مقاوم سازی ساختمان

روش‌های نوین مقاوم سازی ساختمان: ژاکت بتنی و فولادی

یکی از روش‌های نوین مقاوم سازی ساختمان ها  استفاده از ژاکت بتنی و فولادی به جهت مقاوم سازی ساختمان در المان های مختلف مثل تیر ها، ستون ها و دیوار ها می باشد. از ژاکت های بتنی و فولادی بیشتر به جهت مقاوم سازی قسمت های آسیب دیده المان ها و تقویت های موضعی خمشی و برشی استفاده می شود. یکی از روش‌های نوین مقاوم سازی ساختمان و در قسمت هایی از المان های بتنی که دارای ضعف در میزان مقاومت بوده و یا دارای خیزهای غیر مجاز می باشند، استفاده از ورق های فولادی است . در این روش مقاوم سازی از صفحات و ورق های فولادی برای تقویت تیرها، ستون ها و سقف های بتنی استفاده می شود. اجرای این روش باید با دقت بسیار بالایی صورت پذیرد به طوری که ورق فولادی چسبندگی کافی به المان مورد نظر پیدا کند و عملکرد مناسبی در باربری عضو مورد نظرداشته باشد. با مطالعه و بررسی خرابی های ایجاد شده در ساختمان های مختلف طی زلزله های گوناگون مشخص شده که بسیاری از خرابی در ناحیه اتصالات سازه ها صورت می گیرد. ضعف های طراحی و اجرایی و عدم آشنایی کامل با رفتار اتصالات خصوصا در هنگام اعمال بارهای رفت و برگشتی مثل زلزله خسارت های جبران ناپذیری را به ساختمان وارد می کند. مقاوم سازی اتصالات بتنی و مقاوم سازی اتصالات فولادی یکی از مراحل به نسبتا پیچیده در مقاوم سازی ساختمان ها می باشد. همان طور که پیش تر هم اشاره شد مقاوم سازی اتصالات در سازه های بتنی نسب به سازه های فولادی دارای پیچیدگی های بیشتر است که از دلائل آن می توان به غیر قابل مشاهده بودن جزییات آرماتور گذاری و… در محل اتصال اشاره نمود. انواع ضعف ها در اتصالات سازه های بتنی عبارتند از: گسیختگی برشی اتصال، کمانش میلگرد های طولی تیر و ستون، کمبود میلگردهای مثبت و منفی و… در مقابل و در سازه های فولادی انواع ضعف های اتصالات عبارتند از: خرابی تیرها در محل اتصال، خرابی ستون ها در محل اتصال، خرابی ورق اتصال جان و… بسته به نوع خرابی های پیش آمده در اتصالات از روش های گوناگونی برای مقاوم سازی اتصالات استفاده میشود که برخی از آن ها عبارتند از:

• استفاده از روکش بتنی
• استفاده از روکش فولادی
• استفاده از ورق روسری و زیرسری مضاعف
• استفاده از لچکی

مزایای مقاوم سازی به روش ژاکت بتنی و فولادی

• افزایش ظرفیت برشی و خمشی و محوری المان ها
• روشی ارزان قیمت در مقایسه با سایر روش ها
• امکان به کار گیری در هر بخش و المان ساختمان

معایب مقاوم سازی به روش ژاکت بتنی و فولادی

• زمان بر بودن این روش در مقایسه با سایر روش ها (خصوصا ژاکت بتنی)
• نیاز به استفاده از پوشش های ضد حریق در روش استفاده از ژاکت فولادی
• تغییر در ابعاد المان ها و فضاهای معماری ساختمان

