در سال‌های اخیر، مهار لرزه‌ای دیوارهای غیرسازه‌ای به یکی از دغدغه‌های مهم در طراحی و اجرای ساختمان‌ها تبدیل شده است. روش‌های سنتی مانند استفاده از وال پست‌های فولادی، میلگرد بستر و سایر اجزای فلزی، اگرچه در کنترل حرکات دیوار مؤثرند، اما با چالش‌هایی جدی همراه‌اند: اجرای دشوار، افزایش وزن ساختمان، نیاز به نیروهای ماهر، زمان‌بر بودن و در نهایت هزینه‌های بالا.
در این میان، ورود مصالح نوینی همچون مش الیاف شیشه (که در قالب سیستم‌های FRCM و در بازار ایران با نام تجاری وال مش شناخته می‌شود) نگاه تازه‌ای به این مسئله باز کرده است. این سیستم‌های نوین مدعی هستند که می‌توانند عملکردی مشابه یا حتی بهتر از روش‌های فولادی داشته باشند، آن هم با سرعت بیشتر، وزن کمتر و اجرای ساده‌تر.
اما یک تردید رایج در میان بسیاری از مهندسان وجود دارد:
آیا مشی از جنس الیاف شیشه واقعاً می‌تواند نقش سازه‌ای ایفا کند یا صرفاً برای جلوگیری از ترک‌های سطحی کاربرد دارد؟
آیا این جایگزین نوین، از نظر مکانیکی و عملکردی، می‌تواند با فولاد رقابت کند؟
در این مقاله تلاش می‌کنیم با نگاهی دقیق و مبتنی بر داده‌های فنی، خواص مکانیکی و رفتاری الیاف شیشه را با فولاد مقایسه کنیم. هدف این است که از زاویه‌ای علمی و واقع‌بینانه به این سؤال پاسخ دهیم و به مهندسان کمک کنیم در انتخاب بین روش‌های سنتی و نوین، تصمیمی آگاهانه و مطمئن بگیرند.
الیاف شیشه چیست؟
الیاف شیشه نوعی تقویت‌کننده با مقاومت کششی بالا و وزن پایین است که از ذوب سیلیس و سایر اکسیدهای معدنی تولید می‌شود. برخلاف تصور عمومی که شیشه را ماده‌ای شکننده می‌داند، این الیاف در مقیاس میکرونی به رشته‌هایی بسیار نازک و مستحکم تبدیل می‌شوند که توان تحمل بارهای کششی قابل‌توجهی دارند.
الیاف شیشه در صنایع عمرانی عمدتاً به صورت مش فایبرگلاس (توری) در سیستم‌های کامپوزیتی مانند وال مش به کار می‌روند تا نقش تقویت‌کننده‌ی دیوارهای بنایی را ایفا کنند. این الیاف به دلیل سازگاری، وزن کم و سهولت اجرا، جایگاه ویژه‌ای در بهسازی لرزه‌ای سازه‌ها یافته‌اند.
ماهیت و ساختار مواد
برای درک تفاوت عملکردی میان الیاف شیشه و فولاد در نقش تسلیح و مهار لرزه‌ای دیوارها، پیش از هر چیز باید به ماهیت این دو ماده و چگونگی تولید آن‌ها نگاهی داشته باشیم. چرا که بسیاری از ویژگی‌های مکانیکی این مصالح، ریشه در ساختار درونی و فرآیند تولیدشان دارد.
فولاد ساختمانی یکی از مصالح پرکاربرد در ساخت و ساز و تسلیح دیوارهای غیرسازه‌ای است؛ از وال‌پست‌های سنگین گرفته تا میلگردهای بستر. این ماده، آلیاژی از آهن و کربن است که در ساختار درونی آن، اتم‌ها در قالب شبکه‌ای منظم قرار دارند. همین نظم، ویژگی‌هایی مانند استحکام بالا، شکل‌پذیری و رفتار قابل‌پیش‌بینی تحت بار را برای فولاد به همراه دارد.
در سوی دیگر، الیاف شیشه قرار دارد. ماده‌ای که شاید در نگاه اول شکننده به نظر برسد، اما در واقع نتیجه یک فرایند پیشرفته و دقیق است.
