با ورود مواد و مصالح جدید به عرصه صنعت ساختمان و خصوصا در بخش مقاوم‌سازی و تقویت سازه، شاهد تغییرات بنیادی در طراحی و اجرای مقاوم‌سازی ساختمان‌ها و ابنیه صنعتی و غیر صنعتی هستیم. یکی از این مواد که ناشی از پیشرفت تکنولوژی در تولید موادی با مقاومت بسیار بالا در کشش است، مواد FRP می باشد.

FRP چیست؟

FRP مخفف عبارت Fiber-reinforced plastic است و همان‌طور که از اسم آن پیداست، ‌الیاف پلاستیکی با مقاومت بالا می‌باشد.

نحوه بافتن شیت FRP

این مواد متشکل از نخ‌های بسیار نازک و باریکی به نام فیلامنت filament بوده که بدلیل نازکی بیش از حد به صورت دسته ای کنار هم قرار می‌گیرند و به اصطلاح بافته می‌شوند. سپس دسته‌های بافته شده در مجاورت یکدیگر قرار گرفته و با نخ مخصوصی عمود بر راستای فیلامنت‌ها دوخته می‌شود. در نهایت بصورت پارچه ای از الیاف FRP در می‌آید. الیاف FRP که بصورت پارچه بوده و قابل انعطاف باشد را FRP شیت می‌نامند. 

کاربرد شیت FRP

 از این مواد علاوه بر استفاده در صنعت ساختمان بخصوص مقاوم سازی ساختمان در دیگر بخش‌های صنعتی و نظامی و حتی فضایی استفاده می‌شود. به نظر نگارنده کمترین استفاده از الیاف FRP در صنعت ساختمان و مقاوم سازی ساختمان می‌باشد. 

علت کاربرد زیاد صفحات FRP چیست؟

بنابراین دامنه استفاده از این مواد بسیار فراتر از حد تصور بوده و علت کاربرد روزافزون آن ۲ برتری بسیار مهم می‌باشد. یکی سبکی آن و دیگری مقاومت کششی بسیار بالا. یعنی نسبت به وزن و سطح مقطع الیاف FRP و مقایسه آن با دیگر مواد موجود در صنعت مانند فولاد کشش بیشتری تحمل می نماید تا گسیخته و به اصطلاح پاره شود. همچنین نوع کربن الیاف FRP  که در این مقاله بیشتر درباره آن توضیح داده خواهد شد به دلیل مقاومت بسیار بالا در برابر حرارت و دارا بودن دو امتیازی که بیان شد در صنایع موشکی و بخش‌هایی از صنعت که حرارت بالایی دارند، کاربرد خواهند داشت.

شرکت هواپیماسازی بوئینگ آمریکا چتر نجاتی را برای هواپیماهای مسافربری طراحی کرد. بر این اساس، زمانی که موتور هواپیما دچار نقص می‌شود یا از کار می‌افتد، چترهای بزرگی باز می‌شوند. این چترها که در قسمت بدنه هواپیما نصب شده اند، باعث می‌شوند تا هواپیما در هوا شناور بماند. در نهایت هواپیما به آرامی روی زمین می‌نشیند. 

راه حل برای کاهش وزن چترهای نجات

این چترها وزن زیادی داشتند. تنها راه حل برای کاهش وزن چترهای نجات فوق، استفاده از الیاف کربن CFRP بود. علاوه بر وزن بسیار کم قادر به تحمل بالاترین کشش در تارهای خود بود. 

انواع مختلف مواد FRP

در رابطه با تولید انواع مختلف مواد FRP  فقط به ۲ نوع از متداول‌ترین آنها که در صنعت مقاوم سازی و تقویت سازه هستند اشاره می‌کنیم . این دو نوع الیاف FRP یکی الیاف کربن CFRP و دیگری الیاف شیشه GFRP می‌باشند. 

لمینت CFRP و ورق کربن CFRP 

همان‌طور که از نام آنها پیداست CFRP تشکیل شده از مواد کربنی بوده و GFRP تشکیل شده از مواد شیشه یا Glass. الیاف شیشه دقیقا همان الیافی هست که در مواد پشم شیشه و به اصطلاح فایبر گلاس کاربرد دارد . منتهی در فایبرگلاس از الیاف شیشه با طول‌های بسیار کوتاه و بطور نامنظم و بصورت nonwoven استفاده می‌شود ولی الیاف GFRP که بصورت شیت تولید می شود و فرآیند بافت آن مانند الیاف CFRP است خواهد بود. 

