مروری بر کامپوزیتهای پلیمری تقویت شده با الیاف در ساختمان

مروری بر کامپوزیتهای پلیمری تقویت شده با الیاف در ساختمان

مقدمه

به سبب اهمیت کنترل مخاطره به لحاظ ایمنی همگانی، استانداردها و آیین‌نامه‌های مربوط به مواد FRP مورد استفاده در سازه‌های عمرانی از دهه 1980 عرضه شده‌اند. مواد FRP نیاز به پرداختن جداگانه در استانداردها و آیین‌نامه‌ها هستند که این به خاطر مدول و چكش‌خواري کمتر آنها در مقایسه با مصالح مرسوم مانند فلزات است. بدون استانداردها و آیین‌نامه‌ها بقای مواد FRP فراتر از حوزه پژوهش و پروژه‌های نمایشی نمي‌تواند باشد. طرح‌های شناسایی مواد و روش‌های آزمون استانداردشده عدم قطعیت در کارایی و شناسایی مواد FRP را به کمترین میزان رسانده است. آیین‌نامه‌ها امکان طراحی، ساخت و کار با ایمنی و اطمینان مواد دارای FRP را فراهم آورده است. این بخش گسترش استاندارد و آیین‌نامه را در ژاپن، کانادا، ایالات متحده و اروپا توضیح می‌دهد. دستاورد اصلی این فعالیت‌ها تاکنون مربوط به استفاده از مواد FRP برای تقویت سازه‌های جدید و تعمیر و به‌سازی سازه‌های موجود است. ژاپن تلاش‌ها برای تجویز ویژگی‌های فنی جهت طراحی و ساخت سازه‌های بتنی با تقویت‌کننده‌های FRP در ژاپن در دهه 1980 آغاز شد. مثال‌هایی از تعیین مشخصات تقویت‌کننده‌های داخلی در اواسط دهه 1990 به شرح زیر تکمیل شد: 1. توصیه‌ها برای طراحی و ساخت سازه‌های بتنی با استفاده از مواد تقویت‌کننده لیفی پیوسته 2. راهنمایی‌ها برای طراحی ساختاری ساختمان‌های بتنی تقویت‌شده با FRP در ژاپن 3. روش‌های طراحی برای ساختمان‌های بتنی تقویت‌شده با FRP پیش‌تنیده مورد 1 که در اینجا با عنوان توصیه از آن یاد می‌شود توسط موسسه مهندسین عمران ژاپن (JSCE) در 1997 منتشر گشت و برای سازه های بتنی غیر از ساختمان‌ها در نظر گرفته شده بود. این توصیه شامل مشخصات فنی کیفی و روش‌های آزمون برای مواد FRP و نیز توصیه‌هایی برای طراحی و ساخت با مواد FRP است. مشخصات فنی کیفی تقویت‌کننده‌های FRP ویژگی‌های لازم و خواص تقویت‌کننده‌ها را مشخص می‌کنند و راهنمای گسترش تقویت‌کننده‌های جدید برای کاربردهای عملی است. ویژگی‌های تقویت‌کننده شامل نوع لیف و چیدمان تقویت‌کننده است. ویژگی‌های مشخص‌شده شامل نسبت حجمی الیاف محوری، سطح مقطع تقویت‌کننده، استحکام کششی تضمین شده، مدول کششی، کشش، استحکام پارگی خزشی، سرعت آسودگی و دوام از بین بقیه است. بیشتر خواص مشخص شده برپایه آزمون‌های توصیف شده در توصیه‌نامه تعیین می‌گردد. جزییات بیشتر نیز توسط Uomoto و همکاران داده شده است. توصیه‌های طراحی و ساخت در مورد 1 در بالا برپایه تعیین مشخصات استاندارد برای طراحی و ساخت سازه‌های بتنی JSCE می‌باشد که برای سازه‌های بتنی در کل است. این توصیه‌ها برای ساخت در مورد 1 با مسایلی همچون مواد سازنده FRP، ذخیره و کار با FRP، سرهمبندی و قرار دادن تقویت‌کننده‌های FRP، ملاحظات در قراردادن بتن و زره‌دار کردن تاندون و کنترل کیفیت است. برخی جزییات که در این