استفاده از مواد FRP به عنوان مسلح‌کنندة خارجی در سازه‌ها

به دنبال فرسوده شدن سازه‌های زیر‌بنایی و نیاز به تقویتسازه‌ها برای برآورده کردن شرایط سخت‌گیرانة طراحی، طی دو دهه اخیر تأکید فراوانیبر روی تعمیر و مقاوم‌ سازی سازه‌ها در سراسر جهان، صورت گرفته است. از طرفی،بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها به‌خصوص در مناطق زلزله‌ خیز، اهمیت فراوانی یافته است. دراین میان تکنیک‌های استفاده از مواد مرکب FRPبه‌عنوان مسلح‌ کنندة خارجیبه دلیل خصوصیات منحصر به فرد آن، از جمله مقاومت بالا، سبکی، مقاومت شیمیایی وسهولت اجرا، در مقاوم ‌سازی و احیاء سازه‌ها اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. از طرفدیگر، این تکنیک‌ها به دلیل اجرای سریع و هزینه‌های کم جذابیت ویژه‌ای یافته‌اند.

مواد مرکب FRP در ابتدا به‌عنوانمواد مقاوم ‌کننده خمشی برای پل‌های بتن‌آرمه و همچنین به‌عنوان محصور ‌کننده درستون‌های بتن آرمه مورد استفاده قرار می‌گرفتند؛ اما به دنبال تلاش‌های تحقیقاتیاولیه، از اواسط دهه1980 توسعة بسیار زیادی در زمینه استفاده از مواد FRP در مقاوم‌‌سازیسازه‌های مختلف مشاهده می‌شود؛ بطوری‌که دامنة کاربردهای آن به سازه‌هایی با مصالحبنایی، چوبی و حتی فلزی نیز گسترش یافته است. تعداد موارد کاربرد مواد FRP در مقاوم ‌سازی،تعمیر و یا بهسازی سازه‌ها از چند مورد در10 سال پیش، به هزاران مورد در حال حاضررسیده است. اجزاء سازه‌ای مختلفی شامل تیرها، دال‌ها، ستون‌ها، دیوارهای برشی،اتصالات، دودکش‌ها، طاق‌ها، گنبدها و خرپاها تا کنون توسط مواد FRP مقاوم شده‌اند.

مقاوم ‌سازی سازه‌های بتن آرمه با مواد FRP

مواد مرکب FRP، دامنة وسیعیاز کاربردها را برای مقاوم ‌سازی سازه‌های بتن‌آرمه در مواردی که تکنیک‌های مرسوممقاوم‌ سازی ممکن است مسئله‌ ساز باشند، به ‌خود اختصاص داده‌اند. برای نمونه، یکیاز معمول‌ترین تکنیک‌ها برای بهسازی اجزاء بتن آرمه، استفاده از ورق‌های فولادیاست که از بیرون به این اجزاء چسبانده می‌شود. این روش، روشی ساده، مقرون به صرفهو کارا 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 به کارگاه ساخت (در مورد مقاوم ‌سازی خمشیاجزاء بلند)

نوارها یا صفحات می‌توانند جایگزینی برای صفحات فولادیباشند. مواد FRP برخلاف فولاد، تحت تأثیر زوال الکتروشیمیایی قرار نمی‌گیرندو می‌توانند درمقابل خوردگی اسیدها، بازها و نمک‌ها و مواد مهاجم مشابه در دامنة وسیعیاز دما مقاومت کنند. در نتیجه نیاز به سیستم‌های حفاظت از خوردگی نمی‌باشد وآماده‌کردنسطوح اعضاء قبل از چسباندن صفحات FRP و نگهداری از آن‌هابعد از نصب، از صفحات فولادی آسان‌تر است.

