در ساختمان های با قاب خمشی، اتصال صلب تیر به ستون عامل اصلی باربری جانبی سازه می‌باشد. اتصالات یکی از نواحی بسیار حساس در کلیه قاب‌های سازه‌ای اعم از فولادی و بتنی می‌باشند. اتصال تحت تأثیر نیروهای بزرگ در طول زمین‌لرزه‌ها قرار می‌گیرد و عملکرد آن اثر بسیار مهمی بر روی پاسخ سازه دارد. فرض صلب بودن ناحیه اتصال ماهیت نیروهای برشی بزرگ در ناحیه اتصال را نادیده می‌گیرد. اتصال تیر-ستون یک ناحیه بحرانی و حساس در یک قاب خمشی بتنی می‌باشد. شکست برشی که شکستی از نوع ترد می‌باشد، تحت هیچ شرایطی قابل پذیرش نمی باشد. به واسطه کاربرد بالای قاب‌های بتن‌آرمه با سیستم باربر جانبی خمشی بواسطه مزایایی چون اقتصادی بودن قالب‌بندی، زمان اجرای کوتاه‌تر و قابلیت اجرای عناصر مورد نظر مهندس معمار در قاب، این سیستم سازه‌ای را به عنوان یکی از پرکاربردترین سیستم‌های بابر جانبی تبدیل نموده است. قاب‌های خمشی اعم از فولادی و بتنی در مقایسه با قاب های فولادی دارای مهاربند و قاب‌های بتنی دارای دیوار برشی، دارای ضعف در برابر کنترل تغییر مکان جانبی سازه هستند. با توجه به ماهیت قاب‌های خمشی، در ناحیه اتصال مقادیر بالای نیرو با یکدیگر تلاقی می‌کنند و این نیروها که به صورت نیروهای افقی و قائم ناشی از بارگذاری‌های عادی و فوق‌العاده (همانند زلزله) هستند، می‌بایست به صورت لنگر خمشی و نیروی برشی از طریق هسته اتصال منتقل گردند.
خسارات وارده به این نوع قاب‌ها اغلب در ناحیه اتصال تیر به ستون رخ می‌دهد. آیین نامه های طراحی ساختمان در گذشته توجه محدودی به اتصال تیر به ستون داشته اند و در نتیجه مهندسین کمتر به جزئیات این ناحیه توجه می‌کردند و تنها خود را ملزم به رعایت تأمین طول مهاری کششی برای میلگردهای منفی تیر می‌دانستند. همچنین جزئیات سخت در آرماتوربندی ناحیه اتصال و اجرای ضعیف آن منجر به نامناسبی رفتار این جزء سازه‌ای شده است. نمونه ای از مقایسه جزئیات آرماتوربندی صحیح و ناصحیح اتصال بتنی تحت بارهای رفت و برگشتی در شکل نشان داده شده است.
در مقاوم سازی ساختمان با سیستم های باربر جانبی به صورت قاب خمشی، اتصالات و اجزای آن باید به گونه ای مقاوم سازی شوند که پس از مقاوم سازی دارای سختی،مقاومت و هندسه متناسبی باشند و با عملکرد ارتجاعی اجزای خود، شرایط لازم برای رفتار غیر ارتجاعی سایر اعضا را فراهم و پیوستگی مسیر انتقال بار را نیز تأمین نمایند به گونه ای که ناحیه شکل پذیر (مفصل پلاستیک) در دو سر تیر و خارج از محدوده اتصال تیر به ستون واقع شود. حداقل فاصله محل تشکیل مفصل پلاستیک از بر ستون 0.5db و حداکثر1.5db می باشد.
با توجه به موارد عنوان شده به جرأت می‌توان ادعا نمود که بدترین آسیب اتصالات بتنی در اثر کمبود میلگردهای طولی می‌باشد. تقویت و ترمیم اتصالات بتنی عملیات پیچیده ای می باشد که به روش های مختلفی صورت می پذیرد. از این میان می توان به روش هایی مانند افزایش سطح مقطع اتصال با بتن ریزی مجدد، محصور کردن ناحیه اتصال با ورق های فولادی و غیره نام برد.