توصیه‌نامه پوشش داده شده در جای دیگر در مراجع آمده است. موارد 2 و 3 که در بالا فهرست شده است برای سازه‌های ساختمانی در نظر گرفته شده است. این مشخصات فنی در 1993 عرضه شد به صورت حاصل نهایی پروژه تحقیق و توسعه "بهره‌گیری موثر از چندسازه‌هاي پیشرفته در ساختمان‌سازی" که توسط وزارت مسکن دولت ژاپن حمایت مالی شد. مورد 2 از روش طراحی برپایه حالت حدی با مقرراتی تا اندازه‌ای متفاوت از مورد 1 بهره می‌گیرد. جرئیات در مراجع انگلیسی یافت می‌شوند. پس از زلزله Hyogoken-Nanbu در 1995 استفاده از ورق‌‌های الیاف کربنی پیوند خورده خارجی برای بهسازی لرزه‌ای ستون‌ها و پایه‌های RC به شدت در ژاپن افزایش یافت. پیش از این زمان استفاده بیشتر جهت تعمیر بود. ورق‌های الیاف آرامید برای بهسازی و تعمیر هم در این زمان عرضه شدند. رهنمودهای طراحی برای بکارگیری ورقه‌های FRP در پایه‌های پل بزرگراهی یا ستون‌هاي راه‌آهني به صورت زیر است: 1. رهنمودهای طراحی و ساخت پیشنهادی برای بهسازی پایه‌های بتنی تقویت‌شده با بهره‌گیری از ورق‌های الیاف کربنی (آرامیدی) توسط اتحادیه جاده ژاپن 2. رهنمودهای طراحی و ساخت بهسازی لرزه‌ای ستون‌های راه‌آهني با استفاده از ورق‌های الیاف کربنی (آرامیدی) توسط موسسه تحقیقات فنی راه‌آهن این رهنمودها معادلاتی برای ارزیابی اثرات ورقه‌های FRP بر ظرفیت برشی و چكش‌خواري است. رهنمودهایی مشابه برای ستون‌های ساختمانی و مرکزی تونل‌های زیرزمینی و عرشه پل‌ها نیز تجویز شده است. روش‌های استاندارد برای ورقه‌های FRP توسط موسسه بتن ژاپن عرضه شده است. این روش‌ها شامل آزمونی برای خواص کششی ورق‌های FRP و آزمونی مخصوص استحکام پیوند است. کانادا استفاده از FRP در کاربردهای مهندسی عمران در کانادا در اواخر دهه 1980 هنگامی که انجمن مهندسین عمران کانادا یک کمیته فنی در زمینه استفاده از مواد چندسازه‌ی پیشرفته در پل‌ها و سازه‌ها براه انداخت آغاز گشت. کارهای این کمیته توسط دولت فدرال کانادا تایید گشت و منجر به پایه‌گذاری شبکه مواد چندسازه‌ي پیشرفته در پل‌ها و سازه‌ها در 1992 گشت. این شبکه چندین ماموریت در ژاپن، اروپا و ایالات متحده را حمایت مالی کرده و یافته‌هایش را در گزارش‌های خود در این زمینه مستند ساخته است. در 1995 دولت فدرال کانادا شبکه مراکز برتر در حسگری هوشمند برای ساختارهای نوآورانه را بنا نهاد. یک زمینه مورد تمرکز ISIS استفاده از مواد FRP در سازه‌های جدید و بازسازی سازه‌های موجود است. ISIS چند رهنمود طراحی در زمینه تقویت‌کننده‌های FRP پیوند خورده خارجی و داخلی منتشر ساخته، در چند کمیته آیین‌نامه و استاندارد شرکت کرده، و چند گردهمائي ملی و بین‌المللی برگزار کرده است. در سال 2000 بخش 16آیین‌نامه طراحی پل بزرگراهی کانادا، "بتن تقویت‌شده با الیاف"، تکمیل شد. اتحادیه استانداردهای کانادا هم‌چنین آیین‌نامه "طراحی و ساخت اجزای ساختمان با FRP را در 2002" به تایید رسانده است. ایالات متحده ایالات متحده علاقه‌اي قديمي و پيوسته به تقویت‌کننده‌های پایه لیفی در سازه‌های بتنی داشته است. شتاب در توسعه و فعالیت‌های تحقیقاتی در دهه 1980 با برنامه‌ها و چشم‌انداز بنیاد ملی علم و اداره فدرال بزرگراه که از تحقیقات در دانشگاه‌ها و موسسات تحقیقاتی مختلف حمایت می‌کرد آغاز گردید. در 1991، ACI کمیته 440، "تقویت‌کننده FRP"، را تاسیس کرد. این کمیته یک گزارش در زمینه تقویت‌کننده FRP برای سازه‌های بتنی در 1996 منتشر کرد.