صفر تا صد مقاوم سازی و اجرای FRP در ساختمان

بر اساس آزمون ها و تجربیات حاصل طی سالیان اخیر، بر انواع روش های مقاوم سازی، اجرای مقاوم سازی بر اساس  اجرای FRP به ارتقای قابل توجه مقاومت ساختمان ها کمک می کند. در این فرایند از الیاف کم وزن اما قدرتمند استفاده شده و با جایگذاری این الیاف روی سطح عضو بتنی سازه، مقاومت آن در برابر بارهای جانبی افزایش زیادی پیدا می کند. این روش مقاوم سازی در طی سال های گذشته نسبت به دیگر روش های موجود در میان طراحان محبوب تر است. اجرای FRP نخستین بار در دهه 1980 در صنعت ساختمان صورت گرفت.

با کمک ورق های FRP می توان سطح بتن را در برابر عوامل خورنده محافظت نمود و ایزوله کرد. از این محصولات به عنوان تقویت کننده سازه در مواردی که از زلزله آسیب دیده باشد یا دچار خوردگی شده باشد نیز می توان استفاده کرد. در این مطلب به معرفی این سیستم مقاوم سازی و ارایه اطلاعات مورد نیاز در رابطه با آن خواهیم پرداخت. همراه ما باشید.

مقاوم سازی با FRP چیست؟

بسیاری از سازه‌های زلزله‌خیز کشور بسیاری از آیین‌نامه‌ها و استانداردها تبعیت نکرده و در مقابل نیروهای زلزله دچار ضعف هستند. تجربیات زلزله‌های اخیر نشان می‌دهد که مقاومت قابل توجه سازه‌ها ضروری است تا از تخریب و خسارات جلوگیری شود. تحقیقات گسترده در زمینه مقاوم‌سازی سازه‌ها انجام گرفته و روش‌های متنوعی برای تقویت مقاومت ساختمان‌ها در برابر زلزله ارایه شده است. این تحقیقات به منظور بهبود مفاهیم و راهکارهای مقاوم‌سازی سازه‌ها در مواجهه با نیروهای زلزله اجرا گردیده است.

این تحقیقات باعث بهبود مفاهیم و راهکارهای مقاوم‌سازی سازه‌ها در مقابل نیروهای زلزله می‌شوند. این روش‌ها شامل تکنولوژی‌های نوین و اصول مقاومت سازه‌ها هستند.این روش‌ها، با پیاده‌سازی موثر، می‌توانند عملکرد و مقاومت سازه‌ها را در برابر زلزله بهبود بخشند. این اقدامات می‌توانند به حداقل رساندن خسارات جانی و مالی ناشی از زلزله کمک کنند. از جمله این روش ها می توان به اضافه کردن عناصر سازه ای الحاقی، پیش تنیدگی خارجی و … اشاره نمود.

یکی از روش‌های جالب در حوزه ساخت و ساز، استفاده از روش مقاوم‌سازی با استفاده از FRP است. این روش در ایران حدود دو دهه است که مورد استفاده قرار گرفته و از کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده با الیاف استفاده می‌شود. کامپوزیت‌های مورد استفاده در این روش شامل ماتریکس اپوکسی، پلی‌استر یا وینیل‌استر به عنوان بخش ماتریسی هستند. این کامپوزیت‌ها فیبرهای پیوسته از الیاف شیشه، کربن یا آرامید را در خود جای داده‌اند. در ساختار مذکور، فیبرها نقش باربری بر عهده دارند. این در حالی است که ماتریس انتقال دهنده برش است.

استقامت کامپوزیت FRP

میزان مقاومت کامپوزیت FRP با توجه به نوع الیاف مصرفی در ساختار آن متفاوت است. در صورت شیشه ای بودن فیبرها، مقاومت برشی چیزی در حدود مقاومت جاری شدن فولاد است. اگر در ساختار کامپوزیت از الیاف کربن استفاده شود، مقاومت کششی آن معادل دو تا پنج برابر مقاومت جاری شدن فولاد خواهد بود. همچنین در صورت استفاده از فیبر کربن، سختی کامپوزیت، دو تا پنج برابر سختی آن در شرایطی است که از فیبر شیشه استفاده شده است. در ضمن، وزن کامپوزیت FRP حدودا یک پنجم وزن فولاد است. جهت اجرای FRP می توان محصولات آن را به شکل های مختلف (ورق، نوار، میلگرد یا لمینت) تهیه نمود و جهت ارتقای میزان مقاومت انواع سازه، جایگزین فولاد نمود.