ماده‌ی اصلی تشکیل‌دهنده‌ی الیاف شیشه، سیلیس (SiO2) است که به وفور در ماسه یافت می‌شود، اما برخلاف فولاد، ساختار درونی آن بی‌شکل است؛ یعنی فاقد نظم کریستالی مشخص. این ویژگی باعث می‌شود خواص مکانیکی آن در تمام جهات یکنواخت باشد و این یک مزیت مهم برای مصالحی که قرار است تنش‌ها را به‌طور یکنواخت پخش کنند.
فرایند تولید الیاف شیشه
تولید الیاف شیشه فرایندی جذاب و دقیق است. ابتدا مواد اولیه معدنی (سیلیس و…) ذوب می‌شوند. سپس این مذاب از میان هزاران روزنه‌ی بسیار ریز از جنس آلیاژ پلاتین، عبور داده می‌شود. جریانی از مذاب که از این روزنه‌ها خارج می‌شود، با سرعت بالا کشیده شده و به رشته‌های بسیار نازک و پیوسته تبدیل می‌گردد. قطر این الیاف معمولاً بین 5 تا 25 میکرون ثابت نگه داشته می‌شود و می‌توانند طولی نامحدود داشته باشند. این قطر بسیار کم، یکی از دلایل اصلی استحکام بالای این الیاف است، زیرا احتمال وجود نقص‌های سطحی که منجر به تمرکز تنش و شکست می‌شوند، به شدت کاهش می‌یابد.
رشته‌های الیاف شیشه بلافاصله پس از خروج از روزنه‌ها و قبل از اینکه روی هم جمع شوند، با یک ماده شیمیایی به نام آهار پوشش داده می‌شوند. این پوشش از ساییدگی و شکستن رشته‌های شکننده الیاف در اثر تماس با یکدیگر جلوگیری می‌کند. همچنین به عنوان یک رابط عمل کرده و چسبندگی الیاف به ماتریس پلیمری (مانند رزین‌ها در کامپوزیت‌ها) یا پلاستر (در سیستم وال مش) را تضمین می‌کند.
مقایسه‌ی خواص مکانیکی و فیزیکی الیاف شیشه و فولاد
پس از بررسی ساختار درونی و فرایند تولید دو ماده‌ی مورد بحث، اکنون می‌توان به ارزیابی پارامترهای کلیدی فیزیکی و مکانیکی پرداخت. پارامترهایی که عملکرد نهایی سیستم تقویتی را در عمل تعیین می‌کنند.
1) مقاومت کششی
از آنجایی که وظیفه‌ی اصلی مصالح تقویت‌کننده دیوارهای غیرسازه‌ای (مانند مش فایبرگلاس یا میلگرد بستر) تحمل نیروهای کششی است که دیوار در برابر آن ضعیف است، این مشخصه حیاتی‌ترین پارامتر در ارزیابی آن‌ها به شمار می‌رود.
در این شاخص، الیاف شیشه از نظر عددی در جایگاه بالاتری نسبت به فولاد قرار می‌گیرد؛ به‌طور معمول مقاومت کششی الیاف شیشه در بازه‌ی ۷۰۰ تا ۱۵۰۰ مگاپاسکال گزارش شده است، در حالی که مقاومت کششی فولاد ساختمانی معمول در حدود ۵۵۰ مگاپاسکال است.
این برتری به این معناست که برای تحمل یک نیروی کششی معین، به سطح مقطع کمتری از الیاف شیشه نیاز است. این ویژگی نه تنها به معنای استفاده از مصالح کمتر است، بلکه امکان طراحی المان‌های ظریف‌تر و سبک‌تر را نیز فراهم می‌آورد.
2) وزن و چگالی
وزن و چگالی مصالح پارامتری است که تأثیر مستقیمی بر وزن نهایی سازه (بار مرده)، هزینه‌های حمل‌ونقل و سهولت و سرعت نصب دارد. در مقاوم‌سازی، به ویژه مقاوم‌سازی لرزه‌ای، افزودن حداقل وزن ممکن به سازه موجود یک اصل کلیدی است.
- الیاف شیشه: چگالی الیاف شیشه، بسته به نوع الیاف و میزان رزین مصرفی، معمولاً در بازه‌ای بین ۱۹۰۰ تا ۲۷۰۰ کیلوگرم بر مترمکعب قرار دارد. برای درک بهتر این عدد، کافی است بدانیم که هر متر مربع از مش الیاف شیشه‌ای مورد استفاده در سیستم وال مش، حدود ۱۰۰ تا ۱۵۰ گرم وزن دارد.
