مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی
هدف از بهسازی، بهبود رفتار و عملکرد اجزای سازه در برابر نیروهای ناشی از زلزله است. از معیارهای اصلی در یک طرح بهسازی لرزه‌ای می‌توان به مواردی همچون مراحل انجام مقاوم‌سازی، بازرسی از ساختمان و ارزیابی اولیه و کیفی، بازرسی کامل و مطالعات کمی و ارائه طرح مقاوم‌سازی اشاره کرد.
شکست‌های برشی و خمشی دو حالت شکست در تیرهای بتن مسلح می‌باشند که شکست خمشی معمولاً رفتار شکل‌پذیرتری از خود نشان می‌دهد. در ستونهای بتن مسلح خرابی‌های ناشی از زلزله مربوط به شکست‌های ناشی از طول وصله ناکافی، شکست‌های ناشی از برش، خمش و اندرکنش خمش و برش، شکست ستون کوتاه و گسیختگی‌های ناشی از کمانش میلگردهای طولی می‌باشد. به دلیل شکست ترد و برشی ستونهای بتنی همواره سعی بر آن است که مکانیزم کنترل‌کننده خرابی ستون به صورت خمشی باشد و ستون نباید به عنوان عضوی ضعیف در قاب سازه‌ای عمل کند. مقاوم‌سازی به منظور افزایش مقاومت خمشی، برشی و همچنین برای افزایش ظرفیت شکل‌پذیری ستون در نزدیکی محل اتصال به تیر و مقاوم کردن محل وصله‌های ضعیف صورت می‌گیرد. برای تقویت و مقاوم‌سازی تیرها و ستونهای بتن مسلح از روش‌های روکش بتن مسلح، روکش فولادی، روکش پلیمر FRP و پیش تنیدگی خارجی استفاده می‌شود.
روکش بتن مسلح
روکش بتن مسلح شامل یک لایه نازک بتن یا ملات ماسه سیمان مسلح شده با شبکه فولادی است. میزان بهبود رفتار سازه‌ای به درصد شبکه فولادی، قطر و فاصله میلگردها، مقاومت و ضخامت پوشش بتنی بستگی دارد.
در تیرها می‌توان ناحیه کششی و فشاری تیر را با روکش‌های بتنی جدید تقویت کرد. برای تکمیل مکانیزم انتقال نیرو بین مصالح قدیم و جدید زبر کردن سطح بتن قدیمی و جوش دادن میلگردهای اتصال با آرماتورهای قدیم و جدید ضروری است. محصورکردن بتن، افزایش مقاومت برشی، افزایش مقاومت خمشی، افزایش سختی جانبی و اصلاح اتصالات در قاب‌ها از جمله کاربرد این روش در تیرهای بتنی است. در روش اجرای روکش بتنی در هر چهار وجه ضخامت بتنی که به وجه بالایی تیر اضافه می‌شود باید در ضخامت سقف ادغام شود. اجرای تنگ‌ها نیز از طریق سوراخ‌هایی که در فاصله‌های نزدیک به هم در دال سقف ایجاد می‌شود امکان‌پذیر خواهد بود.
پیشنهاد برای مطالعه
مناسب بودن طرح روکش بتنی به پیوستگی آن با عضو بستگی دارد. اگر ضخامت روکش بتنی کم باشد افزایش سختی در ستون مقاوم‌سازی شده محسوس نمی‌باشد. اگر افزایش ظرفیت برشی بدون افزایش ظرفیت خمشی باشد پوشش به کار رفته به سقف و تیرها می‌تواند متصل نشود و اگر افزایش ظرفیت خمشی ستون مدنظر باشد روکش به کار رفته باید از سقف عبور کند و آرماتورهای اضافه شده طولی باید در فونداسیون مهار شوند. روکش بتن مسلح در مواردی که میزان شدت آسیب‌های وارده به ستون زیاد باشد و یا ستون از ظرفیت کافی در برابر نیروهای جانبی برخوردار نباشد مورد استفاده قرار می‌گیرد.
امکان اصلاح همزمان کلیه مشکلات سختی و مقاومتی در قاب‌های بتنی، اصلاح اتصالات در قاب‌ها، امکان اصلاح باربری ثقلی ستون‌ها، سهولت ایجاد پیوستگی بین اعضاء و عدم نیاز به پوشش ضد حریق از مزایای روش روکش بتن مسلح محسوب می‌شود.