مزایای اجرای FRP چیست؟

محبوبیت اجرای FRP به منظور مقاوم سازی به دلیل برتری های این روش نسبت به دیگر روش هاست. مزایای این سیستم به قدری قابل توجه هستند که اکثر روش‌های مرسوم با آن جایگزین شده‌اند.

جایگزینی مثبت این سیستم تأثیرگذاری مثبت دارد. تأثیر مثبت این سیستم در صورت اجرای دقیق و بر اساس دستورالعمل‌ها و ضوابط تعیین شده توسط مراجع ذی‌صلاح حاصل می‌شود. این جایگزینی زمانی تأثیرگذار می‌شود که اطلاعات تعیین شده توسط مراجع ذی‌صلاح در تمام مراحل اجرای سیستم با دقت رعایت شود. اطلاعات تعیین شده توسط مراجع ذی‌صلاح در تمام مراحل اجرای سیستم، تأثیر مثبت این جایگزینی را تضمین می‌کند. این جایگزینی، همچنین نیازمند اجرای استانداردها و دستورالعمل‌های معینی است که باید به دقت رعایت شوند. اگرچه جایگزینی این سیستم تأثیربخش و مثبت است، اما حتماً شرایط لازم بر اساس استانداردها و دستورالعمل‌های تعیین شده باید رعایت گردد. مزایای اجرای FRP به عنوان روش مقاوم سازی به شرح زیر هستند:

• وزن پایین :

وزنی که در نتیجه اجرای FRP به ساختمان تحمیل می شود، در مقایسه با وزن ناشی از دیگر سیستم های مورد استفاده جهت مقاوم سازی سازه کم تر است. این خصوصیت باعث می شود سیستم مذکور بار مرده چندانی به سازه اعمال نکند. نکته جالب توجه این جاست که در عین حال، الیاف به کار رفته در ساختار این سیستم از مقاومت مطلوبی برخوردارند.

• عدم اشغال فضا :

یکی از معضلاتی که در اثر مقاوم سازی ساختمان به وجود می آید، از بین رفتن فضاست. اکثر سیستم های مرسوم برای این منظور جهت اجرا به فضای نسبتا قابل توجهی نیاز دارند؛ اما در اجرای FRP چنین نبوده و می توان با حفظ کیفیت مقاوم سازی، تا حد زیادی در رابطه با حفظ فضای موجود صرفه جویی نمود.

• سرعت بالای اجرا :

اجرای FRP جهت مقاوم سازی سازه برخلاف دیگر روش ها به مدت زمان چندان زیادی نیاز ندارد و با سرعت زیادی انجام می شود.

• مقاومت مطلوب :

الیاف مورد استفاده در ساختار FRP از مقاومت مطلوبی در برابر خوردگی برخوردارند و این ویژگی سبب می شود در مقابل آسیب حاصل از عوامل خورنده به مشکل بر نخورند. این الیاف در برابر مواد اسیدی و بازی مقاومت داشته و نیازمند تعمیرات مکرر نیستند.

• همپوشانی اجرا با دیگر فرایندهای ساخت و ساز :

برای اجرای FRP در ساختمان، نیازی به ایجاد توقف در دیگر فرایندهای جاری نیست و می توان در حین به انجام رساندن سایر عملیات، نصب این سیستم را نیز انجام داد.

