مقاوم سازی سازه های بتنی

بسیاری از سازه های بتن‌آرمه یا به اصطلاح بتنی به دلایل مختلفی از جمله خطاهای حین طراحی و یا ساخت، تغییر کاربری سازه و از دست رفتن بخشی از ظرفیت سازه به علت خوردگی میلگردهای فولادی نیاز به مقاوم سازی، ترمیم، تقویت و بهسازی پیدا می‌کنند. یافتن راه حل مناسبی جهت مقاوم سازی سازه های بتنی و ارتقای ظرفیت باربری چنین سازه‌ هایی همواره دغدغه‌ طراحان و مجریان سازه‌ها بوده است.

دلایل مقاوم سازی سازه های بتنی

سازه های بتنی به عنوان بخش گسترده ای از سازه ها چنانچه بر حسب محاسبات دقیق و روابط شکل پذیری طراحی و اجرا شوند ساختمان های بسیار مطلوبی خواهند بود اما کیفیت ساخت در برخی سازه ها به دلایل مختلف بسیار نامطلوب است.

کیفیت بد بتن، آرماتور گذاری نامناسب، اجرای بد بتن ریزی، مصالح نامرغوب، خطاهای طراحی، خطاهای اجرایی، افزایش بار سازه، تاثیر شرایط محیطی مخرب و خطر زلزله در اکثر نقاط کشور ایران از جمله عواملی هستند که باعث ضعف سازه های بتنی می شوند.

جهت بررسی مقاوم سازی سازه های بتنی، بدون تردید شناسایی گونه‌های مختلف خسارت در ساختمان های بتنی امری مهم و اجتناب ناپذیر می‌باشد. بنابراین انواع مختلف ضعف‌های سازه های بتنی به شرح زیر می‌باشد:

  • ضعف های سازه های بتنی
  • ایجاد ترک های مورب در هسته بتن
  • ورقه ورقه شدگی هسته مرکزی بتن دراکثر ترکهای مورب رفت و برگشتی ناشی از زلزله
  • جدا شدگی پوشش بتن
  • کنده شدن تنگها و خاموتها و خارج شدن از محل های خود
  • شکست برشی المان‌های کوتاه یا اعضایی که به اطراف متصل شده اند و طول موثر آزاد آنها کم است.
  • پدیده کمانش در آرماتورهای طولی
  • خارج شدن میلگردها از محل‌های اولیه و در رفتن به نواحی تنش های متناوب زیاد
  • گسیخته شدگی دال ها بتن آرمه در کناره های غیر ممتد
  • ترک های مورب در دیوار برشی، بخصوصبه صورت متمرکز در اطراف بازشوها
  • ایجاد ترک برشی در محل گره ها و محل اتصال تیر ستون

بتن مصالح ساختمانی با مقاومت فشاری نسبتا خوب و مقاومت کششی پایین است و در صورتی که عضو بتنی بدون میلگرد در نظر گرفته شود با اعمال بار در عضو ترک خوردگی ایجاد شده و این ترک خوردگی تا تخریب نهایی عضو پیش می رود (گسیختگی بتن تنها به صورت ترد و ناگهانی می باشد). در بتن مسلح با استفاده از آرماتورهای تقویت کششی این مشکل بر طرف می‌گردد. این مسئله از جمله نقاط ضعف سازه های بتنی مسلح و پیچیدگی آن در امر تقویت سازه های بتنی، ترمیم و مقاوم سازی آن می باشد. ارزیابی و انتخاب مصالح تعمیری موجود مرحله دشواری در تعمیر بتن و بازسازی بتن می باشد ضرورت تعداد بیشمار مصالح تعمیری و تقویتی جدید در سال‌های اخیر، باعث توسعه روشهای مختلف مقاوم سازی سازه های بتنی شده است می‌باشد

