مقاوم سازی با FRP به معنای تقویت سازه با پلیمر های تقویت شده با فیبر است، که از دو جز ماتریس (رزین) و فیبر (الیاف) تشکیل می شود. در طول دهه گذشته رشد قابل توجهی در اسفاده از مواد کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف FRP به عنوان مصالح ساختمانی در مهندسی سازه وجود داشته است علاوه بر آن اعضا و سیستم های سازه باربر اولیه در ساختمان ها و پل ها توسط مهندسان عمران و سازه به مراحل طراحی و تحلیل رسیده اند. این طراحی و تحلیل ها در سه گام صورت میگیرد:
- تقویت برای اعضای سازه بتنی جدید
- استحکام بخشی برای اعضای سازه موجود
- پروفیل برای سازه های جدید
پلمیر های تقویت شده،از نظر آیین نامه ها مورد تاییدیه نهایی قرار نگرفته یا به عبارت دیگر هیچ کد طراحی شده ای مورد تاییدیه قرار نگرفته است. اما مهندسان آینده نگر تمایل دارند افرادی باشند که در استفاده از کامپوزیت ها در مهندسی سازه تخصص دارند یا مهندسان سازه داخلی مستقیما وابسته به سازنده قطعات FRP هستند.مهندسان در طی دهه های اخیر به دو دسته مهندسان در دانش متریال و اجرا و دسته دیگر طراحی کامپوزیت ها.
آشنایی با سیستم مقاوم سازی با FRP
بر اساس آیین نامه جدید، بسیاری از ساختمان ها از جمله ساختمان های مسکونی در مناطق زلزله خیز در برابر زلزله نمی توانند مقاومت کنند. علاوه بر این، زلزله های اخیر در مناطق شهری به خوبی نشان داده است که مقاوم سازی و مقاوم سازی ساختمان امری اجتناب ناپذیر است. برای این منظور از روش های مختلفی مانند افزودن عناصر سازه ای جدید، پیش تنیدگی خارجی، استفاده از ورق های خمشی فولادی و… مورد استفاده قرار گرفته است. در بین این روش ها و در دو دهه اخیر استفاده از کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف یا FRP در بین جامعه مهندسی پذیرفته شده است.
کامپوزیت های پلیمری مسلح شده با الیاف (FRP) از فیبر های پیوسته از جنس الیاف کربن (CFRP)، الیاف شیشه (GFRP) و یا الیاف آرامید (AFRP) که در داخل ماتریسی از جنس اپوکسی، وینیلستر یا پلی استر به یکدیگر وصل شده اند، تشکیل شده است. فیبرها عناصر باربر در FRP هستند، در حالی که مواد ماتریسی مورد استفاده در کامپوزیت ها برش را انتقال می دهند. کامپوزیت های FRP بسته به نوع الیاف به کار رفته در آن ها دارای استحکام متفاوتی هستند. در صورتیکه فیبر شیشه مقاومت برشی تقریبا مساوی مقاومت جاری شدن فولاد معمولی را فراهم می نماید، کامپوزیت های مبتنی بر فیبر کربن دارای استحکام کششی دو تا پنج برابر بیشتر از فولاد معمولی هستند.
محصولات FRP که معمولا برای تقویت سازه ها استفاده می شود، به شکل نوار (strip)، ورق (sheet) و یا پوشش لمینت (laminate) و یا میلگرد FRP در دسترس هستند. امروزه استفاده از FRP به عنوان یک ماده جایگزین رایج برای فولاد برای ارتقا، تقویت و تقویت انواع سازه ها از جمله ساختمان های مسکونی، پل ها، لوله نفت و گاز و غیره شناخته شده است.
اف آر پی frp چیست؟
FRP مخفف “Fiber Reinforced Polymer” است. FRP از الیافی مانند کربن، شیشه، آرامید و بازالت و اپوکسی، وینیل استر، پلی استر و غیره ساخته شده است. با ترکیب فیبر و پلیمر، می‌توانیم محصولاتی مانند محصولات لمینت، و ورقFRP (FRP laminate)، میلگرد FRP (FRP section) را در داخل تولید کنیم. محصولات FRP در چندین مورد استفاده می شوند که بارزترین آنها استفاده در مقاوم سازی سازه‌های بتنی است.