• عدم حساسیت در برابر الکترومغناطیس :

ساختار مصالح مصرفی در اجرای FRP برخلاف مصالح مصرفی در موارد دیگر، مشکل حساسیت به الکترومغناطیس را ندارد. این مزیت، استفاده از سیستم مذکور را در مقاوم سازی ساختمان های روبرو با امواج الکترومغناطیس ممکن می سازد. حساسیت برخی از مصالح به الکترومغناطیس باعث می شود تا نتوان آن ها را در سازه های خاص مانند ساختمان های تصویربرداری مورد استفاده داد. اما مقاوم سازی با اجرای FRP بدون مصالحی که به الکترومغناطیس حساسند، امکان پذیر است.

مراحل کلی اجرای مقاوم سازی به روش FRP کدام است؟

به منظور اجرای FRP به شکل صحیح و اصولی باید مراحل زیر را به ترتیب انجام داد:

• آماده سازی سطح مورد نظر :

ابتدا، مراحل آماده‌سازی سطح جهت اجرای فرآیند مقاوم‌سازی انجام می‌پذیرد. به منظور انجام این کار، ابتدا لازم است سطح مورد نظر به‌طور کامل تمیز شده و سپس به گونه‌ای یکنواخت و صاف شود. این به این معناست که هیچ گونه آلودگی یا اختلاف ارتفاعی روی سطح مورد نظر باقی نماند. این اقدام ضروری است؛ زیرا حضور عواملی مانند آلودگی یا اختلاف ارتفاع ممکن است باعث مشکلات در قرار گرفتن صحیح الیاف FRP شود. این مشکلات ممکن است باعث مواجهه با چالش‌های نصب شود. عمدتاً برای دستیابی به سطح مطلوب و خالی از هرگونه مشکل، از ملات‌های ترمیمی استفاده می‌شود.

• ترکیب چسب و رزین FRP :

برای اجرا و قرار دادن الیاف مورد استفاده در FRP از ترکیب چسب و رزین مخصوص استفاده می شود. این ترکیب می‌بایست پیش از اتصال آماده شود.

• برش لمینت و الیاف مطابق با دیتیل اجرایی :

برای قرارگیری الیاف در محل مورد نظر، لازم است که ابتدا آن‌ها را طبق جزئیات ارائه شده نصب کنیم. این اقدام باعث آماده‌سازی الیاف می‌شود تا در عرض و تعداد لایه‌های مناسب برای کارگذاری قرار گیرند.

• نصب :

در این مرحله که آخرین مرحله است، لمینت و الیاف مذکور پس از بریده شدن در اندازه دلخواه روی سطح مورد نظر که همان سازه بتنی است، نصب می‌شوند. بدین منظور باید الیاف مورد نظر را در رزین اپوکسی غرق نمود و سپس با پخش کردن ژل اپوکسی روی سطح، الیاف را نصب کردیم. برای نصب لایه‌های بعدی، ابتدا باید پوشش را از روی الیاف جدا کرده و سپس نصب کنیم. در هنگام نصب لایه جدید، باید به گونه‌ای عمل کنیم که بخش میانی الیاف در ابتدا روی سطح قرار گیرد؛ زیرا در غیر اینصورت، ممکن است حبابی ایجاد شود. این نکته حائز اهمیت است. پس از آن امکان نصب حاشیه ها نیز به کمک غلتک وجود دارد.

اجرای FRP به روش NSM چیست؟

روش NSM روشی است که برای نخستین بار در سال 1940 از آن رونمایی شد. مطابق دستورالعمل های اجرایی از کار گذاشتن نوارهای پیش تنیده یا میلگرد در شیارهای سطح بتن استفاده می شود. اتصال در روش NSM به سطح مذکور با کمک چسب اپوکسی صورت می گیرد. این عمل می تواند مقاومت نهایی بتن تسلیح شده و نیز سختی آن را به مراتب افزایش داده و رفتار عضو حامل بار را عوض کند. همراه با اعمال پیش تنیدگی، مقاومت کاملا موثر واقع می شود. از این سیستم می توان به عنوان تکنیکی جهت مقاوم سازی به شکل غیر فال نام برد که تا پیش از اعمال بار مورد نظر به شکل غیر فعال باقی مانده و سپس فعال می شود.

