از مهمترین دلایل استفاده از کامپوزیت ها در صنعت ساختمان مقاومت بالای آنها در برابر خوردگی ٬ استحکام و مزایای است نسبت به دیگر مصالح جایگزین دارا می باشد . به کارگیری پروفیل ها و آرماتورهای کامپوزیتی تولید شده به روش های پالتروژن ٬ تزریق رزین و ذخیره رطوبت باعث افزایش عمر و کاهش هزینه های ساخت و ساز و نگهداری در محیط های خورنده ساحلی و دریایی گردیده است ٬ کاربرد کامپوزیت ها در شرایط خورنده آب های شور و سواحل دریایی قابل توجه می باشد . . امارها در سطح جهان نشان می دهد که سالیانه دو میلیارد دلار صرف جبران خسارت خوردگی در سازه های ساحلی در حاشیه دریا می شود . نیاز به کاهش هزینه تعمیر و نگهداری سازه های عظیم و متعدد ساحلی و فرا ساحلی ٬ و استفاده از مواد نوینی که دارای مزیت های نسبی نسبت به نمونه های مشابه استفاده ( بتن ٬ فولاد ٬ چوب ) دارا می باشد ٬ سوق داده است .
دراین مقاله سعی گردیده است مزایا پوشش های کامپوزیتی و کارکرد آن را به عنوان یک راهکار جدید و مناسب در ساخت سازه های ساحلی و دریایی بالاخص تقویت پل های ساحلی که در مجاورت آب قرار دارند و تا کنون به وسیله بتن ٬ فولاد و چوب ساخته و تقویت می شدند مطزح گردد . از جمله مطالعاتی که سعی گردیده در این مقاله به لزوم مدیریت هزینه و انرژی بر امور جاری FRP در صورت مطرح شدن آن به عنوان یک ماده مناسب در فعالیت های جاری کشور پرداخته شود .
کلید واژه : کامپوزیت FRP ٬ سازه های ساحلی و دریایی٬ پل های FRP ٬ مدیریت هزینه و انرژی
1- مقدمه
کامپوزیت ها موادی هستند که از دو قسمت تشکیل شده اند . از دیر باز مهندسان عمران با انواع گوناگونی از کامپوزیت ها کار کرده اند از چوب می توان به عنوان یک کامپوزیت طبیعی نام برد تخته های چند لایی به عنوان کامپوزیت های ورقه ای و در نگاه کلی بتون به صورت کامپوزیت با اجزای قابل تمایز از دیگر مواد مرکب در ساخت سازه ها بوده است .
مواد کامپوزیت از موادی تشکیل شده اند که از لحاظ مکانیکی ٬ رفتار مجزایی دارند ولی ماده کامپوزیت حاصل می تواند خواص کاملا متفاوتی نسبت به مواد تشکیل دهنده خود داشته باشد .
2- متدولوژی فرماندهی و ساختاری کامپوزیت های FRP مواد مرکب پلیمری نوع مصنوعی مواد کامپوزیتی است . این مواد از دو بخش الیاف ( فیبر ) که نقش بار ماده مرکب را بر عهده دارد و قطر آنها بین 5 تا 25 میکرون و همچنین چسب ( رزین ) که نقش نگهداری الیاف در کنار هم ایفا می کند تشکیل یافته است .
2-1- رزین ( چسب )
نقش رزین ها د رنگهداری الیاف در کنار هم حفاظت الیاف در برابر عوامل محیطی و همچنین توزیع تنش روی وجه آن خلاصه می گردد .
رزین به کار رفته در کامپوزیت می تواند یک ترکیب ترموست ( در برابر حرارت سختند و روان نمی شوند ٬ وینیل استر واوپکسی یا ترموپلاستیک در برابر حرارت ذوب و در اثر سرد شدن مجدد سختند PP. PVC ) باشد .
الیاف با مبنای قیری ارزانتر اما با مقاومت و مدول الاستیسیته کمتر از PAN می باشد .
مقاومت کششی کولار 55 درصد و مقاومت برشی آن 180 درصد بیشتر از الیاف شیشه می باشد و مقاومت کششی ان 10 درصد کمتر و قیمتش نصف قیمت کربن است و همچنین الیاف آرامید قابلیت کارکردن بیشتری نسبت به کربن و شیشه دارا می باشد .
2-2- فرایند ساخت کامپوزیت های FRP
کامپوزیت های FRP از قرار گرفتن فیبرهای متوالی و متعدد در یک ماتریکس رزین ساخته می شوند . از جمله متدهایی که در ساخت کامپوزیت FRP استفاده می شود می توان به ذخیره رطوبت ( WET LAY UP ) ٬ پالتروژن ( PULTRUSION ) وتزریق رزین ( RESIN INFUSION ) اشاره کرد .