الیاف موجود در کامپوزیت FRP استحکام و سفتی ترکیب را تامین می کنند و رزین ها باید بار را به الیاف و چسبندگی الیاف منتقل کنند. امروزه از کامپوزیت های FRP برای مقاوم سازی انواع سازه ها در برابر زلزله استفاده می شود و جایگزین مناسبی برای مقاوم سازی سازه ها با روش های قدیمی مانند ژاکت های فولادی و بتنی می باشد. پایداری و دوام کامپوزیت های FRP به عواملی مانند از دست دادن چسبندگی بین الیاف و ماتریس، تغییرات شیمیایی و فیزیکی ماتریس و از دست دادن استحکام و سفتی الیاف وابسته است. موارد استفاده از اف آر پی عبارتند از:
✅مقاوم سازی خمش تیر
✅تقویت خمشی و برشی دال بتن آرمه توسط لمینیت و پارچه‌های اف آر پی
✅تقویت خمشی ستون به همراه دورپیچ انتهایی برای مهار لمینیت اف آر پی. همچنین شکل پذیری ستون را در نقاط بحرانی افزایش می دهد.
✅از پارچه FRP برای تقویت ساختمان بنایی استفاده می شود.
✅استفاده از مش FRP به جای آرماتور در سیستمی که با شاتکریت تقویت شده است
✅تقویت ستون در برابر ضربه با استفاده از FRP ساخته شده از مواد آرامید
✅استفاده از مش اف آر پی در لایه آسفالت برای جلوگیری از ترک خوردگی
الیاف FRP در انواع مختلف، از جمله میلگرد، نوار، ورق و لمینت، در سازه‌های بتنی مانند فونداسیون، دیوار، تیر و ستون، به عنوان تقویت کننده یا بازسازی کننده استفاده میشوند. FRP ها در مقاومت خمشی ،کششی،برشی و خستگی و حتی مقاومت در برابر الکتریسیته بسیار موثر هستند.
چرا انتخاب frp
- وزن مصالح FRP بسیار کم است که بار اضافی به سازه متحمل نمیکند
- الیاف FRP مقاومت کششی بالایی دارند و برای سازه های بتنی یک گزینه مناسب به شمار می روند.
- ضخامت لایه های FRP بسیار کم است که همین امر سبب میشود که فضا را درگیر نکند.
- بهره گیری از FRP در تسریع روند انجام مقاوم سازی تاثیرگذار است
- الیاف FRP با مقاومت در برابر خوردگی، سازه را از آسیب های ناشی از خوردگی محافظت می کند و در نتیجه، نیاز به مقاوم سازی مجدد را کاهش می دهد.
اجزای تشکیل دهنده FRP
به صورت کلی FRP ترکیبی از دو ماده است،که بخش اول آن الیاف بوده و بخش دیگر آن ماتریس بوده است.ماتریس خود از برخی مواد شیمیایی مانند رزین های اپوکسی و پلی استر تشکیل شده است.نقش الیاف تامین مقاومت مکانیکی کافی در FRP است. در صورتی که ماتریس نقش باربری مکانیکی ندارد.و تنها باید از الیاف در مقابل خوردگی ، عوامل محیطی و آسیب دیدن محافظت نمایند و البته ناگفته نماند که ماتریس نقش کنترل کمانش موضعی با الیاف FRP تحت فشار از دیگر کاربرد های ماتریس است.همچنین انتقال بار در FRP به کمک ماتریس و از طریق انتقال نیروی برشی بین فیبرها صورت می پذیرد.بیشتر حجم FRP را الیاف تشکیل می دهند.
