مقاوم سازی ستون بتنی

ستون ها اعضايي هستند كه تحت نيروي محوري با و يا بدون نيروي برشي و لنگر خمشي قرار دارند. در قاب خمشي، ستون ها علاوه بر انتقال بارهاي ثقلي به فونداسيون ، بايد تلاش های ناشی از بارهاي جانبي ناشي از زلزله را نيز تحمل نمايند. رعايت اصل ستون قوي- تير ضعيف از اصول طراحي است و در طراحي همواره سعي بر آن است كه تشكيل مفصل خميري به تيرها و يا بادبندها منتقل گردد تا فلسفه ستون قوي، تير ضعيف رعايت گردد. مقاوم سازی ستون بتنی مطابق آیین نامه‌های طراحی باید از حداقل بعد عرضی کافی برخوردار باشند. زمانی که ستونهای بتنی دارای نسبت طول به عرض زیاد می‌باشند تحت خمش‌های دو محوره دچار خرابی می‌گردند. تقویت ستون بتنی به منظور افزایش مقاومت محوری، خمشی و برشی و همچنین برای افزایش ظرفیت شکل‌پذیری ستون در نزدیکی محل اتصال به تیر و مقاوم نمودن محل وصله‌های ضعیف نیز صورت می‌پذیرد. در ستون هاي بتن مسلح خرابي هاي ناشي از زلزله مربوط به شكست هاي ناشي از طول وصلi ناكافي، شكست هاي ناشي از برش، خمش و اندركنش برش و خمش، شكست ستون كوتاه و گسيختگي هاي ناشي از كمانش ميلگردهاي طولي مي باشد.

خرابی های ستون بتنی ناشی از موارد زیر است:

•  ایجاد ترک و خرد شدگی
•  خوردگی میلگردهای فولادی
• کمبود مقدار و موقعیت آرماتورهای موجود
• کمبود مقاومت فشاری درجای بتن
• طول وصله ناکافی
• کمانش میلگردهای طولی
• شکست های ناشی از برش
• شکست های ناشی از خمش و اندرکنش برش و خمش
• شکست ستون کوتاه

شکست تُرد و برشی ستون‌های بتنی به دلیل ماهیت ناگهانی آن بدترین نوع شکست می‌باشد. به همین دلیل همواره سعی بر آن است که مکانیسم کنترل کننده خرابی ستون بصورت خمشی باشد و ستون نباید به عنوان عضوی ضعیف در قاب سازه‌ای عمـل نماید. در شکل بالا نمونه‌ای از شکست برشی ستون دیده می‌شود. در مقاوم سازی ساختمان تلاش می شود تا حد امکان از این نوع گسختگی اجتناب نمود. از دیگر خرابی‌های ستون می‌توان به کمانش آرماتورهای طولی، عدم دورگیری مناسب و طول ناکافی وصله‌ها اشاره نمود که در اشکال الف، ب و پ به ترتیب نشان داده شده‌اند. خاموت‌هایی که دارای اعوجاج بوده و یا تحت زاویه 135 درجه و با طول مناسب خم نمی‌گردند، نمی‌توانند از کمانش میلگردهای طولی جلوگیری کرده و یا دورگیری مناسبی برای بتن ایجاد نمایند. این امر منجر به شکست ستون قبل از تشکیل مفصل پلاستیک در تیر می‌گردد. در ستون های بتنی به علت لغزش آرماتورهای طولی در محل وصله‌ها، مفصل پلاستیک در این نواحی ایجاد می‌گردد و طی چند سیکل ابتدایی خمش غیر الاستیک، ظرفیت باربری ستون به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.

انواع روش های مقاوم سازی ستون بتنی کدام است؟

در سالهای اخیر روشهای مختلفی جهت ترمیم و مقاوم سازی المان های ساختمانی نظیر ستون ها  و برای بهبود ظرفیت خمشی، برشی و شکل‌پذیری ستون ها توسط افزایش دورگیری جانبی ناحیه مفصل پلاستیک ارائه شده است که عملکرد مناسبی طی زلزله های مختلف داشته‌اند. این روش‌های تقویت ستون عبارتند از:

1. مقاوم سازی با ژاکت بتنی
2. مقاوم سازی با ژاکت فولادی
3. مقاوم سازی با FRP

در ادامه به توضیح هر یک از روش های فوق می پردازیم:

