مواد کامپوزیت (FRP)

سیستم‌های FRPبه صورت پوشش‌های بیرونی و به منظور افزایش مقاومت و بهسازی سازه‌های بتنی موجود از اواسط دهه 1980 تاکنون در سرتاسر دنیا مورد استفاده قرار می گیرد. تعداد پروژه‌هایی که در ارتباط با سیستم FRPدر سطح جهان مورد استفاده قرار گرفته، به طور چشمگیری افزایش یافته است، به طوری که طی 10 سال گذشته از تعداد اندک به چندین هزار پروژه در حال حاضر رسیده است. اعضای سازه‌های تقویت شده با سیستم FRPبه صورت پوشش بیرونی عبارتند از: تیرها، دال‌ها، ستون ها،‌‌ دیوارها، اتصالات، دودکش ها، طاق‌های گنبدی شکل، تونل ها، سیلوها، لوله ها و خرپاها. پوشش‌های FRPهمچنین به منظور مقاوم سازی سازه‌های بنایی ، چوبی ، فولادی و چدنی نیز به کار می روند. پوشش‌های FRPبه عنوان جایگزینی به جای روش‌های دیگر ، مانند استفاده از صفحات فولادی، غلاف‌های دور ستون‌های بتنی یا فلزی، بوجود آمده‌اند. روکش‌های پلیمری FRPبه منظور بهسازی سازه‌های بتنی اولین بار در دهه 1980 در اروپا و ژاپن توسعه یافت. در اروپا صفحات فولادی به عنوان جایگزین صفحات فولادی مورد استفاده قرار گرفت. اتصال ورق‌های فولادی به قسمت کششی اعضای بتنی توسط رزین‌های اپوکسی به منظور افزایش مقاومت خمشی به عنوان روش مطرح و بادوام مرسوم می باشد. این روش برای مقاوم سازی تعداد زیادی از پل‌ها و ساختمان‌ها در جهان مورد استفاده قرار گرفته است. از آنجایی که صفحات فولادی دچار خوردگی می شوند و فرسودگی آنها باعث تخریب اتصال صفحه فولادی با بتن می شود و از طرف دیگر نصب آنها مشکل و با ماشین آلات نسبتاً سنگین انجام می گیرد، محققان به دنبال جایگزینی مواد FRPبه جای فولاد شدند.
توسعه آیین نامه‌ها و استانداردها برای سیستم‌های FRPبه عنوان پوشش‌های مقاوم کننده ، در اروپا، ژاپن، کانادا و ایالات متحده ادامه دارد. طی 10 سال گذشته ، انجمن مهندسین عمران ژاپن (JSCE)، موسسه بتن ژاپن (JCI) و موسسات تحقیقات فنی راه آهن (RTRI) مدارک زیادی مربوط به استفاده از مصالح FRPدر سازه‌های بتنی منتشر کرده اند. فدراسیون بین المللی سازه‌های بتنی (FIB) اخیرا اقدام به چاپ نشریه دستورالعمل طراحی روکش‌های تقویت کننده FRPبرای سازه‌های بتن آرمه نموده است (fib 2001).
اداره استاندارد کشور کانادا ISIS، در توسعه و تدوین دستورالعمل برای سیستم‌های FRPفعال می‌باشد. در ایالات متحده راهنمای ACI 440.2R به عنوان راهنمای طراحی و اجرای تقویت ساختمان‌های بتنی با سیستم FRPمنتشر شده است.
بطورکلیمقاوم‌سازیسازه‌هایبتنیموجودیامرمتآن‌هابهمنظورتحملبارهایمضاعفطراحی،بهبودنارسایی‌هایناشیاز فرسایش،افزایششکل‌پذیریسازهیاسایرمواردبااستفادهازمصالحمناسبوشیوه‌هایاجراییصحیحبطورمتعارفانجام می‌گردد.استفادهازصفحاتفولادیبهصورتپوششخارجی،غلاف‌هایبتنییافولادیوپس‌کشیدگیخارجی،تعدادیاز روش‌هایمتعارفموجودمی‌باشند.
استفاده از مواد مرکب ساخته شده از الیاف در محیط رزین پلیمری به عنوان پلیمرهای مسلح شده با الیاف (Polymers (FRPFiber Reinforced، به عنوان یک ضرورت در جایگزینی مصالح سنتی و شیوه‌های موجود معرفی شده است. سیستم FRPبـدین صورت تعریف می‌شود که الیاف و رزین‌ها برای ساخت چند لایه مرکب مورد استفاده قرار می‌گیرند، به نحوی‌که رزین‌هـای مـصرفی به منظور چسباندن چند لایه مرکب به سطح بتن زیرین و پوشش‌ها به منظور محافظت مصالح ترکیب شده استفاده می‌شـوند. پوشـش‌های معمول که به منظور زیبایی ظاهری مورد استفاده قرار می‌گیرند به عنوان قسمتی از سیستم FRPدر نظر گرفته نمی‌شوند.
مصالح FRP، سبک، مقاوم در برابر خوردگی و دارای مقاومت کششی بالا می‌باشند. ایـن مـصالح بـه شـکل‌هـای مختلـف و در‌گستره‌ای از انواع ورقه‌های چند لایه کارخانه‌ای گرفته تا ورقه‌های خشک قابل پیچش روی اشکال مختلف سازه‌ای قبـل از اضـافه کردن رزین، قابل دسترس می‌باشند. در اغلب موارد سیستم‌های FRPکه به صورت پروفیل‌های نسبتاً نازک عمل‌آوری شـده، در اجرا مطلوب می‌باشند. به خصوص در مواقعی که ظاهر کار تمام شده یا امکان دسترسی مدنظر باشد.

