عمران, ویژه

کاربرد CFRP در مقاوم سازی پلها

چکیده:

ايران از نظر لرزه خيزي در منطقه فعال جهان قرار دارد و به گواهي مستندات علمي و مشاهدات قرن حاضر از آسیب پذیرترین مناطق جهان در برابر زلزله محسوب مي شود. در اين راستا يكي از برنامه هاي دولت و مردم براي كاهش خطر پذيري كشور در برابر زلزله، مطالعه و اجراي مقاوم سازي سازه ها( در زمینه عمران ومعماری و..) از جمله ساختمان¬های مهم و همچنین تأسيسات زير بنایي و شريان هاي حياتي كشور است. موفقيت در مقاوم سازي منوط به بهره بردن از فنون و مهارت هاي نوين مقاوم سازي لرزه اي است. در ميان اين نوآوري¬ها مواد كامپوزيت پليمري تقويت شده با الياف کربن یا CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) از جايگاه ويژه اي 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.

مقدمه

بخش عظيمي از سازه هاي بتني مسلح طبق استانداردهاي امروزي غير مقاوم مي باشند. تغييرات كاربردي، افزايش در موارد بارگذاري يا فرسودگي تدريجي حاصل از محيط مخرب از جمله عوامل اصلي سهيم در اين مسئله به شمار مي روند. به منظور محافظت از اين سازه ها مي توان از بازسازي براي نگهداري قدرت و افزايش عمر آنها برشمرد. در دهه اخير براي استحكام اجزاي ساختاري سازه هاي بتني مسلح از ورق هاي كامپوزيت استفاده شده است.
به عقيده بسياري از پژوهشگران ورق هاي كامپوزيت وسيله اي كارآمد، مطمئن، و مقرون به صرفه براي مقاوم سازي محسوب مي شود. سيستم هاي الياف مسلح شده پليمري براي تقويت سازه هاي بتني پديدار شده و به عنوان يك جانشين براي روش هاي سنتي از قبيل چسباندن صفحات فولادي، افزايش سطح مقطع با بتن ريزي مجدد و پيش تنيدگي خارجي مي باشد. استفاده از CFRP در زمينه مقاوم سازي، هر چند كه ورق هاي آن قيمت نسبتاً بالايي دارد، اما امروزه با توجه به هزينه اجراي كم و نيز ساير مزاياي آن در كل از باصرفه ترين و مؤثرترين روش های مقاوم سازي سازه هاي بتني به شمار مي رود. كامپوزيت CFRPمحصولي است براي تقويت سازه ها كه با چسباندن لايه اي از منسوج الياف كربن، شيشه يا آراميد به وسيله رزين اپوكسي به روي سطح عضوي از سازه انجام مي گيرد. اين لايه به صورت عضو تقويتي مضاعف عمل مي كند. اين فرآيند بر پايه قرار دادن) منسوج الياف توأم با ملات چسبنده رزين (با مقاومت كششي بسيار بالا كه براساس محاسبات فني به قسمت تحت كشش عضو مورد نظر سازه چسبانده مي شود، استوار است. با اين كار، عملكرد و كارايي عضو و در نتيجه مقاومت سازه افزايش مي يابد. نمایی از CFRP در شکل 1 نشان داده شده است.
اولين تحقيقات انجام شده در اين زمينه از اوايل دهه 1980 آغاز شد. زلزله 1994نورث ریج كاليفرنيا و 1995 كوبه ژاپن نيز از جمله عوامل موثرتري برای تقويت و مقاوم سازي سازه هاي بتني و بنايي در مناطق زلزله خيز گرديد. خرابي هاي مشاهده شده در ساختمان ها و پل ها طي زلزله هاي اخير نياز مبرم به مقاوم سازي لرزه اي سازه هاي موجود را نشان مي دهد.

