مقاوم سازی ساختمان های بتنی
بسیاری از سازه های بتنآرمه یا به اصطلاح بتنی به دلایل مختلفی از جمله خطاهای حین طراحی و یا ساخت، تغییر کاربری سازه و از دست رفتن بخشی از ظرفیت سازه به علت خوردگی میلگردهای فولادی نیاز به مقاوم سازی، ترمیم، تقویت و بهسازی پیدا میکنند. یافتن راهکارهای مقاوم سازی سازه های بتنی و ارتقای ظرفیت باربری چنین سازه هایی همواره دغدغه طراحان و مجریان سازهها بوده است.
دلایل مقاوم سازی سازه های بتنی
سازه های بتنی به عنوان بخش گسترده ای از سازه ها چنانچه بر حسب محاسبات دقیق و روابط شکل پذیری طراحی و اجرا شوند ساختمان های بسیار مطلوبی خواهند بود اما کیفیت ساخت در برخی سازه ها به دلایل مختلف بسیار نامطلوب است.
کیفیت بد بتن، آرماتور گذاری نامناسب، اجرای بد بتن ریزی، مصالح نامرغوب، خطاهای طراحی، خطاهای اجرایی، افزایش بار سازه، تاثیر شرایط محیطی مخرب و خطر زلزله در اکثر نقاط کشور ایران از جمله عواملی هستند که باعث ضعف سازه های بتنی و نیاز آن ها به مقاوم سازی ساختمان می شوند.
بسياري از سازههاي بتنآرمه موجود كه بر مبنای آئیننامههای قبل از سال 1970 طراحي و اجرا گرديدهاند، دارای جزئیات ضعيف آرماتورگذاري بوده كه مشكلاتي همچون ظرفيت تغيير مكان جانبي پايين، قابليت استهلاك انرژي پائين، زوال مقاومت و بروز مكانيزم در محلهاي نامطلوب در سازه را به همراه داشته كه كليه اين موارد منجر به فروپاشي و انهدام سازه ميگردد. جزئیات غيرشكلپذير در يك سازه بتنآرمه در قالب مواردي همچون مقاومت برشي ضعيف اتصال بواسطه عدم آرماتورگذاري عرضي در هسته اتصال، ظرفيت برشی پائين ستون منتهی به اتصال، كم بودن طول همپوشانی آرماتورهای طولی ستون، عدم رعایت ناحیه خاموت گذاری فشرده در تیر و طول مهاری ناكافي آرماتورهای تير در ناحيه اتصال مطرح می باشد. ضعف در ناحيه اتصال تير به ستون به همراه عامل نامطلوب ستون ضعيف-تير قوی پايداری سازه را به مخاطره مياندازد. وقوع مكانيزم در تير در مقايسه با ستون ارجح بوده و مكانيزم ستون در مقايسه با ناحيه اتصال غير بحرانيتر می باشد. بروز مكانيزم و تشكيل مفصل در ناحيه اتصال تير به ستون، منجر به دورانهای فزاينده در تير و ستون گشته که باعث از بين رفتن ظرفيت باربری ستون ميگردد و ايمني سازه را متأثر مينمايد.جهت بررسی مقاوم سازی سازه های بتنی، بدون تردید شناسایی گونههای مختلف خسارت در ساختمان های بتنی امری مهم و اجتناب ناپذیر میباشد. بنابراین انواع مختلف ضعفهای سازه های بتنی به شرح زیر میباشد:
- ایجاد ترک های مورب در هسته بتن
- ورقه ورقه شدگی هسته مرکزی بتن دراکثر ترکهای مورب رفت و برگشتی ناشی از زلزله
- جدا شدگی پوشش بتن
- کنده شدن تنگها و خاموتها و خارج شدن از محل های خود
- شکست برشی المانهای کوتاه یا اعضایی که به اطراف متصل شده اند و طول موثر آزاد آنها کم است.
