. . . G N I D A O L

.

پرشیا پروژه

پرشیا پروژه

بهترین سایت طراحی پروژه

اشتراک گذاری

کاربرد CFRP در مقاوم سازی پلها

چکیده:


ایران از نظر لرزه خیزی در منطقه فعال جهان قرار دارد و به گواهی مستندات علمی و مشاهدات قرن حاضر از آسیب پذیرترین مناطق جهان در برابر زلزله محسوب می شود. در این راستا یکی از برنامه های دولت و مردم برای کاهش خطر پذیری کشور در برابر زلزله، مطالعه و اجرای مقاوم سازی سازه ها( در زمینه عمران ومعماری و..) از جمله ساختمان¬های مهم و همچنین تأسیسات زیر بنایی و شریان های حیاتی کشور است. موفقیت در مقاوم سازی منوط به بهره بردن از فنون و مهارت های نوین مقاوم سازی لرزه ای است. در میان این نوآوری¬ها مواد کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف کربن یا CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) از جایگاه ویژه ای برخوردار است. در این مقاله ضمن برشمردن برخی از ویژگی های مهم CFRP به کاربرد آن در مقاوم سازی پل های بتنی پرداخته می¬شود.


CFRRP . پل
نمایی از CFRP

مقدمه


بخش عظیمی از سازه های بتنی مسلح طبق استانداردهای امروزی غیر مقاوم می باشند. تغییرات کاربردی، افزایش در موارد بارگذاری یا فرسودگی تدریجی حاصل از محیط مخرب از جمله عوامل اصلی سهیم در این مسئله به شمار می روند. به منظور محافظت از این سازه ها می توان از بازسازی برای نگهداری قدرت و افزایش عمر آنها برشمرد. در دهه اخیر برای استحکام اجزای ساختاری سازه های بتنی مسلح از ورق های کامپوزیت استفاده شده است.
به عقیده بسیاری از پژوهشگران ورق های کامپوزیت وسیله ای کارآمد، مطمئن، و مقرون به صرفه برای مقاوم سازی محسوب می شود. سیستم های الیاف مسلح شده پلیمری برای تقویت سازه های بتنی پدیدار شده و به عنوان یک جانشین برای روش های سنتی از قبیل چسباندن صفحات فولادی، افزایش سطح مقطع با بتن ریزی مجدد و پیش تنیدگی خارجی می باشد. استفاده از CFRP در زمینه مقاوم سازی، هر چند که ورق های آن قیمت نسبتاً بالایی دارد، اما امروزه با توجه به هزینه اجرای کم و نیز سایر مزایای آن در کل از باصرفه ترین و مؤثرترین روش های مقاوم سازی سازه های بتنی به شمار می رود. کامپوزیت CFRPمحصولی است برای تقویت سازه ها که با چسباندن لایه ای از منسوج الیاف کربن، شیشه یا آرامید به وسیله رزین اپوکسی به روی سطح عضوی از سازه انجام می گیرد. این لایه به صورت عضو تقویتی مضاعف عمل می کند. این فرآیند بر پایه قرار دادن) منسوج الیاف توأم با ملات چسبنده رزین (با مقاومت کششی بسیار بالا که براساس محاسبات فنی به قسمت تحت کشش عضو مورد نظر سازه چسبانده می شود، استوار است. با این کار، عملکرد و کارایی عضو و در نتیجه مقاومت سازه افزایش می یابد. نمایی از CFRP در شکل 1 نشان داده شده است.
اولین تحقیقات انجام شده در این زمینه از اوایل دهه 1980 آغاز شد. زلزله 1994نورث ریج کالیفرنیا و 1995 کوبه ژاپن نیز از جمله عوامل موثرتری برای تقویت و مقاوم سازی سازه های بتنی و بنایی در مناطق زلزله خیز گردید. خرابی های مشاهده شده در ساختمان ها و پل ها طی زلزله های اخیر نیاز مبرم به مقاوم سازی لرزه ای سازه های موجود را نشان می دهد.

فصل اول

ستون های بتن مسلح، اعضای اصلی مقاوم در برابر بارهای افقی و قائم در سازه های بتنی به شمار می آید. بنابراین، مقاوم کردن ستون¬ها در برابر نیروهای زلزله می تواند نقش مهمی در مقاوم سازی کل سازه ایجاد کند. در نتیجه استفاده از کامپوزیت های CFRP برای مقاوم سازی ستون های بتنی مسلح در مناطق لرزه خیز جهان گسترش یافته است و مطالعه در این زمینه از طرف پژوهشگران پرشماری صورت می گیرد.
هدف اصلی از بهسازی لرزه ای ستون های بتن آرمه افزایش مقاومت برشی، به ویژه در پایه ها با قطع آرماتور طولی در وسط ارتفاع بدون طول مهاری کافی می باشد .این کار شکل پذیری ستون را افزایش می دهد، زیرا از شکست برشی زودرس جلوگیری می کند. اما اگر فقط شکل پذیری افزایش یابد، ممکن است تغییر شکل پسماند در پایه بعد از زلزله افزایش یابد. مقاومت خمشی پایه هم باید افزایش یابد که این منجر به افزایش نیروی زلزله انتقالی از پایه به پی می شود. بررسی انواع پی نشان داده که اگر افزایش مقاومت خمشی پایه در اثر مقاوم سازی کمتر از دو برابر مقاومت خمشی پایه پل موجود باشد، پی با افزایش نیروی زلزله دچار شکست نمی شود.


