آشنایی با مفاهیم مرتبط با FRP

چکیده

با توجه به کاربرد روز افزون اشکال مختلف FRP در تقویت سازه های بتن آرمه، حتی کاربرد آنها در تقویت سازه های فولادی لزوم آشنایی با برخی از مفاهیم پایه در این مقوله ضروری به نظر می رسد.

مقدمه:

با آشنایی با مفهوم FRP ، لزوم آشنایی با برخی از مفاهیم چون کامپوزیت، پلیمر، رزین یا ماتریس، طبقه بندی FRP بر اساس فیبر یا الیاف تشکیل دهنده یا انواع رزینهای پلیمری تشکیل دهنده آن، مقایسه بین آنها، روشهای تولید، عوامل مؤثر در خواص مکانیکی لزوم دارد.

1- FRP چیست؟

 این کلمه اختصاری از کلمات Fiber Reinforced Polymer or Plastic می باشد. به عبارت دیگر به یک ماده مرکب و کامپوزیتی اطلاق می شود که از فیبریا الیاف تقویتی و ماتریس (ماده در بر گیرنده) یا رزین از جنس پلیمر تشکیل شده است.

 2- تاریخچه صنعت FRP در آمریکا و ظهور آن در صنعت ساختمان:

 بعد از جنگ جهانی دوم ابتدا از FRP به صورت یک جسم شیشه ای جامد برای ساختن چوب ماهیگیری و گلف، پایک پرچم و چوب اسکی استفاده می شد به تدریج از FRP در ساخت تجهیزات الکتریکی به دلیل مقاومت کششی و فشاری بالا و قابلیت نارسایی (هادی نبودن) الکتریکی بالا مورد استفاده قرار گرفت و امروزه کاربردهای مختلف آن در تولیدات خانگی چون نردبان، کانالهای تهویه و ریلها به وضوح قابل ملاحظه است. به طور کامل می توان گفت FRP کاربردهای وسیعی در زمینه های مختلف چون خودروسازی، الکترونیک، پزشکی، هوا فضا، ساختمان سازی و ... دارد.

 از اوایل دهه 1960 با گسترش احداث سازه های فرا ساحل و پلهای بزرگ که در معرض آب دریا که محیط خورنده ای است قرار دارند، محققان درصدد رفع بزرگترین عیب ورقه های تقویتی فلزی که همان خوردگی و زنگ زدن فولاد است، برآمدند. آنها برای حل این مشکل استفاده از ورقه های گالوانیزه (آلیاژ فولاد + روی) را توصیه کردند ولی این آلیاژ در یک محیط اسیدی واکنش شیمیایی داده و پیوند بین فولاد و روی گسسته می شود، شرکتهای مختلف برای حل این معضل پیشنهادات گوناگونی دادند. استفاده از اسپری الکترو استاتیک، چسبهای ترکیبی پودر شده، آغشته کردن فولاد به روغن چون لوله های گاز و ... تا این که اداره فدرال بزرگراه های ایالت متحده، استفاده از فولاد اپوکسی را توصیه کرد. در نهایت شرکت GFRP, Marshall-Vega را تولید و به بازار عرضه کرد. یکی از کاربردهای میلگردهای GFRP در ساخت محفظه MRI می باشد.

 3- کامپوزیت چیست؟

 به ماده ای اطلاق می شود که از 2 یا بیشتر ماده مجزا با نواحی قابل تشخیص و تفکیک از یکدیگر و یک سطح مشترک و در پاره ای موارد یک ناحیه واسط تشکیل می شود. FRP یک کامپوزیت است که برای افزایش چسبندگی الیاف یا فیبر تقویتی با ماتریس رزین معمولاً از اصلاح سطحی استفاده می شود. چوب را می توان یک کامپوزیت طبیعی در نظر گرفت و در یک نگاه کلی تر بتن آرمه نیز یک نوع کامپوزیت و متشکل از اجزای متمایز است.

 4- پلیمر چیست؟

 به یک زنجیره طویل از مولکولها که از یک یا چندین اتم که با یکدیگر از طریق پیوند کووالانسی متصل شده اند اطلاق می شود.

