مقاوم سازی ستون بتنی با FRP: راهنمای کامل از طراحی تا اجرا

ستون‌های بتنی به عنوان پایه و اساس یک سازه، نقش بسیار مهمی را در استحکام و دوام آن ایفا می‌کنند. با این وجود ممکن است این ستون‌ها به دلیل ضعف بتن، طراحی اشتباه، تغییر کاربری ساختمان و یا افزایش بار وارده، قادر به حفظ عملکرد خود نبوده و دچار ضعف و افت استحکام شوند. مقاوم سازی ستون بتنی با FRP، بهترین روش مقاوم سازی بوده که در آن بدون نیاز به تخریب ستون بتنی و تنها با کمک کامپوزیت FRP، می‌توان ستون بتنی را تقویت و مقاوم سازی نمود.

9 دلیل و نشانه اصلی نیاز به مقاوم سازی ستون بتنی

مقاوم سازی ستون بتنی با اف آرپی، نقش حیاتی را در دوام و استحکام این ستون‌ها ایفا می‌کند. در شرایطی که ستون به دلایل مختلفی نیاز به مقاومت بیشتر داشته باشد، می‌توان از کامپوزیت اف آرپی، برای پوشش دهی و مقاوم سازی استفاده نمود. در طی سال‌ها تجربه مقاوم سازی و با بررسی آیین نامه و مدارک فنی، دلایل زیر مهم‌ترین دلایلی هستند که نیاز به مقاوم سازی ستون بتنی با FRP را افزایش می‌دهند.

انواع مقاطع ستون بتنی که با اف آرپی قابل مقاوم‌سازی هستند؟

مقاوم سازی ستون بتنی با FRP برای تمامی مقاطع ستون بتنی از جمله گرد، مربع و مستطیل امکان پذیر است. تنها می‌بایست بسته به نیاز آن مقطع، شرایط پروژه و طراحی اف آرپی، ستون بتنی را به گونه‌ای تقویت کرد که استحکام آن چندین برابر افزایش یابد.

ستون‌ بتنی با مقطع گرد

ستون بتنی با مقطع گرد، بهترین گزینه برای مقاوم سازی ستون بتنی با FRP است. چرا که هیچ لبه تیز و زاویه‌های شارپ در این نوع ستون وجود نداشته و سیستم اف آرپی با ملایمت روی ستون قرار می‌گیرد.

ستون‌ بتنی با مقطع مستطیلی

به منظور چسبندگی بیشتر سیستم اف آرپی روی مقطع مستطیلی و لبه‌های این ستون بتنی، لازم است که حتما لبه‌های ستون کمی گرد شده و از حالت تیزی خارج شوند. در این صورت کامپوزیت اف آرپی روی لبه‌ها نیز چسبندگی خوبی خواهد داشت.

ستون‌ بتنی با مقطع مربع

برای این ستون نیز مانند ستون با مقطع مربع، توصیه می‌شود که لبه‌ها گرد شوند تا مقاوم سازی ستون بتنی با FRP ساده‌تر انجام گیرد.

چرا تقویت ستون بتنی با FRP روزبه‌روز محبوب‌تر می‌شود؟

مقاوم سازی ستون بتنی با اف آرپی جزء روش‌های جدید و متداول امروزی، برای دستیابی به مقاومت ایده آل در ستون‌های بتنی است. در مقایسه با بعضی از روش‌های تقویت ستون بتنی همچون ژاکت فولادی و ژاکت بتنی، سیستم اف آرپی هم وزن پایین‌تری دارد، هم اینکه با ضخامت بسیار پایین‌تری قابل اجراست. این موضوع باعث می‌شود تا بتوان بدون محدودیت از بابت فضا و عدم ایجاد بار و وزن مرده به ساختمان، تقویت ستون بتنی با FRP را انجام داد.

با این وجود، این تنها مزیت مقاوم سازی ستون بتنی با FRP نیست، بلکه ستون‌های بتنی که به صورت صحیح با این محصول مقاوم سازی می‌شوند، می‌توانند در دراز مدت نیز عملکرد بسیار خوبی داشته باشند. ضمن اینکه مقاومت فشاری، خمشی و برشی ستون با تقویت آن با این کامپوزیت افزایش پیدا می‌کند. روند اجرای کامپوزیت Frp برای ستون بتنی نیز بسیار ساده انجام می‌شود و چالش‌های پیش روی افراد را به حداقل می‌رساند. در مجموع دلایل محبوبیت تقویت ستون بتنی با FRP را می‌توان در اجرای آسان، هزینه نسبتا پایین، عدم اشغال فضای زیاد، ضخامت پایین، سهولت در تعمیر و … اشاره کرد.

