مقاوم سازی تیر بتنی با FRP: صفر تا صد طراحی و اجرا

امروزه با تغییر کاربری بسیاری از ساختمان‌ها، افزایش بار وارده به ساختمان بیش از ظرفیت تعیین شده و یا قدیمی شدن ساختمان‌ها و آسیب دیدن مقاطع فولادی در آن‌ها، مقاوم سازی ساختمان جایگاه مهم‌ترین نسبت به قبل پیدا کرده است. در حالی که برای تقویت تیر بتنی و مقاوم سازی آن امکان تخریب و ساخت مجدد وجود دارد، اما با توجه به هزینه‌های بالای این کار برای صاحبان پروژه، روش‌های جدید مقاوم سازی همچون مقاوم سازی تیر بتنی با FRP توصیه می‌شود.

در این صورت می‌توان بدون نیاز به تخریب و تنها با اعمال یک لایه کامپوزیت الیاف کربن، مقاومت تیرها را در برابر بارهای خمشی و برشی افزایش داد. مقاوم سازی تیر بتنی با FRP به عنوان یک راه حل کارآمد، کم هزینه و آسان جهت اجرا شناخته می‌شود که کارایی و دوام را در پروژه‌های عمرانی به صورت همزمان فراهم می‌کند.

هدف از مقاوم‌سازی تیرهای بتنی با FRP چیست؟

مقاوم سازی تیر بتنی با FRP یک روش کارآمد، کم هزینه و سریع برای افزایش مقاومت تمامی تیرهای بتنی در برابر بارهای وارده است. در این صورت تیر بتنی قادر به تحمل بار بوده و می‌تواند بار وارده را نیز به صورت قائم به ستون‌های بتنی منتقل کند.

هدف اصلی مقاوم سازی تیر بتنی با FRP، افزایش مقاومت آن، به ویژه در شرایطی که تحمل تیرهای بتنی در برابر بارهای وارده کافی نیست، می‌باشد. طی سالیان تجربه مقاوم سازی در شرکت سازند و بررسی آیین نامه‌ها و مدارک فنی، دلایل جدول زیر، مهم‌ترین دلایل نیاز به مقاوم سازی تیر بتنی با FRP است.

چرا در سالیان اخیر، تقویت تیر بتنی با FRP در پروژه‌های مقاوم سازی محبوب شده است؟

بسیاری از روش‌های سنتی و قدیمی برای تقویت تیر بتنی، وزن سازه را افزایش می‌دادند و پروسه اجرایی آن‌ها نیز بسیار سخت و پیچیده بود؛ اما امروزه با امکان مقاوم سازی تیر بتنی با FRP می‌توان مشکلات به وجود آمده در تیرهای بتنی، ضعف ساختاری و افزایش بار وارده به آن را به راحتی کنترل نمود، بدون اینکه نیاز به افزایش ضخامت بیش از اندازه تیر بتنی باشد.

تقویت تیر بتنی با FRP همزمان باعث افزایش مقاومت خمشی و برشی تیر شده و شکل پذیری آن را افزایش می‌دهد. نه تنها در شرایط معمول، بلکه هنگام زلزله نیز این تیرها قادر به تحمل بار بسیار زیاد می‌باشند. از جمله مهم‌ترین مزایای مقاوم سازی تیر بتنی با FRP می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• اجرای بسیار آسان و بدون افزایش ضخامت
• افزایش همزمان مقاومت خمشی و برشی تیر بتنی
• بهبود شکل پذیری تیرها
• افزایش مقاومت در برابر خوردگی
• کنترل عرض ترک‌های به وجود آمده
• افزایش دوام و عمر مفید تیرهای بتنی
• ترمیم تیرهای بتنی ناشی از خوردگی
• هزینه نسبتا پایین اجرا

