مقاوم سازی اتصالات تیر– ستون سازه های بتن آرمه

هنگام وقوع زلزله اتصال تیر به ستون در سازه های قاب خمشی بتن مسلح دچار تنشهای زیادی می شود. بر اثر این تنش ها اکثراً گره اتصال دچار آسیب شده و حتی بعضاً گسیخته می شود. گسیخته شدن گره اتصال می تواند باعث خرابی و فرو ریزش کل ساختمان گردد. با توجه به این مسئله در سالهای اخیر اکثر آیین نامه های لرزه ای توجه خاصی به گره اتصال تیر به ستون معطوف داشته اند و علت این امر نیز پیچیده بودن رفتار عملکرد اتصال تیر به ستون و عوامل تاثیر گذار بر روی آن می باشد. در آیین نامه های طراحی لرزه ای، فلسفه طراحی، بر مبنایی استوار است که آخرین قسمتی که در ساختمان آسیب می بیند اتصال تیر به ستون باشد. چون بعد از زلزله الف) ترمیم اتصال آسیب دیده مشکل است، ب) گره اتصال باید توانایی انتقال نیروهای ثقلی اعمال شده بر تیر را به ستون داشته باشد تا سازه بتواند پس از زلزله سر پا بماند.

خدمات طراحی سازه:

اتصال تیر به ستون در قابهای خمشی بتن مسلح به علت قرارگیری اتصال تحت تلاشهای رفت و بر گشتی در هنگام زلزله جزو بحرانی ترین نقاط در عملکرد قاب بتن مسلح خمشی می باشد. شکی نیست اصلاح عملکرد گره اتصال باعث بهبود عملکرد کل سیستم خواهد شد. با توجه به این مطلب طراحی و تقویت گره اتصال از مهمترین قسمتهای مقاوم سازی لرزه ای می باشد.
اولین آزمایشات انجام گرفته بر روی اتصالات تیر به ستون به سالهای 1960که توسط هانسون  (Hanson) انجام گرفته بر می گردد. ادامه کارهای انجام گرفته توسط هانسون در دیگر کشورها نیز جهت بهبود عملکرد لرزه ای اتصال پی گیری شد. نتایج کارهای تحقیقاتی انجام گرفته تا سال 1976 باعث انتشار ACI/ASCE352 گردید،که این گزارش در سالهای 1991 و 2000 با در نیوزلند اولین آیین نامه طراحی لرزه ای ساختمانهای بتن مسلح در سال 1982 مورد بررسی قرار گرفت و در سال 1989 طراحی اتصال تیر به ستون در قاب بتنی شکل پذیر ارائه شد. تلاشهای اکثر محققان در کشورهای مختلف جهت طراحی و مشکلات اجرایی اتصالات بوده است بطوریکه در سال ATC‐11 1983 موارد تحقیقاتی زیادی را به عنوان سر فصل پیشنهاد کردند. در کارهای تحقیقاتی انجام گرفته تحت زمین لرزه های بزرگ آسیب های جدی ایجاد شده است و همچنین انتظار آسیب می رود ولی فلسفه طراحی بر مبنای جلوگیری از:  الف) تغییر شکلهای ماندگار، ب) تمرکز آسیب در نقاط محدود ج) شکست ترد گونه می باشد.
مگت  (Megget) در سال 1974 عملکرد در نمونه اتصال تیر به ستون بتن مسلح بیرونی را که تحت بارهای محوری ناچیزی بودند مورد مطالعه قرار داد و تاثیر تیرهای عرضی بر روی محصور شدگی و عملکرد اتصال را مورد بررسی قرار داد تغییر مکانهای زیاد باعث ترک خوردگی در تیرهای عرضی و کاهش تاثیر آن بر عملکرد اتصال گردیده شده را گزارش کرده است. پانتازاپولو  (Pantazapoulou) و بوناسی  (Bonacci) با توجه به روابط داده شده بر حسب معادلات تنش و کرنش، نشان داده اند مقاومت برشی اتصال به مقاومت فشاری آن بستگی دارد و با افزایش نیروی محوری مقاومت برشی اتصال کم شده است. تسونوس (Tsonos) در سال 14 ،1995 اتصال تیر به ستون را مورد آزمایش قرار داد و نشان داد که افزایش نیروی محوری در سیکلهای بالا کاهش مقاومت اتصال تیر به ستون می گردد.
مستوفی و سبحانی در کارهای عددی خود توسط نرم افزار ANSYS به این نتیجه رسیدند که افزایش فولاد طولی تاثیر کمتری نسبت به افزایش فولاد تیر در میزان دوران نهایی اتصال دارد. همچنین افزایش فولاد عرضی منجر به افزایش لنگر مقاوم و دوران نهایی اتصال می گردد. باگلین (Baglin) و اسکات  (Scott) در آنالیز اجزای محدود توسط نرم افزار SBETA اتصال تیر به ستون را مورد مطالعه قرار داده و نقش اصلی در عملکرد اتصال تیر به ستون را آرایش صحیح میلگردهای عرضی گره اتصال و مقدار نیروی محوری مناسب اعلام نموده اند.