مقاومت کششی الیاف شیشه GFRP کمتر از الیاف کربن CFRP بوده و در حدود ۱/۳ مقاومت کششی الیاف کربن CFRP می‌باشد. البته لازم بذکر است که طراحان مقاوم سازی سازه خصوصا طراحان FRP باید با توجه به نوع طراحی که مد نظر دارند و نیازی که برای تقویت المان بتنی وجود دارد با قضاوت مهندسی نسبت به انتخاب الیاف کربن یا شیشه اقدام نمایند. 
به غیر از موادی که گفته شد جهت استفاده بیشتر از الیاف کربن CFRP و کاربرد آن در تقویت سطوح گسترده بتنی مانند پوسته های بتنی مسطح و دیوارهای برشی و تیرهای بتنی که نیازمند تقویت خمشی فوق العاده ای می‌باشد‌، تولید کنندگان مواد FRP مبادرت به تولید ورق‌هایی از جنس الیاف کربن به نام لمینت کربن کرده اند . 

پیشنهاد مقاله : نحوه مقاوم سازی تیر بتنی تحت خمش

روش تهیه لمینت کربن

روش تهیه لمینت کربن بدینصورت است که تارها یا همان فیلامنت‌های کربن را در کنار هم قرار داده تا عرضی مثلاً در حدود ۱۰ سانتیمتر تشکیل دهند. سپس با استفاده از چسب های پایه اپوکسی و طی فرآیند حرارت و فشار زیر دستگاه پرس قرار می‌دهند. در زمان مناسب مجددا دسته دیگری از تارهای الیاف کربن را روی آن می‌گذارند و مجددا عملیات تزریق چسب و فشار و حرارت را تکرار می‌کنند.

این مراحل تا حدی انجام می‌شود که ورق‌هایی سخت و خشک غیرقابل انعطاف پذیر با ضخامتی در حدود ۱ میلیمتر تولید گردد. فرآیند تولید ورق‌های لمینت کربن معمولا در طولی در حدود ۱۰۰ متر تولید گردیده و بصورت مدور بسته بندی می‌گردد. بنابراین لمینت‌های کربن CFRP همان الیاف شیت یا پارچه ای FRP می باشد. با این تفاوت که شیت FRP انعطاف پذیر بوده مانند پارچه در توپ‌های بطول ۱۰۰ متر و به عرض ۵۰ سانتیمتر تولید می شوند ولی لمینت های کربن بدون انعطاف و بصورت شاخه های طولی به عرض تقریبی ۱۰ سانتیمتر و با ضخامت تقریبی ۱ میلیمتر و بطول ۱۰۰ متر تولید می‌گردند. 
ضخامت شیت‌های الیاف کربن CFRP در حدود 0.11 و ... می‌باشد. سوالی که شاید  مطرح شود این است که چرا الیاف FRP بصورت شیت و انعطاف پذیر تولید می‌گردد.

طراحی مقاوم سازی و تقویت اجزای بتنی

در طراحی مقاوم سازی و تقویت اجزای بتنی باید به این نکته توجه داشت که ضعف اجزای بتنی که نیازمند تقویت است چیست و هدف از انجام تقویت المان مورد نظر چه می باشد؟ بطور مثال زمانی که تیر بتنی نیاز به تقویت دارد و تقویت مورد نظر از نوع خمشی است، بنابراین المان مورد نظر نیازمند میلگرد بیشتری می باشد.  این کسر میلگرد یا در ناحیه خمش مثبت که همانا وسط دهانه و زیر تیر می باشد و یا در بخش ممان منفی تیر خواهد بود که در بخش فوقانی تیر و در نزدیکی تکیه گاه می باشد. حال که تیر مورد نظر دچار کسر میلگرد است باید جهت جبران کسری میلگرد مورد نظر با استفاده از الیاف FRP درست در همان مکان و همان سطح کمبود مورد نظر را برطرف نمود. 

پیشنهاد مقاله : مقاوم سازی سازه های بتنی

تیر بتنی دچار ضعف برشی

حال چنانچه تیر بتنی مورد بررسی دچار ضعف برشی باشد . معنی آن اینست که یا سطح مقطع بتن کم می‌باشد یا خاموت‌های بکار رفته در ناحیه برشی کمبود دارند. بنابراین باید برای جبران این نقیصه خاموت‌های تیر را افزایش دهیم. چون این کار میسر نیست بنابراین می‌توان با دورپیچ کردن الیاف FRP در ناحیه مورد نظر ظرفیت برشی تیر را افزایش داد. اینجاست که شیت بودن یا انعطاف پذیر بودن الیاف بکار طراح می آید. زیرا باید الیاف FRP و راستای آن عمود بر محور اصلی تیر و بصورت محصور کننده confinement یعنی دورپیچ عمل نماید. 

تقویت ستون بتنی دارای ضعف برشی

همچنین جهت تقویت ستون‌های بتنی که دارای ضعف در برابر نیروی محوری بوده و در نمودار کنش اندر کنش نیروی P تعیین کننده‌تر از لنگرهای X و Y می‌باشد. برای افزایش ظرفیت فشاری ستون می‌توان با افزایش شکل پذیری آن و باز هم با استفاده از الیاف FRP بصورت دورپیچ که همان محصور شوندگی می‌باشد ستون مورد نظر را تقویت نمود. بنابراین مشاهده می‌گردد که هم در ستون‌های بتنی و هم در تیرهای بتنی نیاز به استفاده از الیاف FRP بصورت شیت احساس گردیده و چنانچه الیاف FRP فقط بصورت لمینت و ورق‌های سخت تولید می‌گردید، طراحان مقاوم سازی قادر به تقویت بعضی از اجزای سازه ای نمی شدند.

