راهنماي طراحي مقاومسازي سازه هاي بتن آرمه با استفاده از مواد كامپوزيتي FRP

 تا قبل از اينكه انجمن بتن آمريكا راهنمايي را در اين زمينه ارائه نمايد ، هيچ استاندارد بين المللي يا ملي خاصي در طراحي مقاومسازي خارجي سازه ها وجود نداشت . آژانس اطلاع رساني بزرگراههاي لندن BA 30 ، راهنمايي را در جهت طراحي چسباندن صفحات فولادي ارائه نمود . اين آژانس درحال حاضر يك راهنماي موقتي طراحي براي چسباندن صفحات فولادي ارائه نموده است . توصيه هاي طراحي اتصال براي مواد كامپوزيتي اليافي در آيين نامه و هندبوك طراحي EUROCOMP ارائه گرديده است .

در اين بخش راهنماييهاي لازم براي مهندسين جهت طراحي سيستمهاي مقاومسازي FRP غير پيش تنيده در سازه هاي بتن آرمه ارائه گرديده است . در اين زمينه مطالعه استانداردهاي BS 8110 و BS 5400 مناسب و مفيد مي باشد .

عموما مقاومسازي بدنبال يك ارزيابي دقيق از جزئيات انجام خواهد گرفت . براي مثال جهت مقاومسازي يك پل مي توان براي ارزيابي به مرجع BD 44 با عنوان “ ارزيابي سازه ها و پلهاي بتني بزرگراهها ” مراجعه نمود كه اين مرجع خود با انجام اصلاحاتي بر روابط BS 5400 استخراج گرديده است . در راهنماي حاضر ، اغلب اصول طراحي برپايه استاندارد BS 8110 مي باشد .

طراحي سيستم مقاومسازي FRP بايد براساس اصول حالت حدي باشد . منظور از طراحي حالت حدي ، دستيابي به يك عملكرد قابل قبول از سازه مقاومسازي شده در طول عمر طراحي اش است . به عبارتي سازه بايد به گونه اي كنترل شود كه در طول عمر خود به حالت حدي نرسيده و باعث عملكرد غير صحيح آن نگردد .

حالت حدي از لحاظ كلي به دو دسته تقسيم مي شود :

نهايي و سرويس .

حالت حد نهايي عموما شامل مكانيزمي است كه موجب فروريختن جزئي يا كلي سازه شده ، در حاليكه حالت حد سرويس اساسا وابسته به مواردي كه بر ظاهر و يا عملكرد مناسب سازه تأثير مي گذارند مي باشد . مثالهايي از حالت حد سرويس مربوط به مقاومسازي به وسيله FRP در جدول زیر آورده شده است. طراحي سيستمهاي مقاومسازي FRP اساسا برحالت حد نهايي مقاومت متمركز مي شوند  . اين حالت شامل كنترل خمش ، برش و فشار ، شرايط معمولي مربوط به بتن آرمه ، و همچنين كنترل جداشدن صفحه ، مخصوص سازه هاي تقويت شده با FRP است . از آنجاييكه مقاومسازي سازه اي به طور يكنواخت سختي اعضاي خمشي را افزايش مي دهد ، موجب افزايش احتمال خطر گسيختكي ترد شده و در نتيجه كنترل شكل پذيري لازم مي باشد .

جدول: حالتهاي حدي مربوط به سيستم هاي مقاومسازي شده به وسيله FRP:

Serviceability

Ultimate

Deflection

Cracking

Steel stress

Fatigue

Creep

Stress rupture

Durability

Strength

Bending

Shear

Compression

Anchorage plate separation

Fire

به طوركلي بارهاي سرويس نبايد اثر منفي بر ظاهر يا عملكرد سازه تقويت شده بگذارند . همچنين تركهاي ايجاد شده در روي بتن نبايد داراي عرض و طول زيادي باشند تا چسبندگي مناسب بين FRP و سطح بتني فراهم گردد . براي اين منظور طراح بايد ضوابط موجود در آيين نامه هاي BS 8110 و BS 5400 در مورد عرض تركها را رعايت نموده و مورد توجه قرار دهد . آرماتورهاي فولادي نبايد تحت بارهاي سرويس تسليم شوند ، در غير اينصورت تغيير شكلهاي دائمي در سازه ايجاد خواهد شد .

گسيختگي ناشي از خستگي و تنش با محاسبه كمترين تنش طراحي قابل دستيابي است . براساس مطالعات و تحقيقات آزمايشگاهي ، CFRP داراي دوام و پايداري مناسبي تحت شرايط عمومي مربوط به سازه هاي بتني بوده درحاليكه ديگر مواد داراي پايداري كمتري نسبت به رطوبت ، اشعه ماوراء بنفش و ديگر عوامل محيطي هستند و بايد از يك سيستم پوششي محافظ استفاده نمود . در سازه ها عامل آتش سوزي نيز بايد بررسي شده و اثر آن در خصوصيات سيستم مقاومسازی مورد ارزيابي قرارگيرد .

خصوصيات مكانيكي مواد FRP اساسا بستگي به نوع و درصد الياف استفاده شده دارد . از آنجايي كه سازندگان اين مواد مختلف بوده و استاندارد خاصي در اين زمينه وجود ندارد ، اين خصوصيات در سيستمهاي مختلف متفاومت بوده و طراحان بايد از خصوصيات واقعي بدست آمده از سازندگان استفاده نمايند . در يك طراحي توصيه مي شود كه از مواد ساخته شده توسط يك سازنده با كنترل كيفيت مناسب ، استفاده گردد .

