مقاوم سازی ساختمان های فولادی

ساختمان های فولادی در صورت طراحی مناسب و اجرای دقیق دارای مقاومت و شکل پذیری بسیار مناسب می باشد ولی با توجه به عدم استفاده از نیرو های اجرایی متخصص و فرض های اشتباه ساخت ساختمان های فولادی دارای معایب و ایراداتی می باشد که نیاز به مقاوم سازی و بهسازی دارد. ساختمان های فولادی اغلب تحت بار های لرزه ای به دلیل کمانش موضعی آسیب دیده و عملکرد مناسبی ندارند. و یا به دلیل خوردگی نیاز به استفاده از روش های مقاوم سازی ساختمان دارند. در این مقاله سعی شده است که به مقاوم سازی ساختمان های فولادی را در برابر بار های لرزه ای و ثقلی پرداخت شود.

معایب قاب های خمشی فولادی

معایب عمده لرزه ای قاب های خمشی فولادی، به شرح زیراست:

• کمبود مقاومت برشی و خمشی  تیرها، ستون ها و اتصالات آنها
• کمبود مقاومت در چشمه اتصال
• تغییر مکان نسبی زیاد در طبقات

معایب عمده قاب های مهاربندی شده همحور، به شر زیر است:

• کمبود مقاومت جانبی سیستم مهاربندی در اثر کمانش عضو فشاری
• کمبود مقاومت اتصال مهاربند
• کمبود مقاومت محوری در تیرها و ستون های سیستم مهار بندی
• هندسه مهاربندی که با کمانش عضو فشاری به اعمال نیروی کششی اضافی و ایجاد خمش در تیر یا ستئن منجر می شود.

در زلزله های اخیر ضعف های ساختمان های فولادی در برابر بارهای جانبی مشخص شده است که به صورت زیر است:

با توجه به موارد بالا مشخص است که ساختمان های فولادی ضعیف در هنگام زلزله، دچار آسیب و حتی فرو ریزش می شوند. عکس های فوق نشان می دهد که برای جلوگیری ازفروریزش و آسیب ساختمان هاب فولادی نیاز به مقاوم سازی و بهسازی دارند.

روش های مقاوم سازی ساختمان های فولادی

مقاوم‌سازی تیر فولادی تحت کمانش پیچشی- جانبی با کامپوزیت‌های FRP

در سازه‌های فولادی تیرها به عنوان اعضای خمشی شناخته می‌شود. از آنجایی که در مسائل خمش قسمتی از مقطع تحت‌فشار قرار می‌گیرد، خطر کمانش در این ناحیه وجود دارد. دو حالت کمانش برای ناحیه مذکور متصور است. در حالت اول بال یا جان مقطع جداگانه و به صورت موضعی کمانش می‌کند و در حالت دوم ممکن است کمانش کلی برای ناحیه فشاری مقطع رخ دهد. دو عامل تعیین کننده مشخصات هندسی مقطع و فواصل تکیه‌گاهی یا مهارهای جانبی در جلوگیری از دو حالت کمانش اشاره شده نقش عمده‌ای ایفا می‌کنند.

در طراحی اعضای خمشی چنانچه مشخصات ابعادی نیمرخ به گونه‌ای باشد که نسبت عرض به ضخامت اجزای آن از موارد مطرح شده در آیین‌نامه‌های طراحی کمتر باشد و شرایط فشردگی را برآورده ننماید، بال یا جان مقطع دچار ناپایداری موضعی شده، کمانش می‌کند و عضو قابلیت باربری خود را از دست می‌دهد. همچنین در صورتی که طول تیر در فاصله بین دو تکیه‌گاه جانبی از حد معینی تجاوز کند یا به عبارتی دیگر فاقد تکیه‌گاه جانبی در فواصل مناسب باشد، قبل از این‌که تنش‌های خمشی حداکثر در تیر به حد تسلیم برسند بال فشاری تیر ناپایدار شده و تخریب می‌گردد. چنین تخریبی که به صورت ناگهانی در اثر افزایش تنش فشاری در بال به واسطه خمش تیر از یک طرف و خمش جانبی تیر به واسطه نگهداری نشدن آن به طور جانبی و نیز چرخش تیر به صورت ترکیبی از پیچش خالص و اعوجاج بوجود می‌آید به پدیده کمانش پیچشی- جانبی تیر موسوم است.