یکی از ایده های ابتدایی و تکنیک‌های مرسوم بهسازی و مقاوم سازی سازه های بتنی و تقویت سازه‌ها، شکافتن پوشش بتنی عضو سازه ای و قرار دادن میلگردهای فولادی اضافی در المان و سپس پوشاندن آن قسمت به وسیله‌ چسب‌ها و رزین های پر مقاومت بوده است. این ایده علی رغم آنکه ظرفیت سازه را مقداری بهبود می‌بخشد لیکن هم چنان مشکل خوردگی میلگردهای فولادی را بی پاسخ می‌گذارد؛ تکنیک دیگری که برای تقویت سازه های بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد، بکارگیری ورق های فولادی یا تکنیک ژاکت فولادی هست که در آن ورقهای فولادی از بیرون به اجزاء بتنی چسبانده می‌گردد. روش اتصال ورق فولادی، روشی ساده و اقتصادی است؛ اما از جهات زیر مسئله‌ ساز است:

  • وزن بالای ورق های فولادی و مشکلات ساخت این اجزاء
  • دسترسی سخت به اجزاء و نیاز داشتن داربست
  • ضعف ایجاد شده در چسبندگی بین فولاد و بتن که ناشی از خوردگی فولاد می‌باشد
  • داشتن محدودیت طولی در انتقال ورقهای فولادی به کارگاه با توجه به این نکته که در پروژه های مقاوم سازی سازه های بتنی، طولهای تیر عموماً بلند می‌باشند.

روش سنتی دیگر در مقاوم ‌سازی سازه های بتنی، استفاده از ژاکت های بتنی یا پوشش‌هایی از نوع بتن‌آرمه، می‌باشد. استفاده از این روش سبب افزایش سختی و شکل ‌پذیری و در مجموع تقویت سازه های بتنی می‌باشد؛ از ضعف های این روش افزایش ابعاد مقاطع و بار مرده سازه بتنی می‌باشد. استفاده از این روش همچنین نیازمند تخلیه ساختمان و تخریبهای زیاد سازه بتنی است و باعث افزایش نامطلوب سختی اعضای بتنی می‌گردد.

با توجه به موارد اشاره شده، در امر مقاوم سازی سازه های بتنی نیاز به مصالحی احساس می‌شود که علاوه بر افزایش مناسب ظرفیت سازه بتواند در مقابل شرایط محیطی نامساعد نیز دوام خوبی را برای بتن از خود نشان دهد. گسترش تکنولوژی های جدید علم مواد و پلیمرها با مشخصات مکانیکی مختلف، جامعه مهندسی را برآن داشته تا از قابلیت‌ها و کاربردهای متنوع محصولات پلیمری و کامپوزیتی استفاده نموده و جایگزینی آنها را با مصالح و مواد سنتی اجتناب ناپذیر ساخته است. با ورود پلیمرهای مسلح شده با الیاف FRP به صنعت ساختمان، به عنوان یکی از جالب‌ترین و نوید بخش ترین فناوری‌ها، بسیاری از مشکلات فراروی فعالان امر بهسازی مقاوم سازی سازه های بتنی برطرف شد و روش‌های نوینی در زمینه‌ تقویت و ترمیم سازه‌ های بتنی پدیدار گشت. در این روش‌ها از اشکال مختلف مصالح FRP نظیر الیاف، ورقه و آرماتور به منظور بهبود ظرفیت باربری، ترمیم، تقویت و مقاوم سازی سازه‌ ها بتنی استفاده می‌گردد.

همانگونه که اشاره شد، مصالح کامپوزیتی FRP، کاربردهای فرآوانی را برای مقاوم ‌سازی سازه های بتنی به ‌خود اختصاص داده است. FRP ماده کامپوزیتی با مقاومت کششی بالاست که با رزین آغشته می‌گردد و بدلیل مقاومت کششی بالا، وزن پایین و دوام مناسب (در مقابل خوردگی و شرایط محیطی سخت) دارای کاربرد گسترده‌ای در مقاوم سازی سازه های بتنی در مقابل نیروی زلزله است. از این رو استفاده از ورق FRP در سال های اخیر، گزینه مناسبی جهت تقویت و مقاوم سازی ساختمان های بتنی بوده است. سهولت استفاده، عدم نیاز به نیروی کار ماهر، سبکی و مقاومت کم، FRP را راهکار مناسبی جهت ترمیم سازه های بتنی، تقویت و مقاوم سازی بدون بر هم زدن عملکرد عادی فضا ساخته، به همین دلیل این مصالح مورد توجه معماران به ویژه در ترمیم سازه ها و بهسازی و تقویت سازه های بتنی و  بناهای قدیمی قرار گرفته است. روش تسلیح خارجی با مصالح FRP و روش‌های خانواده‌ آن، رایج‌ترین روش‌ها در تقویت سازه های بتنی می‌باشند. با این حال این روش‌ها با چالش‌هایی جدی نظیر جداشدگی زودرس عامل تقویت کننده و آسیب‌پذیری سازه بتنی در مقابل شرایط نامساعد محیطی نظیر تغییرات شدید دمایی، ضربه، آتش‌سوزی و خرابکاری مواجه می‌باشند.

