به‌طورکلی، ساختمان‌ها و سازه‌های مهندسی و عمرانی با اتفاقاتی ازجمله زمین‌لرزه، طوفان، انفجار و غیره متحمل بار و نیروهای ژئوفیزیکی می‌شوند که ممکن است باعث آسیب و فروپاشی آن ساختمان شود. حتی گاهی اوقات مقاومت ساختمان به دلیل استفاده از مواد نامرغوب در آن یا به دلیل تغییر کاربری آن بنا کاهش می‌یابد. در این شرایط برای پیشگیری از تخریب ساختمان، لازم است مقاوم‌سازی آن به‌منظور تحمل نیروی بیشتر انجام شود. اگرچه درصورتی‌که خسارت به وجود آمده محدود باشد، امکان بازسازی و مقاوم‌سازی ساختمان وجود دارد. با درنظرگرفتن شرایط اقتصادی تصمیم به مقاوم سازی ساختمان، به‌جای بازسازی قسمت‌های آسیب‌دیده آن که ممکن است ضررهای جبران‌ناپذیری هم به همراه داشته باشد، امری بسیار مهم است.
در طول سال‌های اخیر روش‌های مختلف مقاوم سازی ساختمان مورداستفاده قرارگرفته است. برخی از این روش‌های مقاوم سازی ساختمان به دلیل پرهزینه بودن یا محدودیت استفاده از آنها در برخی از ساختمان‌ها ناکارآمد و غیرعملی درنظرگرفته شده‌اند. در میان آنها، به کار بردن الیاف مقاوم‌سازی پلیمری (FRP) یک روش کارآمد و مؤثر می‌باشد که به‌طور فزاینده‌ای در صنعت ساخت‌وساز مورداستفاده قرارگرفته است.
خصوصیات کامپوزیت‌های FRP
کامپوزیت‌های FRP دارای مزایای بالقوه بی‌شماری در ساختمان‌سازی هستند. این مزایا شامل نصب بر قسمت خارجی ساختمان، ساخت متناسب با مقیاس ساختمان، کاهش جرم، دوام بیشتر، توانایی قالب‌گیری با فرم‌های پیچیده و بهبود عایق حرارتی می‌شود. درنتیجه کامپوزیت FRP به‌عنوان مصالح مقاوم سازی ساختمان، با داشتن مزایای ذکرشده نسبت به روش‌های مقاوم‌سازی سنتی ارجحیت دارد. به‌عنوان‌مثال با استفاده از کامپوزیت FRP ابعاد سطح مقطع ستون‌ها افزایش نمی‌یابد، که درنتیجه به‌راحتی با محدودیت‌های معماری منطبق می‌شود. همچنین جرم ستون‌ها افزایش نمی‌یابد؛ این بدان معناست که ظرفیت کششی ساختمان بدون تغییر باقی می‌ماند. کامپوزیت‌های FRP با وزن کمی که دارند، نسبت به مواد و مصالح قدیمی نصب آسان، سریع و کم‌خطری را برای کارکنان فراهم می‌کنند. بنابراین استفاده از کامپوزیت‌های FRP به دلیل ضخامت کم آنها، نسبت بالای قدرت به وزن و نصب آسان آنها برای بازسازی و مقاوم سازی ساختمان یک گزینه مناسب هستند. این خصوصیات بارز به‌راحتی نقش ترکیبات FRP در مقاوم سازی ساختمان‌ها به‌خوبی توصیف می‌کند.
این ابتکار و نوآوری در مصالح ساختمانی را می‌توان در دو گروه طبقه‌بندی کرد: 1) نوسازی که شامل برنامه‌های کاربردی برای تعمیر، بازسازی و مقاوم سازی ساختمان‌ها می‌شود. 2)ساخت‌وساز جدید که در تمام مراحل آن از کامپوزیت‌های FRP استفاده می‌کند. اثربخشی کامپوزیت‌های FRP در بازسازی و مقاوم سازی ساختمان‌ها و سازه‌های شهری به‌صورت مکرر با آزمایش‌های انجام‌شده در مقیاس بزرگ نشان داده‌شده است.
