FRP (اف ار پی) در لغت مخفف کلمه Fiber Reinforced Polymer به معنی پلیمرهای تقویت شده با فیبر است. FRP (اف آر پی) از دو جزء ماتریس (رزین FRP) و فیبر (الیاف FRP) تشکیل می‌شود و کاربردهای متفاوتی در صنایع مختلف و ساختمان دارد. ببیشترین کاربرد این مصالح در مقاوم سازی سازه ها، جهت ترمیم، تقویت و مقاوم سازی ساختمان‌های بتنی بوده و در صنعت کامپوزیت جهت ساخت قطعات صنایع مختلف است. الیاف FRP با قرار گرفتن و نصب بر روی سطوح بتنی از قبیل دال‌ها، تیرها، ستونها، دیوارهای بتنی و فونداسیون بتنی می‌تواند باعث افزایش مقاومت بتن شوند. همچنین این الیاف می‌تواند در ساختمان‌هایی با کاربری مسکونی، تجاری، اداری، صنعتی، تکیه‌گاه ماشین آلات و تاسیسات سنگین و همچنین سازه‌های آبی و دریایی مانند سد و کانال نیز کاربرد داشته باشند. علاوه بر این از الیاف FRP می‌توان در مقاوم‌سازی زیرساخت‌های مهندسی از قبیل پلهای جاده‌ای و ریلی، مخازن آب و مواد شیمیایی، سیلوها و برج‌های خنک کننده نیز استفاده نمود.
به صورت کلی اف آر پی ترکیبی از دو ماده است. بخش اول آن ماتریس بوده و جز دیگر آن الیاف است. ماتریس خود از برخی مواد شیمیایی مانند رزین‌های اپوکسی و پلی استر تشکیل شده است. این مواد جهت کاهش قیمت تمام شده و بهبود خواص مکانیکی و شیمیایی دارای فیلرها و افزودنی‌هایی هستند. نقش الیاف و فیبر، تامین مقاومت مکانیکی کافی در FRP است. در حالی که ماتریس نقش باربری مکانیکی ندارد و تنها باید از الیاف در مقابل خوردگی، عوامل محیطی و آسیب دیدن محافظت نماید. همچنین انتقال بار در FRP به کمک ماتریس و از طریق انتقال نیروی برشی بین فیبرها صورت می‌پذیرد. از دیگر کاربردهای ماتریس، کنترل کمانش موضعی الیاف تحت فشار است. بیشتر حجم FRP را الیاف تشکیل می‌دهند. عواملی مختلفی در بهره‌وری الیاف FRP تاثیر گذار هستند. از جمله این عوامل می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
- نوع الیاف FRP
- درصد مقدار الیاف موجود در FRP
- نحوه قرارگیری الیاف FRP
- ضریب انتقال حرارت
این عوامل در مقاومت کششی، خمشی، برشی، خستگی و مقاومت در برابر الکتریسیته بسیار موثر هستند. همچنین این عوامل در میزان قیمت تمام شده محصول نیز بسیار پر اهمیت هستند و بر خرید و فروش آن در مسائل اقتصادی تاثیر گذار هستند.
انواع FRP
ورقه های FRP
ورقه های اف ار پی، ورقه های با ضخامت چند میلیمتر از جنس کامپوزیت هستند. این ورقه ها یا لمینیت ها با چسب های مستحکم و مناسب به سطح بتن چسبانده می شوند. از ورقه های FRP جهت تعمیر و تقویت سازه های آسیب دیده (ناشی از زلزله و یا ناشی از خوردگی آب های یون دار) استفاده می شود. لمینیت FRP از لحاظ شکل پذیری می‌تواند به صورت صفحات منعطف و سخت باشد. صفحات FRP منعطف خاصیت شکل پذیری بالایی دارند و می‌توانند در شعاع های کم خم شوند. صفحه های سفت در ضخامت های زیاد تولید می شوند و بر خلاف سایر ورقه ها، شکل پذیر نیستند و در عرض‌های مختلف یافت می‌شوند.
همان طور که اشاره شد الیاف FRP (اف ار پی) مصالحی پارچه ای هستند که فیبر های آن در یک جهت یا دو جهت قرار دارند. جنس فیبرها می‌تواند از جنس کربن و یا شیشه باشد که الیاف بافته شده از آن ها به الیاف شیشه GFRP و الیاف کربن CFRP معروف هستند. از روی هم گذاشتن چند لایه الیاف FRP و آغشته کردن آن ها به رزین و فشرده کردن آن ها برای رسیدن به مقاومت و ضخامت های مورد نیاز، ورقه های FRP تشکیل می شوند. ورقه های FRP با چسب اپوکسی به سطوح مورد نظر بتنی و فولادی می چسبند و باعث افزایش مقاومت المان های باربر می شوند. از ورقه های FRP در اکثر مواقع برای مقاوم سازی و بهسازی ساختمان ها در پروژه های مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای سازه ها استفاده می‌شود.