تقویت تیر بتنی با FRP؛ انتخاب مورد اعتماد در پروژه‌های ساختمانی مناطق زلزله‌خیز

مقاوم سازی تیر بتنی با FRP نه تنها می‌تواند در شرایط معمول و ایده آل مقاومت تیرهای بتنی را افزایش دهد، بلکه در شرایط زلزله که بار زیادی به تمامی اجزای ساختمان وارد می‌شود نیز به صورت بهینه عمل کرده و می‌تواند عملکرد تیرها را بهبود ببخشد. تقویت تیر بتنی با FRP در نقاط مختلفی که در معرض پیدایش مفاصل پلاستیک یا تنش‌های رفت و برگشتی هستند، اهمیت ویژه‌ای دارد.

جهت بهبود رفتار پس از تسلیم اعضا در قاب‌های خمشی شکل پذیر تحت تاثیر بار زلزله، می‌توان مقاوم سازی تیر بتنی با FRP را انجام داد. تنها باید توجه کرد که برای رسیدن به استخدام مورد نیاز در تیرهای بتنی، لازم است که کامپوزیت FRP به روش دورپیچ بسیار کامل انجام شود تا نقش مهمی را در مقاوم سازی ساختمان‌ها در برابر زلزله نیز داشته باشد.

مقاوم سازی خمشی تیر بتنی با FRP با استفاده از لمینت کربن

با مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در ناحیه کششی تیرهای بتنی، مقاومت خمشی تیر نیز افزایش پیدا می‌کند. در این صورت لازم است که راستای الیاف کامپوزیت در جهت طولی تیر باشد.  به منظور دستیابی به مقاومت خمشی تیر بتنی، ضروری است که الیاف FRP در وجه تحتانی تیر و در راستای محور تیر اجرا شوند. به منظور مقاوم سازی تیر بتنی با FRP برای بارهای خمشی، لازم است که کرنش فشاری بتن 0.003 فرض شود.

همچنین از مقاومت کششی تیر بتنی نیز صرف نظر شود. با در نظر گرفتن رابطه تنش-کرنش FRP به صورت الاستیک خطی، می‌توان طراحی دقیق را انجام داد. در صورتی که مهندسان طراح به دلیل شرایط پروژه، استفاده از لمینت کربن را گزینه بهتری به جای الیاف بدانند، می‌توان لمینت‌های کربن را جایگزین الیاف شیشه نمود. در این شرایط برای اتصال لمینت کربن به تیر بتنی باید از خمیر اپوکسی استفاده شود.

ویسکوزیته این خمیر بسیار بالاست و حتی در صورت اجرا در مقطع تیر، شره نمی‌کند. استحکام لمینت کربن در بعضی از شرایط نسبت به الیاف بیشتر است. با این وجود استفاده از لمینت کربن در مقاوم سازی تیر بتنی با اف آر پی صرفا یک پیشنهاد است و باید طراح مقاوم سازی بر اساس شرایط پروژه، بودجه و … نوع مصالح مورد نیاز را انتخاب کند.

تقویت برشی تیر بتنی با استفاده از الیاف FRP

خاموت‌های قرار گرفته در جهت عمود تیر، نقش تامین مقاومت برشی آن را ایفا می‌کند. به دلیل مقاومت برشی پایین بتن، اگر تیر به دلیل خاموت‌های نامناسب دارای مقاومت برشی کافی نباشد، ترک‌های برشی در محل برش بیشینه و به صورت مایل و در زاویه 45 درجه ایجاد می‌شوند. به منظور مقاوم سازی تیر بتنی با FRP، لازم است که صفحات FRP به وجه جانبی تیر چسبانده شوند، به شکلی که در راستای الیاف عمود بر محور طولی تیر یا اریب باشند.