تقویت ستون بتنی استفاده از ژاکت بتنی

ژاکت بتنی شامل لایه‌ای از بتن، میلگردهای طولی و خاموتهای بسته می‌باشد. ژاکت بتنی مقاومت خمشی و برشی ستون را افزایش می‌دهد و افزایش شکل‌پذیری ستون در این حالت کاملاً مشهود است. روکش بتن آرمه در مواردی که میزان شدت آسیبهای وارده به ستون زیاد باشد و یا ستون از ظرفیت کافی در برابر نیروهای جانبی برخوردار نباشد، بکار گرفته می‌شود. ژاکت بتنی بسته به شرایط می‌تواند دور تا دور ستون و یا در یک وجه آن اجرا شود. مناسب بودن طرح ژاکت بتنی به پیوستگی آن با عضو بستگی دارد. اگر ضخامت ژاکت بتنی کم باشد، افزایش سختی درستون مقاوم سازی شده محسوس نمی‌باشد. ژاکت بتنی ستون باعث افزایش ابعاد ستون می‌گردد که علاوه بـر مسائل معماری، وزن ساختمان را نیز افزایش می‌دهد.

گاهی عملکرد مرکب بتن قدیم و روکش‌، صرفاً از طریق چسبندگی بین آنها (با توجه به زبر بودن سطح بتن قدیمی) تأمین می‌گردد که می‌توان برای ایجاد اتصال قوی‌تر بین قفس قدیم و جدید از آرماتور Ω  که به میلگردهای قدیمی و جدید جوش  شـده‌اند، استفاده نمود. البته درشرایطی که ابعاد ستون مقاوم سازی شده بزرگ باشد و دورگیری تمام میلگردهای جدید به صورت حداقل یک در میان امکان‌پذیر نباشد، استفاده از تنگ های متصل کننده بمنظور جلوگیری از کمانش میلگردهای طولی، ضروری خواهد بود.

در صورتی که ژاکت بتنی ستون تنها در قسمتی از ستون اجرا گردد، باید خاموتهای قدیم نمایان شده و خاموتهای جدید به آنها جوش شوند. اگر بنا به دلایلی افزایش ظرفیت برشی بدون افزایش ظرفیت خمشی مد نظر باشد، پوشش بکار گرفته شده می‌تواند به سقف و تیرها متصل نباشد و اگر افزایش ظرفیت خمشی ستون نیز مد نظر است پوشش بکار گرفته شده باید از سقف عبور نماید.

به هنگام استفاده از راهکار مقاوم سازی ژاکت بتنی، اگر افزایش ظرفیت خمشی ستون مدنظر باشد، آرماتورهای اضافه شده طولی باید در فونداسیون مهار شده و به صورت پیوسته از داخل سقف‌ها نیز عبور نمایند. نمونه‌ای از این امر در شکل  نشان داده شده است. میلگردهای طولی اضافی معمولاً در چهار گوشه ستون قرار می‌گیرند و به هنگام عبور از سقف نباید با تیرها برخورد نمایند. افزایش خاموتها در ژاکت بتنی ستون منجر به افزایش مقاومت برشی ستون می‌شود. خاموتها را به علت وجود ستون نمی‌توان با یک میلگرد منفرد اجرا نمود و برای اجرای آنها استفاده از حداقل دو میلگرد که به آرماتورهای طولی متصل شده باشند، ضروری است. خم خاموتها باید دارای طول کافی بوده و حداقل زاویه آنها 135 درجه باشد.

 

اجرای ژاکت بتنی چگونه است؟

اجرای ژاکت بتنی بهتر است با قالب و بتن خود تراکم اجرا گردد ولی اگر روکش بتنی ضخامت کمی داشته باشد، استفاده از روش بتن پاشی بهتر از بتن‌ریزی می‌باشد. در شکل اجرای روکش بتنی با قالب نشان داده شده است. در ایـن روش پس از بستن آرماتورها به دور ستون، قالب‌بندی و  بتن‌ریزی به صورت مرحله‌ای انجام می‌شود. ارتفاع قالب در هر مرحله باید طوری باشد که  بتن‌ریزی و تراکم آن امکان‌پذیر باشد.  بتن‌ریزی در قسمت فوقانی زیر سقف مشکل‌ترین قسمت است. در شکل اجرای روکش بتنی ستون با روش بتن پاشی نشان داده شده است. برای اجرای بتن شاتکریت مطـابق شـکل از کرمبندی استفاده می‌شود.