مقاوم سازی ستون بتنی با FRP و تاثیر آن در مقاومت ساختمان در زلزله

ستون بتنی هنگام قرار گرفتن تحت تاثیر بارهای لرزه‌ای، قادر به تحمل بارهای وارده هستند؛ تنها به شرطی که مقاومت آن‌ها با طراحی و انتخاب مواد اولیه درست، افزایش یابد. ظرفیت جذب انرژی و شکل پذیری ستون هنگام مواجهه با بارهای لرزه‌ای بسیار حائز اهمیت می‌شود. مقاوم سازی ستون بتنی با FRP، نه تنها می‌تواند ظرفیت باربری ستون را افزایش دهد، بلکه باعث افزایش ظرفیت برشی ستون شده و عملا مد گسیختگی ستون را از حالت برشی به حالت خمشی تغییر می‌دهد.

زمانی که تقویت ستون بتنی با FRP به صورت صحیح انجام می‌شود، بتن به صورت عرضی با پوشش FRP به طور کامل پوشش دهی شده و می‌تواند مقاومت نهایی بیش از 2 برابری داشته باشد. بنابراین، هنگام زلزله که ستون‌های بتنی بار زیادی را تحمل می‌کنند، ستون تقویت شده با اف آرپی می‌تواند بهترین عملکرد را داشته باشد و تخریب آن به خصوص هنگام زلزله‌های شدید به حداقل می‌رسد.

تاثیر مقاوم سازی ستون بتنی با اف آرپی روی شکست‌های ناشی از زلزله در ستون

زلزله تاثیرات متفاوتی روی ستون بتنی داشته و می‌تواند شکست برشی و خمشی و خرابی در محل وصله پوششی آرماتورهای طولی را افزایش دهد. بدین منظور، مقاوم سازی ستون بتنی با FRP یک راه حل کارآمد بوده که روی تمامی این شکست‌ها تاثیر مثبت دارد.

شکست خمشی در ستون‌های بتنی پس از زلزله

پس از وقوع زلزله، شکست خمشی ستون‌های بتنی بسیار شدت پیدا می‌کند. این شکست عمدتا در مناطق انتهایی ستون بوده و ناحیه کوچکی از آن را تحت تاثیر خود قرار می‌دهد. فرآیند شکست خمشی به این شکل است که ابتدا قسمتی از پوشش بتن کنده می‌شود، سپس شکست آرماتورهای عرضی اتفاق افتاده و در نهایت کمانش در آرماتورهای طولی خواهد بود. با مقاوم سازی ستون بتنی با اف آرپی می‌توان ضعف ستون‌های بتنی را رفع کرد.

شکست برشی ستون بتنی ناشی از زلزله

شکست برشی ستون، به عنوان نامطلوب‌ترین نوع حالت شکست این ستون است. در ابتدا ترک‌های مایل و مورب در بتن ظاهر می‌شوند و سپس گسیختگی ستون آغاز شده و فولاد عرضی مقطع یا خاموت باز می‌شود. در نهایت، زمانی که آرماتورهای طولی دچار کمانش می‌شوند، شکست ترد و انفجاری رخ می‌دهد.

مقاوم سازی ستون بتنی با FRP، می‌تواند ضعف خمشی، برشی و فشاری را برطرف کرده و حتی شکل پذیری ستون را بهبود ببخشد. بنابراین، شکست برشی ستون بتنی ناشی از زلزله دیگر نگران کننده نخواهد بود.

مشکل در محل وصله پوشش آرماتورهای طولی

در صورتی که آرماتورهای طولی در محلی که نیرو وارده زیاد است، با یکدیگر همپوشانی داشته باشند؛ انتها ستون تحت خمش بسیار زیادی قرار می‌گیرد. در این صورت بارگذاری رفت و برگشتی آرماتورها از یکدیگر جدا خواهند شد. با مقاوم سازی ستون بتنی با اف آرپی، این مشکل برطرف شده و خرابی محل وصله پوشش آرماتورهای طولی نیز رفع خواهد شد.