آسیب‌های اتصالات بتنی
در بعضی از ساختمان های بتن آرمه با سیستم قاب خمشی، به دلیل طراحی بر مبنای آئین نامه های قدیمی که ضوابط لرزه ای را منظور نکرده اند و یا به دلیل مشکلات اجرایی، ناحیه ویژه خاموت گذاری فشرده در تیر رعایت نشده که موجبات شکست برشی در این ناحیه حساس از تیر را فراهم می آورد و همچنین به دلیل کمبود آرماتورهای عرضی در این ناحیه، محصور شوندگی بتن فشاری به خوبی انجام نشده که در نتیجه شکل پذیری تیر و اتصال کاهش می یابد. از طرفی دیگر اتصالات تیر- ستون بتنی در سازه های با سیستم قاب خمشی در ناحیه چشمه اتصال و در ستون، در زلزله های اخیر بیشترین خرابی و خسارت را داشته اند که این خسارات ناشی از ضعف اجرای اتصالات بتنی (عدم یا ناکافی بودن خاموت های ستون در چشمه اتصال) در این نواحی بوده و در نتیجه موجب ایجاد مفصل پلاستیک و ضعف برشی در اتصال می شود. بنابراین در مجموع عدم رعایت ضوابط آرماتورگذاری عرضی در ناحیه چشمه اتصال و ناحیه خاموت گذاری فشرده در تیر، موجبات ایجاد شکست برشی در این نواحی شده که در نتیجه شکل پذیری نیز کاهش یافته و منجر به خرابی های زودرس در این نواحی می شود.
در بسیاری از زلزله‌ها مفصل پلاستیک در تیر و نزدیکی ستون تشکیل می‌گردد که در نتیجه ترک در تمام عمق تیر گسترش می‌یابد. گسترش خرابی تیر در نزدیکی ستون باعث گسترش تسلیم میلگرد تا داخل اتصال و کاهش طول مهاری در میلگرد تحت بارعرضی به علت لغزش میلگردهای افقی در اتصال می‌گردد. در اتصالات میانی، تیر مسلح در دو طرف ستون تحت تنش‌های مختلفی (فشاری و کششی) قرار می‌گیرد. بنابراین باید برای اتصال بهتر تیر مسلح به ستون، دقت بیشتری نمود.
همانگونه که در تصویر زیر نیز مشاهده می‌شود، خرابی اتصال منجر به خرابی کلی سازه می‌شود و این خود نشان دهنده اهمیت مقاوم سازی اتصال بتنی خصوصاً مقاوم سازی لرزه ای آنها می‌باشد.
آسیب‌های وارد بر اتصالات بتنی به شرح زیرطبقه‌بندی می‌شود:
1- گسیختگی برشی
2- کمانش میلگرد طولی ستون
3- کمانش میلگرد طولی تیر
4- وجود درز سرد (اجرایی) در محل اتصال
5- برون محوری اتصال تیر و ستون
6- کمبود میلگردهای مثبت و منفی
که در ادامه به هر یک از این ایرادات، علت به وجود آمدن آنها و نمونه‌ای از این نوع خرابی‌ها در اثر زلزله‌های گذشته اشاره می‌گردد.
1. گسیختگی برشی اتصال
عدم وجود تنگهای کافی و مناسب تیر یا ستون در ناحیه بر اتصال، منجر به گسیختگی برشی اتصال می‌گردد. نمونه‌ای از گسیختگی برشی اتصال در تصویر نشان داده شده است.
2. کمانش میلگردهای طولی ستون در ناحیه اتصال
عدم استفاده از تنگهای مناسب و کافی در اتصال، منجر به کمانش میلگردهای طولی ستون در ناحیه اتصال می‌گردد.
نمونه‌ای از کمانش میلگردهای طولی ستون در شکل نشان داده شده است.
