میلگرد کامپوزیت(FRP) چیست؟

 میلگرد کامپوزیت

بیش از یک قرن است که در صنعت ساختمان از میلگرد های فولادی جهت مسلح کردن اعضای سازه های بتنی استفاده شده است. میلگردهای فولادی علی رغم ویژگی های کاربردی منحصر به فرد خود، به شدت دستخوش شرایط محیطی خشن (رطوبت بالا، محیط های بسیار سرد یا گرم، شرایط قلیایی یا اسیدی، نمک های موجود در هوا و غیره) قرار می گیرند و از این رو به شدت پتانسیل آسیب های ناشی از خوردگی را بالا می‌برد. حال اینکه عدم توجه به چنین مساله ای می تواند مشکلات مصیبت باری را از نقطه نظر کاربرد این میلگرد ها به عنوان تقویت کننده های سازه های بتنی پیش روی مهندسان و طراحان حوزه عمران و ساختمان سازی قرار دهد.

رای رویارویی با مشکلات این چنینی تلاش هایی در راستای طراحی و ساخت میلگردهای جدید با خواص بهتر تر انجام گرفته است که در نیتیجه به پیدایش میلگرد های FRP (میله های کامپوزیتی پلیمری تقویت شده با الیاف) انجام شده است. ویژگی های خاص از قبیل امکان استفاده از الیاف با کارایی بالا به عنوان جزء تقویت کننده ساختاری متناسب با حوزه کاربری نهایی مورد نظر و همچنین کاهش وزن نهایی سازه در عین استحکام بسیار بالا، سبب گسترش حوزه های کاربردی این نوع میله های کامپوزیتی شده است.

مشکل خوردگی میلگرد در سازه های بتنی

سازه های بتنی قدیمی، به طور معمول با فولاد پیش تنیده و یا فولاد غیر تنیده مسلح می شوند. پدیده خوردگی نسبتا کم در جزء فولادی یک سازه بتنی به واسطه وجود اثر قلیایی بتن، دوام عملکرد سازه را تحت تاثیر قرار می دهد. مقایسه رفتار مکانیکی سازه های بتنی قرار گرفته در معرض محیط های مهاجم از قبیل پل های احداث شده روی سطح دریاها و یا پارکینگ هایی که در معرض محیط حاوی نمک های یخ زدا قرار دارند، حاکی از آن است که ترکیب سه عامل رطوبت، افزایش دما و محیط کلریدی اثر قلیایی بتن را کاهش می دهد و در نتیجه سبب خوردگی فولادهای پیش تنیده و میلگردهای حاصل از آن می شود. فرایند خوردگی، در نهایت نیز تخریب کل سازه بتنی را موجب می گردد و قابلیت خدمت پذیری عضو را به شدت کاهش می دهد.

برای حل مشکل خوردگی در این دسته از سازه ها، متخصصان به سمت استفاده از میلگردهایی با پوشش اپوکسی به عنوان جایگزینی مناسب برای میلگرد های معمولی روی آوردند، حال آن که در برخی از موارد کاربردی، اثر بخشی استفاده از میلگردهای پوشش دار در ترمیم استحکام سازه های بتنی، به طوری که مشکل خوردگی فولاد را به طور کامل حل کند همچنان مورد بحث است. در راستای بهبود مقاومت و افزایش استحکام مکانیکی سازه های بتنی، استفاده از مصالح FRP (پلیمرهای تقویت شده با الیاف) جایگاه ویژه ای را به خود اختصاص داده است.

مواد تشکیل دهنده میلگرد FRP

یک FRP در حقیقت نوعی ماده ترکیبی حاصل از الیاف با کارایی بالا است که در بستری از رزین پلیمری جایگذاری شده باشد. این مواد از نظر الکترومغناطیسی عایق هستند و مشکل خوردگی ندارند از این رو بکارگیری چنین موادی در تقویت سازه های بتنی، مشکل خوردگی آن ها را نیز تا حد زیادی برطرف خواهد کرد. علاوه بر این وجود خصوصیات برتری از قبیل مقاومت کششی بالا در سازه های FRP استفاده از آن ها را به عنوان جزء مسلح کننده سازه های بتنی مناسب می سازد.

