مقاوم سازی با FRCM

سال‌ها پیش، از روش FRP برای مقاوم سازی ساختمان ها، عضوهای فولادی و بتنی استفاده می‌شد؛ اما با پیشرفت تکنولوژی و درک معایب این سیستم، روش‌های جدیدی برای مقاوم سازی روی کار آمدند که معایب روش‌های قبلی را پوشش می‌دادند. مقاوم سازی با FRCM، یکی از این روش‌ها بود که با ترکیب الیاف و یک ماتریکس سیمانی روی انواع سطوح با چسبندگی عالی اجرا می‌شود و مقاومت آن را در برابر بارهای وارده افزایش می‌دهد. کامپوزیت FRCM بر مبنای نشریه ACI 549 آمریکایی و CNR-DT ایتالیایی، طراحی و اجرا می‌شود تا شکل پذیری عضوهای بتنی با وجود آن‌ها افزایش پیدا کند.

معرفی و مفهوم کامپوزیت FRCM

کامپوزیت FRCM که مخفف Fiber Reinforced Cementitious Matrix است، به عنوان یک سیستم ملات معدنی تقویت شده با الیاف شناخته می‌شود و در بسیاری از پروژه‌های مقاوم سازی، می‌تواند جایگزین مناسبی برای کامپوزیت‌های کلاسیک FRP باشد. این سیستم با تکیه بر ماتریس‌های معدنی، نقش موثری در بهبود عملکرد سازه‌ای اجزای باربر و غیر باربر ایفا می‌کند و با افزایش ظرفیت خمشی و برشی، سطح ایمنی و پایداری سازه را ارتقا می‌دهد.

کامپوزیت‌های FRCM از ترکیب شبکه‌های الیافی با ماتریس معدنی بر پایه ملات سیمانی یا آهکی تشکیل می‌شوند. در این سیستم، الیاف شیشه، کربن، بازالت، PBO (پلی پارافنیلن بنزو بیس اکسازول) و فولاد به عنوان تقویت‌کننده به کار می‌روند که در کنار وزن کم، مقاومت مکانیکی بالا و دوام بلندمدت قابل توجهی را فراهم می‌کنند. این ترکیب، رفتار سازه‌ای مطلوب‌تری نسبت به سیستم‌های پلیمری در شرایط محیطی مختلف ایجاد می‌کند.

با توسعه روش مقاوم سازی FRCM که با عنوان الیاف خشک نیز شناخته می‌شود، امکان تقویت سازه‌هایی که در اثر افزایش بارگذاری، فرسودگی یا آسیب‌های ناشی از زلزله دچار ضعف شده‌اند، فراهم شده است. این سیستم برای انواع اعضای بتنی قابل اجراست و الیاف تعبیه شده در آن، نقش اصلی در تحمل تنش‌های کششی و بهبود عملکرد کلی سازه بر عهده دارند.

مقاوم سازی با FRCM چیست؟

مقاوم سازی با FRCM، روشی نوین برای مقاوم سازی عضوهای بتنی و مصالح بنایی است که با چسباندن این کامپوزیت روی وجه خارجی هر عضو، اجرا می‌شود و مقاومت آن عضو را در برابر بارهای خارجی افزایش می‌دهد. این روش مقاوم سازی از چندین جهت نسبت به سایر روش‌ها برتری دارد. اولین، مزیت آن مقاومت مکانیکی خود کامپوزیت است که در برابر ترک خوردگی، خوردگی و آسیب‌های احتمالی مقاوم است. این موضوع نیاز به اجرای مجدد مقاوم سازی به روش FRCM را در سازه‌های مختلف به حداقل می‌رساند.

موضوع دیگر اینکه با ترکیب الیاف و ماتریس سیمانی، کامپوزیت FRCM قادر به تحمل هر گونه بار خارجی هست و این یک مزیت بزرگ برای آن محسوب می‌شود. ضمن اینکه با اجرای صحیح آن روی عضوها، بارهای کششی به عضو توسط این کامپوزیت تحمل می‌شود و خود عضو نیز قادر به تحمل بارهای فشاری است. با این همکاری، در دراز مدت انعطاف و تغییر شکل پذیری عضوهای بتنی و مصالح بنایی بهبود پیدا کرده و احتمال خرابی به ویژه هنگام وارد آمدن بارهای همچون زلزله به حداقل می‌رسد.