- پدیده کمانش در آرماتورهای طولی
- خارج شدن میلگردها از محلهای اولیه و در رفتن به نواحی تنش های متناوب زیاد
- گسیخته شدگی دال ها بتن آرمه در کناره های غیر ممتد
- ترک های مورب در دیوار برشی، بخصوصبه صورت متمرکز در اطراف بازشوها
- ایجاد ترک برشی در محل گره ها و محل اتصال تیر ستون
بتن مصالح ساختمانی با مقاومت فشاری نسبتا خوب و مقاومت کششی پایین است و در صورتی که عضو بتنی بدون میلگرد در نظر گرفته شود با اعمال بار در عضو ترک خوردگی ایجاد شده و این ترک خوردگی تا تخریب نهایی عضو پیش می رود (گسیختگی بتن تنها به صورت ترد و ناگهانی می باشد). در بتن مسلح با استفاده از آرماتورهای تقویت کششی این مشکل بر طرف میگردد. این مسئله از جمله نقاط ضعف سازه های بتنی مسلح و پیچیدگی آن در امر تقویت، ترمیم و مقاوم سازی آن می باشد. ارزیابی و انتخاب مصالح تعمیری موجود مرحله دشواری در تعمیر بتن و بازسازی بتن می باشد ضرورت تعداد بیشمار مصالح تعمیری و تقویتی جدید در سالهای اخیر، باعث توسعه روشهای مختلف مقاوم سازی سازه های بتنی شده است میباشد.
مقاوم سازی با ژاکت بتنی و ژاکت فولادی
یکی از ایده های ابتدایی و تکنیکهای مرسوم بهسازی و مقاوم سازی سازه های بتنی و تقویت سازهها، شکافتن پوشش بتنی عضو سازه ای و قرار دادن میلگردهای فولادی اضافی در المان و سپس پوشاندن آن قسمت به وسیله چسبها و رزین های پر مقاومت بوده است. این ایده علی رغم آنکه ظرفیت سازه را مقداری بهبود میبخشد لیکن هم چنان مشکل خوردگی میلگردهای فولادی را بی پاسخ میگذارد؛ تکنیک دیگری که برای تقویت سازه های بتنی مورد استفاده قرار میگیرد، بکارگیری ورق های فولادی یا تکنیک ژاکت فولادی هست که در آن ورقهای فولادی از بیرون به اجزاء بتنی چسبانده میگردد. روش اتصال ورق فولادی، روشی ساده و اقتصادی است؛ اما از جهات زیر مسئله ساز است:
- وزن بالای ورق های فولادی و مشکلات ساخت این اجزاء
- دسترسی سخت به اجزاء و نیاز داشتن داربست
- ضعف ایجاد شده در چسبندگی بین فولاد و بتن که ناشی از خوردگی فولاد میباشد
- داشتن محدودیت طولی در انتقال ورقهای فولادی به کارگاه با توجه به این نکته که در پروژه های مقاوم سازی سازه های بتنی، طولهای تیر عموماً بلند میباشند.
روش سنتی دیگر در مقاوم سازی سازه های بتنی، استفاده از ژاکت های بتنی یا پوششهایی از نوع بتنآرمه، میباشد. استفاده از این روش سبب افزایش سختی و شکل پذیری و در مجموع تقویت سازه های بتنی میباشد؛ از ضعف های این روش افزایش ابعاد مقاطع و بار مرده سازه بتنی میباشد. استفاده از این روش همچنین نیازمند تخلیه ساختمان و تخریبهای زیاد سازه بتنی است و باعث افزایش نامطلوب سختی اعضای بتنی میگردد.