کاربرد و شرایط استفاده

سیستم‌های FRPمی‌توانند به منظور بازسازی یا حفظ استحکام یک عضو سازه‌ای فرسوده، مرمت یا مقاوم‌سازی عـضو سـازه‌ای سالم به ‌منظور تحمل بارهای افزایش یافته به سبب تغییر در کاربری سازه و یا جبران خطاهای طراحـی و اجـرا به کـار رونـد. مهنـدس مشاور قبل از انتخاب نوع سیستم FRPباید ارزیابی نماید که آیا یک سیستم FRPروش مناسبی برای مقاوم سازی مسئله مورد نظر می‌باشد یا خیر؟
برای استفاده از سیستم FRPدر پروژه‌های خاص، لازم است وضعیت موجود سازه از قبیل ظرفیت باربری، شناسـایی نقـایص و عوامل آن و شرایط سطوح بتن ارزیابی شود. ارزیابی کمی می‌تواند شامل بازرسی دقیق میـدانی و اخـذ اطلاعـات لازم، مـروری بـر  مدارک طراحی موجود سازه اجرا شده (چون ساخت) و تحلیل سازه باشد. مدارک و نقشه‌های موجود بـرای سـازه شـامل مشخـصات پروژه، نقشه‌های طراحی اولیه، نقشه‌های چون ساخت، گزارش آزمایش‌های میدانی، مدارک مربوط به تعمیرات و مرمـت‌هـای حـین بهره‌برداری و مدارک مربوط به تاریخچه نگهداری باید به خوبی مطالعه شود. مهندس مشاور باید بررسی‌ها و برداشت‌های لازم سازه موجود را مطابق دستورالعمل‌های موجود یا سایر مدارک معتبر و مستند هدایت کند. مقاومت کششی بتن در سطح عـضو مـورد نظـر جایی که سیستم FRPروی آن نصب می‌شود، باید با آزمایش کشش سطحی کنترل شود. بررسی‌های میدانی دست کم باید شامل موارد زیر باشد:
·   ابعاد موجود اعضای سازه‌ای
·   موقعیت، اندازه و عامل ایجاد ترک و خرد‌شدگی
·   موقعیت و میزان خوردگی میلگردهای فولادی
·     نوع، مقدار و موقعیت آرماتورهای موجود
·     مقاومت فشاری درجای بتن
·     سلامت بتن، به خصوص بتن پوششی، در سطوحی که سیستم FRPبه بتن چسبانیده می‌شود.
لازم است مهندس مشاور مطالعه‌ای در زمینه ادبیات فنی سیستم موجود نموده و مصالح مختلف موجود FRPرا بررسی نماید تـا از انتخاب نوع FRPو پوشش‌های محافظت کننده به ‌منظور کاربری مناسب اطمینان حاصل شود.
 

 
تاریخچه
سیستم‌های FRPبه‌صورت پوشش‌های بیرونی و به‌ منظور افزایش مقاومت و بهسازی سازه‌هـای بتنـی موجـود از اواسـط دهـه 1980 تاکنون در سراسر دنیا مورد استفاده قرار می‌گیرد. تعداد پروژه‌هایی که در ارتباط با سیستم‌هـای FRPدر سـطح جهـان مـورد استفاده قرار گرفته، بطور چشمگیری افزایش یافته است، به ‌طوری که طی 10 سال گذشته از تعداد اندک به چندین هزار پروژه در حال حاضر رسیده است. اعضای سازه‌های تقویت شده با سیستم‌های FRPبه‌ صـورت پوشـش‌هـای بیرونـی عبارتنـد از: تیرهـا، دال‌هـا، ستون‌ها، دیوارها، اتصالات، دودکش‌ها، طاق‌های گنبدی شکل، تونل‌ها، سـیلوها، لولـه‌هـا و خرپاهـا. پوشـش‌هـای FRPهمچنـین ‌به ‌منظور مقاوم‌سازی سازه‌های بنایی، چوبی، فولادی و چدنی نیز بکار می‌روند. پوشش‌های FRPبه عنوان جـایگزینی به جـای روش‌های دیگر، مانند استفاده از صفحات فولادی، غلاف‌های دور ستون‌های بتنی یا فلزی، بوجود آمده‌انـد. روکـش‌هـای پلیمـری FRPبه منظور بهسازی سازه‌های بتنی اولین بار در دهه 1980 در اروپا و ژاپن توسعه یافت. در اروپا سیستم‌های FRPبه عنـوان جـایگزین صفحات فولادی مورد استفاده قرار گرفت. اتصال ورقه‌های فولادی به قسمت کشـشی اعـضای بتنـی توسـط رزیـن‌هـای اپوکـسی به منظور افزایش مقاومت خمشی این اعضاء به عنوان روش مطرح و بادوام مرسوم می‌باشد. این روش برای مقاوم‌سازی تعداد زیادی از پل‌ها و ساختمان‌ها در جهان مورد استفاده قرار گرفته است. از آن‌جایی‌که صفحات فولادی دچار خوردگی می‌شوند و فرسودگی آنها باعث تخریب اتصال صفحه فولادی با بتن می‌شود و از طرف دیگر نصب آن‌ها مشکل و با ماشین آلات نسبتاً سنگین انجام می‌گیرد، محققان به دنبال جایگزینی مواد FRPبجای فولاد شدند. توسعه آیین نامه‌ها و استانداردها برای سیستم‌های FRPبه عنوان پوشش‌های مقاوم کننده، در اروپـا، ژاپـن، کانـادا و ایـالات  متحده ادامه دارد. طی 10 سال گذشته، انجمن مهندسین عمران ژاپن (JSCE) ، موسسه بتن ژاپن (JCI) و مؤسسه تحقیقات فنـی راه آهن (RTRI) مدارک زیادی مربوط به استفاده از مصالح FRPدر سازه‌هـای بتنـی منتـشر کـرده‌انـد. فدراسـیون بـین المللـی سازه‌های بتنی (FIB) اخیراً اقدام به چاپ نشریه دستورالعمل طراحی روکش‌های تقویت کننده FRPبرای سـازه‌هـای بـتن آرمـه نموده است (fib 2001). اداره استاندارد کشور کانادا، ISIS، در توسعه و تدوین دستورالعمل برای سیستم‌های FRPفعال می‌باشد.
در ایالات متحده راهنمای ACI 440.2Rبه عنوان راهنمای طراحی و اجرای تقویت ساختمان‌های بتنـی بـا سیـستم‌هـایFRPمنتشر شده است.
 

