مقاوم‌سازی برشی داخل صفحه دیوارهای بنایی به‌وسیله میله‌های FRP

نیروهای اینرسی ناشی از زلزله که در ساختمان پدید می‌آیند میبایستی نهایتاً به پی و ازآنجا به زمین منتقل شوند. در ساختمان‌های بنایی، این انتقال نیرو توسط دیوارها صورت می‌گیرد. دیوارها به دودسته برشی و عرضی تقسیم می‌شوند. دیوارهایی که موازی حرکت پی هستند برشی و آن‌ها که عمود بر این جهت‌اند عرضی نامیده می‌شوند. بخشی از نیروی حاصله در دیوارهای عرضی به سقف و بخشی به زمین و بقیه به دیوارهای برشی منتقل می‌شود. سقف نیز نیروهای حاصله از زلزله و دیوارهای عرضی را به دیوارهای برشی منتقل می‌کند. بنابراین اصلی‌ترین عنصر لرزه بر در یک ساختمان بنایی دیوار برشی می‌باشد که نهایتاً بار افقی حاصل از کلیه اجزای دیگر را می‌باید به زمین منتقل سازد و لذا در اینجاست که اهمیت این‌گونه دیوارها در هنگام زلزله مشخص می‌شود و بدین منظور مبنای کار این مطالعه بر روی آزمایش‌ها صورت گرفته روی این‌گونه دیوارها و مقاوم‌سازی آن‌ها استوار است. ترد بودن مصالح و عدم شکل‌پذیری کافی، وزن زیاد و وابستگی زیاد مقاومت به کیفیت ساخت، از عوامل عمده ضعف دیوارهای بنایی و نیاز آن‌ها به مقاوم‌سازی در برابر نیروهای ناشی از زلزله می‌باشد. روش‌های متداول زیادی برای مقاوم‌سازی ساختمان‌های بنایی غیرمسلح  ( URM)وجود دارد. متداول‌ترین این روش‌ها شاتکریت ، تزریق ملات ، مهاربندی با استفاده از بادبند فولادی و ایجاد پس تنیدگی در دیوار بنایی می‌باشد، ازجمله مشکلات این روش‌ها می‌توان از نیاز به نیروی کار ماهر و برهم زدن عملکرد عادی ساختمان نام برد که عامل دوم به‌ویژه در موردترمیم و بهسازی ساختمان‌های موجود بسیار حائز اهمیت است. در سال‌های اخیر، استفاده از مواد کامپوزیت و الیاف پلیمری در صنعت ساختمان موردتوجه قرارگرفته است و دامنه آن تا بهسازی و مقاوم‌سازی سازه‌ها در برابر زلزله نیز گسترده شده است. کاربرد آسان ، استحکام و مقاومت بالا ، انعطاف‌پذیری مناسب ، وزن و ضخامت کم و … ازجمله مواردی است که موجب استفاده روزافزون از این مواد در صنعت ساختمان و مقاوم‌سازی آن می‌باشد.

رفتار داخل صفحه دیوارهای بنایی

رفتار داخل صفحه دیوارهای بنایی که تحت بارگذاری قائم و افقی قرار دارند، بسیار حائز اهمیت می‌باشد. در حقیقت این دیوارها در ساختمان‌های بنایی نقش دیوارهای برشی، و درنتیجه المان‌های مقاوم در برابر بارهای زلزله را به عهده‌دارند. لذا شناخت نحوه رفتار آن‌ها در برابر بارهای جانبی بسیار حائز اهمیت است