مصالح مورد استفاده در روش مقاوم سازی با FRCM

به منظور اجرای اصولی مقاوم سازی به روش FRCM، استفاده همزمان از سه جزء اصلی شامل مش الیاف، ملات معدنی و اسپایک انکر الزامی است. هر یک از این اجزا نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد مکانیکی و یکپارچگی سیستم کامپوزیتی دارند و انتخاب نوع، مشخصات فنی و نحوه به‌کارگیری آن‌ها باید بر اساس طراحی مهندسی و با نظر متخصصان انجام شود تا انتقال تنش، چسبندگی و دوام نهایی سیستم به‌درستی تامین شود.

در مجموع در صورت اجرای چند لایه مقاوم سازی به روش FRCM، ضخامت آن حداکثر به 30 میلی متر (3 سانتی متر) می‌رسد که برای مقاوم سازی یک عضو بتنی بسیار حساس نیز کفایت می‌کند. کارشناسان شرکت سازین با بررسی آیین نامه‌ها و راهنماهای اجرایی، بهترین مصالح را به مشتریان جهت خرید و اجرا در پروژه‌های مقاوم سازی پیشنهاد می‌کنند که جزئیات آن‌ها به شرح زیر است:

مش الیاف

مش الیاف یا توری مشبک، محصولی منعطف پذیر است که به عنوان بخش اصلی کامپوزیت FRCM استفاده می‌شود. این نوع مش از بهم بافتن نخ‌های پیوسته الیاف با مقاومت بسیار بالایی ساخته شده تا بتواند بارهای کششی وارد شده را با انعطاف پذیری بالا تحمل کند. مش الیاف دارای چندین نوع مش کربن، مش شیشه مقاوم به قلیا، مش بازالت، مش آرامید و PBO تشکیل شده است که هر یک از آن‌ها با مشخصات فنی متفاوت، اما عملکرد عالی برای مقاوم سازی پروژه‌های مختلف استفاده می‌شوند.

ملات

ماده دیگری که در کامپوزیت FRCM نقش کلیدی و مهمی را ایفا می‌کند، ملات است. ملات می‌تواند بر پایه سیمان و آهک باشد؛ اما متداول‌ترین آن در پروژه‌های عمرانی، ملات سیمانی است. وظیفه اصلی ملات، نگه داشتن مش الیاف در جای خود و تثبیت آن است. در صورت اجرای صحیح ملات سیمانی، تنش‌ها به شبکه تقویتی وارد می‌شوند و کامپوزیت کار اصلی خود را برای بهبود شکل پذیری و افزایش دوام آن عضو انجام می‌دهد.

اسپایک انکر

اسپایک انکر، عضو کلیدی برای چسبندگی بهتر توری فایبرگلاس و کربن است که بدون اضافه کردن وزن زیاد به سیستم مقاوم سازی، عملکرد آن را چندین برابر بهبود می‌بخشد. اسپایک انکر به شکل یک محصول رشته‌ای است که معمولا با جنس شیشه و کربن تولید می‌شود و می‌تواند کرنش محوری و چسبندگی میان عضو و توری را افزایش دهد.

چرا مقاوم سازی به روش FRCM مورد توجه مهندسان قرار گرفته است؟

هر روش نوینی که برای مقاوم سازی روی کار می‌آید، دارای نقاط قوت و ضعف‌هایی است. با این وجود با سبک و سنگین مهندسان، مقاوم سازی به روش FRCM بیشتر از داشتن نقاط ضعف، مزایای بسیار زیادی دارد. به طوری که توانسته، جایگزین بسیاری از روش‌های قدیمی برای مقاوم سازی شود و حتی در بسیاری از مواقع مهندسان آن را به روش مقاوم سازی با FRP ترجیح می‌دهند. از جمله مهم‌ترین مزایا و نقاط قوت این سیستم عبارتند از:

