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 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 در تصاویر بعدی این پدیده را در دو ساختمان مشاهده می‌فرمایید. طبقه اول در ساختمان سمت راست کاملا فرو ریخته است.

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.

شکل  2- مکانیزم خرابی و شکست برشی ستون های کوتاه

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 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 مقاوم‌سازی ستون و سازه‌های بتنی با استفاده از الیاف: FRP

  • 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.

 

روش مقاوم سازی ستون با FRP

روش مقاوم‌ سازی ستون بتنی با FRP

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

 

مقاوم سازی افزیرمزایا و خصوصیات مقاوم‌ سازی ستون بتنی با FRP

  • 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

اجرای FRP جهت مقاوم سازی ستون بتنی

مقاوم سازی افزیرطراحی 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.

مقاوم سازی افزیر 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 میگردد. بنابر این زمانیکه ستون بوسیله پلیمر مسلح شده با الیاف محصور میگردد کرنش های عرضی کنترل میگردد و همین امر سبب افزایش مقاومت محوری ستون میگردد.

اثر محصور سازی ستونهای 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.

مقاوم سازی افزیرمنحنی تنش کرنش مقاوم‌ سازی ستون بتنی با FRP

منحنی تنش – کرنش یک ستون بتنی در حالت های محصور نشده و محصور شده با FRP در سطوح مختلف محصورشدگی در شکل زیر نشان داده شده است. این شکل بخوبی گویای تاثیر محصورشدگی در افزایش مقاومت فشاری عضو بتنی با FRP بوده و علاوه بر آن نشان دهنده تاثیر محسوس محصورشدگی بر افزایش کرنش نهایی بتن می باشد. این موضوع افزایش شکل پذیری المان بتنی محصور شده با FRP را به همراه خواهد داشت.

محصور شدگی بتن با FRP

محصور شدگی بتن با FRP

ااز الیاف کامپوزیت به صورت دور پیچ خارجی برای تقویت ستون های بتنی استفاده میشود، که مکانیزم تقویت این روش ، افزایش محصوریت ستون است. در  نمودار فوق تنش-کرنش ستون تقویت شده با الیاف اورده شده است

این نمودار شامل دو بخش خطی(الاستیک) و غیر خطی (غیر الاستیک) می باشد. با توجه به این نمودار در میابیم که در قسمت خطی بتن محصور شده و غیر محصور شده تفاوتی نداشته اند که دلیل این موضوع عدم انبساط جانبی زیاد بتن در بارهای کم می باشد که این موضوع نشان میدهد نوع ژاکت استفاده شده برای مقاوم سازی در میزان مقاومت بتن در ناحیه خطی تاثیر زیادی  ندارد. ناحیه خمیری در بتن محصور نشده بلافاصله بعد از رسیدن به بیشینه مقاومت خود، تشکیل می شود. در این حالت به علت زیاد شدن کرنش های جانبی بتن و افزایش انبساط، دورپیج مورد استفاده فعال می شود.

در ناحیه پلاستیک با افزایش جزئی در تنش محوری، انبساط جانبی به مقدار قابل توجهی افزایش پیدا میکند. این افزایش حجم به دلیل گسترش ترک ها و تخریب ساختار داخل بتن باعث افزایش فشار محصور کنندگی دورپیچ می شود. و با علم بر اینکه الیاف تا لحظه گسیختگی رفتار خطی دارند، نقش بسزای در قسمت خمیری منحنی دارا می باشند.

اگر بتن دارای محصوریت مکفی باشد ناحیه خمیری مثبت و کاملا خطی بوده است  که این نشان دهنده این باشد که محصوریت، ظرفیت باربری بیشتری را ایجاد کرده است و اگر بتن خوب محصور نشده باشد، تنش محوری حداکثر، همانند حالت بتن غیر محصور می باشد.

مقاوم سازی افزیر

انواع روش های مقاوم‌ سازی ستون بتنی با FRP

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 محصورشدگی 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.

تقویت ترکیب فشاری – خمشی

دورپیچ کامل یا ژاکت FRP ، می‌تواند جهت ایجاد محصورشدگی و در نتیجه افزایش مقاومت ستونها و المان های بتنی تحت ترکیب نیروهای فشاری و خمشی مورد استفاده قرار گیرد. لذا توجه به هشدار فنی در خصوص استفاده از FRP جهت تقویت فشاری – خمشی سازه های بتنی زیر بسیار حائز اهمیت است. افزایش قابل ملاحظه مقاومت تنها در صورتیکه نقطه متناظر با نیروی فشاری و خمشی نهایی در بالای خط متصل کننده مبدا به نقطه بالانس در منحنی P-M باشد محقق خواهد شد. همانطور که از دیاگرام  P-M در دو حالت محصور شده با FRP و محصور نشده مطابق شکل قابل دریافت است، محدودیت مذکور از این واقعیت که افزایش مقاومت در نتیجه محصورشدگی با FRP تنها برای المان های با مود شکست حاکم فشاری قابل ملاحظه می باشد، نشات می گیرد.

منحنی اندرکنش ستون تقویت شده با مصالح FRP

منحنی اندرکنش ستون تقویت شده با مصالح FRP

مقاوم سازی افزیرمکانیزم 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 ستونهایی 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.

مقاوم سازی ستون گرد بتنی با FRP

مقاوم سازی ستون گرد بتنی با FRP

جزئیات تیپ مقاوم سازی ستون بتنی با FRP

جزئیات تیپ مقاوم سازی ستون بتنی با FRP

محصولات مرتبط

راهکارهای مرتبط

مقاوم‌ سازی ستون بتنی با FRP
4.6 (91.11%) 9 votes