شکل 1: اجرای روکش ستون بتن مسلح
روکش فولادی
استفاده از روکش فولادی برای مقاوم‌سازی اعضای بتن آرمه مستطیلی و دایروی به کار می‌رود. ورق‌های فولادی روکش در تمامی طول خود به هم جوش می‌شوند و فضای اندک بین روکش توسط ملات منبسط شونده پر می‌شود. برای بهبود عملکرد مجموعه می‌توان از کاشت میلگرد برای انتقال برش بین ورق و بتن استفاده کرد.
برای تقویت خمشی تیرها می‌توان ورق‌هایی به ضخامت کم را با رزین اپوکسی به وجه کششی تیر چسباند. چسباندن ورق به وجه قائم تیرها در نزدیکی تکیه‌گاه‌ها موجب افزایش ظرفیت برشی و چسباندن ورق به بال تحتانی موجب افزایش ظرفیت خمشی تیر می‌گردد..
ستونهای مستطیلی را می‌توان با استفاده از روکش‌های فولادی مدور تقویت کرد. روکش فولادی دایره‌ای از دو ورق فولادی نیم دایره تشکیل شده که به یکدیگر جوش شده‌اند. استفاده از روکش فولادی مدور به مراتب دشوارتر از سایر روش‌های روکش گذاری می‌باشد ولی تحقیقات نشان می‌دهد که این روش در افزایش مقاومت و تغییر مکان غیر الاستیک ستون‌ها بسیار مؤثر می‌باشند. روکش‌هایی که به شکل بیضی کشیده شده‌اند مقاومت برشی و دورگیری بهتر را برای رفتار حول محور قوی فراهم می‌کنند درحالی‌که در روکش‌های دایره‌ای مقاومت و دورگیری بهتری را حول محور ضعیف ستون ایجاد خواهند کرد. با آن که روکش‌های فولادی دایره‌ای مانند حلقه مسلح کننده پیوسته می‌باشند ولی بکارگیری آن برای ستونهای با مقطع مستطیلی توصیه نمی‌شود چون انعطاف‌پذیری خمشی تنها در گوشه‌ها فراهم می‌شود.
پیشنهاد برای مطالعه
استفاده از روکش‌های فولادی احتمال شکست وصله آرماتورهای طولی را کاهش داده و مقاومت خمشی وصله‌های پوششی در ستون را افزایش می‌دهدکاربرد روکش فولادی در ستونهای با مقاومت فشاری پایین بیشترین تأثیر را دارد و همچنین با افزایش ضخامت روکش نیروی قابل‌تحمل ستون افزایش می‌یابد.
همچنین نیاز به پوشش‌های ضد حریق در سازه‌های مهم و افزایش هزینه، زمان زیاد اجرا و عملیات متعدد کاشت آرماتور و جوشکاری، افزایش هزینه، نیاز به حجم زیاد گروت و عملیات تزریق و عدم امکان اصلاح اتصالات در قاب‌ها از معایب این نوع روکش محسوب می‌شود.
شکل 2: اجرای روکش ستون فولادی
اجرای روکش بر روی اتصالات با استفاده از روکش‌های فولادی موجدار در بهبود عملکرد لرزه‌ای سازه‌های بتن مسلح تأثیرگذار است. در این روش اتصالات ضعیف توسط روکش‌های فولادی موجدار پوشانده می‌شوند و فاصله موجود بین سطح بتن و روکش فولادی با گروت ضد جمع شدگی پر می‌شود. این ورق‌ها ضعف‌های عمده‌ای مانند فقدان آرماتور برشی کافی و نیاز به آرماتورهای محصورکننده هسته بتنی را کاهش می‌دهند.
روکش پلیمر FRP
FRP یا فیبرهای پلیمری تقویت شده با الیاف نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده است. انواع مصالح FRP خواص فیزیکی مناسبی دارند که می‌توان به مقاومت کششی بالا، ضخامت و وزن کم آن‌ها اشاره کرد. از سیستم FRP در تقویت ستون، تیر، دال، دیوارهای برشی بتنی، دیوارهای آجری و عرشه پل‌ها می‌توان استفاده کرد. علاوه بر این، سیستم FRP در تقویت اتصالات ضعیف سازه‌ایی، بسیار موثر است. 4 به طور کلی افزایش مقاومت و کاهش شکل‌پذیری دو پیامد مقاوم‌سازی اعضای سازه‌ایی با استفاده از مصالح FRP می‌باشد.
