مقاوم‌ سازی سازه‌ های بتن‌ آرمه با FRP بر اساس ACI 440 2R و FEMA 547

ضرورت مقاوم‌ سازی سازه‌ های بتن‌ آرمه موجود

در مهندسی عمران امروز، نگهداری، ترمیم و مقاوم‌سازی سازه‌های موجود به اندازه طراحی سازه‌های جدید اهمیت دارد. بسیاری از ساختمان‌های بتن‌آرمه، به‌ویژه آن‌هایی که پیش از تدوین آیین‌نامه‌های لرزه‌ای مدرن طراحی شده‌اند، دارای ضعف‌هایی نظیر کمبود خاموت در ستون‌ها، جزئیات نامناسب اتصالات تیر–ستون، ظرفیت برشی ناکافی و شکل‌پذیری محدود هستند. علاوه بر آن، عواملی نظیر خوردگی آرماتورها، افزایش بارگذاری بهره‌برداری، تغییر کاربری ساختمان و آسیب‌های ناشی از زلزله نیز می‌توانند عملکرد سازه‌ای را کاهش دهند.

در این میان، استفاده از پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف (Fiber Reinforced Polymer – FRP) به عنوان یکی از مؤثرترین روش‌های نوین مقاوم‌سازی مطرح شده است. این سیستم‌ها به‌ویژه در شرایطی که محدودیت فضا، وزن، زمان اجرا یا تداوم بهره‌برداری وجود دارد، جایگزینی مناسب برای روش‌های سنتی مانند ژاکت بتنی یا فولادی محسوب می‌شوند. چارچوب طراحی و اجرای این سیستم‌ها در آیین‌نامه ACI 440.2R ارائه شده و گزارش FEMA 547 نیز کاربرد آن‌ها را در بهسازی لرزه‌ای تشریح می‌کند.

معرفی سیستم‌های FRP و ویژگی‌های مکانیکی آن‌ها

 FRP ترکیبی از دو جزء اصلی است:

• الیاف تقویت‌ کننده )کربن، شیشه یا آرامید(
• ماتریس پلیمری )معمولاً رزین اپوکسی(

الیاف وظیفه تحمل بارهای کششی را بر عهده دارند و رزین نقش انتقال تنش و محافظت از الیاف را ایفا می‌کند. از میان انواع مختلف، CFRP به دلیل مدول الاستیسیته و مقاومت کششی بالا، کاربرد گسترده‌تری در مقاوم‌سازی لرزه‌ای دارد.

از دیدگاه مکانیکی، FRP رفتاری الاستیک خطی تا نقطه شکست دارد و فاقد ناحیه تسلیم پلاستیک مشابه فولاد است. بنابراین:

• کرنش نهایی برابر با کرنش شکست است.
• رفتار آن ترد بوده و طراحی باید به‌گونه‌ای انجام شود که شکست کنترل‌شده و غیرترد در عضو حاکم شود.

مطابق ACI 440.2R، در طراحی از کرنش مؤثر FRP استفاده می‌شود که کمتر از کرنش نهایی اسمی است تا از پدیده جداشدگی (Debonding) جلوگیری شود. همچنین ضرایب کاهش مقاومت و ضرایب محیطی برای شرایط خورنده، رطوبت و دمای بالا اعمال می‌گردد.

مزایای مقاوم‌ سازی سازه‌ های بتن‌آرمه با FRP

استفاده از FRP نسبت به روش‌های سنتی دارای مزایای متعددی است:

• نسبت مقاومت به وزن بسیار بالا و عدم افزایش قابل توجه جرم لرزه‌ای سازه
• مقاومت عالی در برابر خوردگی و عوامل شیمیایی
• سرعت اجرای بالا و حداقل اختلال در بهره‌برداری ساختمان
• امکان اجرا روی سطوح پیچیده هندسی
• افزایش دوام و کنترل رشد ترک‌ها

این ویژگی‌ها سبب شده FRP به‌عنوان یکی از راهکارهای اصلی بهسازی لرزه‌ای سازه‌های موجود مطرح شود.

نقش FRP در بهسازی لرزه‌ای سازه‌ ها

هدف اصلی بهسازی لرزه‌ای، افزایش ظرفیت باربری جانبی، شکل‌پذیری و جذب انرژی و جلوگیری از گسیختگی‌های ترد است. FRP از طریق سه مکانیسم اصلی این اهداف را محقق می‌سازد:

1. افزایش ظرفیت خمشی اعضا
2. افزایش ظرفیت برشی
3. محصورسازی بتن در ستون‌ها

گزارش FEMA 547 تأکید می‌کند که استفاده از FRP می‌تواند سطح عملکرد سازه را تا سطوح Life Safety  و حتی Collapse Prevention   ارتقاء دهد، مشروط بر آنکه طراحی بر اساس رویکرد مبتنی بر عملکرد انجام شود.