هر چقدر زاویه بین الیاف و یا راستای عمود بر ترک‌های برشی کمتر باشد، اثر آن‌ها برای افزایش مقاومت برشی نیز افزایش پیدا می‌کنند. الیافی که برای مقاوم سازی تیر بتنی با FRP استفاده می‌شوند، می‌توانند به صورت U شکل باشند یا انکه پیرامون تیر را به طور کامل بپوشانند. به منظور تقویت برشی تیرهای بتنی با کمک الیاف FRP می‌توان از سه آرایش زیر استفاده نمود:

• در این آرایش، الیاف فقط در دو طرف تیر قرار می‌گیرند و هیچ گونه کامپوزیت frp در زیر الیاف قرار نخواهد گرفت.
• در این آرایش کامپوزیت FRP به صورت ممتد روی دو وجه جانبی و زیر تیر نصب می‌شود تا بتواند تقویت خمشی را بهبود ببخشد.
• آرایش completely wrapped الیاف در این روش به صورت دورپیچ بوده و کل سطح تیر را پوشش می‌دهد.

روش completely wrapped برای مقاوم سازی تیر بتنی با اف آر پی، بیشترین تاثیر را دارد و روش 2 sides کمترین تاثیر را در مقاوم سازی برشی تیرهای بتنی به همراه خواهد داشت.

مثال طراحی و محاسبات مقاوم‌ سازی تیر بتنی با الیاف FRP

به منظور طراحی و محاسبات مقاوم سازی تیر بتنی با FRP ضروری است که به نشریه 345 تحت عنوان «راهنمای طراحی و ضوابط اجرایی بهسازی مصالح تقویتی FRP» رجوع شود. در این نشریه، نحوه طراحی و محاسبات مقاوم سازی خمشی تیر بتنی و مقاوم سازی برشی تیر بتنی به طور کامل توضیح داده شده است. همچنین برای راهنمایی شما مهندسان، مثال محاسباتی دقیقی را برای مقاوم سازی تیر بتنی با FRP به صورت صحیح ارائه می‌کنیم.

مثال مقاوم سازی خمشی تیر بتنی

با فرض اینکه کرنش اولیه در بتن و فولاد ناچیز است، از الیاف کربنی با چسب اپوکسی برای مقاوم سازی استفاده شده است. در صورتی که شرایط محیطی ملایم و معتدل در نظر گرفته شود، محاسبه ظرفیت خمشی تیر بتن آرمه با آرماتورهای کششی و پوشش FRP به شرح زیر انجام می‌شود:

الیاف CFRP : در شرایط محیطی باید (کربن – اپوکسی)

1: محاسبه ضریب β_{1 ؛ با فرض گسیختگی آرماتورهای کششی و الیاف FRP}

2: محاسبه ارتفاع ناحیه فشاری ( تارخنثی)

3: محاسبه میزان کرنش در مصالح به منظور شکست حالت مورد نظر

4: محاسبه ظرفیت خمشی

بر اساس محاسبات بالا ظرفیت خمشی تیر بدون الیاف 158KN.m بوده و در حالت تقویت با FRP به 377KN.m افزایش یافته این رقم افزایش 43% را نشان می‌دهد.

مثال مقاوم سازی برشی تیر بتنی

ظرفیت برشی تیر بتن مسلح شده با پوشش الیاف FRP به صورت زیر محاسبه می‌شود:

محاسبه سهم بتن و فولاد از مقاومت برشی

سهم مصالح FRP از مقاومت برشی

الیاف CFRP: شرایط محیطی ملایم (کربن – اپوکسی)

بر اساس محاسبات فوق مقاومت برشی تیر بتنی پس از اعمال الیاف 25% افزایش می یابد.

نکات کلیدی اجرای مقاوم سازی تیر بتنی با FRP و کنترل کیفیت با تست Pull-off

مقاوم سازی تیر بتنی با FRP باید مطابق با اصول اجرایی و نشریه 345 انجام شود. بسته به اینکه نیاز به افزایش مقاومت خمشی تیر است، یا مقاومت برشی، استفاده از لمینت کربن یا الیاف توصیه می‌شود. در برخی از مواقع ضروری است که قبل از مقاوم سازی تیر بتنی با اف آر پی، بتن آسیب دیده تیر ترمیم شود.