پیش تنیدگی میلگردها با کمک روش NSM به ارتقای عملکرد این سیستم کمک می کند. بدین منظور و برای مقاوم سازی خمشی عنصر مورد نظر باید اول تعدادی شیار در وجه زیرین آن عنصر ایجاد نمود و بعد از برطرف کردن آثار آلودگی از روی سطح با کمک فشار، شیار را تا نصفه به کمک چسب اپوکسی پر نمود. سپس میلگرد در این فضا جای گرفته و بقیه فضای خالی شیار با چسب اپوکسی کاملا پر می شود. در نهایت سطح باید صاف و یکدست شود. به کارگیری این روش باید بر اساس ضوابط ACI 440-2 صورت گیرد که البته نیازمند بهره مندی از تخصص ویژه ای نیست.

مقاوم سازی تیر بتنی به روش اجرای FRP چگونه است؟

به جهت تامین مقاومت مطلوب تیرهای بتنی در ساختمان باید جهت مقاوم سازی آن ها اقدام نمود. در صورت استفاده از الیاف مصرفی در اجرای FRP به این منظور، مقاومت تیر تا حد زیادی بالا می رود. میزان مقاومت کششی الیاف در این سیستم نسبت به ورق‌های فولادی بالاتر است. به دلیل این مزیت، استفاده از الیاف می‌تواند مقاومت خمشی تیر بتنی را به طور قابل توجهی ارتقا دهد. در نتیجه تیر بتنی را تقویت کند. برای اجرای FRP به منظور مقاوم سازی تیرهای بتنی باید الیاف را در قسمت انتهایی تیر کار گذاشت؛ زیرا به طور معمول، این قسمت از تیر بیش از بخش های دیگر با نیروهای خمشی سر و کار دارد.

اجرای FRP برای مقاوم سازی تیرهای بتنی، گذشته از تاثیر قابل توجهی که روی مقاومت خمشی آن ها دارد، آن ها را از خطر ترک خوردن نیز در امان نگه می دارد. این مزیت به دلیل بهره مندی الیاف مصرفی از مقاومت بالا در برابر عوامل خورنده (اسیدها و بازها) است. بدیهی است که در صورت اجرای FRP به شکل تخصصی می توان بهبود مقاومت تیر را در برابر نیروهای لرزه ای نیز انتظار داشت.

مقاوم سازی ستون بتنی به روش اجرای FRP چگونه است؟

ستون ها جزو مهم ترین عناصر ساختمانی به شمار رفته و نقش بسیار پررنگی در سر پا ایستادن سازه ایفا می کنند. یک ستون بتنی، نقش تکیه گاه را برای ساختمان ایفا می کند و از این رو، تامین مقاومت آن در مقابل عوامل محیطی از اهمیت ویژه ای برخوردار است. FRP به عنوان یک راهکار مناسب برای بهبود مقاومت ستون‌های بتنی است که بدون اشغال فضای اطراف ستون و افزایش ابعاد آن پس از اتمام عملیات مقاوم‌سازی، مقاومت آن را به شکل مطلوبی افزایش می‌دهد. استفاده از FRP به عنوان راهکاری مناسب جهت بهبود مقاومت ستون‌های بتنی می‌تواند بدون اشغال فضای اطراف ستون و افزایش ابعاد آن پس از اتمام عملیات مقاوم‌سازی، مقاومت آن را به شکل مطلوبی ارتقاء دهد.

به منظور تقویت میزان مقاومت ستون های بتنی با اجرای FRP باید این عناصر سازه ای را با الیاف پوشاند.به منظور جلوگیری از گسترش بارهای خارج از محور در عنصر مورد نظر، از روشی استفاده می‌شود که ستون قادر باشد علاوه بر مقاومت در برابر بارهای عمودی، در مقابل کرنش‌های عرضی نیز عملکرد مناسبی ارائه دهد. به کارگیری این روش برای افزایش مقاومت ستون‌های باریک با ابعاد کوچک بسیار عملی واقع شده و توانایی مقاومت در برابر نیروهای لرزه‌ای را بهبود می‌بخشد. مزایای اجرای FRP در مقاوم سازی ستون های بتنی دارای سطح مقطع دایره ای بسیار جالب توجه است؛ زیرا فشار حاصل از پوشیدگی توسط الیاف در ستون در این گونه ستون ها یکنواخت است.

