مقاوم‌ سازی ستون بتنی با FRP

ستون‌ها از اعضای مهم سازه‌ای هستند که بایستی توانایی مقاومت در برابر بارها و نیروهای مختلف را دارا باشند از این‌رو بایستی همواره در سازه اهتمام ویژه‌ای به ستون‌هایی که مستعد خرابی هستند، داشت تا بتوان از وقوع خرابی‌ها جلوگیری به عمل آمد. از جمله مواردی که ستون‌ها در آن مستعد خرابی هستند، بحث طبقه نرم می‌باشد. معمولاً در سازه‌هایی که طبقه اول آن‌ها به عنوان پارکینگ استفاده می‌شود یا در تالارها یا فروشگاه‌هایی که به دلیل ایجاد فضای بیشتر برخی از دیوارها حذف می‌شوند که همین امر سبب می‌گردد که سختی طبقه کاهش یابد و طبقه نرم ایجاد گردد لذا ستون‌های این طبقه مستعد خرابی و در نتیجه نیازمند مقاوم سازی بوده هستند.  در زلزله تغییر مکان زلزله در این طبقه بسیار شدید بوده و باعث فروریختن آن می‌شود. در عوض طبقات بالاتر چون تغییر شکل چندانی نداشته اند، کاملا سالم باقی می‌مانند. یکی دیگر از انواع ستون‌هایی که ممکن است در معرض خرابی و به‌ویژه شکست‌های برشی قرار گیرد و نیاز به مقاوم‌سازی داشته باشد، ستون‌های کوتاه می‌باشد، ستون‌های کوتاه به ستون‌هایی اطلاق می‌گردد که نسبت ارتفاع به حداقل بعد مقطع آن  کمتر از 3 و بیشتر از 12 نباشد.

روش مقاوم‌ سازی ستون بتنی با FRP

به منظور تقویت و افزایش مقاومت ستون بتنی در برابر زلزله، سایش، خوردگی، حرارت، آتش سوزی و یا باز گرداندن ستون به عملکرد دلخواه مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ساختمان ها اغلب زنگ زدگی، خوردگی، افزایش بار زنده یا مرده و خطاهای ساخت، منجر به ضعیف شدن ستون ها می شود که نیاز به مقاوم سازی ساختمان دارند. استفاده از مصالح FRP  یک روش سریع و مقرون به صرفه برای مقاوم سازی ستون های بتنی می‌باشد. امروزه قیمت مقاوم سازی ستون بتنی با FRP در مقایسه با روش های سنتی کم بوده و نحوه اجرای آن آسان و ارزان می‌باشد.

مزایای مقاوم سازی ستون و سازه‌های بتنی با استفاده از الیاف FRP

مزایای مقاوم سازی به روش الیاف FRP عبارتد از:

• سرعت بالای مقاوم‌سازی
• ضخامت پایین
• هزینه نسبتاً کم
• کمترین محدودیت‌های اجرایی
• وزن پایین و کمترین افزایش در ابعاد پایه

هنگامی که ستون تحت بارهای لرزه ای قرار می گیرد، مسئله ظرفیت جذب انرژی و شکل پذیری ستون اهمیت می یابد که استفاده از الیاف FRP ضمن افزایش ظرفیت برشی ستون، مد گسیختگی آن را از حالت برشی به خمشی تغییر داده و شکل پذیری را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. با افزایش میزان بار وارده بر ستون، بتن تمایل دارد در جهت عمود بر جهت اعمال بار از هم باز شود. محصور کردن عرضی بتن با پوشش FRP (دور پیچ کردن) توسط افزودن لایه هایی از الیاف شیشه و کربن مقاومت نهایی ستون را تا 2 برابر افزایش می دهد و البته تاثیر مهم تر این الیاف در افزایش 5 برابری در ظرفیت تغییر شکل بتن است.

