ورق های FRP

امروزه نگهداری و مرمت سازه‌ها به دلیل هزینه‌های بالای ساخت آنها اهمیت بسیار زیادی پیدا نموده است، به همین دلیل و به علت نیاز روز افزون مهندسین و متخصصین صنعت ساختمان به تقویت، ترمیم و بهسازی سازه‌های بتنیبارهای دینامیکی از جمله مزیت‌های این مواد است.

ورق های FRP

به سبب نسبت مقاومت به وزن بالا، مقاومت در مقابل خوردگی و مواد شیمیایی، مقاومت در برابر خستگی ناشی از بارگذاری و همچنین نصب سریع در چند سال اخیر جهت امر بهسازی و ترمیم سازه ها خصوصاً سازه های بتنی به شدت مورد توجه قرار گرفته اند. لایه های با وزنی معادل ۲۰% وزن فولاد غالباً مقاومتی در حدود ۲ تا ۱۰ برابر فولاد از خود نشان می دهند که وجود این خاصیت سبب استفاده گسترده از الیاف فوق در صنایع گوناگون گردیده است. سالهای زیادی است که از الیاف FRP در صنایع هوا فضا استفاده می گردد. روشهای مختلف و متعددی برای این موضوع مطرح گشته است. سادگی اجرای FRP ها در عین سرعت عمل بالا، وزن کم، مقاومت کششی بالای ورق‌ها، مقاومت در برابر خوردگی، جذب ارتعاشات و افزایش مقاومت و استحکام سازه میباشد.

اما در گذشته بهای نسبتاً سنگین این الیاف سبب گردیده بود که استفاده از آنها در صنعت ساختمان ناچیز و محدود باشد لیکن امروزه به دلیل گسترش تولید این مواد و به طبع آن کاهش بهای آنها و همچنین به سبب برتری های خاص این الیاف، می توان توجیه مناسب اقتصادی برای استفاده از آنها ارائه نمود.

با توجه به نوپا بودن این تکنیک تقویت، از اواسط دهه نود فعالیت های گسترده ای بر روی بررسی رفتار این پلیمرها در مقاوم سازی خمشی تیرهای بتنی بوسیله چسباندن این الیاف به ناحیه تحت کشش مقطع انجام شده است که همگی آنها بر بهبود رفتار مکانیکی و افزایش مقاومت خمشی تیرها تاکید دارند.

جهت بررسی کامل تیرهای بتنی مقاوم سازی شده واضح است که علاوه بر جنبه های مقاومتی، عملکرد اعضاء تحت شرایط بهره برداری نیز باید رضایت بخش باشند و این امر با تامین مقاومت کافی برای عضو خودبخود تحقق نمی یابد. در یک عضو که به روش مقاومت نهایی طرح شده است ممکن است تغییر مکانهای ایجاد شده تحت بارهای بهره برداری بیش از اندازه بزرگ باشد به طوری که سبب آسیب رساندن به قسمتهای غیر سازه ای شود و یا از سویدیگر، ترکهای ایجاد شده در تیرها ممکن است به اندازه ای بزرگ باشند که خوردگی آرماتورها را موجب شود و از نظر ظاهری نیز نا مطلوب باشد.
در این تحقیق آزمایشگاهی اثر ورقهای FRP در مقاوم سازی خمشی تیرهای بتن مسلح حاوی بتن با مقاومت بالا مورد بررسی قرار گرفته است. میزان آرماتور کششی و تعداد لایه FRP در ساخت نمونه ها و تقویت آنها به عنوان متغیر در نظر گرفته شده است. تعداد شش تیر بتنی دارای سطح مقطع، طول و میزان میلگرد فشاری و برشی یکسان حاوی بتن با مقاومت بالا، دارای آرماتور کششی برابر با و ساخته شده و تحت آزمایش خمش چهار نقطه ای قرار گرفته وشرایط بهره برداری آنها مورد بررسی قرار گرفته است. از شش نمونه ذکر شده دو نمونه بدونبه عنوان نمونه شاهد و چهار نمونه دیگر با یک و چهار لایه FRP مقاوم سازی شده اند.
جهت بررسی دقیق رفتار این تیرها تعداد قابل توجهی کرنش سنج روی میلگردهای کششی، فشاری و همچنین سطح بتن و FRP نصب شده که نتایج حاصله در این تحقیق دال بر عملکردمطلوب ورقهای تقویت کننده در شرایط بهره برداری می باشد.

