طراحی سیستم FRP

طراحی سیستم FRP

مقاوم سازی سازه های موجود یا مرمت آنها به منظور تحمل بارهای مضاعف طراحی، بهبود نارسایی های ناشی از فرسایش، افزایش شکل پذیری سازه یا سایر موارد با استفاده از مصالح مناسب و شیوه های اجرایی صحیح بطور متعارف انجام می گردد. استفاده از صفحات فولادی به صورت پوشش خارجی، غلاف های بتنی یا فولادی و پس کشیدگی خارجی تعدادی از روش های متعارف موجود است. امروزه گرایش به استفاده از سیستم های کامپوزیت پلیمری FRP در صنعت مقاوم سازی رشد زیادی داشته است. در طراحی برای تقویت سازه ها و مقاوم سازی با FRP و نیز در عملیات بهسازی لرزه ای، استفاده از مصالحFRP  یکی از روش های مناسب می‌باشد که رعایت ضوابط طراحی در آنها حائز اهمیت است.

 

---

FRP ها بر اساس مقاومت در برابر نیروهای کششی طراحی می شوند، این مصالح کامپوزیتی می‌بایست سازگاری کرنشی را با بتن متصل شده داشته باشند. از مقاومت فشاری مصالح مقاوم سازی FRP در محاسبات و طراحی سازه صرف نظر می‌شود.

اصول طراحی مقاوم سازی با FRP 

اصول طراحی سیستم مقاوم سازی FRP بر اساس محاسبات و طراحی سازه های بتنی مرسوم و نیز رفتار مکانیکی مصالح FRP پایه گذاری شده است. سازه های بتن آرمه مقاوم سازی شده با FRP باید براساس ضوابط موجود برای مقاومت و قابلیت خدمت رسانی طراحی شوند. برای این منظور باید از ضرائب بار آیین نامه بتن ایران آّبا برای مقاصد طراحی استفاده گردد. برای  طراحی سیستم FRP بمنظور بهسازی لرزه ای ساختمان ها، پیشنهاد می‌گردد از اصول حاکم طراحی بر اساس ظرفیت در محاسبات تقویت با اف ار پی استفاده گردد.

محدودیت های مقاوم سازی با FRP

به منظور طراحی سیستم‌ FRP نیاز است تا محدودیت هایی که در این روش مقاوم سازی وجود دارند، بررسی شود. محدودیت های اشاره شده به منظور جلوگیری از فروریزش سازه و سایر آسیب های سیستم FRP که ناشی از عواملی نظیر حریق، خرابکاری و … است، می باشد. در مجموع اعضای سازه ای تقویت نشده، بدون نصب مصالح FRP، توان تحمل کافی برای مقاومت در برابر مقدار معینی از بار را داشته باشند.

دلایل استفاده روز افزون از پوشش FRP:

•     افزایش تولید ، تامین و توزیع وسیع که باعث سادگی خرید و فروش FRP شده است.
•     بهبود خصوصیات FRP در سالهای اخیر
•     کاربرد وسیع مواد FRP در تقویت سازه های بتنی و فولادی (از FRP در سازه های بتنی ، فولادی ، پل و تاسیسات پتروشیمی و صنعتی استفاده می شود)
•     کاربرد FRP در بتن مقرون به صرفه تر از تخریب سازه بتن آرمه است
•     روشهای تولید اصلاح شده که منجر به تولید با خواص مقاومتی و مشخصات فنی بالاتر و کاهش هزینه تولید شده است.
•     بهینه کردن ترکیب فیبر اف آر پی با ماتریس چسب اف آر پی (رزین اپوکسی  (FRPبرای سازگاری مناسب تر با یکدیگر در سیستم های FRP

مزایای استفاده از ورقه FRP:

1.     دوام بالا ، هزینه و قیمت مناسب برای خرید FRP
2.     سبک وزن بودن و چگالی پایین صفحات  FRP
3.     مشخصات فنی بالا شامل مدول و مقاومت بالا
4.     خصوصیات مناسب و مقاومت در برابر خوردگی
5.     قابل کاربرد در برابر محیط های اسیدی و ترکیبات شیمیایی (مقاومت ضد اسیدی)
6.     نفوذ ناپذیری مغناطیسی که مناسب برای مکانهایی که در آنجا دستگاه های حساس به میدان مغناطیسی است
7.     مقاومت در برابر ضربه
8.     ضخامت کمالیاف اف آر پی
9.     اتصال FRP و همپوشانی آسان در بتن و آهن
10.     حمل و نقل آسان به دلیل وزن کمالیاف
11.     خصوصیات مناسب به دلیل اجرای ساده ورق ها و الیاف
12.     سرعت کار بیشتر و نحوه نصب آسان در بتن اف آر پی
13.     توجیه اقتصادی برای تقویت، ترمیم و مقاومسازی پروژه های سنگین به عنوان مثال پلها
14.     سطح تمام شده تمیز پوشش
15.     ساختمان  FRPعایق مناسبی در مقابل محیط اسیدی ، شیمیایی و خورنده می باشد.
16.     عدم توقف کاربری در زمان اجرای تقویت با FRP
17.     عدم افزایش ابعاد مقاطع در مقاوم سازی بتن با FRP

مقاومت سازه مقاوم سازی شده با FRP در برابر آتش  

مقادیر مقاوم سازی که توسط روش های FRP بصورت روش اجرای پوشش بیرونی یا روش EBR صورت می‌گیرد، اغلب توسط آیین نامه های حریق به مقادیر مشخصی محدود می‌شوند. رزین بکار رفته در در سیستم های FRP ، پس از اجرا و عمل آوری، در صورتی که تحت تاثیر آتش قرار گیرند، یکپارچگی و استحکام خود را در درجه حرارت بیشتر از دمای گذار شیشه ای (Tg) از دست خواهند داد. دمای Tg  برای رزینها و چسبهای FRP عموماً، در محدوده بین 60 تا 80 درجه سانتی‌گراد متغیر است. این مقادیر به وضوح نشان می‌دهند که در اثر وقوع آتش سوزی سیستم های مقاوم سازی FRP، پایایی کافی در برابر حریق را نخواهند داشت. برای افزایش مقاومت مصالح FRP در برابر حریق، مناسبترین روش عایق بندی آنها با پوشش های ضد حریق FRP می‌باشد.

مصالح FRP به تنهایی پایایی زیادی در برابر حریق ندارند، اما با ترکیب مناسب سیستم‌های FRP  و سازه بتنی تقویت شده، می‌توان دوام و پایایی  بسیار بالایی در کل سازه در برابر حریق ایجاد کرد. این افزایش بدین صورت ایجاد می‌گردد که در طراحی سازه، شرایطی ایجاد کرد که وظیفه مقاومت در برابر حریق منحصراً توسط سازه بتنی موجود تامین گردد. جهت برآورد مقاومت در برابر حریق سازه های بتنی مقاوم سازی شده با FRP ، نیاز است تخمین زده شود که تحمل سازه های بتنی تا چه حدی بدلیل افت مقاومت تسلیم فولاد و مقاومت فشاری بتن ناشی از حریق، کاهش یافته و گسیخته می گردد.

با بررسی دقیق آئین نامه ACI 216R  برای اعضای بتنی مقاوم‌سازی شده با FRP، مشخص می‌شود که  محدودیتهای موجود در طراحی های تقویت با FRP  به منظور جلوگیری از فروریزش سازه تقویت شده در اثر حریق می‌باشد. باید دقت گردد که مقاومت فولاد و بتن در اثر حریق کاهش یافته و برای محاسبه مقاومت کل عضو نیاز است از مقاومت FRP  صرفنظر کرد. جهت بررسی عدم گسیختگی سازه تقویت شده با FRP تحت بارهای بهره برداری و درجه حرارتهای زیاد، می‌توان مقاومت مورد نظر را با مقاومت تخمین زده شده مقایسه کرد.

دوام سیستمها و  طراحی سیستم FRP در برابر حریق را می‌توان با بهره گیری از رزین های خاص و پیشرفته یا محافظت آن با پوشش های مناسب افزایش داد. جهت محاسبه میزان افزایش دوام (پایایی) رزینهای سیستم FRP در برابر حریق،  باید زمان مقاومت سیستم FRP در برابر آتش (که زمان لازم جهت رسیدن رزینها به دمای گذار شیشه ای است) اندازه گیری شود. در آئین نامه ASTM E119 شرایط و راهنمایی مورد نیاز جهت ایجاد شرایط آزمایشگاهی انواع آتش سوزی ها (شامل درجه حرارت و زمان آنها)، آورده شده است.

