مقاوم سازی تیر بتنی

مقاوم سازی تیر بتنی

امروزه بحث مقاوم سازی لرزه‌ای سازه‌ها و ساختمان‌های موجود به یکی از محوری‌ترین مسایل موجود در مهندسی زلزله مبدل شده است. غالباً ساختمان‌هایی که نیاز به مقاوم سازی در برابر زلزله دارند در دو گروه عمده قرار می‌گیرند.

1. گروه اول ساختمان‌هایی هستند که قبل از تدوین هر گونه ضوابط لرزه‌ای و یا پس از تدوین آنها اما بدون رعایت آن ضوابط طراحی و ساخته شده‌اند و بهره‌برداری از آنها در حال حاضر نیز ادامه دارد. چنین ساختمان‌هایی در بیشتر موارد صرفاً برای بارهای ثقلی طرح شده و فاقد هر گونه پایداری لرزه‌ای به ویژه در برابر حرکات قوی و شدید زمین هستند.
2. در گروه دوم ساختمان‌هایی قرار می‌گیرند که مطابق ضوابط لرزه‌ای مشخصی طراحی و اجرا شده‌اند و اکنون به علت تغییر آن ضوابط و احیاناً افزایش سطح نیروهای طرح ‌یا تغییر در ضوابط شکل‌پذیری نیاز به بهسازی دارند.

در کشور ما به دلایل مختلف و به ویژه به علت جنبه‌های اقتصادی مسئله، در حال حاضر تمرکز بر روی مقاوم سازی ساختمان‌های گروه اول است. ‌در در مقاوم‌سازی کلی، کل سیستم سازه با روش‌های مختلفی مانند استفاده از دیوارهای برشی، مهاربندها، میان قاب‌ها و… به منظور افزایش مقاومت و سختی و نیز تأمین شکل‌پذیری لازم تقویت و بهسازی می‌شود.

‌در سیستم‌های سازه‌ای معمول مانند قاب‌های خمشی و سیستم‌های دو گانه، تیرها نقش بسیار مهمی در لرزه‌بری سیستم دارند. این المان‌ها برای عملکرد مناسب نیاز به شکل‌پذیری بالا و مقاومت و سختی متناسب با آن دارند. طراح بایستی قبل از اقدام به بهسازی مکانیزم غالب در رفتار تیر داخل سازه مورد نظر را تشخیص داده و سپس متناسب با آن اقدام به انتخاب روش و سپس مقاوم سازی کند. برای مثال چنانچه شکل‌پذیری خمشی المان تیر پائین باشد، طراح ابتدا بایستی این نوع شکل‌پذیری را تأمین نموده و در مرحله بعد سعی در تأمین مقاومت برشی در تیر تا لحظه تشکیل مفاصل پلاستیک خمشی نماید. ‌

‌‌‌‌‌‌

برخی از انواع روش‌های مقاوم سازی تیر بتنی‌

• استفاده از الیاف FRP
• ژاکت بتنی
• ژاکلت فلزی
• افزایش ابعاد عضو باربر
• افزایش ظرفیت برابر بستر (‌مقاوم سازی فونداسیون‌)
• افزایش دیوارهای برشی
• افزایش اعضا باربر و کاهش بار وارده به عضو باربر

مقاوم سازی تیر‌ بتنی با مصالح FRP

تیرها در جریان انتقال نیروهای ثقلی و جانبی دیافراگم به ستون نقش دارند، از این رو جزئی از سیستم سازه هستند. طراحی تیرهای بتنی مخصوصاً در مناطق لرزه خیز چون ایران نیاز به دقت بالایی دارد. شکست ترد در این اعضا منجر به خسارات گسترده‌ای در سازه می‌شود که باید از آن جلوگیری کرد. متاسفانه اغلب ‌در سازه‌های موجود به علت عدم پیش بینی صحیح از نیروهای وارد بر سازه از جمله نیروهای ناشی از زلزله، مشکل مقاومت در تیرها مشاهده شده است. روش‌های متعددی جهت رفع ضعف تیرها وجود دارد، از جمله روش مقاوم سازی با FRP‌ است.

