تقويت سازه هاي بتن آرمه با الياف frp
همان طور که می دانیم گسیختگی مواد که به وسیله سیمان تهیه شده ومی شکنند به علت ترد بودن ان می باشد همان طو ر که قبلا" توضیح داده شد تقویت بتن توسط الیاف کوتاه به صورت تصادفی ونا منظم می شد وباعث تثبیت ترکها واستحکام کششی بتن می شود
در دهه ۱۹۵۰برای اولین بار در کشور شو روی وبعد درکشور امریکادر سال۱۹۶۰ تحقیقاتی انجام شده در صورت استفاده از الياف فولادي در ماتريس شكننده، تمركز تنش در محل تركهاي بوجود آمده كاهش مي يابد . . .
بتن الیافی که به نام های زیر در جهان موجود است آرماتورها که معروف به آرماتورهای با الیاف پلاستیکی (FRP) هستند از الیاف مختلفی چون الیاف شیشه ای (GFRP) الیاف آرامیدی (Afrp) والیاف کربنی (CFRP) در یک رزین چسباننده تشکیل شده انددر دنیا معروف است
این مواد یکی از پر مصرف ترین مواد در مناطق سرد نظیر شمال آمریکا و کانادا و بعضی کشورهای اروپایی است که همراه با ان از سنگدانه های هوا ساز نیز استفاده میشودکاربرد صفحات با الیاف کربنی برای این تقویت بیشتر رایج گشته و در چندین پل در ژاپن و در بعضی کشورهای اروپایی از آن استفاده شده است.
به خصوص در ژاپن که به علت مقاومت در بتن الیافی در برابر خوردگیدر پل ودیوار های نما از این بتن الیافی خیلی استفاده می کنندهمچنین امروزه علم نانو نیز به کمک بتن الیافی و
صنعت ساختمان امده وامروزه استفاده از انواع پلیمر والیاف در بتن به وسیله علم نانورونق گرفته است که تاریخ این علم بر میگردد به دوره ۷۰ معرفي شده اند که از فناوري sol-gel جهت انتشار (Disperse ) دادن ذرات نانو کاني درون ماتريس پليمر استفاده شده استد یکی از شرکت های که در این علم پیشتاز است شرکت تویوتا ژاپن می باشد تکنولوژي نانو فلز آرتونايد که اخيرا الياف تجاري نانو آلومينا را توليد کرده است یکی دیگر از موفقیت کشور های پیشرفته می باشد که امروزه در این علم به دست امده امروزه بسیاری از دانشگاه دنیا سعی در استفاده از این دانش درصنعت ساختمان می باشدیکی دیگر از اختراعات در ژاپن جلوگیری از یخ زدگی بتن الیافی به وسیله علم نانو می باشد
شکل سازه های که از بتن الیافی در کشور های گوناگون ساخته:
استفاده از مصالح جديد و به خصوص كامپوزيتها به جاي فولاد در دهة اخير در دنيا به شدت مورد علاقه بوده است . كامپوزيتها از يك مادة چسباننده (اكثراً اپوكسي) و مقدار مناسبي الياف تشكيل يافته است. اين الياف ممكن است از نوع كربن، شيشه، آراميد و ... باشند، كه كامپوزيت حاصله به ترتيب، به نامAFRP, GFRP, CFRP خوانده ميشود. مهم ترين حسن كامپوزيتها ، مقاومت بسيار عالي آنها در مقابل خوردگي است. به همين دليل كاربرد كامپوزيتهاي FRP در بتنآرمه به جاي ميلگردهاي فولادي، بسيار مورد توجه قرار گرفته است لازم به ذكر است كه خوردگي ميلگرد در بتن مسلح به فولاد به عنوان يك مسئلة بسيار جدي تلقي ميگردد. تاكنون بسياري از سازههاي بتنآرمه در اثر تماس و مجاورت با سولفاتها، كلرورها و ساير عوامل خورنده دچار آسيب جدي گرديدهاند، چنانچه فولاد به كار رفته در بتن تحت تنشهاي بالاتر در شرايط بار سرويس قرار گيرند اين مسئله به مراتب بحرانيخواهد بود.