جزئیات نمونه ها و روش انجام آزمایشات
نمونه های آزمایش
در این تحقیق ۶ تیر بتن مسلح حاوی بتن با مقاومت بالا، با سطح مقطع و طول یکسان ساخته شده و تا لحظه شکست تحت آزمایش خمش چهار نقطه ای قرار گرفتند. تیرها با توجه به مقدار آرماتور کششی آنها به دو گروه تقسیم شده و از هر گروه یک نمونه به عنوان تیر کنترل و بدون مقاوم سازی مورد آزمایش قرار گرفته و بقیه نمونه ها با یک و چهار لایه الیاف کربن مقاوم سازی شده و سپس تحت بارگذاری قرار گرفتند. طول همه تیرهای مورد آزمایش ۳۰۰ سانتیمتر بود که بر روی تکیه گاههایی با دهانه ۲۷۰ سانتیمتر مورد بارگذاری و آزمایش قرار گرفتند. با توجه به نتایج آزمایشات گذشته ، جهت افزایش اثر مقاوم سازی و تاخیر در جدا شدگی FRP از سطح بتن، طول FRP مصرفی برابر با ۲۶۰ سانتیمتر در نظر گرفته شده است که تقریباً تمامی طول دهانه تیر را پوشش می دهد.
سطح مقطع تمامی تیرها مستطیلی و به ابعاد ۲۵×۱۵ سانتیمتر در نظر گرفته شده است. آرماتور فشاری تمامی تیرها دو عدد میلگرد با قطر ۱۰ میلیمتر و آرماتور کششی نمونه های سری الف دو عدد میلگرد با قطر ۱۶ میلیمتر و برای نمونه های سری ب دو عدد میلگرد با قطر ۲۲ میلیمتر منظور شده است. برای تمامی تیرها از آرماتور برشی یکسان استفاده شده است که عبارت است از خاموت بسته به قطر ۱۰ میلیمتر که در فاصله ۹ سانتیمتر از یکدیگر در دهانه های برشی تیر پخش شده اند و طراحی این خاموتها به گونه ای است که از شکست برشی تیرها جلوگیری شده و شکست نمونه ها بصورت خمشی اتفاق بیفتد. برای بارگذاری از دو بار متمرکز متقارن که به فاصله ۹۰ سانتیمتر از یکدیگر قرار گرفته اند استفاده شده است. به این ترتیب، مقدار دهانه برش برابر با ۹۰ سانتیمتر و نسبت طول دهانه برشی به عمق مؤثر برابر با ۱/۴ می شود که این مقدار، تیرهای مورد نظر را در رده تیرهای معمولی قرار می دهد.
کرنش سنجهای الکتریکی بر روی آرماتور کششی، فشاری، برشی و همچنین سطح بتن و FRP در نقاط مختلف چسبانده شده تا در بارهای مختلف قادر به اندازه گیری میزان کرنش در مقاطع مختلف بوده تا با استفاده از آن قادر به محاسبه میزان تنش و همچنین انحناء تیر باشیم. با استفاده از خیز سنجهای الکتریکی با دقت بالا که در نقاط مختلفی از تیر قرار گرفته اند، روند افزایش خیز تیر نیز به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده از دوربین ترک سنج، عرض بزرگترین ترک خمشی و برشی نیز اندازه گیری و با هر افزیش باری قرائت و ثبت می شوند.

نام هر تیر از دو حرف تشکیل شده است که حرف اول نشان دهنده میزان آرماتور کششی ( سری A یا B) و نام دوم نشان دهنده تعداد لایه FRP مصرفی جهت مقاوم سازی نمونه می باشد. در جدول ۱ مشخصات تیرهای ساخته شده در این تحقیق آورده شده است.
جدول ۱: مشخصات تیرهای آزمایش شده در این تحقیق

Series	Test beam				(mm2)	CFRP layers
A	AH0	2F16	2F10	F10@9cm	0	0
AH1	2F16	2F10	F10@9cm	6.75	1
AH4	2F16	2F10	F10@9cm	27	4
B	BH0	2F22	2F10	F10@9cm	0	0
BH1	2F22	2F10	F10@9cm	6.75	1
BH4	2F22	2F10	F10@9cm	27	4

خواص مصالح مصرفی
برای هر تیر تعداد ۳ عدد نمونه مکعبی ۱۰×۱۰×۱۰ سانتیمتر در هنگام بتن ریزی نمونه ها ساخته شده و در شرایط مشابه با تیرها عمل آوری شدند. این نمونه ها در سن ۲۸ روزه تحت آزمایش فشار قرار گرفته و میانگین مقاومت فشاری آنها برابر با ۹۶۲ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع بدست آمد. برای تبدیل مقاومت فشاری نمونه های مکعبی به مقاومت فشاری نمونه استوانه ای استاندارد از ضریب ۸/۰ استفاده شد که بدین ترتیب مقاومت فشاری بتن مصرفی در تمامی تیرهای ساخته شده در این تحقیق برابر با ۷۷۰ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع در نظر گرفته می شود. میلگردهای آجدار مصرفی ساخت کارخانه ذوب آهن اصفهان و دارای تنش تسلیمی برابر باکیلوگرم بر سانتیمتر مربع می باشند. FRP مورد استفاده در این تحقیق از نوع کربن با جرم حجمی ۷۸/۱ گرم بر سانتیمتر مکعب بوده و ضخامت هر لایه آن برابر با ۰۴۵/۰ میلیمتر می باشد. رفتار این ماده تا لحظه شکست به صورت خطی بوده که کارخانه سازنده تنش کششی حداکثر و مدول الاستیسیته آن را به ترتیب برابر با ۳۸۵۰۰ و ۱۰۵ ×۲۳ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع اعلام کرده است. کرنش شکست FRP مصرفی برابر با ۷/۱ درصد می باشد.