مقاوم‌ سازی تیر بتنی با FRP جهت رسیدن به عملکرد دلخواه از طریق افزایش ظرفیت باربری خمشی و برشی، افزایش مقاومت در برابر سایش، افزایش مقاومت در برابر خوردگی و حتی حرارت است‌. برای مقاوم سازی تیرهایی که آرماتور آنها به دلیل حضور در شرایط نامساعد خورده شده‌اند، نیز می‌­توان از مصالح FRP استفاده کرد. بدین ترتیب تیر بتنی ضمن افزایش مقاومت خمشی و برشی، در مقابل شرایط محیطی خورنده نیز با استفاده از FRP محافظت می‌شوند.

‌انواع تیرهای بتنی‌ مقاوم سازی شده با FRP  ‌

• تیر بتنی مسلح
• تیر بتنی پیش تنیده
• تیرهای بتنی پیش ساخته

مزایای روش مقاوم سازی تیر بتنی توسط FRP

• افزایش مقاومت خمشی تیر
• افزایش مقاومت برشی تیر
• افزایش شکل پذیری تیر
• افزایش مقاومت در برابر خوردگی
• افزایش دوام و عمر
• کنترل عرض ترک
• ضخامت کم ورقه های FRP و عدم تغیر قابل توجه در ابعاد تیر
• سهولت در اجرا
• هزینه پایین نسبت به روش های مرسوم دیگر
• ترمیم ناشی از خوردگی

تقویت برشی تیر بتنی با FRP

استفاده از الیاف FRP به صورت رکابی‌های خارجی، سبب افزایش مقاومت و تقویت تیرهای بتنی با در سازه‌های بتن آرمه می‌شود. در این روش صفحات FRP ‌به وجوه جانبی تیر چسبانده می‌شود به طوری که راستای الیاف عمود بر محور طولی تیر یا مایل باشد. برای داشتن رکابی خارجی U ‌شکل، مصالح FRP  به صورت ممتد روی دو وجه جانبی و زیر تیر نصب می‌شود که این امر سبب بهبود مهاری تقویت خمشی FRP ‌نیز می‌شود. برای افزایش کارآیی تقویت‌های برشی، تامین مهار انتهایی لازم است.

با توجه به اینکه طول موجود برای نصب رکابی‌های FRP،  به ارتفاع تیر محدود می‌شود، بتن موجود باید از کیفیت مناسبی برخوردار باشد. سطح بتن باید متناسب با نیازمندی‌های مصالح FRP‌ مورد استفاده و در صورت لزوم ترمیم شود. به منظور پرهیز از گسیختگی رکابی‌های FRP در اثر تمرکز تنش در گوشه‌های مقطع تیر، این گوشه‌ها باید به شعاع حداقل ۳۰ میلی‌متر گرد شوند.

تقویت خمشی تیر بتنی

بررسی نتایج تقویت خمشی تیرهای بتنی مسلح با استفاده از پلیمرهای الیافی نشان می‌دهد که به طور کلی دو مود شکست در این تیرها دیده می‌شود.

‌مودهای خرابی کلاسیک (Classical Failure Modes)‌

مودهای خرابی کلاسیک عمدتاً در تیرهای بتنی معمول و دال‌های بتنی یک طرفه دیده می‌شود. نوع خرابی می‌تواند شامل گسیختگی کششی لایه‌های FRP یا خردشدگی بتن (Crushing) قبل یا بعد از تسلیم فولاد تیر باشد.

‌مودهای خرابی زودرس ‌(Premature Modes of Failure)

در بسیاری از مطالعات تجربی تقویت خمشی بتنی، کنده شدن لایه FRP از تیر دیده شده است. جداشدن FRP در تمامی موارد از دو انتهای آن آغاز شده و سبب خرابی زودرس نمونه‌ها شده است. این مود خود شامل دو نوع خرابی متفاوت است.

1. ‌کنده شدن لایه FRP در محلی که به تیر بتنی چسبیده است.
2. ‌کنده شدن لایه FRP به همراه قسمتی از بتن پوششی در محل جداشدگی.

در خرابی نوع اول، به علت ضعیف بودن رزین متصل کننده لایه به تیر، FRP کنده شده ولی در خرابی نوع دوم چسب مقاومت بسیار بالایی داشته و در نتیجه می‌تواند بتن پوششی را از نمونه جدا کند. خرابی نوع دوم معمول‌تر بوده و در اثر آن ترک خوردگی رخ می‌دهد.‌

بهسازی خمشی تیرهای بتنی با استفاده از FRP

در فرآیندهای طراحی بر اساس مقاومت پیشنهاد شود، تمامی پارامترهای اثرگذار لحاظ نشده است.‌پارامترهای مانند درصد آرماتور خمشی موجود در تیر بر میزان اثر بخشی روش تأثیر زیادی دارد. در حالی که چنین پارامتری در دستورالعمل‌ها دیده نمی‌شود که ناشی از کمبود اطلاعات حین تدوین آنها است.

