Fa En سه شنبه 21 آبان 1398 ساعت 3 و 54 دقیقه

مقاوم سازی با frp

 

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.حال در این مطلب به موضوع مقاوم سازی با frp می پردازیم.

از ویژگی های اصلی کامپوزیت های پلیمری FRP می توان مقاومت مناسب در برابر خوردگی، سادگی اجراء در محل نصب و سبکی آن ها را برشمرد.

عامل دیگر در گسترش کاربری 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 به حدود سه دهه پیش بر می گردد. سابقه استفاده از مصالح FRP 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.

 

مقاوم سازی با frp و معرفی سیستم های آن

 

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

 

  • تیرها  
  • ستون ها
  • دال ها  
  • اتصالات  
  • ساختمان های بتنی  
  • ساختمان های چوبی  

 

یک سؤال ممکن است در این مرحله به ذهن خواننده خطور نماید، سؤال این است که به طور کل ایده FRP از کجا شروع شده است؟ 

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

 

 مزایای سیستم های FRP

 

  • مقاومت کششی بالا
  • مقاومت و دوام در برابر عوامل شیمیایی
  • مقاومت مناسب در حرارت های بالا
  • وزن کم
  • هزینه اجرای مناسب
  • امکان استفاده از ترکیب چند نوع FRP جهت بهبود خواص هر کدام از آن ها (برای مثال بهبود شاخص های مقاومت، خستگی و ضریب ارتجاعی در GFRP با به اضافه نمودن  لایه هایی از CFRP)

 

معایب سیستم های FRP  

 

  • هزینه اجرا و حمل این مصالح پایین می باشد، ولی قیمت مصالح FRP یکی از عوامل محدود کننده استفاده از آن محسوب می گردد .
  • پایین بودن ضریب ارتجاعی
  • مقاومت کم در برابر پدیده خستگی
  • ایجاد پدیده ترد شکنی
  • حساسیت به خراش و ساییدگی در هنگام نصب

 

سیستم های FRP از اجزای مشخصی ساخته شده می شوند این اجزا عبارتند از: 

 

  • الیاف مسلح کننده (الیاف FRP)

 

وظیفه اصلی الیاف فراهم نمودن سختی و مقاومت در عضو تقویت شده می باشد. 

 

  • چسب های پلیمری

 

وظیفه چسب ها فراهم نمودن شرایط انتقال تنش و تغییر شکل بین الیاف، افزایش مقاومت در برابر شرایط محیطی و ایجاد سطح محافظ در مقابل سایش و خراشیدگی را برآورده می کنند.   

برای رسیدن به حداکثر حالت کارایی یا Performance در مقطع تقویت شده باید سطح الیاف یا FRP به طور کامل با چسب آغشته شده و به سطح بتن چسبانده شود. 

به طور معمول از سه نوع الیاف مسلح کننده استفاده می گردد که عبارتند از: 

  • الیاف شیشه
  • الیاف کربن
  • الیاف آرامید

 

وظیفه اصلی الیاف ایجاد مقاومت اضافی در برابر بخش عمده باری می باشد که بر روی سیستم مقطع مقاوم سازی شده وارد می شود. 

 

مشخصات مکانیکی انواع الیاف FRP  

 

مقاومت کششی (Mpa)

ضریب ارتجاعی (Gpa)

چگالی

 (kg/m3)

انواع الیاف

 400-1800

 20-55

 1600-2000

الیاف شیشه

 1200-2250

 120-250

 1600-1900

الیاف کربن

 1000-1800

 40-125

 1050-1250

الیاف آرامید

 

البته مقادیر فوق در نهایت به جهت قرارگیری رشته های الیاف، ضخامت لایه های الیاف و بسیاری از پارامترهای دیگر بستگی خواهد داشت . 

در زمینه تقویت های بهینه می توان از دو نوع یا چند نوع از FRP های موجود بهره برد تا به مشخصات مورد نظر در مقطع تقویت شده دست پیدا نمود. برای مثال برخی از مشخصه های GFRP مانند ضریب ارتجاعی، مقاومت و خستگی با بکار بردن همزمان الیاف CFRP بهبود پیدا می کند، به طور مشابه می توان انرژی ضربه پذیری الیاف CFRP را با افزودن الیاف شیشه آرامید بهبود بخشید. 

 

بررسی دقیق تر برخی الیاف FRP  

 

همانطور که ذکر شد الیافی که به طور معمول در بهسازی، مقاوم سازی و صنعت استفاده می گردند عبارتند از:  

 

GFRP or Glass Fiber Reinforced Polymers

CFRP or Carbon Fiber Reinforced Polymers

AFRP or Aramid Fiber Reinforced Polymers

  • الیاف شیشه
  • الیاف کربن
  • الیاف آرامید
  • الیاف بازالت

در این قسمت به بررسی دقیق تر مشخصات برخی از انواع الیاف پرداخته خواهد شد. 