لزوم مقاوم سازی اتصالات

عدم تقویت جانبی در اتصالات و طراحی ستون لاغر، تیر قوی از دلایل مهم مشاهده شکستهای برشی اتصالات در طول زلزله های اخیر بوده است. شکست برشی اتصالات در سازه های بتن مسلح ، نتیجه اجرای شکل پذیر نبودن قابهای مقاوم در برابر لنگر می باشد. ساختمانهای موجود زیادی قبل از توسعه آیین نامه لرزه ای طراحی و ساخته شده اند. نمونه هایی از زلزله ها ی اخیر از قبیل زلزله Kocaeli ترکیه و زلزله Chi‐Chi تایوان نشان داد که شکست برشی در اثر شکل پذیر نبودن در اتصالات، ممکن است دلیل فرو ریختن بسیاری از سازه ها باشد. سازه های آسیب دیده بعد از زلزله Kocaeli در شکل زیر که مثال خوبی از این شکستها میباشد نشان داده شده اند.

همچنانکه شکست اتصالات عامل اصلی فرو ریختن ساختمانها در طول زلزله می باشد، لازم است تا روشهای اقتصادی بالا بردن ظرفیت اتصالات توسعه یابد. به عبارت دیگر از شکست برشی شکنندگی جلوگیری کرده و بجای آن شکست بسوی یک مکانیزم تیر خمشی مفصلی که یک رفتار کاملاً شکل پذیر دارد سوق داده شود.

روش های تقویت اتصال تیر به ستون

بسته به میزان آسیب دیدگی، برای مرمت و تقویت اتصالات تیر به ستون بتن مسلح راهکارهای زیر را می توان بکار برد:

الف) تزریق رزین (مرمت موضعی):

از تزریق رزین در مواردی استفاده می شود که فقط ترکهای ریزی در اتصال به وجود آمده و آسیب دیدگی جدی بتن و کمانش آرماتور طولی پیش نیامده باشد. با این حال، بازگشت پیوستگی بین فولاد و بتن به کمک رزین اپوکسی مشکوک است زیرا نتایج متناقضی در مقالات بین المللی مشاهده شده است (پوپوف و برترو، 1975 ; فرنچ، تورپ و سای، 1990)

ب) طوق های پیش تنیده Xشکل:

بعد از آنکه ترکها با تزریق رزین پر شدند، یا بعد از آنکه بتن های متلاشی شده از سطح اتصال جدا گشته و جای خالی آنها به وسیله ملات اپوکسی یا ملات ضد جمع شدگی پر شد، اتصال با استفاده از تنگ های خارجی (طوق) که با کوپلر پیش تنیده شده اند، تقویت می شوند. پس از پایان مرحله اتصال با شبکه ای از مفتول های به هم جوش شده پوشانده شده و بتن پاشی می شود. وقتی که چهار تیر به اتصال وارد می شود استفاده از این راهکار ممکن نیست زیرا طوق های Xشکل قادر به عبور از میان اتصال نیستند).( NTU،1978

ج) افزودن ورق های فولادی :

مشابه طوق های Xشکل، ورقهای فولادی را می توان روی اتصالات مسطح اجرا نمود. این کار یکی از راهکارهایی است که اتصال را بدون تغییر ابعاد آن مقاوم می کند. قبل از انجام عملیات فوق ضروری است که اتصال به طور موضعی مرمت شود. پس از چسباندن ورقهای فولادی، با کمک پیچ های پیش تنیده می توان آنها را روی سطح اتصال محکم نگه داشت.