‌در دستورالعمل‌های پیشنهادی تقویت غالباً از نقطه نظر مقاومتی مورد توجه قرار گرفته است. به این مفهوم که فرآیندهای طراحی بیشتر میزان افزایش مقاومت‌های خمشی و برشی را در خود دارند. در حالی که دیدگاه صرف مقاومتی برای اهداف طراحی در برابر زلزله به تنهایی کافی نبوده و آنچه حاکم بر عملکرد المان و نهایتاً یک سازه است، شکل‌پذیری و رفتار المان تحت بارهای دینامیکی است. گرچه سختی و عدم افت مقاومتی نیز از پارامترهایی هستند که همراه شکل‌پذیری بایستی مطرح شوند. در این صورت لازم است که سختی رفتاری المان تحت بارهای وارده به صورت کالیبره شده‌ای تعیین شده تا بتوان از آن در تحلیل‌های غیرخطی مانند تحلیل بار افزودن (پوش اور) استفاده نمود. این منحنی‌ها خواص هیسترتیک المان را نیز در خود دارند. چنین منحنی‌هایی در مطالعات مختلف تهیه شده‌، اما تا به حال این منحنی‌ها به صورت یک منحنی با خواص کاملاً مشخص و کالیبر شده که مورد پذیرش محققین باشد در کارهای عملی وارد نشده است.‌

استفاده از لایه‌های پلیمری مسلح(FRP) در صورتی که در آنها از پدیده جداشدگی (Debonding) جلوگیری شود، در تقویت خمشی تیرهای بتنی بسیار هستند. در برخی موارد حتی با افزودن یک لایه پلیمر تا ۵/۳ برابر افزایش مقاومت دیده شده است. با افزایش میزان آرماتور خمشی تیر (قبل از بهسازی)، اثر بخشی تقویت به کمک این روش کاهش می‌یابد.

تیرهایی که با استفاده از این روش تقویت خمشی می‌شوند، رفتار نهایی تردی از خود نشان می‌دهند که به علت ماهیت مصالح پلیمری منطقی به نظر می‌رسد. با این وصف ظرفیت تغییر شکل تیر تقویت شده بیشتر از تیر تقویت نشده است.‌ مهار قسمت‌های انتهایی لایه پلیمری در رفتار کلی المان تأثیر بهساز‌یی دارد. در صورت مهار لایه پلیمری کرنش ایجاد شده در آن صورت افزایش می‌یابد.

بهسازی برشی تیرهای بتنی با استفاده از FRP

به نسبت بهسازی خمشی، تعداد مطالعات انجام گرفته در زمینه بهسازی برشی تیرهای بتنی با اسـتفاده از FRP کمتر است. تقویت برشی به این صورت است که لایه‌های پلیمری بـر روی جـان تیـر بتنـی قرار داده می‌شود. اتصال با زرین انجام می‌گیرد.

پارامترهای مختلفی بر میزان این روش تأثیرگذار است. از جمله می‌توان به سختی پلیمر، شکل هندسی تقویت، میزان آرماتور طولی و عرضی موجود در مقطع و نسبت دهانه به عمق مقطع اشاره نمود. مشابه تقویت خمشی، در روش‌های طراحی برشی موجود‌ نیز تمامی پارامترهای مؤثر در نظر گرفته نشده و نیاز به مطالعات بیشتری است. مطالعات مختلف‌ نشان می‌دهند که FRP تأثیر زیادی بر روی مقاومت برشی تیرهای عمیق ندارد. حداکثر افزایش مقاومت دیده شده در حدود ۱۱٪ بوده است. در حالی که در تیرهای لاغر، افزایش تا۹۰٪ هم دیده شده است. همچنین وجود خاموت‌های برشی موجب کاهش بسیار زیاد در میزان افزایش مقاومت برشی تیر تقویت شده می‌شود. برای مثال در تیرهای لاغر، افزایش مقاومت برشی در اثر استفاده از پلیمر الیافی در تیرهای بدون خاموت برشی تا حدود ۹۰٪ دیده می‌شود. از سوی دیگر در نمونه‌های با خاموت برشی، افزایش فقط ۱۳٪ بوده است.‌