يك سازة بتنآرمة معمولي كه به ميلگردهاي فولادي مسلح است، چنانچه در زمان طولاني در مجاورت عوامل خورنده نظير نمكها، اسيدها و كلرورها قرار ميگيرد، قسمتي از مقاومت خود را از دست خواهد داد. به علاوه فولادي كه در داخل بتن زنگ ميزند، بر بتن اطراف خود فشار آورده و باعث خرد شدن آن و ريختن پوستة بتن ميگردد.
تاكنون تكنيكهايي جهت جلوگيري از خوردگي فولاد در بتنآرمه توسعه داده شده و به كار رفته است كه در اين ارتباط ميتوان به پوشش ميلگردها توسط اپوكسي، تزريق پليمر به سطح بتن و يا حفاظت كاتديك اشاره نمود. با اين وجود هر يك از اين روشها تا حدودي و فقط در بعضي از زمينهها موفق بودهاند. به همين جهت به منظور حذف كامل خوردگي ميلگردها، توجه محققين و متخصصين بتنآرمه به حذف كامل فولاد و جايگزيني آن با مواد مقاوم در مقابل خوردگي معطوف گرديده است. در همين راستا كامپوزيتهاي FRP (پلاستيكهاي مسلح به الياف) از آنجا كه به شدت در محيطهاي نمكي و قليايي در مقابل خوردگي مقاوم هستند، موضوع تحقيقات گستردهاي به عنوان يك جانشين مناسب براي فولاد در بتنآرمه، به خصوص در سازههاي ساحلي و دريايي گرديدهاند.
لازم به ذكر است كه اگر چه مزيت اصلي ميلگردهاي از جنس FRP مقاومت آنها در مقابل خوردگي است، با اين وجود خواص ديگر كامپوزيتهاي FRP نظير مقاومت كششي بسيار زياد (تا 7 برابر فولاد)، مدول الاستيسيتة قابل قبول، وزن كم ، مقاومت خوب در مقابل خستگي و خزش، عايق بودن در مقابل امواج مغناطيسي و چسبندگي خوب با بتن، مجموعهاي از خواص مطلوب را تشكيل ميدهد كه به جذابيت كاربرد FRP در بتنآرمه افزودهاند. اگر چه بعضي از مشكلات نظير مشكلات مربوط به خم كردن آنها و نيز رفتار كاملاً خطي آنها تا نقطة شكست، مشكلاتي از نظر كاربرد آنها فراهم نمودهاند كه امروزه موضوع تحقيقات گستردهاي به عنوان يك جانشين مناسب براي فولاد در بتنآرمه، به خصوص در سازههاي ساحلي و دريايي گرديدهاند.
با توجه به آنچه كه ذكر شد ، بسيار به جاست كه در ارتباط با كاربرد كامپوزيتهاي FRP در بتن سازههاي ساحلي و دريايي مناطق جنوبي ايران و به خصوص منطقة خليجفارس، تحقيقات گستردهاي صورت پذيرد. در همين راستا مناسب است كه تحقيقات مناسبي بر انواع كامپوزيتهاي FRP (AFRP, CFRP, GFRP) و ميزان مناسب بودن آنها براي سازههاي دريايي كه در منطقة خليجفارس احداث شده است، صورت پذيرد. اين تحقيقات شامل پژوهشهاي گستردة تئوريك بر رفتار سازههاي بتنآرمة متداول در مناطق دريايي (به شرط آنكه با كامپوزيتهاي FRP مسلح شده باشند) خواهد بود. در همين ارتباط لازم است كارهاي تجربي مناسبي نيز بر رفتار خمشي، كششي و فشاري قطعات بتنآرمة مسلح به كامپوزيتهاي FRP صورت پذيرد.