در مرحله طراحی عضو خمشی موارد اشاره شده و کلیه ضوابط آیین‌نامه‌ های مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی توسط مهندسین محاسب مد نظر قرار می‌گیرد و مقطع نهایی از هر نظر ایمن طرح می‌گردد تا امکان وقوع کمانش پیچشی- جانبی تیر به حداقل برسد. با این وجود مواردی ممکن است در طول مدت بهره‌برداری سازه به وجود آید و کفایت مقطع را به مخاطره اندازد. از جمله این موارد می‌توان به ضعف و اشکال در اجرای عضو، تغییر در کاربری سازه، خسارت‌دیدگی سازه در اثر بلایای طبیعی و اعمال بارهایی فراتر از بارگذاری‌های پیش‌بینی‌شده اشاره نمود. در چنین مواردی یکی از گزینه‌هایی که به عنوان راهکار پیش روی طراحان قرار دارد بحث مقاوم‌سازی و تقویت عضو موجود می‌باشد.

از جمله روش‌های متداول تقویت تیر فولادی که در دهه‌های گذشته بیشتر مورد استفاده قرار می‌گرفته است می‌توان به اتصال ورق‌های فولادی اضافی با پیچ یا جوش به مقطع مورد نظر اشاره نمود. روش تقویت اشاره شده با توجه به سنگینی صفحات و انعطاف‌پذیر نبودن آن‌ها مشکلاتی را به همراه دارد. همچنین اتصال ورق‌های اضافی با جوش نیز منجر به افزودن تنش پسماند به عضو می‌شود که البته مطلوب به نظر نمی‌رسد.

معایب کاربرد روش تقویت فوق مهندسین را بر آن داشته است تا به دنبال یافتن راهکارهایی جدید برآیند به گونه‌ای که علاوه بر جبران ضعف عضو فولادی، از سایر جنبه‌های دیگر نظیر وزن، مقاومت، راحتی کاربرد و طول عمر برتری قابل قبولی نسب به روش تقویت اشاره شده داشته باشند. در این راستا، پیشرفت علم و فناوری و نیز دستیابی به تکنولوژی ساخت مصالح نوین مهندسین را در تحقق این امر یاری رسانده است. روش مقاوم‌سازی با کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده با الیاف FRP یکی از این نوع روش‌های تقویت و مقاوم‌سازی می‌باشد که به عنوان روشی نوین و البته کارآمد در سال‌های اخیر مطرح شده است.

مشخصات فیزیکی و مکانیکی فوق‌العاده کامپوزیت‌های FRP در کنار مزیت‌های گوناگون دلیل اصلی استفاده از آن‌ها در صنعت ساختمان به منظور تقویت و ترمیم سازه‌ها گردیده است. از مهم‌ترین مشخصه‌های کامپوزیت‌های FRP می‌توان به دارا بودن رفتار الاستیک خطی قبل از شکست ترد، نسبت مقاومت به وزن بالا، مقاومت در برابر اثرات محیطی،اجرای ساده، دسترسی نامحدود در اندازه، شکل و ابعاد و نیز عایق بودن اشاره نمود.

در روش استفاده از کامپوزیت‌های FRP برای تقویت تیرهای فولادی، کامپوزیت‌های FRP بر روی اجزای سطح مقطع تیر فولادی قرار می‌گیرد و منجر به مهاربندی آن‌ها در برابر کمانش موضعی می‌گردد. با توجه به نوع سطح مقطع عضو، شرایط تکیه‌گاهی و نیز مشخصات ابعادی بال و جان مقطع، چیدمان مختلفی برای جانمایی در مقطع تیر می‌توان برگزید. چند نمونه از نحوه چیدمان کامپوزیت‌های FRP برای تقویت تیر I  شکل در شکل پایین آورده شده است. البته ضخامت و ابعاد کامپوزیت FRP مورد استفاده برای تقویت تیر با توجه به عوامل مختلف نظیر شرایط محاسباتی و نیز ملاحظات اقتصادی می‌تواند به گونه‌ای انتخاب شود که قسمتی از مقطع را بپوشاند یا اینکه برای تقویت تمامی سطح مقطع مورد استفاده قرار گیرد.

از نتایج تقویت تیرهای فولادی به‌وسیله کامپوزیت‌های FRP می‌توان به بهبود ظرفیت کمانش پیچشی- جانبی و افزایش بار بحرانی کمانش عضو اشاره نمود. بدین ترتیب با به تعویق انداختن کمانش پیچشی- جانبی و کاهش تغییر مکان‌های جانبی، می‌توان ظرفیت باربری تیر را افزایش داد.