تقویت خمشی تیرها و دال‌های بتن‌آرمه با FRP

یکی از رایج‌ترین کاربردهای FRP، افزایش ظرفیت خمشی تیرهای بتن‌آرمه است. در این روش، ورق یا نوارهای FRP در ناحیه کششی عضو (معمولاً زیر تیر) نصب می‌شوند و نقش آرماتور کششی اضافی را ایفا می‌کنند.

در طراحی خمشی طبق ACI 440.2R:

• تعادل نیرو بین بتن فشاری، فولاد کششی و FRP برقرار می‌شود.
• کرنش FRP از سازگاری تغییرشکل‌ها تعیین می‌گردد.
• باید اطمینان حاصل شود که شکست به صورت خردشدگی بتن یا تسلیم فولاد رخ دهد، نه پارگی یا جداشدگی FRP.

مودهای شکست شامل:

• خردشدگی بتن پیش از گسیختگی FRP
• پارگی FRP
• جداشدگی FRP از سطح بتن

کنترل طول مهاری و تنش چسبندگی برای جلوگیری از جداشدگی اهمیت ویژه دارد.

تقویت برشی اعضای بتن‌آرمه با FRP

در بسیاری از سازه‌های قدیمی، ظرفیت برشی اعضا ناکافی است و شکست برشی می‌تواند به‌صورت ترد و ناگهانی رخ دهد. FRP با آرایش‌های مختلف می‌تواند این ضعف را برطرف کند:

• U-wrap
• دوطرفه
• دورپیچ کامل

ظرفیت برشی کل عضو مطابق رابطه زیر محاسبه می‌شود:

Vn=Vc+Vs+Vf

که در آن:

• Vc سهم بتن
• Vs سهم فولاد عرضی
• Vf سهم FRP

که در آن سهم FRP با توجه به زاویه الیاف، ضخامت مؤثر، مدول الاستیسیته و کرنش مؤثر تعیین می‌شود.

در بهسازی لرزه‌ای، افزایش ظرفیت برشی از تشکیل مکانیزم‌های ترد جلوگیری کرده و امکان توسعه مفصل پلاستیک خمشی را فراهم می‌کند.

محصورسازی ستون‌ های بتن‌آرمه و افزایش شکل‌ پذیری

محصورسازی ستون‌ها یکی از مؤثرترین کاربردهای FRP در بهسازی لرزه‌ای است. در ستون‌های با خاموت ناکافی، بتن هسته سریعاً خرد شده و میلگردهای طولی کمانه می‌کنند.

پیچیدن FRP به دور ستون باعث ایجاد فشار جانبی محصورکننده می‌شود که:

• مقاومت فشاری بتن را افزایش می‌دهد.
• کرنش نهایی بتن را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.
• شکل‌پذیری و ظرفیت جذب انرژی را بهبود می‌بخشد.

طبق ACI 440.2R مقاومت بتن محصورشده تابعی از فشار جانبی ایجادشده توسط FRP است. FEMA 547 نیز این روش را یکی از کارآمدترین تکنیک‌های افزایش ظرفیت تغییرمکان و کنترل دریفت در سازه‌های موجود معرفی می‌کند.

تقویت اتصالات تیر–ستون با FRP

اتصالات قدیمی غالباً فاقد خاموت عرضی کافی هستند. استفاده از FRP در اطراف ناحیه اتصال موجب افزایش مقاومت برشی گره ، بهبود محصورسازی و کنترل ترک‌های قطری می‌شود. این روش به دلیل کم‌تخریب بودن، در پروژه‌های بهسازی ساختمان‌های بهره‌برداری‌شده بسیار کاربردی است.

ملاحظات اجرایی و کنترل کیفیت در سیستم‌های FRP

عملکرد سیستم FRP وابستگی مستقیم به کیفیت اجرا دارد. مهم‌ترین مراحل اجرایی عبارت‌اند از:

آماده‌سازی سطح

 این مرحله شامل حذف لایه‌های سست و آلودگی‌ها و سپس ایجاد زبری مناسب بر روی سطح و د نهایت ترمیم ترک های عمیق می باشد

نصب الیاف و رزین

در این مرحله باید موارد زیر را مد نظر قرار داد .

