FRP چیست؟ پلیمر یا پلاستیک تقویت‌شده با الیاف – ادبیات و مبانی نظری

FRP چیست؟

پلیمر یا پلاستیک تقویت‌شده با الیاف

2-1 پلیمر یا پلاستیک تقویت‌شده با الیاف FRP چیست؟

2-2 تقویت‌کننده‌ها(الیاف)

2-2-1 الیاف شیشه

2-2-2 الیاف کربن

2-2-3 آرامید

2-3 زمینه

2-4 خصوصیات FRP

2-4-1 خصوصيات فيزيكی

2-4-1-1 چگالی

2-4-1-2 ضریب انبساط حرارتی

2-4-2 خصوصيات و رفتارمکانیکی

2-4-2-1 رفتار كششی

2-4-2-2 رفتار فشاری

2-4-2-3 رفتاربرشی

2-4-2-4 رفتارچسبندگی

2-4-2-5 رفتار تابع‌زمان

2-4-2-6 دوام

2-4-2-7 نگهداری و جابجايی

2-5 انواع محصولات FRP

2-5-1 میله های کامپوزیتی

2-5-2 شبکه های کامپوزیتی

2-5-3 کابل‌های کامپوزیتی

2-5-4 ورقه های کامپوزیتی

2-5-5 پروفیل‌های ساختمانی کامپوزیتی

2-6 کاربرد مصالح FRP

2-6-1 کاربرد FRP در تقویت ستون‌ها

2-6-2 کاربرد FRP در تقویت دیوارهای برشی

2-6-3 کاربرد FRP در تقویت دال‌ها

2-6-4 کاربرد FRP در تقویت اتصالات

2-6-5 کاربرد FRP درتقویت برشی و خمشی تیرها

2-7 روشهای نصب مصالح FRP درسازه‌های بتنی

2-7-1 روش اتصال خارجي (EBR)

2-7-2روش تعبیه در نزدیک سطح (NSM)

2-7-3 مودهای گسیختگی برشی در تیر تقویت‌شده با مصالح FRP

2-7-3-1 انواع مكانيزم برشی تیر تقویت‌شده به روش EBR

2-7-3-1-1 گسیختگی برشی با پارگی ورق FRP

2-7-3-1-2 گسیختگی برشی بدون پارگی ورق FRP

2-7-3-1-3 گسیختگی برشی ناشی از عدم پیوند یا چسبندگی ورق FRP

2-7-3-1-4 گسیختگی نزدیک مهار مکانیکی

2-7-3-1-5 گسیختگی محلی

2-7-3-2 انواع مكانيزم شکست تیر تقویت‌شده به روش NSM

2-7-4 مزایای روش تعبیه در نزدیک سطح

منابع

 FRP چیست؟

FRP نوعی ماده‌ی کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله‌ی یک زمینه یا ماتریس[1] رزین از جنس پلیمر احاطه شده است. اساسی‌ترین شکل یک ماده‌ی کامپوزیتی، شکلی است که در آن دو جزء ترکیب شده‌اند و ماده‌اي را با خواصی که متفاوت از خصوصیات اجزاي آن است تولید کرده‌اند.

پليمرهايی مسلح از الياف بسيارنازكی تشكيل شده‌اند كه توسط ماده‌ی زمينه محصور می‌شوند. الياف دارای جنس‌های متفاوت بوده و به صورت قطعات كوتاه، رشته‌های دراز و پارچه‌های بافته توليد می‌شود. زمينه در FRP‌ ها نقش محافظت از الياف و انتقال تنش بين آنها را ايفا می‌كند و الياف نقش باربری دارد. قطعات FRP به روش های مختلف صنعتی، نيمه صنعتی و يا دست‌ساز ساخته می‌شود.

