کاربرد بتن مسلح به الیاف شیشه (GFRC) درصنعت بتن پیش ساخته و کاربردهای معماری

مصالح GRC دارای مزیت های قابل توجهی نسبت به محصولات بتنی متداول است. به لحاظ وزنی ،سبک وآسان برای جابجایی می باشد و سرعت نصب بالایی دارد. سبک بودن نسبت به بتن نرمال در کاربرد هایی که وزن بالای بتن پیش ساخته آن را غیر اقتصادی و نامناسب می سازد ،مقرون به صرفه تر است. تحقیقات در مورد کامپوزیت های GFRC در دهه 1960میلادی آغاز شده است و بیش از 58 سال در استفاده تجاری در صنعت ساخت و ساز موفق بوده است.این مساله به اثبات رسیده است که اگر GFRC مطابق شیوه های توصیه شده ،طراحی و تولید شده باشد ،دارای دوام و طول عمر قابل قبول به عنوان یک مصالح ساختمانی مورد پذیرش می باشد ،اگرچه خواص آن تا حدی به طور کامل مورد تحقیق قرار گرفته است ولی نه بیش از هر ماده دیگر. تحقیق و توسعه بیشتر در کاربرد های جدید و فرآیند های تولید انبوه ،GFRC را به فاز بعد از کاربرد های بزرگ مقیاس به حرکت خواهد در آورد[4].
المان های GFRC معمولا برای اجزای پیش ساخته از قبیل پانل های دیواری ،کتیبه ها و پوشش ستون ها ،قطعه های معماری از قبیل قرنیزها ،طاقچه ها ، نرده ها و حتی برای لوازم داخلی خانه از قبیل پایه میز، گلدان و شومینه ها مورد استفاده قرار می گیرند.قطعات GFRC سبکی قابل ملاحظه ای نسبت به المان های پیش ساخته معمولی دارند.وزن محصولات GFRC تقریبا یک چهارم المان های پیش ساخته معمولی می باشد ،که این امر سبب می شود قطعات نه چندان بزرگ پیش ساخته GFRC را بدون استفاده از چرثقیل و توسط نیروهای انسانی حمل و نصب نمود. خاصیت سبک بودن نما با استفاده از GFRC باعث می شود که وزن ساختمان کاهش یابد و شرایط برای طراحی توسط مهندسان طراح مناسب تر شود[3].
مزیت GRC در ساخت دیوار پوسته ای (curtain wall) [24]:
الف) مقاومت گسیختگی بیشتر از Mpa 18، 5 برابر بتن متداول و 2 برابر سنگ طبیعی،
ب) وزن کم با استحکام و سرعت نصب بالا،
ج) مناسب برای سازه های مدرن غیر خطی و شکل دار به دلیل فرم پذیری بالا،
د) مقاومت بالا در برابر حملات شیمیایی به دلیل آنکه الیاف شیشه ضد قلیایی به راحتی الیاف فولادی در بتن زنگ نمی زند،
و) پایداری در شرایط آب و هوایی مختلف، و
ه) آب بندی شده با درزگیرهای فتوکاتالیست با عملکرد خود تمیز شونده در زمان استفاده از مواد نانو .

تاریخچه کاربرد GFRC در ساخت قطعات پیش ساخته نما
شروع کاربرد الیاف شیشه به منظور تولید محصولات بتنی مسلح به الیاف شیشه ای (GFRC) همچون پانل های پیش ساخته و قطعات نما به عنوان مصالح پوششی به ویژه درنمای ساختمان های شاخص مانند ساختمان کانن واقع درمرکز شهر لندن طراحی شده به وسیله وینی سون وآستن هال به عنوان دفتر اداری مدرن بین سال های 1974 و 1977 میلادی در اشکال 2-1 و -2 قابل مشاهده است .برای این ساختمان 7 طبقه حدود 1900 قطعه پانل دو پوسته ساخته شد] 15[.

شکل2- 1- ساختمان Cannon street bulding ساخته شده با پانل های GRC ] 15[.

شکل 2-2- نمای دوپوسته ساختمان ساخته شده با پانل های GRC ] 16[.

شکل 2-3-کارخانه تولیدات روغن یونیورسالUOP ] 17[.