محل کاربرد و مزایای مقاوم سازی تیر بتنی با FRP

• مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در پروژه‌های دارای محدودیت منابع مالی به علت صرفه اقتصادی
• بهسازی تیر بتنی با FRP در پروژه‌های دارای محدودیت اجرایی
• مقاوم سازی و افزایش مقاومت تیر بتنی با FRP در پروژه‌های نیازمند به اجرای سریع و ضربتی
• مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در پروژه‌های نیازمند به عدم اختلال در بهره برداری
• ترمیم و تقویت تیر بتنی با FRP در پروژه‌های نیازمند به کمترین تغییر معماری
• مقاوم‌سازی تیر بتنی با FRP در تیر دارای ضعف خمشی
• مقاوم‌سازی تیر بتنی با FRP در تیر دارای ضعف برشی
• مقاوم سازی تیر بتنی با FRP برای افزایش مقاومت موضعی تیرهای دارای سوراخ
• مقاوم سازی تیر بتنی با FRP در پروژه‌های نیازمند به تامین سطح مقاوم در برابر خوردگی و دارای عمر مفید طولانی
• استفاده از سامانه پس کششی FRP و در نتیجه کاهش عرض ترک‌های موجود در پوشش بتنی به کمک کشش اولیه ایجاد شده در صفحات FRP
• مقاوم سازی پوتر بتنی با FRP برای افزایش مقاومت در برابر حرارت
• مقاوم سازی تیر بتنی با FRP برای تامین آب بندی کامل المان
• مقاوم سازی تیر بتنی با FRP برای تامین فضای نارسانای مغناطیسی
• مقاوم سازی تیر بتنی با FRP برای رفع مشکل کمبود سختی المان و خیز و ارتعاش بیش از حد آن
• مقاوم سازی لرزه‌ای ساختمان با استفاده از ژاکت فلزی

‌مقاوم سازی تیر بتنی با ژاکت بتنی‌

روکش بتن آرمه در مواردی که میزان شدت آسیب‌های وارده به ستون زیاد باشد و‌ستون از ظرفیت کافی در برابر نیروهای جانبی برخوردار نباشد، بکار گرفته می‌شود. روکش بتنی بسته به شرایط می‌تواند دور تا دور ستون‌ یا در یک وجه آن اجرا شود. مناسب بودن طرح روکش بتنی به پیوستگی آن با عضو بستگی دارد. اگر ضخامت روکش بتنی کم باشد، افزایش سختی در ستون مقاوم سازی شده محسوس نیست. روکش بتنی باعث افزایش ابعاد ستون میشود که علاوه بر مسائل معماری، وزن ساختمان را نیز افزایش می‌دهد.

در تیرها می‌توان از روکش بتنی در سه و یا چهار وجه تیر برای بهسازی و افزایش مقاومت آن استفاده نمود‌. با این روش می‌توان ناحیه کششی و فشاری تیر را با روکش‌های بتنی جدید تقویت کرد.

برای تکمیل مکانیسم انتقال نیرو بین مصالح قدیم و جدید، زبر نمودن سطح بتن قدیمی و جوش دادن میلگردهای اتصال با آرماتورهای جدید و قدیم ضروری است.

اجرای روکش بتنی در هر چهار وجه تیر موثرترین روش برای مقاومسازی تیرهای بتنی است. در این شیوه ضخامت بتنی که به وجه بالایی تیر افزوده می‌شود باید در ضخامت سقف گم شود‌. اجرای تنگ‌ها نیز از طریق سوراخ‌هایی که در فواصل نزدیک به هم در دال سقف ایجاد می‌شود امکان پذیر است.

‌اجرای روکش بتنی در سه وجه تیر برای افزایش ظرفیت خمشی و برشی تیر در برابر بارهای قائم انجام می‌شود، اما به دلیل آنکه در این حالت، افزایش ظرفیت باربری مقاطعی از تیر که در نزدیکی تکیه گاه‌ها قرار دارند امکان پذیر نیست، تیر را نمی‌توان در مقابل بارهای جانبی زلزله تقویت نمود‌.