مکانیسم‌های شکست داخل صفحه دیوارهای بنایی

مکانیسم‌های شکست داخل صفحه یک دیوار بنایی در چهار گروه تقسیم می‌شود که در شکل  (1)ارائه‌شده است. معمولاً دیوارهای بنایی در تغییر مکان نسبی جانبی بین 0/0006تا 0/01به گسیختگی میرسند. مقادیر بالاتر از این حد عمدتاً در دیوارهای بنایی مسلح قابل‌دسترس می‌باشد.
الف) مکانیسم شکست خمشی : این مکانیسم گسیختگی، که در شکل (1الف) دیده می‌شود همراه با ظهور ترک‌های کششی دربندهای افقی واقع در منطقه کششی آغاز می‌گردد. این ترک‌ها از پایین‌ترین بند افقی آغازشده و متناسب با افزایش بار در جهت افقی و قائم (ظهور ترک در سایر بندهای افقی) گسترش می‌یابند. این نوع شکست عموماً در دیوارهایی با نسبت ارتفاع به طول نسبتاً بزرگ اتفاق می‌افتد.
ب) مکانیسم شکست برشی : این نوع شکست با ترک‌های قطری (عموماً با الگوی پله‌ای) همراه است و عمدتاً در دیوارهایی با نسبت کوچک ارتفاع به طول و مقادیر کوچک نیروی محوری اتفاق میافتد. در این حالت بخش‌های جداشده بر روی بخش پایینی می‌لغزد و تغییرشکلهای بزرگ رخ می‌دهد .
ج) مکانیسم لغزش : این نوع شکست عموماً برای دیوارهای نسبتاً کوتاه و با نیروی محوری کوچک و یا در دیوارهای با ملات ضعیف اتفاق میافتد.
د) مکانیسم ظهور هم‌زمان ترک در آجرها و ملات : این نوع شکست زمانی اتفاق میافتد که مشخصات مصالح آجری و ملات شبیه یکدیگر باشد (اغلب درزمانی که آجرها مقاومت فشاری کمی داشته باشند). در این حالت ترک‌ها از بندهای افقی آغازشده و از میان بلوک‌ها عبور می‌کنند.

شکست خمشی به دلیل اینکه بیشترین شکل‌پذیری را به همراه دارد، عموماً مطلوب‌ترین نوع شکست در بین مکانیسم‌های فوق‌الذکر است. مقاوم‌سازی سازه‌های بنایی عمدتاً برای دستیابی به ظرفیت باربری و شکل‌پذیری بیشتر و حذف مکانیسم‌های شکست نامطلوب انجام می‌شود

تقویت برشی داخل صفحه دیوارهای بنایی به‌وسیله میله‌های FRP

برای تقویت برشی داخل صفحه دیوارهای بنایی می‌توان از میله‌های FRPدر قالب سیستم NSMاستفاده کرد. روش NSMیا Near Surface Mountedروشی است که در آن میله‌های FRPدر شیارهایی که در سطح دیوار ایجاد می‌شوند و در نزدیکی سطح دیوار جایگذاری شده و به‌وسیله رزین به بدنه اصلی دیوار متصل می‌شوند. این عمل باعث انتقال نیروی برشی از بدنه دیوار به میله‌ها شده که ضمن افزایش مقاومت برشی باعث می‌شود دیوار بنایی در تغییر شکل‌های بزرگ شکل‌پذیری بیشتری از خود نشان دهد. در دیوارهای بنایی به این دلیل که ایجاد شیار در واحدهای بنایی مشکل بوده و ممکن است عدم دقت کافی در ایجاد شیار باعث خرابی و شکستگی در واحدهای بنایی و افت مقاومت دیوار شود، شیارها دربندهای دیوار بنایی جایگذاری می‌شوند. به همین دلیل به این روش بندکشی مجدد نیز گفته می‌شود. باید توجه داشت که در این روش قطر میله‌های FRPبه‌وسیله ضخامت بندهای ملات که معمولاً بیشتر از 38 اینچ نیست، کنترل می‌شود. روش اجرای مقاوم‌سازی به شیوه NSMرا می‌توان به‌طور خلاصه به‌صورت زیر بیان کرد:

1. با استفاده از دستگاه سنگ سنباده، شیارهایی با طول معین و عمق معین در محل‌هایی از دیوار بنایی که باید میله‌های FRPقرار داده شوند ایجاد می‌شود.
2. به‌منظور ایجاد پیوستگی بیشتر بین رزین و بدنه دیوار، شیارهای ایجادشده به‌وسیله فرچه و یا با استفاده از پمپ باد از گردوخاک و اضافات مواد پاک می‌شود .
3. شیارهای ایجادشده به‌وسیله کاردک به میزان نصف از رزین پر می‌شوند .
4. سپس میله‌های FRPدر داخل شیارها قرار داده می‌شوند .
5. در مرحله بعد شیارها به‌طور کامل با رزین پر می‌شوند تا رزین به‌طور کامل میله‌های FRPرا در بربگیرد.