• سازگاری با بتن و عضو بنایی: مواد اولیه تشکیل دهنده کامپوزیت FRCM، با ترکیب ملات و مش، سازگاری بسیار بالایی با عضو بتنی و بنایی دارد. به طوری که با خواص شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی آن هماهنگ می‌شود.
• سهولت نصب و اجرا: عدم نیاز به گچ کاری و ماله کشی در این روش مقاوم سازی، اجرای آن را آسان‌تر و سریع‌تر کرده است. به طوری که می‌توان در پروژه‌هایی با متراژ بالا، با سرعت باورنکردنی مقاوم سازی با FRCM را انجام داد.
• تنفس پذیری عالی: کامپوزیت FRCM دارای ساختار متخلخل است که امکان انتقال هوا و رطوبت را به داخل و خارج عضو بتنی و سیمانی فراهم می‌کند. این تنفس پذیری، دوام کلی عضو و کامپوزیت را افزایش خواهد داد.
• ضد حریق: با اجرای کامپوزیت اف آر سی‌ام، نیازی به اجرای لایه ضد حریق در دیوار و عضو فولادی و بتنی نیست. این کامپوزیت با ترکیب ملات و مش، قادر به تحمل دماهای بالا را دارد و همین ویژگی مقاومت نسبی آن در برابر آتش را تضمین می‌کند.
• برگشت پذیری ساده: در صورتی که به هر دلیلی دیگر نیازی به کامپوزیت FRCM روی عضو نباشد، این سیستم برگشت پذیری بسیار خوبی دارد. به طوری که می‌توان بدون آسیب رساندن به سازه اصلی، آن را از روی سازه جدا کرد.
• انعطاف پذیری بالا: انعطاف پذیری ترکیب مش و ملات، امکان اجرای آن را در عضوهای مختلف با شکل و هنده‌های متنوع فراهم می‌کند. ضمن اینکه این کامپوزیت ضخامت پایینی داشته و بدون تغییر ظاهری، افزایش وزن سازه و عضو فولادی و بتنی، عملکرد بهینه‌ای را فراهم می‌کند.
• هزینه مقرون به صرفه: مقاوم سازی به روش FRCM در مقایسه با بعضی از روش‌های مقاوم سازی سنتی، هزینه مقرون به صرفه و پایینی را به همراه دارد. این موضوع آن را به گزینه‌ای بهینه برای مقاوم سازی تبدیل می‌کند.

کاربرد روش مقاوم سازی با FRCM در سازه‌های بتنی و بنایی

مقاوم سازی با FRCM در سازه‌های بتنی و بنایی و عضوهای آن‌ها نقش کلیدی دارد و می‌تواند برای انواع تیر، ستون و دیوار استفاده شود. با اجرای این سیستم کامپوزیتی، ظرفیت برشی و لنگر خمشی در عضوها و مصالح بنایی، بهبود پیدا می‌کنند. در ادامه به مهم‌ترین کاربردهای مقاوم سازی به روش FRCM اشاره می‌کنیم:

تقویت دیوارهای بنایی

ظرفیت برشی و لنگر خمشی یک دیوار بنایی را می‌توان با کمک مقاوم سازی با FRCM افزایش داد. در این صورت یک لایه کامپوزیت FRCM روی سطح دیوار به صورت پیوسته و ناپیوسته اجرا می‌شود و مقاومت آن را در برابر زلزله و بارهای جانبی افزایش می‌دهد. مزایا و اجرای آسان این سیستم باعث شکل‌گیری کاربرد جدیدی به نام وال مش برای دیوارهای بنایی غیر سازه‌ای شد که امروزه به عنوان متداول‌ترین روش مهار لرزه‌ای دیوارها استفاده می‌شود.

تقویت طاق‌ها و قوس‌ها

طاق‌ها و قوس‌های بنایی را می‌توان با اعمال FRCM ها در هر دو سطح خارجی و داخلی آنها تقویت کرد. در هر دو مورد، هدف جبران کمبود ظرفیت کششی سازه بنایی و جلوگیری از باز شدن ترک‌های بزرگ در این عضوهای بنایی است.

مقاوم سازی تیرها

تیرهای بتنی به دلیل تحمل بار بسیار زیاد، باید مقاومت بالایی در برابر بارهای وارده داشته باشند. در صورت ضعف تیر، می‌توان برای افزایش ضریب فروریزش مرتبط با مکانیسم واژگونی، از کامپوزیت FRCM استفاده کرد. این کامپوزیت به صورت پیوسته و ناپیوسته (با فواصل مشخص)، قابلیت اجرا در پروژه‌های مقاوم سازی تیر بتنی را دارد.