در هنگام استفاده از مصالح FRP باید سطح بتن و سطح FRP را آماده کرد. جهت آماده کردن سطح بتن و برای جلوگیری از کنده شدن صفحه و چسب از روی سطح بتن این سطح تمام موارد ناصافی و ناهمواری باید صاف و هموار شود. اگر سطح صفحه به طور مناسب آماده نشود ممکن است جدایی اتصال در سطح نوار FRP با چسب رخ دهد. مقاوم‌سازی برشی تیرهای بتنی نیز باید به موازات مقاوم‌سازی خمشی صورت گیرد تا شکست برشی مانع از ارائه حداکثر مقاومت خمشی تیر نگردد و تیر به حالت خمشی تحت اثر خمش به نقطه شکست برسد. پیشنهاد می‌شود تا برا شناخت بیشتر FRP و ویژگی‌هایش، مقاله ” الیاف FRP و تاریخچه آن ” را مطالعه نمایید.
پیشنهاد برای مطالعه
در ارتباط با شکست در حالت کنده شدن انتهای نوار مقاومت‌کننده تیر مقاوم‌سازی شده در برابر خمش وقتی تحت بارگذاری قرار می‌گیرد قبل از این‌که به حداکثر مقاومت خمشی مورد نظر برسد ممکن است دچار شکست زودرس ناشی از کنده شدن صفحه چسباننده شده از بتن گردد.
در مورد جدا شدن و کنده شدن پوشش بتن که متداول‌ترین حالت شکست زودرس است و به دلیل این‌که شکست دور از سطح چسبندگی بتن و کامپوزیت FRP رخ می‌دهد نمی‌توان آن را دقیقاً حالت شکست چسبندگی نامید. این حالت اغلب به علت تمرکز تنش‌ها در انتهای صفحه مقاوم کننده می‌باشد. عموماً کنده شدن پوشش بتن در این‌گونه شکست‌ها به دلیل بروز ترک‌خوردگی در انتهای صفحه چسباننده شده و یا نزدیکی آن به دلیل تمرکز تنش‌های برشی و نرمال ناشی از تمام شدن ناگهانی صفحه مقاوم کننده رخ می‌دهد.
در شرایط از بین رفتن چسبندگی به دلیل بروز ترک‌های خمشی عامل محرک فاصله گرفتن افقی دو لبه ترک از یکدیگر می‌باشد زیرا اصولاً ترک‌های خمشی در راستای عمود بر محور طولی تیر رخ می‌دهد اما در شرایطی که ترک‌ها از ترکیب خمش و برش به وجود آمده‌اند وضعیت قرارگیری آن‌ها مایل می‌باشد و بنابراین دو لبه ترک نسبت به یکدیگر جابه‌جایی قائم هم دارند که این امر عامل اصلی بوجود آمدن تنش‌های بزرگ که سبب کنده شدن FRP از بتن به صورت موضعی می‌شوند، می‌باشد.
تقویت برشی بررسی استفاده از مصالح FRP به منظور افزایش مقاومت برشی مقاطع بتن آرمه می‌باشد. در این روش صفحات FRP به وجوه جانبی تیر به‌طوری که راستای الیاف عمود بر محور طولی تیر یا مایل با آن چسبانده و با استفاده از انکر یا اسپایک FRP به خوبی و محکم در جای خود مهار می‌شوند. سیستم مهاربندی و پیش تنیدگی اصولاً به این جهت مورد استفاده قرار می‌گیرند که بتوان از ظرفیت باربری سیستم مقاوم سازی با FRP نهایت استفاده را برد. مزیت استفاده از این روش افزایش سختی، کاهش عرض و توزیع ترک، بهبود خدمت پذیری و دوام، بهبود مقاومت برشی و خمشی عضو به دلیل ترک نخوردن مقطع, افزایش بار تسلیم مقطع, افزایش ظرفیت مقطع و اجتناب از مودهای شکست ناشی از پوسته‌شدن در ناحیه ترک‌ها و انتهای لایه FRP می‌باشد. سیستم مهاربندی و پیش تنیدگی به‌گونه‌ای عمل می‌کنند که انتهای لایه FRP را محکم نگه داشته و بعد از ایجاد جداشدگی از لغزش و جداشدگی کامل لایه FRP جلوگیری می‌کند.
