-3- فیبر آرامیدی یا AFRP

درانتخاب نوع فیبر بایستی به قیمت، درجه حرارت زمان بهره برداری از آن و دوام و ... توجه داشت. این نوع فیبر از PPDT ساخته می شود و دو شرکت هلندی Akzo Nobel (سازنده نوعی AFRP به نام Twaron) و شرکت فرانسوی Dupont (سازنده نوعی AFRP به نام Kevlar) سازندگان مهم AFRP در دنیا هستند. امروزه 4 نوع الیاف کولار در جهان وجود دارد یکی از آنها به نام 49 Kevlar دارای مشخصات زیر است. (….=1%, ….=2700 to 3500Mpa, E=120 Gpa)

مقاومت کششی الیاف کولار 55% مقاومت کششی الیاف شیشه ای و مقاومت برشی آن 180% الیاف شیشه ای است و نتایج آزمایشات نشان می دهد مقاومت کششی الیاف کلوار 10% از مقاومت فیبر کربنی کمتر است و قیمت آن تقریباً نصف الیاف کربنی است با این حال قابلیت کار کردن با الیاف کولار بیشتر از فیبر شیشه ای و کربنی است میلگرد ساخته شده از Kevlar نیز دارای مشخصات زیر است.

(….=1.3 to 3.6%, ….=660 to 3000Mpa, E=41.5 to 147 Gpa)

از خصوصیات AFRP:

1) صلب بودنو شبیه میلگرد بودن (rigid-rod like)

2) پایداری حرارتی بالا (high thermal stability)

3) مقاومت بالا (high strength)

4) مدول بالا (high modulus می باشد.

مقاومت کششی تحت تأثیر قرار گیری مولکولها است.

مقاومت کششی فیبر پارا آرامید تقریباً 50 درصد مقاومت کششی EGlass می باشد. در اتاق حرارتی رطوبت روی خواص کششی فیبر آرامیدی تأثیری کمتر از 5% دارد. فیبر پارا آرامید در برابر خستگی و گسیختگی خزشی مقاوم است.

خواص فشاری پارا آرامید به صورت غیر خطیمی باشد و رفتار شکل پذیر در فشار دارد. در کرنش 3/0 تا 5/0 درصد تسلیم فشاری رخ می دهد اما معمولاً کمانش قبل از تسلیم فشاری بر اثر kink bond رخ می دهد. فیبر p-aramid پایداری حرارتی بالایی دارد و عملکرد مناسب در درجه حرارت بین ..... 200- تا ...... 200 دارد ولی برای عملکرد طولانی مدت و دوام مناسب نبایستی درجه حرارت بیشتر از ........ 150 گردد. فیبر آرامیدی ضریب انبساط حرارتی منفی دارد و مقاوم در برابر اسیدها و بازها می باشد. خاصیت از هم پاشیدگی اشعه ماورای بنفش UV degration دارد. مقاومت فشاری فیبر آرامیدی به دلیل کمانش کم است لذا برای اصلاح آن از ترکیب آن با فیبر کربن یا شیشه استفاده می شود.

6-4- فیبر وینیولی یا VFRP

6-5- فیبر پلیمری پلی اتیلن با مولکول سنگین

نوع خاصی از این پلیمر را شرکت هلندی DSM به نام Spectra تولید می کند این نوع پلیمر به شکل رشته ای یا به صورت پارچه می باشد. افزایش طول کمی دارد نیاز به اصلاح پلاسما نیز دارد.

7- اشکال مختلف بر اساس نحوه تولید

1) رشته ای: در فرآیند تولید به این روش تحت کشش مستقیم قرار می گیرد.

2) رشته های به هم بافته:الیاف به هم بافته عموماً بر هم عمود بوده، زاویه 0 و 90 یا 45 ± با هم می سازند. واحد اندازه گیری وزن واحد سطح است.

3) ورقه های گسترده: پس از بافته شدن به کمک تسمه نقاله از بین رزین ترموست (عمدتاً پلی استر یا وینیل استر) عبور داده می شود و رزین گرم FRP را به صورت منسجم در می آورد.

4) روش تولید ترکیبی

5) تولید به صورت پارچه ای

8- روشهای تولید کامپوزیت FRP

8-1- بافتن رشته ها به هم یا Filament winding

الیاف یا رشته های پیوسته به صورت نوارهای موازی به دور سیلندر دوار مطابق شکل 7 پیچانده می شود در این حین ماتریس رزین پلی استر، وینیل استر یا اپوکسی به درون سیلندر دوار که رشته های فیبر به دور آن تابیده می شود دمیده شده و یا فیبرها ترکیب می شود تمامی این فرآیند برای به دست آمدن FRP با کیفیت مناسب با کمپیوتر کنترل می شود.