کمیته 440 به تازگی دو سند که به تایید کمیته فعالیت‌های فنی برای انتشار در سال 2001 رسیده ارائه کرده است. این اسناد عبارتند از

(1) "راهنمای طراحی و ساخت تقویت‌کننده بتنی بتن با میلگردهای FRP" (کمیته 440 ACI 2001) و (2) "راهنمای طراحی و ساخت سامانه‌های FRP پیوند خورده خارجی برای استکام‌بخشی سازه‌های بتنی". این کمیته در حال حاضر در زمینه اسناد زیر کار می‌کند: (1) "قطعات ساختاری FRP ثابت در محل" (2) "دوام FRP برای سازه‌های بتنی" و (3) "راهنمای طراحی و ساخت اجزای بتنی پیش‌تنیده با FRP" که انتظار می‌رود در 2002 و 2003 کامل شود. اروپا تحقیق در زمینه استفاده از FRP در اروپا از دهه 1960 آغاز گشت. برنامه تقیقی مشترک پن-اروپایی (EUROCRETE) در 1993 پایه‌گذاری شد و در 1997 به پایان رسید. این برنامه گسترش تقویت‌کننده FRP برای بتن را هدف قرار داده بود و شرکایی از انگلستان، سوییس، فرانسه، نروژ و هلند داشت. گروه کاری 9.3 فدراسیون بین‌المللی بتن سازه‌ای [Fédération Internationale du Béton (FIB)]، "تقویت‌کننده FRP برای سازه‌های بتنی"، در 1993 با هدف بنانهادن رهنمودهای طراحی به تقلید از ساختار Béton-Fédération International de Ia Précontrainte Model Code and Eurocode 2 تشکیل گشت. گروه کار 9.3 به زیرگروه‌هایی در زمینه آزمایش و شناسایی مواد، RC، بتن پیش تنیده، تقویت‌کننده پیوند خورده خارجی و بازاریابی و کاربردها تقسیم می‌شود. این گروه کاری از اعضایی به نمایندگی از بیشتر دانشگاه‌های اروپا، موسسات تحقیقاتی و شرکتهای درگیر در تقویت‌کننده‌های FRP برای بتن تشکیل گشته است و شامل نمایندگانی از کانادا، ژاپن و ایالات متحده است. این گروه کاری ارائه یک بولتن FIB در زمینه رهنمودهای طراحی مربوط به تقویت‌کننده‌های پیوند خورده خارجی برای سازه‌های بتنی تقویت‌شده (FIB 2001) را به پایان رسانده است. پشتیبان فالیت گروه کاری 9.3 یک شبکه پرورش و پویایی پژوهشگران (TMR) از اتحادیه اروپاست. در انگلستان موسسه مهندسین سازه یک راهنمای موقت در زمینه طراحی سازه‌های RC با تقویت‌کننده FRP (Institution 1999) را منتشر ساخته است. پیش‌تنیدن و تقویت‌کننده‌های پیوند خورده خارجی در این راهنما نیامده‌اند. این راهنما بسیار برپایه آیین‌نامه‌های طراحی انگلستان است و به آن اشاره دارد. راهبردهای پذیرفته شده شبیه آنهایی که در ژاپن، کانادا و ایالات متحده در دست توسعه است. کارهای پیشرو در زمینه استانداردها و آیین‌نامه‌ها از دیدگاه فنی، نیاز به استانداردها و آیین‌نامه‌های تخصصی مواد FRPاز خواص مکانیکی و فیزیکی اساسا متفاوت در مقایسه با