 

الیاف شیشه GFRP 

 

این نوع از الیاف FRP بیشترین کاربرد را در صنعت کامپوزیت به خود اختصاص داده اند. از مزایای این نوع الیاف می توان به قیمت پایین، مقاومت کششی بالا، مقاومت در برابر عوامل شیمیایی، مقاومت خوب در برابر حرارت های بالا و ... اشاره نمود. این نوع از الیاف معایبی نیز دارند که برخی از آن ها عبارتند از: پایین بودن ضریب ارتجاعی، حساسیت شدید به خراش در هنگام نصب، مقاومت کم در برابر پدیده خستگی در بارگذاری های متناوب، افزایش احتمال پدیده ترد شکنی و. ...  

الیاف شیشه به وسیله ذوب سیلیکات ها به همراه پتاس یا اکسیدهای فلزی مختلف تولید می گردند. حجم مذاب فوق از غلاف یا پوست های بسیار ریز عبور می کند و سپس به سرعت سرد می گردد تا تارهای الیاف شیشه در محدوده قطر Mm 24-5 تولید گردند. سپس رشته های تولید شده به یکدیگر به صورت بسیار فشرده بافته می شوند

در حین انجام این پروسه، الیاف به صورت متناوب با مواد پوشش دهنده چسبناکی کاور می شوند تا مسأله سایش در رشته های الیاف شیشه به حداقل نزدیک گردد.

 

انواع الیاف شیشه و مشخصات آن ها 

 

  • الیاف شیشه الکتریکی  
  • الیاف شیشه سازهای  
  • الیاف شیشه شیمیایی  
  • الیاف شیشه مقاوم در برابر قلیایی

                                                  

  • GFRP
  • CFRP
  • AFRP
  • Basalt
  • Electrical Glass Fiber or E-Glass
  • Structural Fiber Glass or S-Glass
  • Chemical Fiber Glass or C-Glass

در بین انواع الیاف شیشه، نوعE-Glass  بیشتر از بقیه کاربرد دارد و اقتصادی تر از انواع دیگر الیاف شیشه می باشد. در صنعت برق به عنوان مقاومت های الکتریکی از این نوع الیاف شیشه استفاده می گردد. 

الیاف S-Glass بیشترین مقاومت کششی را در بین الیاف شیشه دارا می باشد و بیشتر برای پوشش موشک ها و قطعات هواپیمایی استفاده می گردد. 

الیاف C-Glass دارای آهک سوددار به همراه بور و سیلیکات می باشد و در محیط هایی که دارای مواد شیمیایی خورنده می باشد کاربرد فراوان دارد. این نوع الیاف در مقابل خوردگی اسیدی مقاومت بسیار خوبی را فراهم می کنند و کاربرد اصلی آن ها در:  

  • پوشش سطحی در خطوط لوله
  • پوشش سطحی در مخازن

به صورت ویژه برای استفاده در بتن ها الیاف  AR-Glass را می توان استفاده نمود. این نوع الیاف از آلکالی– زیرکونیوم سیلیکات تشکیل شده اند و در هنگامی که نیاز به مقاومت در برابر محیط های قلیایی باشد، می توان این نوع از الیاف FRP را استفاده نمود. 

مشخصات الیاف شیشه به اختصار در جدول  قید شده است. 

 

جدول مشخصات انواع الیاف شیشه 

 

افزایش طول % 

ضریب ارتجاعی  

 Gpa

مقاومت کششی

 Mpa

 چگالی  gr/cm3

نام 

 4.8

 72.4

 3445

 2.6

 E-Glass

  5.4

 86.9

 4585

2.49

 S-Glass

 4.8

 68.9

 3310

2.56

 C-Glass

 4.4

 73.1

 3241

2.7

 AR-Glass

 

الیاف کربن CFRP

 

الیاف کربن دارای ضریب ارتجاعی بالایی هستند از این رو استفاده از آن ها  جهت مقاصد بهسازی سازه ها پیشنهاد می گردد .ضریب ارتجاعی الیاف کربن از تمامی انواع الیاف FRP دیگر بالاتر می باشد .الیاف کربن دارای مقاومت بالا در برابر خستگی می باشند، علاوه بر آن ضریب انبساط گرمایی خطی این نوع الیاف در دماهای بالا و پایین بسیار کم می باشند که این مسأله باعث پایداری ابعادی الیاف کربن در دماهای متفاوت می گردد. از دیگر مزیت هایی که الیاف کربن دارند، نسبت بالای مقاومت کششی به وزن آن ها می باشد البته از معایب این نوع الیاف نیز باید به مقاومت کم در برابر ضربه و قیمت بالای آن ها اشاره نمود. 