 پلیمرها بر اساس روند تشکیل پیوند یا ترتیب نامنظم و غیر بلوری یا ترتیب تقریباً منظم و نیمه بلوری دارند و نسبت مولکولها در پلیمرها بستگی به انگیزش تصادفی آنها دارد. هر چه درجه حرارت زمان تشکیل پلیمر بالا می رود برانگیزش تصادفی نیز بیشتر می گردد.

 4-1- روند تشکیل پیوند پلیمری با افزایش درجه حرارت

 مراحل تشکیل پیوند پلیمری با افزایش درجه حرارت می توان به موارد زیر تقسیم بندی کرد :

 1) مرحله شدیداً ویسکو الاستیک highly viscoelastic   تغییر شکل های بزرک الاستیک با اندکی تغییر شکل ویسکوز دارند .

 2) مرحله پلیمر شبیه لاستیک rubber like solid تغییر شکل های بزرگ الاستیک تحت برگذاری خارجی (مانند لاستیک )دارند.

 3) مرحله غیر بلوری .           amorphous

 4) مرحله ی نیمه بلورین       semi-crystalling

 5) حالت مایع لزج                viscous liquid state

 6) نقطه ذوب بلور          crystalline melting point

 پلیمر های تشکیل دهنده ماتریس FRP به 2 دسته کلی زیر تقسیم می کنیم

 1-           پلیمر های ترموست یا Thetmosetting

  2- پلیمرهای ترموپلاستیک یا Thermoplastic

 به طور کلی هر چه نرخ بارگذاری افزایش با مدت بارگذاری کاهش و یا در جه حرارت زمان تشکیل کاهش می یابد رفتار پلیمر بدست آمده تردتر خواهد بود .

 High loading tate or short duration of loading or low temperature → rigid brittle manner

 Low loading rate or long duration of loding or high temperature → ductile manner

 4-2- مزایای پلیمر ترموست یا Thermosetting

 1) پلیمرهای ترموست نسبت به پلیمرهای ترموپلاستیک قابلیت و عملکرد تحمل بار در درجه حرارت و فشار بالاتر را دارند (به دلیل این که فرآیند تشکیل این گونه پلیمرها دارای مراحل مختلف تشکیل چون liquid state , low viscousity و ... می باشد)

 ٢) پلیمرهای ترموست دارای وزن مولکولی کم و به صورت مایع یا ویسکوزیته پایین هستند که با استفاده از رادیکالهای آزاد در پیوند آنها به صورت جامد در می آیند.

 3) پلیمرهای ترموست پایداری حرارتی مناسبی دارند.

 4) پلیمرهای ترموست دارای مقاومت شیمیایی مناسب هستند.

 Good thermal stability & suitable chmical resistance

 5) عملکرد مناسب در برابر خزش و آسودگی تنش

  Creep & stress relaxation

 4-2-1- معایب پلیمر ترموست یا Thermosetting

 1- عمر کوتاه Short shelf life

 2- بر اثر ترکیب با ماده عمل آوری یا Curing agent

 الف) کرنش نهایی کم در زمان گسیختگی دارد

 ب) مقاومت کم در برابر ضربه

 4-3- مزایای پلیمر ترموپلاستیک یا Thermoplastic

 1) مقاومت بالا در برابر ضربه High impact strength

 2) مقاومت بالا در برابر گسیختگی High fracture resistance

 3) عمر نهایی بالا به شرط دوری از رطوبت و خشک بودن آنها در زمان بهره برداری خواهند داشت.

 4) سیکل (مراحل) تشکیل کمتری دارند.

 5) به صورت مجدد و ثانویه نیز تشکیل می شوندSecondary formability

 6) کار کردن با آن آسانتر و آسیب پذیری کمتری دارد.

 Ease of haneling & damage tolerance

 اما به طور کلی استفاده تجاری از پلیمر ترموپلاستیک کمتر صورت می گیرد به دلیل ویسکوزیته زیاد و عدم ترکیب مناسب با فیبرهای پیوسته به خصوص در 2 روش تولید FRP:

 1)     به صورت دور پیچ در آوردن چند رشته یا Filament

 2)     پلتروژن: معمولاً وزن ماتریس پلیمر25 تا 50 درصد وزن کل FRP را تشکیل می دهد هر چه این نسبت وزنی کمتر باشد عملکرد سازه ای FRP بهتر است.

