مقاوم سازی سازه های فولادی تخریب شده در زلزله
با توجه به زلزله خیز بودن کشور ایران (گزارش زلزله های ایران) احیای ساختمان‌های آسیب‌دیده در کنترل بحران پس از زلزله و همچنین حفظ سرمایه ملی مؤثر از مسائل مهم و ضروری میباشد. زلزله به همه سازه‌ها آسیب وارد خواهد کرد که گاه این آسیب همراه با تخریب کامل خواهد بود و گاه با تخریب قسمتی از ساختمان خواهد بود که این تخریب خود به طرق مختلفی رخ می‌دهد که در اکثر موارد میشود با مقاوم سازی ساختمان و ترمیم سازه‌ها آن ها را دوباره احیا کرد. حال به بررسی چندین روش مقاوم سازی در سازه‌های فولادی آسیب دیده زلزله می‌پردازیم.
انتخاب روش مناسب برای مقاوم‌سازی سازه های فولادی تخریب شده در زلزله
دو روش عمده برای ارتقاء شرایط موجود و مقاوم سازی ساختمان به منظور مقابله با آثار مخرب زلزله به صورت زیر است:
کاهش دادن نیروی زلزله وارد بر ساختمان
نیروی زلزله وارد بر ساختمان با وزن آن نسبت مستقیم دارد، بنابراین با کاهش وزن ساختمان میتوان نیروی زلزله وارد بر ساختمان را کم کرد،برای این منظور میتوان از طریق تبدیل کردن دیوارهای سنگین به دیوارهای سبک،استفاده از بتن سبک سازه‌ای، سبک کردن سقف‌ها و کم کردن طبقات اقدام کرد.
افزودن سیستم سازه‌ای جدید برای مقابله با نیروی زلزله
یکی از راه‌های بسیار مؤثر برای مقابله با نیروی زلزله، افزودن سیستم‌های سازه‌ای جدید به ساختمان میباشد. این روش در سالیان اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است و میتوان مهمترین روشهای قابل انجام را به شرح زیر نام برد:
- افزودن سیستم دیوار برشی در یک قاب ساختمانی بتن آرمه با یا بدون دیوار برشی
- استفاده از مهاربندی‌های هم‌مرکز (CBF)
- استفاده از مهاربندی‌های غیر هم‌مرکز (EBF)
- استفاده از میانقاب‌ها
- استفاده از بادبندهای میراگر ویسکو الاستیک
لازم به توضیح است که استفاده از هر یک از روشهای فوق به تنهایی یا به صورت ترکیبی با روشهای دیگر منوط به مطالعه کامل سازه میباشد و باید مورد به مورد بررسی گردد.
تعمیر و تقویت لرزه‌ای اعضای ساختمانی موجود
دورپیچ کردن با فولاد، افزایش سطح مقطع بتن با بتن‌ریزی و اضافه کردن آرماتور، استفاده از صفحات فولادی، استفاده از آرماتور خارجی، تزریق اپوکسی، بخیه زدن، پیش تنیدگی خارجی و استفاده از روش‌ها و مصالح نوین مانند میراگرها، سیمان الیافی، مواد مرکب سیمانی و FRP از جمله روش‌هایی هستند که اعضای ساختمانی بسته به درجه مقاومت ساختمان در برابر زلزله، سطح خسارت محتمل، نوع اعضاء و اتصالات آنها می‌تواند به وسیله آنها تعمیر و تقویت شوند. روشهای فوق‌الذکر به جز روشهای استفاده از مصاح نوین، از روشهای متداول و مرسوم مقاوم سازی می‌باشند که برخی از آنها سالیان درازی است که برای تقویت سازه‌های موجود فولادی (بر اساس FEMA 356) استفاده میگردد.
در این روش از ورق فولادی نازک جهت پوشش ستون‌ها استفاده میشود. پوشش ستون‌ها به صورت کامل بوده و دور تا دور ستون توسط ورق‌های فولادی که ضخامتی بین 4 تا 8 میلیمتر دارند پوشیده میشود. این ورق‌ها به طور پیوسته به یکدیگر جوش داده می‌شوند. پوشش استوانه‌ای شکل حاصل بر روی بتن در مهار تنش‌های محیطی ستون عملکرد مناسبی از خود نشان داده است. در صورت مستطیل بودن ستون میتوان دو ورق L شکل ویل چهار تسمه فولادی قائم را به یکدیگر (توسط چهار نبشی) جوش داد. در این روش شکل‌پذیری و مقاومت محوری ستون به طور موضعی افزایش مییابد.فضای خالی بین بتن و پوشش فولادی توسط پرکننده‌هایی نظیر دوغاب سیمان منبسط شونده و یا بتن اشغال میگردد. این روش ابعاد سازه را تغییر نمی‌دهد ولی وزن سازه با استفاده از ورق‌های فولادی افزایش قابل ملاحظه‌ای مییابد.