در ستونهای بتنی استفاده از FRP ضمن افزایش ظرفیت برشی بتن مد گسیختگی آن را از حالت برشی به خمشی تغییر داده و شکل‌پذیری را به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌دهد. روکش FRP بیشتر برای ستونهای دایره‌ای قابل اجرا است زیرا با دورپیچی FRP تنش موضعی در گوشه‌های مقاطع مربعی یا مستطیلی توسعه می‌یابد. برای کسب اطلاعات بیشتر از مکانیزم مقاوم سازی برشی ستون با FRP، مطالعه مقاله جامع و کاربردی “ بررسی رفتار برشی ستون محصور شده با روکش FRP ” را به شاما پیشنهاد می‌کنیم.
کاربرد استفاده از روکش FRP شامل مواردی همچون محصور کردن بتن, افزایش مقاومت برشی, افزایش مقاومت خمشی محدود و غیر لرزه‌ای است. همچنین نیاز به عملیات زیرسازی با ملات مخصوص، عدم امکان اصلاح مقاومت خمشی اعضای قاب‌ها برای مقاصد لرزه‌ای، عدم امکان اصلاح اتصالات و نیاز ضروری به پوشش‌های ضد حریق از معایب این نوع روش به شمار می‌رود.
شکل 3: اجرای روکش تیر و ستون بتنی با مصالح FRP
مقایسه روش‌های بهسازی روکش بتن مسلح, روکش فولادی و روکش FRP
کلیه روش‌های مقاوم‌سازی ذکر شده باعث افزایش مقاومت و محصورشدگی می‌شوند. در ادامه به مقایسه و ارزیابی سه روش ذکر شده از نظر کاربرد، هزینه، نوع شکست، چسبندگی مواد، مقاومت در برابر آتش‌سوزی و خوردگی می‌پردازیم.
کاربرد
پارامترهای کاربرد جهت تعیین نوع روش بهسازی مورد نظر به عواملی همچون زمان اجرا, مشکلات اجرا و عمل‌آوری تقسیم می‌شوند.
زمان موردنیاز برای روکش بتن مسلح بستگی به نوع تقویت دارد. تنظیم قالب, آرماتوربندی و نصب آن, بتن‌ریزی و عمل‌آوری بتن عواملی هستند که در زمان موردنیاز برای بهسازی تأثیرگذار خواهند بود.
روکش فولادی به زمان نصب کوتاهی نیاز دارد و به قالب نیازی ندارد چون روکش فولادی خود به‌عنوان قالب عمل می‌کند و مسائل مربوط به پاکسازی در آن وجود ندارد زیرا که بتن در داخل پوشش فلزی قرار می‌گیرد.
روکش FRP به آماده‌سازی سطح نیاز دارد. سطح عضو می‌بایست کاملاً تمیز شود و در برخی موارد نیاز است تا با دیسک چرخ سطح را زبر کنیم. برای قالب‌بندی، بتن‌ریزی و عمل‌آوری به زمان قابل‌توجهی نیاز است. قالب یا بتن اضافی برای بهسازی FRP به‌طور معمول نیاز نیست. استفاده و یا به کارگیری از سیستم FRP، محدودیت‌هایی را نیز شامل می‌شود که مقاله ” شرایط و محدودیت‌های استفاد از الیاف FRP ” آن را به طور جامع مورد بررسی و بحث قرار داده است.
پیشنهاد برای مطالعه
هزینه
- هزینه‌های ساخت‌وساز در ارتباط با روکش بتن مسلح متفاوت است و بستگی به نوع آرماتوربندی دارد. آرماتوربندی میلگردها و نصب آن‌ها در محل به زمان قابل‌توجهی نیاز دارد که باعث بالا رفتن هزینه‌ها می‌شود.
- برای روکش فولادی به قالب نیاز نیست و مقدار کمی بتن لازم است تا فاصله بین فولاد و سطح عضو بهسازی را بپوشاند.
- مواردی که برای بهسازی به روش FRP به آن‌ها نیاز است نسبتا گران هستند.
نوع شکست
- معمولاً شکست در روکش بتن مسلح به علت استفاده از فولاد و از نوع خمشی است.