در جریان مقاوم سازی ستون بتنی با FRP مقاومت فشاری ستون افزایش می یابد بدین ترتیب که می توان از سیستم هایFRP ، جهت ایجاد محصورشدگی از طریق دورپیچ کامل FRP و به طبع آن افزایش مقاومت فشاری ستون بتنی استفاده نمود. در حقیقت بتن محصور شده مقاومت فشاری بسیار بالاتری نسبت به بتن محصور نشده دارد زیرا محصور کردن ستون باعث ایجاد فشار جانبی بر بتن می شود و وجود فشار محیطی بر ستون بتنی سبب افزایش مقاومت فشاری آن می شود. این امر همچنین باعث افزایش شکل پذیری اعضا تحت ترکیب نیروهای محوری و خمشی می‌شود. در این وضعیت، الیاف حلقوی FRP مشابه تنگهای بسته یا خاموتهای مارپیچ فولادی عمل می‌کنند. در محاسبه مقاومت فشاری محوری عضو باید از سهم الیاف FRP موازی با راستای طولی آن صرف نظرگردد.

در این روش قرارگیری الیاف در امتداد عمود بر محور طولی عضو به صورت دورپیچ کامل، سبب ایجاد محصورشدگی انفعالی (Passive) در عضو می گردد. از این رو FRP تا زمان بارگذاری و رخداد تغییرشکل های عرضی در ستون بتنی موجود منفعل بوده و تحت تنش قرار نگرفته و تاثیری در باربری عضو ندارد. بدین سبب اجرا و نصب استاندارد و اطمینان از چسبندگی کامل بین بتن و FRP در این روش مقاوم سازی بسیار حائز اهمیت می باشد. از این رو شرکت مقاوم سازی افزیر با بکارگیری مهندسان و کارشناسان با تجربه و کار آزموده در زمینه طراحی و اجرای دقیق پروژه های مقاوم سازی ستون بتنی با FRP اطمینان کافی را  برای اجرای دقیق انواع پروژه های مقاوم سازی با FRP می دهد.

هنگامی که ستون یا عضو فشاری تحت بارهای لرزه‌ای قرار می‌گیرد، مسئله ظرفیت جذب انرژی و شکل‌پذیری ستون اهمیت می‌یابد. در این ارتباط مقاوم سازی یا بهسازی آن عضو با افزایش شکل‌پذیری انجام می‌گیرد، از معایب این روش هزینه بالای آن، رفتار تردشکن و مقاومت کم آن در برابرآتش‌سوزی می‌باشد.

انواع ستون‌های بتنی که می‌توان با مصالح FRP تقویت نمود، عبارتند از:

• ستون های گرد بتنی، ستونهای لوله بتنی
• ستون های کتابی یا مستطیلی
• ستون های مربعی بتنی
• ستونهای پیش ساخته بتنی

• افزایش مقاومت خمشی ستون
• افزایش مقاومت برشی ستون
• افزایش مقاومت فشاری ستون
• افزایش مقاومت در برابر خوردگی
• افزایش دوام و عمر
• کنترل گسترش ترک و عرض ترک
• ضخامت کم ورقه های FRP و عدم تغیر قابل توجه در ابعاد تیر
• سهولت در اجرا و قابل نصب بر روی کلیه سطوح از جمله فولاد و بتن
• هزینه پایین نسبت به روش های مرسوم دیگر
• افزایش شکل پذیری

طراحی و محاسبات مقاوم‌ سازی ستون بتنی با FRP

همانگونه که اشاره شد بتن محصور شده مقاومت فشاری بسیار بالاتری نسبت به بتن محصور نشده دارد. محصور کردن ستون باعث ایجاد فشار جانبی بر بتن می شود و وجود فشار محیطی بر عضو بتنی سبب افزایش مقاومت فشاری آن می‌شود. محصور شدگی با جلوگیری از گسترش بارهای خارج از محور در ستون، ظرفیت تحمل بار محوری را افزایش می دهد.

