مقاوم سازی با FRP چیست؟

مقاوم سازی با FRP یک روش نوین و کاربردی در مقاوم سازی بخش های مختلف سازه بوده که امروزه به صورت گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. در حالت کلی سیستم FRP یک پوشش حفاظتی است که در صنایع مختلف از جمله صنعت ساختمان سازی و به منظور تقویت سازه ها استفاده می شود. مشکلاتی مانند ضعف طراحی و تأثیر عوامل شیمیایی می‌توانند سازه را آسیب بزنند. این موارد می‌توانند ایمنی کل سازه و ساکنان آن را به خطر بیاندازند. در چنین شرایطی فرایند مقاوم سازی می تواند یک راهکار مناسب و کاربردی در این زمینه باشد.

این فرایند به روش های مختلفی چون روش FRP ، ژاکت بتنی، ژاکت فولادی و غیره قابل اجرا خواهد بود که مقاوم سازی با FRP یکی از پرکاربردترین آنهاست. مقاومت کششی بالا و وزن بسیار کم از ویژگی‌های کامپوزیت FRP هستند. قصد داریم در این مطلب به مصالح مورد استفاده، مزایا و ویژگی‌های سیستم مقاوم سازی با FRP ، و همچنین آیین‌نامه‌های مرتبط با این روش بپردازیم. همچنین اجرای مقاوم‌سازی و تقویت اجزای مختلف سازه‌ها با الیاف FRP مورد بررسی قرار می‌گیرد. همچنین بررسی خواهیم کرد که چگونه سیستم FRP از سایر روش‌های مقاوم‌سازی متفاوت است و چه تأثیری بر هزینه طراحی و اجرای مقاوم‌سازی دارد.

مقاوم سازی ساختمان با FRP چیست؟

مقاوم‌سازی با FRP یا مقاوم‌سازی با فیبرهای پلیمری تقویت شده، یکی از روش‌های نوآورانه در تقویت اجزای سازه است. این روش از دو بخش اصلی، فیبرها به عنوان عنصر تقویتی و ماتریس رزین پلیمری در طراحی استفاده می‌کند. FRP با تولید دسته‌های الیاف، که ابتدا به رزین آغشته می‌شوند، شکل می‌گیرد. سپس این دسته‌ها به هم نزدیک شده و با عبور از قالب، یک پروفیل با مقطع منشوری ثابت ساخته می‌شود. این پلیمرها، با توجه به نوع طراحی، از اشکال مختلفی مانند پروفیل‌های اف آر پی، ورق‌های FRP ، میلگردهای FRP و مش‌های FRP برای تقویت سازه‌ها استفاده می‌شوند.

می‌توان از پلیمرهای مسلح شده با رزین به دلیل استحکام و کیفیت بالا، برای افزایش انسجام و یکپارچگی بخش‌های مختلف سازه استفاده کرد. این قابلیت کامپوزیت FRP و مزایای بیشمار آن، آن را به یک جایگزین مناسب برای روش‌های سنتی مقاوم‌سازی تبدیل کرده است. از مزایای بسیار مقاوم سازی با FRP می توان به وزن پایین آنها، اجرای آسان، سرعت اجرایی بالا، عدم اشغال فضای سازه و محدودیت معماری در آنها اشاره کرد. برای اجرای سیستم FRP در فرایند مقاوم سازی سازه از مصالح مختلفی استفاده می شود که از جمله آنها می توان به الیاف کربن، الیاف شیشه، لمینت کربن و چسب و رزین اپوکسی اشاره کرد که در ادامه به معرفی بیشتر آنها خواهیم پرداخت.

مصالح مورد استفاده در مقاوم سازی با FRP

در مقاوم سازی ساختمان با روش FRP از مصالح مختلفی استفاده می شود که هر کدام از آنها از ساختار و ویژگی خاصی برخوردار هستند. در این بخش به یک سری از این مصالح و مشخصات آنها خواهیم پرداخت که به صورت زیر است:

الیاف کربن در مقاوم سازی با FRP

الیاف کربن از متریال پرکاربرد در اجرای مقاوم سازی با FRP بوده که روش اجرایی آن با عنوان CFRP شناخته می شود. این الیاف از تجزیه مواد آلی که دارای کربن هستند به دست می آیند و از مقاومت بالایی در برابر مواد خورنده مانند اسیدها و بازها برخوردار هستند. مقدار ضریب ارتجاعی الیاف کربنی نسبت به سایر الیاف مورد استفاده در اجرای FRP بیشتر است. این الیاف به نسبت وزن خود، مقاومت کششی بسیار بالایی دارند. فیبرهای کربنی در بازار به صورت طاقه‌های پارچه ای عرضه می شوند.