خصوصيات مكانيكي معمول FRP عبارتند از :

مقاومت كششي ، مدول الاستيسيته و درازشدگي در هنگام شكست .

خصوصيات صفحات بايد از نمونه هاي شاهد اندازه گيري شود . براي سيستمهاي wet lay-up ، بايد تحت شرايط يكسان استفاده شده براي مقاوسازي در سازه ها ، خصوصيات كنترل گردد . براي اين منظور مي توان نمونه هايي كه به طور كامل عمل آوري شده اند ، جهت بررسي خصوصيات كارگاهي آنها ، ساخته شده و مورد آزمايش قرارگيرند . خصوصيات تمامي مواد FRP بايد توسط سازنده ارائه گردد .

مقاومت مشخصه كششي FRP ، ffk ، بستگي به مقاومت كششي متوسط دارد و از رابطه زير بدست مي آيد :

كه در آن s انحراف استاندارد است .

خصوصيات چسب هاي اپوكسي و رزين هاي لايه اي بايد از سازندگان آنها گرفته شود . در اين رابطه اين موضوع مهم است كه چسب ها و رزين هاي استفاده شده با لايه و الياف سازگار باشد . جهت اطمينان كامل از سازگاري همه اجزاء سيستم ( شامل آسترها و يا مواد   پوشاننده ) ، بهتر است كه همه اين مواد از يك سازنده واحد گرفته شود .

 سازه های بتن آرمه به عنوان بخش گسترده ای از سازه ها ، چنانچه بر حسب محاسبات دقیق و روابط شکل پذیری طراحی و اجرا شوند ، ساختمان های بسیار مطلوبی خواهند بود . اما کیفیت ساخت در برخی ساختمان ها به دلایل مختلف بسیار نامطلوب است . 

کیفیت بد بتن ، آرماتور گذاری نامناسب ، اجرای بد بتن ریزی ، مصالح نامرغوب و ... از مشکلات این سازه هاست .

به طور کلی با نگاهی به عملکرد ساختمان های بتنی در زلزله های مخرب ، ضعف های زیر مشخص شده است :

• عدم تامین مقاومت برشی لازم در هر طبقه ( توسط ستون ها و دیوار های برشی ) ؛

• شکست برشی ستون هایی که طولشان به طور ناخواسته توسط دیوار ها و سایر عناصر غیر سازه ای کوتاه شده است ( شکست ستون کوتاه ) ؛

• شکست برشی تیر ها و ستون ها که موجب تردی رفتار سازه می شود ؛

• لغزش میلگرد ها در اتصال تیر به بتن ؛

• شکست برشی اتصال تیر به بتن ؛

• شکست ترد دیوار های برشی که دارای بازشو هستند یا دیوار هایی که به اعضای افقی اتصال دارند ( دیوار برشی درگیر ) ؛

• پیچش ناشی از برون محوری و تمرکز تخریب در یک طبقه به دلیل توزیع نامنظم سختی در ارتفاع .

دلایل مقاوم سازی سازه های بتنی

با ارزیابی شرایط ساختمان های موجود ، دلایل ضعف سازه ها را می توان به شرح زیر دسته بندی کرد :

الف - خطاحای طراحی

ب - خطاهای اجرایی

پ - افزایش بار سازه 

ت - تغییرات آیین نامه ای

ث - شناخت بهتر نیرو های زلزله نسبت به گذشته

ج - تأثیر شرایط محیطی مخرب

چ - آسیب دیدگی سازه ها ناشی از حوادث ضربه ، آتش سوزی ، باد و زلزله ...

مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای سازه ها در کشور ایران که بر روی گسل های زلزله واقع است امری مهم و اجتناب ناپذیر می باشد . استفاده از فناوری های جدید در بهسازی لرزه ای سازه ها به عنوان رویکرد نوین باید در نظر مهندسان سازه قرار داشته باشد.

از ویژگی های اصلی کامپوزیت های پلیمری می توان مقاومت مناسب در برابر خوردگی ، سادگی اجرا در محل نصب و سبکی آنها را برشمرد . عامل دیگر در گسترش کاربردی مصالح FRP روند کاهش قیمت این مصالح می باشد .

استفاده از مصالح FRP در صنعت ساختمان در مقیاس جهانی سابقه طولانی ندارد و توسعه این فناوری در صنعت ساختمان کشور ایران نیز به حدود یک دهه می رسد اما امروزه استفاده از کامپوزیت های با زمینه پلیمری در بهسازی سازه های بتن آرمه از رشد قابل توجهی برخوردار بوده است که دلیل اصلی آن نیاز به افزایش عمر بهره برداری و ارتقای اساسی زیرساخت ها در تمامی نقاط دنیا می باشد .

معرفی سیستم های FRP

سیستم های FRP برای مقاوم سازی سازه های بتنی از اواسط دهه 1980 مورد استفاده قرار گرفته اند . اعضای سازه ای که توسط FRP مقاوم سازی می گردند عبارتند از :

- تیر ها

- ستون ها

- دال ها

- اتصالات

- ساختمان های بتنی

- ساختمان های چوبی

مقاوم سازی سازه های بتنی با افزایش مقطع بتنی با استفاده از پوشش بتنی جدید و همچنین استفاده از صفحات فولادی متداول بوده است ، ایده ی سیستم های FRP جایگزینی به جای روش های تقویتی دیگر از جمله صفحات فولادی و یا پوشش های بتنی می باشد .