 استفاده از عناصر فولادی:

استفاده از عناصر فولادی به صورت نبشی، یا قفس فولادی با استفاده از نبشی و به صورت غیر فعال و یا فعال (تنیده) امکان پذیر می باشد.

اجرای جاکت با استفاده از ورقهای فولادی موجدار:

اجرای جاکت بر روی اتصالات مشکل دار با استفاده از جاکتهای فولادی موجدار روش جدیدی در بهبود عملکرد لرزه ای سازه های بتن آرمه موجود است. این ورقها ضعف های عمده ای که اغلب در سازه های بتن آرمه مشاهده می شوند، یعنی فقدان آرماتور برشی کافی و نیاز به آرماتورهای محصور کننده هسته بتنی را کاهش می دهند.

در این روش، اتصالات ضعیف توسط جاکتهای فولادی موجدار پوشانده می شوند و فاصله موجود بین سطح بتن و جاکت فولادی با گروت ضد جمع شدگی پر می شود. این جاکت را می توان فقط روی ستون و اتصال آن با تیر اجرا کرد. اما اگر مقاومت برشی تیر نیاز به افزایش داشته باشد، استفاده از جاکتی با طولی برابر با عمق تیر که از وجه ستون شروع شده باشد، مفید خواهد بود.
برای جلوگیری از ایجاد نیروهای بزرگ ناشی از افزایش مقاومت خمشی تیر در اتصال، باید بین لبه جاکت و وجه ستون اندکی فاصله وجود داشته باشد. شکل موجدار این جاکت باعث سخت بودن آن می شود و می توان فشار محصور کنندگی مناسبی را بر اتصال وارد آورد. در عوض ستونهایی که با ورق مسطح تقویت شده اند، طبق گزارش های آزمایشگاهی (پریستلی و همکارانش، 1994) از خود رفتار ضعیفی به نمایش می گذارند. در این ستون ها، ورقهای مسطح در اثر بار سیکلی جانبی، در میانه ارتفاع خود به سمت بیرون اتصال طبله می کنند.
همچنین از آنجایی که سختی محوری جاکتهای فولادی موجدار کم است، وقتی جاکت در جهت محوری تحت فشار قرار گیرد، انبساط جانبی نخواهد داشت. لذا هنگامی که یک جاکت فولادی موجدار، با بتن پر شود و تحت فشار محوری قرار گیرد، اثر محصور شدگی جانبی فقط در مراحل ابتدایی بارگذاری و زمانی که بتن به صورت ارتجاعی رفتار می کند، ایجاد می شود. در نتیجه، تنش محصور کننده بتن که توسط این جاکت به وجود می آید، تابعی از مقاومت تسلیم ورق، ضخامت ورق و نیز عمق قله–تا – قله موج ورق خواهد بود.
در مقایسه با جاکتهای فولادی و یا تنگ هایی که فاقد موج هستند، سختی خمشی خارج از صفحه این جاکت ها باعث افزایش مقاومت آنها در برابر طبله کردن خارج از صفحه خواهد شد. همچنین برای افزایش مقاومت برشی و محصورکنندگی جانبی این جاکت ها می توان ضخامت و یا عمق قله–تا– قله ورق ها را افزایش داد.

د) استفاده از ژاکت های بتن آرمه:

اجرای جاکتهای بتن آرمه بر روی اتصالات آسیب دیده، سریع ترین روش برای تقویت آنهاست. اما این کار عموماً از دو جهت مشکل است اول اینکه باید برای تمامی اعضایی که وارد اتصال می شوند جاکت اجرا کرد. دوم اینکه در این روش در گره اتصال به علت کمبود فضا و تراکم میلگرد، امکان ویبره کردن و متراکم نمودن وجود ندارد لذا بهتر است از بتن خود متراکم (SCC) و یا ویسکو کریت (VC) و امثال آن استفاده کرد. زبر کردن سطوح قدیمی و نیز سوراخ کردن دال برای عبور تنگ ها و پوشاندن سطح آسیب دیده با رزین، از جمله مواردی است که باید قبل از اجرای جاکتهای بتن آرمه صورت پذیرد. در این حالت به خاطر اینکه هنگام وقوع زلزله مفصل پلاستیک در ستون رخ ندهد، نسبت ظرفیت تیر به ستون بایستی کنترل شود.

