در این مقاله جامع ده اصل در طرح و ساخت سازه بتن مسلح با میلگرد کامپوزیتی از جمله اتصالات، خم کاری، رفتار میلگرد در برابر بارها،سازگاری با بتن، نحوه مهار و وصله، کنترل خیز و ترک و آیین نامه های مورد استفاده در طراحی به صورت اجمالی بیان گردیده است.
1) میلگرد GFRP چیست و چرا «اتصال پلیمری» مهم است؟
میلگردهای GFRP بهصورت پالترود تولید میشوند و الیاف شیشهی در یک رزین (معمولاً آپوکسی) آغشته شده و در قالبهای گرم کشیده میشوند؛ حاصل آن ، میلگردی مقاوم با رفتار الاستیک-خطی با مدول الاستیسیته کمتر از فولاد ولی مقاوم به خوردگی است.
اتصال پلیمری (ماتریس رزینی) نقش کلیدی در انتقال تنش بین الیاف، رفتار خزش، گسیختگی، و دوام محیطی دارد.
استاندارد ACI 440.11-22 نخستین «آیین نامه سازهای» رسمی برای بتن مسلح با میلگرد GFRP است و حداقلهای طراحی، مصالح و جزییات را برای میلگردهای مطابق ASTM D7957-22 تعیین میکند.
2) شکلپذیری و قابلیت خمکاری: واقعیتها و محدودیتها
آیا خم کاری میلگرد کامپوزیتی در کارگاه امکان دارد؟ خیر. میلگرد کامپوزیتی GFRP پس از پخت رزین قابل خمکاری در محل نیست؛ تمام خمها باید کارخانهای و با دستگاه های،مخصوص باشند.
همچنین، قدرت ناحیهٔ خمخورده در خاموت و میلگرد مهار کمتر از مقطع مستقییم در میلگرد کامپوزیتی است؛ لذا ظرفیت خمها باید با آزمایش یا توصیهٔ شرکت تولید کننده و آیین نامه کنترل شود.
حداقل شعاع خم حداقل : منابع مهندسی و پژوهشها معمولاً نسبت شعاع خم به قطر میلگرد ≥ 3d را توصیه میکنند و برای قلابها طول مهاری را حدود ~12d پیشنهاد شده است.
پیامد طراحی: چون ناحیهٔ خم ممکن است ظرفیت کمتری داشته باشد، ترجیح با آرماتورهای مستقیم + وصلهی پوششی کافی یا انکرهد مکانیکی سازگار است؛ قلابهای معمولی فولادی جایگزین مستقیم ندارند و باید با قواعد اختصاصی FRP اجرا شوند.
3) رفتار مکانیکی: الاستیک تا شکست، بدون تسلیم
میلگرد کامپوزیتی بدون نقطه پله تسلیم: طراحی بر مبنای مقاومت نهایی و کنترل تغییرشکل و ترک انجام میشود، نه شکلپذیری پلاستیک.
مدول الاستیسیته کمتر از فولاد: نتیجه، خیز و عرض ترک بیشتر در بارهای سرویس است؛ لذا کنترل سرویسپذیری (E، پوشش بتن، فاصله میلگرد، ضریب کاهش محیطی و… ) محور اصلی طرح بتن مسلح با این میلگرد است. این موارد در ACI 440.11-22 و راهنمای طراحی MNL-7(23) با مثالهای عددی توضیح داده شدهاند.
4) پیوستگی با بتن، طول مهاری و وصله
پیوستگی (Bond): بهطور کلی مقاومت پیوستگی GFRP کمتر از فولاد گزارش شده و به نوع بافت و روکش اندودی سطح میلگرد بستگی دارد؛ بنابراین طولهای مهاری و وصله بزرگتر لازم است و کنترل «شکست کششی در مهار» و «گسیختگی کششی پوشش بتنی» مهم است.
5) اثرات حرارتی و سازگاری با بتن
ناهمگونی حرارتی: ضریب انبساط حرارتی عرضی GFRP بهطور معنیداری از طولی و نیز از مصالح بتن و فولاد بزرگتر است، این ناهمگونی بر پیوستگی، خیز و ترک در چرخههای دما اثر میگذارد و باید در جزئیات و الزامات سرویسپذیری دیده شود.