2-3- خواص مکانیکی کامپوزیت های FRP
هر سه نوع FRP یاد شده برای مقوم سازی سازه های بتونی تقویت شده RC در هر دو حالت تحقیقاتی و کاربردی استفاده می شوند .
در نمودار استوانه ای ( نگاره 1 ) می توان به راحتی خواص مکانیکی کامپوزیت های یاد شده را با یکدیگر مقایسه کرد و پروژه ها بر اساس نیاز طرح با در نظر داشتن توجیه اقتصادی از آنها استفاده نمود .
در بحث مدول الاستیسیته و مقاومت کششی یک کامپوزیت FRP که به وسیله فرآیند ذخیره رطوبت ساخته شده عموماضخامت FRP به سختی کنترل و یا دقیقا معین و مشخص می شوند و نتیجتا مدول الاستیسیته و مقاومت کششی به تعریف و تعیین ضخامت بستگی دارد و می تواند خارج از اعداد و ارقام داخل جدول 2 باشد .
بدون در نظر داشتن نوع فیبر ها یا روش استفاده شده برای ساخت این سه نوع FRP رفتار تنش – کرنش مشابهی دارند . یکی از خصوصیات مهم در فرایند استفاده از کامپوزیت های FRP در هنگامی کهنمونه آزمایش تحت فشار قرار دارد نشان دادن رفتار خطی تا لحظه شکست و گسیختگی نهایی می باشد .
منحنی های تنش – کرنش این الیاف ٬ یک همسنجی و قیاس شفاف بین رفتار شکست FRP و انعطاف پذیری و چکش خواری فلز به ما می دهند . از جمله نتایجی که می توان از گفته های بالا دریافت کرد این است که این مواد خاصیت چکش خواری فلزات را دارا نیستند و شکستشان ممکن است رفتار چکش خواری اعضای بتنی تقویت شده با کامپوزیت FRP را محدود کند با این وجود این مواد هنگامی که در بتن استفاده می شوند می توانند مقاومت و چکش خواری ستون ها را به مقدار زیادی بالا ببرند .
رزین با مقاومت پایینی که دارد نقشی در خواص مکانیکی کامپوزیت ها ندارند .
3- پوشش های FRP عمدتا برای بهسازی سازه های موجود یا تعمیر خرابیهای ایجاد شده در اثر خستگی ٬ خوردگی ٬ فرسودگی ٬...در سازه های موجود به کار می روند این پوشش ها به وجه خارجی عضو بتن می چسبند . سه نوع از این پوشش ها برای تعمیر و بهسازی رفتار سازه ها به کار می روند .
3-1- پوشش های دست ساز
در این نوع پوشش ٬ ابتدا سطح عضو بتنی ٬ آماده شده و یک لایه چسب روی آن مالیده می شود . سپس الیاف بافته شده را به صورت گونی در یک یا چند راستا با دست روی سطح آن می چسبانند.
3-2- صفحات پیش ساخته کامپوزیت
دراین حالت ٬ کتمپوزیت ها به صورت صفحات یک جهته ساخته می شوند . اعضای تخت ٬ مانند دال ها و تیرها : دراین اعضا صفحات پیش ساخته با عرض معمولا 5 تا 15 سانتی متر بر روی سطح تمیز شده عضو ( سطح بتن با ماسه و با فشار هوا تمیز می شود = سند بلاست ) و با استفاده ا زچسب چسبانده می شود .
اعضای عمودی مانند ستونها : برای تقویت در این اعضا از صفحات پیش ساخته که در آنها الیاف به صورت حلقه ای قرار دارند استفاده می شود پس از آماده سازی سطح عضو بتنی یک لایه چسب روی آن را می پوشاند و صفحه مد نظر در راستای مشخص روی عضو چسبانده می شود.
3-3- ورقه های ماشینی
در این سامانه ٬ الیاف به صورت پیش آغشته شده به چسب بکار می روند یک محفظه حرارتی برای عمل آوری کامل لایه های چسبیده به عضو بتنی به کار می رود .
3-4- مقاطع نورد شده
این مقاطع در شکل های مختلف نبشی ٬ قوطی ٬ ... و به منظور ساخت سازه هایی با اسکلت کامپوزیت FRP تولید می شود .FRP نسبت به فولاد مقاومت بیشتر و اثرات تخریبی کمتری نسبت به محیط زیست دارد . نسبت وزن به مقاومت FRP ٬ 50 برابر بتن و 18 برابر فولاد است . در FRP نسبت ( مقاومت به وزن ) و صلبیت به وزن ) نسبت به مصالح رایج بسیار قابل توجه است . وسعت کاربرد FRP به ویژگی های زیر بستگی دارد :
- قابلیت مرمت و تعمیر
- اتوماسیون در پروسه ساخت می تواند هزینه را کاهش دهد .