عمده ترین وظیفه مهاربندها و دیوارهای برشی مستهلک کردن نیروی زلزله وارد بر ساختمان می باشد. استفاده از دیوار برشی در ساختمان هایی که هم اکنون ساخته می شوند بسیار متداول بوده اما بیشتر ساختمان هایی که مدت زیادی از ساخت آن ها میگذرد فاقد این المان می باشند. دیوار های برشی در دو نوع فولادی و بتنی مورد استفاده قرار می گیرند که نوع فولادی بر خلاف نوع بتنی ابعاد زیادی نداشته و ساختمان را دچار محدودیت در فضاهای معماری نمی کند اما کمتر متداول بوده و به همین دلیل خیلی مورد علاقه و استفاده کارفرمایان قرار نمیگیرد . یکی از متداول ترین المان های باربر جانبی (خصوصا در در سازه های فولادی) مهاربندها هستند که از دیرباز تا کنون استفاده های زیادی از آن ها شده است. به همین علت یکی از روش‌های نوین مقاوم سازی ساختمان استفاده از مهاربند های فولادی هستند که از مزایای آن می توان کاهش دریفت سازه، عدم ایجاد محدودیت معماری هم چون دیوار های برشی بتنی و… اشاره کرد. البته لازم به ذکر است که استفاده از مهاربند فولادی هم چون همه روش‌های نوین مقاوم سازی ساختمان معایبی هم چون پیچیده بود جزییات اتصالات را دارد ولی در کل روشی بسیار مفید و کاربردی است.

شاتکریت یا بتن پاشی بر دیوارها یکی از روش‌های نوین مقاوم سازی ساختمانمی باشد. این روش که بیش تر در ساختمان های بتنی و بنایی مورد استفاده قرار می گیرد تاثیر زیادی بر مقاوم سازی ساختمان دارد. روش دیگری به نام ماتریس های سیمانی مسلح شده با الیاف (FRCM) مشابه روش شاتکریت اخیرا مورد استفاده قرار گرفته است. در روش FRCM،ابتدا شبکه میلگرد FRP بر روی دیواری که قبلا اجرا شده قرار می گیرد و پس از قرار گیری آن ها و مهار میلگرد ها عملیات بتن پاشی با استفاده از دستگاه شاتکریت (بتن پاش) انجام می شود.

مزایای مقاوم سازی به روش شاتکریت بتنی دیوارها

• ایجاد انسجام در دیوارها
• افزایش مقاومت دیوارها
• افزایش شکل پذیری دیوارها
• بهسازی عملکرد لرزه ای دیوار ها

معایب مقاوم سازی به روش شاتکریت مرسوم در مقایسه با FRCM

• نیاز به نیروی کار ماهرتر
• افزایش زمان مورد نیاز جهت مقاوم سازی
• افزایش وزن ساختمان
• افزایش ضخامت دیوار

یکی از روش‌های نوین مقاوم سازی ساختمان بتنی استفاده از سیستم پس کشیدگی و یا همان پیش تنیدگی است. مفهوم پیش تنیدگی وارد کردن تنش هایی به المان باربر قبل از اعمال بارهایی است که قرار است المان در طول مدت عمر خود آن ها را تحمل کند. عموما بارهایی که المان های باربر در ساختمان در طول عمر خود آن ها را تحمل می کنند عبارتند از بارهای ثقلی مرده و زنده و بارهای جانبی مثل زلزله و باد.

در روش پیش تنیدگی ابتدا با کابل های مخصوص پیش تنیدگی تنش هایی را به وجود می آورند که اعمال بارهای مرده و زنده به المان باربر باعث خنثی شدن این تنش های اولیه شده و اصطلاحا عضو مورد نظر را پیش تنیده می نامند.

همان طور که می دانیم بتن به تنهایی قادر به تحمل تنش های کششی نمی باشد و خیلی زود دچار ترک خوردگی می گردد. به همین علت از میلگردهای فولادی در بتن استفاده می شود که پس از ترک خوردن بتن ناحیه کششی وظیفه تحمل نیروهای کششی را برعهده میگیرد. استفاده از اعضای پیش تنیدگی مثل کابل در ناحیه کششی بتن انجام می پذیرد و یک نیروی فشاری به کابل ها وارد می شود که باعث می شود تا در هنگام اعمال بارهای سازه تنش های کششی ایجاد شده صرف خنثی کردن تنش های فشاری اولیه شود و بتن ناحیه کششی ترک نخورد.