تقویت سازه ‌های بتنی با مواد FRP

در دهه 80 میلادی سیستم های پلیمر مسلح شده با الیاف Fibre Reinforced Polymers به نام اختصاری FRP در دنیا lعرفی شدند که به دلیل داشتن دو جزء اصلی شامل الیاف و ماده چسباننده آن ها به یکدیگر به عنوان نوعی ماده مرکب یا کامپوزیت به شمار می رود. در کامپوزیت ها مشخصات شیمیایی و فیزیکی هر کدام از اجزای متشکله به تنهایی محفوظ است، اما در کنار یکدیگر تشکیل ماده ای جدید با خصوصیات فیزیکی و رفتار مکانیکی تازه ای را می دهند که کاربردهای ویژه دارند.

در کامپوزیت های FRP مشخصات فیزکی جدید، سبکی وزن، نازک بودن، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت کششی بالا و چندین برابر فولاد و ضریب ارتجاعی مناسب که تقریبا در حدود فولاد است، کاربردهای آن ها را در مقاوم سازی و بازسازی سازهای بتنی، فولادی و بنایی بسیار فراگیر و گسترده کرده است.

مزایای کامپوزیت های پلیمری FRP :

  • وزن کم
  • انعطاف پذیری بالا
  • سهولت در حمل و نصب
  • عدم نیاز به سیستم های محافظ در برابر خوردگی
  • برشکاری در قطعات دلخواه
  • نسبت بالای مقاومت به وزن
  • مقاومت و سختی بالا
  • امکان تقویت به دو صورت داخلی و خارجی

 معایب کامپوزیت پلیمری FRP :

  • آسیب پذیری در مقابل اتش سوزی
  • کم تجربگی مشاوران و پیمانکاران
  • عدم امکان استفاده از ورق های FRP در سطوح ناصاف
  • افزایش وقوع شکست ترد با مصرف این گونه کامپوزیت ها

 

کامپوزیت ها می توانند به صورت ورقه هایی با جنس های مختلف باشند که به دسته های CFRP، GFRP و AFRP تقسیم بندی می شوند که اولی از جنس کربن، دومی از جنس شیشه و سومی نیز از جنس آرامید می باشد.

الیاف FRP را می‌توان جایگزین ورق های فولادی کرد. مصالح FRP  برخلاف فولاد، زوال الکتروشیمیایی نداشته و در مقابل خوردگی ناشی از اسیدها، بازها و نمک‌ها در دماهای مختلف مقاومت بالایی دارند. این مزیت سبب کاهش هزینه در نصب پوشش های حفاظت از خوردگی ‌باشد. همچنین آماده سازی سطوح بتن قبل از نصب مصالح و ورقه های FRP، سهل‌تر از ورق‌های فولادی است.

از الیاف FRP به منظور افزایش ماکزیمم بازدهی و کارایی می‌توان در شکل های مشخص و در نسبت ها و جهات مختلف درون رزین استفاده کرد. سیستم‌های FRP بسیار سبکتر از صفحات فولادی بوده و در عوض مقاومت و سختی بالایی در جهت الیاف دارند. وزن سبک FRP سبب می شود حمل و نقل آنها راحت تر بوده و به داربست کمتری جهت اجرای آن نیاز باشد. سیستم‌های FRP در محل‌هایی که دسترسی محدودی دارند، بسیار گزینه کاربردی می‌باشند و پس از نصب، بار اضافی به سازه بتنی تقویت شده تحمیل نمی‌کنند.