- شکست در روکش فولادی در حالت خمشی است و قبل از شکست تسلیم و کمانش رخ می‌دهد.
- اعضای پوشش داده شده با FRP به طور معمول با شکست ناگهانی و بدون هشدار قبلی رخ می‌دهند.
چسبندگی مواد
روکش بتن مسلح چسبندگی زیادی را برای مصالح بهسازی مثل بتن و فولاد ایجاد می‌کند تا به صورت مرکب عمل کند. اما روکش فولادی ضعیف‌ترین چسبندگی را در میان روش‌های ارائه شده دارد. مصالح FRP نیز به وسیله انواع چسب و رزین به خصوص اپوکسی به سطح عضو بهسازی پیوند داده می‌شود.
مقاومت در برابر آتش‌سوزی و خوردگی
- روکش بتن مسلح محافظ مناسبی برای آرماتورهای فولادی در برابر آتش‌سوزی و خوردگی است.
- روکش فولادی در سطح خارجی خود مقاومتی را در برابر آتش‌سوزی و خوردگی ایجاد نمی‌کند.
- روکش FRP حفاظت کافی در برابر خوردگی از خود نشان می‌دهد اما در معرض خطر آتش‌سوزی آسیب‌پذیر است.
نتیجه‌گیری
در این مقاله روش‌های بهسازی شامل روکش بتنی, روکش فولادی و روکش FRP موردبررسی و ارزیابی قرار گرفته شد.
محصورکردن بتن، افزایش مقاومت برشی، خمشی و سختی جانبی و اصلاح اتصالات در قاب ها از جمله کاربرد و امکان اصلاح همزمان کلیه مشکلات سختی و مقاومتی در قاب های بتنی، اصلاح اتصالات در قاب ها، امکان اصلاح باربری ثقلی ستون ها، سهولت ایجاد پیوستگی بین اعضاء و عدم نیاز به پوشش ضد حریق از مزایای روش روکش بتن مسلح محسوب می شود.
روکش فولادی می‌تواند به عنوان روشی موقت برای بهسازی ستون‌هایی که پس از زلزله دچار آسیب شده‌اند به کار گرفته شوند. کاربرد روکش فولادی در ستونهای با مقاومت فشاری پایین بیشترین تأثیر را دارد و همچنین با افزایش ضخامت روکش نیروی قابل‌تحمل ستون افزایش می‌یابد. امکان اصلاح اغلب مشکلات سازه‌ای در قالب‌های بتنی، عدم نیاز به قالب‌بندی، سرعت اجرای بیشتر نسبت به روکش بتنی و گزینه مناسب برای محصور کردن بتن جزء مزایای این نوع روکش است.
پیشنهاد برای مطالعه
کاربرد استفاده از روکش FRP شامل مواردی همچون محصور کردن بتن، افزایش مقاومت برشی، افزایش مقاومت خمشی محدود و غیر لرزه‌ای است. مقاومت کششی زیاد، مقاومت در برابر خوردگی، نفوذناپذیری مغناطیسی، امکان تقویت به صورت خارجی، حمل‌ونقل آسان، سرعت اجرای بالا به دلیل وزن کم، گزینه مناسب برای محصور کردن بتن می‌باشد. در مجموع، سیستم FRP راهکاری موثر برای مقابله با کابوس زلزله می‌باشد.
با توجه به دو پارامتر مهم شکست و مقاومت در برابر آتش‌سوزی و خوردگی نتایج به دست آمده از مقایسه سه روش ذکر شده به شرح زیر می‌باشد:
شکست در روکش بتن مسلح به علت استفاده از فولاد و از نوع خمشی است. در روکش فولادی قبل از شکست تسلیم و کمانش رخ می‌دهد. اعضای پوشش داده شده با FRP به طور معمول با شکست ناگهانی و بدون هشدار قبلی رخ می‌دهند. روکش بتن مسلح محافظ مناسبی برای آرماتورهای فولادی در برابر آتش‌سوزی و خوردگی است. روکش فولادی در سطح خارجی خود مقاومتی را در برابر آتش‌سوزی و خوردگی ایجاد نمی‌کند. روکش FRP حفاظت کافی در برابر خوردگی از خود نشان می‌دهد اما در معرض خطر آتش‌سوزی آسیب‌پذیر است.