افزایش سطح مقطع با بتن‌ریزی و اضافه کردن آرماتور
از این روش مقاوم سازی نیز برای ستون‌هایی که دچار آسیب‌دیدگی شده باشند استفاده میشود. این روش ظرفیت باربری ستون را افزایش داده و در عین حال می‌تواند مرمت عضو را نیز شامل گردد. استفاده از این روش بر حسب موقعیت ستون و فضاهای قابل دسترسی اطراف ستون می‌تواند در یک،دو،سه یا هر چهار طرف ستون انجام گیرد. مسلح کننده بتن در این روش می‌تواند پروفیل، ورق فولادی و یا آرماتور باشد. با این روش مقاومت محوری و برشی ستون افزایش مییابد ولی مقاومت خمشی ستون به علت عدم عبور مسلح کننده‌ها از سقف افزایش نمی‌یابد. در صورت تقویت نمودن ستون بین طبقات ممکن است کل سازه رفتار نامناسبی از خود نشان دهد و کمکی در برابر زلزله ننماید. از این‌رو توصیه میشود دیوار برشی هم در این‌گونه مواقع به سیستم اضافه شود و یا آرماتور طولی تقویتی از میان سوراخ‌های ایجاد شده در دال سقف عبور نموده و در محل اتصال تیر به ستون بتن‌ریزی گردد.
استفاده از آرماتور خارجی
در این روش آرماتورهای معمولی از بیرون به مقطع تیر بسته شده و در دو انتهای آن مهار می‌گردند. البته لازم به ذکر است که مهار آرماتورها در انتهای تیر بسیار مهم و حساس بوده و از نظر اجرا مشکل و پرهزینه میباشد. میلگردهای خارجی را میتوان با عبور دادن از سوراخ‌های صفحه‌ای که پشت ستون تعبیه شده و پیچ کردن آنها به صفحه مهار نمود. البته این راه از لحاظ اجرا به دلیل نیاز احتمالی به سوراخ کردن ستون مشکل و یا حتی غیر ممکن خواهد بود. به همین سبب روش دیگری پیشنهاد شده است، بدین صورت که با پوشش محل اتصال تیر و ستون به‌وسیله ورق و جوش دادن یک صفحه فولادی ضخیم به آن میتوان میلگردها را به راحتی مهار کرد. برای اینکه میلگرد تحت اثر وزن خود دچار خیز نشود با رزوه کردن انتهای میلگرد میتوان آنها را به صفحه فولادی پیچ نمود و با پیچاندن مهره، انتهای آن را تحت کشش قرار داد. برای اینکه میلگردها از جای خود نلغزند میتوان پس از پیچاندن مهره دو انتهای آن را به صفحات فولادی جوش داد.
مقاوم‌سازی با FRP
بطور کلی مقاوم‌سازی سازه‌های فولادی موجود برای تقویت آنها به منظور تحمل بارهای وارده، بهبود نارسایی‌های ناشی از فرسایش، افزایش شکل پذیری سازه یا سایر موارد با استفاده از مصالح مناسب و شیوه‌های اجرایی صحیح انجام میگردد. امروزه استفاده از الیاف FRP به‌عنوان یک ضرورت در جایگزینی مصالح سنتی و شیوه‌های موجود شناخته می‌شوند. سیستم اف آر پی FRP بدین صورت تعریف میشود که الیاف و رزین‌ها برای ساخت چند لایه مرکب مورد استفاده قرار می‌گیرند، به نحوی که رزین‌های مصرفی (رزین اپوکسی) به منظور چسباندن چند لایه مرکب به سطح بتن زیرین و پوشش‌ها به منظور محافظت مصالح ترکیب شده استفاده می‌شوند. استفاده از FRP به دلیل وزن کم، سرعت اجرای بالا، مقاومت بالا و عدم ایجاد محدودیت معماری بسیار مورد توجه میباشد.
