کاربردهای نوین الیاف FRP در ترمیم و تقویت اجزای سازه‌ای

الیاف FRP یکی از مصالح نوین و پیشرفته در صنعت ساختمان است که طی سال‌های اخیر جایگاه ویژه‌ای در مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی و فولادی پیدا کرده است. این الیاف که از ترکیب مواد پلیمری و الیاف مقاوم ساخته می‌شوند، علاوه بر وزن بسیار پایین، مقاومت کششی فوق‌العاده‌ای دارند و می‌توانند عملکرد سازه را در برابر بارهای جانبی، زلزله و عوامل محیطی به شکل چشمگیری بهبود دهند. استفاده از الیاف FRP در تقویت تیرها، ستون‌ها، دال‌ها و دیوارهای برشی، یکی از بهترین روش‌های جایگزین برای روش‌های سنتی مانند ژاکت بتنی یا فولادی است. در این مقاله از هیلتیران، به بررسی علمی کاربردهای نوین الیاف FRP و نقش آن در افزایش دوام و ایمنی ساختمان‌های قدیمی پرداخته‌ایم. مطالعه این مطلب می‌تواند دید روشنی به مهندسان، مجریان و طراحان سازه درباره انتخاب مصالح مناسب مقاوم‌سازی بدهد.

مقدمه:
در سال‌های اخیر استفاده از الیاف FRP به‌عنوان یکی از کارآمدترین روش‌های مقاوم‌سازی و ترمیم سازه‌های بتنی و فولادی مورد توجه مهندسان عمران و طراحان سازه قرار گرفته است. این الیاف سبک اما بسیار مقاوم، می‌توانند بدون افزایش قابل‌توجه وزن سازه، ظرفیت باربری، شکل‌پذیری و دوام آن را به‌طور چشمگیری بهبود دهند.

به‌کارگیری الیاف FRP در پروژه‌های مقاوم‌سازی، جایگزینی مؤثر برای روش‌های سنتی مانند ژاکت بتنی یا فولادی محسوب می‌شود و با سرعت اجرا و دوام بالا، هزینه‌های نگهداری را نیز کاهش می‌دهد.

در این مقاله به چهار کاربرد اصلی الیاف FRP در مقاوم‌سازی سازه‌ها می‌پردازیم که هر یک نقش مهمی در افزایش ایمنی و عملکرد سازه دارند:

• الف) افزایش مقاومت و شکل‌پذیری تیرها، ستون‌ها و دال‌های سازه

• ب) تقویت دیوارهای بتنی برشی، دیوارهای حایل و جداکننده

• ج) مقاوم‌سازی اجزای فرسوده و آسیب‌دیده سازه

• د) بهبود رفتار سازه‌های بتنی در برابر عوامل محیطی مانند رطوبت و خوردگی

با مطالعه این موارد، درک دقیق‌تری از نحوه عملکرد و مزایای استفاده از الیاف FRP در پروژه‌های عمرانی به دست خواهید آورد

آشنایی کوتاه با الیاف FRP

الیاف FRP یا Fiber Reinforced Polymer یکی از پیشرفته‌ترین مصالح در حوزه مقاوم‌سازی سازه‌هاست. این الیاف از ترکیب رزین پلیمری و الیاف مقاوم (مانند کربن، شیشه یا آرامید) ساخته می‌شوند که استحکام کششی بسیار بالایی دارند. به همین دلیل، استفاده از آن‌ها در تقویت تیرها، ستون‌ها و دال‌های بتنی به‌سرعت در پروژه‌های عمرانی مدرن رواج پیدا کرده است.

مواد تشکیل دهنده FRP چیست؟

FRP از دو جزء اصلی تشکیل می‌شود:

1. الیاف تقویتی (مانند الیاف کربن، شیشه یا بازالت) که وظیفه تحمل نیروهای کششی را بر عهده دارند.

2. رزین پلیمری (معمولاً اپوکسی یا وینیل‌استر) که نقش چسباننده و محافظ الیاف را دارد.

ترکیب این دو جزء، ماده‌ای سبک، ضد خوردگی و بسیار مقاوم ایجاد می‌کند که می‌تواند جایگزین مناسبی برای فولاد در بسیاری از کاربردهای مقاوم‌سازی باشد.

مزایا و محدودیت‌های FRP در مقاوم‌سازی

مزایا:

• وزن بسیار کم در مقایسه با فولاد

• مقاومت بالا در برابر خوردگی و مواد شیمیایی

• اجرای سریع و بدون نیاز به تجهیزات سنگین

• افزایش چشمگیر مقاومت خمشی و برشی در سازه‌ها

محدودیت‌ها:

• حساسیت به شرایط دمایی بالا

• نیاز به اجرای دقیق و آماده‌سازی سطح

• هزینه اولیه نسبتاً بالاتر در مقایسه با روش‌های سنتی

با وجود این محدودیت‌ها، FRP در پروژه‌های مقاوم‌سازی به‌دلیل دوام بالا و کاهش وزن سازه، یکی از پرکاربردترین گزینه‌ها در جهان محسوب می‌شود.

