فایل ورد کامل مقاله FRP یا الیاف تقویتی؛ بررسی علمی خواص مکانیکی، فناوری تولید و کاربردهای نوین در سازه‌ها

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

 فایل ورد کامل مقاله FRP یا الیاف تقویتی؛ بررسی علمی خواص مکانیکی، فناوری تولید و کاربردهای نوین در سازه‌ها دارای ۳۷ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد فایل ورد کامل مقاله FRP یا الیاف تقویتی؛ بررسی علمی خواص مکانیکی، فناوری تولید و کاربردهای نوین در سازه‌ها  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی فایل ورد کامل مقاله FRP یا الیاف تقویتی؛ بررسی علمی خواص مکانیکی، فناوری تولید و کاربردهای نوین در سازه‌ها،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

---

بخشی از متن فایل ورد کامل مقاله FRP یا الیاف تقویتی؛ بررسی علمی خواص مکانیکی، فناوری تولید و کاربردهای نوین در سازه‌ها :

یا الیاف تقویتی

مقدمه :
بسیاری از سازه‌های بتن آرمه موجود در دنیا در اثر تماس با سولفاتها، کلریدها و سایر عوامل خورنده، دچار آسیب‌های اساسی شده‌اند. این مساله هزینه‌های زیادی را برای تعمیر، بازسازی و یا تعویض سازه‌های آسیب ‌دیده در سراسر دنیا موجب شده است. این مساله و عواقب آن گاهی نه تنها به عنوان یک مساله مهندسی، بلکه به عنوان یک مساله اجتماعی جدی تلقی شده است . تعمیر و جایگزینی سازه‌های بتنی آسیب‌دیده میلیون‌ها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته

است. در امریکا، بیش از ۴۰ درصد پلها در شاهراهها نیاز به تعویض و یا بازسازی دارند . هزینه بازسازی و یا تعمیر سازه‌های پارکینگ در کانادا، ۴ تا ۶ میلیارد دلار کانادا تخمین زده شده است . هزینه تعمیر پلهای شاهراهها در امریکا در حدود ۵۰ میلیارد دلار برآورد شده است؛ در حالیکه برای

بازسازی کلیه سازه‌های بتن آرمه آسیب‌دیده در امریکا در اثر مساله خوردگی میلگردها، پیش‌بینی شده که به بودجه نجومی ۱ تا ۳ تریلیون دلار نیاز است! در مناطق مختلف ایران نیز اثرات مخرب کلریدها و سولفاتهای مهاجم در محیط های دریایی و ساحلی بر پایه‌های پل، آبگیرها، سدها و کانال‌های بتن آرمه که باعث ایجاد خوردگی فولاد بتن میشود سبب اعمال ه

زینه های سنگین جهت مرمت ویا بازسازی ابنیه ها خواهد بود.
حال اگر بخواهیم تمامی این ابنیه ها را از نو بسازیم متحمل هزینه های گزافی خواهیم گشت فلذا با اعمال تمهیداتی جهت مرمت و ترمیم سازه ها می توان هزینه ها را پایین آورد.
تکنیک‌هایی چند، جهت جلوگیری از خوردگی قطعات فولادی الحاقی به سازه و نیز فولاد در بتن مسلح توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته است که از بین آنها می‌توان به:
پوشش اپوکسی بر قطعات فولادی ومیلگردها، تزریق پلیمر به سطوح بتنی و حفاظت کاتدیک

میلگردها اشاره نمود. با این وجود هر یک از این تکنیک‌ها فقط تا حدودی موفق بوده است محققان امروزه به جانشین کردن قطعات فولادی و میلگردهای فولای با مصالح جدید مقاوم در مقابل خوردگی، معطوف گردیده اند.
مواد کامپوزیتی (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) FRP موادی بسیار مقاوم در مقابل

محیط‌های خورنده همچون محیط‌های نمکی و قلیایی هستند به همین دلیل امروزه کامپوزیتهای FRP، موضوع تحقیقات توسعه‌ای وسیعی به عنوان جانشین قطعات و میلگردهای فولادی و کابلهای پیش‌تنیدگی شده‌اند. چنین تحقیقاتی به خصوص برای سازه‌های در مجاورت آب و بالاخص در محیط‌های دریایی و ساحلی، به شدت مورد توجه قرار گرفته‌اند.
آشنائی با FRP:
FRP (Fiber Reinforcement polymer ) نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده است. که به دو شکل ورق های FRP و میلگردهای FRP وجود دارد.

نقش اصلی ماتریس عبارت است از :
۱-انتقال برش از فیبر تقویتی به ماده مجاور
۲- محافظت از فیبر در شرایط محیطی
۳- جلوگیری از خسارات مکانیکی وارد بر الیاف
۴- کنترل کمانش موضعی الیاف تحت فشار
به طور کلیFRP ها بر اساس فیبر تشکیل دهنده ی آنها

به چند دسته زیر تقسیم می شوند:
۱- CFRP با الیافی از جنس کربن
۲-GFRP با الیافی از جنس شیشه
۳- AFRP با الیافی از جنس آرامید