[caption id="attachment_47810" align="aligncenter" width="533"] مقاوم سازی با ژاکت بتنی[/caption]مقاوم سازی با دیوار برشی فولادی
در سال های اخير به طور مكرر ديوارهای برشی فولادي به عنوان سيستم مقاوم در برابر بارهاي جانبی درطراحی و مقاوم سازی سازه ها به كار برده می شوند. هزينه ساخت كم، نصب سريع، پتانسيل جذب انرژي بالا و... ديوار برشی فولادی را يك سيستم بسيار مناسب جهت مقاوم سازی سازه های موجود ساخته و اين سيستم در حال حاضر در كشورهايی مثل ايالات متحده، ژاپن و كانادا در مقاوم سازی ساختمان ها كاربرد بسياری يافته است. ديوار برشی فولادی می تواند به آسانی به قاب های فلزی موجود اضافه شود، اما مقاوم سازی لرزه ای قاب های بتنی توسط ديوار برشی فولادی مراحل ابتدائی پيشرفت خود را طی می كند. با مقايسه رفتار قاب های بتنی با و بدون ديوار برشی فولادی مشخص گرديده است كه تاثير پارامتر مقاومت فشاری بتن برظرفيت قاب های بتنی با ديوار برشی ورق فولادی بيشتر است كه علت آن را ميتوان تاثير ورق فولادی بر عناصر مرزی دانست. [caption id="attachment_47811" align="aligncenter" width="389"] مقاوم سازی ساختمان با دیوار برشی فولادی[/caption]مقاوم سازی با استفاده از مهاربندهای فولادی
اضافه نمودن مهاربندی های فولادی به سازه بتنی، افزایش سختی، کاهش نیاز شکل پذیری و افزایش مقاومت برشی سیستم را به همراه خواهد داشت ضمن آنکه افزایش ناچیزی را در وزن سازه موجب می شود. عموما استفاده از سیستم های مهاربندی واگرا (EBF) در ساختمان های بتنی به دلیل پر هزینه بودن و مشکلات موجود در اجرا و تامین جزییات تیر پیوند مرسوم نمی باشد. اما انواع سیستم های مهاربندی همگرا می تواند در این نوع بهسازی مورد توجه قرار می گیرد. [caption id="attachment_47812" align="aligncenter" width="447"] مقاوم سازی ساختمان بتنی با افزودن مهاربند[/caption]مقاوم سازی با استفاده ازمیان قاب های صفحه ای بتنی یا بنایی
افزایش مقاومت و سختی سیستم و همچنین کاهش نیاز شکل پذیری اعضا و اجزای سازه را می توان با اضافه نمودن میان قاب های صفحه ای بتن مسلح و یا دیوارهای آجری ایجاد نمود که یکی از رایج ترین روش ها در سازه های بتنی است. دیوارهای اضافه شده می توانند به صورت دیوار های برشی جدید که در محل اجرا شده و یا دیوارهای بنایی شاتکریت شده باشند. در بهسازی سازه ها با استفاده از این روش باید به این موضوع توجه نمود که آیا قاب بتنی موجود می تواند به عنوان قسمتی از سیستم مرکب باشد یا خیر. به عبارت دیگر باید کفایت باربری ستون های موجود سازه در صورتی که به عنوان اعضا و اجزای مرزی دیوارهای برشی عمل نمایند مورد کنترل قرار می گیرد.در صورت عدم کفایت مقاومتی ستون های سازه می توان دیوار برشی را به صورت کامل به همراه اعضا و اجزا مرزی و به صورت مجزا از قاب بتنی موجود احداث نمود و یا با تقویت ستون های سازه دیوار بتنی را به این اعضا متصل نمود. مزیت حالت دوم استفاده از بار محوری فشاری ستون های موجود در کاهش بار برکنش اعمالی ناشی از زلزله می باشد. [caption id="attachment_47813" align="aligncenter" width="447"] جزئیات اجرایی مقاوم سازی با افزودن میان قاب[/caption]اضافه کردن قاب های خمشی
قاب هاي خمشي در صورت ارضاي ضوابط تعيين شده ، داراي شكل پذيري و اتلاف انرژي بسيار بالايي مي باشند . به علت سختي كم پاسخ اين سيستم به نيروهاي جانبي باتغيير شكل هاي فزاينده همراه است كه براي اجزاي غير سازه اي مشكلاتي را بوجود مي آورد و همچنين با افزايش تغييرشكل هاي ثانويه حتي به ناپايداري كلي سازه منجر مي شود. اين سيستم ها با توجه به سختي كمتر و نرم بودن ، پس از خرابي سيستمهاي سخت، مي توانند نيرو جذب كنند و در صورت پاسخگو نبودن سيستم مقاوم اصلي، از خرابي سازه جلوگيري نمايند. لازم به ذكر است قابهاي اضافه شده مي توانند بصورت خارجي نيز باشند [caption id="attachment_47814" align="aligncenter" width="318"] جزئیات اجرایی مقاوم سازی با اضافه كردن قاب خمشي[/caption]مقاوم سازی با الیاف FRP
با توجه به موارد اشاره شده، در امر مقاوم سازی سازه های بتنی نیاز به مصالحی احساس میشود که علاوه بر افزایش مناسب ظرفیت سازه بتواند در مقابل شرایط محیطی نامساعد نیز دوام خوبی را برای بتن از خود نشان دهد. گسترش تکنولوژی های جدید علم مواد و پلیمرها با مشخصات مکانیکی مختلف، جامعه مهندسی را برآن داشته تا از قابلیتها و کاربردهای متنوع محصولات پلیمری و کامپوزیتی استفاده نموده و جایگزینی آنها را با مصالح و مواد سنتی اجتناب ناپذیر ساخته است. با ورود پلیمرهای مسلح شده با الیاف FRP به صنعت ساختمان، به عنوان یکی از جالبترین و نوید بخش ترین فناوریها، بسیاری از مشکلات فرا روی فعالان امر بهسازی و مقاوم سازی ساختمان برطرف شد و روشهای نوینی در زمینه تقویت و ترمیم سازه های بتنی پدیدار گشت. در این روشها از اشکال مختلف مصالح FRP نظیر الیاف، ورقه و آرماتور به منظور بهبود ظرفیت باربری، ترمیم، تقویت و مقاوم سازی سازه ها بتنی استفاده میگردد.
