تأثیر دورپیچ کردن ستونهای بتن مسلح (با مقطع دایروی) با مصالح FRP در رفتار خمشی ـ محوری

تا پیش از دهه ۱۹۹۰، دو روش مرسوم برای مقاوم سازی ستونهای بتن مسلح بی کفایت وجود داشت. یکی اجرای یک غلاف بتن مسلح اضافی به دور ستون موجود و دیگری استفاده از غلاف فولادی با تزریق دوغاب. استفاده از روش غلاف فولادی، به دلیل آنکه غلاف بتن مسلح فضای بیشتری اشغال کرده و وزن سازه را نیز افزایش می داد، فراگیرتر و مؤثرتر بوده است.

البته هر دو روش یاد شده، نیازمند نیروی کار زیاد بوده و اغلب برای انجام در کارگاه مشکل می باشند. همچنین غلاف فولادی در مقابل حمله شرایط جوی مقاومت کمی دارد.
در سالهای اخیر کاربرد روش مقاوم سازی ستونهای بتن مسلح با استفاده از مصالح FRP به جای غلاف فولادی بطور گسترده ای توسعه یافته است. مرسومترین شکل مقاوم سازی ستونهای بتن مسلح با مصالح FRP شامل دورپیچ کردن بیرونی ستون با استفاده از ورقها یا نوارهای FRP است.

مقاوم سازی ستونهای موجود بتن مسلح با استفاده از غلاف فولادی یا FRP بر مبنای این حقیقت استوار است که محصورشدگی جانبی بتن، سبب افزایش قابل توجه مقاومت فشاری محوری، محوری ـ خمشی و شکل پذیری ستون می گردد.

مطالعات بسیاری در مورد مقاومت فشاری و رفتار تنش ـ کرنش بتن محصور شده با FRP انجام شده است. این مطالعات بیانگرد آن هستند که رفتار بتن محصور شده با FRP با رفتار بتن محصور شده با فولاد متفاوت بوده و بنابراین توصیه های طراحی توسعه یافته برای ستونهای بتنی محصور شده با غلاف فولادی، علیرغم تشابه ظاهری، برای ستونهای بتنی محصور شده با FRP قابل کاربرد نیستند.

مشکلات اجرایی سزه های بتنی موجود و بهسازی آنها
حرکت استمراری علم در عرصه مهندسی سازه ـ زلزله موجب گردیده است تا نوسازی و بهسازی در سالهای در اخیر از روشهای نوین و مصالحی جدید بهره گیرد که در پیشینه طولانی ساخت و ساز سابقه نداشته است در میان این نوآوری ها FRP (مواد کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف) از جایگاه ویژه برخوردار می باشد تا آنجا که به نظر برخی از متخصصان FRP را باید مصالح ساختمانی هزاره سوم نامید.

کامپوزیت FRP که ابتدا در صنایع هوا و فضا بکار برده شد با داشتن ویژگی های ممتاز چون نسبت بالای مقاومت به وزن، به وزن، دوام در برابر خوردگی، سرعت و سهولت در حمل و نصب، دریچه ای نو پیش روی مهندسین عمران گشوده است به گونه ای که امروز سازه های متعددی در سرتاسر دنیا با استفاده از این مواد تقویت شدند استفاده از مصالح کامپوزیت به طور قابل توجهی در صنعت ساختمان یک بازار تکان دهنده و با سرعت در حال توسعه می باشد.

اولین تحقیقات انجام شده در این زمینه از اوایل دهه ۱۹۸۰ آغاز شده است، زلزله ۱۹۹۰ کالیفرنیا و ۱۹۹۵ کوبه ژاپن نیز از جمله عوامل موثرتری برای بررسی کاربرد کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیافFRP جهت تقویت و مقاوم سازی سازه های بتنی و بنایی در مناطق زلزله خیز گردید.