 4-4- انواع رزینهای پلیمری ترموست Thermosetting

 4-4-1- پلیمرهای غیر اشباع Unsaturated polyester شامل:

 1) پلی استر غیر اشباع یا Unsaturated polyester شامل:

 الف) پلی استر اورتو Orthophthalic polyester

 ب) پلی استر ایزو Isophthalic polyester

 مزایای پلیمر ایزو نسبت به پلیمر اورتو

 1-   مقاومت حرارتی بالاتر

 2-   خواص مکانیکی اصلاح شده

 3-   مقاومت بیشتر در برابر رطوبت و عیب آن گران قیمت تر بودن آن است.

 2) وینیل استر یا (VE) Vinylester : نسبت به پلی استرهای ایزو و اورتو گرانقیمت تر است ولی عملکرد شیمیایی و مکانیکی بهتری نسبت به آنها دارد خصوصاً چقرمگی Toughness ، انعطاف پذیری یا Flexibility و مقاومت مناسب در برابر محیطهای خورنده خصوصاً قلیایی ها با PH بالا مثل بتن دارند لذا بسیاری از محققان استفاده از این پلیمر را برای ساختن FRP توصیه می کنند.

 3) پلیمر غیر اشباع BPA یا Bisphenol A fumatates : مزایای این پلیمر نسبت به سایر پلیمرهای غیر اشباع:

 1.      صلبیت بیشتر High rigidity

 2.      عملکرد حرارتی اصلاح شده Improved thermal performance

 3.      عملکرد شیمیایی اصلاح شده Improved chemical performance

4.      دارای خاصیت Chlorendics به خاطر Chlorine می باشد که خسارات ناشی از آتش سوزی را به تعویق می اندازد به عبارت دیگر تأثیر آتش سوزی را کند تر می نماید و مقاومت شیمیایی مناسب نیز دارد.

 4-4-2- پلیمرهای اشباع Saturated Polymers

 1) اپوکسی: عمدتاً در صنعت هوا و فضا و دفاعی استفاده می شود و نوع مناسب این رزین به نام prepreg می باشد. پیوند بین اپوکسی و فیبر تقویتی با استفاده از سخت کننده ها یا عامل عمل آوری FRP تشکیل می شود. قیمت ماتریس اپوکسی تقریباً 2 برابر ماتریس پلی استر است.

 4-4-2-1- مزایای استفاده از ماتریس اپوکسی:

 1.      خواص فیزیکی و مکانیکی متنوع به خاطر تنوع در مواد اولیه به کار رفته

 2.      هیچ گونه فرار منومر در مراحل تشکیل پلیمر وجود ندارد.

 3.      مقاومت شیمیایی و حلالیت خوبی دارد.

 4.      کمترین آبرفتگی را نسبت به سایر پلیمرها در طول عمل آوری دارا است.

 5.      چسبندگی مناسب با انواع مختلف فیبر تقویتی و پر کننده دارد.

 4-4-2-2- معایب استفاده از پلیمر اپوکسی:

 1.      قیمت ماتریس اپوکسی عمومً از پلی استر ایزو و رزین وینیل استر بالاتر است.

 2.      اپوکسی بایستی به دقت در فرآیند تولید FRP بکار رود تا FRP مقاومت مناسبی در برابر رطوبت داشته باشد.

 3.      زمان عمل آوری و فرایند تولید FRP به حد کافی بلند باشد.

 4.      بعضی از سخت کننده ها برای افزایش مقاومت در زمان حمل FRP و برخی برای جلوگیری از واکنشهای سطحی و حساس باید در فرآیند تولید FRP بایستی به ماتریس اپوکسی اضافه شوند.

 2) پلیمرهای آمینو

 3) پلیمرهای فنولیک

 4) پلیمرهای متاکریت

 5) پلیمر اورتان

  4-5- انواع رزینهای پلیمری ترموپلاستیک یا Thermoplastic

1.      نایلون Naylon

 2.      پلی اتیلن Polyethylene

3.      ترفتالیت Terephthalate

 4.      پلی پروپیلن Polypropilen

 5.      پلی وینیل کلراید Poly Vinyle Chloride (PVC)

 کیفیت نهایی کامپوزیتها تا حد زیادی بستگی به خواص ماتریس پلیمری آن دارد از جمله ویسکوزیته، نقطه ذوب ، شرایط عمل آوری و ... خواص فیزیکی ماتزیس رزین در فرآیند تولید بایستی در نظر گرفته شود تا المان کامپوزیتی 3 بعدی مورد نظر به دست آید.