چهار مورد از مهم ترین کاربردهای الیاف FRP

الیاف FRP امروزه به عنوان یکی از مصالح پرکاربرد در صنعت ساخت و ساز شناخته شده و علاوه بر اینکه در بحث مقاوم سازی مورد استفاده قرار میگیرند با توجه به ساختار عملکردی و ویژگی های فنی می توانند در سایر موارد نیز از آنها بهره جست که در اینجا تلاش می کنیم تا 4 مورد از پرکاربردین موارد مصرف الیاف FRP را بحث کنیم؛

الف) افزایش مقاومت و شکل‌پذیری تیرها، ستون‌ها و دال‌های سازه

یکی از کاربردهای اصلی الیاف FRP مقاوم سازی مقاطع بتنی به کمک ویژگی های الیاف می باشد، در این مورد الیاف FRP با استفاده از چسب های اپوکسی روی سطوح بتنی مقطع بتنی اعمال شده و می تواند مقاومت کششی بسیار بالایی در محور موازی الیاف به مقطع بیافزاید، پر واضح است که اعمال الیاف FRP علاوه بر افزایش مقاوم کششی در جهت الیاف، در سایر جهات نیز با تبدیل نیرو می تواند ظرفیت باربری مقطع بتنی را بهبود بخشد.

از آنجایی که اتصالات آسیب پذیرترین قسمت در سازه بوده و در عین حال سخت ترین بخش سازه برای اعمال روش های تقویتی می‌باشند، از اهمیت بسیار بالایی برخوردار بوده و بررسی دقیق گزارش های تخریب سازه ها نشان می دهد که قریب به اکثر خرابی ها و حالت های شکست سازه در ناحیه اتصالات صورت گرفته است. از این رو مقاوم سازی با استفاده از الیاف FRP یکی از موثرترین و ساده ترین روش های تقویت و مقاوم سازی اتصالات در سازه ها می باشد.

در مورد سازه های بتنی زمانی که قاب خمشی بتن مسلح تحت اثر نیروهای جانبی ناشی از زلزله قرار می گیرد، در اتصالات آن نیروهای برشی قابل توجهی به وجود آمده و منجر به تغییر شکل می گردند، بنابراین اتصالات در این دست از سازه ها علاوه بر مقاومت، باید دارای شکل پذیری بالایی نیز باشند.

در اینجا استفاده از الیاف FRP می تواند منجر به افزایش مقاومت خمشی مقطع شده ولیکن شکل پذیری تحت تاثیر قرار گرفته و حتی ممکن است مقطع بتنی با کاهش شکل پذیری تردتر شود، بنابراین صرف استفاده از الیاف FRP همواره راهکار کلیدی نبوده و می بایست روش استفاده، تعداد لایه ها، ضخامت الیاف FRP و سایر پارامترهای تاثیر گذار توسط تیم مهندسی گروه تخصصی هیلتیران تحلیل و بررسی شده و نهایتا نقشه های مقاوم سازی سازه تدوین گردند.

ب) تقویت دیوار‌های بتنی برشی، دیوار های حایل و جدا کننده

مهم ترین وظیفه دیوارهای برشی افزایش مقاومت سازه در برابر بارهای جانبی است، این مقاطع از سازه به خودی دارای جرم و سطح زیادی و در صورت نیاز به مقاوم سازی می توانند سطح زیادی از فضای سازه را اشغال نمایند، حال آنکه تقویت دیوارهای بتنی با استفاده از الیاف FRP راهکار بهینه ای می باشد. نتایج آزمایشات نشان می دهد که استفاده از الیاف FRP برای مقاوم سازی دیوارها می تواند از جاری شدن فولاد مدفون در بتن در حالت های شکست جلوگیری و یا با تاخیر مواجه کند.

همچنین برای جبران ضعف برشی دیوار، الیاف FRP در راستای طول دیوار و در موازات میلگردهای عرضی بصورت افقی در دو وجه دیوار با استفاده از چسب اپوکسی اعمال شده که پس از ایجاد ترک برشی در بتن ، نیروهای حاصل از کرنش به الیاف FRP منتقل می شوند. برای جبران ضعف خمشی دیوارهای بتنی نیز، الیاف FRP در راستای ارتفاع دیوار و به موازات میلگردهای بصورت قائم اعمال شده و رفتاری مشابه رفتار آرماتورهای مدفون در مقطع دیوار از خود نشان داده و نیروهای وارده را به تکیه گاه پای دیوار انتقال می دهند.

در نهایت باید اشاره کنیم که استفاده از الیاف FRP نه تنها در دیوار های بتنی بلکه حتی در دیوارهای ساخته شده با مصالح بنایی نیز می تواند یک روش بسیار کارآمد به خصوص در دیوارهای دارای بازشو باشد، فقط لازم است تا پیش از اجرا، ابتدا رفتار سازه توسط کارشناسان گروه تخصصی هیلتیران مدلسازی گردیده تا روش مقاوم سازی با استفاده از الیاف FRP در جزییاتی چون ضخامت لایه ها، محل قرار گیری، چیدمان و روش اعمال بهینه گردد.