در این شرایط می‌توان از ملات‌های ترمیم کننده بتن همچون ملات ترمیم کننده بتن پایه اپوکسی و پایه پلیمری اشاره کرد. سپس بر اساس اینکه مقاوم سازی خمشی یا برشی در راستای تیر نیاز است، می‌توان مراحل اجرای مقاوم سازی تیر بتنی با FRP را انجام داد.

• مقاوم سازی خمشی تیر بتنی: به منظور مقاوم سازی تیر بتنی با FRP به صورت خمشی، استفاده از لمینت کربن توصیه می‌شود. در این حال، ترکیب خمیر اپوکسی و لمینت کربن توصیه می‌شود. ولی در صورت صلاح دید مهندس، می‌توان از الیاف کربن نیز استفاده کرد که در این صورت استفاده از ژل اپوکسی FRP بیشتر توصیه می‌شود.
• مقاوم سازی برش تیر بتنی: برای مقاوم سازی تیر بتنی با اف آر پی برای افزایش مقاومت برشی، می‌توان از ترکیب الیاف کربن و ژل اپوکسی FRP استفاده نمود.
• تست Pull-off برای ارزیابی کیفیت: پس از پایان مراحل مقاوم سازی تیر بتنی با اف آر پی، ارزیابی کیفیت با تست تست Pull-off انجام می‌شود. این تست چسبندگی، استحکام و دوام سطح را با کمک تجهیزات مخصوص و نصب دو دیسک فلزی با چسب اپوکسی روی تیر بتنی، بررسی می‌کند. در صورت مناسب بودن چسبندگی، می‌توان با اطمینان بالا پروژه را به کارفرما تحویل داد.

مراحل تقویت تیر بتنی با FRP

اگرچه مراحل مقاوم سازی تیر بتنی با FRP ممکن است در هر پروژه با پروژه دیگر و به صلاح دید مهندسان متفاوت باشد؛ اما به طور کلی، روند اجرا یکسان بوده و لازم است که در هر مرحله به یک سری نکات توجه گردد:

• آماده سازی سطح تیر بتنی

هدف از تقویت تیر بتنی با FRP، ایجاد چسبندگی عالی میان تیر بتنی و کامپوزیت FRP است. بنابراین هر عاملی که این چسبندگی را تحت تاثیر قرار می‌دهد و آن را به خطر می‌اندازد، باید برطرف شود. علاوه بر این، ناصاف بودن سطح باعث ایجاد تنش‌های جداکننده شده و عملکرد کامپوزیت FRP را روی تیرهای بتنی تحت تاثیر قرار می‌دهد.

در ابتدا سطح بتن با دستگاه‌ها و تجهیزات مخصوص صاف و یکنواخت می‌شود. سپس از دستگاه‌های سنباده یا ساب زنی کمک گرفته شده و لبه‌های تیر بتنی که دارای زاویه 90 درجه هستند، با دستگاه ساییده می‌شوند تا شعاع به دست آمده از 25 میلی متری کمتر نباشد.

• مشخص کردن محل نصب کامپوزیت‌های FRP

به منظور برنامه ریزی بهتر جهت نصب و مقاوم سازی تیر بتنی با FRP، لازم است که محل نصب به طور دقیق مشخص شود تا مهندسان و نیروهای اجرایی، به صورت دقیق‌تر کامپوزیت‌ها را در جای مناسب نصب کنند.

• آماده سازی FRP و تیر برای اجرا

مراحل نهایی آماده سازی برای مقاوم سازی تیر بتنی با FRP با کمک چسب FRP یا اپوکسی انجام می‌شود. قبل از انجام این کار، باید سطوح بتن مجددا چک شوند. در صورتی که ترک خوردگی، کرموشدگی و … وجود دارند، لازم است که با بتونه کشی، مشکلات سطح را برطرف نمود. پس از آن نوبت به اجرای چسب با غلطک می‌رسد.