 

 

AFRPCFRPGFRPSTEEL
کامپوزیت آرامیدکامپوزیت کربنکامپوزیت شیشهفولاد
1/5 – 1/21/6 – 1/52/1 – 1/27/9

جدول1- چگالی مواد FRP رایج بر حسب گرم بر سانتی متر مکعب

ضریب انبساط حرارتی

ضریب انبساط حرارتی مواد FRP تک جهتی در جهت طولی و عمود بر آن متفاوت است و به نوع الیاف، رزین و مقدار الیاف به کار رفته بستگی دارد. جدول زیر ضریب های طولی و عرضی انبساط حرارتی برای مواد FRP تک جهتی رایج را نشان می دهد.

ضریب انبساط حرارتی (سانتی گراد)جهت
AFRPCFRPGFRP
2- تا 6-0 تا 1-10 تا 6طولی
80 تا 6050 تا 2223 تا 19عرضی

جدول2- ضریب انبساط حرارتی مواد FRP

مشخصات مکانیکی مواد مرکب FRP

تاکنون از هر سه نوع FRP یعنی GFRP، CFRP و AFRP برای مقاصد عملی مقاوم سازی استفاده شده است. جدول زیر مشخصات بدست آمده از مصالح FRP با الیاف یک جهتی یا خطی را نشان می دهد. باید یادآور شد که این ارقام و محدوده ها برای مصالح معمولی و متداول FRP تهیه شده است و ممکن است محصولی خاص در شرایطی خاص، مشخصات دیگری را از خود بروز دهد. همچنین وقتی الیاف دو یا سه جهتی باشند، مشخصات FRP با آنچه ذکر شده، متفاوت خواهد بود.

 

 

جنسمدول الاستیسیته (GPa)مقاومت کششی (MPa)حد نهایی کرنش کششی (%)
با مقاومت زیاد235 – 2154800 – 25002 – 4/1
با مقاومت بسیار زیاد235 – 2156000 – 45003/2 – 5/1
با مدول زیاد500 – 3503100 – 25009/0 – 5/0
با مدول بسیار زیاد700 – 5002400 – 21004/0 – 2/0
E703000 – 19005
S90 – 854800 – 35005/5 – 4/5
با مدول متوسط80 – 704100 – 35005 – 3/4
با مدول زیاد130 – 1154000 – 25005/3 – 5/2

جدول3- مشخصات مصالح FRP با الیاف خطی

 

دو روش متداول برای استفاده از FRP در مقاوم سازی سازه های بتن مسلح وجود دارد. روش اول چسباندن تر است. در این روش در محل اجرا از رزین برای آغشته سازی الیاف به هم بافته نشده یا الیاف در یک جهت نگه داشته شده استفاده می شود.

روش دوم استفاده از مصالح FRP پیش ساخته است. مصالح پیش ساخته FRP را می توان به اشکال متفاوتی تولید کرد که هم مناسب برای مقاوم سازی تیرها در برابر خمش باشند و هم به شکل صفحاتی باشند که بتوان از آن ها برای دور پیچ کردن ستون ها استفاده کرد. مصالح FRP به طور معمول به صورت بسته بندی شده و همراه با دستورالعمل استفاده عرضه می شود. از جمله خصوصیات فیزیکی این گونه مصالح می توان به موارد زیر اشاره کرد که به صورت ازمایشگاهی نیز اثبات شده اند.

الیاف FRP را می‌توان دور ستون های بتنی به منظور افزایش ظرفیت و شکل ‌پذیری پیچاند؛ این امر سبب تغییر در سختی نمی‌شود. در استفاده از مصالح FRP باید دقت شود که درجه مقاوم‌ سازی یا نسبت مقاومت المان مقاوم سازی شده بتنی به مقاومت عضو مقاوم سازی نشده محدود گردد تا تعادل سازه بتنی در حوادثی شبیه حریق و آتش ‌سوزی و نیز دست کاری و خرابک اری عضو مقاوم سازی شده، حفظ گردد.