ج) مقاوم‌سازی اجزای فرسوده

زمانیکه مقاوم سازی در سازه های فرسوده و با عمر کاربری بالا مطرح می شود، صرفا با سازه بتنی مواجه نبوده و ممکن است با یک سازه و یا المان ساخته شده با مصالح بنایی مواجه باشیم و اساسی ترین سوال پیش رو در این بحث امکان استفاده از الیاف FRP جهت مقاوم سازی این گونه از سازه هاست، و اما در پاسخ باید بدانیم که الیاف FRP به دلیل خاصیت رفتاری، مقاومت کششی بسیار بالاو وزن پایین می توانند یکی از گزینه های مطلوب در مقاوم سازی اجزای فرسوده سازه باشند. زمانی که الیاف FRP به قسمت بیرونی یک المان از سازه همچون ستون، تیر، دال بتنی و یا حتی دیوار مصالح بنایی با استفاده از چسب اپوکسی اعمال شود، مقاومت قابل توجهی را بدون افزایش وزن و بار روی المان مورد نظر ایجاد می کند.

بهره گیری از روش های سنتی در مقاوم سازی ساختمان و یا اجزای فرسوده و قدیمی، مانند افزایش سطح مقطع بتن و یا تقویت با استفاده از المان های فولادی در اطراف قسمت بیرونی و یا داخلی یک عضو سازه اغلب با پاشش بتن (شاتکریت)، پس کشیدگی بیرونی یا افزودن تکیه گاه‌های فولادی همراه بوده که علاوه بر تغییر در وزن سازه، امکان جابجایی مرکز جرم و همچنین پیچیدگی های اجرایی بسیار پر هزینه می باشند، حال آنکه استفاده از الیاف FRP جهت مقاوم سازی اجزای فرسوده علاوه بر بهبود در موارد ذکر شده امکان طراحی و مدلسازی را برای مهندسان و طراحان با ضریب اطمینان بالاتری فراهم آورده است.

د) بهبود رفتار سازه بتنی در برابر عوامل محیطی

و در آخر یکی دیگر از کاربردهای الیاف FRP ایجاد پوشش های مختلف روی سطوح بتنی می باشد؛ با توجه به اینکه الیاف FRP ذاتاً از دو فاز الیاف تقویت کننده و ماتریس های پلیمری تشکیل شده و با استفاده از چسب های اپوکسی روی سطوح اعمال می شوند، در برابر آب و یا سایر عوامل مخرب محیطی مقاومت بالایی از خود نشان داده و امروزه استفاده از الیافFRP به عنوان یکی از روش های محافظتی و پوشش دهی روی سطوح بتنی شناخته می شود. الیاف FRP که با استفاده از چسب های اپوکسی روی سطوح بتنی اعمال می شوند می توانند مقاومت قابل توجهی در برابر خوردگی ناشی از نفوذ آب، حمله سولفات ها، یون کلر و … ایجاد نمایند.

از آنجایی که وزن مخصوص الیاف FRP نسبت به فولاد بسیار پایین تر بوده و در عین حال مدول الاستیسیته و مقاومت بسیار بالایی داشته و به دلیل ماهیت مواد تشکیل دهنده نسبت به میدان های مغناطیسی تشکیل شده در محیط پیرامونی مقاوم می باشد، می تواند به عنوان گزینه بسیار مناسبی برای پوشش های محافظتی روی سطوح بتنی حتی در شرایط خارجی و در معرض مستقیم عوامل مخرب محیطی مورد استفاده قرار گیرد.

جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

الیاف FRP امروزه به‌عنوان یکی از پیشرفته‌ترین و کارآمدترین مصالح در حوزه‌ی مقاوم‌سازی و ترمیم سازه‌ها شناخته می‌شود. استفاده از این الیاف، به‌ویژه در تیرها، ستون‌ها، دیوارهای بتنی و اجزای فرسوده، باعث افزایش دوام، شکل‌پذیری و مقاومت کلی سازه در برابر عوامل محیطی و مکانیکی می‌گردد.

انتخاب نوع الیاف، روش اجرا و چسب مورد استفاده در پروژه، نیازمند دانش فنی و تجربه اجرایی دقیق است؛ زیرا هر پروژه شرایط خاص خود را دارد و طراحی اصولی سیستم FRP باید مطابق استانداردهای معتبر انجام شود.

برای اجرای تخصصی پروژه‌های مقاوم‌سازی با الیاف FRP، گروه فنی هیلتیران با بهره‌گیری از کارشناسان مجرب و ارائه‌ی مصالح باکیفیت، آماده همکاری با شرکت‌های پیمانکار و مشاوران سازه است.
برای آشنایی بیشتر با مشخصات فنی و کاربردهای این الیاف، می‌توانید از طریق سایت هیلتیران به نشانی https://hiltiran.com/ با کارشناسان ما در ارتباط باشید.