گستره

ضوابط این فصل مربوط به اصول کلی هستند که باید در طراحی برای بهسازی لرزه‌ای با استفاده از مصالح FRPرعایت شوند. پایه مطالب ارائه شده بر اساس اصول طراحی سازه‌های بتن آرمه متعارف و دانش ویژه مربوط به رفتار مکانیکی مصالح FRPتقویت کننده است. سیستم‌های مقاوم‌سازی FRPباید بر اساس تحمل بارهای کششی طراحی شوند، در عین حال باید سازگاری کرنشی را با بتن سطح زیرین خود داشته باشند. در تقویت کننده‌های FRPنباید به مقاومت در برابر بارهای فشاری آن‌ها تکیه کرد. با این وجود می‌توان تحمل آن‌ها را در مقابل فشار ناشی از اعمال لنگرهای خمشی متناوب یا تغییر در نحوه بارگذاری قابل بررسی دانست. اما در هر حال از مقاومت فشاری اجرای تقویت کننده FRPصرف نظر می‌شود.
 

 

 

اصول طراحی

توصیه‌های طراحی براساس اصول حالت طراحی حدی پایه‌گذاری شده است. این روش بر مبنای دو سطح ایمنی حالت حدی بهره‌برداری ( تغییر شکل زیاد ، ترک خوردگی ) و حالت حدی نهایی ( شکست، گسیختگی، خستگی ) می‌باشد. در تعیین مقاومت اسمی عضو، حالت‌های شکست ممکن و تنش‌ها و تغییر شکل‌های حاصله در هر یک از مصالح در نظر گرفته می‌شود. برای ارزیابی قابلیت خدمت رسانی عضو ، اصول مهندسی مانند نسبت‌های مدولی و سطح مقطع‌های تغییر شکل داده شده (معادل) ، استفاده می‌شود.
ساختمان‌های بتنی مقاوم سازی یا بهسازی شده با مصالح FRPباید براساس توصیه‌های ارائه شده برای مقاومت و قابلیت خدمت رسانی طراحی شوند و از ضرائب بار ارائه شده در آیین نامه بتن ایران " اّبا " و این دستورالعمل استفاده گردد، ضمن آن که ضرایب لازم برای کاهش مقاومت مصالح نیز ارائه شده است. به دلیل شناخت کمتر از مشارکت مصالح تقویتی FRPدر مقایسه با بتن آرمه و بتن پیش تنیده ، ضرایب کاهشی اضافی برای این مصالح ارائه می گردد. در صورتی که مهندس مشاور با شرایط دیگری علاوه بر شرایط ذکر شده در این راهنما مواجه شده و یا به خصوصیات مصالح FRPموجود اعتماد کافی نداشته باشد، می‌توان محافظه کاری بیشتری در تعیین ضرایب کاهشی مقاومت اعمال شود.
برای سیستم‌های FRPکه به منظور بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها طراحی می شوند، توصیه می‌گردد از اصول طراحی براساس ظرفیت استفاده شود. در این روش فرض می شود که سازه باید به ظرفیت کامل خود برسد و لازم است که اعضاء قادر به تحمل و مقاومت در برابر برش اعمالی باشند. طراحی سیستم‌های FRPبخصوص در مواقعی که برای ستون‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند ، باید به گونه‌ای باشد که اعضاء دارای مقاومت لرزه‌ای از طریق اتلاف انرژی وارده بوده و ظرفیت تغییر شکل آنها بر اساس آیین نامه‌هایی با فرض سطوح برش پایه محاسبه شود. برای کسب اطلاعات بیشتر می‌توان به مراجع معتبر رجوع نمود.

محدودیت‌های مقاوم سازی

لازم است ملاحظات دقیقی برای تعیین محدودیت‌های مقاوم سازی اختصاص داده شود . این محدودیت‌ها به دلیل تضمین عدم فرو ریختن سازه و وقوع دیگر گسیختگی‌های سیستم FRPکه ناشی از آتش‌سوزی، خرابکاری یا دیگر دلایل است، می باشد. برای این منظور بعضی از طراحان و سازندگان سیستم، توصیه کرده‌اند که باید اعضای سازه‌ای مقاوم سازی نشده ، بدون نصب تقویت کننده‌های FRP، ظرفیت تحمل کافی برای مقاومت در برابر مقدار مشخصی از بار را داشته باشند. براساس این ایده در حوادثی که منجر به خرابی در سیستم FRPمی‌گردد، سازه هنوز قادر به مقاومت مناسبی در برابر بارها بدون اینکه دچار ریزش شود، باشد.