یکی از خصوصیات ذاتی که در همه ی مصالح وجود دارد میرایی است. میرایی هر ماده به جنس آن بستگی داشته ومواد مختلف تشکیل دهنده ی ماده میرایی های مختلفی دارند. میراگرها یا دمپرها یک سیستم مهاربندی یا باربر جانبی است که عموما در ساختمان ها و پل ها از آن استفادهمی گردد. میراگر ها نقشی در تحمل بارهای ثقلی نداشته و تنها زمانی که ارتعاش ناشی از زلزله به ساختمانوارد شود عمل می کنند. استفاده از میراگرها یکی از روش های نوین مقاوم سازی ساختمان محسوب می شود. دراین روش با استهلاک انرژی زلزله، نیروی وارد شده به ساختمان بسیار کم تر از مقدار واقعی می باشد. یکی دیگر از روش های نوین مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای ساختمان ها استفاده از جداگرهای لرزه ای میباشد. با استفاده از جداساز های لرزه ای از انتقال ارتعاش زمین که ناشی از وقوع زمین لرزه است بهسازه جلوگیری می شود که در نتیجه ی این اقدام جا به جایی جانبی و دریفت سازه بسیار کمتر از حالتیاست که از جداساز های لرزه ای استفاده نمی شود.

مزایای استفاده از میراگرها و جداسازهای لرزه ای:

• کاهش تغییر مکان جانبی ساختمان
• کاهش دریفت سازه
• کاهش خسارت وارده به اجزای سازه ای و غیر سازه ای ساختمان
• استفاده از مقاطع سبک تر به دلیل کاهش نیروی وارده ناشی از زلزله به آن ها و در نتیجه هزینه کم تر
• کاهش وزن ساختمان

انواع میراگرها و انواع جداسازهای لرزه ای عبارتند از:

• میراگر جرمی
• میراگر سیال ویسکوز
• میراگر اصطکاکی
• میراگر فلزی و میراگر آلیاژی
• جداساز لغزشی
• جداساز الاستومتریک
• جداساز لاستیکی

مقاوم سازی ساختمان با استفاده از کامپوزیت FRP

FRP یاهمانFiber Reinforced Polymer فیبرهای پلیمری هستند که در سالیان اخیر استفاده های بسیاری از آن درصنعت ساختمان می شود. این مصالح از دو جز تشکیل شده اند که شامل الیاف FRP و ماتریس (ماده در برگیرنده) می شود. وظیفه اصلی الیاف مقاومت در برابر بارگذاری ها بوده در حالی که ماتریس ها وظیفه ی باربری نداشته و عمده وظیفه آن ها در کنار هم نگه داشتن الیاف و جلوگیری از هرگونه حرکت و اعوجاج الیاف می باشد. هم چنین وظیفه مهم دیگری که ماتریس ها بر عهده دارند جلوگیری از خوردگی الیاف در برابر عوامل محیطی است. الیاف FRP عموما مصالحی به شکل پارچه بوده و به چندین دسته تقسیم میشود که مهم ترین آن ها موارد زیر می باشد:

• الیاف کربن (فیبر کربن) CFRP
• الیاف شیشه GFRP
• الیاف چاپد FRP –بتن الیافی
• الیاف آرامید AFRP

هرکدام از دسته الیاف کربن و شیشه خود به دو دسته تقسیم می شوند:

• الیاف کربن تک جهته
• الیاف کربن دو جهته
• الیاف شیشه تک جهته
• الیاف شیشه دو جهته

