پانل GFRC نمای جی آر سی

نمای بتنی مسلح به الیاف شیشه   (GFRC)

رشد ساخت و ساز و اهمیت ویژه به نماهای ساختمان و بدنه های شهری ، باعث شده است تا توجه معماران و مهندسین ساختمان و گرایش آنها به کاربرد مصالح ساخت پیشرفته که در طی دهه ی گذشته به مصالح ساخته شده با بتن مسلح به الیاف شیشه  در نمای ساختمان سوق پیدا کند. رفتار فرم پذیر   GFRC[1] ، این مصالح را به عنوان مصالح ساختمانی منحصر به فرد و توانمند ساخته است ، بطوریکه قابلیت ساخت هر ایده و طرحی را میسر ساخته است : فرم های هندسی پیچیده ، پوسته ها و منحنی های دبل کرو که این قابلیت های ویژه ، اغلب معماران برجسته جهان را به خلق آثار فاخری با  GFRC سوق داده است. اگر بخواهیم GFRC را به عنوان یک مصالح ساخت پیشرفته  معرفی کنیم می بایست ، مزیت های آن در معماری و سازه که مبتنی بر عملکرد مکانیکی آن می باشد را بیان نمائیم. باید توجه داشت که پروسه طراحی و ساختGFRC یا   GRCمبتنی بر اصول مهندسی ، درک و شناخت رفتاری این مصالح  می باشد

پانل GFRC

پانل بتنی مسلح به الیاف شیشه متشکل از سیمان پرتلند، ماسه، آب و الیاف شیشه نوع مقاوم در برابر قلیا 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.

پانل GFRC معمولا ضخامتی در حدود 5/2 تا 3 سانتی متر دارد. پانل GFRC به قاب متشکل از اعضای فولادی سرد نورد شده ،متصل می شود . 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 شود.

عملکرد مکانیکی پانل  GFRC در نمای ساختمان

شناسایی رفتار مکانیکی GRC در تطبیق با عملکرد استاندارد ملی ایران شماره 17817- عملکرد بتن تقویت شده با الیاف شیشه ای مورد ارزیابی و آزمون های استاندارد قرار گرفته است که نتایج آزمون های مقاومت های خمشی ، کششی ، برشی ، فشاری ، ضربه  وچگالی و جذب آب  دلالت بر انطباق تولید محصول استاندارد  دارد .به جهت عملکرد مکانیکی پانل  GFRC ، آزمون های مرتبط با نمای پیش ساخته بتنی مسلح به الیاف شیشه مطابق با ضابطه 714 در آزمایشگاه سازه و ابنیه مرکز تحقیقات راه ، مسکن و شهرسازی انجام شده است. عملکرد  پانل های GFRC در برابر بارهای خارج از صفحه مطابق با آزمون خمشی پانل های ساختمانی ،استاندارد ملی ایران به شماره8063  و آزمون مقاومت دربرابر ضربه  اجزائ قائم ساختمانی (ضربه های جسم نرم و سخت ) مطابق با استاندارد ملی ایران به شماره 11272 ارزیابی گردید، که گزارشات تحقیقاتی عملکرد مناسب این قطعات را به عنوان کاربرد در نما نشان داده است.

بررسی نتایج آزمون های خمشی و رفتار خمشی پانل در برابر بارهای خارج از صفحه و همچنین مقاومت های مناسب ضربه ای در تطبیق با دستورالعمل طراحی سازه اي و الزامات و ضوابط عملکردي و اجرایی نماي خارجی ساختمان ها ،ضابطه ی  714 نظام فنی اجرایی و مرکز تحقیقات مسکن و شهرسازی ،تاکید می نماید کاربرد این قطعات پانلی دیوار پوسته ای در نمای ساختمان مجاز می باشد(مطابق با نظریه فنی پیوست).

 فناوری موجود در مصالح GFRC

ساخت قطعات GFRC و المان های پیش ساخته ی نما مبتنی بر فناوری کامپوزیت های سیمانی تقویت شده با الیاف شیشه می باشد. در ساخت این قطعات از تکنولوژی عالی بتن و مهندسی مواد مرکب به صورت بین رشته ای در بهبود خواص مکانیکی و افزایش دوام قطعات ، استفاده شده است. سبک سازی قطعات در پی کاهش ضخامت آنها با حفظ خواص مکانیکی  قابل قبول ، مبتنی بر تقویت میکرو ساختار ها و بهبود خواص ماتریس سیمانی انجام شده است.

تلاش ها در جهت رفع بهبود یکی از معایب قابل توجه مصالح بنایی و قطعات پیش ساخته بتنی ، که وزن بالای این قطعات می باشد صورت گرفته است و این در حالی است که وزن قطعات ساخته شده GFRC بین 45-55 کیلوگرم بر مترمربع می باشد. ضخامت کم این مصالح نزدیک به آسترهای سیمانی نما و سازه های فرو سیمانی می باشد در صورتیکه مشخصات مکانیکی به مراتب بالاتری دارند.