کاربرد مقاوم سازی به روش ژاکت بتنی

• ‌محصور کردن بتن
• افزایش مقاومت برشی
• افزایش مقاومت خمشی
• افزایش سختی اتصالات در قاب‌ها

مزایا‌ مقاوم سازی به روش ژاکت بتنی

• امکان اصلاح اتصالات در قاب‌ها
• امکان اصلاح بابری ثقلی ستون‌ها
• سهولت ایجاد پیوستگی بین اعضا
• عدم نیاز به پوشش ضد حریق
• دخالت ناچیز در معماری

معایب‌مقاوم سازی به روش ژاکت بتنی

• افزایش وزن قابل توجه در سازه
• افزایش ابعاد تیر و ستون‌ها و کاهش فضای مفید
• زمان زیاد برای اجرای طرح
• هزینه نسبتاً زیاد
• نیاز به قالب بندی و عملیات اجرایی متعدد

‌مقاوم سازی تیر بتنی به دو روش ژاکت بتنی و الیاف FRP و مقایسه‌ی آن‌ها

در تیرهای بتن آرمه خرابی‌های ناشی از زلزله منجر به شکست ستون قبل از تشکیل مفصل پلاستیک در تیر میشود. در نتیجه روش‌های مختلفی برای بهبود ظرفیت خمشی، برشی و شکل پذیری ستون‌ها توسط افزایش دورگیری جانبی ناحیه مفصل پلاستیک ارائه شده‌ که عملکرد مناسبی طی زلزله‌های مختلف داشته‌اند از آن جمله استفاده از ژاکت بتنی و استفاده از الیاف FRP است.‌‌ افزایش مقاومت جانبی و سختی در نمونه‌های مقاوم سازی شده با ژاکت بتنی خیلی بیشتر از نمونه‌های مقاوم سازی شده با الیاف FRP است. در حالی که میزان شکل پذیری نمونه‌‌های مقاوم سازی شده با FRP بهتر از نمونه‌های مقاوم سازی شده با ژاکت بتنی است.

‌مقاوم سازی تیر بتنی با ژاکت فلزی

‌استفاده از ژاکت فلزی روشی مناسب برای مقاوم سازی تیر بتنی بوده که ضمن افزایش مقاومت و شکل پذیری اعضای این نوع سازه‌ها وزن قابل ملاحظه‌ای را به ساختمان اضافه نمی‌نماید. در این روش ورق‌های فلزی در محل‌های آسیب پذیر ساختمان بر روی سطح بتنی عضو قرار گرفته و توسط بولت به عضو مربوطه متصل میشود. مقاوم سازی با ژاکت فلزی بر حسب مورد می‌تواند بصورت دور پیچ، نواری و یا موضعی باشد.

در مواردی که اتصال تیرها و ستون‌های ساختمان بتنی ضوابط شکل پذیری از جمله فاصله بین خاموت‌ها را رعایت نمی‌نمایند ورق‌های فلزی پیرامون تیر و ستون قرار گرفته و با جوشکاری به یکدیگر متصل میشوند. همچنین این ورق‌ها باید با بولت به تیر‌ها و ستون‌ها وصل شوند تا بتوانند در تحمل لنگر‌های خمشی و نیرو‌های برشی ایجاد شده در اتصال مشارکت نمایند. ورق‌های فلزی پیرامونی به علاوه با ایجاد محصور شدگی در محل اتصال تیرها و ستون‌ها خردشدگی بتن را به تاخیر انداخته و باعث افزایش مقاومت فشاری آن میشوند.

همچنین برای مقاوم سازی ستون‌های ضعیف سازه که فاقد آرماتور‌های عرضی‌ یا طولی کافی هستند استفاده از ژاکت فلزی مرسوم است. برای اینکار نیز مشابه قبل ورق‌های فلزی در اطراف ستون قرار گرفته و توسط بولت به ستون متصل میشوند. این ورق‌ها همچنین در بالا و پایین ستون باید به نحو مناسبی به تیر‌ها و فونداسیون متصل شوند. استفاده از ژاکت فلزی برای مقاوم سازی  تیر‌ها‌ ضمن افزایش مقاومت برشی و خمشی، مقاومت فشاری بتن را نیز افزایش داده و همچنین از کمانش آرماتورهای طولی جلوگیری می‌نماید.