در هر جهتی که حجم الیاف بیشتر باشد مقاومت الیاف هم بیشتر خواهد بود. عموما الیاف تک جهته نسبت به الیاف دوجهته دارای مقاومت بیشتری در یک جهت خاص هستند و دلیل این امر هم وجود تراکم بیشتر الیاف در آن جهت میباشد.در هر جهتی که حجم الیاف بیشتر باشد مقاومت الیاف هم بیشتر خواهد بود. عموما الیاف تک جهته نسبت به الیاف دو جهته دارای مقاومت بیشتری در یک جهت خاص هستند و دلیل این امر هم وجود تراکم بیشتر الیاف در آن جهتمی باشد. هم چنین از الیاف FRP در تولید محصولات دیگر نیز استفاده می شود که از آن جمله ی آن های می توان به موارد زیراشاره کرد:

• لمینت FRP
• میلگرد های FRP
• اسپایک و انکر FRP

حال که به معرفی انواع کامپوزیت های FRP پرداختیم وبا این روش نوین مقاوم سازی ساختمان شنا شدیم در این مرحله قصد داریم ویژگی های مختلف هر یک را به طور خلاصه مرور کنیم سپس به کاربردآن ها در مقاوم سازی ساختمان می پردازیم.

الیاف کربن (فیبرکربن) CFRP

همان طور که از نامشان پیدا است ماده اصلی تشکیل دهنده آن ها کربن می باشد.این نوع از کامپوزیت های FRP از حرارت دادن مواد آلی که بخش عمده ی آن را کربن تشکیل می دهد به دست می آیند. الیاف کربن مشکی رنگ، غیر حلال در آب و بدون بوهستند که مقاومت کششی بسیار بالایی هم دارند. الیاف کربن که هم به صورت تک جهته و هم به صورت دو جهته موجود می باشند در مقاوم سازی و بهسازی ساختمانها کاربردهای بسیار زیاد و فراوانی دارند. مهم ترین مزیت الیاف کربن مقاومت کششی بسیار بالای این الیاف است. علاوه بر مقاومت کششی بالا، الیاف کربن یا همان CFRP ها ضریب انبساط حرارتی بسیار پایینی دارند که باعث می شود با تغییر در جه حرارت محیط کم ترین میزان تغییر شکل را داشته باشند.

الیاف شیشه GFRP

همان طور که از نام این دسته از الیاف هم مشخص است ماده اصلی تشکیل دهنده آن شیشه است. الیاف شیشه یا همان GFRP ها پر مصرف ترین دسته از الیاف FRP برای مقاوم سازی ساختمان هستند. علت این امرهم قیمت پایین تر این الیاف نسبت به سایر الیاف های FRP می باشد. مزایای الیاف شیشه GFRP

• وزن کم
• مقاومت کششی بالا
• قیمت کمتر نسبت به سایر الیاف
• ضریب انبساط حرارتی کم
• و…

معایب الیاف شیشه GFRP

• مقاومت کششی کم تر نسبت به الیاف کربن CFRP
• شکننده و ترد بودن

الیاف چاپد FRP – بتن الیافی

همان طور که از نام این دسته از الیاف پیداست الیاف چاپد، الیاف قطعه قطعه شده و ریزی هستند که دارای انواع مختلف الیاف چاپد کربن، الیاف چاپد فولادی،الیاف چاپد شیشه و الیاف چاپد پلی پروپیلن (PP) هستند. کاربرد اصلی این نوع از الیاف در تولید بتن الیافی است. بتن الیافی بتنی است که در آن علاوه بر مصالح اصلی ساخت بتن مانند مصالح سنگی ریز دانه و درشت دانه، سیمان، آب و … دارای الیاف و قطعات ریزی است که به طورتقریبا یکسان در کل حجم بتن پراکنده شده است. بنا بر تعریف مبحث 9 مقررات ملی ساختمان الیاف در بتن الیافی نقش کنترل ترک ها را دارد که بر مبنای آن مقاومت در برابر ضربه، مقاومت کششی، خمشی و برشی و خستگی ظرفیت جذب انرژی در بتن را افزایش می دهد. تاثیر گذاری الیاف در بتن الیافی بستگی به نوع و مقدار الیاف استفاده شده، شکل، مقاومت کششی و … دارد.