میلگرد های کامپوزیت FRP

میلگرد یا آرماتورهای FRP از نظر شکل ظاهری مشابه میلگردهای متداولهستند، ولی در تولید آن­ها به­ جای فولاد از رزین پلیمری مخصوص و الیاف (به طور معمول این الیاف از جنس شیشه و کربن می باشند و دارای مقاومت بیشتری نسبت به فولاد هستند) استفاده می شود. می توان این محصول را به­ عنوان جایگزین مناسبی برای میلگردهای فولادی در نقش تسلیح کننده بتن دانست، شاهد بر این ادعا نیز تعداد کثیر پروژه ­هایی است که از این محصول بهره گرفته­ اند.

اسکن آرماتور و میلگرد در بتن

اسکن آرماتور و میلگرد در بتن

اسکن میلگرد و آرماتور بتن چیست ؟ یکی از آزمایش های غیرمخرب سازه های بتنی اسکن شبکه میلگرد  در بتن می باشد. اسکن شبکه میلگرد  به دلایل مختلفی می تواند کاربرد داشته باشد. اجرای اسکن میلگرد می تواند ارائه دهنده اطلاعاتی مانند قطر میلگرد ، محل و کاور میلگرد های مدفون در بتن باشد. دستگاه های اسکن میلگرد در بتن دارای انواع مختلفی می باشند. انواع دستگاه های اسکن میلگرد با توجه به نوع و قدرت می توانند میلگردها را در اعماق مختلفی نمایش دهند. 

---

اندازه گیری کاور به روش الکترومغناطیسی

روش‌های الکترومغناطیسی معمولاً برای تعیین محل و کاور برای آرماتور تعبیه شده در بتن بکار می رود. دستگاه هایی که با باتری کار می‌کند و از نظر تجاری برای این منظور در دسترس است معمولاً معروف به اسکنر آرماتور معروف است. طیف وسیعی از آن‌ها از نظر تجاری در دسترس بوده و استفاده از آنها در بخش 204 BS1881 آمده است.

1 .  نظریه، تجهیزات و کالیبراسیون: اصل اساسی این است که وجود فولاد، میدان یک الکترومغناطیس را تحت تأثیر قرار می دهد که ممکن است شکل یک القاگر مغزه آهنی از نوعی که در شکل 2.7 نشان داده شده است را به خود بگیرد. یک جریان متناوب از یکی از کویل ها عبور می کند در حالی که جریان القاء شده در کویل دیگر تقویت و اندازه‌گیری می شود. رأس جستجو ممکن است در واقع شامل یک سیستم کویل واحد یا چندگانه باشد با توجه به اینکه اصل فیزیکی مستلزم اثرات جریان گردابی یا القای مغناطیسی است. ابزارهای جریان گردابی شامل اندازه‌گیری تغییرات امپدانس است و تحت تأثیر تمام فلزات رسانا قرار می‌گیرد و ابزارهای القای مغناطیسی شامل اندازه‌گیری ولتاژ القایی است و به مواد غیرمغناطیسیچندان حساسیت ندارد.

تأثیر فولاد بر جریان القایی با توجه به مسافت، غیرخطی است و همچنین تحت تأثیر قطر میله قرار دارد که کالیبراسیون را دشوار می کند. انواع ساده اسکنر آرماتور که معمولاً مورد استفاده است (شکل 3.7) با استفاده از دو محدوده برای پوشش، معمولاً 40-0 میلی متر و 100-40 میلی متر بر این مساله غلبه می کند. مقیاس کالیبراسیون در نوارهای مربوط به کاور متغیر مشخص می شود و این امر با تأثیر قطر آرماتور مطابقت دارد. میله‌های کوچک یک خوانش در انتهای بالایی نشان می دهد اما میله‌های بزرگ یک خوانش در انتهای پائینی یک نوار خاص نشان می دهد زیرا تأثیر قطر بر طیفی از اندازه های میله از 32-10 میلی متر نسبتاً کم است. اگر بخواهیم میله‌های کمتر از 10 میلی متر یا بیشتر از 32 میلی متر اندازه‌گیری کنیم، کالیبراسیون ویژه‌ای ممکن است لازم باشد و می‌توان از مقیاس خطی که معمولاً ارائه می‌شود استفاده کرد. نسخه های اصلاح شده دیگر از این نوع ابزار شامل مدارات الکترونیکی پیچیده تر و خروجی دیجیتالی است که در دسترس است و می‌تواند قطر بار را منظور کرده و همچنین میله‌ها را در یک عمق بیشتر (در برخی موارد تا 300 میلی متر) شناسایی کند. این ابزارها گران‌تر از تجهیزات پایه است که در بالا ذکر شد. شکل 4.7 چنین نسخه‌ای را نشان می‌دهد. یک مدل ریزپردازنده که نوع فولاد را در نظر می‌گیرد و از امکان هشدار صوتی «پوشش کم» برخوردار است نیز در دسترس است (شکل 5.7).