 

تحمل سازه در برابر آتش

میزان مقاوم سازی به وسیله سیستم‌های FRPکه به صورت پوشش بیرونی صورت می گیرد، اغلب توسط آیین نامه‌های مربوط به آتش‌سوزی محدود می‌شود. رزین‌های پلیمری استفاده شده در سیستم‌های چسباندن تر و پیش آغشته شده و همچنین چسب‌های پلیمری استفاده شده در سیستم‌های FRPپیش عمل آوری شده و پیش ساخته، یکپارچگی و استحکام سازه‌ای خود را در درجه حرارت‌های بیشتر از دمای گذار شیشه‌ای، ..... بسته به ترکیب شیمیایی پلیمر، برای رزین‌ها و چسب‌های رایج استفاده شده، در محدوده بین 60 تا 80 درجه سلسیوس تغییر می‌نماید. به واسطه گرمای ناشی از آتش‌سوزی و تحمل و مقاومت کم سیستم‌های FRPنسبت به افزایش درجه حرارت، این سیستم‌ها پایایی کافی در برابر آتش‌سوزی برای مدت زمان قابل توجهی نخواهند داشت. افزایش ظرفیت تحمل سیستم‌های FRPدر برابر آتش‌ به وسیله عایق‌بندی، اغلب آسان نخواهد بود.
هرچند سیستم‌های FRPبه تنهایی پایایی کمی در برابر آتش‌سوزی دارند، اما با ترکیب مناسب این سیستم‌ها و سازه بتنی موجود می توان دوام قابل توجهی در کل سازه در برابر آتش‌سوزی به وجود آورد. می‌توان شرایطی در طراحی به وجود آورد که مقاومت اصلی در برابر آتش‌سوزی به تنهایی توسط سازه بتنی موجود صورت گیرد. برای بررسی تحمل سازه‌های بتنی تقویت شده با مصالح FRPدر برابر آتش، مهم است تشخیص داده شود مقاومت سازه بتن آرمه تا چه حد هنگام قرارگیری در معرض حرارت‌های زیاد ناشی از حوادث آتش‌سوزی به دلیل کاهش مقاومت تسلیم فولاد و مقاومت فشاری بتن، کاهش یافته و دچار نقص می‌گردد.
با تعمیم مفهوم پایه‌گذاری شده در ACI 216Rبرای اعضای بتن آرمه تقویت شده با FRPمعلوم می شود که محدودیت‌ها در مقاوم سازی به جهت اطمینان از عدم ریختن سازه تقویت شده در آتش‌سوزی‌ها می‌باشد. با توجه به این که مقاومت فولاد و بتن در اثر آتش‌سوزی کاهش می‌یابد، می‌توان برای محاسبه مقاومت کل عضو از مقاومت FRPصرف نظر نمود. در نهایت جهت بررسی عدم گسیختگی سازه تحت بارهای بهره‌برداری و درجه حرارت‌های زیاد، می‌توان مقاومت مورد نظر را با مقاومت تخمین زده شده مقایسه کرد. محدودیت اعمال شده برای عدم گسیختگی عضو سازه در اثر آتش‌سوزی توسط رابطه (1) کنترل می‌شود. تلاش ناشی از بارهای زنده و مرده به ترتیب ...... و .... ، باید با استفاده از حداکثر بارهای اعمالی بر سازه و با کمک روابط تحلیل سازه‌ها محاسبه شوند. اگر وجود سیستم FRPاجازه دهد که ظرفیت تحمل بار بیشتر شود، مانند افزایش در بار زنده، آثار بار باید براساس بارهای اضافه شده محاسبه شوند.(1)
مقاومت اسمی عضو در دمای Ө ، ...... ، می‌تواند با استفاده از راهنمایی‌های ارائه شده در ACI 216Rتعیین گردد. این مقاومت باید براساس دوره زمانی مورد نیاز برای مقاومت سازه در برابر آتش محاسبه شود، برای مثال، مقاومت دو ساعته ، و در این حالت از مقاومت FRPصرف نظر می‌شود. بعلاوه اگر سیستم FRPباعث کاهش مقاومت گردد، مانند حالتی که خوردگی و فرسودگی در بتن را به همراه داشته باشد، باید این کاهش در مقاومت لحاظ شود.
پایایی مصالح FRPدر برابر آتش با استفاده از رزین‌های خاص پیشرفته یا روش‌هایی که باعث محافظت در برابر آتش می‌شوند، قابل افزایش است. به منظور ارزیابی توانایی افزایش پایایی در برابر آتش باید میزان مقاومت سیستم FRPدر برابر آتش براساس مقدار زمان مورد نیاز اندازه‌گیری شده برای رسیدن رزین‌های پلیمری یا چسب‌های سیستم FRPبه دمای گذار شیشه‌ای ، ... ، تعیین گردد. در استاندارد ASTM E119راهنمایی لازم برای ایجاد شرایط آزمایشگاهی انواع حریق‌ها (شامل درجه حرارت و زمان آنها) ، ارائه شده است.