ویژگی مهم GFRC فرم پذیری آن در ساخت فرم های پیچیده ، قطعات با ابعاد و اندازه های بزرگ سرتاسری  و خم شده با لبه های برگشتی (L , U format) می باشد .از دیگر مزایای این مصالح نسبت به مصالح سیمانی  و بتنی موجود مقاومت بالای اولین ترک می باشد که با توجه به تقویت کنندگی ماتریس سیمانی توسط الیاف توزیع وپخش ترک کنترل می گردد  .سطح نهایی از دوام بالایی در برابر باران به نسبت دیگر سطوح سیمانی برخوردار می باشد که به مرور زمان دچار ترک های مویی سطحی و فرسایش می شوند.

رفتار مطلوب  و شبه سازه ای و بعضا نیمه سازه این مصالح و قاب های اتصال به پوسته ی سیمانی ، کاربرد این مصالح  در نمای ساختمان های بلند مرتبه را بهینه ساخته است. یکی دیگر از مزیت های مهم این مصالح انعطاف پذیری در تلفیق با عایق های حرارتی  و ایجاد دیوار نما می باشد که در این حالت تیغه چینی و گچکاری حذف می گردد.از این ویژگی برای کاربرد های داخلی استفاده می باشد.

مزیت های معمارانه و سازه ای GFRC  

GRC نوعی کامپوزیت سیمانی با عملکرد شبه سازه ای می باشد که امکان ساخت هر فرم و قطعه ای را برای طراح فراهم می آورد. کاربرد اصلی  GRC  پس از بررسی عملکرد مکانیکی آن به عنوان نمای پانلی در ساختمان های بلند مرتبه و ساخت المان های منحصربفرد می باشد. فرم پذیری بالای این مصالح که در اثر حذف سنگدانه های درشت و استفاده از الیاف می باشد ،کاربرد این مصالح را به عنوان بتن معماری مطرح ساخته است.

مهمترین مساله در ساخت فرم های گوناگون با  GRC بررسی روش های ساخت قالب و اجرای قطعات         می باشد. در قیمت تمام شده  GFRC قالب نقش بسیار تعیین کننده ای دارد و هرچه به سمت مدولار کردن فرم ها پیش رویم ، استفاده جامع از این مصالح مقرون به صرفه خواهد بود.اگر به گذشته و آثار معماری ایرانی نگاهی داشته باشیم ، به رابطه فرم ، فضا ، معماری و انتخاب مصالح ساخت پی خواهیم برد که با  GFRC دست یافتنی شده است.از جمله مزایای آن :

الف)فرم پذیری بالا ، GFRC را خمیر مایه ساخت ایده های معمارانه در آورده است بطوریکه دیگر هیچ محدودیتی برای خلق آثار معماری در مرحله ایده پردازی و طراحی معماری وجود نخواهد داشت،

ب)ایجاد خطوط منحنی و هندسی در طراحی اولیه که جزء نگرانی های معمار در بکارگیری سبک طراحی فولدینگ و معماری دیجیتال بوده، برطرف گردیده است،

ج)ایجاد عناصری مانند گنبد، تابشگر (فخری)، گچ بری های زیبا و...که امروز کمتر در معماری بنا ها مشاهده می شود به راحتی قابلیت اجرایی  و بازپیرایی پیدا کرده است،

د)معمار به راحتی تصمیم می گیرد که این مصالح را به شیوه سنتی استفاده نماید یا آن را به صورت مدرن مورد استفاده قرار دهد،

ه)با این مصالح دیگر طراح دغدغه ندارد که یک بنا را محدود  به چه سبکی و مبتنی بر چه سازه ای و مصالحی طراحی نماید،

و)  GFRC امروزه به عنوان یک مصالح مهندسی در دنیا شناخته می شود بطوریکه قابلیت   انعطاف پذیری بالا ، آن را تا حدی شبه سازه ای و به تعبیر درست تر نیمه سازه ای ساخته است،

ز) ساخت GFRC  استاندارد، عملکرد سازه ای بهبود یافته و بادوام را به همراه خواهد داشت.

ح) عملکرد های مکانیکی نظیر مقاومت های خمشی ، کششی ، برشی ، فشاری ، جذب آب ، ضربه و رفتار مناسب در زلزله که مبتنی بر معماری بهینه همزمان قطعه GFRC وسازه می باشد،و

ط) بطور کل  GFRCساخت کلیه المان های معماری، معماری منظر و مبلمان شهری  و فضای سبز را میسر ساخته است.