همانگونه که اشاره شد، مصالح کامپوزیتی FRP، کاربردهای فراوانی را برای مقاوم سازی سازه های بتنی به خود اختصاص داده است. FRP ماده کامپوزیتی با مقاومت کششی بالاست که با رزین اپوکسی آغشته میگردد و بدلیل مقاومت کششی بالا، وزن پایین و دوام مناسب (در مقابل خوردگی و شرایط محیطی سخت) دارای کاربرد گستردهای در مقاوم سازی سازه های بتنی در مقابل نیروی زلزله است. از این رو استفاده از ورق FRP در سال های اخیر، گزینه مناسبی جهت تقویت و مقاوم سازی ساختمان های بتنی بوده است. سهولت استفاده، عدم نیاز به نیروی کار ماهر، سبکی و مقاومت کم، FRP را راهکار مناسبی جهت ترمیم سازه های بتنی، تقویت و مقاوم سازی بدون بر هم زدن عملکرد عادی فضا ساخته، به همین دلیل این مصالح مورد توجه معماران به ویژه در ترمیم سازه ها و بهسازی و تقویت سازه های بتنی و بناهای قدیمی قرار گرفته است. روش تسلیح خارجی با مصالح FRP و روشهای خانواده آن، رایجترین روشها در تقویت سازه های بتنی میباشند. با این حال این روشها با چالشهایی جدی نظیر جداشدگی زودرس عامل تقویت کننده و آسیبپذیری سازه بتنی در مقابل شرایط نامساعد محیطی نظیر تغییرات شدید دمایی، ضربه، آتشسوزی و خرابکاری مواجه میباشند.
تقویت سازه های بتنی با مواد FRP
در دهه 80 میلادی سیستم های پلیمر مسلح شده با الیاف Fibre Reinforced Polymers به نام اختصاری FRP در دنیامعرفی شدند که به دلیل داشتن دو جزء اصلی شامل الیاف و ماده چسباننده آن ها به یکدیگر به عنوان نوعی ماده مرکب یا کامپوزیت به شمار می رود. در کامپوزیت ها مشخصات شیمیایی و فیزیکی هر کدام از اجزای متشکله به تنهایی محفوظ است، اما در کنار یکدیگر تشکیل ماده ای جدید با خصوصیات فیزیکی و رفتار مکانیکی تازه ای را می دهند که کاربردهای ویژه دارند. در کامپوزیت های FRP مشخصات فیزکی جدید، سبکی وزن، نازک بودن، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت کششی بالا و چندین برابر فولاد و ضریب ارتجاعی مناسب که تقریبا در حدود فولاد است، کاربردهای آن ها را در مقاوم سازی و بازسازی سازهای بتنی، فولادی و بنایی بسیار فراگیر و گسترده کرده است. [caption id="attachment_47433" align="aligncenter" width="533"] مقاوم سازی تیر بتنی با الیاف FRP[/caption]مزایای کامپوزیت های پلیمری FRP:
- وزن کم
- انعطاف پذیری بالا
- سهولت در حمل و نصب
- عدم نیاز به سیستم های محافظ در برابر خوردگی
- برشکاری در قطعات دلخواه
- نسبت بالای مقاومت به وزن
- مقاومت و سختی بالا
- امکان تقویت به دو صورت داخلی و خارجی
معایب کامپوزیت پلیمری FRP:
- آسیب پذیری در مقابل اتش سوزی
- کم تجربگی مشاوران و پیمانکاران
- عدم امکان استفاده از ورق های FRP در سطوح ناصاف
- افزایش وقوع شکست ترد با مصرف این گونه کامپوزیت ها
الیاف FRP را میتوان جایگزین ورق های فولادی کرد. مصالح FRP برخلاف فولاد، زوال الکتروشیمیایی نداشته و در مقابل خوردگی ناشی از اسیدها، بازها و نمکها در دماهای مختلف مقاومت بالایی دارند. این مزیت سبب کاهش هزینه در نصب پوشش های حفاظت از خوردگی باشد. همچنین آماده سازی سطوح بتن قبل از نصب مصالح و ورقه های FRP، سهلتر از ورقهای فولادی است.