لازم به ذكر است كه چنين تحقيقاتي در 10 سال اخير در دنيا صورت گرفته كه نتيجة اين تحقيقات منجمله آئيننامة ACI-440 است كه در چند سال اخير انتشار يافته است. با اين وجود كامپوزيتهاي FRP در ايران كماكان ناشناخته باقي مانده است و به خصوص كاربرد آنها در بتنآرمه در سازههاي ساحلي و دريايي كاملاً دور از چشم متخصصين و مهندسين ايراني بوده است. تحقيقاتي كه در اين ارتباط صورت خواهد گرفت، ميتواند منجر به تهية دستورالعمل و يا حتي آئيننامهاي جهت كاربرد FRP در بتنآرمه به عنوان يك جسم مقاوم در مقابل خوردگي در سازههاي بندري و دريايي ايران گردد. اين حركت ميتواند فرهنگ كاربرد اين مادة جديد در بتنآرمة ايران را بنيان گذارد و از طرفي منجر به صرفهجويي ميلياردها ريال سرمايهاي شود كه متأسفانه همه ساله در سازههاي بتنآرمة احداث شده در مناطق جنوبي ايران (به خصوص در مناطق بندري و دريايي)، به جهت خوردگي ميلگردها و تخريب و انهدام سازة بتني، بههدر ميرود
مقدمه
تاكنون مشخص شده است كه انواع اليافها مي توانند ظرفيت كرنش مقاومت دربرابر ضربه ميزان جذب انرژي مقاومت سايشي و مقاومت كششي بتن را افزايش دهند. بطور كلي براي كاربرد در سازه الياف فولادي ميتواند نقش مكملي براي ميلگرد داشته باشد. الياف فولادي با پخش تركها مقابله ميكنند ومقاومت بتن را در برابر خستگي ضربه جمع شدگي وتنشهاي حرارتي افزايش داده و بتن در همه مدهاي شكست روي خواص مكانيكي بتن تاثير مثبت ميگذارد.از اهم متغيرهايي كه بر خواص بتن با الياف فولادي اثر ميگذراند ميتوان به خواص ماتريس بتن بازدهي الياف و مقدار الياف اشاره كرد.تكنولوژي بتن پرمقاومت توسعه اي جديد در صنعت ساخت سازه هاي بتني محسوب ميشود. در بتن سخت شده مقاومت و دوام دو عامل اصلي بوده وهر چه مقاومت فشاري بتن بیشتر مي شود بتن تردتر شده ودر نتيجه مقاومت كششي آن به نسبت افزايش مقاومت فشاري افزايش نمي يابد و نيز از تحمل كرنش پايينتر برخوردار است. بدين دليل نياز به استفاده از الياف در بتن پرمقاومت كاملا مشهود است .جهت افزايش مقاومت كششي و جلوگيري از گسترش ترك و بويژه افزايش نرمي از الياف در بتن استفاده ميشود. مقدار افزايش با تغيير اين مقاومت ها بستگي به مقاومت بتن بدون الياف شكل الياف ودرصد الياف دارد. بتن پرمقاومت شامل الياف فولادي، تركيبي است از سيمان، مصالح سنگي، آب، فوق روان كننده، دوده سيليس وهمچنين درصدي از الياف فولادي كه بطور درهم و كاملا اتفاقي ودر جهات مختلف در مخلوط پراكنده شده است. وجود الياف فولادي مشخصات مکانيکی بتن را نسبت به حالت بهبود ميبخشد. بتن پرمقاومت يك ماده ترد وشكننده است در حاليكه افزودن الياف فولادي به بتن پرمقاومت سبب بهبود رفتار ترد بتن وتغييرمد شكست آن ميگردد. مزاياي بتن اليافي در مقايسه با بتن بدون الياف را مي توان بطور خلاصه بشرح ذيل بيان داشت: 1. مقاومت در مقابل تورق وسايش 2. مقاومت در مقابل تنش هاي خستگي 3. مقاومت عالي در مقابل ضربه 4. قابليت كششي وظرفيت زياد تغيير شكل نسبي 5. قابليت باربري بعد از ترك خوردگي 6. افزايش در ميزان جذب انرژي قابليت انعطافي كه بتن اليافي دارد همانند خواص مواد پلاستيكي باعث مي شود كه بتن اليافي گسيختگي ناگهاني نداشته باشد. از آنجا كه الياف فولادي در جسم بتن در همه جهات پراكنده مي شود در صورت تشكيل يك ترك در جهات مختلف الياف اتصالاتي را بوجود آورده و از گسترش ترك جلوگيري مي نمايد. بنابراين رشته هاي الياف بطور فعال در محدود كردن عرض ترك وارد عمل شده و با تشكيل ريز تركهاي زياد قابليت بهره برداري بتن را افزايش مي دهند.