مقاوم سازی ساختمان فولادی با ژاکت بتنی

در ساختمان های فولادی که نیاز به مقاوم سازی المان و افزایش شکل پذیری می باشد می توان از ژاکت بتنی استفاده نمود. استفاده از ژاکت بتنی در ستون ها سبب افزایش سختی و افزایش مقاومت ستون فلزی و همینطور مقاومت بیشتر المان در برابر کمانش می شود. استفاده از ژاکت بتنی در تیرها سبب افزایش ظرفیت خمشی و برشی تیر ها می شود. لازم به ذکر است که اگر در تیر ها از ژاکت بتنی استفاده شود می بایست به رعایت ضابطه تیر ضعیف- ستون قوی دقت شود.

تقویت اتصالات و المان ها با استفاده از ورق های مناسب

همان گونه كه در قسمت قبلي بدان اشاره شد بدليل عدم شناخت كافي از رفتار اتصالات، بسياري از آسيب هاي ايجاد شده در سازه ها از ضعف در طراحي يا اجراي اتصالات ناشي مي شود. بنابراين بررسي آسيب هاي وارد شده بر اتصالا ت در اثر زلزله هاي گذشته امري ضروري مي نمايد. آسيب هاي اتصالات در اثر زلزله هاي گذشته را مي توان به آسيب هاي تير، ستون، جوش، اجزا و چشمه اتصال طبقه بندي نمود. آسيب هاي وارده به اتصال ممكن است يكي از انواع فوق و يا چند نوع مختلف باشد. مشاهده وسيع اينگونه آسيب ها در اتصالات بر اثر زلزله هاي گذشته بسيار هشداردهنده ميباشد. در طراحی اتصالات باید این نکته رعایت شود که اتصال باید قادر باشد بیشینه نیرو قابل تحمل المان را تحمل کند. در صورت عدم رعایت این موضوع، نیاز است اتصالات تقویت و مقاوم سازی شوند. در سازه های فولادی مخصوصا در قاب های خمشی اتصالات بخش بسیار مهمی از سازه می باشد.

ایجاد سختی در طبقات دارای پتانسیل طبقه نرم

چنانچه مشخص شود كه ضعف عمده سازه در كمبود سختي جانبي آن و در نتيجه تغيير مكا ن هاي زياد مي باشد، می توان با راهكارهايي مناسب مانند افزايش مهاربند يا ديوار برشي، سختي جانبي لازم را براي سازه فراهم نمود.

در چنين شرايطي اندركنش سازه موجود و سيستم باربر جانبي جديد بايد به دقت مورد بررسي قرار گيرد . چنانچه قاب مهاربندي شده و يا ديوار برشي داراي سختي زيادي باشد، ممكن است بخش قابل توجهي از بارهاي جانبي را به خود جذب كند . اگر افزايش ظرفيت با اضافه كردن قاب خمشي انجام گيرد به دليل نرمي قاب، اندركنش سازه موجود و قاب خمشي موجب توزيع بار بين هر دو سيستم مي شود. در اين حالت بايد رفتار اعضاي ترد سازه در اثر تغييرشكل هاي ساختمانِ بهسازي شده به دقت مورد بررسي قرار گيرد.

اضافه کردن مهاربند به قاب های فولادی روش کارآمدی می باشد که در صورتی که ساختمان دارای سختی کم و یا جوشکاری و یا دتایل اتصالات نامناسب باشد می تواند به مقاوم سازی ساختمان فولادی کمک کند. لازم به ذکر است در صورتی که از مهاربند جهت مفاوم سازی ساختمان استفاده شود نیاز است ستون ها را جهت اطمینان از مقاومت در برابر کمانش موضعی کنترل نمود.

از مهاربندهای واگرا کمتر در بهسازی ساختمان های موجود استفاده می شود که دلیل آن عموما ضعف مقاومتی تیری است که صرفا برای بار ثقلی طراحی شده و بهسازی قسمتی از آن به عنوانتیر پیوند عموما پرهزینه و دشوار خواد بود. مهاربندهای فولادی هم محور، افزایش سختی، محدود نمودن چرخش در محل اتصالات تیر به ستون و کاهش تغییر مکان های کلی سازه و نسبی طبقات را باعث می شود. هر چند به دلیل کاهش زمان تناوب سازه، ساختمان باید برای مقادیر بزرگتری از نیروی زلزله کنترل شود.