مزایای استفاده از FRP:
۱ – وزن کم (چگالی آن در حدود ۲۰% فولاد است .)
۲ – مقاومت در برابر خورندگی
۳ – نفوذناپذیری مغناطیسی
۴ – امکان تقویت به صورت خارجی
۵- حمل و نقل آسان وسرعت اجرای بالابه دلیل وزن کم
مواد FRP از دو جزء اساسی تشکیل می‌شوند؛ فایبر (الیاف) و رزین (ماده چسباننده). فایبرها که اصولاً الاستیک، ترد و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در ماده FRP محسوب می‌شوند. بسته به نوع فایبر، قطر آن در محدوده۵ تا ۲۵ میکرون می‌باشد.
رزین اصولاً به عنوان یک محیط چسباننده عمل می‌کند، که فایبرها را در کنار یکدیگر نگاه می‌دارد. با این وجود، ماتریس‌های با مقاومت کم به صورت چشمگیر بر خواص مکانیکی کامپوزیت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثر نمی‌گذارند. ماتریس (رزین) را می‌توان از مخلوط‌های ترموست و یا ترموپلاستیک انتخاب کرد. ماتریس‌های ترموست با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت

مایع یا روان در نمی‌آیند؛ در حالیکه رزین‌های ترموپلاستیک را می‌توان با اعمال حرارت، مایع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد درآورد. به عنوان رزین‌های ترموست می‌توان از پلی‌استر، وینیل‌استر و اپوکسی، و به عنوان رزین‌های ترموپلاستیک از پلی‌وینیل کلرید (PVC)، پلی‌اتیلن و پلی پروپیلن (PP)، نام برد .

فایبر ممکن است از شیشه، کربن، آرامید و یا وینیلون باشد که در اینصورت محصولات کامپوزیت مربوطه به ترتیب به نامهای GFRP، CFRP،AFRP و VFRP شناخته می‌شود. در ادامه شرح مختصری از بعضی از فایبرهای متداول ارائه خواهد شد.
۱-الیاف شیشه:
فایبرهای شیشه در چهار دسته طبقه‌بندی می‌شوند :

۱-E-Glass: متداول ترین الیاف شیشه در بازار با محتوای قلیایی کم، که در صنعت ساختمان به کار می‌رود، (با مدول الاستیسیته، مقاومت نهایی ، و کرنش نهایی ).
۲ – Z-Glass: با مقاومت بالا در مقابل حمله قلیائیها، که در تولید بتن الیافی به کار گرفته می‌شود.
۳ – A-Glass: با مقادیر زیاد قلیایی که امروزه تقریباً از رده خارج شده است.
۴ – S-Glass: که در تکنولوژی هوا-فضا و تحقیقات فضایی به کار گرفته می‌شود و مقاومت و مدول الاستیسیته بسیار بالایی دارد، ( و).

۲- الیاف کربن:
الیاف کربن در دو دسته طبقه‌بندی می‌شوند:
۱- الیاف کربنی از نوع PAN در سه نوع مختلف هستند. تیپ I که تردترین آنها با بالاترین مدول الاستیسیته محسوب می‌شود. ( و). تیپ II که مقاوم‌ترین الیاف کربن است ( و)؛ و نهایتاً تیپ III که نرمترین نوع الیاف کربنی با مقاومتی بین تیپ I و IIمی‌باشد.
۲ – الیاف با اساس قیری(Pitch-based) که اساساً از تقطیر زغال سنگ بدست می‌آیند. این الیاف از الیافPAN ارزان‌تر بوده و مقاومت و مدول الاستیسیته کمتری نسبت به آنها دارند ( و).
لازم به ذکر است که الیاف کربن مقاومت بسیار خوبی در مقابل محیط های قلیایی و اسیدی داشته و در شرایط سخت محیطی از نظر شیمیایی کاملاً پایدار هستند.
۳- الیاف آرامید:

آرامید،یک کلمه اختصاری از آروماتیک پلی‌آمید است [۱۲].آرامیداساساً الیاف ساخته دست ‌بشر است که برای اولین بار توسط شرکت DuPont در آلمان تحت نام کولار (Kevlar) تولید شد.‌‌چهار‌نوع کولار وجود دارد که از بین آنها کولار ۴۹ برای مسلح کردن بتن، طراحی و تولید شده و مشخصات مکانیکی آن بدین قرار است: و.
انواع محصولات FRP:
۱- میله های کامپوزیتی:
میله‌های ساخته شده از کامپوزیت‌های FRPهستند که جانشین میلگردهای فولادی در بتن آرمه خواهند شد. کاربرد این میله‌ها به دلیل عدم خوردگی، مساله کربناسیون و کلراسیون را که از جمله مهم‌ترین عوامل مخرب در سازه‌های بتن آرمه هستند، به کلی حل خواهند نمود.
۲- شبکه‌های کامپوزیتی:

شبکه‌های کامپوزیتی FRP (Grids) محصولاتی هستند که از برخورد میله‌های FRP در دو جهت و یا در سه جهت ایجاد می‌شوند. نمونه‌ای از این محصول، شبکه کامپوزیتی NEFMAC است که از فایبرهای کربن، شیشه یا آرامید و رزین وینیل استر تولید می‌شود و منجمله برای مسلح کردن بتن مناسب است.
۳- کابل:
طناب و تاندن‌های پیش‌تنیدگی: محصولاتی شبیه میله‌های کامپوزیتی FRP، ولی به صورت انعطاف‌پذیر هستند، که در سازه‌های کابلی و بتن پیش تنیده در محیط‌های دریایی و خورنده کاربرد دارند. این محصولات در اجزاء پیش‌تنیده در مجاورت آب نیز بکار گرفته می‌شوند.
۴- ورقه‌های کامپوزیتی:

ورقه‌های کامپوزیتی Sheets) FRP)، ورقه‌های با ضخامت چند میلیمتر از جنس FRP هستند. این ورقه‌ها با چسب‌های مستحکم و مناسب به سطح بتن چسبانده می‌شوند. ورقه‌های FRP پوشش مناسبی جهت ایزوله کردن سازه‌های آبی از محیط خورنده مجاور هستند. همچنین از ورقه‌های کامپوزیتی FRP جهت تعمیر و تقویت سازه‌های آسیب دیده (ناش

ی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آبهای یون‌دار) استفاده می‌شوند.
۵- پروفیل‌های ساختمانی:
مصالح FRP همچنین در شکل پروفیل‌های ساختمانی به صورت I شکل، T شکل، نبشی و ناودانی تولید می‌شوند. چنین محصولاتی می‌توانند جایگزین بسیار مناسبی برای قطعات و سازه‌های فولادی در مجاورت آب تلقی شوند.
v مشخصات اساسی محصولات کامپوزیتی FRP:
۱- مقاومت در مقابل خوردگی:
بدون شک برجسته ترین و اساسی ترین خاصیت محصولات کامپوزیتیFRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است. در حقیقت این خاصیت مادهFRP تنها دلیل نامزد کردن آنها به عنوان یک گزینه جانشین برای اجزاء فولادی و نیز میلگردهای فولادی است. به خصوص در سازه‌های بندری، ساحلی و دریایی،مقاومت خوب کامپوزیت FRP در مقابل خوردگی، سودمندترین مشخ

صه میلگردهای FRP است.
۲- مقاومت:
مصالح FRPمعمولاً مقاومت کششی بسیار بالایی دارند، که از مقاومت کششیفولاد به مراتب بیشتر است. مقاومت کششی بالای میلگردهای FRP کاربرد آنها را برای سازه‌های بتن آرمه، خصوصاً برای سازه‌های پیش‌تنیده بسیار مناسب نموده است. مقاومت کششی مصالح FRP اساساً به مقاومت کششی، نسبت حجمی، اندازه و سطح مقطع فایبرهای بکار رفته در آنها بستگی دارد. مقاومت کششی محصولات FRP برای میله‌های با الیاف کربن ۱۱۰۰ تا MPa2200،

برای میله‌های با الیاف شیشه ۹۰۰ تا MPa1100، و برای میله‌های با الیاف آرامید ۱۳۵۰ تا MPa 1650 گزارش شده است . با این وجود، برای بعضی از این محصولات، حتی مقاومت‌های بالاتر از MPa 3000 نیز گزارش شده است. توجه شود که بطور کلی مقاومت فشاری میله‌های کامپوزیتی FRP از مقاومت کششی آنها کمتر است؛ به عنوان نمونه مقاومت فشاری محصولات ISOROD برابر MPa 600 و مقاومت کششی آنها MPa700 است.

۳- مدول الاستیسیته:
مدول الاستیسیته محصولات FRP اکثراً در محدوده قابل قبولی قرار دارد؛ اگر چه اصولاً کمتر از مدول الاستیسیته فولاد است. مدول الاستیسیته میله‌های کامپوزیتی FRP ساخته شده از الیاف کربن، شیشه و آرامیدبه ترتیب در محدوده ۱۰۰ تا GPa 150، GPa 45 و GPa 60 گزارش شده است.
۴- وزن مخصوص:
وزن مخصوص محصولات کامپوزیتی FRP به مراتب کمتر از وزن مخصوص فولاد است؛ به عنوان نمونه وزن مخصوص کامپوزیتهای CFRP یک سوم وزن مخصوص فولاد است. نسبت بالای مقاومت به وزن در کامپوزیتهایFRP از مزایای عمده آنها در کاربردشان به عنوان مسلح کننده بتن محسوب می‌شود.
۵- عایق بودن:

مصالح FRP خاصیت عایق بودن بسیار عالی دارند. به بیان دیگر، این مواد از نظر مغناطیسی و الکتریکی خنثی بوده و عایق محسوب می‌شوند. بنابراین استفاده از بتن مسلح به میله‌های FRP در قسمتهایی از بیمارستان که نسبت به امواج مغناطیسی حساس هستند، و در مسیرهای هدایتی قطارهای شناور مغناطیسی و همچنین در باند فرودگاهها و مراکز رادار بسیار سودمند خواهد بود.
۶- خستگی :

خستگی خاصیتی است که در بسیاری از مصالح ساختمانی وجود داشته و در نظر گرفتن آن ممکن است به شکست غیر منتظره، خصوصاً در اجزایی که در معرض سطوح بالایی از بارها و تنش‌های تناوبی قرار دارند، منجر شود. در مقایسه با فولاد، رفتار مصالح FRP در پدیده خستگی بسیار عالی است؛ به عنوان نمونه برای تنش‌های کمتر از یک دوم مقاومت نهایی، مواد FRP در اثر خستگی گسیخته نمی‌شوند.
۷- خزش :
پدیده گسیختگی ناشی از خزش اساساً در تمام مصالح ساختمانی وجود دارد؛ با این وجود چنانچه کرنش ناشی از خزش جزء کوچکی از کرنش الاستیک باشد، عملاً مشکلی بوجود نمی‌آید. در مجموع، رفتار خزشی کامپوزیت‌ها بسیار خوب است؛ به بیان دیگر، اکثر کامپوزیتهای در دسترس، دچار خزش نمی شوند.
۸ – چسبندگی با بتن :
خصوصیت چسبندگی، برای هر ماده‌ای که به عنوان مسلح کننده بتن بکار رود، بسیار مهم تلقی می شود. در مورد میله های کامپوزیتی FRP، اگر چه در بررسی بسیار اولیه، مقاومت چسبندگی ضعیفی برای کامپوزیت‌های از الیاف شیشه گزارش شده بود، تحقیقات اخیر در دنیا مقاومت چسبندگی خوب و قابل قبولی را برای میله‌های کامپوزیتی FRP گزارش می کند.