الیاف شیشه در مقاوم سازی با FRP

الیاف شیشه از دیگر متریال مورد استفاده در روش مقاوم سازی با FRP  است که روش اجرایی آن در فرایند مقاوم سازی با عنوان GFRP شناخته می شود. از اجزای تشکیل دهنده این الیاف می توان به سنگ آهک، ماسه سیلیکا، فولیک اسید و غیره اشاره کرد. این الیاف، سازگاری با بسیاری از رزین‌ها از جمله وینیل استر، پلی استر، اپوکسی و فنولیک را دارند. آن‌ها به صورت مختلفی چون الیاف E-glass و الیاف AR-glass عرضه می‌شوند. الیاف شیشه نوع AR در مقایسه با الیاف نوع E از مقاومت بالایی در برابر شرایط قلیایی برخوردار هستند.

لمینت کربن در مقاوم سازی با FRP

لمینت کربن از متریال کاربردی در روش مقاوم سازی با FRP بوده که از الیاف کربن آغشته شده به رزین در یک  آرایش هم جهت ساخته می شود. استحکام کششی این ورقه ها ۲۴۰۰ مگاپاسکال (۴ برابر فولاد) بوده و با وجود وزن پایین از استحکام بسیار بالایی برخوردار هستند. این لمینت ها به صورت ورق هایی با ضخامت ۱.۳ و ۱.۴ میلیمتر، عرض ۵۰ الی ۱۰۰ میلیمتر و رول هایی با طول ۱۰۰ متر در دسترس هستند که با استفاده از چسب اپوکسی می توان آنها را به سطح سازه چسباند

چسب و رزین اپوکسی در مقاوم سازی با اف آر پی

چسب و رزین اپوکسی از دیگر متریال مورد استفاده در مقاوم سازی با FRP است که از آن جهت اشباع کردن الیاف شیشه ای و کربنی در فرایند مقاوم سازی استفاده می شود. این رزین ها از خاصیت چسبندگی بسیار بالایی برخوردار هستند و به همین دلیل از آنها می توان برای چسباندن اتصالات سنگین و سطوح بزرگ در پروژه های مقاوم سازی در ساختمان استفاده کرد. این چسب ها در برابر مواد شیمیایی و حرارت بسیار مقاوم هستند و یک گزینه مناسب برای اتصال الیاف تقویتی به شمار می روند.

میلگرد FRP در مقاوم سازی با FRP

میلگرد FRP یکی دیگر از مصالح مورد استفاده در مقاوم سازی سازه های مختلف بوده که دارای رفتار ناهمسانگرد هستند. این رفتار میلگردها بر خاصیت چسبندگی آنها به بتن و مقاومت برشی آنها تأثیرگذار خواهد بود. میلگردهای فولادی در مقاوم‌سازی سازه‌های مختلف استفاده می‌شوند. این مصالح با استفاده از پوشش‌های محافظتی، تا حدودی در برابر خوردگی مقاوم می‌شوند. اما استفاده از این مصالح برای تقویت سازه هایی مانند پل ها، سازه های دریایی و پارکینگ ها که در معرض رطوبت دائم و با شدت بالا هستند مناسب نبوده و لازم است با میلگردهای FRP جایگزین شوند.