الیاف آرامید AFRP

الیاف آرامید حدود 50 سالی است که معرفی شده اند. این دسته از الیاف آلی متشکل از کربن، هیدروژن، اکسیژن ونیتروژن هستند. از ویژگی های بارز این دسته از الیاف مقاومت کششی بالای این الیاف می باشند. یکی از مهم ترین و معروف ترین محصولات الیاف آرامید AFRP جلیقه ضد گلوله می باشد. الیاف آرامید دارای دو دسته بندی راست زنجیر یا کولار و خمیده هستند. از دیگر ویژگی های بارز این دسته ازالیاف می توان به وزن کم و مقاومت بالا در برابر حرارت اشاره کرد.

لمینیت FRP

از به هم پیوستن و قرار دادن چند لایه الیاف بر روی همدیگر و چسباندن آن ها به هم با استفاده از رزین اپوکسی و فشردن آن ها به هم دیگر ورقه های نازکی موسوم به لمینیتFRP تشکیل می شود که ضخامت آن ها در حدود چند میلی متر می باشد. این دسته از کامپوزیت های FRP دارای مقاومت بالایی بوده که هم به صورت دو جهته و تک جهته عمل می کنند. بارز ترین و مهم ترین کاربرد لمینت FRP درمقاوم سازی و افزایش مقاومت و ظرفیت باربری در ساختمان ها و سازه های بتنی خصوصا بتنی پیش تنیده و بتنی پیش ساخته و مقاوم سازی لوله ها، مخازن و کالورت ها می باشد. جنس لمینیت های FRP بسته به نوع کاربرد آن می تواند به صورت صفحات کربن، شیشه و آرامید باشد که نوع کربنی آنبه دلیل مقاومت کششی زیاد آن دارای کاربرد بیشتری است. لمینیت های FRP به وسیله ی رزین اپوکسی به سطوح مورد نظر چسبیده می شوند.

میلگرد های FRP

یکی از مهم ترین مشکلات به کارگیری میلگردهای فولادی در ساختمان های بتنی خوردگی این میلگرد ها می باشند. ازآن جایی که بتن مقاومت کششی بسیار ضعیفی دارد و فولادها وظیفه تحمل و مقاومت در برابر نیروهای کششی اعضا رادارند، در صورت خوردگی میلگردها مقاومت کششی اعضا و المان های بتنی تقریبا از بین می رود و با کوچک ترین نیروی کششی و یا لنگر خمشی مقطع دچار ترک خوردگی و در نهایت گسیختگی می شود. یکی دیگر از محصولات کامپوزیت FRP میلگردهای FRP می باشند که در مقایسه با میلگردهای فولادی معمولی دارای مقاومت کششی بالاتر، مدول الاستیسیته و هم چنین قیمت کمتری هستند. منحنی تنش-کرنش این دسته از کامپوزیت هایFRP خطی بوده و شکست آن ها ترد خواهد بود. یکی از نقاط ضعف میلگردهای FRP کارخانه ای بودن قطع و خم آن هااست که باعث سختی کار در کارگاه می شود. میلگرد های FRP مشابه سایر محصولات کامپوزیت FRP برحسب نوع ماده تشکیل دهنده به سه دسته زیر تقسیم بندی میشوند:

• میلگرد FRP کربن
• میلگرد FRP شیشه
• میلگرد FRP آرامید

علاوه بر مقاوم سازی ساختمان های موجود از میلگرد های FRP برای ساختن ساختمان های جدید هم می توان استفاده کرد. این مصالح با خواصی که دارند باعث کاهش قطر و تراکم میلگرد در مقاطع می شوند. هدایت الکتریکی در سازه می تواند یک خطر به حساب آید. قابلیت رسانایی الکتریکی در مصالح فلزی مسئله خطرناکی بوده و می تواند باعث آسیب شود. در مقابل مصالح فلزی، مواد کامپوزیت FRP از لحاظ الکتریکی غیرهادی هستند که این امر آن ها را بهگزینه مناسبی برای سازه های در معرض میدان الکتریکی می سازد.