۹- خم شدن:
چنانچه کامپوزیتهای FRP در بتن مسلح بکار گرفته شوند، به جهت مهار میلگردهای طولی، میلگردهای عرضی و تنگ‌ها، لازم است در انتها خم شوند. با این وجود عمل خم کردن میله‌های FRP بسیار دشوارتر از خم کردن میلگردهای فولادی بوده و در حال حاضر برای مصالح موجود FRP، نمی‌توان خم کردن را در کارگاه انجام داد. اگر چه در صورت لزوم، می‌توان خم میله‌های کامپوزیتی FRP را با سفارش آن به تولید کننده در کارگاه انجام داد.

۱۰- انبساط حرارتی:
خصوصیات انبساط حرارتی فولاد و بتن بسیار به هم نزدیک هستند؛ ضریب انبساط حرارتی این دو ماده به ترتیب: و می‌باشد. ضریب انبساط حرارتی میله‌های FRP اغلب از بتن متفاوت است. به طور خلاصه ضریب انبساط حرارتی مصالح FRP با الیاف کربن و شیشه به ترتیب برابر با و می‌باشد. بدترین حالت مربوط به آرامید است که ضریب انبساط حرارتی آن منفی بوده و برابر با می‌باشد.
vاستفاده از مواد FRP به عنوان مسلح‌ کننده خارجی در سازه‌ها

به دنبال فرسوده شدن سازه‌های زیر‌بنایی و نیاز به تقویت سازه‌ها برای برآورده کردن شرایط سخت‌گیرانه طراحی، طی دو دهه اخیر تأکید فراوانی بر روی تعمیر و مقاوم‌ سازی سازه‌ها در سراسر جهان، صورت گرفته است. از طرفی، بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها به‌خصوص در مناطق زلزله‌ خیز، اهمیت فراوانی یافته است. در این میان تکنیک‌های استفاده از مواد مرکب FRPبه‌عنوان

مسلح‌ کننده خارجی به دلیل خصوصیات منحصر به فرد آن، از جمله مقاومت بالا، سبکی، مقاومت شیمیایی و سهولت اجرا، در مقاوم ‌سازی و احیاء سازه‌ها اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده‌اند. از طرف دیگر، این تکنیک‌ها به دلیل اجرای سریع و هزینه‌های کم جذابیت ویژه‌ای یافته‌اند.
مواد مرکب FRP در ابتدا به‌عنوان مواد مقاوم ‌کننده خمشی برای پل‌های بتن‌آرمه و همچنین به‌عنوان محصور ‌کننده در ستون‌های بتن آرمه مورد استفاده قرار می‌گرفتند؛ اما به دنبال تلاش‌های

تحقیقاتی اولیه، از اواسط دهه۱۹۸۰ توسعه بسیار زیادی در زمینه استفاده از مواد FRP در

مقاوم‌‌سازی سازه‌های مختلف مشاهده می‌شود؛ بطوری‌که دامنه کاربردهای آن به سازه‌هایی با مصالح بنایی، چوبی و حتی فلزی نیز گسترش یافته است. تعداد موارد کاربرد مواد FRP در مقاوم ‌سازی، تعمیر و یا بهسازی سازه‌ها از چند مورد در۱۰ سال پیش، به هزاران مورد در حال حاضر رسیده است. اجزاء سازه‌ای مختلفی شامل تیرها، دال‌ها، ستون‌ها، دیوارهای برشی، اتصالات، دودکش‌ها، طاق‌ها، گنبدها و خرپاها تا کنون توسط مواد FRP مقاوم شده‌اند.

مقاوم ‌سازی سازه‌های بتن آرمه با مواد FRP:
مواد مرکب FRP، دامنه وسیعی از کاربردها را برای مقاوم ‌سازی سازه‌های بتن‌آرمه در مواردی که تکنیک‌های مرسوم مقاوم‌ سازی ممکن است مسئله‌ ساز باشند، به ‌خود اختصاص داده‌اند. برای نمونه، یکی از معمول‌ترین تکنیک‌ها برای بهسازی اجزاء بتن آرمه، استفاده از ورق‌های فولادی است که از بیرون به این اجزاء چسبانده می‌شود. این روش، روشی ساده، مقرون به صرفه و کارا است؛ اما از جهات زیر مسئله‌ ساز است:
۱- زوال چسبندگی بین فولاد و بتن که از خوردگی فولاد ناشی میشود .
۲- مشکلات ساخت صفحات فولادی سنگین در کارگاه ساختمان.
۳- نیاز به نصب داربست
۴- محدودیت طول در انتقال صفحات فولادی به کارگاه ساخت (در مورد مقاوم ‌سازی خمشی اجزاء بلند).
نوارها یا صفحات می‌توانند جایگزینی برای صفحات فولادی باشند. مواد FRP برخلاف فولاد، تحت تأثیر زوال الکتروشیمیایی قرار نمی‌گیرند و می‌توانند درمقابل خوردگی اسیدها، بازها و نمک‌ها و مواد مهاجم مشابه در دامنه وسیعی از دما مقاومت کنند. در نتیجه نیاز به سیستم‌های حفاظت از خوردگی نمی‌باشد وآماده‌کردن سطوح اعضاء قبل از چسباندن صفحات FRP و نگهداری از آن‌ها بعد از نصب، از صفحات فولادی آسان‌تر است.

