مقاوم سازی پل ها و سازه های مستغرق با استفاده از الیاف FRP

مقدمه

امروزه بسیاری از انواع مواد و الیاف FRP  (Carbon FRP، Glass FRP، Aramid FRP و غیره) و همچنین انواع ورق‌ها/صفحات، میله‌ها، کابل‌ها و و غیره که از جنس الیاف FRP هستند، در تعمیرات سازه، مقاوم سازی، مقاوم سازی لرزه ای و سایر کاربری های مهندسی عمران مورد بررسی و توسعه فراوان قرار گرفته اند. تولید و استفاده از الیاف FRP به واسطه عواملی چون نسبت استحکام و مقاومت بالا به وزن آن، سهولت ساخت و ویژگی‌های تعمیر و نگهداری، مقرون به صرفه بودن، اثرگذاری منفی کمتر بر محیط‌زیست و همچنین عملکرد واقعی در زیرساخت‌های جامعه، چالش برانگیز بوده است. به منظور بهره گیری کافی از مزایای سیستم های مقاوم سازی FRP و ترویج کاربردهای آن، امروزه از تکنیک های جدید مانند پیش تنیدگی با مواد FRP، تکنیک FRP هیبریدی، روش تقویت زیر آب و FRP با کرنش شکست بالا، در مقاوم سازی پایه های بتن مسلح و غیره استفاده می شود.

تاریخچه

کامپوزیت FRP برای جایگزینی میلگردها و کابل های پیش‌تنیدگی فولادی معمولی برای سازه های بتنی در اوایل دهه 1980 در ژاپن به دلیل به حداکثر رسیدن "بحران بتن" که عمدتاً ناشی از مشکلات خوردگی آرماتورهای فولادی در سازه های بتنی بود، توسعه یافت. بنابراین، بسیاری از پیمانکاران بزرگ ژاپنی با تولیدکنندگان مواد شروع به توسعه انواع مصالح تقویت‌ شده با الیاف FRP از جمله میله/کابل پیش‌تنیده، بست های اتصال به زمین و شبکه برای جایگزینی آرماتورهای معمولی در صورت خوردگی کردند که محصولات اولیه برای مصالح موجود در بازار امروز هستند.

خواص الیاف FRP

متداول ترین محصولات سیستم های مقاوم سازی FRP شامل CFRP و AFRP است، در حالی که برخی از FRP های جدید با خواص ویژه مانند جذب انرژی و کرنش شکست بزرگ به تدریج در سال های اخیر مورد توجه واقع شده اند مانند PBO، Dyneema، PET، PEN، و PAF که در جدول زیر فهرست و همچنین در شکل بعد ترسیم شده است شده اند.

در این میان، الیاف CFRP به دلیل استحکام بالا و مدول الاستیک، بیشترین استفاده را دارد. فیبر PBO نیز به دلیل داشتن مزایای مشابه با CFRP با استحکام بالا مورد توجه قرار گرفته است، اما همچنین دارای قابلیت تحمل ضربه و توانایی جذب انرژی بیشتری نسبت به سایر الیاف ها است. علاوه بر این، فیبر PBO مقاومت در برابر خزش و مقاومت در برابر آتش/سوختن هم دارد. Dyneema به دلیل قابلیت جذب انرژی ویژه و مقاومت در برابر آب، جدای از استحکام بالا و شکل پذیری مناسب، میتواند کاربردهای گسترده ای در مقاوم سازی سازه های زیر آب داشته باشد.

کاربرد الیاف FRP

زمینه های کاربردی FRP شامل پل ها، ساختمان ها، تونل ها، دودکش ها و موارد دیگر همچون تیرهای برق، کانال های زیرزمینی و غیره می باشد. در این میان کاربرد این مواد در پل ها و ساختمان ها اکثریت تمرکز بازار را به خود اختصاص داده است. پایه های پل، تیرها، دیوارها و تیرها و ستون های ساختمانی رایج ترین مواردی هستند که باید جهت مقاوم سازی تقویت شوند. اخیراً نیز تعمیر و مقاوم سازی پوشش تونل ها با استففاده از این مواد کاربرد بیشتری پیدا کرده است.

در سال های اخیر ژاپن با مشکلات زیادی در حوزه ترویج سیستم های FRP به عنوان یک مصالح ساختمانی اصلی مواجه شده است. مزایای معمولی FRP باید به اندازه کافی مورد استفاده قرار گیرد، اما همچنین عملکردهای خاص و بالقوه آنها برای سازه ها باید برای رفع این مشکلات بررسی و توسعه یابد. آخرین نوآوری‌ها و تلاش‌های جدید برای تکنیک‌های تقویت FRP با تمرکز بر توسعه رفتارهای جدید الیاف FRP در ادامه که عمدتاً بر اساس تحقیقات Ibaraki Univ است، اشاره شده است.

روش تقویت سازه در زیر آب با استفاده از FRP

زیرساخت‌ها و سازه های ساحلی با شرایطی محیطی ویژه ای که غالبا خورندگی شدیدی دارد دست و پنجه نرم میکنند. این موضوع میتواند به دلیل عواملی مانند حمله کلرید، سونامی، امواج جزر و مدی، زلزله و غیره باشد. سازه‌های بتنی و فولادی در محیط‌های با خورندگی زیاد آسیب‌پذیر هستند که ممکن است به دوام و ظرفیت تحمل بار آن ها آسیب‌ جدی ای وارد کند. همچنین هزینه بازرسی و تعمیر منظم آن بسیار زیاد است. استفاده از مواد FRP در سازه های دریایی بسیار محدود است. از این رو، برخی از مطالعات بر روی رفتارهای الیاف FRP در زیر آب، با تمرکز بر تغییر شکل FRP و مناسب‌تر کردن آنها برای سازه‌های زیر آب، در بسیاری از دانشگاه ها در حال انجام است.