 

مقاومت کلی سازه

با توجه به آن که سیستم‌های FRPبه منظور افزایش استحکام اعضاء در خمش و برش مؤثر می‌باشند و پیش‌تنیدگی مضاعفی را فراهم می نماید، ممکن است دیگر حالت‌های گسیختگی مانند برش سوراخ شدگی و ظرفیت باربری پی‌ها تحت تأثیر سیستم FRPقرار نگیرد ، بنابراین باید مطمئن شد تا تمامی اعضای سازه قادر به تحمل بارهای افزایش یافته وارد بر اعضای تقویت شده هستند. همچنین باید تحلیل لازم از نظر بررسی بالاتر بودن احتمال وقوع گسیختگی خمشی نسبت به گسیختگی برشی برای اعضای مقاوم سازی شده با سیستم FRPصورت گیرد.

کاربری‌های لرزه‌ای

سهم عمده مقاوم سازی و بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها مربوط به تقویت ستون‌ها می باشد. سیستم‌های FRPبا دورپیچ کردن ستون‌ها ، باعث بهبود ظرفیت فشاری بتن ، کاهش طول وصله و افزایش مقاومت برشی می‌گردند. هنگامی که تیرها یا کف‌ها در قاب‌های ساختمانی در نواحی زلزله‌خیز تقویت می‌شوند، باید مقاومت و سختی تیر، کف و ستون به طور جداگانه جهت اطمینان از اینکه مفصل پلاستیک نزدیک ستون و اتصال صورت نگیرد، کنترل شود.

دوام

سیستم FRPباید قادر به تحمل آزمایش‌های دوام سازگار با شرایط محیطی باشد. آزمایش‌های دوام ممکن است شامل دوره‌های گرم و سرد شدن، غوطه‌وری در محیط قلیایی، دوره‌های یخ زدن و آب شدن و قرار گرفتن در معرض اشعه فرابنفش باشد.
هر سیستم FRPکه بطور کامل روکش شده یا با پوشش بتنی پوشیده شود، باید از لحاظ تأثیرات یخ زدن و آب شدن، خوردگی فولاد، واکنش‌های قلیایی و سیلیکاتی سنگدانه‌ها، محبوس شدگی در آب، فشار ناشی از بخار و سرایت بخار مرطوب، مورد بررسی قرار گیرد. بیشتر سیستم‌های FRPباعث ایجاد یک لایه غیرقابل نفوذ نسبت به رطوبت بر سطح بتن می‌شوند. در جاهایی که در معرض انتقال بخار آب قرار دارند، باید وسایل کافی برای پاک کردن رطوبت از سطح بتن فراهم گردد.

ملاحضات بارگذاری

شرایط بارگذاری بر سیستم‌های FRPبا الیاف مختلف تأثیر می‌گذارند. لازم است سیستم FRPبر پایه دانش مربوط به رفتار سیستم تحت شرایط مورد نظر انتخاب شود. بعضی از ملاحظات بارگذاری‌های مهم که مربوط به رفتار سیستم است، در زیر آورده شده‌اند. اطلاعات ویژه مصالح FRPدر این زمینه باید از سازندگان آن دریافت شود.
•تحمل ضربه:سیستم‌های با الیاف شیشه و الیاف آرامید تحمل بهتری در ضربه نسبت به سیستم‌های با الیاف کربن از خود نشان می‌دهند.
•گسیختگی ناشی از خزش و خستگی:سیستم‌های با الیاف کربن مقاومت زیادی در برابر گسیختگی خزشی تحت بارهای مداوم و پیوسته و همچنین گسیختگی ناشی از خستگی تحت بارهای نوسانی از خود نشان می‌دهند. سیستم‌های با الیاف شیشه نسبت به هر دو شرایط بارگذاری، حساس‌تر می‌باشند.

 

ملاحظات مربوط به انتخاب پوشش محافظ

برای محافظت سیستم‌های FRPدر برابر شرایط مهاجم محیطی می‌توان از پوشش‌های محافظ استفاده کرد. ضخامت و نوع پوشش باید براساس ضرورت‌های ترمیم کامپوزیت، مقاومت در برابر عوامل محیطی (مانند رطوبت، آب شور، درجه حرارت‌های بالا،آتش، ضربه و قرار گرفتن در معرض اشعه فرابنفش) محافظت در برابر شرایط ویژه کارگاهی و محافظت در برابر خراب‌کاری باشد. پوشش‌ها به منظور جلوگیری از کاهش خصوصیات مکانیکی FRPمورد استفاده قرار می‌گیرند. پوشش‌ها باید به طور متناوب بازرسی شده و نگهداری شوند، تا از عملکرد صحیح آن‌ها اطمینان حاصل شود. پوشش‌های خارجی با روکش‌های ضخیم از رزین روی الیاف می‌تواند آن‌ها را از صدمات ناشی از ضربه یا ساییدگی و خراش حفظ کند. در نواحی که احتمال وقوع ضربه‌های شدید وجود داشته و یا در تماس مداوم ناشی از رفت و آمد است، استفاده از لایه محافظ دیگر ضرورت می‌یابد. پوشش‌های سیمانی و پوشش‌های پلیمری اغلب جهت حفاظت در جاهایی که ضربه و یا خراش و ساییدگی به مقدار کمی پیش‌بینی می‌شود، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

خصوصیات مصالح طراحی

خصوصیات مصالحی که بوسیله سازندگان آنها ارائه می‌شود، مانند مقاومت کششی نهایی، عموماً به صورت خصوصیات اولیه بوده و اثر قرار‌گیری در معرض شرایط محیطی طی زمان‌های طولانی بر روی این خصوصیات در نظر گرفته نمی‌شود، مگر آن که قید شده باشد. مقاومت کششی نهایی طراحی با تعیین ضریب کاهش وابسته به شرایط، از جدول (1) به دست می آید. ضرایب کاهشی عوامل محیطی داده شده در جدول (1) بطور محافظه‌کارانه‌ای براساس دوام نسبی هر یک از انواع الیاف، ارائه شده است. داده‌های مربوط به آزمایش دوام سیستم‌های FRPدر دو حالت همراه و بدون پوشش محافظ، می‌تواند از سازنده آن‌ها اخذ گردد.