کاربرد مصالح FRP در مقاوم‌سازی سازه‌های فولادی
کاربردهاي بسیار زیادي از مصالح FRP چسبانده شده به سازه‌های بخصوص فلزی فولاد و چدن در مقاوم سازی ساختمان وجود دارد. ابتدا به چند مورد از کاربرد مصالح FRP در سازه‌های فلزي اشاره می‌کنیم و در نهایت به تشریح کاربرد لمینیت های CFRP در تقویت تیرورق‌های فولادي خواهیم پرداخت.
کاربرد FRP در تیرهاي کامپوزیتی و تیر ورق‌های فولادی
تقویت تیرهاي فولادي با مصالح کامپوزیتی را به دو قسمت تقویت تیرهاي سالم و تیرهاي آسیب‌دیده میتوان تفکیک کرد. بیشتر تحقیقات انجام شده در زمینه مقاوم‌سازی تیرهاي فولادي سالم با مواد پلیمر کامپوزیت، مربوط به تیرهاي فولادي مرکب با دال بتنی میباشد. این نوع تیرها کاربرد فراوانی در سازه‌های پل و ساختمان دارند. مزیت این نوع تیرها در استفاده فولاد در کشش و بتن در فشار میباشد و علاوه بر این دال بتنی وظیفه مهار جانبی بال فشاري را نیز بعهده دارد. تحقیقات انجام شده نشان‌دهنده کارایی روش های مقاوم سازي تیرهاي مختلط فولاد و بتن با مواد FRP ساخت شرکت CTech-LLC آلمان در بهبود مقاومت نهایی آنها میباشد اما سختی آنها به مقدار کمی افزایش مییابد. براي نمونه توکلی زاده و سعادتمنش تحقیقات تحلیلی و تجربی روي تیرهاي فولادي 30×W14 مختلط با بتن انجام دادند. آنها دو ردیف ورق CFRP به عرض 57 میلیمتر و ضخامت 17.2 میلیمتر روي بال کششی در دو طرف جان چسباندند. ورق‌هاي CFRP از سه نوع یک لایه، سه لایه و پنج لایه مورد استفاده قرار گرفتند. آزمایش خمش چهارنقطهاي روي تیرهاي به طول 4780 میلیمتر انجام دادند و افزایش بار نهایی براي نمونه‌هاي مقاوم شده با یک لایه، سه لایه و پنج لایه CFRP به ترتیب 44 ،51 و 76 درصد بوده است. همچنی مقدار کرنش کششی در بال ها در یک سطح بار مشخص، براي نمونه‌هاي یک لایه، سه لایه و پنج لایه حدود 21 ،39 و 53 درصد کاهش یافتند و نیز مشاهده شد در نمونه‌هاي با یک لایه CFRP ، مقدار تنش موجود در ورق تقویتی بعد از بار نهایی حدود 75 درصد کاهش یافت، در حالیکه مقدار متناظر براي ورقه‌هاي پنج لایه در حدود 42 درصد بوده است.
بیشتر بدانید:
استفاده از ورق روسری و زیر سری مضاعف
در صورتی که از جوش ورق های زیر سری و رو سری به ستون اطمینان نباشد، استفاده از ورق های زیر سری و روسری مضاعف می تواند در برنامه کار قرار گیرد. در صورتی که هیچ اطمینانی از جوش ورق روسری موجود به ستون نباشد و یا این جوش از ین رفته باشد، ضخامت ورق روسری و زیر سری باید برای لنگر خمیی تیر طراحی شود. اما اگر اضافه کردن وقت زیر سری و رو سری به منطور تقویت وضعیت موجود باشد، ضخامت آن با توجه به های موجود تعیین می گردد.
استفاده از ماهیچه
اضافه کردن یک ماهیچه باعث فاصله گرفتن محل مفصل پلاستیک از چشمه اتصال به سمت تیر می شود. اضافه نمودن ماهیچه در صورت امکان تنها در بال تحتانی تیر نصب شود.
استفاده از مقاطع Tشکل
با استفاده از مقطع T شکل نیز می توان اتصالات فولادی را بهسازی لرزه ای نمود. در بعضی از موارد، مقطع را تنها در بال پایینی اتصال اجرا می نمایند که یا استفاده از این روش می توان بدون تخریب دال، اتصال را بهسازی لرزه ای نمود.
