FRCM چیست؟ | پایدارسازی دیوار با کامپوزیت FRCM

در قلمرو مهندسی سازه و صنعت ساختمان، پیگیری مداوم نوآوری و پیشرفت‌ها بسیار مهم است. همانطور که دانش ساخت و ساز تکامل می‌یابد، مصالح و تکنیک‌های ساخت نیز باید برای اطمینان از ایمنی، دوام، انعطاف‌پذیری و بهبود بهره‌وری سازه‌ها پیشرفت کنند. کامپوزیت سیمانی تقویت‌شده با الیاف (FRCM) به عنوان یک پیشرفت قابل توجه در زمینه تقویت و تعمیر سازه‌ها ظاهر شده است.

در این کامپوزیت، استحکام بالای الیاف، با خواص دوام و چسبندگی مواد سیمانی ترکیب شده که آن را به یک راه حل جذاب برای طیف گسترده‌ای از کاربردها تبدیل می‌کند. تطبیق‌پذیری و عملکرد استثنایی FRCM انقلابی در این زمینه ایجاد نموده و مهندسین و متخصصان ساخت و ساز را به ابزاری قدرتمند برای تقویت و افزایش عمر مفید سازه‌ها مجهز کرده است.

FRCM چیست؟

FRCM مخفف عبارت Fabric-Reinforced Cementitious Matrix به معنای ماتریس سیمانی تقویت شده با الیاف است. در واقع FRCM یک سیستم کامپوزیت است که اجزای اصلی آن شامل یک شبکه الیاف (مش) با استحکام بالا و یک ماتریس سیمانی است. مش که معمولاً از الیاف کربن یا شیشه ساخته می‌شود، به عنوان تقویت‌کننده عمل کرده و استحکام کششی سیستم را فراهم می‌کند. ماتریس (ملات) سیمانی، متشکل از سیمان، سنگدانه‌های ریز و سایر مواد افزودنی، به عنوان چسبنده عمل کرده و انسجام و دوام سیستم را تأمین می‌کند.

سیستم‌های ماتریس سیمانی تقویت شده با منسوج (FRCM) به عنوان یک فناوری نوین و با دوام برای تعمیر، تقویت و مهار سازه‌های بتنی و بنایی استفاده می‌شوند و جایگزینی برای روش‌های سنتی مانند پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP)، ژاکت فولادی، افزایش ابعاد مقطع، وال‌پست و غیره هستند. طبق توصیه مؤسسه بتن آمریکا در استاندارد شماره 549، کامپوزیت FRCM سیستمی است که در آن تمام اجزای تشکیل‌دهنده به عنوان یک ترکیب منحصر به فرد تولید و آزمایش می‌شوند و باید از انتخاب و اختلاط تصادفی محصولات موجود در بازار برای تولید آن اجتناب شود.

اصلی‌ترین مزایای FRCM

کامپوزیت‌های سیمانی تقویت‌شده با الیاف مزایای متعددی دارند که آن‌ها را به یک راه حل بسیار مورد استقبال برای تقویت و بازسازی سازه‌های بتنی و مصالح بنایی تبدیل کرده است. برخی از مهم‌ترین مزایای سیستم‌های FRCM عبارتند از:

• استحکام بالا: سیستم‌های FRCM به دلیل مقاومت بالای الیاف تعبیه شده در آن‌ها، استحکام عالی را ارائه می‌دهند. این کامپوزیت بدون آن که وزن قابل توجهی به سازه تحمیل کند، افزایش قابل توجه ظرفیت باربری و عملکرد خمشی سازه‌های موجود را امکان پذیر می‌کند.
• مقرون به صرفه: در بسیاری از موارد، سیستم‌های FRCM راه حلی مقرون به صرفه برای تقویت و مهار سازه هستند. آن‌ها نیاز به تخریب و بازسازی پرهزینه را از بین می‌برند و در عین حال عملکردی قابل مقایسه و حتی برتر نسبت به روش‌های جایگزین ارائه می‌دهند.
• نصب آسان و سریع: سیستم‌های FRCM به راحتی اجرا می‌شوند و به حداقل زمان لازم برای تقویت و مهار اجزای ساختمان نیاز دارند.
• سازگاری و تطبیق پذیری بالا: سیستم‌های FRCM را می‌توان بر روی طیف وسیعی از بسترها از جمله بتن، انواع مصالح بنایی و حتی سازه‌های تاریخی استفاده کرد. FRCM پایه سیمانی دارد و به بهترین شکل ممکن با بستر زیرین خود پیوند می‌خورد. این کامپوزیت با اکثر مصالح بنایی سازگار است و با بستر زیرین خود یک سیستم یکپارچه را ایجاد می‌کند.
• دوام و طول عمر بالا: در صورتی که ضوابط فنی در طراحی و تولید کامپوزیت‌های FRCM رعایت شود، این محصول دوام بالایی داشته و طول عمری به اندازه عمر مفید ساختمان پیدا می‌کند.
• توسعه پایدار: سیستم‌های FRCM با روش‌های ساخت پایدار و سازگار با محیط زیست هماهنگ هستند. مصالح مورد استفاده در کامپوزیت FRCM در مقایسه با روش‌های تقویت‌کننده سنتی مانند فولاد، اثرات مخرب زیست‌محیطی کمتری دارند.
• ضخامت و ابعاد کم: سیستم‌های FRCM برخلاف روش‌های سنتی مانند ژاکت فولادی و بتنی که وزن یا ضخامت زیادی به سازه اضافه می‌کنند، بسیار نازک و سبک هستند. این ویژگی به ویژه هنگامی که با محدودیت‌های فضایی یا معماری سروکار داریم مهم است.
• افزایش شکل‌پذیری: شکل‌پذیری برای سازه‌هایی که در معرض نیروهای لرزه‌ای قرار می‌گیرند بسیار مهم است، زیرا به آن‌ها اجازه می‌دهد تا بدون شکست ناگهانی تحت تغییر شکل کنترل شده قرار گیرند. ادغام الیاف در ماتریس سیمانی، شکل‌پذیری عناصر تقویت شده را افزایش می‌دهد.
• کنترل ترک: سیستم‌های FRCM به طور موثر ترک‌ هایی که ممکن است در بستر زیرین به دلیل عوامل مختلف مانند انقباض، تغییرات دما یا جابجایی ایجاد شود را کنترل می‌کنند.