|
20 آبان 1386- غلامرضا مختاري اصل
انواع الياف و الياف فولادي
انواع اليافي كه در بتن استفاده مي شود و در اشكال و اندازه هاي مختلفي توليد مي شود عبارتند از الياف شيشه اي ، الياف پلاستيكي و الياف فولادي . پارامتر مناسب كه يك رشته از الياف را تعريف مي كند نسبت ظاهري مي باشد كه نسبت طول الياف به قطر معادل الياف است. مقدار نسبت هاي ظاهري (l/d) معمولاٌ بين 30 تا 100 است . در اين تحقيق الياف فولادي با نسبت(l/d) برابر 80 و 100 استفاده گرديد.
مكانيزم عملكرد الياف در بتن
بطور كلي براي كاربرد در سازه الياف فولادي مي توانند نقش مكملي براي ميلگرد داشته باشند.الياف فولادي با پخش تركها مقابله مي كنند و مقاومت بتن را در برابر خستگي ضربه جمع شدگي وتنشهاي حرارتي افزايش مي دهند.
الياف فولادي مي توانند در همه مدهاي شكست روي خواص مكانيكي بتن تاثير بگذارند(1،2،3)
مكانيزم تقويت را مي توان بصورت زير توجيه كرد:
تنشها بوسيله برش محيطي ودر صورتيكه رويه الياف آجدار باشد بوسيله مقاومت چسبندگي (درون سطحي) از ماتريس به الياف منتقل مي شود. بنابراين مادامي كه ماتريس بتن ترك نخورده است،تنش كششي بين الياف و ماتريس تقسيم مي شود. پس از ايجاد ترك، همه تنش به الياف انتقال مي يابد.
مهمترين متغيرهايي كه بر خواص بتن با الياف فولادي اثر مي گذارند عبارتند از:خواص ماتريس بتن ، بازدهي الياف ومقدار الياف .بازدهي الياف بوسيله مقاومت الياف در برابر بيرون كشيده شدن از مخلوط كنترل مي شود اين مقاومت به چسبندگي بين الياف و ماتريس بستگي دارد .براي الياف با مقطع ثابت اين مقاومت با افزايش طول ،افزايش مي يابد .بنابراين هر قدر طول بيشتر باشد اثر آنها در بهبود خواص ماتريس بيشتر خواهد بود چون مقاومت در برابر بيرون كشيده شدن متناسب با سطح مقطع دو جسم مي باشد .
معمولا الياف با سطح مقطع گرد و قطر كوچك بيشتر از الياف با سطح مقطع گرد و قطر بزرگتر بازدهی دارند. اين امر به اين خاطر است كه الياف دسته اول سطح بيشتری در واحد حجم دارا مي باشند بنابراين هر چه سطح تماس الياف بيشتر باشد (و يا به عبارت ديگر قطر آنها كوچكتر باشد) بازده چسبندگي آنها بيشتر خواهد بود بنابراين روشن مي شود كه نسبت طول به قطر الياف بايد به اندازه اي بزرگ باشد كه در هنگام شكست ماتريس ، الياف به حداكثر مقاومت كشش خود نزديك باشند، با این وجود در عمل اين كار معمولا ممكن نيست .