در زمینه استفاده از CFRP یکی از مهمترین مسایلی که پیش روی متولیان شبکه حمل و نقل ریلی قرار دارد، بهره برداری از زیرساخت ها با توجه به افزایش ترافیک و نیز افزایش بار محوری می باشد. همواره تلاش می شود که به رغم کلیه محدودیت های موجود، سازه های ریلی، همچون پل ها، در شرایط بهره برداری مطلوبی قرار داشته باشند. زوال پل ها با آهنگی سریع رخ می دهد، بنابراین، هزینه های نگهداری و تعمیر آن ها نیز به سرعت افزایش می یابد. زوال پل ها در اثر عوامل متعددی رخ می دهد. یکی از متداول ترین عوامل خرابی و زوال پل ها مربوط با بخش فولادی آن ها است. به این معنی که خوردگی آرماتورهای عرشه یا از بین رفتن شاه تیرهای فولادی یکی از مشکلات رایجی است که پیش روی بهره برداران می باشد. در سالیان گذشته یکی از روش های مرسوم تعمیر و مقاوم سازی پل های فولادی، جایگزینی صفحات و یا اضافه نمودن آن ها بوده است. این صفحات حجیم و سنگین بوده و نصب آن ها نیز مشکل است و علاوه بر آن مستعد خوردگی و خستگی می باشد
رزین اپوکسی ها از اواخر دهه شصت میلادی برای تقویت و بهسازی مورد استفاده قرار گرفت. در آن سال ها، این مواد برای اتصال صفحات فولادی به بخش کششی عضو خمشی بتنی در پل ها مورد استفاده قرار می گرفتند. به علت اینکه خوردگی فولاد سبب از دست رفتن پیوستگی و گسیختگی عضو می گشت، سعی شد که مصالح کامپوزیتی جایگزین مصالح فولادی گردد. علاوه بر آن، زمانی که صرف عملیات تعمیر پل ها می شد، سبب بروز اختلالاتی در جریان ترافیک می گردید و متعاقبا هزینه هایی به سیستم حمل و نقل اعمال می شد. با توجه به این مشکلات، متولیان سیستم حمل و نقل به سمت استفاده از مصالحی سوق یافتند که با پایین ترین هزینه ممکن، عمر سازه پل را افزایش دهد. یکی از این مصالح CFRP است. در طی سال های اخیر این مواد در بهسازی و بازسازی پل ها کاربرد فراوانی یافته اند. CFRP مصالح انعطاف پذیری هستند که به راحتی می توان آن ها را به اشکال گوناگون درآورد و در حین ساخت به آسانی انتقال داد و به سادگی نصب نمود. این مسئله سبب می شود که زمان عملیات اجرایی، وزن سازه پل و به ویژه عرشه های بتن مسلح را تا سطح قابل قبولی پایین آورد. CFRP به صورت گسترده در مقاوم سازی سازه های بتنی نیز به کار رفته است. به کارگیری پلیمر مسلح شده با الیاف کربن (CFRP) یا پلیمر مسلح شده با فولاد (SRP) در بخشی از عضو بتنی (پیش تنیده یا بتن مسلح) که به کشش می افتد، یکی از جدیدترین راهکارها به منظور افزایش استحکام عضو و افزایش ظرفیت باربری عضو است. این روش همچنین ممکن است عمر سرویس دهی عضو را ارتقا بخشد.
استحکام عضو به میزان زیادی به پیوستگی بین مصالح تقویتی و سطح بتن وابسته است. این پیوستگی بایستی در طی اجرای عضو و نیز بازرسی های بعد از آن به دقت بررسی گردد. تجربیات اخیر در آمریکا، انگلستان، ژاپن و سوییس قابلیت بالای CFRP را در بهسازی و بازسازی سازه های فولادی نشان داده است. در هر حال، موارد زیادی قبل از استفاده از این مواد باید بررسی گردد تا بهسازی و بازسازی مناسب سازه های موجود را فراهم آورد.
پل های بتن آرمه در ایران و در سایر نقاط جهان عمری بیش ازچند دهه دارند. از آنجا که این سازه ها عموما اهمیت زیادی داشته و تعداد آن ها نیز فراوان است، جایگزین کردن آن ها با پل های جدید اکثرا فاقد توجیه اقتصادی بوده و از نظر اجرایی غیر عملی می باشد. در حالی که تعمیر و تقویت ابنیه فوق در بیشتر موارد امری ضروری و مقرون به صرفه می باشد. از این رو می توان تقویت به کمک دورپیچ عضو با الیاف CFRP را مد نظر قرار داد. این ماده علاوه بر اینکه در محیط های خورنده مقاوم است و سختی آن برابر با فولاد یا بیشتر از آن می باشد، دارای وزن کمی بوده و به سهولت قابل اجرا است. این نوشتار کاربرد الیاف کربن را مورد بررسی قرار داده و سعی می نماید تا نمونه هایی از منحنی های اندرکنش را برای تقویت ستون¬های بتن آرمه با الیاف کربن ارائه دهد. منحنی ها برای مطالعه رفتار و بررسی اثر تقویت انواع ستون های بتن آرمه مورد استفاده قرار گرفته است.

2- مشکلات سازه ای پل های بتنی


2-1- ضعف های رایج در سازه های بتنی


به طور کلی با نگاهی به عملکرد ساختمان های بتنی در زلزله های مخرب، ضعف های زیر مشخص شده است:

خرابی پل های طراحی شده با روش الاستیک


پل¬ها به ویژه پل¬های بتن آرمه و بتن پیش تنیده به رغم سیستم سازه ای ساده و رفتار شناخته شده ای که دارند، برخی مواقع در برابر زلزله عملکرد خوبی نداشته اند ودلیل آن عمدتا ناشی از عوامل زیر بوده است:

CFRRP . پل
محل تشکیل مفصل پلاستیک و نقطه عطف در پل های طرح شده به روش الاستیک

رفتار غیر خطی سازه و وابستگی آن به شکل پذیری پارامتر بسیار مهمی در عملکرد لرزه ای پل است زیرا بخش عمده ای از استهلاک نیروی زلزله در این ناحیه صورت می گیرد، اما در طراحی الاستیک این موضوع لحاظ نمی گردد. نقایص روش طرح الاستیک به قرار زیر است:

خرابی پل ها در اثر گسیختگی


گسیختگی خمشی و عدم شکل پذیری خمشی


گسیختگی های خمشی در ناحیه مفصل پلاستیک عمدتا در پایه پل ها با آرماتورهای طولی پیوسته رخ می دهد. برخی گسیختگی ها به این علت است که هسته بتن به طور کافی با آرماتور عرضی محصور نشده تا به پایه، اجازه رسیدن به جابجایی غیر الاستیک وارد شده به وسیله زلزله را بدهد. گسیختگی مفصل پلاستیک به وسیله ایجاد ترک های افقی، فرو ریختن هسته بتن در فشار و شکست آرماتور عرضی و کمانش آرماتور طولی ایجاد می شود. به علت کمبود فشار دورگیر کافی در سطح پارگی ناحیه وصله آرماتور، لغزش قبل از اینکه مقطع به ظرفیت خمشی نهایی برسد، رخ می دهد. این مکانیزم لغزش در اثر وقوع ترک های عمودی ریز در هسته بتن فعال می شود. لغزش افزایش می یابد و با بزرگ شدن ترک های قائم و یکپارچه شدن آن¬ها پوشش بتنی در ناحیه وصله آرماتور تخریب می شود. کم شدن مقاومت خمشی معمولا برای تقاضای شکل پذیری در جابجایی کم رخ می دهد و حتی می تواند قبل از تسلیم آرماتور طولی پایه رخ دهد.

گسیختگی برشی


شکست های برشی ترد هستند و منجر به کاهش سریع مقاومت جانبی پایه می گردند. ستون های کوتاه با جزئیات آرماتوربندی عرضی قدیمی به ویژه به شکست برشی آسیب پذیرند، در حالی که برای یک بار جانبی داده شده مقاومت خمشی موجود معمولا خیلی بیشتر از مقاومت برشی می باشد.
یک گسیختگی ترکیبی برشی- خمشی هم می تواند رخ بدهد و با انتقال ناحیه مفصل پلاستیک همراه باشد. مفصل پلاستیک می تواند به مقطعی که نسبت فشار دورگیر به ممان خمشی اعمالی کمتر باشد، منتقل شود. اگر فاصله آرماتورهای عرضی در ارتفاع پایه یکسان نباشد، گسیختگی برشی ممکن است دور از ناحیه مفصل پلاستیک رخ دهد.
ماهیت ترد و ناگهانی شکست برشی باعث شده است در سازه های مقاوم در برابر زلزله یکی از مهمترین الزامات، به کارگیری تدابیری برای دوری از انهدام برشی باشد. از آنجا که شکست برشی ستون همراه با ایجاد ترک های مورب در کل ارتفاع ستون خواهد بود، ازاین¬رو در مقاوم سازی ستون های بتن آرمه در برابر برش لازم است کل ارتفاع ستون مقاوم سازی شود. ستون های بتن آرمه به دلایل مختلفی ممکن است در اثر برش آسیب پذیر باشند، مهمترین این علت ها عبارتند از:

CFRP

مقاوم سازی پل های بتنی


سازه های بتن آرمه به عنوان بخش گسترده ای از سازه ها چنانچه بر اساس محاسبات دقیق و روابط شکل پذیری طراحی و اجرا نشوند، به دلایل مختلف بسیار نامطلوب خواهند بود. علاوه برآن، در برابر زلزله نیز آسیب پذیر خواهند بود. کیفیت بد بتن، آرماتور گذاری نامناسب، اجرای بد بتن ریزی و مصالح نا مرغوب و غیره از مشکلات این گونه سازه ها است. از این رو این نوع سازه ها نیاز به تقویت یا مقاوم سازی دارند. در این بخش به برخی از روش های نوین مقاوم سازی پل ها پرداخته می شود.