محصورسازی ستون‌های بنایی

پیچیدن عناصری که تحت فشار تک محوری یا فشار و حداقل خمش قرار دارند، شکل پذیری و ظرفیت باربری آن را افزایش می‌دهد. از همین جهت یکی از کاربردهای اصلی مقاوم سازی با FRCM، مقاوم سازی ستون‌های بنایی است که با اعمال یک لایه کامپوزیت در سطوح جانبی المان‌ها انجام می‌شود. تقویت ستون‌های بنایی می‌تواند به صورت پیوسته باشد، به طوری که هر کامپوزیت در مجاورت کامپوزیت قبلی باشد و در مواردی نیز امکان اجرای ناپیوسته آن با فضای عالی میان هر نوار تقویتی وجود دارد.

مقاوم سازی اتصالات تیر و ستون

بخشی از ضعیف بودن عضوهای تیر و ستون مربوط به ضعف در ناحیه اتصالات است. شکل پذیری اتصالات تیر و ستون را می‌توان با پیچاندن کامل کامپوزیت FRCM به انتهای المان، افزایش داد. در این صورت احتمال شکست و آسیب پذیری در این نواحی به حداقل می‌رسد.

تقویت دهانه‌های سقف

در پروژه‌های خاص که کانال‌هایی با دمای بالا وجود دارند، می‌توان از کامپوزیت FRCM برای تقویت دال سقف استفاده کرد. در این صورت امکان عبور کانال‌های هوا به صورت ایمن وجود دارد. در این شرایط، ابتدا عایق و لایه عرشه سقف برداشته می‌شود، سپس سطح بتن با استفاده سنگ زنی آماده سازی خواهد شد.

تقویت پوشش داخلی تونل‌های بتنی

تونل‌های بتنی در بزرگراه‌ها و جاده‌های بین شهری، معمولا در گذر زمان ضعیف می‌شوند. ساده‌ترین راه برای تقویت آن‌ها بدون نیاز به هیچ گونه خرابی، استفاده از کامپوزیت FRCM است. در صورت اجرای صحیح این کامپوزیت، ظرفیت خمشی نهایی در جهت عرضی پوشش تونل‌ها حدود 14 درصد و مقاومت خمشی 100 درصد افزایش پیدا خواهد کرد.

تفاوت مقاوم سازی با FRCM با سایر روش‌های مقاوم سازی

روش‌های مقاوم سازی سنتی همچون ژاکت بتنی و فولادی، همچنان جزو روش‌های محبوبی برای مقاوم سازی هستند؛ اما مقاوم سازی با FRCM، می‌تواند از نظر هزینه، انعطاف پذیری اجرا و جزئیات فنی و مکانیکال، انتخابی بهتر باشد. به خصوص اینکه در مقایسه با ژاکت بتنی، وزن سازه را افزایش نمی‌دهد و باعث محدودیت‌های بنایی نمی‌شود. جدول زیر، جزئیات دقیق و تفاوت این چهار روش مقاوم سازی را به تفصیل توضیح می‌دهد تا مهندسان و کارفرمایان، با درک بهتر بهینه‌ترین روش را انتخاب کنند.

استانداردهای ACI و CNR در طراحی و اجرای سیستم FRCM

به منظور طراحی و اجرای سیستم مقاوم سازی با FRCM، استانداردهایی تحت عنوان ACI و CNR وجود دارند که به ترتیب توسط کشور آمریکا و ایتالیا، تهیه شده‌اند. رعایت این استانداردها برای هر مهندس و طراحی سازه‌ای الزامی است و باید با دقت بررسی گردد.