 Adhesion promoter : عامل افزاینده چسبندگی بین فیبر تقویتی و ماتریس پلیمری رزین می باشد. در صورت عدم وجود فیبر یا الیاف تقویتی آبرفتگی بیش از حد در ماتریس رزین به وجود می آید که منجر به ایجاد ترک در کامپوزیت و عدم تحمل بار خارجی می گردد. فیلرها یا پر کننده ها در این میان می توانند به ماتریس اضافه شوند تا کمی نقش فیبر یا الیاف تقویتی را داشته و جلوی آبرفتگی بیش از حد ماتریس رزین را بگیرد. همچنین استفاده از فیلرها می تواند اصطکاک حجمی را کاهش داده و به ظرفیت باربری فیبرهای تقویتی کمک شایانی نماید. یکی از پارامترهای مهمی که در ساختمان رزین بایستی بدان توجه داشت ویسکوزیته است.

 ·       ویسکوزیته ماتریس پلیمری با افزایش درجه حرارت معمولاً کاهش می یابد.

·       پسبهای ترموست در مقابل درجه حرارت سخت هستند و با افزایش درجه حرارت به راحتی روان نمی گردند در صورتی که رزینهای ترموپلاستیک در مقابل حرارت ذوب و در اثر سرد شدن مجدد سخت می شوند.

 5- نقش پر کننده یا Filler می توان آن را به ماتریس پلیمر اضافه کرد و نقش آن:

1. کاهش هزینه مصرف رزین  Reduce resin cost

 2. کنترل آبرفتگی Shirinkage control

 3. اصلاح خواص مکانیکی Improve Mechanical properties

 4. به تعویق انداختن خسارات ناشی از آتش سوزی Fire retardancy

 5. اصلاح انتقال بار Improve load transfer

 6. کاهش ترکها در نواحی که فیبر تقویتی وجود ندارد

 Reduce craching in unreinforced areas

 7. یکی از مزایای مهم استفاده از پر کننده ها، ممانعت از انتشار امواج ماورای بنفش UV inhibitors می باشد رس، کربنات کلسیم، خرده های شیشه را می توان به عنوان پر کننده استفاده کرد.

 6- انواع فیبرهای تشکیل دهنده FRP

 ۶-1- فیبر شیشه ای یا Glass-Fiber

 اولین فیبر مهم است که در مهندسی عمران استفاده می شود و به خاطر توازنی که بین قیمت و مقاومت آن وجود دارد کاربرد وسیعی پیدا کرده است. انواع آن عبارتند از:

 1)     E-Glass : نوعی فیبر شیشه ای که برای کارهای الکتریکی معتبر است.

متداول ترین نوع فیبر شیشه ای موجود در بازار است دارای مدول الاستیسیته E=70Gpa و مقاومت نهایی ….= 1500 to 2500 MPa و حداکثر کرنش نهایی
 ……= 1.8 to 3% دارد.

 E-Glass از سیلیکات آلومینیم کلسیم به دست می آید. 80 تا 90 درصد تولیدات GFRP را تشکیل می دهد و کمترین مقدار مواد قلیایی در ترکیب آن به کار رفته است.

 2)     Z-Glass : این نوع الیاف مقاومت بسیار زیادی در برابر محیطهای قلیایی دارند و به صورت الیافی برای مسلح کردن بتن آرمه به کار می رود.

 3)     A-Glass : نوعی فیبر شیشه ای است که درصد مواد قلیایی به کار رفته در ترکیب آن زیاد است و امروزه از چرخه تولید خارج شده است.

 فیبر پر مقاومت S2 و ECR Glass که همان E-Glass اصلاح شده و دارای مقاومت مناسب در برابر اسیدها است.