مدفون ساختن عامل تقویت کننده در پوشش عضو بتنی در تکنیک نصب در نزدیک سطح (NSM)، در زمینه‌ برطرف کردن این مشکلات توفیق بیش‌تری دارد. هم چنین در روش NSM می‌توان از نوارها، آرماتورهای FRP و نیز میله های دست ساز MM FRP به عنوان عامل تقویت سازه های بتنی استفاده نمود. میله هایMM FRP از پیچاندن ورقه های FRP حول یک هسته‌ تولید می‌شوند. مزیت کلیدی این نوع میله‌ها امکان تعبیه‌ سیستم مهاری بر روی آن‌ها می‌باشد که عملکرد پیوستگی آن‌ها را بهبود می‌بخشد و در رفتارکلی تقویت سازه های بتنی تاثیر می‌گذارد.

روش های طراحی

برای طراحی سازه های بتن آرمه، سه روش کاربرد بیشتری دارند که عبارتنداز :

  • روش تنش مجاز
  • روش مقاومت نهایی
  • روش طراحی بر مبنای حالات حدی

روش تنش مجاز :

این روش که پیش از این، روش تنش بهره برداری یا روش تنش باز نامیده می شد و اکنون با نام روش دیگر طراحی آیین نامه شناخته می شود، اولین روشی است که به صورت مدون برای طراحی سازه های بتن آرمه به کار گرفته شد. در این روش، یک عضو سازه ای به نحوی طراحی می شود که تنش های ناشی از بارهای بهره برداری (سرویس)، که به کمک نظریه های خطی مکانیک جامدات محاسبه می شوند، از مقادیر مجاز تنش های تجاوز نکنند.

روش مقاومت نهایی :

روش مقاومت نهایی، که در آیین نامه ACI به روش طراحی بر مبنای مقاومت موسوم است، حاصل پژوهش گسترده روی رفتار غیرخطی بتن و تحلیل عمیق مسئله ایمنی در سازه های بتن آرمه است.

روند طراحی را در این روش می توان به صورت زیر خلاصه کرد :

بار بهره برداری به وسیله ضریبی موسوم به ضریب بار افزایش داده می شود. بار حاصل را در اصطلاح، بار ضریب دار یا بار نهایی می نامند.

 روش طراحی بر مبنای حالات حدی :

به منظور تکامل روش مقاومت نهایی، به ویژه از نظر نحوه منظور کردن ایمنی، روش طراحی بر مبنای حالات حدی ابداع شد.

آنچه به طور خلاصه در مورد روش طراحی بر مبنای حالت های حدی می توان گفت این است که این روش از نظر اصول محاسبات، مشابه روش مقاومت نهایی است، تفاوت عمده آن با این روش در نحوه منطقی تر ارزیابی ظرفیت باربری و احتمال ایمنی اعضاست. اعضا و سازه های بتن آرمه باید با توجه به سه حالت حدی زیر آنالیز و طراحی شوند :

  • حالت حدی نهایی که مربوط به ظرفیت باربری می شود (مانند مقاومت و پایداری)
  • حالت حدی تغییر شکل (مانند تغییر مکان و ارتعاش اعضا)
  • حالت حدی ترک خوردگی یا باز شدن ترک ها
  • به حالت تغییر شکل و ترک خوردگی یا باز شدن ترک ها، به طور معمول حالت های حدی بهره برداری گفته می شود.

 

محدودیت های مقاوم سازی با مصالح FRP در حالت مقاومت نهایی :

توصیه های طراحی در آیین نامه ACI بر اساس اصول حالت مقاومت نهایی پایه گذاری شده است. این روش بر اساس درجه ایمنی است و بر خلاف دو حالت دیگر طراحی (حالت حدی سرویس که بر اساس تغییر شکل زیاد و ترک خوردگی است و حالت نهایی که بر اساس شکست، گسیختگی تنش و خستگی است) می باشد.