تقویت‌کننده‌ها(الیاف)

مواد FRP از دو جزء اساسی تشكیل می‌شوند؛ تقویت‌کننده‌ها یا الیاف(فیبر) و رزین (ماده‌ی زمینه). الیاف كه اصولاً الاستیك، ترد و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در مصالح FRP محسوب می‌شوند. بسته به نوع فایبر، قطر آن در محدوده‌ی  5 تا 25 میكرون می‌باشد. الیاف ممكن است از شیشه، كربن، آرامید، وینیلون و بازالت باشد كه در اینصورت محصولات كامپوزیت مربوطه به ترتیب به نامهای  GFRP[2]، CFRP[3]،AFRP[4]  و VFRP[5] و [6]BFRP و شناخته می‌شوند.

امروزه با توجه به دوام، مقاومت و سختي بالاي الياف كربني بيشترين كاربرد را پيدا نموده‌اند. الياف شيشه‌اي در محيط‌هاي خشك كارايي مناسب داشته و از الياف آراميدي براي جذب انرژي و ضربه استفاده مي‌شود. در ادامه شرح مختصری از بعضی از الیاف متداول ارائه خواهد شد. در شکل 2-1 ساختار ميكروسكوپی مصالح FRP را نمايش مي‌دهد.

[1] Matrix

[2] Glass Fiber Reinforced Polymer

[3] Carbon Fiber Reinforced Polymer

[4] Aramid Fiber Reinforced Polymer

[5] Vinilon Fiber Reinforced Polymer

[6] Bazalt Fiber Reinforced Polymer

خصوصیات FRP

خصوصيات فيزيكی

چگالی

مواد FRP بسيار سبك بوده و چگالي آن حدود يك پنجم چگالي فولاد است كه اين وزن كاهش يافته، منجر به هزينه‌ی كمتر حمل و نقل و راحتي جابجايی مصالح و همچنین کاهش بار مرده سازه خواهد شد. در جدول2-1، جرم حجمی انواع FRP ها ارائه شده است.

جدول 2-1 چگالی مواد FRP (kg/m3) (1)

ضریب انبساط حرارتی

ضريب انبساط حرارتي مواد FRP بستگي به نوع رزین، نوع و درصد حجم و راستاي الياف آن دارد كه در جدول 2-3 اين مقادير براي دو راستاي طولي و عرضي آورده شده‌است. ضريب انبساط حرارتي طولي به وسيله خصوصيات الياف مشخص مي‌شود، ولي ضريب انبساط حرارتي عرضي به وسيله خصوصيات رزين مشخص مي‌شود. افزايش دما فراتر از نقطه‌ی نرمي بر روي ضريب كشساني رزين اثر گذاشته و مقدار آن را به اندازه‌ی قابل توجهي كاهش مي‌دهد. نقطه‌ی نرمي اكثر پليمرهاي مصرفي بين 60 تا 80 درجه سانتي‌گراد مي‌باشد.

اين درحالي است كه الياف قابليت تحمل دماي بسيار بالاتري را دارا می‌باشد. در نتيجه در مواردي كه پيوستگي  بین FRP و عضو بتني تعيين كننده است، استفاده در دماي بالاتر از نقطه نرمي پيشنهاد نمي‌شود. درنظر داشته باشيد كه ضريب انبساط حرارتي منفي نشان مي‌دهد كه با افزايش دما ماده منقبض و با كاهش درجه‌ی حرارت ماده منبسط مي‌شود. در جدول 2-2 ضریب انبساط حرارتی مصالح FRP ارائه گردیده است.

جدول 2-2 ضریب انبساط حرارتی مصالح FRP  ( c/ 1×10⁻⁶)(1)

بتن ضريب انبساط حرارتي متغيري از ^6-10×7 تا ^6-10×11 c/1 معمولاً فرض مي‌شود كه ايزوتروپيك مي‌باشد، فولاد نيز داراي ضريب انبساط حرارتي ايزوتروپيك ^6-10×11.7 c/1 مي‌باشد. (1)

انواع محصولات FRP

میله[1] های کامپوزیتی

میله‌های ساخته شده از كامپوزیت‌های  FRP محصولاتی هستند كه جانشین میلگردهای فولادی در بتن آرمه خواهند شد. كاربرد این میله‌ها به دلیل عدم خوردگی، مساله كربناسیون و كلراسیون را كه از جمله مهم‌ترین عوامل مخرب در سازه‌های بتن آرمه هستند، حل خواهند نمود. به‌دلیل اینکه میلگردهای FRP دارای یک رفتار غیر شکل‌پذیر می‌باشند، بیشترین مورد استفاده این میلگردها، در سازه‌ هایی است که مهمترین مشکل آنها خوردگی یا مشکلات الکترومغناطیسی می‌باشد.