روش های نوین مقاوم سازی پل ها


استفاده از جداگرها


جداگرها به منظور جداسازی سازه از حرکات شدید زمین هنگام زلزله به کار می روند. برخلاف ساختمان که جداسازی آن غالبا از روی فونداسیون انجام می پذیرد، در پل¬ها این جداسازی معمولا بین روسازه و زیرسازه اعمال می¬گردد .علت این امر نیروی اینرسی بسیار زیاد قسمت روسازه (که شامل وزن عرشه می شود) و همچنین سهولت اجرای آن است. به طور کلی این جداگرها در پل¬ها به دو صورت الاستومتریک (لاستیکی) و اصطکاکی به کار گرفته می شوند.
این جداگرها به سبب سختی اندک وقتی زیر روسازه تعبیه می گردند موجب افزایش پریود ارتعاش آزاد کل پل گشته و انتظار می رود که این امر باعث کاهش نیروی زلزله وارد به سازه گردد. معمولا با توجه به طیف پاسخ تغییر مکان، این کاهش نیرو با افزایش تغییر مکان روسازه پل همراه است.

جداگر های لاستیکی


این جداگرها از دهه هفتاد میلادی در سازه ها به کار گرفته شده اند. در پل ها به عنوان یک دستگاه تکیه گاهی (که در ایران نئوپرن نامیده می شود) اکثرا به کار گرفته می شوند. ولی به عنوان یک جداگر در تحلیل سازه پل به کار گرفته نمی شوند. این دستگاه تکیه گاهی از لاستیک طبیعی یا مصنوعی (نئوپرن) و به صورت ساده یا مسلح به ورق های فولادی (به صورت لایه لایه) ساخته می شوند. نوع جداگر لرزه ای آن معمولا نئوپرن مسلح می باشد که لایه های فولادی باعث افزایش سختی جداگر در جهت قائم شده ولی در جهت افقی سختی آن کماکان همان سختی برشی لاستیک هاست که ده ها برابر کمتر از سختی قائم است. این جداگر عمدتا از افزایش پریود سازه در کاهش نیروی زلزله بهره می برد و میرایی ویسکوز بحرانی آن حدود 3% می باشد. نیروی بازگرداننده در سیستم به صورت طبیعی وجود دارد که همان قابلیت ارتجاعی لاستیک می باشد. نقطه ضعف این جداگرها در مقدار جابجایی بالای آن است. این نئوپرن ها تحت اثر زلزله باید تا حدود 3 برابر ضخامت خود جابجایی جانبی را تحمل کنند و پایدار بمانند.

جداگرهای اصطکاکی


می توان گفت این جداگرها از قدیمی ترین روش های جداسازی است، زیرا که از صدها سال پیش بشر آن را کشف کرده بود که اگر زیر یک ساختمان را با شن گرد پر کند در هنگام زلزله روی آن می لغزد و می تواند پایدار بماند. امروزه جداسازی توسط صفحات فولادی پولیش شده که آغشته به ماده تفلون شده اند انجام می¬پذیرد.

میراگرها


در اثر اعمال بارهای دینامیکی تغییر مکان حاصله همراه با سرعت و شتاب خواهد بود. برای مقابله با شتاب وارده نیرویی به عنوان نیروی لختی در اثر جرم آن و برای مقابله با سرعت نیرویی به نام نیروی میرایی در اثر اصطکاک بین ذرات و لقی اتصالات و غیره به وجود می آید و باعث تلف شدن مقداری انرژی می شود. به این پدیده در اصطلاح میرایی می گویند.
با تعبیه میراگر (دمپر) می توان اثر تخریب دینامیکی و انتقال جانبی سازه را به حداقل رساند. شکل 4 تعبیه میراگر در محل اتصال یک پل را نشان می دهد.
افزودن میراگرهای سیال به پایه ها دارای دو اثر می باشد:

CFRRP . پل
تعبیه میراگر در محل اتصال پل

عمده جرم سازه ها در تراز عرشه متمرکز شده است و معمولا لازم است که عرشه پل ها تحت اثرات لرزه ای الاستیک خطی باقی بمانند. جدا کردن عرشه از زیرسازه سبب حفاظت بیشتر عرشه می گردد.
جداکردن عرشه از زیرسازه با استفاده از تکیه گاه های الاستومتری به علت کاهش نیروهای منتقل شده به زیرسازه در اثر تغییر شکلهای حرارتی عرشه از قدیم مرسوم بوده است. با ایجاد تغییرات اندک در سیستم های تکیه گاهی و درزهای انبساط می توان این سیستم را در مورد پل ها به کار گرفت.
استهلاک انرژی در این وسایل عمدتا با استفاده از روش های مختلفی نظیر جاری شدن یک فلز نرم (کار داخلی یا هیستریس)، اصطکاک مواد بر روی هم، حرکت یک پیستون درون یک ماده ویسکوز یا رفتار ویسکوالاستیک در مواردی از جنس شبیه لاستیک می باشد.

همچنین برای انجام پروژه های خود در زمینه ساختمان فولادی و بتنی صفحه پروژه عمران را ببینید

مقاوم سازی با استفاده از فوم پلی استایرن EPS


خاصیت مهم فوم پلی استایرن فراوانی، ضربه گیری و افزایش مقاومت فشاری پس از تغییر شکل آن می باشد. محل نصب این مواد حد فاصل دیوار گوشواره ای کناری در جهت عرضی و بین عرشه و کوله در جهت طولی می باشد. نمونه ای از بهسازی لرزه ای عرشه پل با استفاده از EPS و نمونه ای از استفاده از پلی استایرن با ارتفاع متغیر در پل ها در شکل های زیر نشان داده شده است.

CFRRP . پل
بهسازی لرزه ای عرشه پل با استفاده از EPS

CFRRP . پل
استفاده از پلی استایرن با ارتفاع متغیر در پل ها

اصلاح موضعی اجزای سازه ای بتن مسلح به منظور افزایش سختی و مقاومت


هدف از این روش افزایش مقاومت و کاهش قابلیت تغییر شکل اعضای ناکارآمد است، چرا که این اعضا در شرایط طراحی و مطابق واکنش های ساختمان به وضعیت حدی تعیین شده خود نخواهد رسید.
اعضای سازه ای بسته به مقاومت لرزه ای موردنظر، میزان آسیب دیدگی و به کارگیری پیش تنیدگی خارجی، بتن پاشی، چسباندن ورق های فولادی روی سطوح، ژاکت های بتن آرمه یا قفس های فلزی تقویت می شوند. البته کلید موفقیت عملیات ترمیم و تقویت، ایجاد پیوستگی مطلوب بین بتن قدیمی و جدید است که با استفاده از روش های زیر تحقق می یابد:

مقاوم سازی با استفاده از CFRP


استفاده از CFRP در مقاوم سازی پل¬ها هر روز بیش از پیش کاربرد بیشتری پیدا می¬کند. از آنجا که موضوع اصلی این گزارش درباره استفاده از این مواد در مقاوم سازی پل¬ها است، این مبحث به طور مفصل¬تر در فصل بعد مورد بررسی قرار می-گیرد.