از الیاف FRP به منظور افزایش ماکزیمم بازدهی و کارایی میتوان در شکل های مشخص و در نسبت ها و جهات مختلف درون رزین استفاده کرد. سیستمهای FRP بسیار سبکتر از صفحات فولادی بوده و در عوض مقاومت و سختی بالایی در جهت الیاف دارند. وزن سبک FRP سبب می شود حمل و نقل آنها راحت تر بوده و به داربست کمتری جهت اجرای آن نیاز باشد. سیستمهای FRP در محلهایی که دسترسی محدودی دارند، بسیار گزینه کاربردی میباشند و پس از نصب، بار اضافی به سازه بتنی تقویت شده تحمیل نمیکنند.
جدول 1: چگالی مواد FRP رایج بر حسب گرم بر سانتی متر مکعب
AFRP | CFRP | GFRP | STEEL |
کامپوزیت آرامید | کامپوزیت کربن | کامپوزیت شیشه | فولاد |
1/5 – 1/2 | 1/6 – 1/5 | 2/1 – 1/2 | 7/9 |
ضریب انبساط حرارتی
ضریب انبساط حرارتی مواد FRP تک جهتی در جهت طولی و عمود بر آن متفاوت است و به نوع الیاف، رزین و مقدار الیاف به کار رفته بستگی دارد. جدول زیر ضریب های طولی و عرضی انبساط حرارتی برای مواد FRP تک جهتی رایج را نشان می دهد.جدول2- ضریب انبساط حرارتی مواد FRP
ضریب انبساط حرارتی (سانتی گراد) | جهت | ||
AFRP | CFRP | GFRP | |
2- تا 6- | 0 تا 1- | 10 تا 6 | طولی |
80 تا 60 | 50 تا 22 | 23 تا 19 | عرضی |
مشخصات مکانیکی مواد مرکب FRP
تاکنون از هر سه نوع FRP یعنی GFRP، CFRP و AFRP برای مقاصد عملی مقاوم سازی استفاده شده است. جدول زیر مشخصات بدست آمده از مصالح FRP با الیاف یک جهتی یا خطی را نشان می دهد. باید یادآور شد که این ارقام و محدوده ها برای مصالح معمولی و متداول FRP تهیه شده است و ممکن است محصولی خاص در شرایطی خاص، مشخصات دیگری را از خود بروز دهد. همچنین وقتی الیاف دو یا سه جهتی باشند، مشخصات FRP با آنچه ذکر شده، متفاوت خواهد بود.جدول3- مشخصات مصالح FRP با الیاف خطی
جنس | مدول الاستیسیته (GPa) | مقاومت کششی (MPa) | حد نهایی کرنش کششی (%) |
با مقاومت زیاد | 235 – 215 | 4800 – 2500 | 2 – 4/1 |
با مقاومت بسیار زیاد | 235 – 215 | 6000 – 4500 | 3/2 – 5/1 |
با مدول زیاد | 500 – 350 | 3100 – 2500 | 9/0 – 5/0 |
با مدول بسیار زیاد | 700 - 500 | 2400 - 2100 | 4/0 – 2/0 |
E | 70 | 3000 – 1900 | 5 |
S | 90 – 85 | 4800 – 3500 | 5/5 – 4/5 |
با مدول متوسط | 80 – 70 | 4100 – 3500 | 5 – 3/4 |
با مدول زیاد | 130 - 115 | 4000 - 2500 | 5/3 – 5/2 |
الیاف FRP را میتوان دور ستون های بتنی به منظور افزایش ظرفیت و شکل پذیری پیچاند؛ این امر سبب تغییر در سختی نمیشود. در استفاده از مصالح FRP باید دقت شود که درجه مقاوم سازی یا نسبت مقاومت المان مقاوم سازی شده بتنی به مقاومت عضو مقاوم سازی نشده محدود گردد تا تعادل سازه بتنی در حوادثی شبیه حریق و آتش سوزی و نیز دست کاری و خرابک اری عضو مقاوم سازی شده، حفظ گردد.