علاوه بر این، الیاف مسلح‌کننده در FRP می‌تواننددر موضع معین و در نسبت حجمی و جهت خاصی درون ماتریس قرارگیرند تا بیش‌ترین کاراییبه‌دست آید. مواد حاصله تنها با درصدی از وزن فولاد، مقاومت و سختی بالایی در جهتالیاف دارند. آن‌ها همچنین حمل و نقل آسان‌تری داشته، نیازمند داربست کمتری براینصب می‌باشند، و می‌توانند برای مکان‌هایی که دارای دسترسی محدود هستند، مورداستفاده قرار گیرند؛ و پس از نصب، بار اضافی قابل‌توجهی را به سازه تحمیل نمی‌کنند.

روش مرسوم دیگر در مقاوم ‌سازی اعضای بتن‌آرمه، استفاده ازپوشش‌هایی از نوع بتن‌آرمه، بتن پاشیدنی و یا فولاد می‌باشد. این روش تا جایی کهمربوط به مقاومت، سختی و شکل ‌پذیری می‌شود، کاملا مؤثر است؛ اما باعث افزایشابعاد مقاطع و بار مرده سازه می‌شود. همچنین این شیوه نیازمند عملیات پر دردسر وتخلیه ساكنین است و به صورت بالقوه باعث افزایش نامطلوب سختی اعضای بتن‌آرمه میشود. به‌عنوان یک جایگزین، صفحات FRP می‌توانند به دوراجزاء بتن‌آرمه پیچیده شوند و افزایش قابل توجه مقاومت و شکل ‌پذیری را به دنبالداشته باشند؛ بدون آن‌که تغییر زیادی در سختی ایجاد نمایند. یک نکتة مهم در ارتباطبا مقاوم ‌سازی اعضا با استفادة خارجی از FRP آن است که بایددرجة مقاوم‌ سازی (نسبت ظرفیت نهایی عضو مقاوم‌شده به ظرفیت نهایی عضو مقاوم ‌نشده)را محدود کنیم تا حداقل سطح ایمنی در حوادثی مانند آتش ‌سوزی که منجر به از دسترفتن کارایی FRP می‌شوند، حفظ گردد.

امروزه مواد كامپوزیتی FRP به وفور جهتتقویت خمشی و برشی تیرهای بتن آرمه به كار می‌روند كه نمونه‌ای از آن در شكل نشانداده شده است. در این شكل ملاحظه می‌شود كه با متصل كردن صفحات FRP به وجهپایینی تیر ظرفیت خمشی مثبت و با متصل كردن آن به وجه بالایی تیر ظرفیت خمشی منفیحاصل می‌شود. هم‌چنین می‌توان با اتصال صفحات FRP به دو وجه كناریتیر، ظرفیت برشی مناسبی فراهم نمود.

در شکست تیرهای بتن‌آرمة تقویت شده با صفحات FRP مکانیزم‌هایمختلف شکست، ازجمله گسیختگی صفحات FRP، خرد شدگی بتن،شکست برشی بتن و ترک ‌خوردگی در محل اتصال چسب با بتن، گزارش شده است. همچنین نشانداده شده است که نوع FRP، ضخامت و طول آن باعث ایجاد انواع مختلفی از شکست نرم یا ترد می‌شود.بخصوص خواص مکانیکی ناحیة اتصال FRP و بتن از اهمیتخاصی برخوردار است. در این میان جدا شدن صفحات FRP از بتن مسالةكاملا حائز اهمیت است و امروزه توجه زیادی را در دنیا به خود جلب می‌نماید. در اینارتباط به نظر می‌رسد كه استفاده از تقویت‌کننده‌های خارجی حتی به میزان کم، می‌تواندایمنی قابل ملاحظه‌ای در برابر جدا شدن صفحات FRP از بتن، و نیزشکست‌های برشی ترد فراهم آورد. از طرفی مواد كامپوزیتی FRP به وفورجهت تقویت خمشی و فشاری و نیز افزایش شكل پذیری ستون‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.در همین ارتباط محصور شدگی بتن مهم‌ترین خصوصیتی است كه می توان آن را با چسباندناین مواد در اطراف ستون‌ها فراهم نمود. از طرفی استفاده از مواد كامپوزیتی FRP برایافزایش شكل پذیری اتصالات و رفتار مناسب‌تر آن در زلزله نیز بسیار مطلوب خواهد بود.