بررسی انواع FRP
الیاف کربن CFRP:
این نوع الیاف برای تامین مقاومت و سختی مورد نیاز مورد استفاده قرار میگیرند،که دارای مقاومت بالا و چگالی پایینی برخوردارند.یکی از ویژگی های مورد قابل توجه آن مقاومت در برابر پدیده خوردگی است. الیاف کربن CFRP یکی از متداول ترین مصالح مورد استفاده به منظور افزایش مقاومت المان های سازه در سیستم مقاوم سازی FRPاست و به کار گیری آنها احتمال خوردگی بتن را به حداقل رسانده و مقاومت سازه را به میزان قابل توجهی افزایش میدهد.الیاف CFRP بر اساس نحوه آرایش الیاف به دو صورت الیاف کربن تک جهته و الیاف کربن دو جهته است .فیبر های موجود در الیاف کربن تک جهته به صورت موازی چیده شده اند،و فیبر های موجود در الیاف دو جهته به صورت عمود بر هم چیده شده اند.
الیاف شیشه GFRP:
یکی از انواع FRP را الیاف شیشه GFRP تشکیل می دهند،که متشکل از ماسه سیلیما ،سنگ آهک ،فولیک اسید و مصالح دیگردر دمای 1260 درجه ذوب میشوند و سپس از حفره ای کوچک روی صفحه ای از جنس پلاتین ریخته می شوند و سپس سرما دیده و به منظور افزایش مقاومت در راستای مستقیم کشیده می شوند.و متریال بدست آمده را در کامپوزیت های به شکل های مختلف استفاده میکنند. آرایش این الیاف یک جهته دو جهته و چند جهته است.الیاف شیشه وزن بیشتری نسبت به سایرFRP ها دارد و مقاومت آن در برابر فولاد هم بیشتر از سایر FRP ها است.
- الیاف شیشه E : این نوع الیاف در مقام سازه سازه ها بسیار پر کاربرد است زیرا بسیار مقرون به صرفه میباشد و در فرایند تولید آن از مواد لیایی استفاده شده است.
- الیاف شیشه C :الیاف شیشه از آهک سود دار و سیلیکات تشکیل شده است.کاربرد عمده این الیاف در محیط های حاوی عوامل خورنده است.
- الیاف شیشه S :در صنعت ساختمان سازی به دلیل مقاومت بالا گران بودن آن کاربرد خیلی کمی دارد
الیاف آرامید AFRP:
یکی دیگر از انواع الیاف FRP،الیاف آرامید یا الیاف کولار هستند.این مصالح به عنوان تقویت کننده در کامپوزیت های FRP به کار رفته،و مدول کشش و مقاومت بالایی برخوردارند.این الیاف در مجاورت با آتش به دلیل داشتن نقطه ذوب بالایی که دارد مقاوم تر است.ولی متاسفانه در صنعت ساختمان سازی نقشی بسیاری ندارد.
الیاف بازالت BFRP:
پلیمر مسلح با الیاف بازالت (BFRP) یک ماده مرکب است که از ترکیب الیاف بازالت و رزین پلیمری تشکیل شده است. این الیاف بازالت از سنگ‌های بازالتی به وجود می‌آیند که از جمع شدن سریع لاوا در دمای حدود 1500 درجه سانتیگراد (2730 درجه فارنهایت) نتیجه میشوند. سپس این الیاف با رزین پلیمری ترکیب میشوند تا ماده مرکبی با مقاومت کششی بالا، مقاومت به خوردگی و خواص غیرمغناطیسی ایجاد گردد. این الیاف در مناطقی که برامون بحث خوردگی در میان باشد پرکاربرد است و قیمت آن نسبت به سایز الیاف ها به خصوص الیاف شیشه کمتر است.
- دما FRP باید بین 15-20باشد،به همین دلیل شرایط اجرا در فصول سرما و فصول گرما متفاوت است.(در سرما از ترکیبات رزین زود گیر شونده و در فصل گرما از رزین های کند گیر شونده استفاده نمود)
- هیچ گونه رطوبتی نباید بر روی سطح بتن باشد ،این امر سبب میگردد که در هنگام بارندگی FRPاجرا نگردد، زیرا سبب اختلال در چسبندگی و نشست آب میگردد.
- سطح سطوح را باید عاری از هر گونه ماده اضافی رنگ ،گچ،گریس،چربی و...نمود.روی سطح بتن را می توان با روش فرز ساب زن وسند بلاست انجام داد.
مزایای استفاده از سیستم مقاوم سازی با FRP
مزایای مقاوم سازی با FRP در مقایسه با روش های مقاوم سازی قدیمی و سنتی عبارتند از:
🟣وزن متریال FRP بسیار کم است که یکی از اهداف تقویت و استحکام سازه می باشد.
