مقاوم سازی با FRP (اف آر پی)؛ از تیر و ستون بتنی تا دیوار و دال بتنی

اف آر پی (FRP) یکی از روش‌های مقاوم سازی ساختمان‌های بتنی است که کاربرد گسترده‌ای هم دارد. این روش در مقاوم سازی دیوار، دال، تیر و ستون‌های بتنی زیاد به کار برده می‌شود. اجرای مقاوم سازی به روش FRP با توجه به هدفی که دنبال می‌شود می‌تواند متفاوت باشد. در این مقاله به ویژگی‌ها، مزایا و معایب این روش به منظور مقاوم سازی پرداخته شد است.

اف آر پی (FRP) چیست؟

اف آر پی (FRP) یا فیبرهای پلیمری تقویت شده که در مسائل مرتبط با مقاوم سازی و پوشش سازه‌های بتنی و فلزی کاربرد دارند، از دو جزء اساسی یعنی فایبر (الیاف) و رزین (مادة چسباننده) تشکیل می‌شوند.

فیبرهای FRP که دارای مشخصات فنی الاستیک و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در مادة FRP محسوب می‌شوند. فیبرهای تشکیل دهنده FRP می‌توانند در یک راستا یا در دو راستای عمود بر هم قرار داشته باشند. رزین FRP نیز اصولاً به عنوان یک محیط چسباننده عمل می‌کند که فایبرها را در کنار یکدیگر نگاه می‌دارد.

انواع FRP بر اساس ساختار برای مقاوم سازی ساختمان

اف آر پی (FRP) بر اساس ساختار انواع مختلفی دارد و هر یک نیز تحت شرایط مشخصی به کار برده می‌شوند. آن‌ها را می‌توان در سه دسته زیر گنجاند.

• الیاف  FRP
• لمینیت  FRP
• میلگردهای FRP

انواع FRP بر اساس ترکیب برای مقاوم سازی ساختمان

اف آر پی (FRP) را بر اساس ترکیب نیز می‌توان به انواع زیر دسته بندی کرد.

• الیاف GFRP ؛ پلیمرهای FRP مسلح شده با الیاف شیشه (Glass Fiber Reinforced Polymers)
• الیاف CFRP؛ پلیمرهای FRP مسلح شده با الیاف کربن (Carbon Fiber Reinforced Polymers)
• الیاف AFRP؛ پلیمرهای FRP مسلح شده با الیاف آرامید (Aramid Fiber Reinforced Polymers)
• الیاف BFRP ؛ پلیمرهای FRP مسلح شده با الیاف بازالت (Basalt Fiber Reinforced Polymers)

چرا مقاوم سازی با FRP؟

با توجه به لرزه‌خیزی ایران و همچنین خسارات مالی و جانی شدید، در سال‌های اخیر در اثر زلزله، رشته‌ای جدید در صنعت ساختمان و رشته عمران، بنام بهسازی لرزه‌ای بیش از پیش خودنمایی کرده است.

در همین راستا و در زمینه ارزیابی لرزه‌ای ساختمان‌ها، نشریه شماره 360 معاونت برنامه ریزی و نظارت راهبردی رئیس جمهـور تحـت عنـوان «دسـتورالعمل بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود» با اقتباس از مدارک معتبر بین‌المللی و تجربیات داخلی منتشر شده اسـت.

یکی از روش‌های بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌ها استفاده از پلیمرهای مسلح شده به کمک الیاف (Fiber Reinforcement Polymer) یا FRP است که در صورت اجرای صحیح می‌تواند تا 60 است مقاومت سازه را افزایش دهد.

گذشته از تکنولوژی ساخت این محصول که به‌صورت مرکب و کامپوزیت تولید می‌گردد، به بیان این نکته بسنده می‌نماییم که این محصولات، از ترکیب الیاف‌های کربن، شیشه، آرامید و یا بازالت با ماتریس‌های پلیمری مانند اپوکسی، ونیل استر، پلی استر و … که وظیفه نگهداری و به هم پیوند زدن الیاف (Fiber) به یکدیگر و نگه داشتن موقعیت آنها به طور ثابت در کنار یکدیگر را دارد، به طوری که اجازه حرکت بین الیاف وجود نداشته باشد.

مقاوم سازی ساختمان بتنی با  FRP

برخی اعضای سازه‌ای ساختمان، در اثر نیاز به بارگذاری بیش از اندازه مجاز در حین طراحی یا اشتباهات اجرایی در هنگام ساخت و یا حتی خوردگی در اثر عوامل جوی و فرسودگی مصالح، نیاز به تقویت و یا اصلاح پیدا می‌کند.

این نیاز موجب شد تا با افزایش مقطع مورد نظر به‌وسیله ایجاد ژاکت‌های بتنی و یا فولادی، اقدام به تقویت عضو نمایند. با گذشت زمان، پیشرفت‌های تکنولوژی و نیازهای معماری و محدودیت در کاهش فضا در اثر افزایش مقاطع، استفاده از مصالح کامپوزیت مانند FRP رواج پیدا کرد.

