مقاله تحلیلی: کاربرد کامپوزیت های FRP در پل‌ ها

اصول اولیه

کامپوزیت های پلیمری تقویت‌شده با الیاف (FRP) در برابر خوردگی مقاوم هستند و نسبت مقاومت به وزن و مودال به وزن بالایی در مقایسه با فولاد و بتن دارند. به عبارت ساده تر، یک کامپوزیت از ترکیب دو یا چند ماده به دست می‌آید. هدف از ساخت کامپوزیت‌ها تجمیع ویژگی‌های مثبت هرکدام از مواد تشکیل‌دهنده و غلبه بر نقاط ضعف آن‌هاست. اولین کاربرد مواد کامپوزیت به ۱۵۰۰ سال قبل از میلاد مسیح برمی گردد که مصری ها و بین‌النهرین گل و کاه را مخلوط می کردند تا ساختمان های مقاومی بسازند. در دهه ۱۹۰۰، با ترکیب پلاستیک و رزین‌های سینتیکی (ترکیبی) به وجود آمد. اونز کورنینگ اولین فیبر شیشه ای ترکیب‌شده با رزین های پلیمری را معرفی کرد. بعد از جنگ جهانی دوم، کامپوزیت ها به ماشین ها، هواپیماها و قایق ها نیز راه پیدا کردند.

در ساخت‌وساز  FRP بیشتر به لوله کشی و مخازن واقع در محیط های خورنده محدود شده است. در طی ۱۵ سال گذشته این روند با تولید یک ماده ماتریسی پلیمری جدید تقویت‌شده با الیاف تغییر کرد. عوامل متعددی این تغییرات را تحت تأثیر قرار داده اند.

خوردگی بتن و فولاد، نیاز به وزن سبک تر، زمان های نصب کوتاه تر و کاهش هزینه های نگهداری، منجر به استفاده از FRP برای زیرساخت های اساسی مانند پل‌ها و عرشه پل‌ها شده است. مهندسان باید در انتخاب مصالح کارگرانی که کار ساخت و نصب را انجام می‌دهند و همچنین کاربر نهایی را در نظر بگیرند. قابلیت ترکیب الیاف فایبرگلاس، مواد اصلی و رزین به این معنی است که FRP را می‌توان متناسب با الزامات هر پروژه تغییر داد.

فایبرگلاس و کربن

 روکش‌های الیافی کربنی یک انتخاب استاندارد برای تعمیر سازه های بتنی و فولادی هستند. علت سختی بالای این الیاف در مواردی است که نیاز به اتصال بتن و فولاد به هم هست. در ساخت یک پل و عرشه جدید، این اتفاق نمی افتد، زیرا عرشه و پل سازگاری مناسبی در ترکیب با مصالح فولادی و FRP پیش‌ساخته ندارند.

الیاف فایبرگلاس در ابزار قالب‌گیری قرار می‌گیرند و بعد از یک فوم تقویت‌شده با الیاف استفاده می شود.

مهندسان در حال ارزیابی استفاده از الیاف تقویتی کربن یا فایبرگلاس هستند. مصالح تقویتی برای اعضای پیش‌ساخته FRP در پل‌ها، فایبرگلاس هستند. تفاوت بزرگی بین ویژگی ها و هزینه فایبرگلاس و الیاف کربن وجود دارد. برای مثال، اگر ساختمانی در یک منطقه زلزله‌خیز با ستون های بتنی وجود داشته باشد، ستون ها برای آنکه در جای خود نگه‌داشته شوند باید با الیاف کربنی محصور شوند. برای عرشه پل، استفاده از کربن به‌صرفه نخواهد بود. هزینه الیاف کربن حدود ۱۵ فایبرگلاس است. ازنظر وزن، تفاوت بین این دو ماده، جزئی است. در یک هواپیما که وزن آن حیاتی است، افراد تمایل دارند هزینه بالاتری برای الیاف کربن پرداخت کنند. در پل‌ها و عرشه پل ها، در حال حاضر الیاف کامپوزیتی پنج برابر سبک تر از مصالح متعارف هستند. به‌طورمعمول، کارفرماها تمایلی به پرداخت هزینه بالاتر برای الیاف کربن ندارند و از الیاف فایبرگلاس استفاده می کنند.