پیشرفت‌های اخیر در تجهیزات اسکنر آرماتور به مدل‌های متعددی منجر شده است که در هرجا که شناخته نشده است، کاور میله و خود قطر میله را ارزیابی می کند. این کار با استفاده از یک بلوک فاصله‌گذار (153) یا با استفاده از یک راس جستجو تخصصی انجام می شود (شکل 4.7). توانایی اسکن یک اسکنر آرماتور در سطح بتن و ثبت مداوم خروجی در دیتا لاگر نیز اخیرا برای نمایش گرافیکی بعدی در دسترس قرار گرفته است.

کالیبراسیون پایه این ابزار مهم است و بخش 204 BS 188 روش های جایگزین متعددی را پیشنهاد می‌کند. این روش‌ها شامل استفاده از منشور آزمایشی از بتن سیمانی عادی پورتلند است. میله آرماتور تمیز راست از نوع مناسب برای تصویر انداختن از منشور و ارائه طیفی از پوشش ها تعبیه می‌شود که می توان با قاعده فولاد برای مقایسه با خوانش‌ سنج ان را دقیقا اندازه‌گیری کرد. در روش‌های دیگر میله با محل مناسب در هوا دقیقا اندازه گیری می‌شود. در همه روش‌ها لازم است از اثرات خارجی بر میدان مغناطیسی اجتناب کرد. تحت این شرایط، دقت این ابزار باید تا 5٪± یا 2 میلی متر باشد، هر کدام که بیشتر است.

بررسی کالیبراسیون در محل نیز با توجه به نوع میله و بتن درگیر در پژوهش انجام می شود. در این بررسی ممکن است حفاری سوراخ‌های آزمایشی در طیفی از مقادیر پوشش‌ها برای اثبات خوانش‌ها و در صورت لزوم تنظیم مجدد دستگاه یا توسعه یک رابطه کالیبراسیون مجزا انجام گیرد.

انتظار می‌رود توسعه دیگری نوع جدیدی از اسکنر آرماتور مبتنی بر اصل نشت شار مغناطیسی را ارائه کند. میدان مغناطیسی جریان مستقیم عمود بر محور میله آرماتور از طریق یک پیوند سطحی تنظیم می شود که تا حدی میله را مغناطیسی می کند. یک سنسور که از یک قطب پیوند به قطب دیگر حرکت می‌کند، میدان نشت مغناطیسی القایی را شناسایی می کند که می توان برای تعیین عمق و قطر میله از آن استفاده کرد. نشت شار مغناطیسی نیز می‌تواند شناسایی یک کاهش در مقطع میله آرماتور را میسر کند مانند کاهشی که ناشی از خوردگی شدید حفره‌ای است. تلاش هایی برای استفاده از هوش مصنوعی شبکه عصبی برای ساده کردن تفسیر نتایج صورت گرفته است.

2 .  روال کار: اکثر اسکنر آرماتورها شامل یک واحد حاوی منبع توان، تقویت‌کننده و متر و یک واحد جستجوی مجزا حاوی الکترومغناطیس است که با یک کابل به واحد اصلی متصل است. خوانش در حال کار صفر می شود و واحد جستجوی دستی در سطح بتن مورد آزمون حرکت می کند. وجود آرماتور در محدوده کاری این دستگاه با حرکت سوزن نشانگر یا مقدار دیجیتالی مشخص خواهد شد. سپس واحد جستجو حرکت می کند و می چرخد تا حداکثر خوانش بدست آید و این موقعیت مطابق با محل میله (حداقل پوشش) خواهد بود. در برخی از ابزارها، خروجی صوتی درجه متغیر به کمک آن می‌آید. سپس سوزن یا خروجی پوشش را در مقیاس مناسب مشخص خواهد کرد در حالی که جهت میله با خط محور واحد جستجو موازی خواهد بود. استفاده از فاصله‌گذار نیز ممکن است برای بهبود دقت اندازه‌گیری پوشش‌های کمتر از 20 میلی متر ضروری باشد.