Gustavo Tumialan  و Nanni  در سال 2001میلادی طی یک سری مطالعات آزمایشگاهی به بررسی عملکرد برشی دیوارهای بنایی مقاوم‌سازی شده با میله‌های FRPبه روش NSMپرداختند. دریکی از این آزمایش‌ها 4دیوار بنایی متشکل از بلوک‌های سیمانی با ابعاد (150×200×400) mmساخته شدند. ابعاد نمونه‌ها 1/6 m ×1/6 mو تمام نمونه‌ها دارای مشخصات یکسانی بودند. ملات مورداستفاده از نوع N )ملات ضعیف) به‌کاربرده شده و دیوارها با میله‌های GFRPبا قطر 14 اینچ یا 6/25 mmبا مقاومت کششی 827 mpaو مدول الاستیسیته پ40/7 mpaتقویت شدند. یک نمونه دیوار )دیوار شماره (1به‌صورت تقویت نشده به‌منظور مقایسه نتایج، مورد آزمایش قرار گرفت. نمونه شماره 2با میله‌های GFRPدر تمام بندهای افقی و نمونه شماره 3با میله‌های GFRPبه‌صورت شبکه‌ای، بدین معنی که میله‌ها در تمام بندهای قائم و افقی و در یک وجه دیوار جایگذاری شده بودند، مسلح گردیدند. در نمونه شماره ،4میزان تقویت‌کننده‌ها مشابه دیوار شماره 3بود اما میله‌های GFRPدر دو وجه دیوار توزیع شدند. به‌طوری‌که تقویت‌کننده‌های عمودی در پشت دیوار و تقویت‌کننده‌های افقی در جلو دیوار قرار داده شدند.

نمونه‌ها تحت یک بارگذاری قطری که به‌وسیله دو جک هیدرولیکی 30تنی ایجاد می‌شد، مورد آزمایش قرار گرفتند. شکل 3نحوه انجام آزمایش را نشان می‌دهد.

نتایج حاصل از آزمایش نشانگر افزایش قابل‌توجهی در مقاومت برشی دیوارهای مقاوم‌سازی شده با میله‌های GFRPمی‌باشد. همچنین استفاده از این روش تأثیرات مثبتی در شکل‌پذیری و مکانیسم شکست دیوارهای بنایی را به همراه داشت. ظرفیت برشی ماکزیمم دیوار شماره 1حدود 26 Kips یا 115/6 Knثبت شد. همان‌طور که انتظار می‌رود ظرفیت برشی دیوار شماره 1متأثر از مقاومت ملات و مکانیسم شکست به‌صورت ترک‌های گسترش‌یافته در طول گره‌ها و به‌صورت پله‌ای می‌باشد (شکل .(3بار نهایی برای نمونه‌های 2و 3و 4حدوداً برابر و در حدود 53 Kipsیا 235/5 Knبود.
نکته حائز اهمیت در مورد نمونه‌های تقویت‌شده این است که حضور تقویت‌کننده‌ها، ترک‌ها را وادار به عبور از میان بلوکه‌ای سیمانی کرده شکل (3) بنابراین نیروی کششی ایجادشده در میله‌های عبور کننده از ترک‌های قطری، ظرفیت برشی را افزایش داده است. و همچنین مکانیسم شکست نهایی را از مکانیسم شکست نامطلوب پله‌ای که همراه با تغییر شکل‌های زیاد بوده به مکانیسم شکست مطلوب‌تر تشکیل ترک هم‌زمان در آجر و ملات تبدیل کرده است. نکته قابل‌توجه دیگر این است که در مورد نمونه تقویت نشده، خرابی به‌صورت ناگهانی و با فروریزش مصالح همراه بود که این امر در ساختمان‌های واقعی می‌تواند باعث جراحت یا مرگ ساکنین در طی رخداد زلزله باشد. اما در مورد نمونه‌های تقویت‌شده هیچ سست شدگی و فروریزشی در مصالح اتفاق نیفتاد.

در مورد مکانیسم شکست نمونه‌های تقویت‌شده، شکست به علت از بین رفتن پیوستگی بین رزین و مصالح بنایی ایجاد می‌شود، با مقایسه عرض ترک‌های جلو و پشت نمونه‌ها، رشد ترک‌ها در قسمت‌های کمتر تقویت‌شده و یا تقویت نشده، با سرعت بیشتری نسبت به قسمت تقویت‌شده جلویی افزایش پیدا می‌کند.