- فولاد: چگالی فولاد ساختمانی مقدار ثابتی دارد و در حدود ۷۸۵۰ کیلوگرم بر مترمکعب است. برای درک بهتر وزن این ماده، می‌توان اشاره کرد که یک وادار میانی با ارتفاع ۳ متر و مقطع قوطی ۸۰×۸۰ میلی‌متر، نزدیک به ۲۰ کیلوگرم وزن دارد.
این اختلاف چشمگیر در وزن، یک مزیت بزرگ از نظر لجستیکی، اجرایی و حتی سازه‌ای به‌شمار می‌رود؛ چرا که حمل، نصب و اجرای مش الیاف شیشه بسیار آسان‌تر است و اضافه‌بار کمتری به سازه تحمیل می‌کند.
3) دوام در برابر خوردگی
مقاومت در برابر خوردگی، یکی از عوامل کلیدی در ماندگاری عملکرد سیستم‌های تقویتی در طول عمر بهره‌برداری است.
فولاد در شرایط حضور رطوبت، اکسیژن و یون‌های کلرید، مستعد خوردگی است. این فرایند نه‌تنها باعث کاهش سطح مؤثر مقطع تسلیح می‌شود، بلکه می‌تواند به ترک‌خوردگی، پوسته‌پوسته شدن و افت پیوستگی با ملات نیز منجر شود؛ آسیب‌هایی که ظرفیت واقعی سیستم مقاوم‌سازی را به مرور تضعیف می‌کنند. البته استفاده از پوشش‌های ضدزنگ و یا فولاد گالوانیزه تا حد قابل قبولی این مسئله را رفع می‌کنند.
در مقابل، الیاف شیشه مقاوم در برابر قلیا (AR-Glass) ذاتاً نسبت به خوردگی الکتروشیمیایی غیرحساس است. استفاده از ترکیباتی مانند زیرکونیوم دی‌اکسید در فرمولاسیون این الیاف، آن را در برابر محیط قلیایی ملات سیمان نیز پایدار کرده است. تجربه طولانی‌مدت در پروژه‌های واقعی و ارجاعات استانداردهایی مانند ACI 549.4R، حاکی از عملکرد مناسب این الیاف در شرایط محیطی مختلف است.
4) تطابق حرارتی با مصالح بنایی
ضریب انبساط حرارتی از دیگر مشخصاتی است که در سازگاری مصالح با یکدیگر اهمیت دارد.
فولاد دارای ضریب انبساط حرارتی نسبتاً بالایی است که ممکن است در مواجهه با نوسانات حرارتی، منجر به بروز تنش‌های داخلی و ترک در ناحیه‌ی اتصال آن با مصالح بنایی شود.
در مقابل، الیاف شیشه از لحاظ حرارتی نزدیک‌تر به مصالح بنایی عمل می‌کند. سازگاری حرارتی بهتر الیاف شیشه با بتن و مصالح بنایی یک مزیت مهم است. این سازگاری باعث می‌شود که در طی چرخه‌های دمایی روزانه و فصلی، تنش‌های داخلی کمتری در فصل مشترک بین مش و مصالح بنایی ایجاد شود. این امر به حفظ پیوستگی و یکپارچگی سیستم در بلندمدت کمک کرده و از ایجاد ترک‌های ریز که می‌توانند راهی برای نفوذ عوامل مخرب باشند، جلوگیری می‌کند.