- استفاده از FRP به منظور بهینه سازی مصالح به کار رفته در ساختمان
- در دسترس قرار گرفتن آیین نامه های معتبر در خصوص طراحی و کابرد FRP
- درجه کنترل کیفیت و تضمین کیفیت که می تواند نیروی کار عادی در تولید و یا نصب را توسعه ببخشد .
4- تقویت سازه ها با استفاده از کامپوزیت های FRP برای شروع می بایست با دو تعریف اساسی در مبحث تقویت سازه ها آشنا شویم :
بهسازی : زمانی که در یک عضو خمشی به افزایش عمق یا آرماتور نیاز باشد ٬ می توان این نیاز را با استفاده از صفحه های FRP تامین کرد و
تعمیر و مرمت : در زمانی که پوشش های خارجی کامپوزیت در اعضای بتن مسلح ٬ جلوگیری از شکست سازه هایی است که به دلایلی از قبیل آتش سوزی ٬ زلزله ٬ عبور وسایل سنگین ٬ خوردگی آرماتورهای فولادی و گذشت عمر مفید مصالح ٬ دچار خرابی های ظاهری و موضعی شده اند .
در سال اخیر تحقیقات گوناگون در زمینه امکان استفاده از کامپوزیت های پلیمری در تقویت لرزه ای و همچنین در جلوگیری از خوردگی سازه های چوبی ٬ فولادی و بتن مسلح انجام شده است .
4-1- پل
اوهایو OHAIO دارای 42856 پل است که تنها از این طریق تعداد پل 24551 آن قابلیت تحمل بارهای طرح امروزه را دارا می باشند . 30تا 40 درصد پل ها در سراسر امریکا به لحاظ سازه ای نسبت به ابرهاب وارده ضعیف عمل می کنند. بر این اساس FHWA ٬ در گزارش هزینه رفع نقص پل را 212 میلیارد دلار اعلام کرد به همین ترتیب AASHTO در تخمین خود از این پروژه عظیم رقمی معادل 263 میلیارد دلار را با ایجاد ترمیم های معمولی و بالا بردن کیفیت لازم دانست .
اوهایو 200 میلیارد دلار در سال صرف جایگزینی پل ها می کند و تمامی سازه های ذکر شده می بایست تعویض شوند و در این بین کامپوزیت ها می تواند نقش تعیین کننده ای را داشته باشد . به عنوان مثال پل وست بروک در اوهایو اولین پلی است که در آن از کف سازه ای کامپوزیتی استفاده شده است این عمل در فاز اول 100 پروژه انجام شده است . هدف این پروژه که ابتکاری از مرکز ملی کامپوزیت NCC است ٬ تعمیر و جایگزینی 100 پل فرسوده به وسیله کامپوزیت ها می باشد . علاوه بر هزینه نگهداری پایین این پل ها نکته قابل توجه آن است که برای نصب وسائط نقلیه با مشکل ترافیکی رو به رو نیستند چرا که تنها نصب آنها می تواند 24 ساعت به طول بیانجامد . ( طولانی ترین سازه کامپوزیتی خمیده در تمام اروپا ) همچنین در خصوص دلایل دیگر انتخاب این مصالح شرایطی برای ترمیم و تعمیر سازه های است که به عنوان بزرگراه در سطح کلان وجود دارند به واسطه کاهش در ازدحام ترافیکی به دلیل اجرای عملیات احیای مجدد و نوسازی پل ها همان طور که گفته شد کامپوزیت های FRP می توانند بهترین گزینه باشند .
4-1-1 – مطالعه خستگی و درجه حرارت های زیاد پل های FRP
نومونه های اولیه عرشه پل ها تحت آزماییش در دو درجهحرارت بسیار گرم ( 50 سانتی گراد ) و بسیار سرد ( 30-سانتی گراد ) تحت 1 میلیون دوره های بار شبیه سازی شده قرار گرفتند .
سامانه عرشه پل بتنی تقویت شده ( سنتی )
نمونه اولیه عرشه های بتنی تقویت شده سنتی پل 3 وسیله دپاتمان حمل و نقل اوهایو طراحی شده بود . این نمونه دارای ابعاد 1.82m*6.1m*0.178 بوده و به تیر آهن 182*36 w که از میلگردهای برشی نیز استفاده کرده است متصل بوده است . در طراحی این عرشه میلگرد ها تقویت کننده در جهت عمودی تیرها در دال بتنی با فاصله 133mm قرار گرفته اند 5@133qپوشش ( cover )فو قانی ٬ برابر 38mm در نظر گرفته شده است .