مزایا و ویژگی های مقاوم سازی با FRP

همان طور که اشاره کردیم مقاوم سازی ساختمان با FRP از مزایای بسیاری برخوردار بوده که در این بخش به بررسی بیشتر آنها خواهیم پرداخت. الیاف مورد استفاده در این روش از خاصیت ارتجاعی بالایی برخوردار بوده و همین امر نیز باعث بهبود عملکرد آنها در برابر فشار و نیروهای وارده می شود. رزین مورد استفاده در طراحی این کامپوزیت به چسبندگی هر چه بیشتر آن در اجرای سازه کمک بسیاری می کند و همین امر نیز با افزایش انسجام و یکپارچگی بخش مورد نظر همراه خواهد بود. فیبرهای مورد استفاده در این روش را می توان بسته به شرایط و نوع طراحی به صورت عمود یا در یک راستا اجرا نمود. کامپوزیت FRP به دلیل برخورداری از مقاومت گسیختگی بالا یک متریال مناسب برای مقاوم سازی سازه به شمار می رود.

ساختار و طراحی FRP به گونه ای بوده که می تواند مقاومت بالایی در برابر خوردگی را از خود نشان دهد و به همین دلیل می توان از آن در تقویت سازه ها در سواحل و بنادر که از رطوبت بالایی برخوردار هستند استفاده کرد. قیمت مصالح مورد استفاده روش مقاوم سازی با FRP در مقایسه با دیگر روش های مقاوم سازی پایین تر بوده و همین امر روش FRP به عنوان یک روش مقرون به صرفه در مقاوم سازی سازه شناخته می شود. خاصیت عایقی بالا از دیگر ویژگی های الیاف FRP است، چرا که این الیاف از نظر الکتریکی و مغناطیسی خنثی هستند. الیاف FRP به دلیل وزن کمتر نسبت به سایر مصالح مورد استفاده در مقاوم سازی، حمل و نصب آن در سازه را آسان می‌کند. این امر باعث کاهش بار اضافی ناشی از فرایند مقاوم سازی می‌شود.

آیین نامه های مقاوم سازی با FRP

استفاده گسترده از روش FRP در مقاوم‌سازی سازه‌ها، منجر به تدوین آیین‌نامه‌ها و دستورالعمل‌هایی درباره ویژگی‌ها و اجرای این روش شده است. در آیین‌نامه‌هایی مانند ACI 440 و نشریه ۳۴۵ به روش FRP در مقاوم‌سازی سازه‌ها پرداخته شده است. دستورالعمل‌ها و نشریات مربوط، تلاش کرده‌اند تا به تحلیل دقیق‌تر روش مقاوم‌سازی با FRP و استانداردهای اجرایی آن بپردازند. همچنین، ضرایب ایمنی مرتبط با طراحی و نظرات اقتصادی برای این روش در نظر گرفته شده‌اند.

بر اساس این آیین نامه ها کامپوزیت FRP متشکل از دو بخش الیاف تقویتی (فیبر) و رزین پلیمری بوده که بخش فیبری آن به عنوان جزء اصلی باربر شناخته می شود. ماتریس رزین بکار رفته در این روش نیز که از جنس پلیمر بوده، دارای خاصیت چسبانندگی بالایی است و به همین دلیل از آن جهت اتصال مؤثر فیبرها به سطح مورد نظر در فرایند مقاوم سازی استفاده می شود. از متداول ترین رزین های مورد استفاده در روش FRP می توان به اپوکسی ها، پلی استرها و وینیل استرها اشاره کرد. شما با مراجعه به این آیین نامه ها می توانید به اطلاعات بیشتری در این زمینه دست یابید.

اجرای مقاوم سازی و تقویت تیرهای بتنی با الیاف FRP

الیاف FRP دارای مقاومت کششی بیشتری نسبت به ورق‌های فولادی هستند، بنابراین، استفاده از این الیاف به عنوان راهکاری کارآمد برای تقویت خمشی تیرهای بتنی مطرح می‌شود. با توجه به اینکه قسمت تحتانی تیرهای بتنی بیشتر از سایر بخش‌ها به نیروی خمشی تحت تأثیر قرار می‌گیرد، چسباندن الیاف FRP به این بخش‌ها می‌تواند به مقاومت خمشی آنها کمک کند.

افزایش مقاومت خمشی این اجزا از طریق اتصال مصالح FRP به ناحیه کششی آنها صورت می گیرد، به طوری که در این اتصال راستای الیاف و جهت طولی عضو خمشی یکی باشد. همچنین تیرهای بتنی مقاوم سازی شده با این الیاف (کربنی، شیشه و غیره) از انسجام و سختی بالاتری در برابر ترک خوردگی برخوردار هستند. از این رو استفاده از این الیاف در روش مقاوم سازی با FRP به تقویت هر چه بهتر تیرهای بتنی در برابر حوادث طبیعی مانند زلزله کمک می کند.