مقاوم سازی شالوده در ساختمان فولادی
مقاوم سازی فونداسیون به دو روش زیر انجام میگردد.
الف) افزایش مقاومت تکیه‌گاه(خاک) شالوده بوسیله ایجاد پی های اضافی بزرگتر زیر پی‌های موجود
ب) افزایش وزن شالوده بوسیله پی‌های اضافی و بستن آنها به پی‌های موجود و غیره
مقاوم‌سازی با اضافه نمودن دیوار برشی و یا بادبند
استفاده از دیوار برشی بتنی در ساختمان‌ها یکی دیگر از روشهای مقاوم‌سازی متداول ساختمان میباشد. به علت سختی بیشتر دیوار برشی نسبت به بادبند، تعداد دهانه‌های لازم برای تعبیه دیوار برشی کمتر از دهانه‌های لازم برای بادبند است که در نتیجه طرح مقاوم‌سازی مشکلات کمتری در زمینه معماری بوجود می‌آورد. برای اتصال دیوار به ستون باید از خاموت‌های دورپیچ ستون یا بولت به عنوان برش گیر در ارتفاع ستون استفاده کرد. همچنین برای اتصال دیوار به سقف هم باید تمهیداتی اندیشید. نکته مهم دیگری هم که در مورد استفاده از دیوار برشی باید به آن توجه کرد این است که به علت نیروی زیادی که در پی دیوار برشی بوجود می‌آید، احتمالا نیاز به شمع دارد تا بتواند نیرو‌ها را به زمین منتقل کند.
مقاوم‌سازی با استفاده از جداگرهای لرزه‌ای
نصب جداسازهای لرزه‌ای در تراز پایه ساختمان، با هدف جداسازی حرکتی بین سازه و زمین صورت می‌گیرد. جداسازهای لرزه‌ای، المان‌هایی هستند که سختی جانبی آنها نسبت به سختی محوریشان بسیار کمتر میباشد، لذا با وقوع زلزله، این المان ها میبایستی مانع انتقال نیرو به سازه‌ی اصلی شوند و سازه‌ی اصلی یک حرکت صلب را در حین وقوع لرزشهای زمین تجربه نماید. عملکرد جداگرها فقط در محدوده خاصی از جرم و ارتفاع ساختمان مطلوب است و به همین دلیل این روش بصورت خیلی محدود و فقط برای ساختمان‌های دارای وزن و ارتفاع مناسب مؤثر بوده و به همین دلیل کمتر از سایر روش‌ها در جهان مورد استقبال کارشناسان قرار گرفته است.
مقاوم‌سازی با استفاده از سیستم‌های جاذب انرژی (دمپر)
در روشهای کنترل غیر فعال سازه نظیر استفاده از مستهلک کننده‌ها و میراگرها ویسکوز و ویسکوالاستیک، جذب انرژی حاصل از حرکات نیرومند زمین توسط مستهلک کننده‌ها صورت گرفته و به سیستم سازه اجازه داده نمیشود که وارد ناحیه غیر خطی گردد. این امر موجب می شود که مقاومت سازه در برابر زلزله‌های با دوره بازگشت طولانی‌تر (که طبیعتاً شدیدتر نیز می‌باشند) بیشتر گردد یا به تعبیر دیگر احتمال فروریزش سازه در برابر این زلزله‌ها کاهش مییابد. سیستم‌های جاذب یا مستهلک کننده انرژی (Dampers) بر پایه افزایش ضریب میرایی ساختمان بنا شده‌اند. مهمترین تأثیر میرایی، کاهش دامنه نوسان و پاسخ ساختمان نسبت به نیروهای وارده میباشد و بدین وسیله قسمت عمده‌ای از انرژی ارتعاشی را قبل از رسیدن پاسخ سازه به حد نهایی به هدر می‌دهند. اتلاف کننده‌های انرژی ممکن است در مهاربندی‌ها، اتصالات و اجزای غیر سازه‌ای و یا دیگر مکان‌های مناسب در ساختمان‌های موجود قرار داده شوند، لیکن ساده‌ترین و پرکاربردترین آنها استفاده از میراگر در مهاربندها میباشد که میتوان از آنها در تمامی طبقات ساختمان سود جست. در برخی از انواع میراگرها ملاحظات زیبایی نیز مدنظر قرار گرفته شده است تا چنانچه بصورت نمایان بکار برده شوند مشکلی از لحاظ معماری ایجاد ننمایند.