لازم به ذکر است در صورت اضافه نمودن مهاربند یا دیوار برشی نیاز است پی ساختمان مورد آنالیز قرار گیرد تا در برابر نیرو های وارده و بلندشدگی کنترل شود.

مقاوم سازی ساختمان فولادی به روش اضافه نمودن ستون

اضافه کردن ستون به طبقه نرم در دو جهت باعث بهسازی ساختمان می شود 1- به دلیل افزایش سختی 2- کاهش سطح بارگیر تیر که سبب افزایش ظرفیت باربری تیر می شود.

مقاوم سازی ساختمان فولادی اضافه نمودن دیوار برشی

استفاده از ديوار برشي در سالهاي اخير، در ساختمان هاي نوساز و همچنين بهسازي ساختمان هاي موجود، مورد توجه قرار گرفته است. اين سيستم داراي سختي مناسب براي كنترل تغييرشكل سازه بوده و همچنين با ارضاي ضوابط طراحي، اين ديوارها داراي مكانيسم شكست شكل پذیر با اتلاف انرژي بالا  می باشد. با توجه به مقاومت بالاي اين ديوارها، استفاده از آنها در ساختمان هاي بلند مرتبه بسیار اقتصادي بوده ولي در مورد ساختمان هاي با ارتفاع كم و متوسط، مسائل جانبي از قبيل تقويت اجزاي سازه اي مجاور به آن، تاثير زيادي بر جنبه هاي اجرايي و اقتصادي آن مي گذارند. نمونه اي از جزئيات اجرايي ديوار برشي جديد در شكل های 3 و 4 نشان داده شده است.

مقاوم سازی ساختمان فولادی به روش افزودن میانقاب

از روش هاي افزايش مقاومت و سختي جانبي سازه ها مي توان به اضافه نمودن ميانقاب به سازه اشاره نمود .اضافه کردن دیوار های میانقاب باعث افزایش سختی می شود و سبب می شود که زمان تناوب سازه تا حدود 20% کاهش یابد که این نشان دهنده تاثیر میانقاب در سختی سازه می باشد. در زمان استفاده از میانقاب برای تامین سختی باید اندرکنش المانها سازه ای با میانقاب را بررسی نمود.

با توجه به مصالح مصرفي، ميانقاب ها مي توانند آجري، بتني و … مي باشند. البته اضافه نمودن ميانقاب هاي بنايي به عنوان روشي براي افزايش مقاومت و سختي جانبي سازه ها به هيچ عنوان توصيه نمي شود زيرا تحت بارهاي لرزه اي، ميانقاب هاي بنايي تنها در برابر سيكل هاي اول بارگذاري مقاومت مي نمايند و وزن سازه را نيز به شدت افزايش مي دهند. ديوارهاي بتني در داخل قاب هاي ساختمان مي توانند مسلح و يا غيرمسلح باشند.

مقاوم سازی ساختمان فولادی به روش اجرای دیوار باربر

در برخی مواقع به دلایل مختلف قادر به مقاوم سازی المان سازه ای نمی باشیم. یک راهکار مناسب اجرای دیوار باربر در زیر تیر می باشد که سبب می شود از خیز تیر را کنترل کرده و در باربری ثقلی به ستون های آسیب پذیر کمک کند. این روش در باربری ثقلی مفید می باشد و در برابر بار جانبی زیاد عملکرد مناسبی نداشته است.

مقاوم سازی ساختمان فولادی اجرای دستک فشار و کششی برای مهار کنسول ها

در مواقعی که طول کنسول ها زیاد می باشد به دلیل بار بیش از حد کنسول و مولفه عمودی زلزله نیاز است که اقدام به مهار کنسول می باشد، جهت مهار کنسول ها نیاز است با توجه به نیروی وارده دستک های در بالا و یا پایین کنسول ها اجرا شود تا از خیز بیش از حد و اعمال نیروی خمشی مضاعف به ستون جلوگیری شود.

مقاوم سازی ساختمان فولادی اجرای تیر فرعی مابین ستون

در برخی موارد تیر ها قادر به تحمل بار وارده نمی باشند و سبب خیز بیش از اندازه می شود، راه مناسب جهت مقاوم سازی این تیر ها استفاده از تیر های در مابین ستون در وسط دهانه می باشد که سبب می شود وزن دیوار روی تیر ها به نصف کاهش یابد . در این روش از مقاوم سازی می بایست اتصال تیر اضافه شده به صورت مفصل در نظر گرفت تا در برابر نیرو جانبی مقاومت نداشته باشد.