اسپایک و انکر FRP

تحقیقات زیادی نشان می دهد که مقاوم سازی اعضای بتنی با استفاده از ورق ها و تسمه های الیاف شیشه و یا کربنبه صورت دورپیچ خارجی بر روی سطح بتن برای بهبود درظرفیت برشی، خمشی، پیچشی عضو بتنی مناسب است. این مقاله ها نشان می دهد که که عضو مقاوم شده با FRP در مقایسه با عضو بدون تقویت، ظرفیت باربری بسیار بیشتری دارد. با این حال، به علت بالا بودن برش سطح و تنش در سطح مشترک بتن و الیاف FRP، حالت های مختلف خرابی ناشی ازجدایش مانند جدایش انتهای ورق، جدایی پوشش بتن، در پروژه های بهسازی و مقاوم سازی ساختمان های بتنی گزارششده است. با استفاده از مواد پلیمری FRP می توان مقاومت خمشی، برشی و محوری المان های مختلفی مثل تیر ها، ستون ها ودال ها را تقویت و بهسازی نمود. مقدار این تقویت به پارامتر جدایش از سطح که در کرنش های پایین تری از حدنهایی کرنش الیاف اتفاق می افتد، بستگی دارد. جدایش از سطح نشان می دهد که آماده سازی سطح یک عامل بسیار مهم بوده که بر روی حالت خرابی و استحکام کلی FRP تاثیر می گذارد. این نوع از شکست بیشتر به علت درگیری در بستررخ می دهد. روش های مختلفی برای به تاخیر انداختن جدایش از سطح FRP ها مورد ارزیابی قرار گرفته است که نشان داده استفادهاز انکر های یک طرفه و دو طرفه به دلیل انتقال برش به الیاف باعث می شود عملکرد سطوح و FRP ها بهبود یابد وپیوند میان آن ها مستحکم تر شود. رفتار لغزشی صفحات FRP به طور قابل ملاحضه ای تحت تاثیر شکل و تعداد انکرهای FRP می باشد. تحقیقات و آزمایش های مختلفی نشان داده است که انکر های با راستای طولی، باعث ایجاد حداکثر کرنش بیشتری را نسبت به انکر ها در راستا عرضی می شود. انکر ها انواع مخلفی دارند که از میان آن ها انکر های کربن و انکر های شیشه کاربرد بیشتری نسبت به سایر انکرها دارد. روش نصب انکر طراحی و محاسبات مربوط به استفاده از انکرها به وسیله های مهندسین و با توجه به آیین نامه ها صورت می گیرد. برای اجرا انکر ها ابتدا در محل های مورد نظر سوراخ هایی با قطری حدودا برابر با قطر انکر ایجاد می کنند واین سوراخ ها را عموما به وسیله باد تمیز می کنند تا سطح آن عاری از هرگونه مواد و گرد خاک باشد. سپس با استفاده از رزین یا انواع دیگر چسب ها اتصال انکرها به ورق های FRP و سطوح مورد نظر صورت می گیرد. ویژگی های Spike و انکر کربن:

• وزن سبک
• مقاوم در برابر نیروی الکتریسیته
• دوره بهره برداری طولانی مدت
• نصب و اجرای آسان
• مقاومت مکانیکی و شیمیایی بالا
• مقاومت مناسب در دمای بالا و پایین
• دارای ویژگی خود عمل آوری
• دوام عالی