3. کمانش میلگردهای طولی تیر در ناحیه اتصال
در اتصال میانی که میلگردهای طولی تیر با میلگردهای طولی ستون و یا تنگهای مناسب دورگیری نشده باشند، میلگردهای طولی تیر نیز کمانش خواهند نمود. نمونه‌ای از کمانش میلگردهای طولی تیر در ناحیه اتصال در شکل نشان داده شده است.
در اتصالات همواره باید میلگردهای طولی تیر به صورت صاف و مستقیم اجرا شوند، زیرا میلگردهای طولی خمیده، توانایی تحمل نیروهای فشاری را ندارند. جزئیات مناسب و نامناسب میلگردهای طولی تیر در شکل نشان داده شده است.
4. وجود درز سرد در محل اتصال
وجود درز انقطاع (به دلیل نحوه اجرا) در نزدیکی محل اتصال، منجر به خرابی اتصال و به تبع خرابی سازه می‌گردد. در تراز فوقانی ساختمان که احتمال وجود درز انقطاع در آن بسیار زیاد است، باید طول مهاری میلگردهای طولی و خمهای انتهایی آن به شکل صحیح رعایت شده باشد.
5. برون محوری امتداد تیر نسبت به امتداد ستون
برون محوری امتداد تیر نسبت به امتداد ستون، منجر به ایجاد شکست در محل اتصال تیر به ستون و به تبع خرابی اتصال دراثر زلزله می‌گردد.
6. کمبود میلگردهای مثبت و منفی
کمبود میلگردهای مثبت و منفی کمبود میلگردهای طولی در اتصالات، منجر به خرابی کامل اتصال در اثر بارهای لرزه ای و در نتیجه تخریب کامل سـازه می‌شود. حتی کمبود میلگردهای طولی منفی می‌تواند منجر به آسیب اتصال تحت بارهای ثقلی گردد.
چنانچه اتصال توانایی تحمل لنگرها و نیروهای طراحی را نداشته باشد با یکی از روشهای زیر اتصال را می‌توان مقاوم سازی نمود:
- تعمیرات جزئی
- روکش بتنی
- روکش فولادی (ورق فولادی مسلح کننده)
- استفاده از تنگ خارجی برا ی افزایش ظرفیت برشی اتصالات
1. تعمیرات جزئی
تزریق چسب اپوکسی را می‌توان برای تعمیر ترک های با عرض کم بکار برد. در این روش هیچ تخریبی در بتن ایجاد نمی‌شود. البته این روش برای بتن آسیب دیده کاربرد ندارد. در این روش باید ترک به وجود آمده در بتن را کاملاً با روش‌هایی مانند دمیدن هوا در ترک پاک نمود و سپس با تزریق چسب ترک را پر نمود.
2. ژاکت (روکش) بتنی
روکش بتنی باید به گونه‌ای اجرا گردد که کلیه اعضای اتصال به صورت یکپارچه عمل نماید. عموماً این روش زمانی بکار می رود که هم تیر و هم ستون اتصال مستعد ترک خوردگی باشند. برای اتصال مناسب بین بتن قدیم و جدید و همچنین برای جوش نمودن میلگردهای جدید و موجود باید قسمت پوشش بتنی میلگردها را تخریب نمود. ضخامت مناسبی برای روکش بتنی در نظرگرفته شود تا کلیه میلگردهای طولی تیر و ستون و همچنین تنگ ها را در برگیرد. در استفاده از این روش بکارگیری خاموتها با فاصله مناسب بسیار حائز اهمیت می‌باشد.
میلگردهای قائم و افقی و خاموتها باید به گونه‌ای تعبیه شوند که محدوده مسلح شده‌ای در اتصال بوجود آید. در طراحی اتصال، محصور شدن اتصال توسط اعضایی که عمود بر صفحه نیروهای مورد نظر هستند، نقش بسیار مهمی را ایفا می‌نماید. روکش بتنی باید تمام وجه تیرها و ستونهای منتهی به اتصال را در برگیرد. تنگهای افقی مقاومت برشی مورد نیاز را تامین می‌نماید. میلگردهای قائم عرضی توسط تنگهای عرضی به یکدیگر متصل می‌شوند. در استفاده از این روش، روکش بتنی همواره باید سطح رویی دال را نیز بپوشاند.