شرایط محیطی *	نوع الیاف و رزین	ضریب کاهش محیطی
شرایط محیطی ملایم	کربن - اپوکسی	95/0
	شیشه - اپوکسی	75/0
	آرامید - اپوکسی	85/0
شرایط محیطی متوسط و شدید	کربن - اپوکسی	85/0
	شیشه - اپوکسی	65/0
	آرامید - اپوکسی	75/0
شرایط محیطی بسیار شدید و فوق العاده شدید	کربن - اپوکسی	85/0
	شیشه - اپوکسی	5/0
	آرامید - اپوکسی	7/0

*شرایط محیطی مطابق تعریف آیین نامه بتن ایران " اّبا " می‌باشد.
جدول شماره 1- ضرایب کاهش محیطی برای مصالحFRP
همانطور که درجدول (16) ملاحظه می‌شود، وقتی سیستم FRPدر یک مکان تقریباً کنترل شده و آزمایشگاهی قرار گیرد، ضریب کاهش اعمال شده به مقدار یک نزدیک خواهد بود. اگر FRPدر یک محیط به شدت مهاجم قرار گیرد، مثلاً جایی که به مدت طولانی در معرض رطوبت زیاد، آب شور یا مواد قلیایی باشد، ضریب کاهش پایین‌تری باید مورد استفاده قرار گیرد. در صورت تأیید شدن اثر پوشش محافظ به وسیله آزمایش در حفظ خصوصیات سیستم FRP، می‌توان ضریب کاهش را بسته به نوع پوشش اصلاح نمود.

 

مواد تشکیل دهنده

مواد تشکیل دهنده سیستم‌های FRPمورد استفاده برای مقاوم سازی سازه‌های بتنـی عبارتنـد از رزیـن‌هـا، انـدودها، خمیرهـا ، بتونه‌ها، چسب‌ها و الیاف.

رزین‌ها

طیف گسترده‌ای از رزین‌های پلیمری شامل اندودها، خمیرها، پرکننده‌ها، بتونـه‌هـا و چـسب‌هـا در سیـستم‌هـای FRPاسـتفاده می‌شوند. از جمله متداول‌ترین رزین‌ها می توان به اپوکسی‌ها، وینیل استرها و پلی استرها اشاره کرد که در گستره وسـیعی از شـرایط محیطی به کار می‌روند. در تولید رزین خواص زیر مورد توجه قرار می‌گیرد:
۱- سازگاری و چسبندگی به سطح بتنی
۲- سازگاری و چسبندگی با سیستم FRP
۳- مقاومت در برابر عوامل محیطی نظیر رطوبت، شوری آب، دمای بالا و محیط‌هـای شـیمیایی در مجـاورت بـتن نمایان
۴- قابلیت پر‌کنندگی
۵- کارایی
۶- مدت زمان ماندگاری مواد اختلاط شده متناسب با شرایط اجرایی
۷- سازگاری و چسبندگی با الیاف مسلح کننده
۸- ایجاد خصوصیات مکانیکی مناسب برای کامپوزیت F

آسترها

آستر برای نفوذ در سطح بتن به کار می‌رود، تا چسبندگی مناسب برای رزین یا چسب آغشته کننده را فراهم نماید.

بتونه‌ها

بتونه‌ها برای پر کردن حفره‌های سطح بتن نظیر سوراخ‌های ریز سطحی استفاده می‌شوند تا یک سطح هموار برای چسباندن مصالح FRPایجاد شود. همچنین پر کردن این حفرات از ایجاد حباب در حین عمل‌آوری رزین جلوگیری می‌نماید.

رزین آغشته سازی

رزین‌های آغشته سازی به منظور آغشته نمودن الیاف مسلح، چسبانیدن آن‌ها به محل مورد نظر و ایجاد مسیر انتقال بار برشی و توزیع مؤثر نیرو بین الیاف به کار می‌رود. این رزین همچنین به عنوان یک چسب در سیستم‌های چـسباندن تـر اسـتفاده مـی‌شـود مشروط بر اینکه بتواند مسیری برای انتقال بار بین سطح بتن ترمیم شده و سیستم FRPایجاد کند.

مواد چسباننده (چسب‌ها)

چسب‌ها برای اتصال لایه‌های پیش عمل‌آوری شده FRPبه سطح بتن به کار برده می‌شوند. این مواد مسیری برای انتقال بار بین سطح بتن زیرین و لایه مسلح FRPایجاد می‌کنند. چسب‌ها همچنین برای اتصال چند لایه FRPبه یکـدیگر نیـز به‌کـار برده می‌شوند.

‌  پوشش‌های محافظ

پوشش‌های محافظ برای نگهداری و محافظت لایه FRPاز اثرات مخرب محیطی به کار برده می‌شوند. این پوشش‌ها معمولاً بر روی سطح خارجی سیستم FRPپس از عمل‌آوری چسب‌ها یا رزین آغشته سازی استفاده می‌شوند.