مقاوم سازی پل های بتنی با استفاده از CFRP


اجزای تشکیل دهنده کامپوزیت CFRP


به طور معمول، یک ماده کامپوزیت را به صورت مخلوطی فیزیکی در مقیاس ماکروسکوپیک از دو یا چند ماده مختلف تعریف می کنند که این مواد خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خود را حفظ کرده اند و مرز مشخصی را با یکدیگر تشکیل می دهند. در کامپوزیت ها دو ناحیه متمایز وجود دارد:
فاز پیوسته (ماتریس)
فاز ناپیوسته ( تقویت کننده)
در یک کامپوزیت، به طور کلی الیاف عضو بارپذیر اصلی سازه هستند. در حالی که ماتریس، آن ها را در محل و آرایش مطلوب نگه می دارد و به عنوان یک محیط منتقل کننده بار بین الیاف عمل می کند. به علاوه آن¬ها را از آسیب های محیطی در اثر افزایش دما یا رطوبت حفظ می کند.

خصوصیات آزمایشگاهی CFRP


چگالی


محدوده چگالی مواد CFRP از 2/1 تا 1/2 گرم بر سانتی متر مکعب است که حدود 4 تا 6 برابر کمتر از چگالی فولاد است. این کاهش در وزن به کاهش در هزینه حمل و نقل، کاهش وزن بار مرده اعمال شده به سازه و امکان حمل و نصب در کارگاه به صورت دستی منجر می شود. چگالی مواد CFRP رایج بر حسب گرم بر سانتی متر مکعب در جدول زیر نشان داده شده است



ACFRPCFRPGCFRPSteel
کامپوزیت آرامیهکامپوزیت کربنکامپوزیت شیشهفولاد
2/5-1/15/6-1/12/1-1/29/7
چگالی مواد CFRP رایج بر حسب گرم بر سانتی متر مکعب
   
  
  

ضریب انبساط حرارتی


ضریب انبساط حرارتی مواد CFRP تک جهتی در جهت طولی و عمود بر آن متفاوت است و به نوع الیاف، رزین و مقدار الیاف به کار رفته بستگی دارد.

رزین ها


رزین های پلیمری به عنوان ماده نگه دارنده الیاف در ساخت CFRP و همچنین برای چسباندن این لایه ها بر روی بتن استفاده می شوند. کاربرد آن ها به عنوان متصل کننده CFRP به بتن بسیار حیاتی تر است، زیرا چسبندگی ضعیف ممکن است سبب شکست ناگهانی و غیر منتظره سیستم مرکب شود. رزین ها به این منظور الیاف را در کنار یکدیگر نگه می دارند که از الیاف در برابر عوامل محیطی حفاظت کرده و همچنین تنش های موجود را به نحو مناسبی روی وجه آن ها توزیع نمایند .
بی گمان انتخاب نوع مصالح بسته به نوع سازه مورد مقاوم سازی و پارامترهای تعیین کننده دیگر از جمله شرایط کاری و هزینه برآورد شده می تواند توسط مهندس طراح مورد بررسی قرار گیرد.

پلیمرهای مسلح شده با الیاف (CFRP)


از دیر باز مهندسان عمران با انواع گوناگونی از کامپوزیت ها کار کرده اند. از چوب می توان به عنوان یک کامپوزیت طبیعی نام برد. تخته های چند لایی به عنوان کامپوزیت های ورقه ای و در نگاه کلی بتن به صورت کامپوزیت با اجزای قابل تمایز از دیگر مواد مرکب در ساخت سازه بوده است. مواد کامپوزیت از موادی تشکیل شده اند که از لحاظ مکانیکی، رفتار مجزایی دارند ولی ماده کامپوزیت حاصل می تواند خواص کاملا متفاوتی نسبت به مواد تشکیل دهنده خود داشته باشد.
مواد مرکب پلیمری نوع مصنوعی مواد کامپوزیتی است. این مواد از دو بخش الیاف (فیبر) که نقش بار ماده مرکب را بر عهده دارد و قطر آنها بین 5 تا 25 میکرون و همچنین چسب (رزین) که نقش نگهداری الیاف در کنار هم ایفا می کند، تشکیل یافته است.
CFRP نسبت به فولاد مقاومت بیشتر و اثرات تخریبی کمتری نسبت به محیط زیست دارد. نسبت وزن به مقاومت CFRP، 50 برابر بتن و 18 برابر فولاد است. در CFRP نسبت مقاومت به وزن و صلبیت به وزن، نسبت به مصالح رایج بسیار قابل توجه است. وسعت کاربرد CFRP به ویژگی هایی چون قابلیت مرمت و تعمیر، کاهش هزینه به علت استفاده اتوماسیون در پروسه ساخت، نحوه استفاده از مصالح به منظور بهینه سازی سازه، در دسترس بودن آیین نامه های معتبر در خصوص طراحی و کاربرد، و درجه کنترل کیفیت و تضمین کیفیت بستگی دارد.
کامپوزیت های CFRP از قرار گرفتن فیبرهای متوالی در یک ماتریس رزین ساخته می شوند. از جمله روش هایی که در ساخت کامپوزیت CFRP استفاده می شود می توان به ذخیره رطوبت (WET LAY UP)، پالتروژن و تزریق رزین اشاره کرد. هر سه نوع CFRP یاد شده می توانند برای مقاوم سازی سازه های بتنی مورد استفاده قرار گیرند.
عموما ضخامت یک کامپوزیت CFRP که به وسیله فرآیند ذخیره رطوبت ساخته شده اند به سختی کنترل یا به طور دقیق معین و مشخص می شود، و درنتیجه نمی توان مدول الاستیسیته و مقاومت کششی را که به میزان ضخامت آن ها بستگی دارد، به دقت تعیین نمود. صرف نظر ازنوع فیبرها یا روش ساخت، این سه نوع CFRP رفتار تنش- کرنش مشابهی دارند. یکی از خصوصیات مهم کامپوزیت های CFRP به ویژه هنگامی که تحت فشار قرار می گیرند، رفتار خطی این مواد تا لحظه شکست و گسیختگی نهایی می باشد. منحنی های تنش- کرنش الیاف یک قیاس واضح بین رفتار شکست CFRP و انعطاف پذیری و چکش خواری فلزات به ما می دهند. از جمله نتایجی که می توان از آزمایشات و منحنی های حاصل از آن ها دریافت کرد، این است که این مواد خاصیت چکش خواری فلزات را دارا نیستند و نقطه شکستشان ممکن است رفتار چکش خواری اعضای بتنی تقویت شده با کامپوزیت های CFRP را محدود کنند. با این وجود، این مواد هنگامی که در بتن استفاده می شوند، می توانند مقاومت و چکش خواری ستون ها را تا حد زیادی افزایش دهند. رزین با مقاومت پایینی که دارد نقشی در خواص مکانیکی CFRP ها ندارد.
پوشش هایCFRP برای بهسازی سازه های موجود یا تعمیر خرابی های ایجاد شده در اثر خستگی، خوردگی، فرسودگی و … به کار می روند. این پوشش ها به وجه خارجی عضو بتن می چسبند و برای تعمیر و بهسازی رفتار سازه مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از انواع رایج این پوشش ها عبارتند از :
1- پوشش های دست ساز که در این نوع پوشش، ابتدا سطح عضو بتنی آماده شده و یک لایه چسب روی آن مالیده می شود. سپس الیاف بافته شده را به صورت گونی در یک یا چند راستا با دست روی سطح آن می چسبانند.
2- صفحات پیش ساخته کامپوزیت: در این حالت کامپوزیت ها به صورت صفحات یک جهته ساخته می شوند. در اعضای تخت مانند دالها و تیرها، صفحات پیش ساخته با عرضی معمولا در حدود 5 تا 15 سانتی متر بر روی سطح تمیز شده عضو که با ماسه و فشار هوا تمیز می گردد، با استفاده از چسب چسبانده می شود. برای تقویت اعضای قائم مانند ستون ها از صفحات پیش ساخته که در آن ها الیاف به صورت حلقه ای قرار دارند، استفاده می شود. پس از آماده سازی سطح عضو بتنی یک لایه چسب روی آن می پوشاند و صفحه مورد نظر در راستای مشخص شده روی عضو چسبانده می شود.
3- ورقه های ماشینی: در این نوع از مصالح الیاف CFRPبه صورت پیش آغشته به چسب به کار می روند. یک محفظه حرارتی برای عمل آوری کامل لایه های چسبیده به عضو بتنی به کار می رود.
4- مقاطع نورد شده: این مقطع در شکل های مختلف نبشی، قوطی، … و به منظور ساخت سازه هایی با اسکلت کامپوزیت CFRP تولید می شود.