سازگاری رزین (Tg): نزدیکی دمای بهرهبرداری به دمای حالت شیشهای (Tg) رزین میتواند سختی و ظرفیت را کاهش دهد؛ آیین نامه های معتبر ضریبهای کاهش محیطی این اثرات را وارد طرح میکنند.
6) دوام، خزش-گسست و عوامل محیطی
دوام در محیطهای قلیایی و کلریدی:
مزیت بزرگ GFRP مقاومت در برابر خوردگی است، اما رطوبت و دما میتوانند بر خزش-گسست (creep-rupture) تأثیرگذار باشند؛ راهنماهای صنعتی محدود کردن تنش پایدار به حدود 20٪ مقاومت نهایی را ذکر کردهاند.
ضرایب کاهش محیطی (CE): در ACI 440.11-22 و MNL-7(23) استفاده از ضرایب کاهش برای شرایط سرویس (محیط خشن، دما، تر و خشک شدن مکرر توصیه شده است.
7) کنترل خیز و ترک (Serviceability-Driven Design)
بهدلیل مدول E پایینتر، طراحی دالها و تیرهای GFRP اغلب با خیز و عرض ترک حالت حدی سرویس کنترل میشود:
افزایش نسبت آرماتور سراسری یا انتخاب قطر،فواصل بهینه،
افزایش ضخامت بتن پوششی و کیفیت سطح میلگرد برای بهبود پیوستگی،
استفاده از مدلهای ترک و معیارهای خیز مندرج در ACI 440.11-22 و مثالهای عددی.
8) نکات اجرایی و دیتیلینگ که پروژههای بتنی با میلگرد کامپوزیتی را نجات میدهد
خمهای کارخانهای با شعاع ≥ 3d و در نظر گرفتن کاهش ظرفیت در ناحیه خم
در قابهای بتنآرمه، ترجیح وصله پوششیِ مستقیم به جای قلاب انتهایی؛ طول وصله طبق آیین نامه.
کاهش تنش پایدار برای دوری از خزش-گسست در بهرهبرداری طولانیمدت.
توجه به CTE عرضی بالا و چرخههای حرارتی در سازههای اکسپوز و کممحافظ.
استفاده از سطوح اندود ماسهپاشی دندانهدار با کیفیت برای پیوستگی بهتر؛ طولهای مهاری را مطابق آیین نامهدبگیرید.
کنترل سرویسپذیری را زود و با مدل مناسب داخل فرآیند طرح وارد کنید
9) چارچوبهای آیین نامه ای و مرجع طراحی میلگردهای کامپوزیتی
ACI CODE-440.11-22: الزامات مصالح، مقاومت، سرویسپذیری، بارها و ترکیبات، طول مهاری و وصله، با ارجاع به ASTM D7957-22
GFRP-Reinforced Concrete Design Handbook (MNL-7(23)): مثالهای عددی و راهنمای کاربردی، همنشین 440.11-22.
CSA S806 (R2021): استاندارد کانادایی طراحی/ساخت اجزای FRP در ساختمانها بر مبنای حالت حدی.
ACI 440.3R (2012/2004): روشهای آزمون FRP (پیوند، خمش، برش، دوام…)
10) جمعبندی اجرایی برای مهندسین طراح سازه با میلگرد کامپوزیتی
GFRP شکلپذیری پلاستیک فولاد را ندارد؛ بنابراین طرح با سرویسپذیری (خیز، ترک) و جزئیات مهاری تعیینکننده است.
خمها را کارخانهای، با شعاع کافی و با فرض کاهش ظرفیت در ناحیه خم در نظر بگیرید.
برای این نوع میلگردها پیوستگی را با سطح مناسب و طول مهاری و وصله بزرگتر از فولاد باید تأمین کنید.
CTE ضرایب کاهش محیطی در طراحی این سازه مهم و همواره آن را باید در طراحی اعمال کنید.
همواره سه رفرنس ACI 440.11-22، MNL-7(23) و یا CSA S806 برای محاسبات نهایی سازه با میلگرد کامپوزیتی هستند.