مزایای به کارگیری مصالح  GFRC جایگزین مصالح بنایی سنتی

با  استفاده از فناوری این محصول و جایگزین کردن آن با مصالح بنایی و اجرای سنتی که به طور ویژه با توجه به طراحی معماری نماهای متداول ، یکی از روش های مرسوم ساخت  المان های نما استفاده از سنگ و آجر و  سیمانکاری می باشد ، مشکلات و معایب آن  به شرح ذیل برطرف خواهد شد :

الف)کاهش زمان پروژه با ساخت و اجرای سریع نما و افزایش کیفیت پروژه از طریق کنترل کیفی قطعات و المان های نما در استفاده از محصولات پیش ساخته و پیامد آن کاهش هزینه های ساخت و اجرا،در مقایسه باعدم اجرای سریع پوشش نمای سیمان شسته که کند و زمان بر است وحداکثر اجرا در یک روز کاری 10مترمربع می باشد،

ب)کنترل بهتر پروژه از طریق کم کردن فعالیت های نماسازی مانند حذف داربست بندی ،تهیه مصالح نما ، اجرای سازه فولادی نما و اجرای  توری رابیتس ، اسکوپ سنگ ، دوغاب ریزی ،اجرای آستری و سیمانکاری ، کاهش منابع انسانی  ، تجهیزات و ماشین آلات ساخت،

ج)دستیابی به حد بالای ایمنی سازه ای با حذف جوشکاری و نصب سازه ی نما در پی استفاده از قطعات پیش ساخته،

د)کاهش هزینه های مالی و افزایش ایمنی فردی در پی حذف داربست جهت اجرای نما،

ه)کاهش آلودگی  با حذف عملیات ساخت ملات و مصالح  نما در داخل سایت ،

و) افزایش ایمنی و بهداشت در پی حذف فعالیت ساخت و اجرای نما با مصالح بنایی ،

ز) حذف مصالح بنایی سنتی و حرکت به سوی صنعتی سازی در استفاده از مصالح پیش ساخته،

ح)کاهش آلودگی زیست محیطی از طریق کاهش مصالح  ورودی به کارگاه ساخت و تردد ماشین آلات حمل مصالح  با آلایندگی بالا در سایت و همچنین کاهش نخاله های ساختمانی  و پیامد آنها کاهش مصرف سوخت

ط)نظارت بهتر اجرای نما در زمان نصب قطعات پیش ساخته و کاهش دوره ی نظارت،

ی)عدم نیاز به ناظر مقیم جهت نظارت بر اجرای نما با توجه به کاهش زمان اجرا و نصب سریع،

ذ)افزایش دوام نما( خواص مکانیکی ،فیزیکی و رنگ و سطح نهایی ) در استفاده از قطعات پیش ساخته با کیفیت،

ک)مدیریت بهتر پروژه از طریق برونسپاری یکی از فعالیت های اجرایی مهم و تسریع زمان بهره برداری،

ل)دستیابی به کیفیت مطلوب معماری و زیبایی شناختی در پی کنترل قطعات قبل از نصب،

م) کاهش زمان اجرای نما ، کاهش منابع انسانی همچون عدم نیاز به حضور طولانی مدت ناظر مقیم و کارشناسان دفتر فنی پروژه به جهت تهیه نقشه های اجرایی کارگاهی در مراحل اجرای سازه ی  نما،

ن) کاهش مراتب اداری و هماهنگی های اجرایی لازم بین کارفرما ،پیمانکار و مشاور  و انعقاد قراردادهای متعدد با پیمانکاران جز،

ع)امکان بررسی و آزمایشات کنترل کیفی حین ساخت  و اجرای نما،

ف)کاهش پیمانکاران جز در پروژه و عدم نیاز به جذب کارگران ماهر ،

ص)عدم ایجاد ضایعات ساختمانی و سروصدا، صرفه جویی در مصرف مصالح  با توجه به اینکه ضایعات مصالح بنایی در حین ساخت و اجرا به مراتب بالاتر از محصولات پیش ساخته می باشد،

ق) کاهش زمان اجرا و تسریع در زمان بهره برداری ، کاهش هزینه ای بالاسری و افت ارزش پولی

ر)عدم ریزش مصالح نما در زمان زلزله و فروریزش با توجه به استفاده از اتصالات مکانیکی ،

ش) مقاومت در برابر ضربه بالاتری نسبت به آستر های سیمانی دارد،

ت) مقاومت در برابر یخ‌زدگی بالاتر با توجه به ساخت صنعتی قطعات و کنترل کیفی ساخت،

ث)مقاومت در برابر آتش‌سوزی و عدم فروریزش مصالح هچون آسترهای سیمانی بر روی رابیتس ،

خ)عدم تورق ، پوسیدگی و رنگ پریدگی قطعات در شرایط متغیرآب و هوایی و چرخه های طولانی مدت،و

ذ)حذف پدیده ی ترک خوردگی های رویه های سیمانی و کاهش هزینه های تعمیر و نگهداری.