کابل، نوار، تاندون‌های پیش تنیدگی FRP
کابل های FRP محصولات شبیه میله های FRP، ولی به صورت انعطاف پذیر هستند که در سازه های کابلی و بتنی پیش تنیده در محیط های دریایی و خورنده کاربرد فرآوان دارند. این محصولات در اجزای پیش تنیده در مجاورت آب نیز به کار گرفته می‌شوند.
میلگردهای FRP
فولادها به طور مختصر در مقابل خوردگی به وسیله محیط قلیایی بتن محافظت می‌شوند اما خیلی از سازه هایی که در محیط های مهاجم از قبیل سازه های دریایی، پلها و پارکینگ‌ها که در معرض عوامل مهاجم قرار می‌گیرند ترکیب رطوبت، افزایش دما و محیط کلریدی،خواص قلیایی بتن را کاهش می دهد و سبب خوردگی فولادها می‌شود. به همین خاطر امروزه از میلگردهای ساخته شده با مواد پلیمری FRP در این سازه ها استفاده می کنند. به دلیل اینکه میلگردهای اف ار پی برای یک رفتار غیر شکل‌پذیر می باشند لذا موارد استفاده این میلگردها محدود به سازه‌های می‌شود که مهمترین مشکل آنها خوردگی یا مشکلات الکترومغناطیسی می‌باشد. میلگردهای فولادی دارای رفتاری تقریباً همسانگرد می باشند ولی میلگردهای FRP به بتن تاثیر می‌گذارد. مصالح FRP برخلاف مصالح فولادی رفتار الاستیک خطی از خود نشان می‌دهند.
شبکه کامپوزیتی FRP
شبکه کامپوزیتی FRP از دیگر محصولات کامپوزیتی هستند که از برخورد میله‌های اف ار پی در دو جهت و یا سه جهت ایجاد می‌شوند. نمونه ای از این محصولات شبکه کامپوزیتی Nefmac است که از فیبرهای کربن، شیشه ای و یا آرمید و رزین اپوکسی، وینیل استر و یا پلی استر تولید می‌شود و برای مسلح کردن بتن مناسب است. گریتینگ FRP نیز که به روش سیستم قالبی (Modled) حرارتی تولید می‌شود در صنایع و اکثر کارخانجات دارای مواد خورنده کاربرد دارند.
پروفیل‌های ساختمانی FRP
مصالح FRP همچنین در شکل پروفیل های ساختمانی به صورت I شکل، T شکل، نبشی و ناودانی و به روش پالتروژن (Pultrusion) تولید می‌شوند. در این روش دسته‌هایی از فیبر یا نخ یا رشته های FRP پس از آغشته شدن با رزین از یک قالب عبور کرده و در کنار هم قرار گرفته و یک پروفیل دارای مقطع ثابت را به وجود می‌آورند. از عمده‌ترین مزایای روش پالتروژن چند منظوره 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 میلگردها و آرماتورهای اف ار پی، محصولات گوناگون دیگری در حوزه‌های مختلف از جمله تسمه‌های ماشین نساجی، ریل ها، محافظ اتوبان ها یا گارد ریل، چارچوب پنجره‌ها و درها، تیرهای با مقطع I شکل، نبشی‌ها و غیره تولید نمود. عمر مفید و دوام 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؛ ویژگی هایی مانند مقاومت بالا در برابر خوردگی و زلزله و دوام آن می‌تواند توجیه کننده 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. لذا محصولات پروفیل FRP می‌توانند جایگزین بسیار مناسبی برای قطعات و سازه‌های فولادی تلقی شوند.
تاریخچه FRP
به علت نیاز روزافزون به استفاده از مواد مرکب و ترکیبی برای دستیابی به خواص و عملکردهای مطلوب استفاده از مصالح کامپوزیت به طور قابل توجهی در صنعت ساختمان رو به رشد بوده و با سرعت فوق‌العاده در حال توسعه می‌باشد. اولین تحقیقات انجام شده در این زمینه از اوایل دهه ۱۹۸۰ آغاز شد. اما زلزله‌های سال ۱۹۹۰ کالیفرنیا و ۱۹۹۵ کوبه ژاپن عامل مهم ومؤثری جهت بررسی همه‌جانبه کاربرد کامپوزیت های پلیمری ساخته شده از الیاف اف ار پی (FRP) جهت تقویت و مقاوم‌سازی سازه بتنی و بنایی در مناطق زلزله خیز گردید. این مطالعات که دامنه و وسعت آن روز به روز در حال افزایش است زمینه‌ای وسیع جهت استفاده از این کامپوزیت‌ها را در سازه‌های نیازمند به تقویت، بهسازی و یا ترمیم فراهم نموده است. هم اکنون تعداد زیادی از محققان و پژوهشگران صنعت سازه در سراسر جهان در حال بررسی، مطالعه و انجام آزمایش‌های تقویت سازه‌ها با کامپوزیت‌های FRP می‌باشند.