بسياري از محققين نشان داده اند (7) در صورتيكه از روشهاي عادي اختلاط استفاده شود الياف با نسبت طول به قطر بيشتر از100 باعث كم شدن كارآيي بتن به مقدار قابل ملاحظه اي مي شوند و يا بطور نا همگون در بتن توزيع مي گردند . |
ب) افزايش عمر مفيد و مقاومت در برابر شرايط نامساعد:
بسياري از پروژههاي عمراني كشور در مناطق ساحلي شمال و جنوب كشور اجرا شدهاند و اين سازهها همواره در معرض آسيبهاي ناشي از شرايط جوي مرطوب و خورنده ساحلي واقع ميباشند. از اين ميان مناطق جنوب كشور در شرايط نامساعدتري نسبت به مناطق شمالي كشور قرار دارند، به گونهاي كه به گفتة كارشناسان، محيط خورندة سواحل خليج فارس از نامطلوبترين محيطهاي دريايي جهان به شمار ميرود. چند كشور اروپايي و آمريكايي، آزمايشگاههاي خوردگي خود را در سواحل كشورهاي حاشية خليج فارس ايجاد كردهاند كه خود حاكي از شدت نامساعد بودن شرايط محيطي خورندة خاص منطقه ميباشد.
اكثر سازههايي كه در كنار ساحل يا حتي دور از ساحل ساخته شدهاند، دچار مشكل خوردگي آرماتور هستند كه هزينههاي ميلياردي بنادر و اسكلههاي جنوبي خود بيانگر عمق فاجعه ميباشد. سازههاي غيردريايي واقع در جنوب كشور معمولاً پس از گذشت ده سال از عمر خود دچار پوسيدگي ميگردند و اين در حالي است كه سازههاي دريايي عمري بسيار كوتاهتر دارند. به طور مثال قبل از اتمام يك اسكلة سه كيلومتري در جنوب كشور كه مدت سه سال به طول انجاميد، آثار خوردگي در قسمتهاي آغازين اسكله نمايان گرديد. اين خوردگيها كه قسمتهاي فلزي سازه و تبعاً كل سازه را مورد تخريب قرار ميدهد، هزينة تعمير و بازسازي هنگفتي را به ما تحميل مينمايد. در سال گذشته تعمير تنها يك اسكلة سه و نيم كيلومتري واقع در بندر امام خميني، بالغ بر هجده ميليارد تومان هزينه در پي داشتهاست. استفاده از افزودنيهاي مناسب بتن و يا بهرهگيري از مواد كامپوزيتي (FRP) چه در زمينة تقويت خارجي بناها و چه به شكل آرماتورهاي كامپوزيتي، ميتواند راهگشاي مناسبي در برابر مشكلات خوردگي سازههاي بتني باشد.
همچنين استفاده از مواد كامپوزيتي در تعمير و تقويت ساختمانهاي قديمي از مباحث مهمي است كه در دنياي امروز مطرح گرديده است و نمايانگر گونهاي ديگر از راهيابي مواد نو به عرصة صنعت ساختمان ميباشد. با توجه به زلزلهخيز بودن كشور، ناچاريم كه ساختمانهاي قديمي و شرياني را بدون افزايش وزن سازه، تقويت نماييم و اين بدون توجه به تكنولوژيهاي نو بالاخص كامپوزيتها امكانپذير نيست.
ج) افزايش سرعت ساخت و توليد صنعتي ساختمان:
توليد صنعتي سازههاي ساختماني براي اولين بار، به سالهاي اوليه پايان جنگ جهاني دوم برميگردد. كشورهاي اروپايي با مشاهدة ويرانيهاي انبوه به جاي مانده از جنگ و ناكارآمدي روشهاي سنتي و متداول ساختمانسازي در پاسخگويي به نياز جامعه به بازسازي، به تحقيق و توسعه روشهاي ساختوساز سريع پرداختند. دستاورد اين تلاشها، تكنولوژي سازههاي سبك پيشساخته بود كه امكان انبوهسازي سريع و كاهش زمان بناي ساختمان را مقدور ميساخت و به اين ترتيب امكان پاسخگويي به نياز گستردة جوامع پس از جنگ به مسكن ميسر گرديد.