 در موضع معین و در نسبت حجمی و جهت خاصی درون ماتریس قرارگیرند تا بیش‌ترین کارایی به‌دست آید. مواد حاصله تنها با درصدی از وزن فولاد، مقاومت و سختی بالایی در جهت الیاف دارند. آن‌ها همچنین حمل و نقل آسان‌تری داشته، نیازمند داربست کمتری برای نصب می‌باشند، و می‌توانند برای مکان‌هایی که دارای دسترسی محدود هستند، مورد استفاده قرار گیرند؛ و پس از نصب، بار اضافی قابل‌توجهی را به سازه تحمیل نمی‌کنند.
روش مرسوم دیگر در مقاوم ‌سازی اعضای بتن‌آرمه، استفاده از پوشش‌هایی از نوع بتن‌آرمه، بتن پاشیدنی و یا فولاد می‌باشد. این روش تا جایی که مربوط به مقاومت، سختی و شکل ‌پذیری می‌شود، کاملا مؤثر است؛ اما باعث افزایش ابعاد مقاطع و بار مرده سازه می‌شود. همچنین این

شیوه نیازمند عملیات پر دردسر و تخلیه ساکنین است و به صورت بالقوه باعث افزایش نامطلوب سختی اعضای بتن‌آرمه می شود. به‌عنوان یک جایگزین، صفحات FRP می‌توانند به دور اجزاء بتن‌آرمه پیچیده شوند و افزایش قابل توجه مقاومت و شکل ‌پذیری را به دنبال داشته باشند؛ بدون آن‌که تغییر زیادی در سختی ایجاد نمایند. یک نکته مهم در ارتباط با مقاوم ‌سازی اعضا با استفاده خارجی از FRP آن است که باید درجه مقاوم‌ سازی (نسبت ظرفیت نهایی عضو مقاوم‌شده به

ظرفیت نهایی عضو مقاوم ‌نشده) را محدود کنیم تا حداقل سطح ایمنی در حوادثی مانند آتش ‌سوزی که منجر به از دست رفتن کارایی FRP می‌شوند، حفظ گردد.
امروزه مواد کامپوزیتی FRP به وفور جهت تقویت خمشی و برشی تیرهای بتن آرمه به کار می‌روند که نمونه‌ای از آن در شکل نشان داده شده است. در این شکل ملاحظه می‌شود که با متصل کردن صفحات FRP به وجه پایینی تیر ظرفیت خمشی مثبت و با متصل کردن آن به وجه بالایی تیر ظرفیت خمشی منفی حاصل می‌شود. هم‌چنین می‌توان با اتصال صفحات FRP به دو وجه کناری تیر، ظرفیت برشی مناسبی فراهم نمود.
در شکست تیرهای بتن‌آرمه تقویت شده با صفحات FRP مکانیزم‌های مختلف شکست، ازجمله گسیختگی صفحات FRP، خرد شدگی بتن، شکست برشی بتن و ترک ‌خوردگی در محل اتصال چسب با بتن، گزارش شده است. همچنین نشان داده شده است که نوع FRP، ضخامت و طول آن باعث ایجاد انواع مختلفی از شکست نرم یا ترد می‌شود. بخصوص خواص مکانیکی ناحیه اتصال FRP و بتن از اهمیت خاصی برخوردار است. در این میان جدا شدن صفحات FRP از بتن مساله کاملا

حائز اهمیت است و امروزه توجه زیادی را در دنیا به خود جلب می‌نماید. در این ارتباط به نظر می‌رسد که استفاده از تقویت‌کننده‌های خارجی حتی به میزان کم، می‌تواند ایمنی قابل ملاحظه‌ای در برابر جدا شدن صفحات FRP از بتن، و نیز شکست‌های برشی ترد فراهم آورد.
از طرفی مواد کامپوزیتی FRP به وفور جهت تقویت خمشی و فشاری و نیز افزایش شکل پذیری ستون‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در همین ارتباط محصور شدگی بتن مهم‌ترین خصوصیتی

است که می توان آن را با چسباندن این مواد در اطراف ستون‌ها فراهم نمود. از طرفی استفاده از مواد کامپوزیتی FRP برای افزایش شکل پذیری اتصالات و رفتار مناسب‌تر آن در زلزله نیز بسیار مطلوب خواهد بود.
میلگرد های کاپوزیتی یا FRP چیست ؟
به روش پالتروژن ساخته میشوند. در این روش دستهای از الیاف پس از آغشتهشدن با رزین پس از عبور از یک قالب در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت را به وجود میآورند. از عمده ترین مزایای روش پالتروژن چندمنظوره بودن آن و کاربردهای گوناگون آن در صنایع مختلف است. به عبارتی صرفاً با تغییر قالب دستگاه میتوان علاوه بر محصولاتی که در صنعت ساختمان کاربرد دارد، همانند انواع آرماتورها، محصولات گوناگون دیگری در حوزههای مختلف از جمله تسمههای ماشین