مزایای استفاده از ورقه های FRP :
- وزن کم FRP
- طول آزاد FRP
- ضخامت بسیار کم الیاف FRP
- حمل و نقل بسیار ساده
- اجرای ساده ورقه های FRP
- مقاومت های کششی وحتی فشاری بالا
- مقاومت خستگی در خور توجه
- خوردگی در حد صفر
- مقاومت بسیار زیاد در محیط های قلیایی
- سطح اجرا شده بسیار تمیز بعد از اجرا
دوام کامپوزیت‌های FRP
دوام کامپوزیت‌های FRP در کنار مقاومت بالای این مصالح، دلیل اصلی کاربرد آن ها در مقاوم سازی و تقویت سازه شده است. در مجموع در کنار پارامتر مقاومت، پارامتر دوام مصالح اف ار پی بسیار اهمیت دارد.
عوامل اثر گذار بر دوام الیاف FRP عبارتند از:
-تغییرات شیمیایی یا فیزیکی ماتریس پلیمر
-از دست رفتن چسبندگی بین الیاف و ماتریس
-کاهش مقاومت و سختی الیاف
محیط نقش کاملاً تعیین کننده‌ای در تغییر خواص FRP ها دارد. ماتریس و الیاف 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 قلیا‌ها تحت ثأثیر قرار گیرند. همچنین تغییرات تکراری دما ممکن است به صورت سیکل‌های یخ‌زدن و ذوب شدن، تغییراتی را در ماتریس و الیاف FRP ایجاد کند. 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.
تأثیر رطوبت بر FRP
بسیاری از کامپوزیت‌های با ماتریس پلیمری در مجاورت هوای مرطوب و یا محیط‌های مرطوب، با جذب سطحی سریع رطوبت و پخش آن، رطوبت را به خود می‌گیرند. معمولاً درصد رطوبت ابتدا با گذشت زمان افزایش یافته و نهایتاً پس از چندین روز تماس با محیط مرطوب، به نقطه اشباع (تعادل) می‌رسد. زمان رسیدن کامپوزیت به نقطه اشباع به ضخامت کامپوزیت و میزان رطوبت محیط بستگی دارد. خشک کردن کامپوزیت می‌تواند این روند را معکوس کند، اما ممکن است منجر به حصول کامل خواص اولیه نگردد. جذب آب به وسیله کامپوزیت از قانون عمومی انتشار فیک (Fick’s Law) تبعیت کرده و با جذر زمان متناسب است. از طرفی سرعت دقیق جذب رطوبت به عواملی همچون میزان خلل و فرج، نوع الیاف، نوع رزین، جهت و ساختار الیاف، درجه حرارت، سطح تنش وارده، و حضور ریزترک ها بستگی دارد.
ضرورت کاربردFRP
استفاده از کامپوزیت های FRP در بهسازی و مقاوم سازی سازه های بتن آرمه در سال های گذشته بسیار زیاد شده است. که دلیل اصلی آن نیاز به افزایش عمر بهره برداری و ارتقای اساسی زیر ساخت ها می باشد. از ویژگی های اصلی کامپوزیت های پلیمری می توان مقاومت مناسب در برابر خوردگی ، سادگی اجرا در محل نصب و سبکی آن برشمرد. عامل دیگر در گسترش کاربری مصالح FRP کاهش قیمت این مصالح می باشد. شاید یک دهه قبل استفاده از کامپوزیت های FRP روشی لوکس و گران قیمت بنظر می رسید ولی اکنون قیمت این مصالح به مراتب تنزل نموده است.
بعد از جنگ جهانی دوم از FRP (اف ار پی) در ساخت تجهیزات الکتریکی بدلیل مقاومت کششی و فشاری بالا و قابلیت نارسایی الکتریکی بالا مورد استفاده قرار گرفت و امروزه کاربردهای مختلف آن در تولیدات خانگی چون نردبان ، کانال های تهویه و ریل ها به وضوح قابل ملاحظه است. بطور کلی می‌توان گفت اف ار پی کاربردهای زیادی در زمینه های مختلف چون خودروسازی ، الکترونیک ، پزشکی ، هوا فضا و ساختمان سازی دارد.