فصل اول

ستون هاي بتن مسلح، اعضاي اصلي مقاوم در برابر بارهاي افقي و قائم در سازه هاي بتني به شمار مي آيد. بنابراین، مقاوم كردن ستون¬ها در برابر نيروهاي زلزله می تواند نقش مهمی در مقاوم سازی کل سازه ایجاد کند. در نتيجه استفاده از كامپوزيت هاي CFRP برای مقاوم سازی ستون هاي بتني مسلح در مناطق لرزه خیز جهان گسترش يافته است و مطالعه در اين زمينه از طرف پژوهشگران پرشماری صورت مي گيرد.
هدف اصلی از بهسازي لرزه اي ستون هاي بتن آرمه افزایش مقاومت برشی، به ویژه در پایه ها با قطع آرماتور طولی در وسط ارتفاع بدون طول مهاري کافی می باشد .این کار شکل پذیري ستون را افزایش می دهد، زیرا از شکست برشی زودرس جلوگیري می کند. اما اگر فقط شکل پذیري 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 نیروي زلزله انتقالی از پایه به پی می شود. بررسی انواع پی نشان داده که اگر افزایش مقاومت خمشی پایه در اثر مقاوم سازي کمتر از دو برابر مقاومت خمشی پایه پل موجود باشد، پی با افزایش نیروي 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 هاي بتن آرمه در ايران و در ساير نقاط جهان عمري بيش ازچند دهه دارند. از آنجا كه اين سازه ها عموما اهميت زيادي داشته و تعداد آن ها نيز فراوان است، جايگزين کردن آن ها با پل هاي جديد اكثرا فاقد توجيه اقتصادی بوده و از نظر اجرايی غير عملی مي باشد. در حالی که تعمير و تقويت ابنيه فوق در بيشتر موارد امري ضروري و مقرون به صرفه مي 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 نمايد تا نمونه هايی از منحني های اندرکنش را برای تقويت ستون¬های بتن آرمه با الياف كربن ارائه دهد. منحنی ها برای مطالعه رفتار و بررسی اثر تقويت انواع ستون هاي 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:

• عدم تامین مقاومت برشی لازم در هر طبقه (به وسیله ستون-ها و دیوارهای برشی)
• شکست برشی ستون¬هایی که طولشان به طور ناخواسته توسط دیوارها و سایر عناصر غیر سازه ای کوتاه شده است (شکست ستون کوتاه)
• شکست برشی تیرهای بتنی که موجب تردی رفتار سازه می شود
• لغزش میلگردها در اتصال تیر به ستون
• شکست برشی اتصال تیر به ستون
  پیچش ناشی از برون محوری و تمرکز تخریب در یک طبقه به دلیل توزیع نامنظم سختی در ارتفاع
  اکثر آسیب هاي دیده شده در پل ها در اثر زلزله عبارتند از:
• خرابی پل در اثر گسیختگی گسل یا روانگرایی خاك
• خرابی نشیمن و انحراف روسازه در هر دو امتداد طولی و عرضی
• فروریزي و کج شدگی پایه هاي پل به علت خرابی برشی
• فروریزي دهانه هاي پل به خاطر لغزش از نشیمن
• خرابی دیواره پشتیبان کوله ها
  همچنین از دلایل تقویت سازه های بتنی به عوامل زیر می توان اشاره کرد:
• خطاهای طراحی
• خطاهای اجرایی
• تغییرات آیین نامه ای
• شناخت بهتر نیروهای زلزله نسبت به گذشته
• تاثیر شرایط محیطی مخرب
• آسیب دیدگی سازه ها ناشی از حوادث ضربه، آتش سوزی، باد و زلزله
  به این منظور در راستای مقاوم سازی در دو جنبه افزایش مقاومت و سختی، به عنوان نمونه می توان راهکارهای زیر را به صورت منفرد یا مرکب به کاربرد:
  اصلاح موضعی اجزای سازه ای که دارای عملکرد نامناسبی در اثر زلزله هستند.
• رفع یا کاهش نامنظمی در ساختمان موجود
• تامین سختی جانبی لازم برای کل سازه
• تامین مقاومت لازم برای کل سازه
• کاهش جرم سازه
• کامل کردن مسیر بار
• افزایش انسجام ساختمان با کلاف بندی
• تغییر کاربری به منظور کاهش سطح عملکرد مورد انتظار از ساختمان و به کارگیری سیستم های جداسازی لرزه ای

