عده ای از پژوهشگرانِ حوزه ی راه و ساختمان دست به تهیه ی مقاله ای ترکیبی از روشهای آزمایش و مشخصات طراحی در رابطه با اعضای بتنی پیش تنیده ی تیرچه های پیش تنیده با کابل های کامپوزیت پلیمری تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) زده اند. برخلاف سایر مقالات پیشرفته که آزمایش‌های آزمایشگاهی و مدل‌سازی عددی را انجام می‌دهند، محتویات عملی به نفع مهندسان سازه و مواد که علاقه مند به بهره برداری از این فناوری غیر متعارف هستند، گردآوری و ارزیابی می‌شوند.
طراحی تیرچه ی پیش تنیده و اعضای آن
رویکردهای تجربی مختلفی در این پژوهش مورد تحلیل و بررسی قرار گرفتند، از جمله الزامات نمونه برداری، اندازه گیری ویژگی اجزای بکار رفته، ظرفیت باربری، استحکام پیوند و ویژگی‌های وابسته به زمان تیرچه ی پیش تنیده. تا آنجا که به پیاده سازی مواد و اجزای پیش تنیده در تیرچه پیش تنیده مربوط می شود، مفاد طراحی خاص مورد بررسی قرار گرفته و کاربرد آنها در برابر یافته های تحقیقاتی اخیر ارزیابی می شود. در پژوهش روبرو، تاکید دانشمندان این حوزه بر محدودیت های پیش تنیدگی، رفتار خمشی و برشی، قابلیت سرویس دهی و طول تیرچه ی پیش تنیده بوده است. نیازهای تحقیقاتی در این پژوهش برای رسیدگی به چالش‌های کنونی پیش روی جامعه مهندسی از بتن و تیرچه ی پیش تنیده شناسایی شده اند. لزوم بکارگیری محصولات پیش تنیده جدید در زمینه ی پروژه های ساختمانی و شهرسازی، زیرساخت های پایدار از دیدگاه های اجتماعی-اقتصادی مورد توجه اولیه ی مهندسان عمران قرار می گیرند. یک مطالعه اخیراً اینطور گزارش می دهد که تأثیر خوردگی مصالح ساختمانی قابل توجه است و هزینه مستقیم بیش از ۵۵۸ میلیارد دلار در ایالات متحده را بر کارفرمایان و پیمانکاران تحمیل کرده است که معادل ۳٫۱٪ از تولید ناخالص داخلی (GDP) این کشور می شود.
بنابراین، پژوهشگران مشتاق به دنبال مصالح جدید که جایگزین‌هایی با کارایی بالا و بادوام هستند که بتوانند جایگزین مصالح ساختمانی معمولی شوند. در همین راستا کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف کربن (CFRP) که از صنایع مکانیکی، هوافضا و نظامی سرچشمه می گیرند، توجه مهندسان سازه را به خود جلب کرده اند و تحقیقات فعالی در سراسر جهان در این زمینه در حال انجام است.
مزایای قابل توجه تیرچه ی پیش تنیده CFRP
مزایای قابل توجه تیرچه ی پیش تنیده CFRP در مقاومت در برابر خوردگی، استحکام و ضریب مطلوب، وزن سبک و حمل آسان است. هزینه نسبتاً بالای کامپوزیت ها ممکن است با صرفه جویی در فعالیت های ساخت و نگهداری جبران شود. خواص بکارگیری مواد و تیرچه ی پیش تنیده CFRP همانطور که در مورد بتن آرمه وجود دارد، عناصر بتنی پیش تنیده و تیرچه های پیش تنیده که پل های بزرگراه ها و گاراژهای پارکینگ ها را تشکیل می دهند، از نمک های یخ زدایی مضر در کنار بارگیری خودرو آسیب می بینند، که این مساله می تواند فرآیند الکتروشیمیایی مواد را برای آسیب خوردگی تسریع کند.