رفتار مکانیکی میلگرد‌های  FRP با میلگردهای فولادی تفاوت دارد؛ لذا نحوه طراحی سازه های بتنی با استفاده از میلگرد های FRP دارای تغییراتی نسبت به میلگرد‌های فولادی می‌باشد. میلگرد‌های فولادی دارای رفتار تقریبا همسانگرد می‌باشند ولی میلگرد‌های FRP دارای رفتار ناهمسانگرد هستند. این رفتارناهمسانگرد در مقاومت برشی و رفتار چسبندگی میلگردهای FRP به بتن تاثیر می‌گذارد. مصالح FRP بر خلاف مصالح فولادی، رفتارالاستیک خطی از خود نشان می‌دهند. درشکل زیر میلگرد‌های FRP نشان داده شده ‌است. شکل 2-5 میلگردهای FRP را نشان می‌دهد.

کاربرد مصالح FRP

به دنبال فرسوده‌شدن سازه‌های زیر‌بنایی و نیاز به تقویت سازه‌ها برای برآورده کردن شرایط سخت‌گیرانه‌ی طراحی، طی دو دهه‌ی اخیر تأکید فراوانی بر روی تعمیر و مقاوم‌سازی سازه‌ها در سراسر جهان، صورت گرفته است. از طرفی، بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها به‌خصوص در مناطق زلزله‌ خیز، اهمیت فراوانی یافته است. در این میان تکنیک‌های استفاده از مواد مرکب FRPبه‌عنوان مسلح‌ کننده خارجی به دلیل خصوصیات منحصر به فرد آن، از جمله مقاومت بالا، سبکی، مقاومت شیمیایی و سهولت اجرا، در مقاوم ‌سازی و احیاء سازه‌ها اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. از طرف دیگر، این تکنیک‌ها به دلیل اجرای سریع و هزینه‌های کم جذابیت ویژه‌ای یافته‌اند.

مواد مرکبFRP، دامنه‌ی وسیعی از کاربردها را برای مقاوم‌‌سازی سازه‌های بتن‌مسلح در مواردی که تکنیک‌های مرسوم مقاوم‌ سازی ممکن است مسئله‌‌ساز باشند، به ‌خود اختصاص داده‌اند. برای نمونه، یکی از معمول‌ترین تکنیک‌ها برای بهسازی اجزا بتن‌مسلح، استفاده از ورق‌های فولادی است که از بیرون به این اجزا چسبانده می‌شود.

این روش، روشی ساده، مقرون به صرفه و کارا است؛ اما از جهات زیر مسئله‌ ساز است: زوال چسبندگی بین فولاد و بتن که از خوردگی فولاد ناشی میشود- مشکلات ساخت صفحات فولادی سنگین در کارگاه ساختمان- نیاز به نصب داربست- محدودیت طول در انتقال صفحات فولادی به کارگاه ساخت (در مورد مقاوم ‌سازی خمشی اجزاء بلند). نوارها یا صفحاتFRP می‌توانند جایگزین مناسبی برای صفحات فولادی باشند.

مواد FRP برخلاف فولاد، تحت تأثیر زوال الکتروشیمیایی قرار نمی‌گیرند و می‌توانند درمقابل خوردگی اسیدها، بازها و نمک‌ها و مواد مهاجم مشابه در دامنه‌ی وسیعی از دما مقاومت کنند. در نتیجه نیاز به سیستم‌های حفاظت از خوردگی نمی‌باشد وآماده‌کردن سطوح اعضاء قبل از چسباندن صفحات FRP و نگهداری از آن‌ها بعد از نصب، از صفحات فولادی آسان‌تر است. علاوه براین، الیاف مسلح‌کننده در FRP می‌توانند در موضع معین و در نسبت حجمی و جهت خاصی درون ماتریس قرارگیرند تا بیش‌ترین کارایی به‌دست آید.