با توجه به ویژگی های مواد FRP جهت تقویت سازه های زیر آب، اتصال به سطح زیرکار و پخت آن در ادامه، دو نگرانی مهم و چالش برانگیز برای استفاده از این مواد در زیرآب می‌باشد. معمولاً به دلیل تأثیری که آب بر روند مقاوم سازی می‌گذارد، اتصال یکنواخت ورق های FRP روی سطح زیرکار بتنی در زیر آب بسیار دشوار است. بنابراین استفاده از ورق FRP جهت تقویت سازه های زیر آب محدود شده است. برای حل این مشکل از الیاف های ویژه CFRP (کربن) بهره برداری شده است. روش تقویت ستون زیر آب با شبکه های CFRP در شکل زیر نشان داده شده است. مرحله اول در این فرایند، این است که سطح ستون یا پایه بتنی کاملا تمیز شود و سپس روی آن یک نوع رزین اپوکسی (چسب الیاف اپوکسی مخصوص که در زیر آب مورد استفاده قرار گیرد) به ضخامت حدود 2 میلی متر اعمال می‌شود. پس از آن، شبکه های CFRP ، با فشار دادن آنها به لایه چسب، به سطح چسبانده می شوند. در مرحله آخر، اپوکسی مجدداً به ضخامت 5 میلی متر روی الیاف اعمال میشود.

همانطور که در بالا ذکر شد، DFRP (Dyneema Fiber Reinforced Polymer) میتواند کاربردهای وسیعی برای استفاده در مقاوم سازی سازه های زیرآب داشته باشد زیرا علاوه بر استحکام و شکل پذیری بالا، رفتارهای خوبی در جذب انرژی و مقاومت در برابر آب دارد. با توجه به اینکه اکثر سازه های زیر آب ستون هستند و استفاده الیاف روی آن به صورت عرضی بوده، و باتوجه به این موضوع که DFRP با رزین پیوند ضعیفی ایجاد میکند، اما روی ستون‌ها، به جای افزایش کیفیت اتصال، می‌توان با محدود کردن ابعاد آنها به استحکام مؤثری دست یافت. در نتیجه، الیاف خشک DFRP را می‌توان بدون رزین در اطراف ستون‌ها پیچید تا ستون‌ها را به طور موثر بازسازی یا تقویت کند. رفتارهای لرزه ای ستون های بتنی تقویت شده با DFRP، با و بدون رزین، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، آزمایش شده است. C-0 نشان دهنده ستون شاهد و C-I و C-II ستون های تقویت شده توسط ورق های DFRP با و بدون رزین هستند.

نتایج مطالعات آزمایشگاهی درخصوص پاسخگویی استفاده از الیاف FRP درمحیط های زیر آب جهت مقاوم سازی سازه های زیر سطح آب مانند پایه یا ستون های پل ها، نشانگر تاثیر مثبت این مواد در این حوزه دارد. با توجه به تحقیقات گسترده ای که امروزه علاوه بر روی سطوح بتنی، سطوح فولادی را نیز شامل می شود، بیانگر این موضوع می باشد. علاوه بر بهبود وضعیت مقاومت مقاطع، بهبود در پایداری در محیط خورنده نیز حاصل شد. به طور مثال نتایج برخی آزمایشات نشان داد که میانگین نرخ خوردگی نمونه‌های شاهد 018/0 میلی‌متر در سال و نرخ خوردگی نمونه‌های مقاوم سازی شده 0055/0 میلی‌متر در سال بود. هر دو آزمایش پلاریزاسیون خطی و گرانشی نشان دادند که CFRP و GFRP به یک اندازه در کاهش خوردگی موثر هستند.

مجموعه آبادگران نیز با گسترش سبد کالایی مقاوم سازی خود با تولید و ارائه محصولات این صنعت، در این حوزه فعالیت مستمری دارد. ماده ABA WRAP-C305 پارچه الیاف کربن تک جهته برای کاربردهای مقاوم سازی سازه می‌باشد که یکی از محصولات پرکاربرد در این سبدکالایی به چشم میخورد. همچنین ABABOND FRP-H25 و ABABOND FRP-C5 چسب های کامپوزیت الیاف FRP و هاردنر پلی آمین اصلاح شده می‌باشد که برای اتصال انواع الیاف مقاوم‌سازی به زیرآیند بتنی طراحی شده است. این چسب با توجه به نوع خاص رزین و هاردنر استفاده شده در آن دارای رئولوژی و زمان کاربری مناسب جهت استفاده در آب هوای گرم و سرد می‌باشد. این چسب دارای مقاومت مکانیکی و شیمیایی عالی و چسبندگی بسیار زیاد می‌باشد و با توجه به طراحی منحصر به فرد آن، بر روی سطوح خشک و مرطوب قابل اجرا است. همچنین به واسطه خواص رئولوژی ویژه آن، سطح الیاف به طور کامل اشباع شده و الیاف بدون لغزش بر روی سطح متصل می‌شوند.

منابع:

1. STRENGTHENING OF SUBMERGED PILES; Using Fibre Reinforced Polymers Materials
2. FRP materials for the rehabilitation of tubular steel structures,for underwater applications
3. State-of-the-Art of Advanced FRP Applications in Civil Infrastructure in Japan
4. AASHTO (2020) Guide specification for the service life Design of Highway Bridges
5. نشریه 524- معاونت برنامه ريزي و نظارت راهبردي رييس جمهور