مصالح ساختمانی مرسوم ریشه می‌گیرد. چنان‌چه در بخش پیش گفته شد گسترش استانداردها و آیین‌نامه‌ها مربوط به استفاده از تقویت‌کننده FRP با سازه‌های بتنی تداوم دارد و انتظار می‌رود در چند سال آینده ادامه پیدا کند. انگیزه بیشتر این فعالیت با نیازهای سریع و واضح به مواد بهبودیافته اقتصادی برای تعمیر و بهسازی سازه‌های متروک، تخریب شده یا آنها که در مناطق لرزه‌خیز واقع شده‌اند بوجود آمده است. در موارد دیگر همچون ساختمان‌سازی جدید که در آن نیاز به مصالح جدید همواره از نگاه اقتصادی کوتاه مدت مشخص نیست استانداردها و آیین‌نامه‌ها استفاده از مواد FRP را تا زمانی که تجربه بلند مدت بیشتر بدست آید تسهیل خواهد کرد. این تجربه به تدریج می‌تواند به شناخت منافع اقتصادی چرخه زندگی نوید بخش مواد FRP توسط طراحان و مالکان سازه‌ها منجر گردد. از میان کاربردهایی که در این مقاله پوشش داده شده قطعات و عرشه‌های پل FRP دچار کمترین پیشرفت در آیین‌نامه‌ها و استانداردها هستند. بنابراین کارهای تحقیقاتی آینده در زمینه استانداردها و آیین‌نامه‌ها می‌بایست بیش از پیش در این حوزه‌ها متمرکز باشد. جمعبندی این مقاله ظرفیت‌های کاربردی بسیار مواد چندسازه‌ي FRP در ساختمان‌سازی را نشان داد هرچند نیاز به گزیده‌گویی از شرح کامل تمام عناوین جلوگیری می‌کند. می‌توان گفت مقدار تجربه درباره شکل‌های گوناگون مواد ساختمانی FRP مطابق منافع اقتصادی و ایمنی مواد فرق می‌کند. برای در مورد تقویت‌کننده‌های پیوند خورده خارجی منافع اقتصادی و ایمنی آنی مشخص است و این مواد در صنعت به طور گسترده‌ای پذیرفته شده‌اند. در موارد دیگری که در آنها مواد FRP جز اصلی باربر سازه در نظر گرفته شده‌اند، کاربردهای عملی نیاز به ادامه تحقیق را در حالی که اطلاعات بلند مدت در حال بیشتر شدن هستند می‌رساند. تعدادی برنامه پایش دقیق در مورد تقویت‌کننده‌های اصلی FRP در گوشه و کنار دنیا در دست اجراست و باید این پایه تجربی را در سال‌های آتی فراهم کند. استانداردها و آیین‌نامه‌ها در مورد مواد FRP و استفاده‌شان در ساختمانسازی یا منتشر شده‌اند و یا در حال حاضر در ژاپن، کانادا، ایالات متحده و اروپا در دست نگارشند. این اسناد رسمی به لحاظ ساختار به استانداردها و آیین‌نامه‌های مرسوم می‌مانند تا پذیرفتن آنها توسط سازمان‌ها و کارگزاران دولتی آسان کند. بارزترین اختلاف‌های مکانیکی بین مواد FRP و مواد فلزی مرسوم استحکام بالاتر، سختی پایینتر، رفتار کشسان خطی تا گسست آنهاست. دیگر اختلاف‌ها همچون ضریب انبساط حرارتی، جذب رطوبت، مقاومت حرارتی و در برابر آتش نیز باید در نظر گرفته شود. آموزش و پرورش مهندسین، کارگران ساختمانی، بازرسان، مالکان سازه‌ها در جنبه‌های مرتبط گوناگون فناوری و کار با FRP در بکارگیری موفق مواد FRP در ساختمان حیاتی است. به هرحال باید تاکید کرد که حتی با کاهش معتدل پیش‌بینی شده در قیمت مواد FRP استفاده آنها بیشتر محدود به کاربردهایی است که خواص منحصر به فرد آنها بسیار مورد نیاز است.

منبع: مجله بسپار