ترمیم و مقاوم سازی دال و سقف بتنی با FRP

دال‌های بتنی در صورت آسیب دیدگی، استفاده از نوارهای FRP برای تقویت قسمت‌های تحتانی آنها، راهکاری کاراست. فرایند مقاوم‌سازی با FRP در دال‌های یک‌طرفه که از تکیه‌گاه ساده استفاده می‌کنند، در یک جهت و در راستای طولی صورت می‌گیرد. همچنین، این فرایند برای دال‌های دوطرفه، در دو جهت اجرا می‌شود. استفاده از این الیاف به ویژه ورق های C FRP در بخش کششی این دال ها می تواند به افزایش مقاومت خمشی آنها کمک کرده و همین امر نیز مانع از تشکیل ترک های برشی در ناحیه مجاورت با ستون ها می شود. در آخر لازم به ذکر است که هزینه های اجرایی در این روش در مقایسه با روش های دیگر مقاوم سازی پایین است.

تقویت و مقاوم سازی دیوار برشی بتنی با ( FRP )

با استفاده از الیاف FRP می توان دیوارهای برشی بتنی را از نظر خواص برشی، خمشی و شکل پذیری تقویت کرد. در تقویت برشی دیوارها در این روش لازم است الیاف FRP موازی با آرماتورهای عرضی، در راستای طولی و به حالت افقی نصب شوند. بر همین اساس در صورت ایجاد ترک در این نواحی نیروهای وارده به الیاف FRP منتقل می شود و به دیوارها آسیب وارد نمی شود.

به منظور تقویت خمشی این دیوارها نیز می توان الیاف FRP را این بار موازی با آرماتورهای طولی، به صورت قائم و در راستای ارتفاع دیوار نصب کرد. البته در چنین حالتی انتهای صفحات خمشی نیاز به مهار شدن دارد که برای این کار می توان از مقطع نبشی فولادی در کنار تکیه گاه دیوار استفاده کرد. تقویت شکل‌پذیری دیوارهای برشی با الیاف FRP موجب افزایش مقاومت آنها در برابر نیروهای ناشی از زلزله می‌شود. روش مقاوم‌سازی با FRP می‌تواند این ضعف در دیوارهای برشی را برطرف کند.

مقاوم سازی ستون بتنی ساختمان با FRP  در کمترین زمان

در ابتدا لازم به ذکر است که محصور کردن بتن تأثیر زیادی بر افزایش مقاومت فشاری آن دارد که این کار با استفاده از الیاف FRP به راحتی صورت می گیرد. همین مسئله برای تقویت ستون های بتنی با استفاده از الیاف FRP نیز صدق می کند. محصور کردن ستون‌ها با کمک الیاف FRP می‌تواند از گسترش بارهای خارج از محور در این اجزای بتنی جلوگیری کند. این کار به افزایش ظرفیت تحمل بار ستون‌ها کمک زیادی می‌کند.

ستون هایی که با این الیاف تقویت می شوند در برابر کرنش های عرضی مقاوم بوده و از مقاومت محوری بالایی نیز برخوردار هستند. استفاده از الیاف FRP  تأثیر زیادی بر بهبود عملکرد و پایداری ستون های لاغر در برابر بارها و نیروهای لرزه ای وارده دارد. همچنین  تأثیر استفاده از الیاف FRP در مقاوم سازی ستون های با مقطع دایره ای بیشتر از ستون های مستطیلی است؛ چرا که در ستون های با مقطع دایره ای برخلاف ستون های مستطیلی فشار محصورشدگی یکنواخت است.

مقاوم سازی فونداسیون با FRP

فونداسیون سازه از بخش های مهم در طراحی آن بوده که از روش های مختلفی جهت تقویت و مقاوم سازی آن استفاده می شود. یکی از این روش ها مقاوم سازی با FRP بوده که تأثیر بسزایی بر بهبود مقاومت کششی این بخش از سازه دارد. این روش اجرای آسانی دارد و از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه است.