نساجی، ریلها، محافظ اتوبانها، چارچوب پنجرهها و درها، تیرهای با مقطع I شکل، نبشیها و غیره تولید نمود. عمر محصولات پالتروژنی بسیار بالاست و سرعت تولید یک محصول پالتروژنی نیز نسبتاً زیاد است. از نظر قیمت نیز با وجود اینکه یک تیر پالتروژنی قیمت ظاهری بیشتری نسبت به نمونه مشابه آهنی دارد لیکن مقاومت خوب آن در مصارف خاص ضدخوردگی و زلزله و عمر بالای آن میتواند توجیهگر قیمت اولیه بالای آن باشد. در مصارف عمومی مانند ساخت سازهها اگر نیاز به مقاومت در برابر خوردگی و زلزله وجود داشته باشد، استفاده از تیرهای پالتروژنی میتواند توجیه اقتصادی نیز داشته باشد.

چرا به جای میلگرد های فلزی از FRP استفاده کنیم؟
دلیل عمده استفاده از میلگردهای FRP در داخل بتن، جلوگیری از پدیده خوردگی و افزایش میرایی ارتعاشات ایجاد شده در سازه در برابر ارتعاش میباشد. هر چند که استفاده از میلگردهای FRP به جای نمونههای فلزی سبب کاهش وزن بنا نیز خواهد شد، اما در استفاده از این میلگردها، مساله کاهش وزن اهمیت ناچیزی نسبت به دو مورد بیانشده دارد. دلیل بالا بودن ضریب میرایی

کامپوزیتها، خواص غیرکشسان آنهاست که انرژی جذب شده را میرا میکنند. در حالی که مواد فلزی حالت کشسان داشته و انرژی جذب شده را میرا نمینمایند. بنابراین مواد کامپوزیتی در برابر ارتعاشات زلزله عملکرد بهتری خواهند داشت و بهترین گزینه جهت مقاومت سازه در برابر لرزهها خواهند بود.

بکارگیری میلگردهای FRP به جای فلزی، بهطور قابل ملاحظهای از زیانهای ناشی از بروز خوردگی جلوگیری میکند. ظهور تخریب ناشی از پدیده خوردگی در بتن مسلحشده با میلگرد فلزی بدین گونه است که نخست میلههای فلزی داخل بتن دچار زنگزدگی شده و اکسید میشوند. سپس این

اکسیدها به سمت سطح بیرونی بتن شروع به مهاجرت کرده و با انتشار در داخل بتن باعث از بین رفتن آن میشوند. بدین ترتیب با خوردهشدن دو جزء فلزی و بتنی سازه، زمینه تخریب کامل سازه بتنی فراهم میگردد. روشهای سنتی گذشته مانند چسباندن صفحات فلزی بر روی سازه یا اضافه کردن ضخامت بتن جهت مقابله با پدیده خوردگی ضمن آنکه مشکل خوردگی فلز را مرتفع نخواهد

نمود، سبب افزایش وزن سازه و آسیبپذیرترشدن آن در برابر زلزله نیز خواهد شد. جهت جلوگیری از این امر میتوان با تقویت سطح خارجی سازه بتنی توسط مواد مرکب و استفاده از میلگردهای FRP در داخل بتن، هم مشکل خوردگی فلز داخل سازه را حل نمود و هم جلوی مختل شدن کارایی سازه در صورت خورده شدن بتن را گرفت که این بهترین روش مقابله با پدیده خوردگی در یک سازه بتنی میباشد.
کشور ما نیاز بسیار گستردهای به ا

ستفاده از کامپوزیتها در قالب آرماتورهای کامپوزیتی دارد. هماکنون بسیاری از سازههای بنا شده در محیطهای خورنده مناطق مختلف کشور همچون پلهای دریاچه ارومیه و یا ساختمانهای جنوب کشور دچار معضل خوردگی هستند که استفاده از کامپوزیتها میتواند پاسخگوی مشکل این قبیل سازهها باشد.

کاربرد کامپوزیت‌های FRP در سازه‌های بتن آرمه
خلاصه
خوردگی قطعات فولادی در سازه‌های مجاور آب و نیز خوردگی میلگردهای فولادی در سازه‌های بتن آرمه ای که در معرض محیط‌های خورنده کلروری و کربناتی قرار دارند، یک مساله بسیار اساسی تلقی می‌شود. در محیط‌های دریایی و مرطوب وقتی که یک سازه بتن‌آرمه معمولی به صورت دراز مدت در معرض عناصر خورنده نظیر نمک‌ها، اسید‌ها و کلرورها قرار گیرد، میلگردها به دلیل آسیب

دیدگی و خوردگی، قسمتی از ظرفیت خود را از دست خواهند داد. به علاوه فولادهای زنگ زده بر پوسته بیرونی بتن فشار می‌آورد که به خرد شدن و ریختن آن منتهی می‌شود. تعمیر و جایگزینی اجزاء فولادی آسیب دیده و نیز سازه بتن آرمه‌ای که به دلیل خوردگی میلگردها آسیب دیده است، میلیون‌ها دلار خسارت در سراسر دنیا به بار آورده است. به همین دلیل سعی شده که تدابیر

ویژه‌ای جهت جلوگیری از خوردگی اجزاء فولادی و میلگرد‌های فولادی در بتن اتخاذ گردد که از جمله می‌توان به حفاظت کاتدیک اشاره نمود. با این وجود برای حذف کامل این مساله، توجه ویژه ای به جانشینی کامل اجزاء و میلگردهای فولادی با یک ماده جدید مقاوم در مقابل خوردگی معطوف گردیده است. از آن‌جا که کامپوزیت‌های FRP (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) بشدت در