روش انجام مقاوم سازی
پس از بتن ریزی، نمونه ها به مدت ۲۸ روز تحت شرایط کاملاً مرطوب عمل آوری شدند. دو عدد از تیرها به عنوان نمونه کنترل بدون انجام مقاوم سازی تحت بارگذاری قرار گرفتند. سطح کششی تیرهای دیگر ابتدا توسط سنگ فرز به میزان ۱ تا ۲ میلیمتر ساب زده شده و سپس توسط استون به طور کامل تمیز می گردند. چسب مورد استفاده برای لایه اول ( بین سطح بتن و FRP) از نوعبوده که چسبی دو جزئی بوده که پس از اختلاط، توسط کاردک به طور کامل روی سطح بتن مالیده شده و اولین لایه FRP روی آن قرار گرفته و کاملاً توسط چسب اشباع می گردد. برای چسباندن لایه های بعدی ( بین ورقهای FRP) از چسبی دو جزئی با نام تجاری EP-IN استفاده می شود. این چسب توسط فرچه معمولی روی FRP مالیده شده و سپس لایه بعدیروی آن قرار می گیرد.
پس از کامل شدن عملیات مقاوم سازی نمونه ها حداقل به مدت ۷ روز در شرایط آزمایشگاهنگهداری شده و پس از نصب کرنش سنج های الکتریکی لازم روی سطح FRP و بتن، تحت بارگذاری قرار می گیرند. بارگذاری نمونه ها به صورت مرحله ای افزایش پیدا می کند و پس از هر افزایش بار، مشاهدات عینی، قرائت کرنش سنج ها و خیز سنج ها و همینطور نحوه گسترش ترکها روی سطح تیر به همراه عرض عریضترین ترکهای خمشی و برشی به طور کامل ثبت می گردد.

ارزیابی نتایج آزمایشات
سختی و تغییر مکان
منحنی تیرهای مقاوم سازی شده، از ابتدا تا انتهای مرحله رفتار خطی نمونه ها به خوبی بر روی نمونه کنترل نظیر خود منطبق است لذا می توان نتیجه گرفت که در حالت بهره برداری، سختی و تغییر مکان نمونه های مقاوم سازی شده( صرفنظر از تعداد لایه FRP)، با نمونه کنترل کاملاً همخوانی دارد. اما در ناحیه پلاستیک و تا لحظه شکست، با افزایش تعداد لایه FRP، سختی تیر افزایش پیدا کرده ولی خیز آن به مقدار زیادی کاهش پیدا می کند که این امر بر کاهش شکل پذیری نمونه های مقاوم سازی شده نسبت به نمونه کنترل دلالت دارد.
عرض ترک
با توجه به اینکه ایجاد ترک در سازه‌های بتنی نه تنها اجتناب ناپذیر است بلکه برای استفاده موثر از آرماتور لازم نیز هست. مقدار مجاز عرض ترک تحت بارهای بهره برداری بستگی به شرایطمحیطی دارد. جدول ۳ عرض مجاز ترک را مطابق توصیه کمیته ۲۲۴ انجمن بتن آمریکا ارائه می کند.
جدول ۳ : عرض مجاز ترکهای خمشی

شرایط محیطی عرض مجاز ترک ( mm)

هوای خشک یا پوشش محافظ                                                 ۴۱/۰
رطوبت، هوای مرطوب، تماس با خاک                                        ۳/۰
آب دریا، خشک و تر شدن متوالی                                             ۱۵/۰
سازه های نگهدارنده آب                                                           ۱/۰

با افزایش FRP، طیف افقی نمودار کاهش می یابد، این پدیده حاکی از عدم افزایش قابل توجه عرض ترک با وجود جاری شدن فولاد کششی می‌باشد. همچنین در محدوده بارهای سرویس، دستیابی به عرض ترکهای بسیار کم با استفاده از FRP به خوبی قابل مشاهده است.

ورق های FRP

مطالب مشابه :

مصالح فلزی

عمران

مقاومت فشاری بتن

کاشت میلگرد در بتن - کلینیک بتن تهران

ورق های FRP

بتن تازه

راههای افزایش مقاومت بتن

اتصالات تیر و ستون