بهسازی لرزه ای در اتصالات تیر به ستون قاب خمشی بتن مسلح

ضعف عمده قاب های خمشی بتن مسلح کمبود شکل پذیری و عدم محصور شدگی بخصوص در اتصالات است ،به طوریکه خرابی در این اتصالات باعث انهدام کل سازه می شود ،همچنان اتصالات تیر به ستون یکی از اجزای اصلی انتقال نیرو در سازه به حساب می آیدکه نوع و رفتار آنها در قاب از اهمیت خاصی برخوردار است. با اعمال زلزله به اتصالات یک نیروی کششی و فشاری در بالا و پایین تیرها به وجود آمده و بتن داخل اتصال بر اثر حرکت رفت و برگشتی حین زلزله دچار ترک شده و فرو می ریزد.

زلزله های اخیر نشان می دهند که اتصالات بتنی بر اساس آیین نامه های قدیمی طراحی و اجرا شده اند و ممکن است دچار خرابی های گسترده طی زمین لرزه گردند. اینگونه ساختمان ها معمولا برای تحمل تنها بارهای ثقلی طراحی شده اند و فاقد شکل پذیری می باشند که می تواند باعث مکانیزم شکست کلی سازه بر اثر بارهای جانبی گردد. در اینگونه ساختمان ها معمولا ابعاد مقاطع و آرماتورهای طولی ستون ناکافی بوده و بنابراین ستون توانایی تحمل نیازهای خمشی و برشی زلزله را ندارد. این رفتار باعث به وجود آوردن اصل تیر قوی- ستون ضعیف شده و در نیجه مفصل پلاستیک در ستون به وجود می آید.
یکی از حساس ترین نقاط در سازه های بتن مسلح اتصالات می باشد.یکی از متداولترین مکانیزم های شکست در سازه های بتنی شکست برشی اتصالات در هنگام زلزله و ایجاد مفصل پلاستیک در ستون ها است. نیروی جانبی از جمله باد و زلزله از عوامل محرک این اتصالات می باشد که باید تنش ها و نیروهای مختلف را بتواند منتقل کند، به همین دلیل حفظ یکپارچگی و استحکام و شکل پذیری مناسب حائز اهمیت است. همچنان اتصالات در قاب های خمشی بتن مسلح به علت قرارگیری اتصال تحت تلاشهای رفت و برگشتی در هنگام زلزله جزو بحرانی ترین نقاط در عملکرد قاب خمشی بتن مسلح می باشد. شکی نیست اصلاح عملکرد گره اتصال باعث بهبود عملکرد کل سیستم خواهد بود.
در طراحی ساختمان ها اصل بر این است که سازه طوری ساخته شود که بتواند در برابر زلزله های متوسط بدون آسیب دیدگی و در برابر زلزله های شدید که برای عمر مفید ساختمان پیش بینی می شود بدون آسیب دیدگی جدی مقاومت کرده و در برابر زلزله های شدید غیر عادی سازه دچار تخریب کلی نشود . وقتی قاب بتن مسلح با شکل پذیری متوسط تحت تاثیر نیروهای ناشی از زلزله قرار می گیرد تغییر شکل های بزرگی در این نواحی رخ می دهد که باید اتصالات سازه قادر به انتقال نیروهای برشی به اعضای مجاور خود باشند.