الزامات طراحی

بارهای عرشه مطابق مشخصات طراحی پل AASHTO LRFD (ویرایش ششم) و مشخصات راهنمای LRFD برای طراحی پل‌های عابر پیاده  (دسامبر 2009) طراحی می‌شوند.

از الزامات متداول عرشه پل عابر پیاده، بار زنده یکنواخت بدون ضریب ۹۰ پوند بر فوت مربع است. خیز میانی به طول دهانه تکیه گاهی تقسیم‌بر ۵۰۰ (500 / L) محدود می شود. بیش ترین بارگذاری وسیله نقلیه در سطح ۵، برای بار محور عقب، ۸۰۰۰ پوند و برای بار چرخ وسایل تعمیر و نگه‌داری، ۴۰۰۰ پوند در نظر گرفته می شود. خیز میانی زیر وسیله نقلیه محدود به 300 / L است و خیز میانی سازه فوقانی محدود به 360 / L است. بار بلند شدگی (آپ لیفت) ۳۰ پوند بر فوت مربع، با حداقل مقاومت فشاری ِ۱۵۰ پوند بر اینچ مربع، تخمین زده می شود.

 اگرچه تأمین‌کننده، ویژگی های معرف بارها را ارائه می‌کند اما یک مهندس باید به نحوه واکنش FRP نیز توجه کند. برخلاف بتن، مهندسان با یک استاندارد طراحی کار نمی کنند.

برای مهندسانی که می خواهند در مورد عملکرد FRP با فولاد بدانند، پاسخ کوتاه و صریحی وجود دارد. تأمین‌کننده FRP، آن را بر اساس اینکه عملکرد کامپوزیتی داشته باشد طراحی نمی‌کند. سختی و جرم دو ماده بسیار متفاوت است و روش های اتصال برای عملکرد کامپوزیت مستلزم کار زیادی است. عرشه FRP بارهای زنده را به سازه پشتیبان (تیرهای فولادی یا پایه-های بتونی) و روسازه بار را به زمین انتقال می دهد.

 انواع دیگری از نیروها و تنش‌ها نیز وجود دارند که باید در نظر گرفته شوند و بزرگ ترین آن ها اتصالات پیچی هستند. نیروی برش باد از دیگر معیارهای مهم طراحی است. به‌طورمعمول، بلند شدگی ناشی از باد و بار لرزه ای در طول فاز طراحی برای اتصالات پل و عرشه پل محاسبه می شوند. نیروی برش باد برای تضمین ضرایب ایمنی پل و عرشه پل استفاده می شود.

 ازآنجاکه مواد FRP نسبت به شکست رفتار الاستیک خطی دارند و مانند فولاد تسلیم نمی شوند، ضرایب ایمنی مقاومت FRP باید بالاتر از فولاد باشد. ضرایب ایمنی خمش و ظرفیت برشی باید حداقل ۴ طبق مشخصات راهنمای AASHTO برای طراحی پل های عابر پیاده FRP باشند. ازآنجاکه FRP سختی کمتری نسبت به فولاد و بتن مسلح دارد، خیز عامل طراحی پنل های FRP خواهد بود که منجر به ضرایب ایمنی بیشتر از ۱۰ می شود.

 سوراخ های اتصال در پنل ها حفر می شوند. پیمانکار در محل پنل ها  را پیچ می کند تا سازه فوقانی فولادی را نگه دارد.

از پنل های ساندویچی در مواردی که نیاز به‌سختی بالا و وزن کم هست برای عرشه پل های FRP استفاده می شود. از شبکه-های برشی چندگانه داخلی با ورق هایی در بالا و پایین استفاده می‌شود تا الگوی تیرهای I شکل ایجاد شود. این آناتومی همان چیزی است که باعث می شود ضمن حفظ وزن سبک، عمق پنل و ضخامت ورق متناسب با نیازهای یک پروژه انتخاب شود.

روش های استاندارد برای FRP شامل ASTM D3039 برای مقاومت کششی و مدول؛ ASTM D6641 برای مقاومت فشاری و مدول؛ ASTM D7078 برای تست برش در صفحه؛ ASTM D732 برای پانچ از طریق تست برش؛ ASTM D5961 برای آزمایش باربری پین و ISO MAT 2209 برای انبساط حرارت است.