مواد حاصله تنها با درصدی از وزن فولاد، مقاومت و سختی بالایی در جهت الیاف دارند. آن‌ها همچنین حمل و نقل آسان‌تری داشته، نیازمند داربست کمتری برای نصب می‌باشند و می‌توانند برای مکان‌هایی که دارای دسترسی محدود هستند، مورد استفاده قرار گیرند و پس از نصب، بار اضافی قابل‌توجهی را به سازه تحمیل نمی‌کنند.

کاربرد FRP در تقویت ستون‌ها

FRP ‌کاربرد‌های فراوانی در تقویت ستون‌های بتنی دارد. از FRP می‌توان برای تقویت خمشی ستونها، افزایش مقاومت مشخصه بتن و افزایش شکل‌پذیری (اثر محصور شدگی) استفاده نمود. به علت ضخامت کم ورق‌ FRP، این روش یکی از راه‌های مناسب برای تقویت ستون‌ها است زیرا در معماری ساختمان خللی ایجاد نمی‌نماید. تاثیر عمده‌ی تقویت توسطFRP، در ستون‌های دایره شکل بوده ولی ستون‌های مربع یا مستطیل را می توان با گرد کردن گوشه‌ها، به صورت مناسب جهت تقویت با FRP تبدیل نمود. در شکل 2-10 کاربرد کاربرد FRP در تقویت ستون‌ها نشان داده شده‌است.

جهت مشاهده نمونه های دیگر از ادبیات ، پیشینه تحقیق و مبانی نظری پایان نامه های مهندسی عمران کلیک کنید.

نمونه ای از منابع و مراجع

• 1- سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور، معاونت امور فنی، دفترامورفنی، تدوین معیارها وکاهش خطرپذیری ناشی از زلزله، 1385، راهنمای طراحی و ضوابط اجرایی بهسازی ساختمان‌های بتنی موجود با استفاده از مصالح تقویتی FRP . نشریه شماره 345
• 2– ACI Committee 440, 2006. Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars. ACI 440.1R-06 , American Concrete Institute, Farmington Hills
• 3– Bianco, V., Barros, J. and Monti, G. 2006. Shear Strengthening of RC Beams by Means of NSM Laminates. Experimental Evidence and Predictive Models, Report 06-DEC/E-18
• 4- De Lorenzis, L. and Nanni, A. 2001a. Near Strengthening of Reinforced Concrete Beams with Near–Surface Mounted Fiber Reinforced Polymer Rods. ACI Structure J, No. 98 – S6, p. 60 – 68.
• 5– De Lorenzis, L. and Nanni, A. 2001b. Characterization of FRP Rods as Near–Surface Mounted Reinforcement. Journal of Composites for Construction, Vol. 5, p. 114-121.
• 6– Barro, J. and Dias, S. 2003. Shear Strengthening of Reinforced Concrete Beams with Laminate Strips of CFRP. Proceedings of the International Conference Composites in Constructions – CCC2003, Cosenza, Italy,16-19 September, p. 289-294.
• 7– Barros, J. and Dias, S. 2005. Shear Strengthening of RC Beams with Near-Surface-Mounted CFRP Laminates. 7th International Symposium on Fiber Reinforced Polymer (FRP) Reinforcement for Concrete Structures (FRP7RCS), Kansas, USA, p. 230-47, 807-824.
• 8– Wenwei, W. and Guo, Z. 2006. Experimental Study and Analysis of RC Beams Strengthened with CFRP Laminates under Sustaining Load. International journal of solids and structures, ISSN 0020-7683, Vol. 43, No. 6, p. 1372-1387.
• 9– Rizzo, A. and De Lorenzis, L. 2007. Behavior and Capacity of RC Beams Strengthened in Shear with NSM FRP Reinforcement. Construction and Building Materials, p. 1555–1567.
• 10-…
• 11-…