ه) تقویت برشی اتصالات تیر به ستون با استفاده از ورق های پلیمری مسلح فیبری شیشه ای  GFRP:

گسیختگی برشی اتصالات در هنگام زلزله از عمده علل فروپاشی ساختمانها با سیستم باربر قاب خمشی است. لذا به راهکارهای اقتصادی و موثری برای ارتقاء ظرفیت برشی اتصالات در سازه های موجود نیاز است. در مطالعه آزمایشگاهی که توسط گوبارا در سال 2002میلادی انجام شده است، اتصالات با استفاده از طرحهای مختلف پیچاندن الیاف شیشه ای تقویت شده اند.
مقایسه عملکرد نمونه های تقویت نشده با نمونه های تقویت شده، نشان می دهد که جاکت های GFRP قادر به افزایش مقاومت برشی اتصال و بهبود وضعیت شکل پذیری آن هستند.
تکنیک هایی که توسط محقق فوق الذکر و با هدف ارتقاء ظرفیت برشی اتصالات پیشنهاد شده است در حذف و یا به تاخیر انداختن مود گسیختگی برشی موثر هستند و می توانند باعث انتقال مود گسیختگی به مود خمیری شدن خمشی تیر شوند. همچنین نمونه های تقویت شده نسبت به نمونه های مبنا، از خود خواص اتلاف انرژی مناسبتری را به نمایش گذاشته اند.
در هنگام استفاده از الیاف FRP برای تقویت اتصالات، باید لبه های این الیاف به خوبی مهار شوند. زیرا این کار برای ایجاد حالت محصور شدگی در اتصال ضروری است. همچنین در تقویت اتصالات باید به احتمال شکم دادن (طبله کردن) ورق ها و الیاف پلیمری مرکب دقت کرد؛ زیرا شکم دادن ورق ها باعث تشدید ترکها و عریض شدن آنها در زیر الیاف می شود. حداکثر کرنش قابل قبول این الیاف %0.35 است .از نتایج تقویت با GFRP می توان به کاربرد وسیع، مدت زمان کوتاه اجرا، سبکی و از همه مهمتر خاصیت فسادناپذیری مواد اشاره کرد. کامپوزیتهای پیشرفته برای تشدید مقاومت برشی و خمشی تیر ها و محدودیت ستونهای دایره ای بکار برده می شوند.

نتیجه گیری:

با توجه به اینکه یکی از مناطق حساس و بحرانی در قابهای بتن آرمه تحت اثر زلزله، اتصالات تیر به ستون می باشد، طراحی نامناسب به خصوص در مورد اتصالات خارجی، عناصر بحرانی سازه ای را تشکیل میدهند که منجر به شکست زودرس در اثرتنشهای برشی زیاد میگردند.

زلزله های اخیر که در مناطق شهری اتفاق افتاده است، به کرات آسیب پذیری اتصالات تیر به ستون بتن آرمه را به اثبات رسانده اند. اکنون به خوبی ثابت شده است که اتصالات تیر به ستون در قابهای خمشی بتنی که برای پاسخ غیر الاستیک در بارگذاریهای شدید لرزه ای طراحی شده اند، نواحی بحرانی در قابها میباشند.
روشهای موثر برای بازسازی نواقص موجود در اتصالات تیر – ستون توسعه پیدا کرده اند. تکنیکهای پیشنهادی مقاوم سازی برای اتصالات تیر – ستون )با بالا بردن ظرفیت برشی اتصالات ( در حذف یا به تاخیر انداختن برش موفق می باشند و حالت گسیختگی را به یک مفصل خمشی در تیر تبدیل میکنند که یک حالت شکست شکل پذیر می باشد. هر یک از روشهای مقاوم سازی ارائه شده در این مقاله در افزایش مقاومت برشی و بهبود رفتار شکل پذیری اتصالات مورد بررسی قرار گرفتند که هدف، توسعه اقتصادی و روشهای تجربی بالا بردن مقاومت لرزه ای اتصالات و تاخیر و یا حذف حالتهای شکست ترد و شکننده می باشد.

این مقاله به همت اقایان محمود سلیمی چکان،  محمد علی لطف اللهی یقین و  مهدی کوهدرق  تهیه شده است