءثرتر ستون، لازم است که راستای الیاف تا حد امکان عمود بر محور طولی عضو باشد.

با توجه به جداول ارائه شده جهت تشریح رفتاری الیاف و سایر توضیحات بیان شده در مورد نوع ضعف سازه و روش تقویت آن، استفاده از الیاف شیشه GFRP دو جهته ۶۰۰ گرمی، با توجه به ایجاد محصورشدگی و شکل­پذیری مناسب در بتن توسط الیاف شیشه و رفتار مناسب این الیاف نسبت به سایر الیاف در برابر بارهای لرزه­ای (بار زلزله)، جهت مقاوم­سازی ستون­های مذکور از این الیاف استفاده می­شود. ذکر این نکته قابل توجه است که قسمتی از بارهای طراحی شامل بار زلزله می­باشد.

نحوه عملکرد به این صورت است که با ایجاد ترک برشی در بتن، کرنش الیاف GFRP در آن ناحیه بیشتر شده و نیروها به الیاف GFRP منتقل می شود. بنابراین هم مقاومت برشی سازه افزایش می­یابد و هم ترک خوردگی و کرنش بتن فشاری با کمک الیاف GFRP کاهش می­یابد. الیاف در راستای ارتفاعی باعث افزایش مقاومت خمشی و همچنین مهار الیاف دورپیچ می گردد. نتایج آزمایشات انجام شده بر روی نمونه­های تقویت اجزای بتنی توسط الیاف FRP نشان می­دهد که جدا شدن صفحات FRP از بتن مساله کاملا حائز اهمیت است که امروزه متخصصین و پژوهشگران رشته بهسازی و مقاوم­سازی توجه زیادی را این به مساله نشان می­دهند. در این ارتباط به نظر می‌رسد که استفاده از تقویت‌کننده‌های خارجی حتی به میزان کم، می‌تواند ایمنی قابل ملاحظه‌ای در برابر جدا شدن صفحات FRP از بتن، و نیز شکست‌های برشی ترد فراهم آورد. جهت اطمینان از عدم وقوع این شکست در ستون­های موردنظر ،استفاده از الیاف دو جهته، (GFRP Bidirectional) بدلیل اینکه راستای الیاف اصلی در دو جهت طولی و عرضی (عمود بر هم) تقریبا دارای تاثیر معادل استفاده از دو لایه مجزا در دو راستای طولی و عرضی بوده که از نظر اجرایی و اقتصادی موثر است.

با توجه به مطالب عنوان شده در قسمت­های گذشته، بکارگیری راهکار دورپیچ کردن(Confining) ستون­های مورد بررسی ی توسط الیاف شیشه دو جهته GFRP) (Bidirectional جهت کاهش اثرات کمبود مقاومت فشاری بتن در این المان­ها از لحاظ فنی، اجرایی و اقتصادی روش مناسبی جهت مقاوم­سازی می­باشد. علاوه بر این الیاف مذکور ظرفیت برشی و شکل­پذیری این المان­ها را بهبود می­بخشد.