شکست در ناحیه اتصال تیر به ستون

در بعضی از گسیختگی ها به علت اینکه هسته بتن بطور کافی با آرماتور عرضی محصور نشده دوران در اتصال تحت نیروی جانبی به وجود آمده و باعث ترک در بتن خواهد شد، در اثر همین شکست، هسته بتن تحت فشار فروریخته و آرماتورهای طولی کمانش پیدا کرده و باعث ایجاد مفصل پلاستیک در سازه خواهد شد. به علت کمبود خاموت کافی در سطح شکست قبل از اینکه مقطع به ظرفیت خمشی نهایی خود برسد خود اتصال تسلیم می شود (بتن ناحیه فشاری). این مکانیزم در اثر وقوع ترک های عمودی ریز در هسته بتن فعال می شود که با بزرگ شدن ترک های قائم و یکپارچه شدن آنها پوشش بتنی در ناحیه اتصال تخریب می شود.کم شدن مقاومت خمشی شکل پذیری را در اتصال پایین آورده و باعث می شود شکست بتن در اتصال قبل از آرماتورهای طولی رخ دهد.
همانطورکه قبلا اشاره شد تغییر شکل در اتصال ،نیروی برشی را افزایش می دهد که این تغییر شکل، تحت اثر نیروی فشاری (محوری) به وجود آمده در ستون نیست.طبق نتایجی که از تجزیه و تحلیل آزمایشات در دهه های گذشته صورت گرفته به نظر می رسد ،با وجود نیروی زلزله در اتصالات قبل از این که میلگردهای طولی به حد تنش مجاز برسند ترک در بتن به وجود آمده و به اعضای مجاور منتقل می شود.
تغییر شکل برشی اتصال ناشی از چرخش چهار بخش سخت و صلب اعضای مجاور اتصال می باشد. به این ترتیب تغییر شکل برشی در مرزهایی که متشکل از ترک مورب و ترک های خمشی است اتفاق می افتد. در شکل پایین بخش صلب، پیرامون یک نقطه دوران می کند ومیزان دوران هم از نتایج آزمایش به دست آمده است. در واقع قسمت نام برده اتصال کاملا صلب نیست، بلکه به یک مقدار مشخص محدود شده است.

از آنجا که تغییر شکل برشی در اتصال چشمگیر می باشد، برای کاهش آن از آرماتورهای عرضی می توان استفاده کردکه این تغییر شکل برشی اتصال در شکل زیر نشان داده شده است . اگر مقدار تغییر شکل در حد مقادیر ارائه شده (تا حد حلقه های نشان داده شده) در شکل های زیر باشد، می توان اتصال را صلب در نظر گرفت که باعث نگهداشتن سختی اعضای مجاور اتصال می شود، مقدار تغییر شکل در تیر بر تغییر مکان طبقات بالایی خیلی موثر است و نسبت کاملا مستقیم را دارد.

مشخصات قاب بتنی مورد نظر

بـرای مطالعـه بهسـازی لـرزه اییـک قـاب سـاختمانی ٣ طبقـه و ٣ دهانـه اسـتفاده شـده اسـت کـه ارتفـاع طبقـات ٣/٢ متـر و طول دهانه ها ۵ متر می باشد.
بارگـذاری قـاب مـورد بررسـی و نیـز تعیـین نیـروی جـانبی بـر اسـاس مبحـث ششـم مقـررات ملـی سـاختمان ایـران صـورت گرفتـه است. برای محاسبه نیـروی اسـتاتیکی معـادل زلزلـه، پـارامتر ضـریب زلزلـه  C بـا فـرض شـرایط خطـر نسـبی زیـاد، سـاختمان بـا اهمیـت متوسط و زمین نوع II تعیـین شـدهانـد. ضـریب رفتـار بـرای قـاب مـورد نظـر برابـر ٧ درنظـر گرفتـه شـده و بـار معـادل ناشـی از سـقف و دیوارها در طبقات اول و دوم برابر ٢٧٠٠kg/mو در طبقه سوم برابر ٢٠٠٠kg/m فرض شده است.
طراحی قـاب نیـز مطـابق مبحـث نهـم مقـررات ملـی سـاختمان ایـران و بـه روش تـنش مجـاز و بـا اسـتفاده از نـرم افـزار EtabsV.9.7.1 صورت گرفته است. و نتایج قاب سه طبقـه در نـرم افـزار نـام بـرده شـده را بـا همـان خصوصـیات مصـالح بـه همـراه پیکـر بنـدی در نرم افزار [1] ABAQUS مجددا مدل خواهیم کـرد ، میـزان تـنش هـا و تغییـر مکـان هـا را بـه صـورت اجـزا محـدود مشـاهده خـواهیم کـرد.
پیکربندی قاب مورد بررسی در شکل زیر نشان داده شده است.