مزایا و محدودیت الیاف شیشه و فولاد
الیاف شیشه و فولاد هر یک ویژگی‌های خاص خود را دارند. در انتخاب بین این دو، باید مزایا و محدودیت‌های آن‌ها را به‌درستی شناخت:
| مزایا | محدودیت‌ها | |
| الیاف شیشه | مقاومت کششی بسیار بالا | شکل‌پذیری کمتر نسبت به فولاد |
| وزن بسیار کم | نیاز به طراحی سیستمی | |
| سازگاری با مصالح بنایی | ||
| مقاومت بالا در برابر خوردگی | ||
| حمل و نقل و نصب آسان | ||
| پتانسیل عملکرد لرزه‌ای مناسب | ||
| کاهش هزینه‌ها | ||
| فولاد | شکل‌پذیری بالا | وزن زیاد |
| رفتار سازه‌ای آشنا و مستند | خوردگی در محیط‌های مرطوب | |
| مدول الاستیسیته بالا | اجرای سخت‌تر و پرهزینه‌تر |
نگاهی فراتر از الیاف: وال مش، یک سیستم کامپوزیتی مهندسی‌شده
اگرچه تاکنون تمرکز ما بر مقایسه خواص مکانیکی و فیزیکی الیاف شیشه و فولاد بود، اما درک صحیح از عملکرد وال مش در مهار لرزه‌ای دیوارها تنها با این مقایسه به‌دست نمی‌آید. واقعیت این است که عملکرد نهایی وال مش نه صرفاً به مشخصات الیاف شیشه و توری وال مش، بلکه به رفتار سیستماتیک کل مجموعه کامپوزیتی آن بستگی دارد.
سیستم وال مش از چهار جزء اصلی تشکیل شده است:
- مش الیاف شیشه به عنوان عضو مقاوم در برابر کشش
- ماتریس سیمانی یا گچی که نقش انتقال تنش و پیونددهی دارد
- دیوار بنایی که سیستم روی آن اجرا می‌شود
- نبشی وال مش که مانع جابجایی برون صفحه دیوار می‌شود
این اجزا زمانی می‌توانند نقش مقاوم‌سازی مؤثر ایفا کنند که در کنار یکدیگر و با هماهنگی کامل عمل کنند. در چنین سیستمی، تنش‌های ناشی از زلزله از طریق پلاستر وال مش، به مش منتقل شده و توسط الیاف کششی جذب می‌شوند؛ مشروط به اینکه پیوند بین اجزا دچار ضعف نشود. بنابراین، وال مش یک محصول ساده نیست، بلکه یک سیستم کامپوزیتی دقیق و مهندسی‌شده است که عملکرد آن مبتنی بر طراحی درست، اجرای صحیح و رعایت جزئیات فنی است.
این رویکرد سیستمی است که باعث می‌شود الیاف شیشه بتوانند نقش سازه‌ای ایفا کرده و جایگزینی قابل اتکا برای فولاد در تسلیح دیوارهای غیرباربر باشند.
نقش وال مش در افزایش ظرفیت دیوار
در شرایط بارگذاری لرزه‌ای، هنگامی که دیوار به تنش کششی خود می‌رسد و ترک اولیه ایجاد می‌شود، نقش اصلی به مش الیاف شیشه منتقل می‌شود.
این الیاف، که پیش‌تر به‌دلیل مدول الاستیسیته پایین‌تر، کمتر درگیر بوده‌اند، اکنون با کشش تدریجی وارد مدار تحمل نیرو می‌شوند. پیوند مناسب بین الیاف و ماتریس سیمانی باعث می‌شود که مش، ترک را پل زده و تنش را از یک سمت ترک به سمت دیگر منتقل کند. در این حالت به جای بازشدگی یک ترک بزرگ، ترک‌های متعدد و ریز در سطح پخش می‌شوند؛ وضعیتی که نه‌تنها از نظر سازه‌ای ایمن‌تر است، بلکه توانایی سیستم را در جذب انرژی افزایش می‌دهد.
سخن پایانی
اکنون که تفاوت‌های کلیدی میان الیاف شیشه و فولاد، و همچنین عملکرد مهندسی‌شده‌ی سیستم وال مش برای مقاوم‌سازی دیوارهای غیرسازه‌ای را بررسی کردیم، زمان آن رسیده است که این دانش به تصمیم تبدیل شود. اگر شما هم به دنبال جایگزینی سبک‌تر، سریع‌تر و مقرون به صرفه برای روش‌های سنتی مهار دیوار هستید، وال‌مش می‌تواند پاسخ نیاز پروژه‌ی شما باشد.
ما آماده‌ایم تا بر اساس شرایط خاص پروژه‌تان، تحلیل فنی، مشاوره اجرایی و برآورد دقیق قیمت وال مش ارائه کنیم.
برای دریافت مشاوره یا ارسال اطلاعات پروژه، همین حالا با ما تماس بگیرید.