برای اطمینان از عمل مرکب بتن قدیم و جدید باید سطح بتن قدیم را با تیشه یا قلم مضرس نمود و یـا سطح آنها را با چسب های شیمیایی پوشاند. آزمایشات و تجارب گذشته نشان می‌دهد که زبر نمودن سطح بتن برای پیوستگی بتن قدیم و جدید کافی می‌باشد، ولی با کاشت میخچه(میلگرد) در فاصله 300 تا 500 میلیمتر عمل مرکب بین بتن قدیم و جدید بـه شکل کاملاً مشهودی افزایش می یابد.

اگر روكش بتني ستون را محصور نمايد ، انقباض بتن جديد منجر به ايجاد اصطكاك بين بتن قديم و جديد مي گردد و احتياجي به كاشت بولت نخواهد بود.

حداقل مشخصات فني براي روكش هاي بتنی بصورت زير ارائه شده است . لازم به ذكر است كليه ضوابط آيين نامه بتن ايران براي طرح و اجراي روكش بتني بايد اجرا گردد.

1- مقاومت مصالح جدید باید برابر و یا بیشتر از مقاومت مصالح موجود باشد، توصیه می گردد مقاومت فشاری بتن روکش حد اقل 5MPa بیشتر از بتن موجود است.

2- برای ستون هایی که به آزماتورهای اضافی احتیاج ندارند، استفاده از چهار آرماتور طولی با قطر 16 میلیمتر که با خاموت هایی به قطر 8 میلیمتر محصور شده اند ضروری است.

3- حداقل ضخامت روکش بتنی 100 میلیمتر می باشد.

4- حداقل قطر خاموت 8 میلیمتر و حداکثر آن 14 میلیمتر می باشد. زاویه خم انتهای خاموت ها 135 درجه می باشد.

5- فاصله محور به محور خاموت ها نباید از 200 میلیمتر تجاوز نماید، لیکن ترجیحا فاصله خاموت ها نباید از ضخامت روکش بیشتر شود. در فاصله 1/4 ارتفاع ستون از بر تکیه گاه، فاصله خاموت ها نباید از 100 میلیمتر بیشتر شود.

6-فاصله آماتورهای متوالی افقی ستون نباید از هیچ یک از مقادیر زیر بیشتر شود:

الف: 12 برابر قطر کوچکترین میلگرد طولی اعم از اینکه منفرد باشد یا عضوی از گروه میلگردهای در تماس بشمار آید.

ب: 48 برابر قطر میلگرد خاموت ها

پ: 250 میلیمتر

اگر مقاومت بتن روكش از مقاومت بتن موجود بيشتر باشد به هنگام تحليل مقاومت خمشي ستون مقاومسازي شده، مي توان مقطع ستون را برابر مقطع افزايش يافته و مصالح آن را همانند مصالح اوليه ستون در نظر گرفت. با فرضي محافظ كارانه، مي توان ظرفيت خمشي تسليم و نهايي ستون را تا 90% مقادير محاسبه شده در نظر گرفت. افزايش ظرفيت برشي را مي توان بر اساس مقدار خاموت هاي اضافه شده محاسبه نمود. براي محاسبه مقدار دورگيري نيز تنها خاموتهاي اضافه شده در نظر گرفته مي شود.

تقویت ستون بتنی استفاده از ژاکت فولادی

محصور نمودن ستون هاي بتني با پوشش فولادي (روكش فولادي) از ديگر روش هاي مقاوم سازی ستون های بتنی مي باشد. در اين روش، افزايش ناچيزي در ابعاد و وزن ستون بوجود مي آيد. موثر بودن اين روش منوط به سختي مناسب روكش در برابر تغيير شكل هاي جانبي بتن مي باشد. ورق هاي فولادي روكش در تمامي طول خود به هم جوش مي شوند و فضاي اندك بين روكش و ستون توسط ملات منبسط شونده پر می گردد براي بهبود عملكرد مجموعه مي توان از كاشت ميلگرد براي انتقال برش بين ورق و بتن استفاده نمود. استفاده از روكش فولادی می تواند به عنوان روشی موقت برای بهسازی ستون هایی كه پس از زلزله دچار آسيب شده اند نیز، بكار گرفته شود.

روكش فولادي مقاومت برشي و تا حدودي دورگيري ستون را افزايش مي دهد. نمونه هاي از روكش هاي فولادي كه استفاده از آن منجر به افزايش مقاومت برشي مي گردد. در صورت عدم پيوستگي بين روكش هاي فولادي ستون در طبقات مختلف، ظرفيت نيروي محوري ستون افزايش نمي يابد. تا زماني كه نتوان ورق هاي روكش فولادي را به فونداسيون متصل كرد و پيوستگي بين روكش فولادي طبقات مختلف را از ميان دال ايجاد نمود، مقاومت خمشي ستون افزايش نمي يابد. با بكارگيري جزئيات مناسب كه نمونه هاي اجرا شده ي از آن در شکل نشان داده شده است، مقاومت خمشی ستون ها افزایش می یابد.