آزمایش‌های انجام‌شده در مورد کامپوزیت‌های FRP
طی یک برنامه آزمایشی که در سال 2001 در دانشگاه آلبرتا در کانادا انجام شد، مشخص گردید با نصب کامپوزیت FRP در قسمت خارجی ساختمان باعث افزایش ظرفیت حمل بار دیوارهایی که در معرض نیروی فشاری بین‌صفحه‌ای قرار می‌گیرند، می‌شود. در این بررسی تعدادی از کامپوزیت‌های FRP با جنس‌های مختلف مانند ورقه‌های کربن، نوار کربن، ورقه‌های شیشه استفاده‌شده است. گفتنی است نوار کربن با بیشترین مقاومت و سختی، نسبت به دیگر انواع FRP گران‌تر است؛ درحالی‌که ورقه شیشه‌ای با کمترین میزان مقاومت و سختی، پایین‌ترین قیمت را دارد. همچنین صفحه کربن هم ازنظر مقاومت و سختی و هم ازنظر قیمت متوسط است. در آزمایش دیگری، سه کاربرد برای FRP به‌منظور مقاوم سازی ساختمان توصیف شد و نتایج تجربی به‌دست‌آمده از این بررسی ارائه‌شده است. در اولین کاربرد، میله‌های FRP به‌صورت عمودی به کار گرفته می‌شوند تا دیوارهای ساختمان را در برابر نیروهای بین‌صفحه‌ای مقاوم کنند؛ به‌عبارت‌دیگر مقاوم‌سازی خمشی ایجاد می‌کند. در کاربرد دوم، میله‌های FRP به‌صورت افقی در مفاصل ساختمان نصب می‌شود تا دیوارها را در برابر نیروهای درون صفحه‌ای مقاوم کند؛ به‌عبارت‌دیگر مقاوم‌سازی برشی ایجاد می‌کند. و درنهایت سومین کاربرد به مقاوم‌سازی دیوارهای که تکیه‌گاه مناسبی برای تیرآهن نیستند، مربوط می‌شود. در این کاربرد میله‌های FRP در قسمت پایین دیوار قرار می‌گیرند و به‌عنوان مهار برای افزایش ظرفیت خمشی عمل می‌کنند.
کاربرد روکش الیاف کربن FRP
روکش‌های الیاف کربن برای مقاوم سازی ساختمان‌ها در برابر نیروهای ارتعاشی، بازسازی ظرفیت دو برابری در حمل بار، ظرفیت کششی دیوارهای ساختمان‌های چندطبقه و همچنین برای مقاوم‌سازی صفحات متراکم بتن آرمه و مقاوم‌سازی لوله‌های قطور از جنس بتن پیش‌تنیده به کار می‌روند. ستون‌های پل با استفاده از کامپوزیت‌های فایبرگلاس، کربن و ترکیبی در برابر ارتعاشات و نیروهای وارده مقاوم می‌شوند. میزان اثربخشی کامپوزیت‌ها با جنس‌های متفاوت به‌اندازه اثربخشی روکش‌های فولادی متداول ثبت‌شده است. موفقیت اقدامات مقاوم سازی ساختمان‌ها و سازه‌های شهری با مواد کامپوزیت منجر به توسعه مفاهیم ساختاری جدید برای بهره‌برداری از لوله‌ها و توده‌های FRP شده است و درنهایت سیستم‌های ساختاری جدیدی را تشکیل داده‌اند. سیستم FRP و کامپوزیت‌های بتن آرمه به دلیل داشتن ساختار مختصر و ساده در ساختار پل‌های جدید سبک به کار می‌روند.