طراحی و محاسبات مقاوم‌ سازی ستون بتنی با الیاف FRP

به منظور طراحی و محاسبات مقاوم سازی ستون بتنی با اف آرپی، لازم است که حتما از مهندسان خبره، باتجربه و مسلط روی آیین نامه و نشریه‌های مرتبط کمک گرفته شود. نشریه 345، تحت عنوان «راهنمای طراحی و ضوابط اجرایی بهسازی مصالح تقویتی FRP» راهنمای جامعی برای مهندسان و پیمانکاران برای اجرا و طراحی و محاسبات مقاوم سازی ستون بتنی با FRP است. در این نشریه یک مثال کاربری برای محاسبات دقیق مقاوم سازی آورده شده که در آن ستون بتن مسلحی با مشخصات زیر در نظر گرفته شده است. برای تقویت برشی ستون با الیاف اف آرپی، روند محاسبه ظرفیت جدید ستون به شرح زیر انجام می‌شود.

الیاف GFRP شرایط محیطی ملایم ( شیشه – اپوکسی )

گام 1: محاسبه مقاومت برشی مصالح

گام 2: محاسبه مقاومت برشی

گام 3: کنترل ظرفیت برشی حداکثر

باتوجه به نتایج مشاهده می‎شود ظرفیت برشی از 248.5 به 335.1 افزایش یافته است که این رقم حدود 18% افزایش مقاومت را برای مقطع تامین خواهد کرد.

مراحل اجرای مقاوم سازی ستون بتنی با FRP و کنترل کیفیت اجرا

به منظور مقاوم سازی ستون بتنی با FRP و افزایش ظرفیت باربری خمشی و برشی، ضروری است که از مواد اولیه مناسب این سیستم برای تشکیل کامپوزیت استفاده شود.

مواد اولیه مقاوم سازی ستون بتنی با FRP

مواد اولیه مقاوم سازی ستون بتنی با اف آرپی به شرح زیر هستند:

• الیاف کربن: الیاف کربن از فیبر کربن که تحت فرآیند پیچیده‌ای از مواد آلی استخراج می‌شود، بوده و استحکام بالاتری را در مقایسه با الیاف شیشه دارد. از ترکیب الیاف کربن با چسب و رزین اف آرپی، می‌توان کامپوزیت مناسب برای تقویت ستون بتنی را ایجاد کرد.

• الیاف شیشه: الیاف شیشه از فایبرگلاس که از فرآیند خاصی تهیه می‌شود، ساخته شده و یک پارچه مقاوم در برابر ضربه، رطوبت و عوامل محیطی را به وجود می‌آورد. الیاف شیشه با وزن سبک نسبت به الیاف کربن و انعطاف پذیری بالا، می‌تواند برای مقاوم سازی ستون بتنی با FRP استفاده شود.

• چسب و رزین FRP: به منظور اجرای صحیح تقویت ستون بتنی با FRP، ضروری است که از چسب و رزین استفاده شود که با ترکیب الیاف شیشه و کربن، استحکام مورد انتظار را افزایش می‌دهند.

نحوه مقاوم سازی ستون بتنی با اف آرپی

به منظور مقاوم سازی ستون بتنی با FRP در ابتدا باید یک نوع الیاف که شامل الیاف شیشه و کربن هستند، بسته به شرایط محیطی و نیاز پروژه انتخاب شوند. سپس ستون بتنی کاملا پاکسازی شده و هر گونه عیب ظاهری و پوسته پوسته شدن و سایر مشکلات از بین می‌روند. عدم وجود چربی و گرد و غبار روی ستون بتنی، برای چسبندگی ایده آل بسیار حائز اهمیت است.

پس از آماده سازی ستون بتنی، نوبت به دورپیچ نمودن ستون با الیاف کربن و شیشه می‌رسد. در این روش، الیاف FRP در امتداد عمود بر محور طولی ستون به صورت دورپیچ کامل قرار می‌گیرند تا محصورشدگی انفعالی (Passive) را ایجاد کنند.