ژاکت های فولادی مستطیلی و مربعی به تنهایی برای انجام عمل تقویت در ستون ها کاربرد عملی چندانی ندارند. تاثیر اصلی این نوع از ژاکت ها، افزایش مقاومت برشی در ستون است.یک ستون تقویت شده به منظور بهبود مقاومت برشی معمولا احتیاج به افزایش شکل پذیری خمشی دارد که در ژاکت های مستطیلی تنها در گوشه های مقطع فراهم می شود. علت این امر، مقاومت کم این نوع از ژاکت در برابر انبساط جانبی هسته بتنی است.

به جهت بهبود رفتار خمشی ژاکت های فولادی مستطیلی از سخت کننده در ارتفاع ستون استفاده می شود. با استفاده از سخت کننده ژاکت فولادی بیشتر محصور شده و از تورم آن جلوگیری می شود. مبنای طراحی ژاکت فولادی و سخت کننده ها بر اساس تامین ظرفیت شکل پذیری خمشی ستون است. هم چنین ضخامت سخت کننده ها نقش بسزایی در افزایش ظرفیت برشی ستون ها دارد به طوری که با افزایش ضخامت سخت کننده میزان ظرفیت برشی و سختی ستون افزایش پیدا می کند و در حالت کلی ضخامت سخت کننده ها به منظور اعمال محصور کنندگی بهتر از ضخامت ژاکت فولادی بیشتر باشد. فاکتور مهم دیگر طول سخت کنندگی می باشد که این طول باید کمی بیش از طول ناحیه مستعد تشکیل مفصل پلاستیک باشد تا بتواند از تورم ژاکت در این ناحیه جلوگیری کند. روكش فولادي را مي توان با نيمرخ هاي فولادي و تسمه هاي اتصال به شكل قفسه اجرا نمود . اين نوع روكش فولادي يكي از متداولترين و كاربردي ترين روشهاي اجرايي روکش هاي فولادي مي باشد.

تقویت ستون بتنی به روش مقاوم سازی الیاف  FRP

مقاوم سازی اعضای بتنی با مصالح کامپوزیت FRP روش نسبتا جدیدی به شمار می رود. مصالح FRP خواص فیزیکی مناسبی دارند که می توان به مقاومت کششی بالا و ضخامت و وزن کم آن ها اشاره نمود. در ستون ها بتنی استفاده از FRP ضمن افزایش ظرفیت برشی ستون، مد گسیختگی آن را از حالت برشی به خمشی تغییر داده و شکل پذیری را میزان قابل توجهی افزایش می دهد.

در روش مقاوم سازی با الیاف FRP براي محصور كردن عضو بتني، لازم است راستاي الياف کربن تک جهته  تا حد امكان عمود بر محور طولي عضو باشد . در اين وضعيت، الياف حلقوي مشابه تنگ هاي بسته يا خاموت هاي مارپيچي فولادي عمل مي كنند. در محاسبه مقاومت فشاري محوري عضو بايد از سهم الياف موازي با راستاي طولي آن صرفنظر گردد.

سوالات متداول

به چه دلیل ستون بتنی نیازمند مقاوم سازی می باشد؟

به دلایلی همچون: ایجاد ترک و خرد شدگی، خوردگی میلگردهای فولادی، خطاهای طراحی و اجرا ستون بتنی نیازمند مقاوم سازی

انواع روش های مقاوم سازی ستون بتنی کدام است؟

انواع روش های مقاوم سازی ستون بتنی عبارتد از: مقاوم سازی با ژاکت بتنی، مقاوم سازی با ژاکت فولادی و مقاوم سازی با FRP

تاثیر ژاکت بتنی بر مقاوم سازی ستون چگونه است؟

ژاکت بتنی مقاومت خمشی و برشی ستون را افزایش می‌دهد و افزایش شکل‌پذیری ستون در این حالت کاملاً مشهود است.

تاثیر استفاده از الیاف FRP بر مقاوم سازی ستون چگونه است؟

در ستون ها بتنی استفاده از FRP ضمن افزایش ظرفیت برشی ستون، مد گسیختگی آن را از حالت برشی به خمشی تغییر داده و شکل پذیری را میزان قابل توجهی افزایش می دهد.