مقاوم سازی با استفاده از CFRP


مقاوم سازی ستون و عرشه با CFRP


به طور عمده برای مقاوم سازی سازه های موجود یا تعمیر خرابی های ایجاد شده در اثر خستگی، خوردگی، فرسودگی و… پوشش های CFRP به کار می رود. این پوشش به وجه خارجی عضو بتن می چسبد. پلیمرهای CFRP دارای وزن کم، انعطاف پذیری بالا، راحتی در جابجایی، سرعت عمل بالا، برشکاری در قطعات دلخواه، سادگی اجرا بوده و از معایب آن نیز می توان به آسیب پذیری در مقابل آتش سوزی و کم تجربگی مشاوران و پیمانکاران اشاره نمود. شکل 7 مودهای گسیختگی تیر بتنی تقویت شده با صفحه CFRP و شکل 8 ستون های یک پل قبل و بعد از مقاوم سازی با ژاکت CFRP را نشان می دهد



CFRRP . پل
مودهای گسیختگی تیر بتنی تقویت شده با صفحه CFRP

عرشه ساخته شده از کامپوزیت بتن و CFRP


در این روش بتن در قالب پانل های CFRP ریخته می شود و عرشه به تیرها که از میلگردهای برشی استفاده کرده است، متصل می گردد. بعد از قرار دادن پانل ها بر روی تیر فولادی میلگردهای برشی جوشکاری می شوند. ماهیچه بتنی بین پانل های عرشه کامپوزیتی و تیر فولادی قرار می گیرد. در شکل زیر نمونه ای از دال مسلح کامپوزیت با میلگردهای CFRP نشان داده شده است.

CFRRP . پل
نمونه ای از دال مسلح کامپوزیت با میلگردهای CFRP

اجرای سیستم CFRP در پل ها


در این بخش یکی از متداولترین سیستم هایی که برای اجرای CFRP در پل ها وجود دارد، معرفی می گردد. بدیهی است که با توجه به وسعت انواع این نوع مصالح روش ها و اجزای مختلفی پیش روی طراحان و مجریان پروژه های عمرانی قرار دارد. اما در این بخش سعی شده است یکی از انواع سیستم های CFRP که می تواند در بسیاری از پروژه های بازسازی مناسب باشد، معرفی گردد.
این سیستم به طور کلی شامل سه جز کلی است:
1- قالب یا پانل های برجا (SIP)
2- آرماتورهای تسلیح
3- شبکه تسلیح. جنس هر سه جز از نوع CFRP است و هیچ گونه مصالح فولادی به کار نمی رود.

پانل های برجا


پانل ها از یک صفحه مستطیل شکل و با ابعادی متناسب با ابعاد عرشه انتخاب می گردند. استحکام هر پانل به وسیله دو مقطع باکسی شکل افزایش می یابد. این پانل ها عمود بر شاه تیرهای فولادی اجرا می گردند و در محل شاه تیرها ناپیوسته اند. ماهیچه بتنی بین پانل های عرشه کامپوزیتی CFRP و تیر فولادی قرار می گیرد.
در حدود 30 درصد فوقانی آنها با سنگدانه های آهکی پوشانده می شود تا اتصال مناسبی بین پانل ها و لایه های فوقانی که بر روی آن ها اجرا می گردد، برقرار شود. همچنین دلیل دیگر استفاده از این لایه انتقال مناسب نیرو بین عرشه بتنی و پانل است. عملکرد سازه ای این پانل ها مشابه با عملکرد آرماتورهای کششی در عرشه بتن مسلح می باشد. روند طراحی این بخش در آیین نامه ACI ذکر شده است. نمونه ای از اجرای پانل های برجا در شکل 10 ارائه شده است


CFRRP . پل
نمونه ای از اجرای پانل های برجا

آرماتورهای CFRP


جزء دیگر سیستم، آرماتورهایی از جنس CFRP است. این آرماتورها بر روی پایه مرکزی مقاومت لازم در برابر ممان منفی برای شاه تیرها را فراهم می کند و در سایر نقاط به عنوان آرماتور حرارتی عمل کرده و در مقابل جمع شدگی بتن در عرشه (Shrinkage) مقاومت می کنند. در شکل زیر نمونه ای از به کارگیری این آرماتورها به نمایش در آمده است.


CFRRP . پل
نمونه هایی از آرماتورهای CFRP

شبکه CFRP


جزء سوم این سیستم یک شبکه پیش ساخته شده است که در دو جهت عمل می کند. این شبکه به عنوان مسلح کننده های فوقانی عرشه بتنی عمل کرده و تنش کششی روی شاه تیرها را که ناشی از خمش منفی عرشه می باشد، تحمل می کند. آن ها در ناحیه ممان مثبت و بین شاه تیرها به یکدیگر متصل می گردند. برای اینکه شبکه ها در طی اجرای پل در محل خود نگاه داشته شوند، وصله هایی در انتهای شبکه ها مورد استفاده قرار می گیرد. این وصله ها بار کششی بین دو شبکه مجاور را منتقل می نمایند. معمولا 3 تا 4 جفت از وصله ها مورد استفاده واقع می شوند. سیستم های کششی با پوشش اپوکسی مورد استفاده قرار می گیرند تا در طی ریختن بتن شبکه ها در محل خود ثابت بمانند. در شکل 12 نمونه هایی از این بخش سیستم ارائه شده است