این فرآیند تقویت ستون با FRP تا زمان بارگذاری، تغییر شکل‌های عرضی و اعمال بارهای اضافه به صورت منفعل است و تحت تنش قرار نمی‌گیرد. بنابراین، تاثیری در باربری عضو نیز نخواهد داشت. در پایان کنترل کیفیت اجرای مقاوم سازی ستون بتنی با FRP با تست Pull-off انجام می‌شود تا از عملکرد صحیح این سیستم اطمینان حاصل شود.

نمونه دیتیل و نقشه اجرایی مقاوم سازی ستون بتنی با FRP

به منظور تامین محصورشدگی کافی در ستون‌های بتنی، می‌توان از ترکیب الیاف شیشه و کربن و رزین و چسب استفاده کرد تا کامپوزیت FRP در محیط اجرا شود. نقشه اجرایی تقویت ستون بتنی با FRP نیازمند بررسی متراژ محیط، بارهای وارده، خستگی تیر و بتن، بارهای خمشی و برشی و … است که با کمک مهندسان طراح و در نظر گرفتن جزئیات فنی، طراحی می‌شود. در نمونه دیتیل و نقشه اجرایی مقاوم سازی ستون بتنی با FRP درک خواهید کرد که روند تقویت ستون بتنی به چه شکل و با چه اقداماتی صورت می‌گیرد.

مقاوم سازی ستون بتنی با اف آرپی در مقابل روش‌های سنتی

مقاوم سازی ستون بتنی به دلیل ضعف اجرایی، بارگذاری‌های بیشتر و یا حتی آسیب لرزه‌ای، یک موضوع حائز اهمیت است که باید در پروژه‌های مختلف به آن توجه شود. مقاوم سازی ستون بتنی با اف آرپی به عنوان روش جدید و نوین و ژاکت بتنی و فولادی به عنوان روش‌های قدیمی انجام می‌شود.

در مقایسه کلی، تقویت ستون بتنی با FRP با وجود هزینه بالاتر، مزایای بیشتری را به همراه داشته و می‌تواند با وزن کمتر، سهولت اجرایی بیشتر و بدون اضافه کردن ضخامت به ستون‌های بتنی در مقایسه با ژاکت بتنی و فولادی، بهترین عملکرد را داشته باشد.

در جدول زیر، یک مقایسه کلی برای مقاوم سازی ستون بتنی با FRP و روش‌های سنتی ژاکت بتنی و فولادی انجام شده که دید بهتری را به مهندسان و پیمانکاران برای انتخاب بهترین روش می‌دهد.

نقاط ضعف و محدودیت‌های روش تقویت ستون بتنی با اف آرپی

با وجود نقاط مثبت مقاوم سازی ستون بتنی با FRP، این روش دارای معایب و محدودیت‌هایی نیز هست. ضمن اینکه اجرای صحیح آن حساسیت بالایی را در محیط ایجاد می‌کند، در نظر گرفتن شرایط محیطی برای اجرا نیز اهمیت ویژه‌ای دارد تا بتوان از چسبندگی، استحکام و قرارگیری صحیح کامپوزیت روی ستون بتنی مطمئن شد.

• عملکرد ضعیف در برابر آتش: کامپوزیت FRP به دلیل ماهیت رزین اپوکسی در برابر آتش مقاوم نبوده و قابلیت اشتعال دارد.
• شکل پذیری محدود: شکل پذیری کامپوزیت FRP در وزن‌های بالا نسبتا پایین بوده و برای ستون‌های مربعی و مستطیلی کمی مشکل ایجاد می‌کند. ضمن اینکه هنگام اجرای آن در زاویه‌های خاص، احتمال شکست FRP وجود دارد.
• نیازمند آزمایش‌های متنوع: مقاوم سازی ستون بتنی با FRP نیازمند آزمایش‌های متنوع از جمله آزمون‌های غیر مخرب، آزمون‌های تخصصی چسبندگی و … است که همگی هزینه‌های مجزایی را می‌طلبند.
• حساسیت به اشعه UV: حساسیت کامپوزیت FRP در برابر اشعه UV بالاست. از این جهت در صورت اجرای آن در محیط‌های بیرونی و در معرض مستقیم نور خورشید، احتمال تخریب و کاهش عمر مفید آن وجود ندارد.
• محدودیت‌های دمایی: محدودیت‌های دمایی از مهم‌ترین معایب و محدودیت‌های مقاوم سازی ستون بتنی با FRP است. به طوری که معمولا کامپوزیت FRP قادر به تحمل دمای بالای 60 درجه سانتی گراد نیست. این سیستم باید در دمای مناسب و متعادل اجرا شود تا بتوان از استحکام و مقاومت آن اطمینان حاصل کرد.