GRC در کارخانه ی فراگرنس در تادورز بریتانیا طراحی شده توسط رنزو پیانو و روگرز در سال های 4-1973 میلادی قطعات GRC به صورت تخت نصب شده است که در شکل 2-3نشان داده شده است.
در سال 1984میلادی در ساختمان 32 طبقه پارک در سانفرانسیسکو 3624 قطعه پانل GRC در پوشش نمای ساختمان به کار برده شد و در سال 1990 میلادی برای اولین بار قطعات GRC برای ساخت مجسمه و المان های تزئینی معماری نشان داده شده در شکل های 2-4 و 2-5 ، در ساختمان مشهور تاریخی شپردهال که در شکل 2-6 نشان داده شده ،در نیویورک به کار گرفته شد که بیش از 72000 قطعه از GRC شامل 4000 اشکال محدود و مجسمه های تزیینی ساخته شد] 8[.

شکل 2-4 –المان های معماری GRC ] 18[.

شکل2-5- المان های معماریGRC ] 18[ .

شکل 2-6 -ساختمان تاریخی Shepard hall ] 18[.

پوشش هایGFRC دیواری نازک در دهه 1980 و 1990 میلادی عمدتا به عنوان پوشش های دکوراتیو به کار می رفته است ، هرچند در نمایشگاه 2008 میلادی در زاراگوزا ، معماران ZHA قطعات GFRC دیواری نازک را به عنوان پوشش ساختمان پل نمایشگاه به کار برده اند که در شکل 2-7 قابل مشاهده است و در سال 2010 جام جهانی در آفریقای جنوبی ،معماران HOK استادیوم فوتبال شهرکه در شکل 2-8 نشان داده شده است را با GFRC جدار نازک تخت (لمینیت شده )طراحی کرده اند ] 9[.
نمای منحنی الخط استادیوم از لمینت های GFRC در 8 رنگ متفاوت و دو بافت ساخته شده است ] 14[.

شکل 2-7- پل نمایشگاهExpo 2008 در zaragoza اسپانیا] 19[.

شکل2-8- استادیوم فوتبال مسابقات جام جهانی2010 –آفریقای جنوبی] 20[.

از موفق ترین پروژه های اخیر که GFRC در آن به عنوان پوشش نما به صورت پارامتریک به کار برده شده است می توان موزه براد که در شکل 2-9 نشان داده شده است ، واقع در شهر لس آنجلس ایالات متحده ، طراحی شده توسط دیلر اسکوفیلد و رفنفرو نام برد که تولید آن را شرکت سیل ویلز مطابق با شکل 2-10ساخته و در سال 2015 میلادی اجرای آن را به عهده داشته است] 10[.

شکل 2-9- ساختمان موزه ی هنر Broad شهرLos Angeles ] 21[.

شکل 2-10- نصب آزمایشی قطعات GRC نمای موزه ی هنر Broadدر مقیاس 1:1] 22[.

در سال 2018 میلادی قطعات GRC به طور احساسات برانگیزی در استخوان بندی خارجی آسمان خراش موزه¬ی هزاره که در شکل 2-11نشان داده شده است ، در شهر میامی ایالات متحده و طراحی شده توسط معماران ZHA، به کار برده شده است که یکی از خارق العاده ترین کاربردهای GRC تاکنون می باشد] 8[.

شکل 2-11- آسمانخراش موزه 1000 در حال اجرای نما با قطعات GRC ] 23[ .