گسیختگی :

ملاحظات دقیق و معقولی باید برای تعیین محدودیت های مقاوم سازی اختصاص داده شود. این محدودیت ها به دلیل تضمین عدم فروریختن سازه و وقوع دیگر گسیختگی های سیستم FRP، ناشی از آتش سوزی، خرابکاری یا دلایل دیگر است. به این منظور توصیه می شود که باید اعضای سازه ای مقاوم سازی نشده، بدون نصب تقویت کننده های FRP، ظرفیت تحمل کافی برای مقاومت در برابر مقدار مشخص از بار را داشته باشند.

بر اساس این ایده، در حوادثی که خرابی در سیستم FRP منجر می شود، سازه هنوز قادر به مقاومت مناسبی در برابر بارها بدون این که دچار تخریب شود، خواهد بود.

توصیه لازم برای کافی بودن مقاومت موجود سازه برای تحمل بار در رابطه زیر آورده شده است:

در این رابطه φ ضریب کاهش ظرفیت و Rn مقاومت مقطع است.

نوع مقاومتضریب کاهش ظرفیت
خمش9/0
کشش محوری9/0
فشار محوری9/0 – 7/0
برش و پیچش85/0
ضریب کاهش مقاومت اسمی

تحمل سازه در برابر آتش :

میزان مقاوم سازی سازه به وسیله سیستم های FRP چسبیده به صورت خارجی، اغلب توسط آیین نامه های مربوط به آتش سوزی محدود می شود. رزین های پلیمری، یکپارچگی و استحکام سازه ای خود را در درجه حرارت های محدوده 60 تا 80 درجه سلسیوس از دست خواهند دادو اگرچه سیستم FRP خود به تنهایی مقاومت کمی در برابر اتش سوزی دارد، اما با ترکیب با عضو بتنی موجود، سبب مقاومت کافی عضو بتنی در برابر حریق می گردد.

ظرفیت کلی سازه :

سیستم های FRP برای مقاوم سازی اعضا به صورت خمشی و برشی و … موثرند، با این حال ممکن است در سایر حالت های گسیختگی مانند برش سوراخ کننده و ظرفیت باربری پی ها تاثیری نداشته باشند. بنابراین مهم است که مطمئن شویم همه اعضای سازه می توانند افزایش بارهای وارد بر اعضای تقویت شده را تحمل کنند. به علاوه، باید انالیزی بر روی اعضای مقاوم سازی شده با سیستم FRP برای بررسی بیشتر بودن احتمال وقوع گسیختگی خمشی به گسیختگی برشی صورت گیرد.

مقاومت کششی نهایی طراحی باید با تعیین ضریب کاهش وابسته به شرایط، از جدول زیر به دست آید. این جدول بر اساس نوع الیاف و شرایط محیطی تنظیم شده است.

 

 

ضریب کاهش محیطی،نوع الیفا – رزینشرایط محیط
95/0کربن – اپوکسیشرایط داخلی
75/0شیشه – اپوکسی
85/0آرامید – اپوکسی
85/0کربن – اپوکسیشرایط خارجی (پل ها، اسکله ها و پارکینگ های غیربسته)
65/0شیشه – اپوکسی
75/0آرامید – اپوکسی
8/0کربن – اپوکسیمحیط های ناهنجار (کارگاه های شیمیایی و کارخانه های تصفیه فاضلاب)
5/0شیشه – اپوکسی
7/0آرامید – اپوکسی
ضرایب کاهش محیطی

محدودیت های مقاوم سازی با مصالح FRP در حالت حدی :

فلسفه طراحی در آیین نامه BS :

توصیه های طراحی در آیین نامه BS بر اساس اصول حالت حدی پایه گذاری شده است. منظور از طراحی حالت حدی، دستیابی به عملکرد قابل قبول از سازه مقاوم سازی شده در طول عمر کاربری است، به عبارتی سازه باید به گونه ای کنترل شود که در طول عمر خود به حالت حدی نرسد تا موجب عملکرد نامناسب نشود.

طراحی سیستم های مقاوم سازی FRP، بر حالت حد نهایی مقاومت متمرکز می شود. این حالت شامل کنترل خمش، برش و فشار، شکل پذیری و همچنین کنترل جدا شدن صفحه FRP است. از آنجایی که مقاوم سازی خمش، سختی عضو و به دنبال آن احتمال خطر گسیختگی تر را افزایش می دهد، باید شکل پذیری اعضای خمشی کنترل شود.