بررسی تاثیر پلیمر مسلح شده با الیاف بر عملکرد ستون (محصور شدگی)

به طور کلی محصور نمودن بتن باعث افزایش قابل ملاحظه ای در ظرفیت محوری و شکل پذیری ستون میگردد. زمانیکه ستون تحت اثر نیروی محوری قرار دارد کرنش های محوری و سپس کرنش های عرضی در ستون ایجاد می گردد. بنابر این زمانی که ستون بوسیله پلیمر مسلح شده با الیاف محصور میگردد کرنش های عرضی کنترل میگردد و همین امر سبب افزایش مقاومت محوری ستون میگردد. برا اساس نتایج تحقیقات و آزمایش ها محصور کردن ستون با الیاف FRP روشی بسیار موثر در بهبود عملکرد ستون های لاغر از لحاظ افزایش مقاومت و شکل پذیری به خصوص در بارهای لرزه ای می باشد. اثر محصور سازی ستون های بتنی مستطیلی توسط FRP کمتر از ستون های دایره ای می باشد زیرا فشار محصور شدگی در ستون های مستطیلی بر خلاف ستون های دایره ای یکنواخت نیست و تنها قسمتی از سطح ستون توسط FRP به طور مؤثر محصور می گردد . در ستون های مستطیلی به منظور کاهش تنش در گوشه های مقطع از روش گرد کردن گوشه ها قبل از نصب FRP استفاده می گردد. از الیاف کامپوزیت به صورت دور پیچ خارجی برای تقویت ستون های بتنی استفاده میشود، که مکانیزم تقویت این روش ، افزایش محصوریت ستون است.

دورپیچ کامل با FRP

از سیستم های FRP، می‌توان جهت ایجاد محصورشدگی از طریق دورپیچ کامل FRP و به طبع آن افزایش مقاومت فشاری المان بتنی استفاده نمود. در این روش، قرارگیری الیاف FRP در امتداد عمود بر محور طولی عضو به صورت دورپیچ کامل، سبب ایجاد محصور شدگی انفعالی (Passive) در عضو می‎گردد. از این رو FRP تا زمان بارگذاری و رخداد تغییرشکل های عرضی در المان بتنی موجود منفعل بوده و تحت تنش قرار نگرفته و تاثیری در باربری عضو ندارد. بدین سبب اجرا و نصب استاندارد و اطمینان از چسبندگی کامل بین بتن و FRP در این روش مقاوم سازی بسیار حائز اهمیت می‌باشد.

مکانیزم های شکست ستون های بتنی تحت بار زلزله و نیاز به مقاوم‌ سازی ستون بتنی با FRP

شکست برشی ستون های بتنی

نامطلوب ترین حالت شکست، شکست برشی ستون است که ابتدا ترکهای مایل و مورب در بتن ظاهر می‌شوند و پس از گسیختگی و یا باز شدن فولاد عرضی مقطع یا خاموت (تنگ) روی می‌دهد. در نهایت با کمانش آرماتورهای طولی یک شکست ترد و یا انفجاری رخ می دهد این حالت شکست اساسا به دلیل کافی نبودن آرماتورهای عرضی مقطع رخ می دهد. ضعف خمشی، برشی و فشاری و حتی شکل پذیری ستون های بتنی را می‌توان از طریق مصالح کامپوزیتی FRP ارتقاء داد.

خرابی ناشی از ایجاد مفصل پلاستیک خمشی در ستون های بتنی

این حالت شکست پس از وقوع زلزله بسیار به چشم می خورد و عموما در مناطق انتهایی ستون روی می دهد و به ناحیه کوچکی منحصر می‌شود. در این حالت ابتدا قسمتی از پوشش بتن کنده می‌شود و سپس شکست آرماتورهای عرضی و در ادامه کمانش آرماتورهای طولی اتفاق می‌افتد. این ضعف ستون های بتنی را میتوان با دورپیچی الیاف FRP در محل اتصال تیر به ستون بر طرف نمود.

خرابی در محل وصله پوششی آرماتورهای طولی در ستون های بتنی

این حالت در ستون هایی روی می‌دهد که آرماتورهای طولی آنها در محلی که لنگر وارده زیاد است با یکدیگر همپوشانی دارند عموما در هنگام زلزله، انتهای ستون تحت خمش زیادی قرار می گیرد چنانچه طول وصله بسیار کوچک باشد در طول بارگذاری رفت و برگشتی آرماتورها جدا خواهند شد. با استفاده از سیستم تقویت با FRP به روش محصورسازی در محل هایی که آرماتورهای طولی همپوشانی کافی ندارند می‌توان از این نوع خرابی جلوگیری کرد.