2-4- نما
به جهت آنکه کاربرد قطعات پیش ساخته GFRC در صنعت ساختمان و پوشش نمای ساختمانی مشخص گردد ،در ابتدا به طبقه بندی انواع نما مطابق با ضابطه 714 نظام فنی و اجرایی کشور و مرکز تحقیقات راه و مسکن و شهر سازی می پردازیم[25].
2-4-1 انواع نما از نظر نحوه اجرا و اتصال
انواع نماهاي خارجی متداول شامل دیوار پرده اي ، دیوار نما و نماي مهار شده به دیوار میانقابی هستند که هرکدام می توانند به صورت مهار شده یا چسبانده شده مطابق شکل 2-12 اجرا شوند. اصطلاح نماي پوششی یک واژه کلی است که به کلیه نماهاي دیوار خارجی اطلاق می شود[25].
2-4-1-1 دیوار پرده ای
دیوار پرده اي، داراي قاب سازه اي جداگانه است که مستقیماً به آن متصل شده و مجموعه به مانند یک پرده روي سطح خارجی ساختمان را می پوشاند. در یک دیوار پرده اي، بارهاي ناشی از وزن نما، باد و زلزله مستقیما از دیوار به قاب سازه اي منتقل می شود.به طور معمول حداقل 50 میلی متر فاصله بین دیوار پرده اي و قاب سازه اي درنظر گرفته می شود. این فاصله براي تطابق بی نظمی هاي ابعادي غیرقابل پیش بینی در قاب است. نمونه اي از دیوارهاي پرده اي، دیوار پرده اي شیشه-آلومینیوم است.دیوارهاي پرده اي غیرشفاف شامل پانل هاي بتنی پیش ساخته، پانل هاي مسلح شده با الیاف شیشه(GFRC)، پانل هاي فلزي و نظایر آن است[25].
2-4-1-2 دیوار نما
این نوع نما مشابه دیوار پرده اي غیرشفاف است. دیوار نما می تواند در سازه هاي قابی و سازه هاي دیوار باربر استفاده شود. در این نوع نما وجود یک دیوار پشتیبان اجباري است. بارهاي وارد بر دیوار نما به دیوار پشتیبان منتقل می شود. دیوار پشتیبان بارها را به قاب سازه اي ساختمان منتقل می کند. دیوار نما به دو نوع مهار شده و چسبانده شده تقسیم می شود[25].
2-4 -1-3 نماهاي مهارشده به میانقاب
نماي خارجی مهار شده به میانقاب (دیوار غیرباربر قرار گرفته در فضاي بین تیر و ستون) در فضاي خالی بین تیرها و ستون ها قرار می گیرد و در این حالت قاب سازه اي در معرض دید قرار دارد. نماي مهار شده به میانقاب ، تنها در سازه هاي قابی استفاده می شود و به دو صورت مهار شده و چسبانده شده طراحی
می شود[25].

شکل 2-12- نمای شماتیک دیوار پرده ای ، دیوار نما و دیوار میانقاب[25].

2-4-2 نماي بتنی پیش ساخته
پانل هاي بتنی پیش ساخته براي تمامی شرایط آب و هوایی مناسب و قابل اجرا می باشند ولی بیشتر در شرایط آب و هوایی سخت مورد استفاده قرار می گیرند چون استفاده از مصالح بنایی یا بتن درجا در آب و هوایی که خطر یخ زدگی وجود دارد به دلیل سرعت پایین عمل آوري سیمان پرتلند مشکل ساز است. استفاده از پانل هاي پیش ساخته باعث حذف نیاز به نصب داربست و افرایش امنیت کارگران می شود. همچنین با توجه به اینکه این پانل ها در محل هاي سر بسته و بدون اینکه شرایط آب و هوایی بر روند ساخت آنها تاثیري داشته باشد تولید می شوند داراي کیفیت بالا هستند. پانل هاي بتنی پیش ساخته بطور کلی بیشتر در ساختمان هایی چون بیمارستان ها با ارتفاع متوسط تا بلند، آپارتمان ها، هتل ها، پارکینگ ها و ساختمان هاي تجاري به کار می روند[25].

2-5- نماي پیش ساخته بتن مسلح به الیاف شیشه
این نما از دسته نماهای پرده ای غیر شفاف می باشد . نمای بتن مسلح به الیاف شیشه از سه بخش مهم تشکیل می شود[25] :
الف) پانل GFRC ،
ب) قاب پشتیبان فولادی سرد نورد شده ،و
ج) اتصال هایی که پانل GFRC را به قاب پشتیبان متصل می کنند.