این روش می‌تواند در کنترل و مهار گسیختگی‌ها کمک کند، زیرا ممکن است گسیختگی‌ها به دو صورت آشکار یا نهان در ساختمان ایجاد شوند. گسیختگی‌های آشکار ممکن است به شکل خردشدگی بخش‌هایی از ساختمان را تحت تأثیر قرار دهد. همچنین، گسیختگی‌های نهان ممکن است به صورت نشست و ایجاد ناپایداری در ساختمان بروز کنند که استفاده از الیاف FRP می‌تواند در تقویت این بخش‌ها و مقابله با آسیب‌های ناشی از زلزله کمک کند.

تفاوت مقاوم سازی با FRP با دیگر روش های مقاوم سازی

مقاوم سازی با FRP در مقایسه با دیگر روش های مقاوم سازی سازه مانند ژاکت بتنی و ژاکت فولادی دارای تفاوت هایی بوده که در این بخش به بررسی آنها می پردازیم. اولین تفاوت روش FRP با روش های ژاکت بتنی و فولادی در میزان تداخل آنها در کاربری ساختمان بوده که این تداخل در روش FRP  بسیار کمتر است. در روش اف آر پی، وزن مصالح مورد استفاده کمتر از دو روش دیگر است. این کاهش وزن موجب کاهش بار اضافی ناشی از فرایند مقاوم‌سازی در سازه می‌شود. اجرای فرآیند مقاوم‌سازی با FRP نسبت به ژاکت فولادی و بتنی راحت‌تر است. این موضوع باعث افزایش سرعت اجرا و کاهش زمان تحویل پروژه می‌شود.

اتصال مصالح مقاوم‌سازی به تیر و ستون‌های سازه، یکی از تفاوت‌های اجرای این دو روش است. در روش FRP ، استفاده از چسب اپوکسی برای این اتصالات، سطح مورد نظر را به طور یکنواخت پوشش می‌دهد، در حالی که در روش ژاکت فولادی، این اتصالات از طریق بولت‌های متعدد انجام می‌شود. در اجرای روش FRP ، نیازی به تجهیزات سنگین نیست. این روش، به دلیل نوع طراحی خود، هیچ فضایی از سازه را در مقایسه با دو روش مذکور اشغال نمی‌کند. از نظر هزینه های اجرایی نیز روش FRP در مقایسه با روش های ژاکت فولادی و ژاکت بتنی مقرون به صرفه تر است.

هزینه طرح و اجرای مقاوم سازی با FRP

در ابتدا لازم به ذکر است که هزینه های اجرایی در روش FRP در مقایسه با دیگر روش های مقاوم سازی ساختمان پایین تر است. به عنوان مثال هزینه های اجرایی در این روش در مقایسه با روش ژاکت بتنی می تواند ۳۰ الی ۷۰ درصد کاهش یابد. با این وجود عوامل و فاکتورهای مختلفی نیز می‌تواند بر هزینه طرح و اجرای مقاوم سازی ساختمان با FRP  تأثیرگذار باشد که در این بخش به معرفی آنها می‌پردازیم. اولین عامل مؤثر بر هزینه های اجرای روش اف آر پی، نوع الیاف مورد استفاده در طراحی آن است. در این روش از الیاف مختلف مانند الیاف شیشه و الیاف کربنی استفاده می‌شود. قیمت تمام شده این الیاف ممکن است متفاوت باشد.

اندازه پروژه و نیاز به مصالح در مقاوم‌سازی با FRP بر هزینه آن تأثیر می‌گذارد. همچنین، کیفیت کار و مقاومت مورد نیاز باید با شرایط سازه و نظر کارفرما هماهنگ باشد. دستمزد تیم اجرایی یکی از عواملی است که بر هزینه‌ها در روش FRP تأثیر می‌گذارد. تیم‌های با سابقه معمولاً دستمزد بالاتری برای انجام پروژه می‌طلبند.