لایه تحتانی تقویت با یک فاصله 152mm قرار گرفته است . در راستای موازی تیر ٬ برای توزیع فوقانی تقویت از میلگرد شماره 4# توزیع تحتانی از میلگرد 5 # شده است . مقاومت فشاری بتن استفاده شده در این نمونه 3mpa و 25 منظور شده بود.
سامانه عرشه پل هیبریدی ( بتن و FRP )
پانل PULTRUDED به ضخامت 475mm بوده و دارای دو سلول میله ای در ازای 76mm است . این کامپوزیت FRP با الیاف شیشه و رزین پلی استر ساخته شده است .بتن تا رسیدنبه دال مشخص به عمل 203mm در قالب پانل های FRP ریخته می شود . عرشه به تیر ها که از میلگرد های برشی استفاده کرده است متصل می گردد .
بعد از قرار دادن پانل ها به روی تیر فولادی میلگرد های برشی جوشکاری می شوند . ماهیچه بتنی ما بین پانل های عرشه کامپوزیتی FRP و تیر فولادی قرار می گیرد . در این آزمایش نمونه های عرشه کامپوزیتی FRP خود را در پل هایی که به عنوان بزرگ راه در نظر گرفته می شود ٬ هنگامی که وضعیت دما خیلی زیاد قابل پیش بینی است به اثبات رسانده است ٬ همچنین استحکام عرشه هایی کامپوزیتی FRP که از روی منحنی نیرو – خمش اندازه گیری می شود ٬ در واقع ارتباط مستقیم با سطح درجه حرارت دارد .
5- مدیریت 5-1- مدیریت هزینه ( پل های FRP)
در گزارشی که توسط EHLEN 1996 انجام شد آمده است :
FRP از لحاظ تکنیک کاربری بسیار فراتر از سازه های رایج در پل سازی است البته در این بین موانع مالی نیز بدون توجه به پتانسیل هزینه دوره زندگی به چشم می آیند . در این گزارش راهی برای ارزیابی هزینه تمام دوره زندگی FRP و گزینه های رایج ارایه شده است .
PVLCC = IC + PVOMR + PVD ( ارزش حاضر هزینه کل دوره زندگی = هزینه اولیه + ارزش حاضر هزینه تعمیر و نگهداری + ارزش حاضر هزینه های دسترسی به محصول ) از پر اهمیت ترین هزینه ها در این بخش می توان به نوسانات هزینه های مصالح و مسافت کاری ( حمل و نقل ) اشاره کرد . پتانسیل های نهفته در طراحی پل های FRP در زمان تعمیر ٬ دسترسی به بخش های مد نظر هزینه های حوادث پیش بینی نشده ترافیک در هنگام نصب ظاهر می شود . از این گزارش می توان نتیجه گرفت از آنجایی که این تکنولوژی را می طلبد با گذشت زمان هزینه ها با کارایی نسبت بهتری پیدا می کند ( البته باید یاد آور شد که هم اکنون این مصالح برای شرایط گفته شده توجیه اقتصادی دارند ) در گزارش که توسط EHLEN 1997 انجام شده آمده است :
مصالح FRP از آنجایی که دارای مزیت اجرایی نسبت به مصالح رایج هستند مشخص تر می باشند . برای مثال کامپوزیت FRP به طراحی قابلیت طراحی سازه های سبک و منحصر به فرد می دهد که می تواند نمایی با رنگ های دلخواه داشته باشد و همچنین به جای نصب شدن با چرثقیل با دست نصب گردد. از مطالعه ای که در خصوص مقایسه هزینه دوره زندگی ( WLC ) در پل های طراحی شده با FRP و بتنی تقویت شده انجام گرفته می توان نتیجه گرفت در حالی که عرشه کامپوزیتی FRP هزینه ساخت بالاتر را در برابر سازه بتنی می طلبد ( 325000 دلار به جای 225000 دلار ) ولی در عوض هزینه مصرف کمتری دارد . (یعنی 12000 دلار در برابر 75000 دلار ) در مطالعه که توسط KUMAR 2001 در خصوص رابطه خستگی و مقاومت در پل های FRP انجام گرفته در بخش نتیجه گیری آمده است که پل های FRP می تواند راه حل مناسبی و تاثیر گذاری در تعمیر و جایگزینی پل ها ی بتن آرمه باشند .