 4)     S-Glass : سیلیکات آلومینیم مغناطیسی است. مقاومت بالا، عملکرد حرارتی مناسب و اصلاح سطحی دارد گرانقیمت ترین نوع GFRP می باشد و نیاز به کنترل کیفیت خاص در زمان تولید دارد و بیشتر کاربرد نظامی دارد.

 5)     GFRP : از بارو سیلیکات سود آهک به دست می آید. پایداری شیمیایی مناسب در برابر محیط خورنده دارد.

 GFRP به اشکال مختلف چون سوزن پانچ ، stiched ، کشبافی شده، چسبیده شده، چند محوره، چند لا می باشد.

 مدول الاستیسیته یک رشته منفرد Eglass در حدود 73 Gpa می باشد. ماکزیمم کرنش نهایی آن 5/2 تا 3 درصد می باشد و اگر GFRP در معرض محیط خورنده با PH بالا قرار گیرد روی دوام آن تأثیر گذار است.

 6-2- فیبر کربنی یا GFRP

 از قیر ارزان می باشد (که از تقطیر زغال سنگ به دست می آید) ولی مدول الاستیسیته پایین دارد  PAN– (….= 2.1% , ….= 765 to 2350 Mpa , E 37.5 to 140 Gpa و ابریشم مصنوعی ساخته می شود. برای تشکیل این نوع فیبر به درجه حرارتی دست کم 1000 …. احتیاج است. اکثر فیبرهای مصنوعی در این درجه حرارت ذوب و تبخیر می شوند ولی فیبر کربنی به دلیل داشتن اکریلیک همچنان باقی می ماند. 3 تیپ دارد:

 نوع 1) یا مدول بالا(….=0.5%, ….=2000Mpa, E=380 Gpa)

نوع 2) یا مقاومت بالا (….=1%, ….=2800Mpa, E=240 Gpa)

 نوع 3) مقاومت و مدول الاستیسیته بینابین دارد.

 عنصر سازنده GFRP گرافین است که در فیبر کربنی دارای ساختار 2 بعدی است. اگر گرافین ساختار 3 بعدی و به صورت 6 ضلعی داشته باشد، بدان گرافیت می گویند که در صنعت مدادسازی از آن استفاده می شود.

 Rayon و قیر همسانگرد در ساخت GFRP با مدول پایین (حدود 50GPa) استفاده می شوند که مدول فیبر کربنی با اصلاح حرارتی در درجه حرارت بین 1000 تا …. 3000 افزایش می یابد.

 با  PAN  قیر ناهمسانگرد یا  mesophase فیبر کربنی نوع 2 با مقاومت بالا در درجه حرارت حدود … 1500 به دست می آید.

 جهت قرار گیری گرافین در راستای فیبر کربن تعیین کننده مدول فیبر می باشد و جهت قرار گیری گرافین روی رطوبت سطحی و چسبندگی با ماتریس نیز تأثیر می گذارد. الیاف کربنی با رزین به خوبی خیس نمی شوند بنابراین اصلاح سطحی بایستی بر روی آنها انجام شود.

 نوع خاصی فیبر کربنی به نام Tows متشکل از 1000 تا 200 هزار الیاف یا تار کربنی است.

 6-3- 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

  

 

معایب

 

مزایا

 

نوع پیوند

 

بسیار آسیب پذیر در مقابل گسیختگی عدم پیوند

 

کاربرد آسان، نیاز به کمترین مقدار FRP برای افزایش اندک ظرفیت برشی

 

پیوند کناره یا دو طرفه

ممکن است به مهار مکانیکی U شکل در انتهای آزاد نیاز باشد

 

استفاده از مهار پایینی U شکل عالی است. آسیب پذیری کمتر در مقابل گسیختگی عدم پیوند و تأثیر متوسط مؤثر برای مهار مکانیکی در تقویت خمشی FRP

 

ژاکت های U شکل

 

چنانچه دست کم دسترسی به یک طرف تیر ممکن نباشد اجرای آن امکان پذیر نیست یا مشکل است

 

کمترین آسیب پذیری در مقابل گسیختگی عدم پیوند، تأثیر عالی برای مهار مکانیکی در تقویت خمشی FRP

 

دورپیچ کامل

 

/ 0 نظر / 58 بازدید