• اجرای چسب در سطح زیرین تیر و نصب FRP

در ابتدا لازم است که سطح چسب اپوکسی در لایه زیرین تیر با کمک غلطک اجرا شود، به طوری که کل سطح را بپوشاند. سپس الیاف FRP و لمینت فیبر کربن به اندازه مورد نیاز برش زده می‌شوند و در جهت عرضی برش تیر نصب می‌گردند.

در حین نصب الیاف کربن، ضروری است که با کاردک و یا تجهیزات مخصوص، روی سطح الیاف فشار داده شود تا چسبندگی آن تضمین شود. برای حباب گیری نیز مجددا از غلطک چسب استفاده شده و با فشار روی وجه پایینی تیر زده می‌شود تا حباب‌های سطحی که ممکن است باعث ایجاد تنش شوند، خارج گردند.

• اجرای FRP در وجه‌های طرفین

به منظور مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در وجه طرفین، نیاز است که مجددا چسب اپوکسی در محل‌های تعیین شده برای نصب کامپوزیت با غلطک اعمال شود. سپس نوارهای FRP در جای مناسب قرار گرفته و به صورت U شکل از بالا تا پایین تیر و مجددا طرف مقابل را پوشش می‌دهند. مجددا با آغشته کردن غلطک به چسب و کشیدن آن روی الیاف نصب شده، حباب زدایی انجام شده و چسبندگی آن روی تیر تضمین می‌شود.

نمونه دیتیل و نقشه اجرایی مقاوم سازی تیر بتنی با اف آر پی

نمونه دیتیل و نقشه اجرایی مقاوم سازی تیر بتنی با آر پی، شامل تمامی جزئیات مورد نظر برای اجرای صحیح این سیستم در ساختمان‌ها و سازه‌های مختلف است. به منظور طراحی نقشه اجرایی مقاوم سازی تیر بتنی با FRP، ضروری است که مهندس محاسب بر اساس نیاز سازه، ضعف بارهای وارد شده، ترک خوردگی و نیاز به تقویت خمشی یا برشی، طراحی را انجام دهد.

در نمونه نقشه اجرایی تقویت تیر بتنی با FRP می‌توانید جزئیات مقاوم سازی خمشی و برشی را به صورت مجزا مشاهده کنید. ضخامت الیاف FRP، تعداد لایه‌ها، نوع رزین اپوکسی و چسب و توصیه‌های مربوط به روش آماده سازی قید شده‌اند.

مقاوم سازی تیر بتنی به روش FRP در مقابل ژاکت بتنی و فلزی

مقاوم سازی تیر بتنی با دو روش سنتی ژاکت بتنی و فلزی به غیر از تقویت تیر بتنی با FRP نیز امکان پذیر است. مقاوم سازی با روش‌های سنتی (ژاکت بتنی و فلزی) هزینه بسیار بالا را برای اجرا و آماده سازی سطح به همراه دارد. به ویژه در روش ژاکت بتنی که به دلیل ضخامت بالای آن، نیاز به کم کردن ارتفاع سقف و تخریب آن نیز می‌باشد.

در حالی که ضخامت مقاوم سازی تیر بتنی با FRP بسیار پایین بوده و می‌توان بدون اضافه شدن وزن زیاد به سازه، آن را اجرا نمود. در جدول زیر، دید کلی برای مقاوم سازی تیر بتنی با اف آر پی و دو روش سنتی ژاکت بتنی و فولادی را مشاهده می‌کنید که هر یک دارای جزئیات متفاوتی برای اجرا هستند.

