مقاوم سازی با FRP

قصد داریم در یک مقالع جامع به بررسی تمامی نکات مقاوم سازی با FRP و موارد استفاده از آنها بپردازیم.

مقاوم سازی با FRP باعث دوام بتن مسلح میشود

برآورد می شود که هزینه تعمیر و نگهداری سالانه زیرساخت ها در جهان بالغ بر 100 میلیارد یورو باشد.

سهم عمده ای از این هزینه صرف حل مشکلات دوام در سازه های بتن آرمه می گردد.

محیط قلیائی بتن عمدتاً تأمین کننده ایمنی برای فولاد مسلح کننده متداول در برابر محیط است.

اما وقتی که فولاد در معرض محیط خارجی قرار بگیرد و یا محیط قلیایی بتن خنثی گردد فولاد معمولی خورده شده و به پوسته پوسته شدن بتن پوشش منجر می گردد (Spalling).

آئین نامه های طراحی، پوشش بتنی زیادی را به همراه برخی اقدامات دیگر برای کنترل عرض ترک و کاهش نفوذپذیری بتن تجویز می نمایند همچنین خواص قلیائی سیمان به صورت تعمدانه ای در سال های اخیر افزایش یافته است.

بااین حال حمله محیط غیرقابل اجتناب بوده و دیر یا زود خواص قلیائی پوشش بتن کاهش خواهد یافت و به خوردگی و پوسته پوسته شدن بتن خواهد انجامید.

کاهش ریسک خورندگی در مقاوم سازی با FRP

راه حل های زیادی برای کاهش ریسک خوردگی در محیط های شدیداً خورنده ارائه شده است که شامل پوشش محافظ رویه بتن برای توقف ورود CO 2 و مواد شیمیائی محلول در آب، اضافه کردن افزودنی های ضدزنگ به بتن در مرحله بتن خیس و پوشش اپوکسی فولاد و گالوانیزه کردن فولاد مسلح کننده است.

راه حل نوآورانه دیگری که در سال های اخیر مورد استفاده قرارگرفته است روش حفاظت کاتدی است که در آن از یک جریان الکتریکی یا یک آند قربانی شونده برای محافظت فولادهای اصلی استفاده می گردد.

این روش چنانچه برای فولادهای مسلح کننده ضدزنگ Stainless Steel مورداستفاده قرار گیرد بهترین راه حل را ارائه می نماید ولی بااین حال در بیشتر موارد شکست خورده و یا بسیار هزینه بر خواهد بود.

در دهه 1980، GFRP به عنوان یک گزینه مناسب برای حل مشکل عدم سازگاری ضریب انبساط حرارتی ماتریس پلیمر و فولاد مورد اقبال قرار گرفت.

میلگردهای FRP در دهه 1990 به عنوان راه حلی دیگر برای مشکل خوردگی به بازار عرضه شد علیرغم اینکه قابلیت چنین کامپوزیت هایی برای مقاومت در برابر محیط های قلیائی بتن برآورد نشده است.

بااین حال، در حال حاضر میلگردهای FRP بادوام که برای مقاومت در برابر محیط قلیائی بتن طراحی شده اند، در بازار موجود هستند.

استفاده از FRP در بتن برای مقاصد ضد خوردگی انتظار می رود در سازه های در مجاورت یا درون محیط های دریایی، درون یا مجاورت زمین، کارخانه های شیمیائی و صنعتی، در محل هایی که بتن باکیفیت قابل حصول نباشد و نیز در المان های سازه ای نازک کاربرد داشته باشد.

خنثی بودن در برابر الکترومغناطیس

فولاد مسلح کننده می تواند در میدان های مغناطیسی دخالت کند و بنابراین در کاربردهائی که خنثی بودن در برابر الکترومغناطیس لازم است، مانند پایه موتورهای بزرگ، تجهیزات اسکن الکترومغناطیس و سیستم شناوری راه آهن مغناطیسی، مورد نیاز است.

بسیاری از بخش های سازه ای سیستم راه آهن مغناطیسی ژاپن به دلیل حساسیت بالا و لزوم دقت در شناور بودن قطار از میلگردهای FRP در بتن استفاده شده است.

مزاحمت الکترومغناطیس به تدریج به یک مشکل آزار دهنده به ویژه در صنعت ارتباطات موبایل و صنایع دفاعی تبدیل شده است که با مقاوم سازی با FRP این مشکل در پروژه های حساس کاملا حل شده است.

کاربردهای FRP در این حوزه ها در حال افزایش است، برای مثال خنثی بودن میلگرد های FRP در برابر الکترومغناطیس، آن ها را به یک گزینه ایده آل در ساختمان های بیمارستانی، که در آن تجهیزات MRI یا (Magnetic Resonance Imaging) مورد استفاده قرار می گیرد، تبدیل کرده است.