آشنایی با تعاریف مختلف FRCM

فصل دوم از استاندارد ACI 549 به تعریف اصطلاحات مربوط به FRCM پرداخته است. در ادامه برخی از مهم‌ترین اصطلاحات و تعریف آن‌ها را بررسی می‌کنیم:

• ماتریس پایه سیمانی (Cement-based Matrix): ملات سیمانی غیرآلی هیدرولیک یا غیرهیدرولیک که مش تقویتی را در کامپوزیت FRCM در جای خود نگه می‌دارد. اگر ملات اصلاح شده با پلیمر باشد، حداکثر محتوای ترکیبات آلی (پلیمرهای خشک) که می‌توان به ماتریس اضافه کرد، 5 درصد وزنی سیمان است.
• پوشش (Coating): یک ترکیب آلی که پس از بافت مش، روی الیاف اعمال می‌شود تا از آن محافظت کند، دوام و پایداری طولانی‌مدت الیاف را افزایش دهد و امکان جابجایی و نصب آسان را فراهم کند.
• شبکه تقویت‌کننده (Mesh): ساختار مسطح بافته شده از انواع الیاف از جمله الیاف شیشه، کربن، آرامید، بازالت و … است. این شبکه با بافتن نخ‌ها در دو جهت عمود بر هم به وجود می‌آید. معمولاً روی الیاف این شبکه یک پوشش پلیمری اعمال می‌شود تا علاوه بر محافظت از الیاف، کارپذیری و امکان حمل و نصب آسان آن فراهم شود.

کاربردهای FRCM چیست؟

کاربردهای کامپوزیت سیمانی تسلیح شده با الیاف را می‌توان در سه بخش دسته‌بندی کرد. تقویت و تعمیر سازه‌های بتنی، تقویت و تعمیر سازه‌های مصالح بنایی، تقویت و مهار لرزه‌ای سازه‌ها. در هر کاربرد، جزئیات طراحی و اجرای سیستم FRCM منحصر به فرد بوده و به عواملی مانند شرایط سازه، اهداف عملکردی و الزامات پروژه بستگی دارد. در ادامه اصلی‌ترین کاربردهای FRCM شرح داده شده است:

• مقاوم‌سازی لرزه‌ای سازه‌ها: FRCM در پروژه‌های مقاوم‌سازی لرزه‌ای برای بهبود عملکرد لرزه‌ای سازه‌های موجود به کار می‌رود. این کامپوزیت، شکل پذیری عناصر سازه را افزایش داده و به اتلاف نیروهای لرزه‌ای در هنگام زلزله کمک می‌کند.
• مهار لرزه‌ای دیوارها: از FRCM در مهار دیوارهای ساختمان در برابر نیروهای جانبی (همان کاری که وال‌پست در دیوار انجام می‌دهد) می‌توان استفاده کرد. نوارهای مش به همراه پلاستر سیمانی روی دیوار اجرا شده و لنگرهای خمشی برون‌صفحه دیوار را تحمل می‌کنند. این روش که به نام وال‌مش شناخته می‌شود، در استاندارد 2800 به عنوان روش نوین مهار دیوار و جایگزینی برای وال‌پست معرفی شده است. اجرای وال‌مش به جای وال‌پست موجب عملکرد بهتر در هزینه، زمان و کیفیت پروژه است. در بخش بعدی، این سوال که وال‌ مش چیست؟ و نحوه عملکرد آن را بیشتر توضیح خواهیم داد.
• تقویت خمشی تیرها و دال‌ها: از FRCM می توان برای تقویت و افزایش ظرفیت باربری تیرها و دال‌های بتنی که مقاومت خمشی کافی از خود نشان نمی‌دهند استفاده کرد. مش تقویت‌کننده در آن سمت عضو که تحت کشش قرار دارد، نصب می‌شود. مش با مقاومت در برابر نیروهای کششی و توزیع این تنش‌ها، به طور مؤثری عملکرد خمشی عضو را بهبود می‌بخشد.
• تقویت برشی تیرها: برای افزایش ظرفیت برشی تیرها، سیستم FRCM به صورت نواری یا گسترده بر دهانه برشی تیر نصب می‌شود.
• تقویت ستون: FRCM برای تقویت ستون‌ها، به ویژه در برابر بارهای محوری یا جانبی استفاده می‌شود. پیچاندن مش تقویت‌کننده به دور ستون و اجرای پلاستر سیمانی، با اعمال نیروی محصورشدگی، استحکام و شکل‌پذیری ستون را افزایش داده و آن را قادر به تحمل بارهای افزایش‌یافته می‌کند.
• تقویت دیوار بنایی: از FRCM برای تقویت دیوارهای بنایی مانند دیوارهای آجری یا بلوکی که ترک‌خوردگی دارند یا در برابر بارهای جانبی پایداری کافی ندارند، استفاده می‌شود. الیاف تسلیح‌کننده به همراه یک پوشش سیمانی روی سطح دیوار اجرا می‌شود و سیستم کامپوزیتی ایجاد می‌کند که استحکام کششی دیوار، مقاومت در برابر ترک‌خوردگی و پایداری در برابر نیروهای خارجی را افزایش می‌دهد.

وال مش چیست و چگونه دیوار را مهار می‌کند؟

وال مش راهکاری نوین برای مهار لرزه‌ای دیوارهای غیرسازه‌ای است که از فناوری کامپوزیت سیمانی تسلیح شده با منسوج (FRCM) برگرفته شده است. این کامپوزیت سیمانی با قرارگیری بر روی دیوارهای غیرباربر، سختی و استحکام قابل ملاحظه‌ای در برابر بارهای جانبی زلزله به دیوار می‌بخشد که در نهایت عملکرد مطلوبی به ساختمان می‌دهد. در این راهکار، نوارهای مش فایبرگلاس روی دیوار قرار گرفته و یک پلاستر سیمانی یا گچی روی آن اجرا می‏شود. ترکیب حاصل یک کامپوزیت توانمند ایجاد می‏کند که دیوار را در برابر لنگر حاصل از نیروی برون صفحه زلزله مستحکم می‏کند.

برای درک نحوه عملکرد وال‌ مش در مهار لرزه‌ای دیوار، باید نحوه توزیع نیروهای وارد بر دیوار را بدانیم. رفتار دیوار در توزیع نیروها و لنگرها به مانند یک دال دوطرفه است. به این معنی که لنگرهای وارد شده به دیوار در دو راستای افقی و قائم توزیع می‌شوند. مقاومت افقی دیوار در برابر لنگرهای خمشی ناچیز است و در صورت عدم تقویت دیوار در این راستا، هنگام زلزله آسیب جدی به آن وارد می‌شود.

همچنین در صورتی که طول دیوار نسبت به ارتفاع آن زیاد شود، بخش بیشتر لنگرها در راستای قائم وارد می‌شود که ممکن است از ظرفیت دیوار بیشتر شود. با اجرای وال‌ مش روی دیوار، رفتار دیوار به دال یک‌طرفه تغییرشکل داده و تمام لنگرهای خمشی در راستای قائم توزیع می‌شود. با این تفاوت که خمش توسط کامپوزیت وال‌ مش تحمل می‌شود نه دیوار. در این شرایط نیازی به تقویت دیوار در راستای افقی نیست و محدودیتی در طول و ارتفاع دیوار نداریم.

سخن پایانی

همگام شدن با پیشرفت تکنولوژی برای صنعت ساختمان امری ضروری است. فناوری‌های نوین همواره وارد این صنعت می‌شوند و به دلیل برتری‌هایی که نسبت به راهکارهای سنتی دارند، آن‌ها را کنار می‌زنند. امروزه وال‌ مش به عنوان راهکار نوین مهار لرزه‌ای دیوارها، جایگزین وال‌ پست شده و در بسیاری از پروژه‌های ساختمانی در مناطق مختلف کشور استفاده می‌شود.

شرکت وال‌ مش با تولید محصولات این کامپوزیت مطابق استانداردهای معتبر داخلی و بین‌المللی و طراحی نقشه جانمایی والمش بر اساس ضوابط فنی آیین‌نامه‌ای، آماده خدمت به مجریان و کارفرمایان پروژه‌های ساختمانی در راستای بکارگیری این فناوری نوین است.