2-5-1- پانل GFRC
پانل بتنی مسلح به الیاف کوتاه شیشه متشکل از سیمان پرتلند، ماسه، آب و الیاف شیشه است. وجود الیاف شیشه باعث ایجاد مقاومت کششی در بتن می شود. بر خلاف پانل هاي بتنی پیش ساخته که به وسیله میلگرد مسلح شده اند، پانل هاي مسلح شده به الیاف شیشه اي نیازي به مسلح کننده هاي فولادي ندارند. طول الیاف در حدود 5/2 تا 5 سانتی متر است و به صورت تصادفی در داخل مخلوط بتن توزیع می شوند. پخش شدن تصادفی و یکنواخت الیاف نه تنها باعث ایجاد مقاومت کششی در بتن می شود، بلکه باعث سخت تر شدن و افزایش مقاومت در برابر ضربه در پانل نیز می شود. از آنجایی که الیاف شیشه معمولی در برابر سیمان پرتلند واکنش می دهند، در این پانل ها از الیاف شیشه مقاوم در برابر قلیا باید استفاده شود[25].
پانل GFRC معمولا ضخامتی در حدود 5/1 تا 2 سانتی متر دارد. پانل GFRC به قاب متشکل از اعضای فولادی سرد نورد شده ،متصل می شود که در شکل 2 –13- الف و ب نشان داده شده است . در این ترکیب ،پانل بارها را به قاب فولادی سرد نورد شده منتقل کرده و قاب نیز بارها را به سازه ساختمان انتقال می دهد .اندازه و فاصله بین اعضای قاب پشتیبان با توجه به اندازه کلی پانل و بارها ی وارده بر آن باید طراحی می شود[25] .

شکل 2-13-الف . سطح بیرونی یک پانل GFRC ، در حال حمل به کارگاه [25].

شکل 2-13- ب – نمای پشت و کناری یک پانل L شکل GFRC همراه با قاب فولادی سرد نورد شده[25].
2-5-2 بست هاي انعطاف پذیر
پانل GFRCدر فاصله اي در حدود 5 سانتی متر از صفحه قاب به وسیله بست هاي میله اي نصب می شود. فضاي خالی بین دیواره و قاب حائز اهمیت است، زیرا در این حالت دیواره و قاب اجازه حرکت آزادانه را خواهند داشت. بست ها از میلگردهایی که به صورت L شکل خم شده اند تشکیل شده و داراي قطري برابر با 1 سانتی متر می باشند. جهت ایجاد مقاومت در برابر خوردگی، از فولاد آبکاري شده با کادمیوم در بست ها استفاده می شود. یک انتهاي بست ها به قاب جوش داده شده و انتهاي دیگر در درون پانل GFRC جا داده می شود. ضخامت دیواره در اطراف محل اتصال بست ها ضخیم تر است. این ناحیه که در آن ضخامت دیواره بیشتر است لایه پیوندي نام دارد که در شکل 2-14 نشان داده شده است[25].

شکل 2-14- لایه پیوندی و مهارهای انعطاف پذیر[25].

هدف از بکارگیري این بست ها انتقال هر دو بار ثقلی و جانبی از دیواره به قاب است. براي این کار بست ها باید در صفحه عمود بر پانل صلبیت نسبی داشته باشند به طوري که به هنگام انتقال بار کوچکترین تغییر شکلی در آنها ایجاد نشود. از آنجا که دیواره GFRC به هنگام تاثیر رطوبت و تغییرات دما دچار تغییر اندازه می شود، بست ها باید انعطاف پذیري قابل قبولی داشته باشند تا به هنگام وقوع این تغییرات، تنش قابل توجهی در دیواره ایجاد نشود. یکی از راهکارهاي حصول این هدف، جدا کردن بست از قاب و تنها جوش دادن انتهاي بست به قاب می باشد که در شکل 2-15 نشان داده شده است[25].

شکل 2-15- جزییات اتصال مهار های انعطاف پذیر[25].

2-5-3- شکل پانل ها
همانند پانل هاي بتنی پیش ساخته، پانل هايGFRC را نیز بسته به نماي ساختمان می توان درشکل هاي مختلف تولید نمود. رایج ترین شکل این پانل ها، پانل هاي طبقه به طبقه ، پانل هاي پنجره دار و پانل هاي درگاهی می باشند. پانل هاي درگاهی به صورت یکپارچه بوده ولی ارتفاعی کوتاه تر از پانل هاي طبقه به طبقه دارند[25].
مراحل ساخت پانل هاي GFRC در بند6-4-4- ضابطه 714 شرح داده شده است.