برآورد قیمت مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در پروژه‌های مقاوم سازی

یکی از دغدغه‌های مهندسان، برآورد هزینه مقاوم سازی تیر بتنی با اف آر پی است. از آنجایی که این روش نیاز به طراحی و نقشه کشی، تامین مصالح و اجرای صحیح دارد، باید حتما قیمت آن برای هر بخش به صورت مجزا برآورد شود. فاکتورهای زیادی نیز از جمله ویژگی‌های پروژه، شرایط آن، علت ضعف و … نیز می‌توانند روی هزینه مقاوم سازی تیرهای بتنی تاثیرگذار باشند. قیمت مقاوم سازی تیر بتنی با FRP بر اساس فاکتورهای زیر تعیین می‌شود:

• هزینه تست‌های موردنیاز برای تشخیص وضعیت تیر بتنی: هزینه تست‌های مورد نیاز برای تشخیص وضعیت تیر بتنی، چسبندگی، استحکام و مشکلات رایج، به صورت مجزا محاسبه می‌شوند.

• طراحی مقاوم سازی تیر بتنی به روش FRP: طراحی نقشه و برآورد مصالح مورد نیاز جهت اجرا با هزینه مجزا بوده و بر اساس متراژ، تقویت خمشی یا برشی تیر و سایر عوامل تعیین خواهد شد.

• هزینه خرید مصالح اف آر پی و اجرای مقاوم سازی تیر بتنی: هزینه خرید مصالح مورد نیاز برای مقاوم سازی تیر بتنی با FRP نیز به صورت مجزا محاسبه می‌شود. علاوه بر این، تیم اجرایی بر اساس متراژ، تعداد لایه‌های کامپوزیت FRP و سایر موارد، هزینه مربوط به دستمزد را به شما اعلام می‌کند.

قیمت مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در هر پروژه و بر اساس شرایط آن متفاوت است. از این جهت ضروری است که برای دریافت قیمت دقیق تقویت تیر بتنی با اف آر پی با کارشناسان سازند تماس بگیرید تا بر اساس شرایط پروژه شما، قیمت دقیق را اعلام کنند.

چگونه از اشتباهات رایج در تقویت تیر بتن آرمه با اف آر پی جلوگیری کنیم؟

اجرای صحیح مقاوم سازی تیر بتنی با FRP نقش حیاتی را در افزایش مقاومت و کنترل بارهای وارده دارد. با این وجود، به دلیل اینکه تقویت تیر بتنی با FRP یک روش نسبتا جدید به شما می‌رود، ابهامات زیادی را در ذهن مهندسان اجرایی و طراحی ایجاد کرده است.

در صورتی که بتوان با جلوگیری از اشتباهات رایج، مقاوم سازی تیر بتنی با FRP را انجام داد، می‌توان شاهد افزایش مقاومت خمشی، برشی، خوردگی و حتی حرارت بود و شکل پذیری تیرهای بتنی را به شدت افزایش داد. مطابق با بررسی‌های انجام شده، عمدتا مهندسان در طراحی و اجرای مقاوم سازی تیر بتنی با اف آر پی دچار اشتباهات توضیح داده شده در جدول زیر می‌شوند.

خدمات مشاوره تخصصی مقاوم سازی تیر بتنی با FRP از طراحی تا اجرای پروژه

مقاوم سازی تیر بتنی با FRP، نقش بسیار حیاتی را در افزایش مقاومت تیرهای بتنی در برابر بارهای وارده، تغییر شکل و آسیب‌های احتمالی دارد. با این وجود همچنان در بسیاری از پروژه‌ها نکات طراحی و اجرایی رعایت نمی‌شوند.

از این جهت توصیه می‌شود که کارفرمایان از خدمات مشاوره تخصصی مقاوم سازی تیر بتنی با اف آر پی مجموعه سازند از طراحی تا اجرای پروژه کمک بگیرند. در صورت نیاز به دریافت مشاوره مقاوم سازی تیر بتنی با FRP، استعلام قیمت و متره و برآورد، می‌توانید با شرکت مقاوم سازی سازند در ارتباط باشید.