3 .  قابلیت اطمینان، محدودیت‌ها و کاربردها: هرچند این ابزار را می توان دقیقا برای میله‌های آرماتور خاص کالیبره کرد (بخش 1.1.1.7)، در اکثر شرایط عملی، دقتی که می توان بدست آورد به طور قابل توجهی کاهش خواهد یافت. عواملی که به احتمال زیاد علت این کاهش دقت است بر میدان مغناطیسی در محدوده سنجش‌گر ناثیر می گذارد و عبارتند از:

(الف) حضور بیش از یک میله آرماتور: همپوشی، فولادهای عرضی به عنوان یک لایه دوم یا میله‌های با فاصله نزدیک (کمتر از سه برابر پوشش) می تواند نتایج گمراه کننده‌ای به بار آورد. در برخی از دستگاه‌ها، یک پروب نقطه‌ای کوچک غیر جهت‌دار را می توان برای بهبود تمایز بین میله‌های با فاصله نزدیک و یافتن میله‌های جانبی بکار برد.

(ب) سیم های گره فلزی: وقتی این سیم‌ها وجود دارد یا وجود آن‌ها محتمل است، خوانش‌ها باید در فواصلی در امتداد خط آرماتور گرفته شده و میانگین آن‌ها گرفته شود.

(پ) تغییرات در میزان آهن سیمان، و استفاده از سنگدانه‌ها با خواص مغناطیسی می تواند سبب کاهش شناسایی پوشش ها شود.

(ت) ادعا می‌شود کاور سطحی اکسید آهن روی بتن، ناشی از استفاده از قالب فولادی موجب می‌شود پوشش آرماتور به طور قابل توجهی کم برآورد شود و باید در برابر آن محافظت شود.

بخش 204 BS 1881 حاکی از آن است که دقت متوسط در محل در کاور‌های کمتر از 100 میلی متر حدود 15٪± را می توان با حداکثر 5± میلی متر انتظار داشت و باید به خاطر داشته باشیم مقیاس‌های کالیبراسیون به طور کلی مبتنی بر میله های فولادی گرد ساده با اندازه متوسط در بتن سیمانی پورتلند است. اگر بخواهیم از این ابزار در هر کدام از شرایط زیر استفاده کنیم، کالیبراسیون مجدد ویژه‌ای باید انجام گیرد:

        - (الف) آرماتور به قطر کمتر از 10 میلی متر، فولاد با کشش بالا یا میله های تغییر شکل یافته: در این موارد، پوشش معین شده احتمالاً بیشتر از مقدار واقعی است.                     این امر همچنین در صورتی مصداق خواهد داشت که میله‌ها خمیده باشد و از اینرو با هسته الکترومغناطیس موازی نباشد.

        - (ب) سیمان‌های ویژه از جمله سیمان دارای آلومینای بالا، یا رنگدانه های افزوده: در این موارد، پوشش معین شده احتمالاً کمتر از مقدار واقعی خواهد بود.

        - (پ) آرماتور به قطر بیش از 32 میلی متر ممکن است در برخی مدل های اسکنر آرماتور مستلزم کالیبراسیون مجدد باشد.

برآوردهای قطر میله تنها در دو اندازه میله امکانپذیر خواهد بود. محدوده دمای عملیاتی اسکنر آرماتور نیز به طور کلی نسبتاً کوچک است و کعملکرد مدل‌هایی که با باتری کار می‌کند معمولاً در دماهای زیر نقطه انجماد رضایت بخش است که می تواند به طور جدی کاربرد میدانی آنها را در زمستان محدود کند. ثبات در خوانش در برخی انواع ابزار می تواند مسئله ساز باشد و بررسی مکرر صفر ضروری است.