موارد مصرف FRP تولیدی به این روش 1) در لوله سازی 2) ساخت لوله های تحت پیچش 3) بدنه و جداره موشک 4) بطری ها و شیشه های تحت فشار 5) تانکهای ذخیره 6) فیوز تأخیری هواپیما و ... می باشد

8-2. فرایند پلتروژن یاPultrusion با این روش لمنیت ها یا ورق های پوششی با مقطع عرضی و طول معین ساخته می شود در این روش حین کشیدن نوار فیبر ماتریس که معمولاً پلی استر یا وینیل استل می باشد با گرمای الکتریکی به کمک روغن داغ به فیبر اضافه می شود و اتاقک پیش گرمایشی فرکانس رادیویی برای کنترل ضخامت در زمان عمل آوری وجود دارد.

8-3. روند تولید از طریق فرایند فشرده سازی در خلأ

در این روش وزن هوای بین لایه های FRP مانع از تشکیل آن می گردد بنابر این بر اثر پرس و فشار اعمالی بایستی هوای محبوس خارج شود تا ورق پوشی FRP یا لمینیت شکل گیرد.

یک یا چند لایه با ضخامت مختلف روی فیلم یا غشا قابل گسترش قرار داده شده، سپس تحت پرس و فشار قرار می گیرند تا هوای بین لمینیت خارج شده و ماتریس رزین به یکی از روشهای موجود حرارت داده شده و به لایه فیبر تزریق می شود.

8-4- فرآیند تولید به وسیله قالب گیری متناسب

این روش خود به 2 صورت برای تولید FRP به کار برده می شود.

1- بکار بردن قالب انتقالی رزین یا RTM

2- به کار بردن قالب مرکب ورقه ای

کامپوزیتهای FRP تولیدی به این روش خاصیت شبه ناهمسانگرد دارد.

9- عوامل مؤثر در خواص یک محصول تولیدی

1- حجم و نوع فیبر و رزین کاربردی

2- جهت قرار گیری فیبرها

3- تأثیرات ابعادی

4- کنترل کیفیت در زمان تولید

10- عوامل مؤثر در خواص مکانیکی FRP

1) مدت بارگذاری 2) تاریخچه بارگذاری 3) درجه حرارت 4) رطوبت و ... می باشد. رطوبت خواص رزین را تغییر داده، منجر به باد کردن و تابیدگی یا اعوعاج کامپوزیت می گردد. لذا برای جلوگیری از اثر مخرب رطوبت بایستی به شرایط استفاده از کامپوزیت و نوع آن توجه داشت. رزینها به دلیل داشتن مقادیر قابل توجهی کربن و هیدروژن قابل اشتعال هستند، اما ترکیب آنها با فیبر یا الیاف تقویتی منجر به افزایش مقاومت FRP در برابر آتش سوزی می گردد.

اشعه ماورای بنفش که در نور خورشید وجود دارد با ماتریس پلیمری واکنش شیمیایی داده و اثر مخربی روی FRP می گذارد برای کاهش این اثر سوء از مواد افزاینده مناسب استفاده می شود.

آشنایی با روشهای تقویت خمشی و برشی تیر بتن آرمه با ورقه FRP و مکانیزمهای گسیختگی محتمل

با توجه به احتمال ضعف تیرهای اصلی برخی از سازه ها چون تابلیه پلها در برش و خمش به دلیل افزایش بار ترافیکی لزوم آشنایی با برخی از روشهای تقویت آنها با ورقه FRP و انواع مودهای شکست در حالات تقویت ضروری است.

اولین تحقیقات در زمینه تقویت خمشی تیر بتن آرمه توسط پروفسور Meier در سال 1980 در آزمایشگاه مرکزی تست مصالح سوئیس انجام شد. روشهای سنتی تقویت چون استفاده از پس تنیدگی خارجی، ورقه های فولادی پیوند و ... هر کدام ضعفهایی در روند اجرا دارند که به کمک آنها نمی توان به مقاومت مورد نظر رسید از این رو در دهه های اخیر تحقیقات در زمینه تقویت اعضای باربر سازه ای چون تیر با ورقه های FRP بجای وربه های فولادی رشد چشمگیری داشته و به مقایسه به معایب و مزایای هر دو روش پرداخته شده است.