مقایسه وزن هر متر مربع دیوار پیرامونی با آجر مجوف و نمای ماسه شسته سیمانی نشان می دهد که با بکارگیری مصالح  GFRC می توان کاهشی برابر با 50 تا 70 درصد دروزن دیوار پیرامونی ایجاد نمود.این کاهش در بار مرده یک ساختمان تاثیر بسزایی در بار جانبی لرزه ای ایجاد شده در سازه داشته و از نقطه نظر طراحی بسیار حائز اهمیت است.

براساس مبحث ششم مقررات ملی ساختمان و با استفاده از تحلیل و بررسی نتایج آزمایشات انجام شده در مرکز تحقیقات مسکن و شهرسازی مشخص گردید نمای تولید شده با GFRC توانایی تحمل بار باد با سرعت km/hr  100تا km/hr130 در ارتفاع را دارا می باشد. به همین اساس نمای ایجاد شده با ضخامت حداکثر 3 سانتی متر قادر به تحمل فشار باد در محدوده 150 تا) (kg/m2 250 می باشد که البته با توجه الزامات پروژه و نیز نیاز کارفرما قطعات GFRC برای تحمل باد با سرعت و فشار  بالاتر نیز قابل طراحی می باشند.در سازه های با ارتفاع متوسط نیز که طراحی بر اساس بار گذاری لرزه ای و نیروهای ایجاد شده در سازه در اثر زلزله است، استفاده از نمای GFRC  بسیار کاربرد دارد.دراین ساختمان ها با بکارگیری نمای GFRC می توان وزن ناشی از دیوارهای پیرامونی را کاهش داد.

نماي پیش ساخته بتنی

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 چرا که 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.

دیوارپرده ای  

دیوار پرده اي نوعی از دیوار نماهای خارجی می باشد و 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 دیوارهاي پرده اي غیرشفاف

شامل پانل هاي بتنی پیش ساخته، پانل هاي مسلح شده با الیاف شیشه(GFRC) است.

این نوع دیوار نما جایگزین مناسبی برای دیوارها و تیغه های آجری و سفالی محسوب می شود.از مزایای آن :

مقاومت بالا به نسبت وزن کم ،عایق خوب دربرابر صوت و حرارت ،قابلیت دارا بودن ساخت با ابعاد بالا ،پایایی و دوام بالا ،مقاومت مطلوب در برابر شرایط محیطی مرطوب و خورنده ، قابلیت آبگریزی در سطوح رویه و خاصیت خود تمیز شوندگی  ، قابلیت سرعت نصب و اجرای بالا .

این نوع دیوار مقاومت بالایی در برابر بارهای فشاری و ضربه ای از خود نشان می دهند و با توجه به استفاده الیاف شیشه در بتن از ظرفیت جذب بالای انرژی برخوردار می باشند.

این نوع نما برای استفاده در مناطقی با بار باد   160 کیلوگرم بر متر مربع مجاز می باشد و با توجه به اینکه در آزمایشات انجام شده ظرفیت تحمل نیروي پانل بیش از بار لرزه اي وارد بر آن می باشد لذا امکان استفاده از این قطعه با توجه به فریم پشت آن در نماي ساختمان به صورت خشک وجود دارد  و با توجه به الزامات پروژه برای برای باد با سرعت و فشار بالاتر (kg/m2 250-km/hr 130 ) قابل طراحی می باشند.

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 :

الف) پانل GFRC ،

ب) قاب پشتیبان فولادی سرد نورد شده ،و

ج) اتصال هایی که پانل GFRC را به قاب پشتیبان متصل می کنند.

پانل GFRC

پانل بتنی مسلح به الیاف کوتاه شیشه متشکل از سیمان پرتلند، ماسه، آب و الیاف شیشه  و افزودنی های پلیمری 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.

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.

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 [1]نام دارد که در شکل 2-14 نشان داده شده است.

لایه پیوندی و مهارهای انعطاف پذیر

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 نشان داده شده است.

شکل پانل های  GFRC

همانند پانل هاي بتنی پیش ساخته، پانل هايGFRC  را نیز بسته به نماي ساختمان می توان در  شکل 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

با  استفاده از فناوری این محصول و جایگزین کردن آن با مصالح بنایی و اجرای سنتی که به طور ویژه با توجه به طراحی نماها که با روش های متداول نظیر سیمانکاری اجرا می شوند ، مشکلات و معایب آن  به شرح ذیل برطرف خواهد شد .