خرابی پل هاي طراحی شده با روش الاستیک

پل¬ها به ویژه پل¬هاي بتن آرمه و بتن پیش تنیده به رغم سیستم سازه اي 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:

• عدم اجراي جزییات لرزه اي مناسب
• فلسفه طراحی الاستیک طراحی بر اساس ظرفیت
  تمامی پل هاي ساخته شده تا قبل از سال 1971 با روش طرح الاستیک طراحی شده اند.
  تغییر مکان هاي لرزه اي بر اساس اصول طراحی الاستیک بسیار کمتر از آن است که در یک زلزله واقعی سازه تجربه می کند. به علاوه استفاده نکردن از ممان اینرسی ترك خورده مقطع این موضوع را تشدید می کند. از عواقب آن می توان به موارد زیر اشاره کرد :
  (Unseating) – افتادن و شکست عرشه ها به سبب از دست رفتن سطح اتکا
  (Pounding Effect) – کوبیده شدن قسمت هاي سازه اي پل به یکدیگر
  (Shear Key) – آسیب دیدگی کلید برشی
  (Hing Restrainer) – تخریب مقید کننده هاي مفصل ها
  در طراحی الاستیک نسبت نیروي لرزه اي به نیروي گرانشی به طور نا صحیحی پایین می باشد. این موضوع باعث الگوي نامناسب توزیع لنگر می گردد و از عواقب آن می توان به تخمین نامناسب محل تشکیل مفصل پلاستیک، نقطه عطف و … اشاره نمود. شکل زیر محل تشکیل مفصل پلاستیک و نقطه عطف در پل هاي طرح شده به روش الاستیک را نشان می دهد.
  
  
  

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

• در روش طرح لرزه اي الاستیک سطح نیروهاي جانبی ناشی از زلزله بسیار پایین برآورد می شود.
• نسبت بار هاي مرده به بارهاي جانبی ناشی از زلزله نادرست برآورد می شود.
• پاسخ غیر الاستیک سازه تحت زلزله هاي شدید و مفاهیم مرتبط با آن مانند شکل پذیري و اصول طراحی بر مبناي ظرفیت در روند طرح الاستیک به هیچ وجه در نظر گرفته نمی شود.
  عدم رعایت ضوابط شکل پذیري منجر به مشکلات زیر می شود:
• کمبود محصور شدگی آرماتورهای طولی ستون¬ها در نواحی تشکیل لولاي پلاستیک
• وصله کردن آرماتورهاي طولی ستون¬ها در نواحی پرتنش
• عدم کفایت طول وصله هاي پوششی براي فعال کردن کل مقاومت آرماتورهاي وصله شده
• استفاده از وصله هاي جوشی در پاي ستون¬ها
• وصله کردن آرماتورهاي عرضی محصور کننده در نواحی پر تنش
• قطع زود هنگام آرماتورهاي طولی ستون ها

خرابی پل ها در اثر گسیختگی

گسیختگی خمشی و عدم شکل پذیري خمشی

گسیختگی هاي خمشی در ناحیه مفصل پلاستیک عمدتا در پایه پل ها با آرماتورهاي طولي 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 ترك هاي 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 ترك هاي عمودي ریز در هسته بتن فعال می شود. لغزش افزایش می یابد و با بزرگ شدن ترك هاي قائم و یکپارچه شدن آن¬ها پوشش بتنی در ناحیه وصله آرماتور تخریب می شود. کم شدن مقاومت خمشی معمولا براي تقاضاي شکل پذیري در جابجایی کم رخ می دهد و حتی می تواند قبل از تسلیم آرماتور طولی پایه رخ دهد.