1- مقاوم سازی خمشی تیر بتن آرمه با ورقه

FRP Flexural Strengthening of Beams

1-1- مقاوم سازی خمشی تیر بتن آرمه با ورقه زیرین FRP (FRP Soffit Plate) :

بدین صورت انجام می شود که ابتدا سطح زیرین تیر که قرار است ورقه FRP به آن چسبانده شود را آماده نموده و سطوح ضعیف را برداشته تا دانه های بتن نمایان شده و جهت پیوند مناسب آماده گردد. سپس ورقه های دست ساز را به کمک چسب به سطح مورد نظر تیر می چسبانند. در طی این روند می توان از ورقه های پیش ساخته یا مهار های U شکل برای کاهش ریسک عدم پیوند ورقه استفاده کرد.

ورقهای زیرین خود به 3 قسم تقسیم می شوند:

1) ورقه های زیرین تنیده نشده Unstressed Soffit Plates

2) ورقه های زیرین تنیده نشده با مهار انتهایی

End Anchorage for Unstressed Soffit Plates

3) ورقه های پیش تنیده زیرینPrestressed Soffit Plates تقسیم می شود.

1-1-1- مقاوم سازی با ورقه های زیرین تنیده نشده Unstressed Soffit plates

پر کاربرد ترین حالت می باشد و اکثر تحقیقات روی این روش متمرکز شده است. 3 روش جهت چسباندن ورقه ها به کف تیر بتن آرمه وجود دارد.

1) ورقه های پیش ساخته FRP با فرآیند

Pultrusion (Prefabricated/Pultruded FRP Plates)

2) ورقه های آماده شده در محل (دست ساز) Wet-Lay-Up

3) روش تزریق چسب Resin infusion

در روش اول ورقه ها به اندازه لازم بریده شده و به سطح زیرین تیر بتن آرمه چسبانده می شوند، این روش دارای درجه اطمینان بالایی از نظر یکنواختی مواد و کنترل کیفیت می باشد. روش دستی دارای کاربرد بیشتری است. این روش ارزانتر می باشد و در آن رزین را ابتدا به سطح بتن کشیده، سپس لایه فیبری را به وسیله غلتک به سطح بتن می چسبانند. این روش به ناصافی سطح بتن حساس است و این ناصافیها سبب عدم پیوند مناسب FRP و جدایی ورقه از بتن می گردد. روش تزریق چسب نیز خصوصیاتی مشابه با روش دست ساز دارد ولی کاربرد محدودی دارد.

2-1-1- مهار انتهایی برای ورقهای تنیده نشده

End Anchorage for Unstressed Soffit Plates

برای جلوگیری از گسیختگی عدم پیوند یا عدم چسبندگی (debonding) مهار مکانیکی می تواند نصب شود. استفاده از تسمه U شکل فولادی یا از جنس FRP معمولترین نوع این مهارها می باشد. این تسمه ها می توانند با پیچ Bolt یا چسب Bond به انتهای تیر متصل شود. در روش پیچی، اتصال بتن با FRP مستقیماً با پیچ صورت می گیرد. مهار انتهایی از جنس FRP می تواند به صورت دستی به شکل دورپیچ کامل یا نسبی نصب گردد.

3-1-1- ورقهای پیش تنیده زیرین Prestressed Soffit Plates

ورقهای FRP ساخته شده با فرآیند Pultrusion را می توان به صورت پیش تنیده به تیر بتن آرمه متصل کرد. مهمترین مزیت استفاده از ورقهای پیش تنیده این است که قبل از وارد شدن بار به سازه ظرفیت باربری سازه را افزایش می دهد و سبب کاهش عرض ترکها می شود. از آنجایی که مقاومت کششی FRP بالا است لذا پیش تنیدگی منجر به کاربرد ؤثر آن می گردد. پیش تنیدگی نسبت به پارامتر کارگر حساس بوده و دقت بخصوصی جهت طراحی و نصب سیستم مهار انتهایی نیاز دارد. این روش به دلیل محدودیت تحقیقات تجربی و آزمایشگاهی که در این زمینه انجام شده است هنوز در مراحل آغازین می باشد. در این روش پس از آماده کردن سطح زیرین تیر، ورقه تا یک سطح مورد نظر کشیده شده، سپس سطح زیرین تیر و ورق را با چسب آغشته می کنند و تیر را بلند کرده تا در ورق فشار ایجاد شود. پس از این که چسب کمی خود را گرفت به کمک گیره ها و مهارهای مکانیکی انتهایی کشیده و پس از آن که چسب خود را گرفت این قیدهای مکانیکی انتهایی را آزاد می کنند.