کاربرد کامپوزیت FRP در مقاوم سازی سازه های بتن مسلح امروزه نگهداری از سازه ها به دلیل هزینه ساخت و تعمیر بسیار حائز اهمیت می باشد با مطالعه رفتار سازه های بتنی مشخص می شود عوامل متعددی مانند: اشتباهات طراحی و محاسبه، عدم اجرای مناسب تغییر کاربری سازه ها، آسیب دیدگی ناشی از وارد شدن بارهای تصادفی، خوردگی بتن و فولاد و شرایط محیطی از دوام آنها می کاهد ضمناً تغییر آیین نامه های ساختمانی (باعث تغییر در بارگذاری و ضرایب اطمینان می شود) نیز سبب ارزیابی و بازنگری مجدد طرح و سازه می گردد تا در صورت لزوم بهسازی و تقویت شود.

سیستمهای الیاف مسلح شده پلیمری FRP 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.
با توجه به معایب این روشها مانند بازدهی کم و یا نیاز به امکانات و فن آوری خاص امروزه روش های مقاوم سازی با استفاده از کامپوزیت توسعه روز افزون دارد.

محدودیت استفاده و کاربرد کامپوزیت در مهندسی ساختمان به قیمت بالای آنها برمی گردد البته هزینه و قیمت آنها به تدریج رو به کاهش می باشد به این ترتیب استفاده از آنها بیشتر و بیشتر خواهد شد. استفاده از FRP در زمینه مقاوم سازی ، هر چند که هزینه بالایی در بردارد، اما با توجه به هزینه اجرای کم و نیز سایر مزایای FRP، در کل به صرفه ترین و موثر ترین راه مقاوم سازی سازه های بتنی امروزه به شمار می رود.

در این حین، جهت استفاده صحیح و مناسب از این ماده و طراحی مقاوم سازی سازه های بتنی، آیین نامه ها، راهنماها و گزارشهایی در سراسر جهان منتشر گردید با توجه به شروع رشد و استفاده از مواد FRP ، در ایران تدوین راهنمایی برای طراحی مقاوم سازی به کمک این مواد، بسیار ضروری است.

در این مجموعه به بررسی و معرفی بعضی از آیین نامه ها و راهنماهای معتبر در مورد ورقه های FRP تقویت کننده به صورت خارجی، برای آشنایی بیشتر آنها پرداخته شده است. بر این اساس تعدادی از راهنماهای طراحی با توجه به منابع در دسترس مورد بررسی قرار گرفته است. راهنماهای طراحی مورد بررسی عبارتند از:
• ACI 440.2R-02 ، راهنمای طراحی تقویت سازه های بتنی با کمک چسباندن سیستم FRP به صورت خارجی
• Fib Bulletin 14 (2001) راهنمای طراحی تقویت کننده های FRP چسبیده به صورت خارجی برای سازه های بتن آرمه

• UK Concrete Society Technical Report No. 55 (2000) راهنمای طراحی مقاوم سازی بتن آرمه با استفاده از مواد کامپوزیتیFRP
• ISIS (2000) مقاوم سازی سازه های بتن آرمه با پایمرهای تقویت شده با الیاف FRP

• JSCE توصیه های انجمن مهندسین عمران ژاپن در مورد مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از ورقه های الیافی
• JBDPA راهنمای طراحی و ساخت بهسازی لرزه ای ساختمانها به وسیله کامپوزیت های FRP در ژاپن
• CSA استاندارد کانادا در مورد طراحی و اجرای ساختمانهای تقویت شده با FRP

مواد و مصالح
مصالح همیشه نقش عمده ای در تکامل سازه های پلی ایفا کرده اند . پیشرفت در کیفیت در مصالح بتونی ، فولادی و الواری همچنان ادامه خواهد یافت. ولی بیشترین تغییرات متحول کننده در حوزه های پلاستیک با فیبر تقویت شده (FRP ها) ، فولاد با استحکام بالا و با کارایی زیاد ، بتون بالا (HPC) و مخلوطی از و مخلوطی از FRP و الوار خواهد بود.