مقاوم سازی ساختمان ها با FRP
در سال‌های اخیر کاربردهای عملی، کامپوزیت‌های FRP را به‌عنوان یکی از مصالح مقاوم‌سازی در انواع ساختمان‌ها به‌خصوص ساختمان‌هایی که دارای ارزش تاریخی ویژه هستند، تبدیل کرده است. مقاوم‌سازی تیرها، ستون‌ها و صفحه‌ها با استفاده از کامپوزیت‌های FRP که به‌وسیله ملات پلاستیکی به نام اپوکسی در محل کشش آنها متصل است، انجام می‌شود. جهت الیاف FRP موازی با جهت اغلب نیروهای وارده است و در این ساختار هم از نوارهای FRP و هم از روکش الیاف FRP به کار گرفته می‌شود. سپس دیوارها تحت شرایط دوره‌ای فشار مداوم آزمایش می‌شوند. نتایج نشان می‌دهد که پس از انجام فرآیند مقاوم‌سازی اگر انتهای نوارهای FRP به‌درستی مهارشده باشند، ظرفیت انبساط در برش‌های درون صفحه‌ای دیوار ساختمان تا 300% افزایش خواهد یافت.
برخی از ساختمان‌های تاریخی در ایتالیا، یونان و پرتغال با استفاده از روش مقاوم سازی FRP بازسازی‌شده‌اند. برای مقاوم سازی و بازسازی یک کلیسا در ایتالیا که در اثر زمین‌لرزه شدید آسیب زیادی دیده بود، صفحه شیشه‌ای FRP به کار گرفته‌شده است. همچنین مقاوم‌سازی و بازسازی موزه ورچیلی در ایتالیا با به کار گرفتن میله‌های کربن FRP در فضای بین آجرها انجام‌شده است. بر روی یکی از چهار ضلع موزه یک شکاف عمودی ایجادشده بود و به همین دلیل بازسازی نمای بیرونی آن ضروری بود. این کار با قرار دادن میله کربن FRP به‌صورت افقی در اطراف دیوار موزه برای جلوگیری از باز شدن بیشتر ترک‌ها انجام شد.
استفاده از روش مقاوم سازی ساختمان‌ها و سازه‌های شهری با FRP دیگر غیرمعمول نیست، بلکه فرآیند مقاوم سازی ساختمان‌ها در بسیاری از کشورهای اروپایی با موفقیت انجام می‌شود. کامپوزیت‌های FRP به دلیل سهولت در نصب به‌راحتی برای مقاوم سازی ساختمان‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرند. اگرچه هزینه مواد کامپوزیت‌های FRP (فولاد و بتن) به‌مراتب از مصالح و مواد رایج بیشتر است اما هزینه ساخت،نصب و مراقبت از آن و دیگر هزینه‌های پیش‌بینی‌شده در مقایسه با مصالح ساختمانی رایج کمتر می‌باشد. درنتیجه می‌توان گفت مقاوم‌سازی با کامپوزیت‌های FRP هم کم‌هزینه‌ترین روش و هم کاربردی‌ترین راه‌حل موجود در صنعت ساخت‌وساز است.
اغلب مهندسان بر این باورند که کامپوزیت‌های FRP باید به‌عنوان یک جز اصلی و مکمل در ساختمان‌سازی به کار گرفته شود، نه به‌عنوان جزء فرعی و جایگزین. علیرغم اینکه کامپوزیت‌های FRP در شرایط خاص از مزایای قابل‌توجهی نسبت به مواد معمولی برخوردار هستند، اما کامپوزیت‌های FRP نمی‌توانند در هر ساخت و سازی جایگزین فولاد یا بتن شوند. به‌کارگیری رهنمودها و توصیه‌ها برای طراحی و استفاده گسترده‌تر از کامپوزیت‌های FRP در مقاوم سازی ساختمان‌ها ضروری است.
انواع روش‌های مقاوم‌سازی دیوارها و سازه‌های بتنی
مقاوم‌سازی برشی: با یک روکش بسیار نازک (فقط یک یا دو لایه با ضخامت 0.5 – 1 میلی‌متر) باعث بهبود ظرفیت کششی دیوار نسبت به ارتعاش‌های منتقل‌شده از بستر ساختمان به‌خصوص در برش درون صفحه‌ای می‌شود. الیاف کربن در کامپوزیت FRP در شکاف‌های مورب یا برش‌های افقی روی هم قرارگرفته و باعث باز شدن شکاف‌های خمشی می‌شوند. نیروهایی که به روکش کامپوزیت FRP منتقل می‌شوند به‌وسیله برش لایه‌ای یا مقاومت کششی عمده ناشی از مصالح موجود در دیوار محدود خواهند شد؛ به‌این‌علت که الیاف پلیمری به‌مراتب از ظرفیت کششی بالاتری نسبت به مصالح موجود در دیوار برخوردار است.