گسیختگی برشی

شکست هاي برشی ترد هستند و منجر به کاهش سریع مقاومت جانبی پایه می گردند. ستون هاي کوتاه با جزئیات آرماتوربندي عرضی قدیمی به ویژه به شکست برشی آسیب پذیرند، در حالی که براي 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 آرماتورهاي 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 هاي مقاوم در برابر زلزله یکی از مهمترین الزامات، به کارگیري تدابیري براي دوري از انهدام برشی باشد. از آنجا که شکست برشی ستون همراه با ایجاد ترك هاي مورب در کل ارتفاع ستون خواهد بود، ازاین¬رو در مقاوم سازي ستون هاي بتن آرمه در برابر برش لازم است کل ارتفاع ستون مقاوم سازي شود. ستون هاي بتن آرمه به دلایل مختلفی ممکن است در اثر برش آسیب پذیر باشند، مهمترین این علت ها عبارتند از:

• ناکافی بودن خاموت ها
• کوتاه بودن ستون ها
• کمتر بودن ظرفیت برشی اولیه مقطع از نیروي برشی وارد بر آن در هنگام زلزله و نهایتا کاهش ظرفیت برشی مقطع در هنگام زلزله.
  نمونه هایی از شکست برشی ستون¬ها در اثر رویداد زلزله در چند دهه اخیر در شکل زیر ارائه شده است.
  
  

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 هاي نوین مقاوم سازي پل ها

استفاده از جداگرها

جداگرها به منظور جداسازي سازه از حرکات شدید زمین هنگام زلزله به کار می روند. برخلاف ساختمان که جداسازي آن غالبا از روي فونداسیون انجام می پذیرد، در پل¬ها این جداسازي معمولا بین روسازه و زیرسازه اعمال می¬گردد .علت این امر نیروي اینرسی بسیار زیاد قسمت روسازه (که شامل وزن عرشه می شود) و همچنین سهولت اجراي 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 اندك وقتی زیر روسازه تعبیه می گردند موجب افزایش پریود ارتعاش آزاد کل پل گشته و انتظار می رود که این امر باعث کاهش نیروي 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 میلادي 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 هاي فولادي (به صورت لایه لایه) ساخته می شوند. نوع جداگر لرزه اي آن معمولا نئوپرن مسلح می باشد که لایه هاي فولادي 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 نیروي زلزله بهره می برد و میرایی ویسکوز بحرانی آن حدود 3% می باشد. نیروي بازگرداننده در سیستم به صورت طبیعی وجود دارد که همان قابلیت ارتجاعی لاستیک می باشد. نقطه ضعف این جداگرها در مقدار جابجایی بالاي آن است. این نئوپرن ها تحت اثر زلزله باید تا حدود 3 برابر ضخامت خود جابجایی جانبی را تحمل کنند و پایدار بمانند.

جداگرهاي اصطکاکی

می توان گفت این جداگرها از قدیمی ترین روش هاي 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 روي آن می لغزد و می تواند پایدار بماند. امروزه جداسازي توسط صفحات فولادي پولیش شده که آغشته به ماده تفلون شده اند انجام می¬پذیرد.

میراگرها

در اثر اعمال بارهاي دینامیکی تغییر مکان حاصله همراه با سرعت و شتاب خواهد بود. برای مقابله با شتاب وارده نیرویی به عنوان نیروي لختی در اثر جرم آن و برای مقابله با سرعت نیرویی به نام نیروي میرایی در اثر اصطکاك بین ذرات و لقی اتصالات و غیره به وجود می آید و باعث تلف شدن مقداري انرژي 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 میراگرهاي سیال به پایه ها داراي دو اثر می باشد:

• کلیه پایه ها به صورت توزیع شده اي در تحمل بار زلزله سهیم می شوند.
• تغییر مکان نسبی بین عرشه و پایه در میراگر باعث اتلاف انرژي می شود.
  