مطالعه تحلیلی

برای مطالعه تحلیلی دیوارهای بنایی مورد آزمایش قرارگرفته توسط Nanniو همکارانش، نمونه‌های شماره 1و 2با استفاده از روش المان مجزا و نرم‌افزار 3decمورد تحلیل قرار گرفتند. در مدل‌سازی به روش المان مجزا با استفاده از نرم‌افزار ، 3decبندهای ملات از مدل حذف می‌گردند و رفتار آن‌ها به ناپیوستگی‌ها نسبت داده می‌شود. بدین طریق محیط ناپیوسته دیوار به‌صورت ساده‌تر اما با دقت لازم مدل می‌گردد. به‌منظور حفظ هندسه کلی مدل، با حذف ملات، ابعاد بلوک‌ها افزایش داده می‌شود . نرم‌افزار 3decدارای مدل‌های رفتاری از پیش تعریف‌شده‌ای برای مدل‌سازی بلوک‌ها و ناپیوستگی‌ها ( ملات) می‌باشد. برای بلوکه‌ای آجر از مدل رفتاری الاستوپلاستیک موهر- کولمب استفاده می‌گردد که مدل مرسومی برای پلاستیسیته خاک به‌حساب می‌آید . همچنین برای مدل‌سازی درزه‌ها از مدل رفتاری کولمب استفاده می‌شود که رفتار الاستیک درزه‌ها را به‌وسیله سختی نرمال K nو سختی برشی Ksو رفتار پلاستیک آن‌ها را به‌وسیله چسبندگی درزه Cو زاویه اصطکاک داخلی φتعریف می‌کند. نتایج به‌دست‌آمده از تحلیل، تطابق رضایت‌بخشی را نسبت به نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که در جدول شماره  (2)نشان داده‌شده است. همچنین بازشدگی دیوارها، جابجایی‌های برشی درزه‌ها و توزیع تنش در لحظه گسیختگی در نمونه‌ها در شکل‌های  (6) ،(5و ) (7)نشان داده‌شده است.

شماره دیوار (نمونه)	نتایج آزمایشگاهی	نتایج عددی	نسبت (عددی/آزمایشگاهی)
1	115.6	127.5	1.1
2	235.6	203.8	0.86

نکته قابل‌توجه در شکل  (7)این است که در نمونه تقویت نشده تا لحظه گسیختگی درزه‌ها، تنش در واحدهای بنایی به حد تسلیم نرسیده و بنابراین گسترش ترک‌ها در دیوار در امتداد درزه‌ها ایجاد می‌شود. اما در نمونه تقویت‌شده به علت وجود میله‌های FRPدر درزه‌ها، تنش در واحدهای بنایی به حد تسلیم رسیده و ایجاد ترک‌ها در واحدهای بنایی آغازشده و در امتداد قطر دیوار و با عبور از میان واحدهای بنایی پیش می‌رود که نتایج آزمایشگاهی
را تائید می‌کند.

نتیجه‌گیری

سازه‌های بنایی به دلیل ضعف ذاتی مصالح بنایی در شکل‌پذیری و مقاومت برشی ، مستعد خرابی در اثر نیروهای جانبی زلزله می‌باشند. که این امر مقاوم‌سازی دیوارهای بنایی را به‌عنوان عنصر اصلی لرزه بر در این سازه‌ها ، امری اجتناب‌ناپذیر می‌نماید. استفاده از کامپوزیت‌های FRPدر مقایسه با روش‌های متداول مقاوم‌سازی دارای مزایای زیادی ازجمله اجرای آسان، وزن و ابعاد کم و حفظ ظاهر معماری می‌باشد این مزایا می‌توانند در
مقاوم‌سازی بناهای تاریخی که دارای اهمیت معماری می‌باشند، قابل‌توجه باشد. با توجه به وجود آثار تاریخی و معماری ارزشمند در کشور ما و نیاز به مقاوم‌سازی آن‌ها، استفاده از این مصالح برای مقاوم‌سازی این بناها می‌تواند راهگشا باشد.

این مقاله به همت مهدی کریمی ، علی لکی روحانی تهیه‌شده است.