در مواردی که تنها ستون منتهی به اتصال ضعیف بوده و یا ضابطه ستون قوی، تیر ضعیف در اتصال رعایت نشده باشد، می‌توان با تقویت ستون با روکش بتنی و امتداد آن تا روی اتصال، ستون و اتصال را تقویت نمود. در این روش با سوراخ نمودن تیرهای منتهی به اتصال میلگردهای برشی از داخل تیرها عبور داده می‌شوند.
در مواردی که جزئیات اتصال و اعضای منتهی به آن بسیار ضعیف بوده و یا اینکه ترکهای عمیقی در اتصال دیده شود، بهتر است روکش بتنی در اطراف تیر و ستون منتهی بـه اتصال و نیز خود اتصال اجرا گردد. در این روش میلگردهای اضافی از اتصال عبور داده می‌شوند. ازخاموتهای افقی و قائم نیز برای تامین مقاومت برشی استفاده می‌شود. در قسمت فوقانی و تحتانی مقطع تیر، خاموتهای افقی ستون در ناحیه اتصال باید با فاصله‌های مناسب و نزدیک به یکدیگر قرار گیرند.
در اتصالات خارجی بسته به عملکرد نیروها در ناحیه اتصال باید میلگردهای مناسبی در اتصال تعبیه شود.
میلگردهای افقی و عمودی اضافی تیر و ستون باید در داخل اتصال نفوذ نمایند. شبکه جوش شده باید (مانند شکل) در دو سمت اتصال تعبیه شود. شبکه جوشی را باید با جوش به میلگردهای اصلی متصل نمود. در غیر این صورت می‌توان آنها را با میخچه به بتن متصل نمود. خاموتهای تیر به ستون نزدیک به اتصال منجر به اصلاح رفتار اتصال می‌گردد.
3. روکش فولادی (ورق فولادی مسلح کننده)
استفاده از ورق فولادی مسلح کننده روشی است که با استفاده از آن می‌توان بدون افزایش ابعاد اتصال، مقاومت آن را افزایش داد. در روش استفاده از ورق فولادی مسلح کننده موقعیت اتصال تأثیر بسزایی بر میزان افزایش مقاومت اتصال دارد.
ورق فولادی تقویت کننده بهتر است با چسب اپوکسی به اتصال چسبانده شود و سپس با آرماتور های پیش تنیده به اتصال محکم گردد. چسب یا گروت اپوکسی می‌تواند سطوح ناهموار اتصال را نیز اصلاح نماید. حداقل ضخامت ورق تقویت 4 میلیمترمی‌باشد. قبل از انجام عملیات فوق ضروریست که اتصال به طور موضعی مرمت شود. ورقهای فولادی مسلح کننده ضعف‌های عمده سازه‌های بتن مسلح یعنی فقدان میلگرد برشی کافی و نیاز به میلگردهای محصور کننده هسته بتنی را کاهش می‌دهد.
به منظور بهسازی لرزه ای اتصالات کناری و میانی در صورتی می‌توان از ژاکت فولادی استفاده نمود که ورقهای فولادی مسلح کننده را در کلیه وجوه تیر و ستون بکار برد و آنها را مستقیماً و یا از طریق نبشی به یکدیگر جوش نمود.
در مواردی که فقط ستون منتهی به اتصال ضعیف بوده و یا ضابطه ستون قوی، تیر ضعیف در اتصال رعایت نشده باشد، می‌توان با مقاوم سازی اتصال با ورق فولادی و امتداد آن تا روی اتصال مانند شکل ستون و اتصال را تقویت نمود. در این روش با سوراخ نمودن تیرهای منتهی به اتصال میلگردهای برشی از داخل تیرها عبور داده می‌شوند.
