مقایسه رفتار تیرهای بتنی مسلح به میلگرد فولادی، GFRP و BFRP
بتن یکی از مصالح پرکاربرد در صنعت ساختوساز است، اما به دلیل ضعف ذاتی در مقاومت کششی، برای کاربردهای سازهای بهتنهایی مناسب نیست. به همین دلیل از آرماتورهای فولادی برای افزایش مقاومت کششی بتن استفاده میشود. با وجود مزایای فراوان، فولاد معایبی همچون خوردگی و وزن بالا دارد که پژوهشگران را به سمت استفاده از مصالح جایگزین مانند میلگردهای پلیمری تقویتشده با الیاف (FRP) سوق داده است. مخصوصا در نواحی ساحلی و با درصد رطوبت بالا بخصوص در نواحی حاشیه خلیج فارس گزینه مناسبی برای جایگزینی با یملگردهای فولادی میتواند تلقی شود.
در این متن به بررسی مقاله «تحلیل مقایسهای عملکرد تیرهای بتنی کوچک مسلحشده با میلگردهای فولادی و آرماتورهای غیرفلزی» که توسط Abel A. Belay، Julita Krassowska و Marta Kosior-Kazberuk تهیه و منتشر شده می پردازیم. لینک دانلود کل مقاله در انتهای این متن قرار گرفته و قابل دانلود می باشد.
فهرست مطالب
معرفی میلگردهای FRP
میلگردهای FRP در انواع مختلف شامل:
- GFRP الیاف شیشه
- BFRP الیاف بازالت
- CFRP الیاف کربن
- AFRP الیاف آرامید
مطالعات اخیر نشان دادهاند که GFRP و BFRP بیشترین کاربرد را در سازههای بتنی پیدا کردهاند.
GFRP (Glass Fiber Reinforced Polymer) و BFRP (Basalt Fiber Reinforced Polymer) دو نوع میلگرد پلیمری غیرفلزی هستند که بهعنوان جایگزین میلگرد فولادی در بتن استفاده میشوند.
GFRP
از الیاف شیشهای در ماتریس پلیمری ساخته میشود؛ سبکتر از فولاد است، در برابر خوردگی بسیار مقاوم بوده و رسانایی الکتریکی ندارد. اما مدول الاستیسیته آن کمتر از فولاد است، یعنی تغییرمکان (deflection) بیشتری تحت بار ایجاد میکند.
BFRP
از الیاف بازالت (سنگ آتشفشانی طبیعی) تولید میشود؛ نسبت به GFRP مقاومت کششی بالاتر و دوام بیشتری در محیطهای قلیایی و دمای بالا دارد. هزینه آن معمولاً بین GFRP و CFRP (الیاف کربن) قرار میگیرد.
بهطور کلی، هر دو نوع برای سازههایی که در معرض رطوبت، محیطهای شیمیایی خورنده یا نیازمند وزن کمتر هستند (مثل پلهای ساحلی، سازههای دریایی و بیمارستانها) گزینههای مناسبیاند، ولی باید افزایش تغییرمکان نسبت به فولاد در طراحی در نظر گرفته شود.
روش تحقیق و نمونهها
در این پژوهش تیرهای بتنی کوچک به ابعاد 80×120×1100 میلیمتر ساخته شدند. سه گروه آرماتور بهکار رفت:
- میلگرد فولادی
- میلگرد GFRP
- میلگرد BFRP
آزمایش بارگذاری خمشی تا مرحله شکست روی نمونهها انجام شد و ظرفیت باربری، خیز وسط دهانه، تغییرشکلها و الگوهای شکست مورد بررسی قرار گرفتند.
نتایج آزمایش
ظرفیت نهایی باربری
- تیرهای فولادی: 20 و 21.8 کیلونیوتن
- تیرهای GFRP: 33.8 و 40 کیلونیوتن
- تیرهای BFRP: 26.3 و 30.5 کیلونیوتن
👉 نتیجه: تیرهای GFRP بهترین عملکرد را داشته و به ترتیب 76.5% و 35.8% باربری بیشتری نسبت به فولاد نشان دادند.
خیز (Deflection)
- فولاد: حدود 4.7 میلیمتر
- GFRP: حدود 14 میلیمتر
- BFRP: حدود 16 تا 21 میلیمتر
👉 نتیجه: FRPها ظرفیت باربری بالاتری دارند، اما خیز بیشتری نسبت به فولاد ایجاد میکنند.
تغییر شکل در مقاطع مختلف تیر
- ناحیه فشاری: بیشترین تغییر شکل در BFRP (3.45‰)
- ناحیه خنثی: بیشترین تغییر شکل در BFRP (7.95‰)
- ناحیه کششی: بیشترین تغییر شکل در BFRP (10.76‰)
نتیجه: BFRP بیشترین تغییر شکلها را داشت و GFRP در میانه قرار گرفت.
الگوهای شکست
- فولاد: شکست زودرس با ترکهای محدود و باریک.
- GFRP: شکست تدریجی با ترکهای مورب بلند و گسترش ترک تا ناحیه تکیهگاه.
- BFRP: ترکیبی از شکست خمشی و برشی مورب.
جمعبندی و نتیجهگیری
- GFRP بهترین عملکرد را در ظرفیت باربری و شکلپذیری داشت.
- BFRP عملکردی متوسط بین فولاد و GFRP نشان داد.
- هر دو نوع FRP خیز و تغییر شکل بیشتری نسبت به فولاد داشتند.
- فولاد زودتر دچار شکست شد، اما FRPها رفتار شکلپذیرتری از خود نشان دادند.
✅ این نتایج نشان میدهد استفاده از میلگردهای FRP میتواند جایگزین مناسبی برای فولاد در سازههای بتنی باشد، بهویژه در محیطهای خورنده و پروژههایی که به دوام طولانیمدت نیاز دارند. با این حال، برای تیرهای در مقیاس واقعی، تحقیقات بیشتر در زمینه کنترل خیز و مدلهای طراحی موردنیاز است.