الیاف

الیاف شیشه، آرامید و کربن در سیستم‌های FRPاستفاده می‌شوند. الیاف سختی و مقاومت سیستم FRPرا تشکیل می‌دهد. محدوده مشخصات کششی الیاف در پیوست الف آورده شده است.

خصوصیات فیزیکی

چگالی

چگالی مصالح FRPدر محدوده 1200 تا 2100 کیلوگرم بر متر مکعب است که 4 تا 6  بار کمتـر از چگـالی فـولاد مـی‌باشـد (جدول 1-2). این کاهش چگالی می‌تواند منجر به کاهش هزینه حمل و نقل، آسانی در جابه‌جایی مـصالح و همچنـین کـاهش بـار مرده سازه ناشی از تقویت گردد.
 

جدول شماره 2- چگالی مواد FRP

 

ضریب انبساط حرارتی

ضریب انبساط حرارتی مصالح FRPتک جهتی در محور طولی و عرضی متفاوت است و به نوع الیاف ، رزین و درصـد حجمـیالیاف بستگی دارد. جدول 2-2 مقادیر ضریب انبساط حرارتی مصالح FRPتک جهتی متداول را در راستاهای طولی و عرضی نشانمی دهد. عدد منفی در جدول نشان دهنده انقباض ماده در اثر افزایش د ما و انبساط آن بر اثر کاهش دما میباشد. بـه عنـوان یـکمقایسه، بتن دارای ضریب انبساط حرارتی متغیری از  بتا درجه سـانتیگـراد بـوده و معمـولاً ایزوتـروپ فـرض میشود. ضریب انبساط حرارتی فولاد معادل بر درجهسانتیگراد است.  

جدول شماره 3- ضریب حرارتی مصالح  FRP

 

ترمیم بتن و آماده سازی زیرکار

رفتار اجزای بتنی که با مصالح FRPمقاوم سازی یا ترمیم شده‌اند، بطور قابل ملاحظه‌ای با وضعیت سـطح بـتن و آمـاده سـازی مناسب و هموار شدن رویه آن مرتبط می‌باشند. در غیر این صورت می‌تواند نتایجی نظیر ورآمدن FRPاز سطح بتن یا جدایش لایه‌ها از یکدیگر قبل از رسیدن به بارهای طراحی اتفاق افتد.
ضوابط کلی اشاره شده در این بخش شامل کاربرد انواع سیستم‌های FRPکه به صورت پوشش بیرونی استفاده می‌شـوند، مـی‌گردد. ضوابط ویژه برای یک سیستم خاص FRPبا مطالعه مدارک سازنده سیستم FRPاستخراج می‌شود. در آماده‌سازی سطح بتن ممکن است مواردی چون ایجاد سرو صدا، گرد و غبار و پدیده‌هایی مانند لـب پرشـدن یـا آسـیب دیـدگی‌هـای موضـعی در اعـضای ساختمان پدید آید.

ترمیم سطح بتن

لازم است تمام اشکالات موجود در بتن اصلی و بتن زیرکار که ممکن است یکپارچگی سیستم FRPرا به مخاطره بیندازد، قبـل از عملیات آماده سازی برطرف شوند.  
روش‌هایی که با جزییات کامل در ACI 546Rو ICRI 03730اشاره شده، نحوه ترمیم و آماده‌سازی سطوح بتن را بیان نمـوده است. عملیات ترمیم بتن باید منطبق با الزامات نقشه‌های طراحی و مشخصات پروژه انجام شـود. لازمـست سـازگاری مـصالح مـورداستفاده جهت ترمیم با سیستم FRPمصرفی مورد توجه قرار گیرد.

خوردگی –عیوب مربوط به آن

در مواردی که احتمال می‌رود فولاد مصرفی در اجزای بتن آرمه دچارخوردگی شده باشد، سیستم FRPنبایـد به کـار بـرده شـود. گسترش نیروها، ناشی از فرآیند خوردگی فولاد در اجزای بتنی، قابل برآورد و پیش‌بینی نیست و می‌توانـد انـسجام سـازه‌ای سیـستمFRPبه کار گرفته شده را به مخاطره اندازد. اثرات خوردگی و رسوبات آن بایـد از روی بـتن پاکـسازی شـده و خرابـی‌هـای ناشـی از خوردگی قبل از بکارگیری هر نوع سیستم پوشش بیرونی FRPترمیم شوند.

تزریق داخل ترک‌ها

گسترش ترک‌های با عرض بیش از 3/0 میلی متر یا بیشتر می‌توانـد در عملکـرد سیـستم پوشـش خـارجی FRPاثـر بگـذارد، به طوری که منجر به جدایش لایه‌ای یا گسیختگی الیاف شود. لازم است ترک‌های با عرض بیش از 3/0 میلی متر، مطابق با الزامـات ACI 224.1Rبا تزریق تحت فشار اپوکسی پر شوند. ترک‌های کوچک‌تر نیز چنانچه در شرایط محیطی مهـاجم واقـع شـوند ممکـن است لازم باشد با تزریق تحت فشار اپوکسی پر شوند و یا روکش شده تا از خوردگی فولاد داخل بتن جلوگیری به عمل آید . معیارهـای عرض ترک برای شرایط مختلف بتن نمایان در آیین نامه ACI 224Rتوضیح داده شده است.