مقاوم سازی فونداسیون بتنی به روش اجرای FRP چگونه است؟

پی یا فونداسیون یکی دیگر از بخش های مهم سازه محسوب می شود؛ چرا که عملکرد آن به طور مستقیم روی مقاومت سازه تاثیر دارد. راهکارهای گوناگونی برای افزایش مقاومت فونداسیون بتنی موجود هستند. اجرای FRP نسبت به سایر گزینه‌ها به عنوان یک راهکار کاربردی‌تر مطرح می‌شود.

این روش می تواند مقاومت کششی فونداسیون را به خوبی تقویت کند و با توجه به امکان اجرای FRP با بودجه نه چندان زیاد، گزینه ای محبوب جهت این کار به شمار می رود. تقویت مقاومت فونداسیون با کمک الیاف FRP از ایجاد گسیختگی در آن ممانعت کرده و در صورت وجود از گسترش آن جلوگیری به عمل می آورد. در این رابطه، آشکار بودن یا نبودن گسیختگی ها اهمیتی ندارد؛ چرا که در هر دو حالت، برطرف سازی خطر نشست ساختمان به دلیل وجود این گسیختگی ها امکان پذیر است. از دیگر مزایای مقاوم سازی فونداسیون به کمک اجرای FRP می توان به پایداری سازه در برابر نیروهای حاصل از زمین لرزه اشاره داشت.

مقاوم سازی دیوار برشی بتنی به روش اجرای FRP چگونه است؟

به طور کلی، یک دیوار برشی بتنی باید از لحاظ مقاومت خمشی و برشی در سطح قابل قبولی قرار داشته باشد. همچنین باید شکل پذیر باشد. تامین و تقویت مقاومت این دیوارها با اجرای FRP ممکن است و به عملکرد بهینه آن ها کمک می نماید. به منظور پیاده سازی این سیستم در عنصر مذکور باید از الیاف به شکل موازی با میلگردهای عرضی بهره گرفت. این کار باید به نحوی انجام شود که میلگردها در امتداد طولی و به شکل افقی کارگذاری شوند. استفاده از این سیستم در مقاوم سازی دیوارهای برشی باعث می‌شود تا در صورت وقوع ترک‌خوردگی، آسیب به دیوارها کاهش یابد. این به دلیل انتقال نیروهای وارد شده به ترک‌ها توسط سیستم موردنظر است.

یک روش دیگر نیز برای مقاوم سازی دیوار برشی با اجرای FRP وجود دارد که با کارگذاری الیاف به شکل موازی در کنار میلگردهای طولی عمود و در امتداد ارتفاع دیوار صورت می گیرد. استفاده از این روش در مقایسه با روش قبلی توصیه نمی‌شود؛ زیرا با این روش، نیاز به مهارت در ساخت صفحات خمشی همچنان وجود دارد: اما در کل، اجرای FRP با این روش می‌تواند ضعف دیوار برشی را در مقابل نیروهای لرزه‌ای بهبود دهد. استفاده از این روش همچنین امکان برطرف سازی ضعف دیوار برشی در مواجهه با نیروهای لرزه‌ای را فراهم کند.

‌نکات مهم در اجرایFRP که باید بدانید

اجرای FRP به شکل اصولی و استاندارد، نیازمند توجه به ضوابط و نکاتی است که در ادامه به آن ها اشاره خواهد شد:

• قبل از اقدام به نصب الیاف مورد استفاده در اجرای FRP روی سطح مورد نظر، باید از تمیز بودن آن اطمینان حاصل کرد. بدین منظور نیاز است سطح از بتن های سست و هر گونه ماده اضافی چون پلاستر، رنگ، گچ، رنگ یا روغن عاری باشد. برای دست یافتن به سطح تمیز بتن پیش از نصب بهتر است از دستگاه فرز برای ساب زدن یا سند بلاست استفاده نمود.
• برای ساب زدن سطح مذکور، لازم است این کار به گونه‌ای انجام شود که شیره بتن به‌طور کامل زدوده شده و سنگدانه‌های آن به راحتی قابل مشاهده باشند. پس از اتمام این فرآیند و در صورتی که سطح نیازمند ترمیم باشد، باید از مواد ترمیمی استفاده گردد. در ضمن، تمیز کردن سطح با استفاده از برس یا هوا با فشار، ضروری است.
• اگر از لمینت در اجرای FRP استفاده شود، ضروری است سطح نوارهای مورد نظر را با استفاده از پارچه و مواد ویژه آغشته نمایید.
• در صورتی که دمای هوا پایین است، قبل از شروع به اجرای FRP، سطح مورد نظر را به مقدار کافی گرم کنید. همچنین پس از پایان نصب، دمای رزین نباید کمتر از حداقل دمای عمل آوری (10 درجه سلسیوس) باشد.
• سطحی که الیاف قرار است روی آن نصب شوند، نباید دارای رطوبت باشد.
• اجرای تست Pull Off به منظور کنترل کیفیت اجرای FRP در کلیه پروژه ها الزامی است؛ چرا که نتیجه این تست، عملکرد صحیح FRP را تایید می کند. تست را باید بلافاصله پس از اجرا انجام داد و در صورت غیر قابل قبول بودن نتایج، نسبت به نصب مجدد سیستم و اجرای FRP به شکل اصولی اقدام نمود.

کنترل کیفی اجرای FRP به روش تست Pull Off

همان طور که در نکات بخش قبل نیز اشاره شد، کنترل کیفیت اجرای FRP موضوع مهمی است که با اجرای تست انجام می شود. موردی که در بحث مقاوم سازی با اجرای FRP اهمیت زیادی دارد، میزان چسبندگی الیاف مورد استفاده به سطح بتن است. تست Pull Off  به منظور ارزیابی چسبندگی انجام می‌شود. این نیروی عمودی حداکثر وارده بر روی سطح مورد نظر را با محاسبه  میزان چسب اپوکسی و الیاف نصب شده اندازه گیری میکنند.

در تست موردنظر، ما نیروی مسبب گسیختگی در مقاوم سازی را با این روش محاسبه کرده و آن را به عنوان ماکزیمم نیروی قابل تحمل توسط سیستم FRP در نظر می‌گیریم. نتایج این تست امکان ارائه یک روش یکنواخت برای مقاوم سازی را فراهم می‌کند که با استفاده از آن می‌توان ساختمان را بهبود بخشید و بهترین عملکرد را ایجاد کرد. تحلیل نتایج این تست امکان بهبود مهارسازی ساختمان را با اجرای یک روش یکنواخت در مقاوم سازی فراهم می‌آورد. استفاده از این روش محاسباتی به ما این امکان را می‌دهد که به عنوان مهندسان، ماکزیمم نیروی قابل تحمل توسط سیستم FRP را بهبود دهیم و به بهترین شکل ممکن از این تکنیک در مهارسازی ساختمان استفاده کنیم.

کلام پایانی

عناصر سازه ای در اثر عوامل بسیاری با آسیب و در نتیجه، ناپایداری مواجه می شوند. مقاوم سازی سازه با اجرای FRP روشی است که پایداری این عناصر را بهبود می بخشد و در نهایت، دوام و مقاومت سازه را در مقابل نیروهای ورودی ارتقا می دهد. امکان ایمن‌سازی اقسام مختلف سازه با استفاده از این روش، با کمترین زمان و بودجه ممکن را فراهم می‌کند. اجرای FRP، بدون اشغال فضا و با وزن کم، می‌تواند مقاوم‌سازی سازه را با کیفیت قابل قبول انجام دهد. این روش، مزایای قابل توجهی نسبت به روش‌های سنتی دیگر در امور مقاوم‌سازی سازه دارد. تضمین کیفیت قابل قبول و امکان اجرا در شرایط محدود، از جمله ویژگی‌های منحصر به فرد این روش است.