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 مقاوم سازی 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.

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

  • کمانش خارج از صفحه مهاربند

  • طراحی ضعیف اتصالات مهاربندها

  • طراحی ضعیف تیر پیوند

  • عملکرد ضعیف ستون های بست دار

  • ایجاد طبقه نرم

  • اتصالات ضعیف شمشیری پله

  • جوشکاری های نا مناسب در ساخت اسکلت

  • عدم رعایت تیر ضعیف- ستون قوی

 

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. شکل 1 تصویری از کمانش پیچشی- جانبی یک نمونه تیرI  شکل را نشان می‌دهد.

شکل1 : کمانش پیچشی- جانبی یک نمونه  تیر I  شکل

در مرحله طراحی عضو خمشی موارد اشاره شده و کلیه ضوابط آیین‌نامه‌ای 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 تیرI  شکل در شکل 2 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.

شکل 2 : از نحوه چیدمان کامپوزیت‌های FRP مورد استفاده برای تقویت تیر I  شکل

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.

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

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 

در ساختمان فولادی که پتانسیل ایجاد طبقه نرم دارا است می بایست اقدامی انجام شود که سختی طبقه افزایش یابد تا از شکست به دلیل طبقه نرم جلوگیری شود

اضافه نمودن ستون

اضافه کردن طبقه نرم به 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.

اضافه نمودن دیوار برشی

اضافه نمودن دیوار برشی باعث می شود سختی طبقه و سازه افزایش یابد و بخشی از بار مرده، را دیوار برشی تحمل کند. جهت اضافه نمودن دیوار برشی به سازه فولادی نیاز است دیوار برشی به ستون های اطراف درگیر شود که برای این کار می بایست میلگرد های افقی دیوار برشی به اطراف ستون فولادی را در بر بگیرد و سپس بتن ریزی شود.

اضافه نمودن مهاربند

اضافه کردن مهار بند  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.

نکته: 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.

افزودن میانقاب

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 الملن های سازه ای با میانقاب را بررسی نمود.

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.

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.

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.

مقاوم سازی ساختمان های فولادی
4.9 (97.14%) 7 votes