مقاوم‌سازی خمشی: به‌منظور مقاوم‌سازی دیوار با برش بین‌صفحه‌ای، باید جنبه‌های اصلی طراحی ازجمله موارد زیر در نظر گرفته شود:
1) برای دستیابی به انتقال نیرو از بستر به مواد لایه همپوشانی در مناطق با گشتاور بالا
2) برای جلوگیری از خطر احتمالی کمانش و تورق لایه‌های نازک و سخت در لایه همپوشانی در یک سمت از جزء خمشی
برای تأمین ظرفیت خمشی دیوار یک لایه عمودی از روکش الیاف کربن بر پایه برآمده دیوار گسترده می‌شود. انتهای تکیه‌گاه یا روکش الیاف به چهار تکیه‌گاه مختلف می‌رسد. دو تکیه‌گاه بتنی که هردوی آنها به پیچ تیر اصلی وصل شده و به دو شکل مختلف اطراف خمیدگی الیاف کربن پیچیده شده‌اند. علاوه‌براین، دو تکیه‌گاه فولادی دیگر وجود دارد که هر دوی آنها هم دارای پیچ زاویه فولادی و هم دارای تسمه فولادی جداگانه هستند. زاویه‌های فولادی در بالای روکش الیاف کربن قرارگرفته‌اند، درحالی‌که تسمه فولادی بین نوار پایه کربن و روکش الیاف کربن جابجا می‌شود. تاکنون بیشترین ظرفیت کششی با استفاده از تسمه‌های فولادی به‌طور جداگانه در سمت کشش به‌عنوان مهار به وجود آمده است؛ زیرا در زمان خم شدن زاویه سمت راست، تسمه فولادی با افزایش بار در تیر صاف می‌شود. ظرفیت بار جانبی تا زمانی که ظرفیت کامل روکش الیاف کربن قابل‌گسترش باشد، به جنس و نوع تکیه‌گاه بستگی ندارد. نتایج آزمایش نشان می‌دهد که طراحی روکش‌های کربن خمشی توسط محدودیت‌های فشار در سمت متراکم کنترل می‌شود که کمتر از نیمی از میزان ظرفیت کششی آن‌هاست. به‌عنوان یک قانون کلی، محدوده‌ای به‌اندازه یک‌سوم کشش نهایی باید اعمال شود.
مقاوم‌سازی صفحه بتنی: استفاده از کامپوزیت‌های کربن FRP به شکل لایه یا نوار یک روش مقرون‌به‌صرفه برای مقاوم‌سازی خمشی صفحه‌های بتن آرمه نیمه استاندارد است. کارایی این روش از طریق تحقیقات تجربی متعدد و برنامه‌های کاربردی نشان داده‌شده است. یک برنامه آزمایشی که اخیراً به اتمام رسیده، اثربخشی روش مقاوم‌سازی نوار کربن FRP بر روی صفحه‌های بتنی در مقیاس بزرگ را بررسی می‌کند. در این روش مقاوم‌سازی با ایجاد یک سوراخ مستطیلی در مرکز صفحه بتنی، باعث سست شدن صفحه بتنی می‌شود.