  

عمده جرم سازه ها در تراز عرشه متمرکز شده است و معمولا لازم است که عرشه پل ها تحت اثرات لرزه اي الاستیک خطی باقی بمانند. جدا کردن عرشه از زیرسازه سبب حفاظت بیشتر عرشه می گردد.
جداکردن عرشه از زیرسازه با استفاده از تکیه گاه هاي الاستومتري به علت کاهش نیروهاي منتقل شده به زیرسازه در اثر تغییر شکلهاي حرارتی عرشه از قدیم مرسوم بوده است. با ایجاد تغییرات اندك در سیستم هاي تکیه گاهی و درزهاي انبساط می توان این سیستم را در مورد پل ها به کار گرفت.
استهلاك انرژي در این وسایل عمدتا با استفاده از روش هاي مختلفی نظیر جاري شدن یک فلز نرم (کار داخلی یا هیستریس)، اصطکاك مواد بر روي هم، حرکت یک پیستون درون یک ماده ویسکوز یا رفتار ویسکوالاستیک در مواردي 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 گیري و افزایش مقاومت فشاري پس از تغییر شکل آن می باشد. محل نصب این مواد حد فاصل دیوار گوشواره اي کناري 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.

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:

• زبر کردن سطح بتن
• پوشاندن سطح قدیمی بتن با رزین اپوکسی
• جوش دادن سطح قدیمی بتن با رزین اپوکسی
• جوش دادن آرماتور ها
• استفاده از میلگردهای انتظار

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

ACFRP	CFRP	GCFRP	Steel
کامپوزیت آرامیه	کامپوزیت کربن	کامپوزیت شیشه	فولاد
2/5-1/1	5/6-1/1	2/1-1/2	9/7

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 سازي ستون و عرشه با CFRP

به طور عمده براي مقاوم سازي سازه هاي موجود یا تعمیر خرابی هاي ایجاد شده در اثر خستگی، خوردگی، فرسودگی و… پوشش هاي CFRP به کار می رود. این پوشش به وجه خارجی عضو بتن می چسبد. پلیمرهاي CFRP دارای وزن کم، انعطاف پذیري بالا، راحتی در جابجایی، سرعت عمل بالا، برشکاري در قطعات دلخواه، سادگی اجرا بوده و از معایب آن نیز می توان به آسیب پذیري در مقابل آتش سوزي 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

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 میلگردهاي برشی استفاده کرده است، متصل می گردد. بعد از قرار دادن پانل ها بر روي تیر فولادي میلگردهاي برشی جوشکاري می شوند. ماهیچه بتنی بین پانل هاي عرشه کامپوزیتی و تیر فولادي قرار می گیرد. در شکل زیر نمونه ای از دال مسلح کامپوزیت با میلگردهای CFRP نشان داده شده است.

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

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.

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

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.

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[:

• دورپیچ کردن مقطع ستون
• پیچیدن مارپیچی
• پوشاندن با پوسته های پیش ساخته
  
  
  
  

–

اثر دورپیچ الیاف CFRP بر رفتار اعضای بتن آرمه

دورگیری یک اثر نهفته (Passive) است و اثر آن زماني آشكار مي شود كه ماده محصور دچار افزايش كرنش و تغيير شكل جانبي شود. رفتار الياف كربن را نمي توان مانند پوشش فولاد در نظر گرفت، زيرا فولاد يك ماده الاستوپلاستيك است، در حالی که الیاف CFRP كاملا الاستيك مي باشند. شكل ١5 نتايج آزمايشات را بر روي سه دسته نمونه آزمايشگاهي نشان مي دهد. در اين شکل، تغييرات تنش محوري در اثر افزايش كرنش محوري و كرنش جانبي رسم شده است. منحنی ها نشان می دهند که دورپیچ کردن با CFRP باعث بالاتر رفتن شكل پذيري و مقاومت فشاري مي شود، اما شكست عضو، برخلاف نمونه هاي فاقد CFRP به صورت ترد و ناگهاني خواهد بود

اثر احاطه شدن بر مقاطع دايره اي شكل

وقتي مقطع بتن آرمه اي كه با ورقهايCFRP تقويت شده است تحت فشار محوري قرار مي گيرد، بتن به صورت جانبي منبسط مي شود (اثر پواسون). الياف CFRP باعث محدود كردن اين تغيير شكل مي شوند. با توجه به شكل 2، براي مقاطع دايره اي، فشار محدود كننده به صورت يكنواخت به كل مقطع وارد مي شود. مقدار اين فشار به قطر هسته بتني و مقاومت كششي الياف CFRPبستگي دارد و از رابطه زير محاسبه مي 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 شرکتی در پرشیا پروژه