CFRRP . پل
نمونه ای از اجرای شبکه CFRP در پل ها

فرآیند ساخت عرشه پل با CFRP


آزمایش آزمایشگاهی سیستم عرشه آرمه CFRP قبل از ساخت انجام می پذیرد. برش پانچ، ممان خمشی مثبت و منفی، و آزمایش های خستگی صورت می گیرد تا ظرفیت سیستم عرشه و ظرفیت انتقال بار در محل اتصال عرشه معین شود. همچنین آزمایش های انجماد و ذوب انجام می شود تا فساد CFRP را برای ممانعت از عدم پیوستگی بتن در پانل های عرشه CFRP بررسی کنند. انجام این آزمایش به منظور اطمینان یافتن از توانایی سیستم CFRP در تحمل بارهای طراحی پایداری در برابر آنها است.
پس از استقرار شاه تیرهای بتنی، ماهیچه ساخته شده تا ارتفاع مورد نیاز قالب های عرشه CFRP ایجاد و ضخامت یکنواخت عرشه حفظ می شود. وقتی از روش ساخت معمولی عرشه استفاده شود، ماهیچه را از قالب های تخته سه لایی جدا شدنی درست می کنند. به علت استفاده از پانل های عرشه CFRP به عنوان قالب های جداشدنی، به روش دیگری برای ساخت ماهیچه نیاز است. این کار با تکیه دادن پانل های عرشه روی شاه تیرها و استفاده از فوم پلی استایرن روزنه دار صلب با ارتفاع متغیر انجام می شود که قبل از استقرار بتن نصب شده است.
ماهیچه های پلی استایرن را با چسب اپوکسی به لبه های بال بالایی شاه تیرهای بتنی به جز قسمت بیرونی شاه تیرهای خارجی متصل می کنند. سپس پانل های عرشه CFRP را روی فوم قرار می دهند. سلول های لوله ای شکل تو خالی در انتهای پانل ها را با فوم پلی استایرن قابل انبساط پر می کنند تا از جریان آب مخلوط و بتن خیس به حفره ها جلوگیری شود. همه اجزا برای کارگران به اندازه کافی سبک بوده تا بتوانند آن ها را حمل کنند.
قبل از استقرار پانل عرشه درزگیری با جوش سیلیکون روی لبه پانل عرشه که قبلا مستقر شده است، انجام می شود. یک پیچ با روکش اپوکسی در انتهای هر پانل عرشه در محل اتصال لبه کار گذاشته می شود. درزگیری با جوش سیلیکون انجام می شود تا بین پانل های عرشه آب بندی ایجاد کنند و از نفوذ بتن بین پانل ها هنگام ریختن جلوگیری کنند. پیچ های با روکش اپوکسی برای محکم کردن انتهای پانل ها و جلوگیری از بلند شدن آن ها در زمان وزش باد های شدید قبل از ریختن کار گذاشته می شود. در صورت عدم اطمینان از جریان یافتن بتن به شکاف بالای شاه تیر و پایین پانل عرشه، قبل از اینکه عرشه بتنی ریخته شود از ملات سیال برای پر کردن حفره بین ماهیچه ها و فوم استفاده می شود. پس از نصب همه پانل های عرشه، ملات را برای لبه پایینی پانل عرشه به کار برده و متراکم می کنند تا مطمئن شوند که ملات همه فضاهای خالی را پر کرده است. سطح ملات را زبر کرده تا اصطکاک کافی بین شاه تیرها و عرشه بتنی ایجاد شود و از واکنش مرکب (با خاموت های فولادی که از بال بالایی شاه تیرها بیرون می زنند) اطمینان حاصل گردد. سپس میلگردهای CFRP را موازی با شاهتیرهای بتنی قرار داده و با خرک های پلاستیکی متصل نگه می دارند که روی محفظه های لوله ای شکل پانل های عرشه قرار گرفته اند. میلگردها در فواصل تعیین شده ای در مرکز پایه مرکزی قرار می گیرند. از فاصله بندی بیشتر و میلگردهای کوچکتر در فواصل دورتر از پایه مرکزی استفاده می شود. میلگردهای فولادی با روکش اپوکسی که در دیواره و طره استفاده می شوند، همزمان با میلگردهای CFRP نصب می گردند. ابعاد و فواصل میلگردها با توجه به بار وارده و نوع پل توسط طراح تعیین می شود. سپس شبکه CFRP را در بالای میلگردها قرار می دهند.
میلگردهای شبکه T را عمود بر میلگردهای CFRP کار می گذارند. شبکه ها را در سه قسمت روی عرض پل، دو بخش بزرگتر در بیرون و بخش کوچکتر در وسط قرار می دهند. به علت تامین پوشش بالایی مورد نیاز شبکه در مرکز پل ضخامت عرشه پل را افزایش می دهند (به عنوان مثال، ضخامت بتن از 200 به 9/215 میلی متر افزایش می یابد). عملیات بتن ریزی عرشه CFRP سریع تر از سایر عرشه ها است ]1[. نمونه ای از اجرای شبکه CFRP در پل ها در شکل زیر ارائه شده است.


CFRRP . پل
نمونه ای از اجرای شبکه CFRP در پل ها

بررسی رفتار ستون های بتن آرمه


به طور کلی هر عضوی که تحت بار محوری فشاری یا کششی قرار داشته باشد، یک عضو محوری نامیده می شود. این نامگذاری شامل اعضایی که به طور همزمان تحت خمش قرار دارد نیز می شود. متداول¬ترین روش مقاوم سازی ستون ها با CFRP، دور پیچ کردن کردن سطح خارجی آن ها با نوارهای CFRP است. اساس این مقاوم سازی که در واقع محصور کردن ستون فشار جانبی بر بتن آن است بر این اصل استوار است که وجود فشار محیطی بر روی یک المان بتنی، سبب افزایش مقاومت فشاری و شکل پذیری آن می شود. روش های مقاوم سازی را می توان به سه گروه عمده تقسیم بندی کرد ]3[:

CFRRP . پل
نحوه پیچیدن الیاف CFRP دور ستون های بتنی
(الف) حالت دورپیچ کردن، (ب) پیچیدن مارپیچی و (ج) پوشاندن با پوسته های پیش ساخته را نشان می دهد.

اثر دورپیچ الیاف CFRP بر رفتار اعضای بتن آرمه


دورگیری یک اثر نهفته (Passive) است و اثر آن زمانی آشکار می شود که ماده محصور دچار افزایش کرنش و تغییر شکل جانبی شود. رفتار الیاف کربن را نمی توان مانند پوشش فولاد در نظر گرفت، زیرا فولاد یک ماده الاستوپلاستیک است، در حالی که الیاف CFRP کاملا الاستیک می باشند. شکل ١5 نتایج آزمایشات را بر روی سه دسته نمونه آزمایشگاهی نشان می دهد. در این شکل، تغییرات تنش محوری در اثر افزایش کرنش محوری و کرنش جانبی رسم شده است. منحنی ها نشان می دهند که دورپیچ کردن با CFRP باعث بالاتر رفتن شکل پذیری و مقاومت فشاری می شود، اما شکست عضو، برخلاف نمونه های فاقد CFRP به صورت ترد و ناگهانی خواهد بود


CFRRP . پل

اثر احاطه شدن بر مقاطع دایره ای شکل


وقتی مقطع بتن آرمه ای که با ورقهایCFRP تقویت شده است تحت فشار محوری قرار می گیرد، بتن به صورت جانبی منبسط می شود (اثر پواسون). الیاف CFRP باعث محدود کردن این تغییر شکل می شوند. با توجه به شکل 2، برای مقاطع دایره ای، فشار محدود کننده به صورت یکنواخت به کل مقطع وارد می شود. مقدار این فشار به قطر هسته بتنی و مقاومت کششی الیاف CFRPبستگی دارد و از رابطه زیر محاسبه می شود:
(1) Fr =
در این رابطه Fr نقش تنش فشاری محدود کننده، Fj تنش نهایی الیاف دورپیچ کننده، tj ضخامت لایه های الیاف، و D قطر مقطع می باشد. در این حالت، تخریب عموما در اثر پارگی الیاف CFRP و انهدام به صورت ناگهانی رخ می دهد. شکل زیر مکانیسم عمل دورگیری برای مقاطع بتنی مستطیلی و دایره ای شکل را نشان می دهد.