🟣استحکام کششی بالا الیاف FRP
🟣ضخامت کم لایه های FRP (بر حسب میلی متر) امکان استفاده از آن ها را در استحکام سازه بدون فضای اضافی فراهم می کند.
🟣استفاده از FRP برای استحکام بخشی و مقاوم سازی ساختمان زمان زیادی نمی برد و المان های مقاوم سازی شده در مدت زمان بسیار کوتاهی آماده استفاده می شوند.
🟣FRP مقاومت در برابر خوردگی بالایی دارد. این امر علاوه بر تقویت سازه، به دلیل ویژگی های نفوذناپذیری بالا، اعضای سازه را در برابر عوامل منفی محافظت می کند و نیاز به تعمیر و نگهداری دوره ای را بی نیاز می کند.
🟣ظرفیت بالای مواد FRP در محاسبات فنی و طراحی (سختی، مقاومت و شکل پذیری) به سیستم های ویژه در مقاوم سازی تبدیل می شود.
🟣عدم توقف کاربری در زمان اجرای مقاوم سازی با اف آر پی
🟣خنثی بودن الکترومغناطیسی مواد FRP، که ممکن است در ساختارهای خاصی که برای تصویربرداری مغناطیسی استفاده می شوند مهم باشد.
فواید مقاوم سازی با استفاده از نصب لایه FRP
نصب یک لایه FRP بر روی ستون ها می تواند به افزایش خمش، برش، مقاومت فشاری، انعطاف پذیری و دوام ستون ها کمک کند. این روش مقاوم سازی دارای سرعت بالا، هزینه کم، ضخامت کم، وزن سبک و کاربر پسند است. علاوه بر این، این روش می تواند از خوردگی، سایش، گرما و آتش سوزی جلوگیری کند. یکی از بزرگترین چالش‌های پیش روی پروژه‌های مقاوم سازی، نبود تیم‌های آموزش‌دیده و متخصص مقاوم سازی با اف آر پی است.
شرکت مقاوم سازی آشیان پی یکی از معتبرترین شرکت های ارائه دهنده خدمات مقاوم سازی سازه است. آشیان پی دارای سابقه ای بیش از چند دهه در زمینه مقاوم سازی با FRP و… است. برای دریافت مشاوره در زمینه خدمات مهندسی و روش های مختلف مقاوم سازی ساختمان با واحد مهندسی آشیان پی تماس بگیرید.
نحوه اجرا FRP ورقه ای یا لمینیت:
در ستون ها:
در ستون ها جهت افزایش مقاومت خمشی از الیاف های کربنی استفاده می شود.و در صورتی که مقطع ستون دایره ای باشد،عملکرد FRP بسیار بهتر از زمانی خواهد بود که مقطع ستون،مربعی و یا مستطیلی است.در ستون های با مقاطع غیر دایره ای جهت بهبود عملکرد FRPباید تلاش شود که گوشه و زاویه ها تا حدامکان گرد گوشه شود.
- برای چسباندن الیاف های کربنی بر روی ستون ها،ابتدا سطح کار را کاملا از گرد و غبار پاکسازی می نماییم.زیرا ممکن است اتصال نوار وچسب دچاار جداشدگی شودو مقامت چسب به اندازه کافی برای تحمل کشش نباشد و ایجاد تشکیل تنشش شود.
- سپس با استفاده از دستگاه هایی ساب ویژ ،سطح سطح آن را تا نمایان شدن سنگدانه ها و از بین رفتن تیزی های موجود بر روی آن تسطیح می کنیم.
- مجددا سطح کار کاملا تمیز شده
- با استفاده از چسب های ویژه رزین اپوکسی ،اقدام به چسباندن لایه های الیافCFRPبر روی سطح می نماییم.
- با استفاده از چسب های ویژه رزین اپوکسی ،اقدام به چسباندن لایه های الیافCFRPبر روی سطح می نماییم.
- درنهایت روی آن را با یک لایه چسب می پوشانیم.