رابطه های ارائه شده برای طراحی سیستم های مقاوم سازی FRP بر اساس فرض رابطه سهموی برای بتن فشاری و رابطه دو خطی الاستیک و پلاستیک برای آرماتور فولادی است. بر خلاف آرماتورهای فولادی، همه FRP دارای یک رفتار الاستیک خطی تا لحظه شکست بدون هیچ ناحیه پلاستیکی می باشد.

بررسی خمش در تیرهای بتن آرمه :

وقتی یک تیر بتن آرمه تحت خمش قرار می گیرد، نمودار لنگر – انحناء آن مطابق شکل زیر می باشد.

 

حال اگر منحنی بار – تغییر مکان را برای تیر تقویت شده با FRP با تیر تقویت نشده مقایسه کنیم، به نتایج مهمی خواهیم رسید.

بررسی معایب مقاوم سازی خمشی تیرها با کامپوزیت FRP :

به دلیل برخی خواص رفتاری مواد کامپوزیتیFRP، مودهای گسیختگی یک عضو بتن آرمه تقویت شده در خمش به وسیله FRP به حالت های زیر تقسیم می شود :

  • شکست در اثر گسیختگی FRP در اثر کشش ناشی از خمش
  • شکست در اثر خرد شدن بتن فشاری تیر در اثر فشار ناشی از خمش در وجه بالایی تیر
  • شکست برشی
  • جدا شدن پوشش بتن
  • جدا شدن انتهای لایه مقاوم کننده چسبانده شده از بتن
  • از بین رفتن چسبندگی در سطح تماس FRP

مود های گسیختگی تیر بتنی تقویت شده با ورق FRP

بررسی خمش در دال های بتن آرمه :

دال ها متداول ترین نوع پوشش کف را در سازه های بتن آرمه تشکیل می دهند. دال ها با توجه به رفتار خمشی به دو دسته دال های یکطرفه و دوطرفه تقسیم می گردند و از نظر ساخت به دال های تیر و دال و تخت و قارچی و مجوف و انواع دیگر اجرا می گردند. در حالی که تحقیقات موجود در زمینه مقاوم سازی خمشی تیرها در بسیاری موارد در مورد دال ها هم قابل استفاده است، اما این دو بحث تفاوت هایی با هم دارند. در هر صورت، اساس مقاوم سازی خمشی در دال ها بر استفاده از مصالح مرکب FRP و چسباندن نوارها یا صفحات FRP بر روی سطوح تحت کشش استوار است.

 

تقویت دال در جهت اصلی

بررسی برش در تیرهای بتن آرمه :

برای درک بهتر نحوه انتقال بار در مقاطع تحت برش، پدیده ترک خوردگی، نوع گسیختگی و نقش آرماتورهای برشی و چگونگی مقاوم سازی برشی تیرها، بررسی رفتار تیرهای بتنی تحت برش در مراحل مختلف بارگذاری ضروری است.

رفتار برشی تیرها

شکست های برشی و خمشی، دو حالت عمده شکست در تیرهای معمولی بتن مسلح هستند.

افزایش مقاومت برشی تیرها به روش چسباندن صفحات FRP، احتمال گسیختگی خمشی را نسبت به گسیختگی برشی بیشتر کرده و در نتیجه عضو سازه ایف شکل پذیرتر می شود.

طرح های مختلفی برای استفاده از مصالح FRP در مقاوم سازی برشی پیشنهاد شده است. این طرح ها شامل چسباندن FRP به سطوح جانبی تیر، استفاده از پوشش U شکل برای سطوح جانبی و سطح زیرین تیر و نیز دورپیچ کردن مقطع با استفاده ار الیاف و نوارهای FRP است.