برای مکانهایی که در آنها خوردگی شیمیایی زیاد است، در صورتی می‌توان از مقاوم سازی اتصال با ورق فولادی استفاده نمود که ابتدا با انجام آزمایش هایی خاص میزان خوردگی فولاد را اندازه‌گیری نموده و در صورت کمتر بودن میزان خوردگی از رواداریهای مجاز، این روش را بکار برد.
ژاکت فولادی را با ورقه های گونه نیز می‌توان اجرا نمود. در این روش نیروهای کششی و فشاری بالهای فوقانی و تحتانی تیر به کمک ورقهای گونه به ستون انتقال داده می‌شود. رعایت جزئیات اجرایی در این روش مقاوم سازی بسیار مهم و روش اجرای آن نیز بسیار مشکل می‌باشد. نمونه‌ای از جزئیات مقاوم سازی اتصالات بتنی با ورق فولادی در شکل نشان داده شده است.
ژاکت فولادی را با ورق های موجدار نیز می‌توان اجرا نمود. اتصالات ضعیف توسط ورقهای فولادی موجدار روکش می‌شوند و فاصله موجود بین ورق و سطح بتن با گروت منبسط شونده پر می‌شود. روکش را می‌توان بر روی ستون و اتصال اجرا نمود، ولی برای افزایش مقاومت برشی تیر بهتر است روکش را تا روی تیر نیز امتداد داد. ورق فولادی موجدار در برابر بارهای سیکلی رفتار بهتری نسبت به ورقهای مسطح از خود نشان می‌دهند.
4. استفاده از تنگ خارجی برای افزایش ظرفیت برشی اتصالات
پس از آنکه ایرادات ترکهای سطحی با تزریق چسب اپوکسی بر طرف شدند و سطح بتن کاملاً تمیز شد، اتصال با استفاده از تنگهای خارجی که پیش‌تنیده شده‌اند، تقویت می‌شود. پس از این مرحله اتصال با شبکه های از مفتول‌های به هم جوش شده پوشانده شده و بتن پاشی می‌شود. وقتی که چهار تیر به اتصال وارد می‌شود استفاده از تنگ در دو طرف ممکن نیست زیرا قادر به عبور از اتصال نیستند. لازم به ذکر است استفاده از تنگ خارجی در یک جهت به هیچ عنوان برای بارهای لرزه ای مناسب نمی‌باشد زیرا این تنگ‌ها کششی کار کرده و به هیچ عنوان ظرفیت تحمل نیروی فشاری را ندارند.
نمونه‌ای از روکش فلزی اتصالات بتنی برای افزایش ظرفیت برشی اتصالات در شکل نشان داده شده است.
5. پوشش FRP
با محصور نمودن اعضای اتصال با پوشش FRP تولید شده شرکت (CTech-LLC) می توان ظرفیت خمشی و همچنین ظرفیت برشی اتصال را افزایش داد . به علت دورگیری، بکارگیری این روش میزان شکل پذیری اتصال را نیز افزایش می دهد. با استفاده از این روش می توان بدون افزایش ابعاد اتصال، مقاومت آن را افزایش داد . استفاده از FRP نسبت به روکش فولادی ارجح است، زیرا FRP بر خلاف فولاد دچار خوردگی نمی شود و می تواند در مقابل خوردگی اسیدها، بازها و مواد مهاجم مشابه در دامنه وسیعی از دما مقاومت کنند. در نتیجه نیاز به سیستم های حفاظت از خوردگی نمی باشد و آماده کردن سطوح اعضا قبل از چسباندن صفحات FRP و نگهداری از آنها بعد از نصب، آسان تر از صفحات فولادی است . لازم به ذکر است که در استفاده از این روش بر خلاف روش مقاوم سازی با روکش بتنی نیاز به افزایش ابعاد اتصال و عملیات ساختمانی پر حجم نمی باشد.