سطوح آماده‌سازی

 الزامات آماده‌سازی سطوح براساس کاربردهای توصیه شده سیستم FRPصورت می‌گیرد. اجـرای آمـاده‌سـازی مـی‌توانـد در دو حالت کاربری چسبندگی بحرانی یا کاربری تماس بحرانی باشد. در کاربری‌های چسبندگی بحرانی، نظیـر مقـاوم‌سـازی خمـشی یـا برشی تیرها، دال‌ها، ستون‌ها یا دیوارها، برای نصب سیستم FRPروی سطح بتن نیاز به زدن چسب بین آن‌ها مـی‌باشـد. در کـاربری‌های تماس بحرانی نظیر محصور کردن ستون‌ها فقط نیازمند تماس مستقیم سیستم FRPروی بتن می‌باشـند. در ایـن کـاربری‌هـا نیازی به چسب زدن بین سیستم FRPو سطح بتن نمی‌باشد، هر چند برای سهولت نصب اغلب از یک چسب نیز استفاده می‌شود.

 کاربری چسبندگی بحرانی

آمـــاده‌ســـازی ســـطح بـــرای کـــاربری‌هـــای چـــسبندگی بحرانـــی بایـــد مطـــابق توصـــیه‌هـــای ACI 546Rو  ICRI 03730اجرا شود. بتن یا سطوح ترمیم شده که سیستم FRPروی آن نصب می‌شود، بایـد تـازه و عـاری از مـواد سـست و ناپایدار باشد. مواضعی که الیاف به دور آن پیچیده می‌شود چنانچه دارای گوشه‌های با مقاطع مستطیلی شکل باشد، باید گوشـه‌هـا را به حالت قوسی با حداقل شعاع مطابق بند 3-10 ، تبدیل نمود تا از تمرکز تنش روی سیستم FRPجلوگیری شده و از ایجـاد فاصـله بین سیستم FRPو سطح بتن جلوگیری نماید. گوشه‌های ساییده شده زبر باید صاف شوند که با خمیره یا بتونه این کار قابـل انجـام است. هر نوع ناصافی، گوشه‌های ناهموار و دارای اعوجاج، سطوح مقعر و گودی‌ها و اقلام مدفون می‌توانند در اجرای سیـستم FRPاثر سوء بگذارد و باید اصلاح شوند. جاهای فرو رفته و برآمده باید قبل از اجرای سیستم FRPگرفته شوند. برای گوشه‌های ناصـاف و سطوح مقعر ممکن است جزییات اجرایی خاصی لازم باشد تا از حصول سیستم پوششFRPاطمینان حاصل شود. آماده‌سازی سطوح می‌تواند با استفاده از ساینده‌ها یا روش پاشش با فشار آب صورت گیرد . کلیه جرم‌ها، گرد و غبار، کثیفی، روغن، مواد منعقـد شـده، پوشش‌های روی سطح و هر نوع آلودگی دیگری که در پوشش کامل سیستم FRPروی بتن بتواند تاثیر سوء بگذارد بایـد پاکـسازی شود. مک‌ها و سوراخ‌های سطحی و حفره‌ها باید در موقع زدودن سطوح گرفته شوند. پس از آن که زدودن سطوح بطور کامل انجام شد، سطح باید تمیز کاری شود به نحوی که هر نوع ماده‌ای که بتواند در پوشش FRPروی سطح اثر سوء بگذارد، از بین برود. لازم است سطح بتن مطابق با الزامات مندرج در مشخصات فنی پروژه آماده‌سازی شود. برای تعیین میزان لایـه سـطحی مـورد نیاز باید مطابق توصیه‌های سازنده FRPو تأیید دستگاه نظارت اقدام گردد. ناصافی موضعی سطح بتن از جمله خطوط قالب نباید از یک میلی متر یا از رواداری که توسط سازنده سیستم FRPتوصیه شده است، بیشتر باشد. ناصافی موضعی سطوح را می‌توان با سنگ فرز برطرف نمود و این کار باید قبل از سایش سطوح و یا پاشش با فشار آب انجام شود. اگر مقدار ناصافی‌ها خیلی کم باشد می توان آن‌ها را با استفاده از خمیره بتونه شکل اپوکسی صاف نمود. تمامی سطوحی که قرار است سیستم مقاوم‌سازی روی آن اجرا شود، باید مطابق با توصیه‌های سازنده سیستم FRPخشک باشند. رطوبت موجود در منافذ بتن می‌تواند در نفوذ رزیـن اثـر سـوء بگـذارد و از درگیری مکانیکی بکاهد. درصد رطوبت موجود باید با الزامات ACI 503-4مطابقت داشته باشد.

کاربری تماس بحرانی

در کاربردهای مربوط به دور پیچ نمودن اجزای سازه‌های بتنی، آماده‌سازی سطوح باید به نحوی انجام شود که تمـاس مـستقیم بین سطح بتن و لایه سیستم FRPبوجود آید. سطوحی که لایه‌ها روی آن پیچیده می‌شوند باید از حداقل تحـدب نـسبی برخـوردار بوده یا تخت باشند تا بارگذاری مناسب سیستم FRPبه نحو مناسب تأمین شود. حفره‌های بزرگ در روی سطح باید بـا مـواد ترمیمـی سازگار با بتن موجود پر شوند. موادی که مقاومت فشاری و مدول الاستیسیته پایینی دارند، نظیر پلاسـترها، مـی‌تواننـد اثـر بخـشی سیستم FRPرا کاهش دهند و لذا باید از روی سطوح پاک شوند.