2- مقاوم سازی برشی تیر بتن آرمه با ورقه

FRP Shear Strengthening of Beams

گسیختگی های برشی و خمشی از مهمترین مدهای گسیختگی برای تیرهای تقویت نشده می باشند. گسیختگی خمشی به دلیل نرم بودن عموماً بر گسیختگی برشی به دلیل ترد بودن ارجح می باشد. زیرا در گسیختگی نرم امکان باز توزیع تنش وجود دارد و می تواند هشداری برای کاربر باشد. در الی که در گسیختگی ترد و ناگهانی به دلیل عدم اخطار قبلی می تواند سبب فاجعه گردد. در مقاوم سازی خمشی به کمک ورقه های خارجی FRP نشان داده شده که شکل پذیری تیر نسبت به حالت مقاوم سازی نشده بسیار کمتر می باشد. با این وجود این مد گسیختگی از گسیختگی برشی نرمتر می باشد. بنابراین یک تیر مقاوم سازی شده باید دارای ظرفیت برشی کافی بوده و به طوری که به ظرفیت خمشی برسد. زمانی که یک تیر بتن آرمه در برش ضعف داشته باشد یا ظرفیت برشی آن از ظرفیت خمشی تیر کمتر باشد پس از انجام مقاوم سازی خمشی، مقاوم سازی برشی باید مورد توجه قرار گیرد. باید دانست که اندازه گیری ظرفیت برشی تیر مقاوم سازی شده بسیار مهم می باشد. مقاوم سازی برشی، برخی مواقع نقشی کلیدی در استراتژی مقاوم سازی برای ساختمان های بتن آرمه را بازی می کند. به هر حال چند روش سنتی برای مقاوم سازی برشی تیرها وجود دارد. اخیراً استفاده از نوارهای FRP بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. در کنار سایر نتایج عالی FRP ها از جمله مقاومت در مقابل خوردگی و مقاومت بالا در مقابل وزن کم انعطاف پذیری FRP ها جهت فیت شدن با سایر شکل ها و گوشه ها همواره برای مقاوم سازی سودمند واقع شده اند مطالعات بر روی مقاوم سازی برشی از سال 1990 شروع شده است و همچنان ادامه دارد.

1-2- اگوهای مختلف تقویت برشی تیر بتن آرمه با ورقه FRP

به طور کلی 3 نوع الگوی پیوند در تقویت برشی در تیرها وجود دارد:

1- ورقه FRP دور تا دور تیر را در بر گیرد مطابق شکل 4- (a)

2- پوشش U شکل FRP مطابق شکل 4- (b)

3- ورقه FRP دو طرف تیر چسبانده شود مطابق شکل 4- (c)

الگوی ( c ) که ورقه FRP دو بر تیر چسبانده می شود رایجترین الگو می باشد.

الگوی (b) یا FRP U Wrap روشی عملی برای افزایش مقاومت برشی مقاطع بتن آرمه می باشد ولی در نواحی لنگر مثبت عمدتاً مؤثر می باشد. چون در نواحی لنگر منفی ترکهای اولیه عمدتاً در نزدیکی دال بتن آرمه رخ داده و این الگوی تقویتی قادر به کنترل و جلوگیری از گسترش ترکهای اولیه نبوده، بنابراین ترکها باز شده و این الگوی تقویتی تأثیری در کنترل ترک در ناحیه لنگر منفی ندارد. الگوی (a) که پوشش دور تا دور می باشد موفق ترین الگوی تقویت برشی است ولی به دلیل مسائل اجرایی و عدم دسترسی کامل به دور تا دور امکان اجرای این الگو به دلیل وجود دال بتن آرمه کم است.

پوششها و توزیع ورقه را در تقویت برشی به 2 بخش 1) یکپارچه 2) منقطع تقسیم می کنیم (مطابق شکل -5). الگوی نوارهای منقطع یا Strips امکان تبخیر آب بتن، عمل آوری و مصرف کمتر FRP را فراهم می سازد ولی از نظر اجرایی مشکلات خاص خود را داشته از طرفی امکان تشکیل مود گسیختگی خطرناک عدم پیوند یا چسبندگی De-bonding در این حالت بیشتر است.

به طور کلی می تواند جهت نوارهای تقویت یا Strips و جهت فیبرهای اصلی در حالت یکپارچه متغیر بوده حتی از 2 نوار عمود بر هم یا 2 لایه با فیبرهای عمود بر هم (حالت ضربدری) خصوصاً تحت بارهای سیکلی استفاده می شود.

در جداول زیر به مقایسه انواع الگوهای برشی تقویت برشی تیر بتن آرمه با ورقه FRP پرداخته شده است.

جدول 1 – جدول مزایا و معایب الگوهای مختلف پیوند FRP