مراحل اجرای مقاوم سازی با FRP

اجرای مقاوم‌سازی مستلزم رعایت چند مرحله است که در این بخش به بررسی آنها خواهیم پرداخت. در مرحله اول، سطح بتن مورد نظر باید از وجود هر نوع آلودگی که ممکن است به بتن آسیب برساند، به‌طور کامل تمیز شود.حال نوبت به صاف و یکدست کردن سطح مورد نظر می رسد تا پستی و بلندی های آن از طریق ملات ترمیمی یا سابش ناهمواری ها برطرف گردد. پس از آماده‌سازی سطح، در مرحله مقاوم‌سازی با FRP ، نصب الیاف انجام می‌شود. قبل از نصب الیاف، باید به عرض، تعداد لایه‌ها و جهت متناسب با طرح مقاوم‌سازی توجه شود.

برای برش لایه ها متناسب با ابعاد خواسته شده می توان از قیچی یا کاتر استفاده کرد. پس از آماده‌سازی لایه‌ها، نوبت به نصب آنها می‌رسد. قبل از این کار، لازم است این لایه‌ها را با رزین اپوکسی آغشته کنیم. سپس ژل اپوکسی بر روی سطح مورد نظر زده می‌شود و لایه‌ها بر روی آن قرار می‌گیرند. این الیاف عموماً دارای پوشش‌هایی هستند که بعد از نصب بر روی سطح، این پوشش‌ها باید جدا شوند. سپس، لایه بعدی از الیاف روی آن قرار می‌گیرد.

می‌توان با افزودن لایه‌های بیشتر، ضخامت الیاف نصب شده بر روی سطح را بر اساس نیاز کاری افزایش داد. نحوه نصب این لایه‌ها به این صورت است که ابتدا قسمت وسط آن روی سطح قرار می‌گیرد. سپس نصب آن به سمت طرفین و با استفاده از فشار و یک غلتک کوچک ادامه می‌یابد. با این کار از ایجاد حباب در زیر لایه های نصب شده جلوگیری می شود.

آزمایش تست PULL-OFF در مقاوم سازی با FRP

آزمایش PULL-OFF برای تشخیص چسبندگی FRP به بتن استفاده می‌شود. این آزمایش امکان محاسبه حداکثر نیروی عمودی بر سطح بتن و FRP و چسب اپوکسی را فراهم می‌کند. این آزمایش که بر اساس استاندارد ASTM D 4541 صورت می گیرد برای شرایطی بوده که در آن تنش کششی در بیشترین مقدار خود در مقابل تنش برشی قرار دارد. با انجام این آزمایش دو نتیجه مهم در اختیار طراحان مقاوم سازی قرار می گیرد.

مشخص شدن حداکثر نیرویی که مواد مورد استفاده در مقاوم‌سازی دچار گسیختگی می‌شوند، به عنوان حداکثر نیروی قابل تحمل FRP شناخته می‌شود. نتیجه دوم این تست درباره نحوه شکست و گسیختگی مصالح است. می‌توان از آن برای تشخیص نقاط ضعیف‌تر در سیستم مقاوم‌سازی با FRP استفاده کرد. نتیجه این آزمایش به مصالح بتنی و نوع ابزارهای مورد استفاده وابسته است. برای مقایسه و تعمیم نتایج به نمونه‌های مشابه، لازم است تمامی شرایط را به صورت یکسان در نظر بگیریم.

جمع بندی

مقاوم سازی با FRP به استحکام و پایداری اجزای مختلف سازه تأثیر زیادی می‌زند. این اجزا ممکن است به دلایل مختلف دچار آسیب و ناپایداری شوند. همچنین اجرای این روش می تواند به دوام بیشتر سازه و مقاومت آن در برابر نیروهای وارده کمک زیادی کند. با استفاده از روش FRP می توان بخش های مختلف سازه را در کمترین زمان ممکن و با صرف هزینه های پایین در برابر آسیب های احتمالی ایمن کرد. این پلیمرها، با توجه به نوع طراحی، از اشکال مختلفی مانند پروفیل‌های اف آر پی، ورق‌های FRP ، میلگردهای FRP و مش‌های FRP برای تقویت سازه‌ها استفاده می‌شوند. روش FRP ، فضای سازه را اشغال نمی‌کند و با وزن سبک مصالح، بر افزایش بار مرده ساختمان تأثیر زیادی ندارد.