قیمت اجرای مقاوم سازی ستون‌ بتنی با اف آرپی چقدر است؟

هزینه مقاوم سازی ستون بتنی با FRP بر اساس 3 فاکتور کلی که شامل هزینه خرید مصالح، هزینه طراحی مقاوم سازی ستون و هزینه تست‌های مورد نیاز هستند، محاسبه و تعیین می‌شود. به دلیل تفاوت در شرایط پروژه‌های مختلف، قیمت دقیق مقاوم سازی ستون بتنی با اف آرپی را نمی‌توان تعیین کرد.

تنها راه برای دریافت پیش فاکتور و قیمت، تماس با کارشناسان شرکت مقاوم سازی سازند است تا پس از دریافت نقشه، متره و برآورد مواد اولیه انجام شده و با هزینه تست‌های مورد نیاز و طراحی، هزینه کلی تقویت ستون بتنی با FRP به شما اعلام گردد.

• هزینه تست‌های موردنیاز برای تشخیص وضعیت ستون بتنی: به منظور مقاوم سازی ستون بتنی با FRP، لازم است که تست‌هایی همچون تست اولتراسونیک انجام شوند. هزینه هر تست و نحوه انجام آن‌ها، روی هزینه مقاوم سازی ستون بتنی با اف آرپی تاثیرگذارند.
• طراحی مقاوم سازی ستون: طراحی مقاوم سازی ستون بتنی با FRP بر اساس نوع ستون، تعداد ستون‌های داخل محیط، متراژ، ابعاد ستون و …، هزینه متفاوتی خواهد داشت.
• هزینه خرید مصالح FRP و اجرای مقاوم سازی ستون بتنی: بخش مهمی از هزینه مقاوم سازی ستون بتنی با اف آرپی مربوط به هزینه خرید مصالح است. مصالحی همچون الیاف، چسب مخصوص و پرچ و پیچ‌های داخل ستون، قیمت متفاوتی دارند و بر اساس نوسانات بازار نیز هزینه خرید آن‌ها تغییر می‌کند.

اشتباهات رایج در مقاوم‌سازی تیر و ستون و راهکارهای جلوگیری از آن‌ها

مقاوم سازی ستون بتنی با FRP زمانی کارآمد خواهد بود که به صورت صحیح و با در نظر گرفتن اصول آیین نامه‌ای، نشریات و قوانین انجام شوند. طراحی تخصصی، رعایت ضوابط آیین نامه‌ای، در نظر گرفتن شرایط محیطی، همگی از نکات مهم اجرایی هستند که عدم توجه به هر کدام، عملکرد تقویت ستون بتنی با FRP را تحت تاثیر قرار می‌دهد. در جدول زیر اشتباهات رایج مقاوم سازی ستون بتنی با اف آرپی و نحوه جلوگیری از آن‌ها را مشاهده می‌کنید.

مشاوره تخصصی مقاوم سازی ستون بتنی با FRP: از طراحی تا اجرا

مقاوم سازی ستون بتنی با FRP به عنوان روش نوین، کارآمد و سریع، نقش حیاتی را در افزایش مقاومت ستون‌ها به صورت پسیو دارد. نه تنها در هنگام زلزله، بلکه هنگام افزایش بارهای وارده نیز ستون‌های تقویت شده با FRP مقاومت ایده آلی را از خود نشان می‌دهند. تقویت ستون بتنی با FRP نیازمند طراحی صحیح، در نظر گرفتن تعداد لایه‌های این کامپوزیت برای اجرا، تامین مصالح ضروری و مورد نیاز و اجرای صحیح و اصولی آن است.

برای دریافت مشاوره تخصصی مقاوم سازی ستون بتنی با اف آرپی، می‌توانید با کارشناسان شرکت سازند در ارتباط باشید تا بر اساس نیاز پروژه، شرایط آب و هوایی، بار اعمال شده به ستون و موقعیت جغرافیایی، بهترین توصیه‌ها را برای طراحی و اجرای این سیستم داشته باشند.