مقدمه

در دنیای امروز، پیشرفت‌های مهندسی و فناوری در صنعت ساختمان‌سازی به دنبال کاهش هزینه‌ها، افزایش دوام و کارایی، و بهبود عملکرد سازه‌ها هستند. یکی از این پیشرفت‌ها، میلگردهای تقویت شده با فیبر (Fiber Reinforced Polymer – FRP) است که به عنوان جایگزینی نوآورانه برای میلگردهای فولادی، مورد توجه گسترده مهندسان عمران قرار گرفته است. FRP با ویژگی‌های بی‌نظیری همچون مقاومت بالا در برابر خوردگی، وزن سبک و عمر طولانی، تحولی در طراحی و اجرای پروژه‌های عمرانی ایجاد کرده است.

در این مقاله که توسط تیم فنی ایران کوپلر تهیه شده است، میلگردهای FRP، مزایا، معایب، کاربردها و نحوه استفاده از آنها در سازه‌های مختلف بررسی خواهد شد.  

میلگردهای FRP چیست؟

میلگردهای FRP از مواد پلیمری تقویت‌شده با فیبرهای مقاوم ساخته می‌شوند. این فیبرها می‌توانند از جنس‌های مختلفی مانند شیشه (Glass Fiber Reinforced Polymer – GFRP)، کربن (Carbon Fiber Reinforced Polymer – CFRP) یا آرامید (Aramid Fiber Reinforced Polymer – AFRP) باشند. این مواد به واسطه فرآیندهای پیشرفته تولید، ترکیبی از خواص مکانیکی و شیمیایی عالی را ارائه می‌دهند. FRP به عنوان جایگزینی برای میلگردهای فولادی در مناطقی که سازه‌ها در معرض عوامل خورنده مثل آب شور، مواد شیمیایی و رطوبت زیاد هستند، بسیار مفید است.

ویژگی‌های میلگردهای FRP

1. مقاومت بالا در برابر خوردگی:
یکی از بزرگ‌ترین معایب میلگردهای فولادی، زنگ‌زدگی در محیط‌های خورنده است. میلگردهای FRP به دلیل غیر فلزی بودن، کاملاً در برابر خوردگی مقاوم هستند و می‌توانند عمر سازه را تا چندین دهه افزایش دهند.

2. وزن سبک:
میلگردهای FRP تقریباً چهار تا پنج برابر سبک‌تر از میلگردهای فولادی هستند. این ویژگی باعث کاهش هزینه‌های حمل و نقل، سهولت نصب و کاهش وزن کلی سازه می‌شود.

3. مقاومت کششی بالا:
میلگردهای FRP دارای مقاومت کششی بسیار بالاتری نسبت به میلگردهای فولادی هستند. این ویژگی آنها را برای سازه‌هایی که تحت بارهای کششی بالا قرار دارند، مناسب می‌کند.

4. غیرمغناطیسی و عایق الکتریکی:
میلگردهای FRP غیرمغناطیسی بوده و به عنوان عایق الکتریکی عمل می‌کنند. این ویژگی در سازه‌هایی مانند ایستگاه‌های برق یا بیمارستان‌ها بسیار حائز اهمیت است.

5. پایداری در برابر اشعه UV:
میلگردهای FRP مقاومت خوبی در برابر نور خورشید و اشعه فرابنفش (UV) دارند و در فضای باز نیز کیفیت خود را حفظ می‌کنند.

مشکل خوردگی میلگرد در سازه های بتنی

سازه های بتنی سنتی، 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. سازه‌های بتنی که در محیط های مهاجم بنا شده‌اند؛ از جمله این سازه ها می توان به پل‌های احداث شده روی آب و دریا، پارکینگ های احداث شده در محیط‌های حاوی نمک و شرجی و ….؛ مورد بررسی قرار گرفتند. این سازه ها با توجه به سه عامل رطوبت، دما و محیط کلریدی، باعث از بین رفتن اثر قلیایی بتن می‌شود. از بین رفتن اثر قلیایی باعث خوردگی فولاد و میلگردهای استفاده شده در سازه 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 میلگردهای 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. برای اینکه مقاومت و استحکام مکانیکی سازه بتنی شما افزایش پیدا کند، مهندسان عمران به استفاده از مصالح FRP روی آوردند. از جمله مهم‌ترین مصالح FRP می‌توان میلگرد کامپوزیتی را نام برد.

مواد تشکیل دهنده میلگرد FRP

برای اینکه بفهمیم مواد تشکیل دهنده میلگرد کامپوزیت چیست، باید بررسی کنیم FRP از چه ماده‌ای تشکیل شده است. یک FRP ماده‌ای ترکیبی از الیاف طبیعی با کاربرد بالا است که در بستری از رزین پلیمری قرار داده شده است. frp ماده ای است که از نظر الکترومغناطیسی خاصیت عایق دارد. این موضوع کمک می‌کند مشکل خوردگی در این مواد بوجود نیاید. به لطف این ویژگی ساختمان هایی که با استفاده از مواد frp ساخته می‌شوند، با مشکلی مانند خوردگی دست و پنجه نرم نخواهند کرد. به کمک وجود خصوصیات برتر مانند مقاومت کششی بالا در این نوع سازه، استفاده از آن ها در بتن مسلح نیز پیشنهاد می‌شود.

میلگردهای frp رفتاری کاملا متفاوت با انواع میلگرد آجدار دارند. با توجه به این موضوع می‌توان گفت که ساخت ساختمان با استفاده از این نوع میلگردها تغییرات زیادی نسبت به میلگردهای فولادی دارد. رفتار میلگردهای frp از نظر مقاومت برشی و وجود چسبندگی بین این نوع میلگردها باعث اثرگذاری روی خواص مکانیکی بتن می‌ شود. از طرف دیگر تمام مصالح FRP رفتار الاستیک خطی داشته و همانند فولاد به مرحله پلاستیک وارد نخواهند شد.

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.