ستون های کلیه طبقات با سطح مقطع مربع به ابعاد ٣۵*٣۵ سانتیمتردر طبقه اول ٨Ø ١٨و در طبقه دوم و سوم  ٨Ø ١۴استفاده شده است. ابعاد تمام تیرها ٣۵*٣۵ بوده و آرایش میلگردها نیز در شکل های ۵ و ۶ نشان داده شده است. با فرض افزایش مدول الاستیسیته به مقدار اندکی در برنامه ABAQUS و توزیع حجمی آرماتورها در بتن فرض بر این است از وجود آرماتورهای عرضی صرفنظر کرده ایم.

خصوصیات مصالح مفروض در مدل قاب بتن مسلح:

 

فولاد	تنش تسلیم: 3000 kg/cm2 تنش گسیختگی:4000 kg/cm2 مقاومت نهایی: 5000 kg/cm2 حداکثر کرنش: %29.9 2.1*10^6 kg/cm2 :مدول یانگ
بتن (C16/20)	مقاومت فشاری نهایی: 240 kg/cm2 ضریب پواسون :0.2 مقاومت کششی: 24 kg/cm2 2*10^5 kg/cm2 :مدول یانگ

 

بارگذاری مدل

قاب مذکورطبق بارهای نشان داده شده در شکل دارای بار گسترده در طبقات که همچنان به دلیل وزن سازه ای طبقه بام مقدار آن به مراتب کمتر از طبقات پایینی می باشد . سیستم باربر جانبی به صورت قاب خمشی بتنی با شکل پذیری متوسط بوده و به دلیل تقارن ،در پلان یک قاب مورد تحلیل قرارگرفته است.فرض بر این است که قاب دارای چهار تکیه گاه در سه جهت x,y,z بوده که هم تغییرمکان و هم چرخش را صفر در نظر گرفتیم.

تنش در آرماتورها

طبق شکل نشان داده شده معلوم می گردد که حداکثر تنش در محل اتصال تیر به ستون به وجود می آید و در نقطه اتصال ، میلگردها به حد جاری شدن می رسند که اگر شدت نیروی زلزله زیاد باشد باعث ایجاد مفصل پلاستیک می شود. طبق شکل 8حداکثر تنش 2921 kg/cm2 در اتصال به وجود آمده است. مقدار تنش به دست آمده کمتر از تنش تسلیم جدول بالا می باشد. به دلیل آنالیز استاتیکی که انجام گرفته میلگردها وارد ناحیه غیر خطی نشده اند و نسبت تنش و کرنش خطی است که رفتار الاستیک سازه را بر مبنای روش تنش مجاز آیین نامه ای بیان می کند.
بیشترین تنش در محل اتصال به تیرها وارد شده است، یعنی اینکه سختی ستون از تیر بیشتر است که رفتار ستون قوی – تیر ضعیف را بیان می کند.

شکل بالا نمودار جابه جایی- زمان سازه شکل بالا را بیان می کند. در لحظه 24/2 ثانیه سازه تسلیم شده و جابه جایی طبقه آخر 840/0 متر یا 8/4 سانتیمتر می باشد. مشاهده می شود نمودار یک حالت صعودی دارد، یعنی اینکه هر چه زمان بالا رود سازه به تناسب ،جابه جایی بیشتری را دارد. این واقعیت مود اول سازه را بیان می کند که جابه جایی در طبقه اول صفر و در طبقه آخر حداکثر می باشد.