الیاف کربن در مقادیر تجاری از سه ماده اولیه زیر ساخته می شوند: 

  • ابریشم مصنوعی
  • پلی اکریلونیتریل
  • قیر حاصل از پالایش نفت خام

ابریشم مصنوعی از مواد اولیه سلولزی ساخته می شود. پلی اکریلونیتریل PAN به عنوان یک ماده اولیه دارای بیشترین مقاومت کششی در بین مواد تشکیل دهنده الیاف کربن می باشند . 

الیاف کربن با توجه به درصد مواد متشکله آن ها دارای انواع زیادی بر حسب  ضریب کششی می باشند، اگر چه ضریب های کششی بسیار بالا در الیاف کربن کاربردهای زیادی ندارند ولی طیف مربوط به ماژول کششی این نوع الیاف می تواند از 207 Gpa تا حدود 1035 Gpa متغیر باشند. مقادیر معمول مورد استفاده در پروژه های مقاوم سازی به طور معمول کمتر از 440 Gpa می باشد. 

 

روش های ساخت و نصب مصالح FRP 

 

همانطور که ذکر شد مصالح FRP از دو قسمت اصلی الیاف و چسب و نیز ماده های کم وزن به نام پرکننده تشکیل شده که در این میان، الیاف جهت تحمل بار و چسب برای چسباندن الیاف و عملکرد یکنواخت آن ها به کار برده می شوند . 

                                                  

  • Rayon
  • Polyacrylonitrile
  • Petroleum Pitch

 

الیاف

 

متداولترین نوع الیاف مورد استفاده در ساخت کامپوزیت ها، الیاف کربن، شیشه و آرامید می باشند. این الیاف دارای مقاومت کششی بسیار بالایی بوده و رفتار تنش- کرنش این الیاف به صورت خطی می باشد

 

مهمترین خواص الیاف کربن عبارتند از:

 

مقاومت و سختی خیلی بالا، مقاومت بسیار عالی در برابر مواد شیمیایی و رطوبت، مقاومت بالا در برابر خستگی وگسیختگی در اثر خزش. در ضمن این مواد رسانا و مستعد خوردگی می باشند

 

خواص الیاف شیشه عبارتند از:

 

مقاومت بالا،سختی کم، حساس در برابر قلیایی ها و رطوبت ،مقاومت اندک در برابر خستگی وگسیختگی در اثر خزش، عایق بسیار خوب. قابلیت افزایش طول زیاد نیز از دیگر مزایای این الیاف هستند

 

خواص الیاف آرامید عبارتند از:

 

مقاومت بالا، مقاومت بسیار عالی در برابر مواد شیمیایی، مقاوم در برابر خستگی و گسیختگی در اثر خزش، مقاومت بسیار عالی در برابر ضربه، رسانایی اندک.

این الیاف به رطوبت و اشعه ماوراء بنفش حساس هستند

 

خمیر (مواد زمینه)

 

برای چسباندن و عملکرد یکنواخت الیاف یا تارها، از یک خمیر چسباننده استفاده می شود. این ماده معمولاً دارای سختی و مقاومت کمتری نسبت به الیاف می باشد ولیکن اختلاط الیاف و یا تارها با این ماده منجر به تشکیل یک محصول جدیدی می گردد، که علاوه بر چگالی کم، از مقاومت بالایی نیز برخوردار است. وظیفه اصلی خمیرهای چسباننده عبارتند از:  

 

  • نگهداری الیاف در کنار هم و انتقال نیروها بین الیاف
  • محافظت الیاف در برابر عوامل محیطی و شیمیایی
  • تحمل برخی از بارها مخصوصاً بارهای عرضی و تنش های برشی بین لایه های

خمیرهای چسباننده به دو دسته کلی ترموست و ترموپلاستیک تقسیم می شوند .خمیرهای چسباننده ترموست دارای ویسکوزیته پایین، هزینه اندک، استفاده آسان و جمع شدگی کمتر می باشند. این خمیرهای چسباننده شامل اپوکسی، ونیل استر و پلیاستر می باشند. اما خمیرهای چسباننده ترموپلاستیک دارای ویسکوزیته بالا بوده که باعث می شود نتوان الیاف را توسط خمیر چسباننده به خوبی به هم اشباع نمود و به این دلیل کمتر کاربرد دارد

مواد زمینه با توجه به غلظت به چسب های صنعتی چسب های اشباع کننده و خمیر پرکننده طبقه بندی می شود