در دیوار های بتنی و دالها:
جهت افزایش مقاومت خمشی ،کنترل ترک ها و همچنین تغییر شکلهای موجود در دیوار ها و دالهای بتنی میتوان ازFRPاستفاده نمود.
تعداد لایه ها وضخامت ونوع FRPتوسط مهندسین محاسب حساب میشود.
مراحل نصب در این مقاطع همانند تقریبا مشابه روش نصب در ستن ها میباشد. گاهی نیز دیده میشود که از این الیاف جهت افزایش مقاومت و مسلح نمودن دیوار های آجری و غیر بتنی نیز استفاده میشود.
در تیر ها:
گاهی وقتا پیمانکاران از قرار دادن میله گرد های اصلی و تقویتی در تیرها امتناع می ورزند و یا به هر دلیل دیگری آنها را به میزان مورد نیاز در محل مورد خود در تیر قرار نداده اند.این مورد با ایجاد ترک در تیر ها آشکار میگردد.
با استفاده از FRPدر تیر ها که سبب تامین کننده مقاومت برشی و خمشی هستند ،تیر ها را مقاوم کرد.
روش استفاده آن همانند ستون ها است فقط روی سطح تیر ها.
یکی از روش های بسیار جدید جهت تقویت سازه ها،خصوصا تیر ها و سقف ها،استفاده از لمینیت FRPبه صورت پیش تنیده است که به منظور اجرای آن نیاز به تجهیزات ویژه جهت ایجاد کشش و پیش تنیدگی در ورق های FRPاست. به همین دلیل زیاد در ایران مورد استفاده قرار نمیگیرد.
چسب اپوکسی:
میزان مصرف رزین اپوکسی FRPو چسب FRPبسته به وزن مواد مورد استفاده،دمای محیط و میزان اتلاف در هر مورد متفاوت خواهد بود.رزین اپوکسی بعد از گذشت 30دقیقه شروع به سفت شدن میکند (یعنی دارای حالت ژله ای میشود) به همین دلیل زمان مصرف کردن آن و ترکیب رزین از این زمان نباید بیشتر شود. دمای محیط در هنگام چسباندن نباید از 5-45درجه سانتی گراد باشد تا از تغییر ویسکوزیته مواد اپوکسی جلوگیری کرد.
در بعضی از موارد برای مقاوم سازی چسب رزین اپوکسی را با با هاردنر ترکیب میکنند ،که به آن POT LIFE می گویند.POT LIFE در اقع یک بازه زمانی است که مدت زمان استفاده را نشان می دهد.پس از گذشت 2-6 ساعت باید بسته به شرایط موقعیت سطح مقاوم شده با چسب اپوکسی و الیاف باید بازدید شود تا حبابی بین لایه الیاف و بتن محفوظ نشده باشد.سطح مقاوم سازی شده با چسب اپوکسی باید حتما پوشیده شود زیرا چسب باید از برخورد با نور فرابنفش محافظت کرد.
میلگرد FRP : جایگزین میلگردهای فولادی
میلگرد کامپوزیتی از نظر شکل ظاهری مشابه میلگرد های فولادی متداول هستند اما رفتار میلگرد ها FRPکاملا متفاوت با میلگرد فولادی است،بر همین اساس فلسفه طراحی ساختمان های بتنی با استفاده از میلگرد های FRPنیز دارای تغییرات زیادی نسبت به میلگرد فولادی دارد.مقاوم سازی با FRP در حقیقت تقویت سازه توسط نوعی ماده ترکیبی حاصل از الیاف با کارایی بالا استکه در بستری از رزین پلمیری جایگذاری شده باشد.در همین راستا میلگرد کامپوزیتی تقویت شده با الیاف مشکلات میلگرد فولادی را نداشته و با دارا بودن ویژگی هایی مانند وزن کمتر جایگزین بسیار مناسبی برای میلگرد های قدیمی است.
در کنار مزایای قابل توجه و ویژگی های خاص میلگرد FRP،مشکلاتی از قبیل شکل پذیری بسیار کم نیز وجود دارد که باعث شده میلگرد کامپوزیتی در جاهایی که بسیار به خوردگی حساس هستند استفاده شود.از میلگرد های FRPبه عنوان مسلح کننده سازه های بتنی استتفاده میکنند ،زیرا دارای مقاومت برشی و همچنین چسبندگی ما بین این میلگرد ها است.میلگرد های FRP دارای رفتار ناهمسان و رفتارالاستیک خطی میباشند و همانند فولاد به مرحله پلاستیک وارد نمیشود.