اما زمان طراحی تقویت دال‌های بتنی  یا  اجزای سازه ای برای افزایش ظرفیت خمشی نیاز به تعداد لایه های زیادی FRP داریم می توان از لمینت FRP استفاده نمود. ذکر این نکته ضروری است که تشخیص استفاده از الیاف کربن CFRP یا الیاف شیشه GFRP مناسب جهت تقویت و مقاوم سازی المان بتنی مورد نظر می‌باشد، به عهده طراح مقاوم سازی است. اما به همین نکته بسنده می‌کنیم که الیاف کربن CFRP بدلیل مقاومت کششی فوق العاده بالایی که دارد و در حدود ۸ الی ۱۰ برابر فولاد می باشد ترد شکن بوده و شکل پذیری را از عضو تقویت شده خواهد گرفت.

اما در عوض الیاف شیشه GFRP بدلیل کمتر بودن مقاومت کششی تارهای آن که در حدود ۳ الی ۵ برابر فولاد می باشد، شکل پذیرتر بوده و کمتر ترد شکن می باشد. بنابراین باید توجه طراح مقاوم سازی در تهیه طرح تقویت اجزای بتنی به این نکته باشد که عضو مورد تقویت از اهمیت بالایی در شکل پذیری برخورد دار است یا خیر ؟ بطور مثال ما در طراحی ستون‌های بتنی شکل پذیری از اهمیت بالایی برخوردار است، بنابراین آیین نامه های طراحی مقاوم سازی با استفاده از الیاف FRP استفاده از الیاف شیشه GFRP را جهت تقویت ستون پیشنهاد می‌نمایند. 

وزن الیاف FRP

در خصوص الیاف های FRP  تولید شده توسط کارخانجات باید گفت، در بازار الیاف‌های FRP کربن با وزن‌های ۳۰۰ گرم و ۲۳۰ گرم و ۱۵۰ گرم بطور متداول تولید می‌گردند و منظور از الیاف کربن ۳۰۰ یعنی هر متر مربع از این الیاف ۳۰۰ گرم وزن دارد. در خصوص الیاف شیشه GFRP کمی وزن آنها تفاوت می کند و الیاف شیشه تولید شده در بازار با وزنهای۴۰۰ گرم ۶۰۰ گرم و ۹۰۰ گرم یافت می‌شوندکه متناسب با نیاز طراح و المان مورد نظر باید آنها را انتخاب نمود .

دقت کنید که بعد از تقویت اجزای سازه ای با استفاده از الیاف FRP بدلیل ترکیب آنها با مواد اپوکسی و آغشته شدن آنها با چسبهای رزین و هاردنر بلافاصله با نصب توری مرغی و یا رابیتس و سپس اندود سیمان ، پلاستر پوششی برای آن تعبیه گردد تا از معرض نور آفتاب در امان باشد . 

بهترین روش برای تشخیص کیفیت الیاف مورد استفاده برای مقاوم سازی ساختمان

همچنین با توجه به اینکه متاسفانه هیچگونه مرجع معتبری در خصوص تولید و فروش الیاف FRP  در کشور وجود ندارد بهترین روش برای تشخیص کیفیت الیاف مورد استفاده جهت مقاوم سازی ساختمان انجام آزمایش از نمونه ارائه شده از سوی تامین‌کننده مواد در آزمایشگاه معتبر می باشد. 

آزمایش مقاوم سازی ساختمان 

آزمایش متداول به ۲ صورت است. یکی آزمایش فیلامنت های الیاف که بصورت خشک انجام می‌شود و تارهای الیاف در آزمایشگاه توسط فک هایی کشیده می‌شود تا پاره شود. روش دوم آزمایش کامپوزیت الیاف FRP می باشد که نوارهایی از الیاف FRP بعد از آغشته شدن به مواد اپوکسی و اندود رزین هاردنر و خشک شدن آن توسط فک هایی کشیده شده تا پاره گردند. 

علاوه بر تمام موارد گفته شده تقویت سازه های بتنی با استفاده از الیاف FRP نیاز به تجربه و مهارت خاصی دارد. لذا انجام زیرسازی الیاف و اطمینان از چسبیدن الیاف به هسته بتن مواد اصلی و درشت دانه بتن و نیز استفاده از چسب مرغوب و اطمینان از اشباع شدن الیاف با چسب های اپوکسی می بایست بعد از اجرای الیاف FRP روی المان مورد نظر با استفاده از دستگاه pull off  تست کنده شدن الیاف FRP از روی سطح بتن انجام داد .