اثر احاطه شدن بر مقاطع مستطیل شکل

اثر دورگيري براي مقاطع مستطيلي نسبت به مقاطع گرد از كارآيي كمتري برخوردار است، زيرا نقاطي از هسته سهم بيشتري از فشار محدود كننده را مي برند و نقاطي مانند گوشه هاي مقطع تقريبا سهم فشاري ندارند. تيز بودن گوشه ها باعث مي شود كه اكثر تخريب ها به خاطر پارگي الياف CFRP در گوشه هاي مقطع صورت گيرد. با توجه به شكل بالا، تنش فشاري محدود كننده براي مقاطع مستطيلي از روابط كاهنده زير محاسبه مي 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:

نتايج آناليز ستونهاي تقويت شده با دورپيچ الياف كربن

به طوري كه توضيح داده شد، منحني اندركنش ستون هاي بتن مسلح را كه با الياف فيبر كربن تقويت شده اند، مي توان بر پايه اصول اوليه به دست آورد. اثر دورپيچ بر افزايش مقاومت و بهبود شكل پذيري ستون، با توجه به سازگاري تغيير شكل ها و اصلاح خواص مواد تحت اثر فشار جانبي، در منحني هاي اندركنش وارد مي شود. با توجه به تنوع پارامترها، نظير درصد فولاد، خواص و ضخامت دورپيچ الياف كربن، شكل مقطع ستون و كارآيي حصار جانبي،می توان تعداد زيادي منحني اندركنش رسم نمود. نمونه اي از منحني ها براي مقطع دايره و مستطيل به ترتيب در شكل هاي 17 و 18 ارائه شده است.
شكل 17 منحني هاي اندركنش مقاومت محوري با مقاومت خمشي يك ستون با مقطع دايره را نشان مي دهد. سه منحني در شكل ديده مي شود كه ستون بدون دورپيچ، با پنج لايه دورپيچ، و با ١٠ لايه دورپيچ را نشان مي دهد. ديده مي شود كه با افزودن پنج لايه الياف كربن، مقاومت ستون بيش از ٣٠ %، و براي ١٠ لايه، مقاومت به ميزان بالاي ٦٠ % نسبت به حالت بدون تقويت، بهبود مي يابد. شكل منحني نشان مي دهد كه مقدار افزايش مقاومت با زياد شدن برون محوري بزرگ تر مي شود. اما در قسمت پايين منحني اندر كنش، يعني برون محوري بزرگتر از حالت متعادل، افزايش مقاومت خيلي كمتر است و اين نشان مي دهد كه دورگيري در مقاطعي كه متحمل نيروي محوري فشاري نسبتا بزرگي هستند از كارآيي و تأثير بيشتري در مقايسه با مقاطعي كه تحت اثر لنگرهاي نسبتا بزرگ واقعند، برخوردار است. شكل 18 منحني اندركنش را براي يك مقطع مستطيلي نشان مي دهد. روند افزايش مقاومت با افزودن لايه هاي فيبر كربن مانند مقطع دايره مشهود است. اما ميزان افزايش در مقايسه با مقطع دايره كمتر است. مثلا، به ازاي ده لايه پوشش، مقاومت در حدود ٥٠ % بالا رفته است. در حالي كه اين عدد براي مقطع دايره بيش از ٦٠ % بود. البته، كارآيي بيشتر دورپيچ براي مقاطع دايره اي، نسبت به مقاطع مستطيلي، مورد انتظار مي باشد. شكل ها نشان مي دهند كه به طور كلي اين نوع تقويت در ناحيه فشاري منحني اندركنش بسيار موثر است، اما در ناحيه كششي تاثير كمتري بر تقويت مقطع دارد. و نيز تقويت ستونهای گرد از کارايی بيشتری نسبت به ستون هاي مستطيلي برخوردار است

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.

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.

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.