استفاده از میلگرد FRP در مقاوم سازی سازه:
سازه های بتنی سنتی معمولاً با میلگرد فولادی تقویت می شوند. این میلگردها در برابر خوردگی مقاوم هستند زیرا در محیط قلیایی بتن قرار می گیرند. اما در سازه هایی که در معرض عوامل مهاجم مانند رطوبت، دما و محیط کلریدی قرار دارند، اثر قلیایی بتن از بین می رود و میلگردها دچار خوردگی می شوند. خوردگی میلگردها باعث تخریب سازه بتنی می شود.
میلگرد FRP جایگزین مناسبی برای میلگرد فولادی در سازه های بتنی است. این میلگردها در برابر خوردگی مقاوم هستند، در کشش مقاوم هستند و چسبندگی خوبی با بتن دارند. علاوه بر این، میلگرد FRP را می توان به راحتی و بدون برشکاری نصب کرد.
کاربرد میلگرد FRP :
انواع میلگردهای FRP
میلگرد های کامپوزیتی FRPمتشکل از دو بخش الیاف و رزین هستند،براساس نوع رزین که میتواند یکی از انواع پلی استر،اپوکسی ،وینیل استریا PVCباشد یا نوع الیاف پلیمری FRPکه می تواند یک از انواع کربن ،الیاف شیشه یا فیبر نوری یا آرامید باشد .
استفاده از میلگرد FRP در مقاوم سازی سازه:
میلگرد شیشه یا آرماتور کامپوزیتی GFRP:ارزان ترین میلگرد در بازار
یکی از کاربرد های مهم آن در بازار استفاده آن در فونداسیون است.(سطح آن را با شن درشت دانه میپوشانند تا میزان چسبندگی میلگرد با بتن افزایش یابد.)
میلگرد کربن CFRP:
الیاف کربنی از نوع PAN در 3نوع دسته بندی میشوند که :
- نوع اول دارای مول الاستیسیته بالا است.
- مقاوم ترین نوع الیاف از نوع دوم
- نوع سوم نرم ترین نوع الیاف کربنی بوده است و مقاومتی بین نوع دوم و سوم دارد.
الیاف با اساس قیری که از تقطیر زغال سنگ به دست می آید.
میلگرد آرامید AFRP:
- E-Glass: متداول ترین الیاف مورد استفاده در میلگرد FRP با محتوای قلیایی میباشد که در صنعت ساختمان به کار میرود.
- Z-Glass: این نوع الیاف شیشه مقاومت بالایی در برابر حمله قلیایی دارد که در تولید بتن الیافی به کار میرود.
- A-Glass: به دلیل داشتن مواد قلیایی زیاد کاربردی ندارد.
- S-Glass: این نوع الیاف در تکنولوژی هوا و فضا کاربرد دارد. و مقاومت و مدول الاسیتیسه بسیار بالایی دارد .الیاف کربن و آرامید کاربرد بالایی دارد.
الیاف با اساس قیری که از تقطیر زغال سنگ به دست می آید.
کلام آخر
FRP اولین بار در اواسط دهه 1980 در اروپا و ژاپن برای تقویت و مقاوم سازی سازه های بتنی استفاده شد. در سال های اخیر مطالعات زیادی در مورد استفاده بهینه از این مواد و توسعه استفاده از FRP در سازه ها و زیر ساخت ها در شرایط مختلف محیطی انجام شده است. که نتیجه آن وضع قوانین مختلف در زمینه بهسازی و طراحی مقاوم سازی است. در حال حاضر سازه های قدیمی مانند انبارها و پارکینگ های بدون استفاده نیز با استفاده از این روش قابلیت کاربرد مجدد را به دست می آورند. روش های FRP اغلب توسط مهندسان سازه انجام می شود. محصولات مورد نیاز توسط یک شرکت تامین کننده تهیه و توسط یک گروه پیمانکاری اجرا می شود.