ACI 549.4R-20

این راهنما و استاندارد توسط American Concrete Institute (ACI) به عنوان یک راهنمای جامع برای طراحی و اجرای سیستم‌های FRCM و SRG جهت تقویت و ترمیم سازه‌های بتنی منتشر شده است. در این راهنما، FRCM/SRG به‌عنوان جایگزینی برای تکنیک‌های سنتی مانند FRP، ورق‌های فولادی و افزایش مقطع معرفی شده‌اند. تمامی جزئیات آن‌ها از جمله مواد تشکیل دهنده، اصول آماده سازی و توصیه‌های طراحی سازه‌ای جهت افزایش ظرفیت خمشی، برشی و محصورسازی توضیح داده شده‌اند.

ACI 549.6R-20

این استاندارد نیز توسط ACI در آمریکا منتشر شده است، اما یک تفاوت کلیدی با استاندارد قبلی دارد و آن هم این است که تمرکز اصلی آن روی بهسازی سازه‌های مصالح بنایی است و فقط روی بتن تاکید ندارد. با بررسی این استاندارد، مهندسان راهنمای کامل برای استفاده از FRCM و SRG برای تقویت دیوارها، ستون‌ها، تیرها و سایر اعضای بنایی را در اختیار دارند و کلیه مباحث مربوط به رفتار اتصالات بین الیاف، ماتریس معدنی و بستر بنایی توضیح داده شده‌اند.

CNR DT200

CNR DT200، دستورالعلم طراحی و اجرای مقاوم سازی با FRCM است که در کشور ایتالیا به چاپ رسیده است. این استاندارد توسط Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR، شورای عالی تحقیقات ملی ایتالیا) منتشر شده و یکی از قدیمی‌ترین و معتبرترین راهنماها برای طراحی و اجرای تقویت سازه‌ای با کامپوزیت‌ها محسوب می‌شود. در این استاندارد اصول اولیه طراحی و تقویت سازه‌ای با اتصال خارجی کامپوزیتی توضیح داده شده و مفاهیم آنالیز، رفتار پیوستگی و ضرایب ایمنی نیز بررسی شده‌اند.

نمونه دیتیل و جزئیات اجرایی مقاوم سازی به روش FRCM

با وجود آن که روش مقاوم سازی FRCM از نظر ضوابط اجرایی نسبت به برخی سیستم‌های تقویت سازه پیچیدگی کمتری دارد، اما انتخاب نحوه اجرای پیوسته یا ناپیوسته این سیستم، تعیین فواصل مناسب اجرا و کنترل صحیح جزئیات، نیازمند بررسی دقیق و طراحی مهندسی است. عملکرد سازه‌ای سیستم FRCM به میزان زیادی به نحوه جانمایی الیاف، ضخامت لایه ملات معدنی، شرایط بستر و رعایت فواصل طراحی‌شده وابسته است و هرگونه خطا در این موارد می‌تواند اثربخشی مقاوم سازی را کاهش دهد.

مطالعه دیتیل‌ها و جزئیات اجرایی مقاوم سازی با FRCM، درک دقیق‌تری از رفتار این سیستم و الزامات اجرایی آن در اختیار مهندسان قرار می‌دهد. در دیتیل اجرایی ارائه‌شده، فرآیند اجرای کامپوزیت FRCM، نوع الیاف تقویتی، مشخصات ملات معدنی، ترتیب لایه‌ گذاری، نحوه آماده سازی سطح و سایر الزامات فنی به صورت کامل تشریح شده است تا مبنای مناسبی برای طراحی و اجرای اصولی این روش مقاوم سازی فراهم شود.

طرح و اجرای مقاوم سازی با FRCM

مقاوم سازی با FRCM، روشی نوین و کاربردی است که با ترکیب مش و ملات سیمانی و چسبندگی بالا روی انواع سطوح بتنی و مصالح بنایی، می‌تواند مقاومت آن عضوها را چندین برابر افزایش دهد. با این وجود بخش مهمی از افزایش مقاومت در عضوها، وابسته به طراحی و اجرای صحیح و مهندسی شده کامپوزیت FRCM است. شرکت مقاوم سازی سازین، با حضور متخصصان و بهره‌گیری از تیم اجرایی حرفه‌ای، آماده طرح و اجرای مقاوم سازی به روش FRCM برای هر نوع عضوی است. این مجموعه با رعایت استانداردها و جزئیات توصیه شده در دو آیین نامه ACI549 و CNR-DT، می‌تواند نیاز مهندسان را به روش‌های مقاوم سازی سنتی برطرف کند.