وجود نیاز به مقاوم سازی در ساختمان‌ها، موجب شد تا تکنولوژی ساخت این مصالح تا حدی پیشرفت کند که بتوان از آنها جهت تقویت بخش‌های مختلف سازه‌های بتنی، از جمله ستون‌ها، تیرها، دیوارهای بتنی و حتی سقف‌ها استفاده کرد.

مقاوم سازی ستون بتنی با FRP

مقاوم سازی ستون به‌وسیله  FRP، جهت افزایش مقاومت خمشی، مقاومت مشخصه بتن و یا حتی شکل پذیری ستون‌ها استفاده می‌گردد. این تقویت سازه‌ای می‌تواند در عین حال که ضخامت بسیار ناچیزی دارد و در فضاهای معماری خللی وارد نمی‌کند، موجب بهبود عملکرد لرزه‌ای سازه نیز می‌شود.

جهت مقاوم سازی ستون‌ها معمولاً از الیاف‌های کربنی استفاده می‌گردد و در صورتی که مقطع ستون دایره‌ای باشد، عملکرد FRP بسیار بهتر از زمانی خواهد بود که مقطع ستون، مربعی و یا مستطیلی است. در ستون‌های با مقاطع غیر دایره‌ای جهت بهبود عملکرد FRP باید تلاش شود که گوشه‌ها و زاویه‌ها تاحدامکان گرد گوشه شود.

برای چسباندن الیاف‌های کربنی بر روی ستون‌ها، ابتدا سطح کار را کاملاً از گرد و غبار پاکسازی می‌نماییم. سپس با استفاده از دستگاه‌های ساب ویژه، سطح آن را تا نمایان شدن سنگدانه ها و از بین رفتن تیزی‌های موجود بر روی آن تسطیح می‌کنیم.

مجدداً سطح کار کاملاً تمیز شده و با استفاده از چسب‌های ویژه رزین اپوکسی، اقدام به چسباندن لایه‌های الیاف CFRP  بر روی سطح می‌نماییم و در نهایت روی آن را با یک لایه چسب می‌پوشانیم. ناگفته نماند تعداد لایه‌های مورد نیاز FRP توسط مهندسین محاسب مشخص می‌شود.

مقاوم سازی دیوارهای بتنی و دال ها بوسیله لمینت های FRP

جهت افزایش مقاومت خمشی، کنترل ترک‌ها و همچنین تغییر شکل‌های موجود در دیوارها و دال‌های بتنی می‌توان از FRP استفاده نمود. محل نصب، نوع FRP، ضخامت FRP مورد نیاز و حتی تعداد لایه‌های FRP توسط مهندسین محاسب و با توجه به نوع ضعف شناسایی شده مشخص می‌شود.

مراحل نصب FRP در این مقاطع سازه‌ای نیز تقریباً مشابه روش نصب در ستون‌ها می‌باشد. گاهی نیز دیده شده است که از الیاف‌های FRP جهت افزایش مقاومت و مسلح نمودن دیوارهای آجری و غیر بتنی نیز استفاده می‌شود.

مقاوم سازی تیر بتنی بوسیله  FRP

بسیاری از مواقع دیده شده که پیمانکاران از قراردادن میلگردهای اصلی و تقویتی در تیرها امتناع می‌ورزند و یا به هر دلیل دیگری آنها را به میزان مورد نیاز (مشخص شده در نقشه‌های سازه) در محل مورد نظر خود در تیرها قرار نداده‌اند.

این مشکل گاهی از دید ناظران پروژه دور می‌ماند و زمانی متوجه این نقیصه می‌شوند که ترک‌هایی در تیرها و اتصالات نمایان می‌شود.

یکی از کاربردی‌ترین مصارف استفاده از FRP، جهت مقاوم سازی همین تیرهای بتنی و اتصالات آن می‌باشد. زیرا FRP توانایی بالابردن مقاومت برشی و خمشی تیرها را دارد و در عین حال می‌تواند ضعف‌های موجود در اتصالات را به سادگی برطرف کند.

این در حالی است که روش‌های اجرایی رفع ضعف اتصالات، خصوصاً در سازه‌های بتنی بدون استفاده از FRP امری است، بسیار مشکل و پیچیده. لذا پس از محاسبات دقیق و مشخص شدن نوع ضعف سازه‌ای، مقطع مورد نظر به‌وسیله پوشش‌های FRP و یا لمینت FRP و با روش مشابه ستون‌ها، یعنی اجرای ساب کامل روی سطح، تمیز نمودن آن و در نهایت چسباندن FRP به‌وسیله چسب‌های رزین اپوکسی، تقویت می‌شود.

یکی از روش‌های بسیار جدید جهت تقویت سازه‌ها، خصوصاً تیرها و سقف‌ها، استفاده از لمینت FRP به‌صورت پیش تنیده است که به منظور اجرای آن نیاز به تجهیزات ویژه جهت ایجاد کشش و پیش تنیدگی در ورق‌های FRP  است. به همین دلیل زیاد در ایران مورد استفاده قرار نمی‌گیرد.