رشته‌های فولادی ضعیف غیر پیش تنیده ی بکار رفته در سازه ها، ترک خوردگی و پوسته شدن بتن پوششی را رسوب داده، پیوند را با یک بستر کاهش می دهند، استحکام کششی را کم کرده و تلفات پیش تنیدگی را تسهیل می کنند. برای غلبه بر این چالش‌ها، کابل های CFRP ممکن است جایگزین رشته‌های فولادی شوند و طیف گسترده‌ای از پروژه‌های تحقیقاتی شامل لنگر، انحراف، تغییر شکل‌پذیری، فولاد تقویت‌کننده کمکی غیر پیش تنیده، بارگذاری طولانی مدت و طول انتقال برای درک رفتار تیرچه های بتنی پیش تنیده CFRP انجام شده است. برخی از خصوصیات منحصر به فرد بتن و تیرچه ی پیش تنیده با CFRP به شرح زیر است: ماده تسلیم نمی شود و بنابراین مفهوم شکل پذیری قابل اجرا نیست؛ خواص اجزای تشکیل دهنده قابل تنظیم است؛ نسبت بین لحظه های اینرسی قبل و بعد از تَرَک زیاد است؛ و هر دو حالت شکست فشاری و کششی مجاز هستند.
آرماتوربندی کابلهای CFRP در یک غلاف فلزی
برای آرماتوربندی کابلهای CFRP در یک غلاف فلزی، پرکننده‌های مختلفی ممکن است استفاده شود: سیمان گسترده، گوه‌های فولادی و بتن پیش تنیده (کارایی بتن پیش تنیده) با عملکرد فوق‌العاده بالا. در واقع بحث های جامعی بین مهندسان عمران و شهرسازی در مورد سیستم های آرماتوربندی در تیرچه ی پیش تنیده برای الیاف CFRP در جاهای دیگر موجود است. برای همین هم در راستای همسویی با تلاش های سطح فدرال در زمینه توسعه مشخصات بتن و تیرچه ی پیش تنیده با CFRP، یک مشارکت در سطح ایالتهای آمریکا از نظر مستند سازی دستورالعمل های عملی فعال است. با این حال، پژوهشگران این حوزه باید در نظر داشته باشند که روشهای استاندارد تولید تیرچه پیش تنیده و محصولات پیش تنیده هنوز برای کابلهای CFRP ایجاد نشده است؛ در نتیجه، خواص محصولات تجاری موجود بر اساس تولیدکنندگان متفاوت است. بعلاوه، تضمین کیفیت برای تضمین عملکرد مورد نظر اعضای باربری تیرچه ی پیش تنیده ضروری است. به همین دلیل، آزمایش مواد کافی یکی از پیش نیازهای اصلی برای دستیابی به محیط های ساخته شده طولانی مدت است. علاوه بر این، برخلاف بتن پیش تنیده فولادی، مهندسان با بتن و تیرچه ی پیش تنیده با CFRP به دلیل کمبود اطلاعات دست اول که توسط توضیحات مشروح پشتیبانی می شود آشنا نیستند.
صورتهای مختلف مواد در تیرچه ی پیش تنیده
صورتهای مختلف مواد در تیرچه ی پیش تنیده در ساخت تیرچه ی پیش تنیده با CFRP، ترکیب CFRP شامل الیاف کربن و یک ماتریس رزین است. با توجه به اینکه استحکام و سختی کامپوزیت توسط پیکربندی الیاف تعبیه شده کنترل می شود، برای مهندسان ساختمان جهت گیری زوایای الیاف و نسبت کسر حجمی از نقطه نظر عملی بسیار مهم است. فیبر کربن، رزین، تکنیک ساخت، و کابل پیش تنیده از مهمترین عناصر و اجزای بکار رفته در ساخت تیرچه ی پیش تنیده با CFRP بشمار می روند. تا آنجا که به بتن پیش تنیده مربوط می شود، CFRP یک ماده استاندارد در نظر گرفته می شود. ازهنگامی که بتن پیش تنیده با FRP در دهه ۱۹۹۰ آغاز شد، هر دو کابل AFRP (آرامید FRP) و CFRP جامعه تحقیقاتی را به خود جلب کردند؛ با این حال، از آنجایی که CFRP در بسیاری از موارد عملکرد بهتری داشت، AFRP در حال حاضر برای پروژه های ساختمانی به کار نمی رود.