در سال 2011 در میامی فلوریدا، 2.4 مایل (3.9 کیلومتر) از میلگرد GFRP در پایه های ریلی (شکل 2) برای AirportLink مورد استفاده قرار گرفت، که ایستگاه فعلی Earlington Heights را به مرکز جدید Intermodal میامی (MIC) متصل می کند.

میلگردهای شیشه ای FRP به علت فراهم آوردن ایزولاسیون الکتریکی در بستر ریلی در این پروژه انتخاب شدند.

MIC که توسط وزارت حمل و نقل فلوریدا طراحی شده است، به عنوان انتقال دهنده افراد به فرودگاه بین المللی میامی عمل می کند و از حالت های مختلف انتقال مانند Metrorail، Metrobus، Tri-Rail، Amtrak، اتوبوس های بین شهری، اتوبوس های تور، کابین های تاکسی، اتومبیل های کرایه ای، و اتصال حرکت دهنده خودکار افراد (APM) پشتیبانی می کند.

مقاومت بالا و وزن پائین نکته مثبت مقاوم سازی با FRP

مقاومت بالای میلگردهای FRP می تواند منجر به کاهش تجمع آرماتورها در برخی کاربردها شود.

از آنجائی که مقاومت در کرنش های بالا اتفاق می افتد تبعات دیگری نیز دارد.

بنابراین انتظار می رود که مقاومت بالای FRP مزیت خیلی مهمی در بسیاری از کاربردهای FRP باشد.

با این حال، در مقاوم سازی با FRP اگر FRP پیش تنیده شود، نه تنها در مقاومت بالا به کار می رود بلکه مدول الاستیسیته کم به افت تنش پائین تر در بلند مدت منجر خواهد شد.

اما از مشکل خوردگی تنشی در FRP به ویژه در GFRP نبایستی ساده گذر کرد، این بدان معناست که Aramid FRP و نیز Carbon FRP احتمالا بیشترین استفاده را در چنین کاربردهائی را خواهد داشت.

برخی از اولین کاربردهای FRP پیش تنیده در ژاپن بوده است.

اولین کاربرد رشته های کابل CFRP به عنوان مصالح کششی در 1988 برای ساخت یک پل بتنی پیش تنیده بر روی یک بزرگراه بوده است.

تاندون های پیش تنیدگی Aramid FRP در عرشه یک پل عابر در نزدیکی توکیو 1991 مورد استفاده قرار گرفت.

وزن مطلوب FRP می تواند مزیتی عملی برای ساخت و ساز محسوب شود، ولی انتظار نمی رود که انگیزه کافی را برای کاربرد آن به عنوان مصالح تسلیح کننده بتن ایجاد نماید.

معمولا وزن بتن زیاد است و بنابراین کاهش وزن آرماتور نمی تواند چندان مهم باشد.

با این حال در برخی شرایط خاص مانند فضاهای غیر قابل دسترس یا محصور و یا جاهائی که امکان حضور چندین کارگر در کنار هم سخت باشد، استفاده از آرماتور سبک می تواند ساخت را تسریع بخشد.

وزن کم FRP در مواردی که آرماتورهای چسبیده خارجی Externally Bonded Reinforcement برای مقاصد تعمیربه کار می رود می تواند یک مزیت واقعی باشد.

برش پذیری بالا در کاربردهای موقت

پس از مقاوم سازی با FRP برش پذیری بالای آرماتورهای FRP به ویژه الیاف شیشه GFRP، آن ها را در مواردی مانند دیوارهای دیافراگمی که به عنوان سازه بتن مسلح موقت مورد استفاده قرار می گیرند و بعدا بخشی از آن توسط ماشین TBM تخریب می شود؛ تبدیل به یک گزینه ایده آل می نماید.

دیوارهای دیافراگمی معمولی RC با قفس فولادی که در مقاطع مختلف جدا شده اند مسلح می شوند و سپس با یکدیگر تجمیع شده و تا انتهای گودهای حفاری پائین برده می شوند.

قفس های فولادی به TBM اجازه استفاده نمی دهند چرا که برش آن ها به آسیب جدی به ابزارهای برش TBM منجر می شود.

یک راه حل این مشکل استفاده از نقطه نرم Soft-Eye در ناحیه ای است که باید حفاری گردد.

نقطه نرم شامل قفس مسلح کننده با استفاده از میلگردها و خاموت های ساخته شده از پلیمر تقویت شده با الیاف شیشه ای GFRP است که، به لطف مقاومت برش پائین آن ها، به راحتی می توانند با استفاده از دستگاه TBM بریده شوند.

علاوه بر این وزن پائین قفس GFRP، سرهم نمودن و کار با آن را در محل اجرا راحت می کند.

استفاده از نقطه نرم، زمان مورد نیاز برای ساختن و مسلح نمودن دیوار دیافراگمی را کاهش داده و نیز حفاری شافت و ایستگاه ها را در مسیر TBM راحت تر می کند.

شکل 3 نمونه ای از نقطه نرم Soft-Eye را نشان داده است.