انجام پروژه های دانشجویی در پرشیا پروژه

اثر احاطه شدن بر مقاطع مستطیل شکل


اثر دورگیری برای مقاطع مستطیلی نسبت به مقاطع گرد از کارآیی کمتری برخوردار است، زیرا نقاطی از هسته سهم بیشتری از فشار محدود کننده را می برند و نقاطی مانند گوشه های مقطع تقریبا سهم فشاری ندارند. تیز بودن گوشه ها باعث می شود که اکثر تخریب ها به خاطر پارگی الیاف CFRP در گوشه های مقطع صورت گیرد. با توجه به شکل بالا، تنش فشاری محدود کننده برای مقاطع مستطیلی از روابط کاهنده زیر محاسبه می شود]4[ .

(2) Fr,x = ρ j,x . Ke.Fj
(3) Fr,y = ρj,y . Ke.Fj
Ke ضریب شکل اثر دورگیری می باشد که از رابطه 4 به دست می آید.

(4) Ke =
در این رابطه Ae سطح مقطع موثر محدود شده است که به صورت زیر محاسبه می شود:
(5) Ae = tx.ty – ((Wx ² + Wy ²) / 3 ) – Ast

که در آن
Wx = tx – 2r Wy = ty – 2r
ρ j,x = 2tj / tx ρ j,y = 2tj / ty

در این روابط tx و ty ابعاد مقطع و ρ j,y و ρ j,x درصد پوشش در هر دو وجه مقطع می باشد. در نهایت نیروی فشاری محدود کننده (Fr ) از رابطه زیر به دست می آید:

CFRRP . پل

نتایج آنالیز ستونهای تقویت شده با دورپیچ الیاف کربن


به طوری که توضیح داده شد، منحنی اندرکنش ستون های بتن مسلح را که با الیاف فیبر کربن تقویت شده اند، می توان بر پایه اصول اولیه به دست آورد. اثر دورپیچ بر افزایش مقاومت و بهبود شکل پذیری ستون، با توجه به سازگاری تغییر شکل ها و اصلاح خواص مواد تحت اثر فشار جانبی، در منحنی های اندرکنش وارد می شود. با توجه به تنوع پارامترها، نظیر درصد فولاد، خواص و ضخامت دورپیچ الیاف کربن، شکل مقطع ستون و کارآیی حصار جانبی،می توان تعداد زیادی منحنی اندرکنش رسم نمود. نمونه ای از منحنی ها برای مقطع دایره و مستطیل به ترتیب در شکل های 17 و 18 ارائه شده است.
شکل 17 منحنی های اندرکنش مقاومت محوری با مقاومت خمشی یک ستون با مقطع دایره را نشان می دهد. سه منحنی در شکل دیده می شود که ستون بدون دورپیچ، با پنج لایه دورپیچ، و با ١٠ لایه دورپیچ را نشان می دهد. دیده می شود که با افزودن پنج لایه الیاف کربن، مقاومت ستون بیش از ٣٠ %، و برای ١٠ لایه، مقاومت به میزان بالای ۶٠ % نسبت به حالت بدون تقویت، بهبود می یابد. شکل منحنی نشان می دهد که مقدار افزایش مقاومت با زیاد شدن برون محوری بزرگ تر می شود. اما در قسمت پایین منحنی اندر کنش، یعنی برون محوری بزرگتر از حالت متعادل، افزایش مقاومت خیلی کمتر است و این نشان می دهد که دورگیری در مقاطعی که متحمل نیروی محوری فشاری نسبتا بزرگی هستند از کارآیی و تأثیر بیشتری در مقایسه با مقاطعی که تحت اثر لنگرهای نسبتا بزرگ واقعند، برخوردار است. شکل 18 منحنی اندرکنش را برای یک مقطع مستطیلی نشان می دهد. روند افزایش مقاومت با افزودن لایه های فیبر کربن مانند مقطع دایره مشهود است. اما میزان افزایش در مقایسه با مقطع دایره کمتر است. مثلا، به ازای ده لایه پوشش، مقاومت در حدود ۵٠ % بالا رفته است. در حالی که این عدد برای مقطع دایره بیش از ۶٠ % بود. البته، کارآیی بیشتر دورپیچ برای مقاطع دایره ای، نسبت به مقاطع مستطیلی، مورد انتظار می باشد. شکل ها نشان می دهند که به طور کلی این نوع تقویت در ناحیه فشاری منحنی اندرکنش بسیار موثر است، اما در ناحیه کششی تاثیر کمتری بر تقویت مقطع دارد. و نیز تقویت ستونهای گرد از کارایی بیشتری نسبت به ستون های مستطیلی برخوردار است


CFRRP . پل
منحنی اندرکنش ستون دایره ای تقویت شده با الیاف CFRP


CFRRP . پل
منحنی اندرکنش ستون مستطیلی تقویت شده با الیاف CFRP

بازسازی پل ها با استفاده از CFRP


بازسازی فرآیندی است که در زمانی صورت می گیرد که به دلیل افزایش شبکه یا سایر عوامل، با وارد کردن بر سازه افزایش یافته و در نتیجه نیاز به افزایش ظرفیت باربری سازه می باشد. به عنوان مثال، هنگامی که در یک عضو خمشی به افزایش عمق یا آرماتور نیاز باشد، می توان این نیاز را با استفاده از صفحه های CFRP برآورده نمود.
پل ها در کنار تونل ها از مهمترین و حساس ترین اجزای سیستم حمل و نقل می باشند. در سالیان اخیر با توجه به افزایش ظرفیت ناوگان عبوری مشکلات قابل توجهی در ارتباط با بهسازی و بازسازی این قبیل سازه ها و هزینه های مرتبط با آن ها به وجود آمده است. به عنوان مثال، 30 تا 40 درصد پل های آمریکا به لحاظ سازه ای نسبت به بارهای وارده ضعیف عمل می کنند. بر این اساس اداره کل آزاد راه های آمریکا (FHWA) در گزارش خود هزینه رفع نقص پل ها را 212 میلیارد دلار اعلام کرد. آشتو نیز در تخمین خود از این پروژه عظیم رقمی معادل 263 میلیارد دلار را با ایجاد ترمیم های معمولی با بالا بردن کیفیت لازم دانست. در یکی از ایالات آمریکا در حدود 200 میلیارد دلار در سال صرف جایگزینی پل ها می گردد و تمامی سازه های ذکر شده می بایست تعویض شوند، و در این بین کامپوزیت ها نقش تعیین کنند ه ای دارند. به عنوان مثال پل وست بروک در اوهایو اولین پلی است که در آن از کامپوزیت های CFRP استفاده شده است .
علاوه بر هزینه نگهداری پایین این پل ها نکته قابل توجه آن است که برای نصب، وسایط نقلیه با مشکل ترافیکی روبرو نیستند، چرا که برای نمونه نصب طولانی ترین سازه کامپوزیتی قوسی شکل در سرتاسر اروپا حداکثر 24 ساعت به طول انجامید. همچنین دلیل دیگر انتخاب این مصالح شرایطی است که برای ترمیم و تعمیر سازه های مهم سیستم حمل و نقلی وجود دارد. به علت کاهش در ازدحام ترافیک و به دلیل اجرای عملیات احیای مجدد و نوسازی پل ها در کمترین زمان ممکن، کامپوزیت های CFRP می توانند بهترین گزینه باشند