• اشباع کامل الیاف با رزین اپوکسی
• کنترل جهت‌گیری الیاف
• جلوگیری از ایجاد حباب هوا

کنترل کیفیت

پس از مقاوم سازی با FRP  باید ضمن بازرسی چشمی برای تشخیص جداشدگی ، ضخامت و یکنواختی لایه ها کنترل شود و همچنین با استفاده از آزمایش Pull-off چسبندگی الیاف به سازه بررسی شود.

لازم به توضیح است شرایط محیطی مانند دما و رطوبت باید در محدوده توصیه‌شده باقی بماند.

مزایا و محدودیت‌های FRP در بهسازی لرزه‌ای

از مزایای استفاده از FRP در بهسازی لرزه ای می توان موارد زیر را نام برد

• عدم افزایش جرم لرزه‌ای
• نسبت بالای مقاومت به وزن
• سرعت اجرا
• مقاومت در برابر خوردگی
• مناسب برای فضاهای محدود
• کارایی در شکل‌های هندسی پیچیده
• افزایش دوام سازه

هرچند که استفاده از FRP دارای مزیت های زیادی است باید محدودیت های استفاده از آن  را نیز مد نظر قرار داد . از جمله محدودیت ها به هزینه اولیه بالاتر نسبت به مصالح سنتیو وابستگی شدید به کیفیت اجرا  اشاره نمود.

FEMA 547 توصیه می‌کند اثرات خزش رزین، رفتار چرخه‌ای و شرایط بلندمدت در تحلیل لرزه‌ای لحاظ شوند.

طراحی مبتنی بر عملکرد در مقاوم‌سازی با FRP

در رویکرد مبتنی بر عملکرد، هدف دستیابی به سطوح عملکرد مشخص نظیر:

• Immediate Occupancy
• Life Safety
• Collapse Prevention

استفاده از FRP می‌تواند ظرفیت دوران پلاستیک ستون‌ها را افزایش داده، برش طبقه را تقویت کرده و از تشکیل مکانیزم طبقه نرم جلوگیری کند. برای ارزیابی دقیق اثر FRP، انجام تحلیل‌های غیرخطی مانند Push-over   توصیه می‌شود.

نتیجه‌ گیری و جمع بندی نهایی

در تکمیل مباحث ارائه‌شده درباره طراحی و اجرای صحیح سیستم‌های FRP مطابق الزامات ACI 440.2R و رویکرد عملکردی FEMA 547، انتخاب مصالح استاندارد و سازگار با شرایط محیطی نقش تعیین‌کننده‌ای در دستیابی به رفتار مطلوب لرزه‌ای دارد. در این راستا، شرکت آبادگران به‌عنوان یکی از تولیدکنندگان تخصصی مواد شیمیایی ساختمان، بسته‌های کامل مقاوم‌سازی با FRP را متناسب با شرایط اقلیمی مختلف ارائه می‌کند. این سیستم‌ها شامل الیاف کربن با مقاومت و مدول بالا نظیر ABA WRAP-C305-FP  و به همراه چسب‌ها و رزین‌های اپوکسی تخصصی سری  ABABOND FRPاز جمله    ABABOND FRP-H25 و ABABOND FRP-C5 هستند که برای اشباع مناسب الیاف، تأمین چسبندگی مطلوب به بستر بتن و کنترل رفتار جداشدگی طراحی شده‌اند. این بسته‌ها با در نظر گرفتن الزامات اجرایی، دمای محیط، زمان کارپذیری و مقاومت نهایی، امکان اجرای سیستم‌های تقویت خمشی، برشی و محصورسازی ستون‌ها را مطابق ضوابط آیین‌نامه‌ای فراهم می‌سازند و می‌توانند در پروژه‌های بهسازی لرزه‌ای با حداقل افزایش وزن و حداکثر کارایی سازه‌ای مورد استفاده قرار گیرند.

سوالات متداول مقاوم‌ سازی سازه‌ های بتن‌ آرمه با FRP

1. مطابق استاندارد ACI 440.2R چگونه کرنش موثر FRP در طراحی تعیین می شود و چه عواملی بر محدود کردن آن تاثیر دارند؟
   در ایین ACI 440.2R، کرنش مورد استفاده در طراحی برابر با کرنش نهایی اسمی FRP نیست، بلکه از مقدار کرنش موثر (Effective Strain) استفاده می شوند. دلیل این موضوع آن است که در بسیاری از موارد، قبل از رسیدن FRP به کرنش شکست اسمی، پدیده هایی مانند جداشدگی از سطح (Debonding) با تمرکز تنش در انتهای ورق رخ می دهد.
   کرنش موثر معمولا به صورت درصدی از کرنش نخایی الیاف تعریف می شود و با توجه به نوع تقویت (خمشی، برشی یا محصورسازی)، نحوه مهار انتهایی، کیفیت بستر بتن و شرایط اجرایی محدود می گردد. مهم ترین عوامل موثر در محدود سازی کرنش عبارتند از:

• مقاومت کششی و کیفیت سطح بتن
• طول مهاری و جزئیات انتهایی FRP
• نوع الیاف (کربن، شیشه، آرامید) و مدول الاستیسیته آن
• شرایط محیطی (رطوبت، دما، محیط خورنده)
• ظریب کاهش محیطی محیطی (Environmental Reduction Favtor)
• نوع مود شسکت حاکم (پارگی FRP یا جداشدگی)

بنابراین در طراحی، مقدار کرنش FRP به گونه ای انتخاب می شود که شکست کنترل شده و غیر ترد در عضو (مانند خردشدگی بتن یا تسلیم فولاد) قبل از پارگی یا جداشدگی FRP رخ دهد.

2. بر اساس FEMA 547، استفاده از FRP چکونه می تواند سطح عملکرد لرزه ای سازه را اتقاء دهد؟
   گزارش FEMA 547 رویکردی مبتنی بر عملکرد (Performance-Based Design) دارد و هدف آن رساندن سازه به سطوح عملکردی مشخص شامل:

• (Immediate Occupancy) قابلیت بهره برداری فوری
• (Life Safety) ایمن یجانبی
• (Collapse Prevention) جلوگیری از فروپاشی

استفاده از FRP می تواند از چند طریق سطح عملکرد سازه را ارتقاء دهد:

• افزایش ظرفیت برشی اعضا: جلوگیری از شکست های ترد برشی که معمولا منجر به فروپاشی ناگهانی می شوند.
• افزایش شگل پذیری ستون ها از طریق محصور سازی:
• تقویت اتصالا تیر-ستون: کاهش آسیب در گره ها و جلوگیزی از تشکیل مکانیزم طبقه نرم
• افزایش ظرفیت خمشی: بهبود مقلومت اعضا در برابر بارخای جانبی

با این اقدامات، سازه قادر خواهد بود تغییر مکان های بزرگ تری را بدون فروپاشی تحمل کند، انرژِ بیشتری جذب نماید و آسیب ها در محدوده قابل کنترل باقی بمانند. درنتیجه ممکن است سطح عملکرد از Collapse Prevention به life Safety و حتی Immediate Occupsncy ارتقاء یابد، مشروط به اینکه تحلیل غیر خطی و ارزیابی دقیق ظرفیت تغییر مکان انجام شود.

3. تفاوت تقویت خمشی، تقوت برشی و حصورسازی ستون با FRP چیست و هر یک در چه شرایطی اولویت دارند؟

🔹 تقویت خمشی
در این روش، FRP در ناحیه کششی عضو (معمولاً زیر تیر یا دال) نصب می‌شود تا ظرفیت خمشی افزایش یابد.
کاربرد اصلی:

• افزایش ظرفیت باربری ثقلی یا لرزه‌ای
• تغییر کاربری و افزایش بار
• جبران کمبود آرماتور کششی

🔹 تقویت برشی
FRP به صورت U-wrap، دوطرفه یا دورپیچ کامل اجرا می‌شود تا ظرفیت برشی افزایش یابد.
کاربرد اصلی:

• جلوگیری از شکست ترد برشی
• اصلاح ضعف خاموت‌ها در تیرها و ستون‌ها
• تقویت نواحی بحرانی نزدیک تکیه‌گاه‌ها

🔹 محصورسازی ستون‌ها
FRP به صورت دورپیچ کامل در اطراف ستون اجرا می‌شود و فشار جانبی محصورکننده ایجاد می‌کند.
کاربرد اصلی:

• افزایش مقاومت فشاری بتن
• افزایش کرنش نهایی و شکل‌پذیری
• بهبود عملکرد لرزه‌ای ستون‌های با خاموت ناکافی

📌 از نظر اولویت در بهسازی لرزه‌ای:

• اگر خطر شکست برشی ترد وجود داشته باشد، تقویت برشی در اولویت است.
• اگر ستون‌ها شکل‌پذیری کافی نداشته باشند، محصورسازی ستون مؤثرترین گزینه است.
• در صورت کمبود ظرفیت خمشی یا افزایش بارگذاری، تقویت خمشی انتخاب می‌شود.

در بسیاری از پروژه‌های بهسازی لرزه‌ای، ترکیبی از این سه روش به‌صورت هم‌زمان استفاده می‌شود تا رفتار سازه به سطح عملکرد مطلوب برسد.