توليد صنعتي ساختمان علاوه بر افزايش سرعت توليد مسكن، مزاياي ديگري همچون كاهش مصرف مصالح ساختماني، امكان اعمال كنترلهاي اصولي بيشتر در زمان ساخت بنا و همچنين استفادة بهينه از فضاي ساختمان و كاهش ابعاد المانهاي سازهاي ساختمان را به همراه خواهد داشت. به علاوه به علت نوع مصالح مورد استفاده در اين سازهها، آلودگي صوتي واحدهاي مسكوني نيز به شدت كاهش خواهد يافت و مشكل شنود صداهاي ناخواسته ناشي از محيطهاي خارجي نيز مرتفع خواهد گرديد. اين سازهها همچنين بسيار سبكتر از سازههاي معمول ميباشند و در برابر زلزله نيز به خوبي مقاوم هستند.
با توجه به مشكلات متعدد كمبود مسكن و رشد جمعيت در كشور ما و همچنين زلزلهخيز بودن پايتخت كشور ما، لزوم توجه به گسترش و بهرهگيري از اين تكنولوژي نوين ساختمانسازي در كشور و وضع قوانين حمايتي توسط ارگانهاي مربوطه امري اجتنابناپذير مينمايد.
صنعت ساختمان از مهمترين بخشهاي صنعتي كشور است و لزوم بكارگيري تكنيكهاي جديد جهت غلبه بر موانع موجود، ما را به سرمايهگذاري و توجه بيشتر به مواد نو و كاربرد آنها در صنعت ساختمان سوق ميدهد.
طراحی و اجرای ترميم و تقويت سازه ها با FRP
ضعف المانهاي سازه هاي بتن آرمه با استفاده از مصالح پيشرفته و پرمقاومت FRP قابل برطرف شدن هستند، اگر شما در پروژه خود به مشكلي شبيه يكي از موارد زير برخورد نموديد :
- تير بتن آرمه يا هر عضو خمشي ديگري به هر دليلي دچار مسائلي چون ترك ، خيز زياد ، كمبود مقاومت در تحمل بارهاي وارده و مشكلاتي از اين قبيل شده است.
- ستون بتن آرمه اي دچار مشكلات مقاومتي است.
- اجزاي پلها و ديگر سازه ها دچار مشكلات نامطلوب سازه اي هستند
لازم نيست روشهاي قديمي را در پيش گيريد و با تخريب علاوه از صرف هزينه ، به ديگر اعضاي سازه نيز ناخواسته آسيب برسانيد، همه اين مشكلات با بهره گيري از آيين نامه هاي معتبر دنيا و استفاده از نتايج تحقيقات محققين قابل مطالعه هستند كه با استفاده از مصالح FRP اغلب قابل رفع بوده و يا حداقل مي توان از بروز مشكلات نامطلوب آتي جلوگيري نمود.
FRP ها نسبت به فولاد بسيار سبك و مقاومتي حدود 3 تا 10 برابر فولاد ساختماني دارند .
FRPها تا لحظه گسيختگي رفتار الاستيك خطي دارند و تا آخرين لحظه قانون هوك در آنها صادق است. نمودار تنش-كرنش اليافهاي مختلف FRP و فولاد در شكل زير آمدهاند.
اصول نصب FRP بدین صورت است که تمام عملیات تقویت توسط چسب لازم است نسبت به آماده سازی سطوحی که باید توسط FRP پوشانده شوداقدام شود.این کار توسط SAND BLASTING انجام میشود.بعد از آن یک لایه رزین بطور یکنواخت روی ناحیه ای که باید تقویت شود پخش میشود.الیاف به اندازه مورد استفاده بریده شده و بصورت سرد و بدون فشار روی لایه رزین قراق داده میشود.پس از آن یک لایه رزین دیگر روی لایه الیاف پخش میشود و بعد از آن در صورت لزوم یک لایه دیگر الیاف گذاشته میشود.
قوائد محاسبات توسط ACI440 گردآوری شده و در مشخصات FRP درج گردیده است.این قوائد با قوائد بتن آمریکا منطبق میباشد و با آین نامه سایر کشورها نیز هماهنگی دارد و نیز این قوائد مورد تایید NIST - ASTM - UBC و در اروپا FIB و در آمریکا JSCE و در کانادا ISIS قرار گرفته است.
مزاياي frp
1-عدم هدایت الکتریکی و حرارتی