رفتار میلگرد های FRP کاملا متفاوت از میلگردهای فولادی است. بر این اساس فلسفه طراحی ساختمان های بتنی با استفاده از میلگردهای FRP نیز دارای تغییرات زیادی نسبت به میلگردهای فولادی خواهد بود. رفتار ناهمسانگرد میلگردهای FRP از نقطه نظر مقاومت برشی و همچنین وجود چسبندگی مابین این نوع میلگردها، خواص مکانیکی بتن را تحت تاثیر قرار می دهد. به علاوه مصالح FRP دارای رفتار الاستیک خطی می باشند و مانند فولاد به مرحله پلاستیک وارد نمی شوند.

مجموعه این عوامل، منجر می شود تا طراحی مصالح FRP متناسب با نوع کاربردی نهایی، از نقطه نظر شکل ظاهری و عملکرد فنی قابل قبول، با مشکلاتی مواجه گردد. روش های به کار گرفته شده در طراحی سازه های مسلح با میلگرد های FRP باید به گونه ای تدوین شوند که محدودیت شکل پذیری این سازه ها را نیز به نحوی موثر برطرف سازند. در این راستا محققان و پژوهشگران کشورهایی نظیر ژاپن، کانادا و آمریکا توانسته اند روش های خاصی را برای طراحی و توسعه این دسته از سازه های تقویت شده ایجاد کنند.

اهداف کاربردی تقویت کننده های FRP

قبل از مسلح کردن یک سازه بتنی با تقویت کننده میله ای FRP، لازم و ضروری است که خصوصیات جزء تقویت کننده به طور دقیق ملاحظه و ارزیابی گردد تا بتوان قابلیت کاربردی متناسب با مورد مصرف نهایی و سازگار با نظر طراح را فراهم ساخت. مقاومت طبیعی در مقابل خوردگی برای سازه های بتنی مسلح شده با میلگردهای FRP یک فایده بزرگ برای سازه هایی است که در معرض شدید خوردگی قرار دارند، از قبیل سازه های دریایی، عرشه پل ها و همچنین سازه هایی که در معرض محیط های حاوی نمک یخ زدا هستند. در بخش هایی ام آر آی یا سایر تجهیزات حساس به میدان های الکترومغناطیس ، خاصیت غیرمغناطیس بودن FRP مزایای فراوانی را به دنبال دارد.

عدم شکل پذیری میلگرد های FRP علی رغم برخورداری از خواص غیر مغناطیسی سبب می شود تا این نوع از میله های تقویت کننده بیشتر در کاربردهایی مورد استفاده قرار گیرند که در برابر مشکلاتی نظیر خوردگی یا اثرات الکترومغناطیسی به شدت آسیب پذیر هستند. یک نکته قابل توجه در استفاده از میلگردهای FRP این است که نباید به داده های مربوط به مقاومت فشاری آن تکیه کرد. اطلاعات حاضر نشان می دهند که مدول فشاری میلگردهای میلگردهای FRP کمتر از مدول کششی آن هاست.

اثر ترکیبی رفتارهای مکانیکی در رابطه با میلگردهای FRP و نیز پایین بودن مدول آن ها در مقایسه با فولاد، سبب می گردد تا بیشترین سهم تنش فشاری محاسبه شده برای FRP در حالت شکست سازه بتنی تحت فشار ، مقداری نسبتا کوچک باشد، از این رو میلگرد های FRP نباید به عنوان مسلح کننده ستون ها یا سایر اعضای تحت فشار، استفاده شوند. همچنین این قطعات را نباید به عنوان میلگرد فشاری در تقویت عضوهایی به کار گرفت که تحت تاثیر نیروهای خمشی هستند.

توجه به این نکته الزامی است که استفاده از میلگرد FRP، به علت امکان تغییر در نحوه بارگذاری و جابجایی لنگر خمشی حین بارگذاری، می توانند عملکرد قابل قبولی را به ویژه در برابر نیروهای فشاری ارائه می دهند. اگرچه از مقاومت فشاری میلگرد FRP باید صرف نظر نمود ولی همچنان تحقیقات بیشتری در این زمینه لازم به نظر می رسد.