بسیاری از سازه های بتن آرمه موجود در دنیا در اثر تماس با سولفات ها ، کلریدها و سایر عوامل خورنده دچار آسیب های اساسی شده اند. این مسئله هزینه های زیادی را برای تعمیر ، بازسازی و یا تعویض سازه های آسیب دیده در سراسر دنیا موجب شده است. این مسئله و عواقب آن گاهی نه تنها بعنوان یک مسئله مهندسی بلکه بعنوان یک مسئله اجتماعی جدی تلقی شده است. تعمیر و جایگزینی سازه های بتنی آسیب دیده میلیونها دلار خسارت در دنیا به دنبال داشته است. در آمریکا بیش از ۴۰ % پلها در شاهراهها نیاز به تعویض یا بازسازی دارند. هزینه بازسازی و یا تعمیر سازه های پارکینگ در کانادا ۴ تا ۶ میلیارد دلار برآورد شده است. هزینه تعمیر پلهای شاهراهها در آمریکا نزدیک به ۵۰ میلیارد دلار تخمین زده شده است. در حالیکه برای بازسازی کلیه سازه های بتن آرمه آسیب دیده در آمریکا در اثر مسئله خوردگی میلگردها پیش بینی شده که به بودجه نجومی ۳-۱ تریلیون دلار نیاز است .
یک سازه بتن آرمه معمولی که به میلگردهای فولادی مسلح است چنانچه به مدت طولانی در این شرایط قرار گیرد قسمتی از مقاومت خود را از دست می دهد. بعلاوه فولادی که در داخل بتن زنگ می زند ، بر بتن اطراف خود فشار آورده و باعث خرد شدن آن و ریختن پوسته بتن میگردد. تاکنون تکنیکهایی جهت جلوگیری از خوردگی فولاد در بتن آرمه توسعه داده شده و بکار رفته است که در این ارتباط می توان به پوشش میلگردها توسط اپوکسی ، تزریق پلیمر به سطح بتن اشاره نمود. با این وجود هر یک از این روشها تا حدودی و فقط در بعضی از زمینه ها موفق بوده اند. به همین منظور به جهت حفظ کامل خوردگی میلگردها توجه محققین و متخصصین بتن آرمه به حذف کامل فولاد و جایگزینی آن با مواد مقاوم در مقابل خوردگی معطوف شده است.
در همین راستا کامپوزیت های FRP (پلاستیک های مسلح به الیاف) از آنجا که به شدت در مقابل خوردگی مقاوم هستند، یک جانشین مناسب برای فولاد در بتن آرمه بخصوص در سازه های ساحلی و دریایی گردیده است.
لازم بذکر است که گرچه مزیت اصلی میلگردهایی از جنس FRP مقاومت آنها در مقابل خوردگی است، با این وجود خواص دیگر کامپوزیت های FRP نظیر مقاومت کششی بسیار زیاد ( تا ۷ برابر فولاد )، مدول الاستیسیته قابل قبول،وزن کم، مقاومت خوب در مقابل خستگی و خزش، عایق بودن در مقابل امواج مغناطیسی و چسبندگی خوب با بتن مجموعه ای از خواص مطلوب را تشکیل می دهد که به جذابیت کاربرد FRP در بتن آرمه افزوده اند. اگر چه بعضی از مشکلات مربوط به خم کردن آنها و نیز رفتار کاملا خطی آنها تا نقطه شکست مشکلاتی را از نظر کاربرد موجب شده اند.
برخی از موارد کاربرد FRP به اختصار
- افزایش ظرفیت باربری و شکل پذیری ستونها، تیرها، دال ها و اتصالات بتن آرمه
- تقویت مخازن فولادی و بتنی
- تقویت سازه های ساحلی و دریایی
- تقویت سازه های مقاوم در برابر انفجار
- تقویت تیر و ستون های چوبی
- تقویت دودکش های بتن آرمه با مصالح بنایی
- تقویت دیوارهای بتن آرمه
- تقویت دیوار تونل ها
- تقویت لوله های بتنی یا فولادی
- تقویت دیوارهای آجری و مصالح سنتی
- ساخت دیوارهای ساحلی
- سقف های پشت بام های صنعتی
- نشیمنگاه تجهیزات راکتورها
- سیستم دال کف در محیط های خورنده شیمیایی
- مرمت و تقویت سازه های مهمی چون بیمارستان‌ها آثار باستانی و غیره
مقالات مشابه با این مقاله:
نقش مدل‌سازی اطلاعات ساختمان(-BIM بیم) در کاهش ایجاد تعارضات و تأخیرات پروژه‌های عمرانی