5-2- مدیریت انرژی در سازه های کامپوزیتی
تنها بحث در خصوص تاثیر سازه های کامپوزیتی بر محیط زیست ٬ امکان بازیافت این سازه ها می باشد . برای این منظور می دانیم سازه های کامپوزیتی که به صورت هیبریدی از بتن و FRP همچون عرشه ای که در بالا ذکر شد ٬ بخشی بتنی آن فابل بازیافت است اما محصولات FRP قابل تجزیه و تحلیل هستند . از جمله بخش هایی که باید آغازگر و سرمایه گذار بازیابی کامپوزیت ها از طریق تحقیقات و توسعه R\D باشند می توان صنایع کامپوزیتی حمل ونقل کشور و سازمان دولتی یاد آور شد .
5-2-1- موانع بازیافت کامپوزیت ها
موانعی در برابر بازیافت کامپوزیت ها قرار دارند که از جمله می توان به عدم وجود بازار مناسب برای کامپوزیت های بازیافتی هزینه بازیافت نسبتا بالا و همچنین عدم وجود زیر ساختهای لازم در بخش بازیافت اشاره کرد .
5-2-2- راهکار توسعه بازیافت کامپوزیت ها
توسعه کاربردهای عملی برای کامپوزیت های بازیافتی طراحی برای بازیافت مصالح کامپوزیتی تبدیل مصالح کامپوزیتی به مصالح خامی که قابلیت تجدید استفاده دارند از جمله سیاست هایی است که می بایست دردید کلان برای بازیافت این گونه مصالح در نظر داشت . در خصوص محصولات FRP باید دانست که دارای دوره زندگی LIFE CYCLE زیادی نسبت به محصولات جایگزین هستند محصولات FRP دارای ارزش انرژی بالایی هستند ( تقریبا 36 MJ/kg ) علی رغم ای که کار اولیه و تعریف شده یک کوره زباله سوز انهدام زباله است ٬ تولید انرژی یک فراورده فرعی است . فرآیند تبدیل FRP به سوخت به منظور استفاده مستقیم به عنوان سوخت ( یعنی جایگزینی نفت ٬ گاز یا زغال سنگ ) در یک نیروگاه می تواند یک راه مناسب و پایدار به منظور بدست آوردن در امد فرعی از محصولات از کار افتاده ( ضایعات یک ساختمان ) باشد .
6- نتیجه گیری و پیشنهادات اغلب کاربردی های پیشرفته از FRP بر پایه ترکیب الیاف کربن و شیشه به منظور بدست آوردن بالاترین قابلیت اجرایی و پایین ترین هزینه استفاده خواهد شد . در راستای تغییر کاربری که به تقویت سازه به جهت افزایش بار زنده است استفاده از FRP کاربد وسیعی پیدا کرده است . مصالحی که به صورت سنتی در ساخت انواع سازه های موجود در شرایط اقلیمی جنوب ایران و به خصوص شرایط اقلیمی ساحلی و دریایی خلیج فارس به کار می رفته عمدتآ فولاد و بتن بوده است. از طرفی شرایط آب هوایی خلیج فارس که شرایطی بسیار خشن و متغیر بوده٬ بتن و به خصوص فولاد را به شدت تحت تهاجم قرار می داده است ٬ لذا با توجه به آنچه در مطالعات انجام شده که در مقاله نیز ذکر گردید بسیار به جاست و در پل های جنوب کشور که در معرض گرمای بسیار زیاد ( تا 50 درجه سانتی گراد ) و خوردگی شدید قرار دارند از کامپوزیت های FRP به عنوان جانشینی مناسب برای مصالح رایج استفاده کرد .
7- منابع
1- Frp stre
Ngthened rc structures .J.G.Teng .J.F.Chen .L.Lam
2- Advance
Composite materialin bridges , EI-Berry 1997
3- Fatigue Perfor
Mance evaluation of frp composite bridge deck protypes
High and low temperatures , piyush k.Dutta .under
4- Environmental
Issues, Whole life costing ( WLC ) ,Network Group for composites and Construction ( NGCC )
Soon-Chul Kwon and Roberto Lopez-Anido
5- Fatigue
Composites , Edited by Bryan Hamis , University of in Bath ,Uk
6- Compostites
In civil applications .Dr . H . Felix Wu . National
Institute of Standards and Technology
7- Construction
Management Possible dissertation topics: Construction parison of Dual Water Supply Systems : Social com
Economic
يا 
باشد ميلگرد از نوع A3 و چنانچه آج ميلگرد به شكل فنري باشد ميلگرد از نوع A2 ميباشد.