ازآنجاکه FRP حتی با چرخه های بالای خستگی، کاهشی در خواص خود نشان نمی دهد، هیچ ضریب کاهش بارگذاری خستگی اعمال نمی شود.

محاسبات طراحی

محاسبات طراحی اولیه برای عرشه پل FRP عبارت‌اند از:

• تحلیل پانل تحت بارهای یکنواخت و متمرکز

1. خیز
2. تنش خمشی
3. تنش برشی

• تحلیل اتصالات عرشه به تکیه گاه

1. بلند شدگی ناشی از باد
2. انتقال برشی بین نوارها

• تحلیل انبساط حرارتی
• اتصالات نرده (ریلی)

مهندسان می توانند خصوصیات مقاطع و ظرفیت خمشی را محاسبه کنند. پیچیده‌ترین مؤلفه طراحی عرشه FRP، تعیین عرض مؤثر عرشه با بارگذاری متمرکز است. به دلیل تنوع طراحی عرشه، هیچ استاندارد و یا قانونی وجود ندارد. عرض مؤثر می تواند 40 تا 90 درصد دهانه تکیه گاهی باشد. این بر اساس ساختار داخلی مقطع عرشه FRP تعیین می شود. در سازه‌هایی با شبکه های برشی در جهت بار اصلی، عرض های مؤثر نزدیک به 40% و در سازه‌هایی با شبکه های برشی در هر دو جهت، عرض های مؤثر نزدیک به 90% هستند. دو روش برای تعیین عرض مؤثر یک طرح وجود دارد: تحلیل FEA یا تست در مقیاس کامل.

 خیز یکی دیگر از نیازهای مهم طراحی برای عرشه های FRP است. مهندس طراح باید شرایط بارگذاری و دهانه را به‌درستی محاسبه و خیز محاسبه‌شده با توجه به مشخصات پروژه را تأیید کند.

اتصالات

به‌طورکلی، عرشه های FRP با استفاده از گیره هایی که به‌طور مکانیکی قسمت زیرین بال تیر را نگه می دارند، به تکیه گاه های روسازه متصل می شوند. این نوع اتصال عرشه را در مقابل بارهای عمودی زنده و بلند شدگی ناشی از باد مهار می کند. این اتصال عملکرد کامپوزیتی معمول عرشه های بتنی را ندارد. جرم FRP به حدی کم است که استفاده از جزئیات پیچیده تر و پرهزینه تر برای به دست آوردن تنها یک مزیت جزئی از عملکرد کامپوزیت ارزش ندارد.

یک سازنده FRP باید اتصالات مکانیکی را به‌صورت تحلیلی طراحی، اما ظرفیت آن را آزمایش کند. اندازه گیره ها از تراکم در برابر بال تیر به دست می آیند. پنل های فولادی برای استقرار پیچ ها و تحمل بارهای متمرکز، درون عرشه تعبیه می‌شوند.

وزن سبک عرشه FRP، نیاز به انجام محاسبات ویژه را در پی دارد. بار بلند شدگی، تعداد اتصالات موردنیاز برای نگه‌داشتن عرشه را تعیین می کند. ملاحظات لرزه‌ای به دلیل وزن کم مواد بسیار کم‌اهمیت است.

در استفاده از پنل های ساندویچی باید بارهای فشاری (خردکننده) و بارهای برشی ناشی از بارهای متمرکز ارزیابی شوند. بارهای متمرکز معمولاً بارهای وسیله نقلیه هستند که توسط چرخ‌ها به پل اعمال می شوند. در مورد دهانه عابر پیاده، بار فشاری یا خردکننده ممکن است به‌وسیله نقلیه مخصوص تعمیر و نگهداری مربوط باشد. پل های عابر پیاده عریض تر باید بار وسایل نقلیه مخصوص تعمیر و نگهداری یا وسایل نقلیه اضطراری را تحمل کنند.

 Nv عرشه های پل FRP (و سایر عناصر) می توان سوراخ ها را با ضربه، یا حفاری و برش قطعات ایجاد کرد. هماهنگی مهندسی و مرحله پیش سازی، احتمال ایجاد مسائل مختلف در محل پروژه را به حداقل می رساند. این‌یکی دیگر از مزیت های کار با FRP است. پیش سازی در وقت و هزینه مالک و پیمانکار صرفه جویی می کند.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.