مقابل محیط‌های قلیایی و نمکی مقاوم هستند که در دو دهه اخیر موضوع تحقیقات گسترده‌ای جهت جایگزینی کامل با قطعات و میلگردهای فولادی بوده‌اند. چنین جایگزینی بخصوص در محیط‌های خورنده نظیر محیط‌های دریایی و ساحلی بسیار مناسب به نظر می‌رسد. در این مقاله مروری بر خواص، مزایا و معایب مصالح کامپوزیتی FRP صورت گرفته و قابلیبت کاربرد آنها به عنوان جانشین کامل فولاد در سازه‌های مجاور آب و بخصوص در سازه بتن آرمه، به جهت حصول یک سازه کاملاً مقاوم در مقابل خوردگی، مورد بحث قرار خواهد گرفت.
۱ – مقدمه
بسیاری از سازه‌های بتن آرمه موجود در دنیا در اثر تماس با سولفاتها، کلریدها و سایر عوامل خورنده، دچار آسیب‌های اساسی شده‌اند. این مساله هزینه‌های زیادی را برای تعمیر، بازسازی و یا تعویض سازه‌های آسیب ‌دیده در سراسر دنیا موجب شده است. این مساله و عواقب آن گاهی نه تنها به عنوان یک مساله مهندسی، بلکه به عنوان یک مساله اجتماعی جدی تلقی شده است ]۱[. تعمیر و جایگزینی سازه‌های بتنی آسیب‌دیده میلیون‌ها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته است. در امریکا، بیش از ۴۰ درصد پلها در شاهراهها نیاز به تعویض و یا بازسازی دارند ]۲[. هزینه بازسازی و یا تعمیر سازه‌های پارکینگ در کانادا، ۴ تا ۶ میلیارد دلار کانادا تخمین زده شده است ]۳[. هزینه تعمیر پلهای شاهراهها در امریکا در حدود ۵۰ میلیارد دلار برآورد شده است؛ در حالیکه برای بازسازی کلیه سازه‌های بتن آرمه آسیب‌دیده در امریکا در اثر مساله خوردگی میلگردها، پیش‌بینی شده که به بودجه نجومی ۱ تا ۳ تریلیون دلار نیاز است ]۳[ !

از مواردی که سازه‌های بتن آرمه به صورت سنتی مورد استفاده قرار می‌گرفته، کاربرد آن در مجاورت آب و نیز در محیط‌های دریایی بوده است. تاریخچه کاربرد بتن آرمه و بتن پیش‌تنیده در کارهای دریایی به سال ۱۸۹۶ بر می‌گردد ]۴[. دلیل عمده این مساله، خواص ذاتی بتن و منجمله مقاومت خوب و سهولت در قابلیت کاربرد آن چه در بتن‌ریزی در جا و چه در بتن پیش‌تنیده بوده است. با این وجود شرایط آب و هوایی و محیطی خشن و خورنده اطراف سازه‌های ساحلی و دریایی همواره به عنوان یک تهدید جدی برای اعضاء بتن آرمه محسوب گردیده است. در محیط‌های ساحلی و دریایی، خاک، آب زیرزمینی و هوا، اکثراً حاوی مقادیر زیادی از نمکها شامل ترکیبات سولفور و کلرید هستند.

در یک محیط دریایی نظیر خلیج فارس، شرایط جغرافیایی و آب و هوایی نامناسب، که بسیاری از عوامل خورنده را به دنبال دارد، با درجه حرارت‌های بالا و نیز رطوبت‌های بالا همراه شده که نتیجتاً خوردگی در فولادهای به کار رفته در بتن آرمه کاملاً تشدید می‌شود. در مناطق ساحلی خلیج فارس، در تابستان درجه حرارت از ۲۰ تا ۵۰ درجه سانتیگراد تغییر می‌کند، در حالیکه گاه اختلاف دمای شب و روز، بیش از ۳۰ درجه سانتیگراد متغیر است. این در حالی است که رطوبت نسبی

اغلب بالای ۶۰ درصد بوده و بعضاً نزدیک به ۱۰۰ درصد است. به علاوه هوای مجاور تمرکز بالایی از دی‌اکسید گوگرد و ذرات نمک دارد [۵]. به همین جهت است که از منطقه دریایی خلیج فارس به عنوان یکی از مخرب‌ترین محیط‌ها برای بتن در دنیا یاد شده است [۶]. در چنین شرایط، ترک‌ها و ریزترک‌های متعددی در اثر انقباض و نیز تغییرات حرارتی و رطوبتی ایجاد شده، که این مساله به

نوبه خود، نفوذ کلریدها و سولفاتهای مهاجم را به داخل بتن تشدید کرده، و شرایط مستعدی برای خوردگی فولاد فراهم می‌آورد [۷-۹]. به همین جهت بسیاری از سازه‌‌های بتن مسلح در نواحی ساحلی ایران نظیر سواحل بندرعباس، در کمتر از ۵ سال از نظر سازه‌ای غیر قابل استفاده گردیده‌اند.
نظیر این مساله برای بسیاری از سازه‌های در مجاورت آب، که در محیط دریایی و ساحلی قرار ندارند نیز وجود دارد. پایه‌های پل، آبگیرها، سدها و کانال‌های بتن آرمه نیز از این مورد مستثنی نبوده و اغلب به دلیل وجود یون سولفات و کلرید، از خوردگی فولاد رنج می‌برند.
۲ – راه حل مساله