مدفون ساختن عامل تقویت کننده در پوشش عضو بتنی در تکنیک نصب در نزدیک سطح (NSM)، در زمینه برطرف کردن این مشکلات توفیق بیشتری دارد. هم چنین در روش NSM میتوان از نوارها، آرماتورهای FRP و نیز میله های دست ساز MM FRP به عنوان عامل تقویت سازه های بتنی استفاده نمود. میله هایMM FRP از پیچاندن ورقه های FRP حول یک هسته تولید میشوند. مزیت کلیدی این نوع میلهها امکان تعبیه سیستم مهاری بر روی آنها میباشد که عملکرد پیوستگی آنها را بهبود میبخشد و در رفتارکلی تقویت سازه های بتنی تاثیر میگذارد.
بررسی مقاوم سازی خمشی با کامپوزیت FRP:
به دلیل برخی خواص رفتاری مواد کامپوزیتی FRP، مودهای گسیختگی یک عضو بتن آرمه تقویت شده در خمش به وسیله FRP به حالت های زیر تقسیم می شود:- شکست در اثر گسیختگی FRP در اثر کشش ناشی از خمش
- شکست در اثر خرد شدن بتن فشاری تیر در اثر فشار ناشی از خمش در وجه بالایی تیر
- شکست برشی
- جدا شدن پوشش بتن
- جدا شدن انتهای لایه مقاوم کننده چسبانده شده از بتن
- از بین رفتن چسبندگی در سطح تماس FRP
بررسی مقاوم سازی برشی با کامپوزیت FRP:
برای درک بهتر نحوه انتقال بار در مقاطع تحت برش، پدیده ترک خوردگی، نوع گسیختگی و نقش آرماتورهای برشی و چگونگی مقاوم سازی برشی تیرها، بررسی رفتار تیرهای بتنی تحت برش در مراحل مختلف بارگذاری ضروری است. شکست های برشی و خمشی، دو حالت عمده شکست در تیرهای معمولی بتن مسلح هستند. افزایش مقاومت برشی تیرها به روش چسباندن صفحات FRP، احتمال گسیختگی خمشی را نسبت به گسیختگی برشی بیشتر کرده و در نتیجه عضو سازه ای شکل پذیرتر می شود. طرح های مختلفی برای استفاده از مصالح FRP در مقاوم سازی برشی پیشنهاد شده است. این طرح ها شامل چسباندن FRP به سطوح جانبی تیر، استفاده از پوشش U شکل برای سطوح جانبی و سطح زیرین تیر و نیز دورپیچ کردن مقطع با استفاده ار الیاف و نوارهای FRP است.بررسی مقاوم سازی محوری در ستون های بتنی با کامپوزیت FRP:
به طور کلی هر عضوی که تحت بار محوری فشاری یا کششی قرار داشته باشد، یک عضو محوری نامیده می شود. این نامگذاری شامل اعضایی که به طور هم زمان تحت خمش قرار دارد نیز می شود. متدال ترین روش مقاوم سازی ستون ها با FRP، دورپیچ کردن سطح خارجی ان ها با نوارهای FRP است. اساس این مقاوم سازی که در واقع محصور کردن ستون و ایجاد فشار جانبی بر بتن آن است، بر این اصل استوار است که وجود فشار محیطی بر روی یک المان بتنی، سبب افزایش مقاومت فشاری و شکل پذیری آن می شود. روش های مقاوم سازی ستون را می توان به سه گروه عمده تقسیم بندی کرد :- دورپیچ کردن مقطع ستون
- پیچیدن مارپیچی
- پوشاندن با پوسته های پیش ساخته