بررسی رفتار ستون های بتن آرمه :

به طور کلی هر عضوی که تحت بار محوری فشاری یا کششی قرار داشته باشد، یک عضو محوری نامیده می شود. این نامگذاری شامل اعضایی که به طور هم زمان تحت خمش قرار دارد نیز می شود. متدال ترین روش مقاوم سازی ستون ها با FRP، دورپیچ کردن سطح خارجی ان ها با نوارهای FRP است. اساس این مقاوم سازی که در واقع محصور کردن ستون و ایجاد فشار جانبی بر بتن آن است، بر این اصل استوار است که وجود فشار محیطی بر روی یک المان بتنی، سبب افزایش مقاومت فشاری و شکل پذیری آن می شود. روش های مقاوم سازی را می توان به سه گروه عمده تقسیم بندی کرد :

  1. دورپیچ کردن مقطع ستون
  2. پیچیدن مارپیچی
  3. پوشاندن با پوسته های پیش ساخته

 

حالت های مختلف مقاوم سازی ستون

 

 

بهسازی با استفاده ازمهاربندهای فولادی

اضافه نمودن مهاربندی های فولادی به سازه بتنی، افزایش سختی، کاهش نیاز شکل پذیری و افزایش مقاومت برشی سیستم را به همراه خواهد داشت ضمن آنکه افزایش ناچیزی را در وزن سازه موجب می شود. عموما استفاده از سیستم های مهاربندی واگرا (EBF) در ساختمان های بتنی به دلیل پر هزینه بودن و مشکلات موجود در اجرا و تامین جزییات تیر پیوند مرسوم نمی باشد. اما انواع سیستم های مهاربندی همگرا می تواند در این نوع بهسازی مورد توجه قرار می گیرد.

بهسازی با استفاده ازمیان قاب های صفحه ای بتنی یا بنایی

افزایش مقاومت و سختی سیستم و همچنین کاهش نیاز شکل پذیری اعضا و اجزای سازه را می توان با اضافه نمودن میان قاب های صفحه ای بتن مسلح و یا دیوارهای آجری ایجاد نمود که یکی از رایج ترین روش ها در سازه های بتنی است. دیوارهای اضافه شده می توانند به صورت دیوار های برشی جدید که در محل اجرا شده و یا دیوارهای بنایی شاتکریت شده باشند.

در بهسازی سازه ها با استفاده از این روش باید به این موضوع توجه نمود که آیا قاب بتنی موجود می تواند به عنوان قسمتی از سیستم مرکب باشد یا خیر. به عبارت دیگر باید کفایت باربری ستون های موجود سازه در صورتی که به عنوان اعضا و اجزای مرزی دیوارهای برشی عمل نمایند مورد کنترل قرار می گیرد.در صورت عدم کفایت مقاومتی ستون های سازه می توان دیوار برشی را به صورت کامل به همراه اعضا و اجزا مرزی و به صورت مجزا از قاب بتنی موجود احداث نمود و یا با تقویت ستون های سازه دیوار بتنی را به این اعضا متصل نمود. مزیت حالت دوم استفاده از بار محوری فشاری ستون های موجود در کاهش بار برکنش اعمالی ناشی از زلزله می باشد.

افزودن میانقاب بتنی به سازه بتنی

اضافه کردن قاب های خمشی

قاب هاي خمشي در صورت ارضاي ضوابط تعيين شده ، داراي شكل پذيري و اتلاف انرژي بسيار بالايي مي باشند . به علت سختي كم پاسخ اين سيستم به نيروهاي جانبي باتغيير شكل هاي فزاينده همراه است كه براي اجزاي غير سازه اي مشكلاتي را بوجود مي آورد و همچنين با افزايش تغييرشكل هاي ثانويه حتي به ناپايداري كلي سازه منجر مي شود.

اين سيستم ها با توجه به سختي كمتر و نرم بودن ، پس از خرابي سيستمهاي سخت، مي توانند نيرو جذب كنند و در صورت پاسخگو نبودن سيستم مقاوم اصلي، از خرابي سازه جلوگيري نمايند.

لازم به ذكر است قابهاي اضافه شده مي توانند بصورت خارجي نيز باشند

بهسازي با اضافه كردن قاب خمشي در خارج از ساختمان

 

 

محصولات مرتبط

راهکارهای مرتبط

مقاوم سازی سازه های بتنی
4.7 (94.19%) 31 votes