تکنیک‌هایی چند، جهت جلوگیری از خوردگی قطعات فولادی الحاقی به سازه و نیز فولاد در بتن مسلح توسعه داده شده و مورد استفاده قرار گرفته است که از بین آنها می‌توان به پوشش اپوکسی بر قطعات فولادی و میلگردها، تزریق پلیمر به سطوح بتنی و حفاظت کاتدیک میلگردها اشاره نمود. با این وجود هر یک از این تکنیک‌ها فقط تا حدودی موفق بوده است [۱۰]. برای حذف کامل مساله، توجه محققین به جانشین کردن قطعات فولادی و میلگردهای فولای با مصالح جدید مقاوم در مقابل خوردگی، معطوف گردیده است.

مواد کامپوزیتی (Fiber Reinforced Polymers/Plastics) FRP موادی بسیار مقاوم در مقابل محیط‌های خورنده همچون محیط‌های نمکی و قلیایی هستند. به همین دلیل امروزه کامپوزیتهای FRP، موضوع تحقیقات توسعه‌ای وسیعی به عنوان جانشین قطعات و میلگردهای فولادی و کابلهای پیش‌تنیدگی شده‌اند. چنین تحقیقاتی به خصوص برای سازه‌های در مجاورت آب و بالاخص در محیط‌های دریایی و ساحلی، به شدت مورد توجه قرار گرفته‌اند.

۳ – ساختار مصالح FRP
مواد FRP از دو جزء اساسی تشکیل می‌شوند؛ فایبر (الیاف) و رزین (ماده چسباننده). فایبرها که اصولاً الاستیک، ترد و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در ماده FRP محسوب می‌شوند. بسته به نوع فایبر، قطر آن در محدوده ۵ تا ۲۵ میکرون می‌باشد [۱۱].

رزین اصولاً به عنوان یک محیط چسباننده عمل می‌کند، که فایبرها را در کنار یکدیگر نگاه می‌دارد. با این وجود، ماتریس‌های با مقاومت کم به صورت چشمگیر بر خواص مکانیکی کامپوزیت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثر نمی‌گذارند. ماتریس (رزین) را می‌توان از مخلوط‌های ترموست و یا ترموپلاستیک انتخاب کرد. ماتریس‌های ترموست با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت مایع یا روان در نمی‌آیند؛ در حالیکه رزین‌های ترموپلاستیک را می‌توان با اعمال حرارت، مایع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد درآورد. به عنوان رزین‌های ترموست می‌توان از پلی‌استر، وینیل‌استر و اپوکسی، و به عنوان رزین‌های ترموپلاستیک از پلی‌وینیل کلرید (PVC)، پلی‌اتیلن و پلی پروپیلن (PP)، نام برد [۳].

فایبر ممکن است از شیشه، کربن، آرامید و یا وینیلون باشد که در اینصورت محصولات کامپوزیت مربوطه به ترتیب به نامهای GFRP، CFRP،AFRP و VFRP شناخته می‌شود. در ادامه شرح مختصری از بعضی از فایبرهای متداول ارائه خواهد شد.
۷- دوام کامپوزیت‌های FRP
کامپوزیت‌های FRP شاخه جدیدی از مصالح محسوب می‌شوند که دوام آنها دلیل اصلی و اولیه برای کاربرد آنها در محدوده وسیعی از عناصر سازه‌ای شده است. به همین جهت است که از آنها نه تنها در صنعت ساختمان، بلکه در فضاپیما، بال هواپیما، درهای اتومبیل، مخازن محتوی گاز مایع، نردبان و حتی راکت تنیس نیز استفاده می‌شود. بنابراین از نقطه نظر مهندسی نه تنها مساله مقاومت و سختی، بلکه مساله دوام آنها تحت شرایط مورد انتظار، کاملاً مهم جلوه می‌کند.
مکانیزم‌هایی که دوام کامپوزیت‌ها را کنترل می‌کنند عبارتند از :
۱) تغییرات شیمیایی یا فیزیکی ماتریس پلیمر
۲) از دست رفتن چسبندگی بین فایبر و ماتریس
۳) کاهش در مقاومت و سختی فایبر

محیط نقش کاملاً تعیین کننده‌ای در تغییر خواص پلیمرهای ماتریس کامپوزیت دارد. هر دوی ماتریس و فایبر ممکن است با رطوبت، درجه حرارت، نور خورشید و مشخصأ تشعشعات ماوراء بنفش (UV)، ازن و نیز حضور بعضی از مواد شیمیایی تجزیه کننده نظیر نمک‌ها و قلیایی‌ها تحت ثأثیر قرار گیرند. همچنین تغییرات تکراری دما ممکن است به صورت سیکل‌های یخ‌زدن و ذوب شدن، تغییراتی را در ماتریس و فایبر باعث گردد. از طرفی تحت شرایط بار‌گذاری مکانیکی، بارهای تکراری ممکن است

باعث خستگی (Fatigue) شوند. همچنین بارهای وارده در طول زمان مشخص به صورت ثابت، ممکن است مساله خزش (Creep) را به دنبال داشته باشند. مجموعه‌ای از تمام مسائل مطرح شده در بالا، دوام کامپوزیت‌های FRP را تحت تأثیر قرار می‌دهند.