بهره وری استفاده از CFRP


ارزیابی فنی با استفاده از روش سلسله مراتبی


یکی از راهکارهای انتخاب مناسبترین سیستم اجرایی در هر بخش به لحاظ فنی، استفاده از روش سلسله مراتبی یا (Analytical Hierarchy Process) AHP است. این تکنیک به تصمیم گیرنده کمک می کند که بتواند یک مسئله پیچیده را به شکل یک سلسله مراتب ساده شکل دهد و تعداد زیادی از معیار های کمی و کیفی را در یک روش سیستماتیک و با استفاده از معیارهای چندگانه ارزیابی نماید.
این تکنیک شامل سه مرحله است:
1- تجزیه مسئله به تعداد معیار کوچکتر برای تصمیم گیری بهتر
2- مقایسه دو به دوی معیارهای مذکور
3- تعیین ارزش نسبی هر معیار در انتخاب
از این رو پس از مطالعه در معیارهای اساسی برای اجرای عرشه CFRP به لحاظ فنی، فهرستی از مهمترین معیارها انتخاب شد و برای امتیازدهی و انتخاب سیستم نهایی به حضور جمعی از کارشناسان خبره در زمینه طراحی، نظارت و اجرای ابنیه فنی خطوط حمل و نقل ارائه گردید. پس از مطالعات صورت گرفته و بررسی های انجام شده در نهایت 5 معیار اصلی برای سنجش سیستم CFRP به عنوان موثرترین معیار انتخاب شدند که به ترتیب عبارتند از
1- سرعت اجرا
2- عمر مفید
3- سهولت اجرا
4- توان تولید در داخل
5- نگهداری و تعمیر (یا به بیانی کیفیت اجرا)

بررسی هزینه سیستم CFRP


به منظور بررسی هزینه استفاده از CFRP اطلاعات مربوط به مصالح مورد استفاده، حجم کار در مورد عرشه پل مسلح شده با مصالح CFRP و همچنین پل بتن مسلح حین ساخت، ثبت گردید تا امکان مقایسه دو پل فراهم شود. هزینه کل مصالح برای پل آرمه CFRP، 60 درصد بیشتر از هزینه مصالح پل آرمه فولادی بود. هزینه نسبی اجزای تشکیل دهنده CFRP، 65 درصد مربوط به پانل های عرشه، 25 درصد مربوط به شبکه و 10 درصد مربوط به میلگرد برای کل هزینه مصالح CFRP بود. هزینه آرماتور فولادی 45 درصد بیشتر از هزینه آرماتور سیستم CFRP بود ]1[. رقابت بین سازندگان CFRP، افزایش استفاده و بهینه سازی بیشتر طراحی می توانند سبب کاهش هزینه این سیستم (به ویژه پانل عرشه) در آینده گردند. درصد مولفه های هزینه سیستم CFRP در نمودار زیر ارائه شده است.

CFRRP . پل
درصد مولفه های هزینه سیستم CFRP

مزیت اصلی استفاده از مصالح CFRP صرفه جویی در زمان انجام پروژه است. 70/0 نفر ساعت بر متر مربع برای نصب و برداشتن قالب بندی روی پل آرمه فولادی لازم بود. آرماتور فولادی را 15/0 نفر ساعت بر متر مربع مستقر کردند. 25/0 نفر ساعت بر متر مربع برای قرار دادن ماهیچه های پلی استایرن و کارگذاشتن پانل های عرشه لازم بود. در مولفه دیگر آرماتور CFRP، شبکه و میلگردها را در 13/0 نفر ساعت بر متر مربع قرار دادند. 86/0 ساعت بر متر مربع روی ساخت عرشه و استقرار آرماتور روی عرشه پل آرمه فولادی در مقایسه با 37/0 ساعت بر متر مربع روی عرشه پل آرمه CFRP صرف شد. این به معنی 57 درصد صرفه جویی در هزینه های کار است. یک مزیت هم در بهره وری ریختن بتن مشاهده شد. سرعت قرار دادن بتن روی عرشه آرمه CFRP 15/51 متر مکعب بر ساعت در مقایسه با 05/29 متر مکعب بر ساعت برای عرشه آرمه فولادی بود ]1[. نمودار 2 حجم کاری اجرای هر یک از بخش های سیستم CFRP به ازای هر متر مربع را نشان می دهد.
ساخت عرشه پل بتنی مسلح با استفاده از تکنولوژی CFRP با 57 درصد صرفه جویی در کار ساخت انجام شد. هزینه مصالح پل عرشه پل آرمه CFRP 60 درصد بیشتر از هزینه مواد پل عرشه آرمه فولادی بود. در حال حاضر تحقیق درباره فواید طولانی مدت ناشی از دوام عرشه CFRP امکان ندارد. به نظر می رسد با توجه به صرفه جویی در زمان ساخت و فواید طولانی مدت احتمالی، آرماتور CFRP عرشه پل ها باید مقرون به صرفه باشد با توجه به اینکه هزینه های اولیه آن ها در حال حاضر بالا است. بهینه سازی آتی طراحی قالب بندی جدا نشدنی برای کاهش هزینه سیستم آرمه CFRP توصیه می شود. علاوه بر آن، استفاده از شبکه های پیش ساخته
بزرگتر به جای میلگردها ممکن است باز هم صرفه جویی های بیشتری در زمان و فرآیند اجرایی این سیستم نوین به بار آورد ]1[. به منظور کنترل کیفیت مصالح به کار رفته، تضمین کیفیت عرشه اجرا شده برای حصول اطمینان از مطابقت با مشخصه ها و نیز ایجاد تایید نظارتی لازم برای پروژه های زیر ساختی بایستی آزمایشات لازم بر روی مصالح CFRP صورت پذیرند. نمودار 3 سرعت بتن ریزی سیستم CFRP با عرشه بتن مسلح را ارائه می دهد.

CFRRP . پل
نمودار2-حجم کاری اجرای هر یک از بخش های سیستم CFRP به ازای هر متر مربع

CFRRP . پل
نمودار 3- سرعت بتن ریزی سیستم CFRP با عرشه بتن مسلح

نتیجه گیری


برخی مواقع استفاده از بتن و فولاد و مواد کامپوزیتی برای تقویت پل¬ها به روش سنتی پاسخگوی نیروی زلزله نیست، یا اینکه هزینه زیادی می طلبد و یا به سبب موقعیت خاص پل قابل اجرا نیست. در این صورت به عنوان روش¬ها و مصالح جایگزین از سیستم های نوینی مانند جداگرها، میراگرها، سیستم¬های یکپارچه، کنترل فعال مواد هوشمند و گزینه های دیگر استفاده می شود. برای مقاوم سازی پل ها روش های سنتی زیادی از جمله استفاده از غلاف فولادی برای ستون، استفاده از بادبند 8، استفاده از کوله یکپارچه و سایر روش¬ها متداول بوده است، اما در موارد متعددی از روش¬های مقاوم سازی جدید با به کارگیری از موادی مانند CFRP که دارای مزیت های متعددی می باشند، استفاده می شود. در این گزارش مطالب مختصری در ارتباط با خواص و کاربرد CFRP در مقاوم سازی پل های موجود ارائه گردید.

مطالب مرتبط

نظرات کاربران

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

تماس با ما

پرشیا پروژه فعالیت خود را در سال 98 آغاز کرد و با جمع کردن تیمی متخصص در زمینه و رشته های مختلف آماده خدمت رسانی به شما همکاران گرامی میباشد

خبر نامه سایت

با عضویت در خبرنامه پرشیا پروژه از آخرین مطالب و محصولات با خبر شوید

.
کلیه حقوق برای سایت پرشیا پروژه محفوظ است.