لزوم بهسازی

طبق نتایج از  ABAQUS نشان داده شده در شکل بالا معلوم است که حداکثر تنش در اتصالات به وجود آمده است. بنابراین اتصالات در قاب های خمشی بتن مسلح لزوم بهسازی را واجب میکنند که بعد از وقوع زلزله آسیب پذیرترین ناحیه در قاب ها می باشند.
هدف از بهسازی و ترمیم قاب های خسارت دیده از زلزله، ممانعت از فروپاشی سازه بر اثر زلزله مخرب در آینده می باشد. بدین منظور باید اعضای سازه ای خسارت دیده از زلزله)اتصالات( ترمیم شده و در نتیجه مقاومت لرزه ای ساختمان به حدی باشدکه بتواند نیاز لرزه ای را تامین کند.
مقاوم سازی سازه ها همان طور که ذکر شد شامل افزایش شکل پذیری،سختی و مقاومت و یا کاهش نیروهای وارد از طرف زلزله به ساختمان می باشد. شکل پذیری عناصر ترمیم شده به وسیله محصور کردن بتن و یا زره پوش فولادی و یا مصالح دیگر تامین می شود. قابل توجه است که باید دقت کافی در امر مقاوم سازی و ترمیم انجام شود که تغییر مقطع عناصر سازه ای باعث توزیع مجدد تنش در عنصر سازه ای نشود و نحوه اتصال
باید طوری باشد هم کرنشی یا سازگاری در اعضا به وجود آید.

روش های بهسازی اتصالات

بسته به میزان آسیب دیدگی برای مرمت و تقویت اتصالات راهکارهایی را می توان به کار برد.

1. تزریق رزین
2. استفاده از تسمه های به شکل x
3. اتصال ورق های فولادی و FRP
4. پوشش بتن مسلح

طبق شکل 3نشان داده شده در بند 2مشاده می شود که شکست مورد بررسی در این مقاله در داخل هسته اتصال رخ داده است و با توجه به اینکه اتصال در اثر حرکت های رفت و برگشتی آسیب می بیند باید ما یک نوع روش بهسازی به کار ببریم که مانع از فروپاشی هسته اتصال شود و در جهت حرکت ترک بتوانیم مانعی ایجاد کنیم که بعد از وقوع زلزله با بهسازی از پیش تعیین شده و افزودن ورق های فولادی به روش ضربدری مانع از شکست اتصال شویم.

افزودن ورق های فولادی به روشX

مطابق ورق های Xشکل اجرا شده روی شکل 01می توان اتصالات را مسطح اجرا نمود. این کار یکی از راهکارهایی است که اتصال را بدون تغییر ابعاد می توان مقاوم سازی کرد. قبل از انجام عملیات فوق ضروری است که اتصال به طور موضعی مرمت شود. پس از چسپاندن ورق های فولادی به کمک نبشی و تسمه فولادی می توان آن را روی اتصال محکم نگه داشت. که با این وضعیت محصور شدگی طبق شکل زیر در
اتصال به وجود می آید.
جهت جلوگیری از زنگ زدگی و آتش سوزی نبشی و تسمه های فولادی می توان بعد از نصب ورق روی اتصال آن را بتن پاشی کرد(شاتکریت) و جهت جلوگیری از کمانش تسمه های فولادی از میخ های تولیدی استفاده می شود.

نتیجه گیری

با توجه به اینکه اتصالات در قابهای خمشی بتن مسلح یکی از نقاط حساس و آسیب پذیر به حساب می آید، طراحی غلط و غیر اصولی در این اعضا یعنی اتصالات منجر به شکست زودرس در اثر تنشهای وارده به اتصال می شود. همانطور که از نتایج نرم افزار ABAQUSشکل 8معلوم است حداکثر تنش دراتصالات به وجود آمده است که لزوم بهسازی لرزه ای را برا ی این نقاط اجباری و لازم می داند.
با توجه به نوع آسیب و ترک در هسته اتصال به صورت ضربدری برای ترمیم این نوع اتصالات از ورق های فولادی Xمنطبق بر ترک برای بالا بردن ظرفیت برشی می توان استفاده کرد. قابل توجه است که افزایش ظرفیت برشی اتصال باید مانع از ایجاد مفصل پلاستیک در ستون شود و اصل “ستون قوی- تیر ضعیف” باید رعایت شود که مفصل پلاستیک را باید در تیر ایجاد کرد.
یکی ازروش های بهسازی بالا بردن شکل پذیری در اتصالات می باشد که هدف توسعه اقتصادی و روش های تجربی، بالا بردن مقاومت لرزه ای و حذف حالت های شکست ترد می باشد.
این مقاله به همت اقایان زاهد وکیلی و علاءالدین بهروش تهیه شده است.