در این برنامه چهار آزمایش متوالی بر روی صفحه‌های بتنی در مقیاس بزرگ با برش مستطیلی در مرکز نوار مقاوم‌سازی FRP انجام شد تا افزایش مقاومت صفحه بتنی معمولی را ارزیابی کند. از چهار نمونه آزمایشی که برای این پروژه درنظرگرفته شده بود، دو صفحه بتنی به‌عنوان مرجع خط مبنا استفاده شد، به یکی از صفحه‌های بتنی در سه‌نقطه و به دیگری در چهار نقطه بار تحمیل شد. آن دو نمونه مرجع با نوارهای کربن در دو جهت اصلی مقاوم می‌شوند و به دو شکل نسبتاً خاص حمل بار مورد آزمایش قرار می‌گیرند. ابعاد صفحه بتنی 6 متر طول، 3.5 متر عرض و 0.18 متر ضخامت درنظرگرفته شده و سوراخ مستطیل شکلی به ابعاد یک متر طول، و 1.6 متر عرض در مرکز صفحه بتنی تعبیه‌شده است. ابعاد سوراخ به‌اندازه نصف صفحه بتنی درنظرگرفته شده است؛ به‌طوری‌که نسبت مقاوم‌سازی در جهت طولی به‌اندازه نصف صفحه بتنی به‌علاوه یک متر کاهش‌یافته تا ظرفیت مقاومت آن به‌طور مناسب ادامه پیدا کند. مروری بر نتایج آزمایش‌های خمشی سه و چهار نقطه‌ای نشان می‌دهد که مقاومت نهایی صفحه بتنی به بیش از دو برابر صفحه بتنی سست شده با برش مستطیلی افزایش‌یافته است. در هر دو نمونه ظرفیت حمل بار، مقیاس‌های مورداستفاده در بازیابی مقاومت اولیه صفحه‌های بتنی و همچنین افزایش سختی موفقیت‌آمیز بود. علاوه بر افزایش ظرفیت حمل بار، مقاوم‌سازی کربن FRP باعث کاهش سطح کرنش در آرماتورهای فولادی و گسترش بیشتر توزیع یکنواخت الگوی برش می‌شود.
جایگزینی کامپوزیت FRP در سازه‌ها
مزایای کامپوزیت‌های FRP آنها را برای استفاده به‌عنوان جایگزین عرشه‌ها یا در ساختار پل‌های جدید جذاب می‌کند. علاوه بر این، پایین بودن هزینه‌های عرشه FRP، وزن کم عرشه FRP باعث محبوبیت بیش‌ازاندازه FRP در صنعت ساخت‌وساز می‌شود و با جایگزینی آنها به‌جای عرشه‌های سنگین، ظرفیت حمل بار در دیوار افزایش می‌یابد. همچنین در جاهایی که فاصله بیشتری بین عرشه‌ها لازم است یا جاهایی که وزن کم باعث انتقال ارتعاش‌ها می‌شود، کاربرد عرشه FRP پتانسیل بیشتری دارد. شکل‌های مختلف عرشه‌های FRP قادر به تحمل بار بسیار زیادی در مقایسه با میزان بار مورد انتظار است. توسعه روش‌ها و سیستم‌های ساخت‌وساز جدید، ویژگی کامپوزیت‌های FRP را با ویژگی برجسته مصالح ساخت‌وساز رایج به‌عنوان بتن فشرده ترکیب می‌کند و این موضوع پتانسیل بالایی در طراحی و ساخت پیشرفته سازه‌های مهندسی جدید دارد.
جمع‌بندی
تحقیقات گسترده و کاربرد کامپوزیت‌های FRP در صنعت ساختمان‌سازی، نیاز مصالح ساختمانی جدید را برآورد کرده است. مزایای ارائه‌شده از کامپوزیت FRP نشان می‌دهد که آنها در آینده نقش به سزایی در پروژه‌های ساختمان‌سازی خواهند داشت. تأثیر مقاوم‌سازی FRP در تعمیر تجهیزات ساختمانی، مقاوم‌سازی دیوارها و صفحه‌های بتنی، مقاوم‌سازی برشی یا خمشی ستون‌ها و مشکلات اتصال و همپوشانی با آزمایش در مقیاس بزرگ ارزیابی‌شده است. اگرچه استفاده از کامپوزیت الیاف برای مقاوم‌سازی به‌منظور نوسازی ساختمان‌ها مستلزم ارائه طراحی مناسب، رهنمودها و جزییات است، اما باید اطمینان حاصل شود طرح ارائه‌شده از روش و مصالح مناسب استفاده می‌کند. با معیارهای مناسب در طراحی مقاوم سازی ساختمان با FRP، امتیازات و فواید قابل‌ملاحظه‌ای مانند کاربرد مصالح جدید و کم‌وزن و نصب آسان و راحت این مصالح به وجود می‌آید.