مقاوم سازی سازه های بتنی

 
 
مقاوم سازی سازه

امروزه به دلیل سهولت در اجراء و هزینه نسبتاً کمتر اجراء سازه های بتنی نسبت به سازه های فلزی و نیز عدم نیاز به تأمین هزینه مالی سنگین اولیه به هنگام شروع کار اکثر کارفرمایان و سازندگان ساختمان ترجیح می دهند که پروژه های ساختمانی ( مقاوم سازی ساختمان ) و عمرانی خویش را به صورت بتن آرمه اجراء نموده و کندی در پیشرفت اینگونه پروژه ها را نسبت به بهاء بالای اجراء سازه های فولادی در نظر نگیرند. در ادامه در مورد کاربرد مقاوم سازی سازه توضیحاتی داده شده است ، با ما همراه باشید .

 

مقاوم سازی سازه های بتنی :

 

مقاوم سازی سازه | مقاوم سازی ساختمان | یکی از معایب اجراء سازه های بتنی صرف نیروی کار جهت تهیه بتن در کارگاه و عدم ساخت قطعات در کارخانه و جلوگیری از نیروی انسانی در فرآیند ساخت قطعات می باشد. بطور مثال در پروژه های فولادی قسمت اعظم فرآیند ساخت اسکلت در کارخانه توسط دستگاه صورت گرفته و فقط مراحل مونتاژ و نصب نهایی قطعات در کارگاه توسط نیروی انسانی صورت می گیرد که مرحله مونتاژ می تواند جوشکاری و یا بتن پیچ و مهره اتصالات باشد.

وجود اشتباهات در هنگام طراحی و اجراء ، از بین رفتن تمام یا بخشی از سازه بدلیل فرسودگی میلگردهای فلزی و اعمال تغییرات در کاربری ساختمان از علل اساسی نیاز به مقاوم سازی سازه های بتنی است .
در برخی نقاط کیفیت ساخت بدلایل مختلفی پایین است که سبب بروز شرایط نامطلوب در سازه و لزوم اجرای مقاوم سازی سازه های بتنی در آن می شود .

 

سازه های بتنی :

 

اما در سازه های بتنی غیر از مرحله تولید میلگردهای مورد نیاز در بتن که در کارخانجات ذوب آهن ساخته می شوند دیگر مراحل ساخت المان های سازه ای مانند فونداسیون ، تیرها ، ستون ها و دیوارهای برشی همگی توسط نیروی انسانی و عوامل موجود در کارگاه اجراء می گردد. در نتیجه امکان ایجاد خطا در کار، پایین بودن کیفیت اجراء و عدم ساخت بتن مناسب و عمل آوری و کیورینگ آن می تواند مشکلات و مسائل متعددی را در سازه ایجاد کرد و باعث روی آوردن عوامل اجرایی کارفرما به مقاوم سازی سازه های بتنی گردد.

مقاوم سازی | مقاوم سازی سازه بتنی |بنابراین مقاوم سازی سازه های بتنی بدلیل وجود عوامل انسانی در فرآیند ساخت به مراتب بیشتر از مقاوم سازی سازه های فولادی می باشد. مقاوم سازی سازه های بتنی می تواند شامل یک یا چند بخش ازسازه گردد و متناسب با اینکه ضعف در سازه در چه قسمت هایی می باشد می توان نسبت به تصمیم گیری در خصوص روش مقاوم سازی بتنی اقدام نمود.

 

مقاوم سازی سازه

 

مطالعات اولیه آسیب پذیری سازه :

 

ذکر این نکته ضروری است که بحث مقاوم سازی ساختمان با بهسازی لرزه ای سازه کاملاً ۲ مقوله جدا می باشد.

در مقاوم سازی ساختمان یک بخش یا المان از سازه و یا کل سازه بدلیل اشتباه در اجراء یا طراحی و یا عدم بکارگیری مصالح و نیروی انسانی ماهر دچار اشکال گردیده و عضو مربوطه دارای نقص بوده و قادر به تحمل نیروهای وارده از سازه به خود را نداشته و عملکردی ناقص از خود نشان می دهد. لذا جهت رفع معضل پیش آمده می بایست آن عضو یا المان مورد نظر مقاوم سازی و تقویت گردیده تا بتواند در فرآیند کنش و اندر کنش نیروی وارده داخلی نقش مناسبی را ایفاء نماید.

اما در بهسازی سازه و بهسازی لرزه ای سازه ، ساختمان اجراء شده دارای هیچگونه ایراد و اشکالی نبوده و در زمان اجراء کلیه مصالح و مواد مصرفی توسط نیروی کاری ماهر بصورت کامل اجراء گردیده است. اما بعد از گذشت مدت زمانی از بهره برداری پروژه و استفاده کارفرما از ابنیه مذکور بدلیل تغییر وتکمیل آئین نامه های طراحی سازه خصوصاً در خصوص بارهای لرزه ای وارده بر سازه احساس می گردد ، سازه مورد نظر نتواند در برابر بارهای جانبی زلزله مقاومت نموده و نیازمند تقویت و مقاوم سازی خاصی در این خصوص می باشد.

لذا با فرض صحیح بودن محاسبات سازه مذکور در زمان طراحی و نیز فرض صحت اجراء و عملکرد صحیح سازه در برابر نیروهای وارده بر آن با بهره گیری از آئین نامه های طرح بهسازی لرزه ای سازه و در نظر گرفتن کلیه ظرفیت های مرتبط با اعضاء سازه و کمک از المان های شکل پذیر نسبت به ارائه طرح مقاوم سازی وتقویت سازه اقدام می گردد. بنابراین بهسازی و آسیب پذیری لرزه ای سازه تفاوت عمده ای با مقاوم سازی سازه داشته و هر یک در جای مناسبی کارایی خواهد داشت.

 

مقاوم سازی با FRP در سازه های بتنی :

 

یکی از روش های مقاوم سازی استفاده از مقاوم سازی با FRP در سازه های بتنی می باشد. این روش به لحاظ اقتصادی با روش های سنتی مقاوم سازی ساختمان قابل رقابت بوده و همچنین دارای قابلیت اجرای سریع و آسان می باشد.
مقاوم سازی با الیاف پلیمری نسبت به روش های سنتی تداخل کمتری در کاربری ساختمان در حین اجرا ایجاد می کند. در مواردی که استفاده از ماشین آلات سنگین و یا توقف کاربری ساختمان در هنگام اجرا امکان پذیر نیست استفاده از الیاف پلیمری (FRP) تنها روش مقاوم سازی می باشد.
از دیگر مزایای مقاوم سازی با FRP در سازه های بتنی نسبت بالای مقاومت به وزن و سختی به وزن می باشد. مقاوم سازی با FRP در قسمت های متنوعی از سازه انجام می شود.

 

مقاوم سازی با تعمیر سطوح :

 

مقاوم سازی با تعمیر سطوح از روش های متداول مقاوم سازی میباشد. تکنیک های متفاوتی برای تعمیر سطوح وجود دارد که مهمترین آن ها ملات با تور سیمی ‌و بتن پاشی است. این روش ها به طور طبیعی با پوشش خارجی سطوح بر روی ظاهر معماری و تاریخی بنا تأثیر گذار بوده و از جمله نقاط ضعف این نوع مقاوم سازی می باشد.

ساده ترین روش مقاوم سازی ساختمان‌های بنایی غیر مسلح به وسیله FRP که توسط محققین بسیاری مورد بررسی قرار گرفته است پوشاندن تمام المان‌های دیوار توسط یک یا چند لایه از مواد FRP می‌باشد. مطالعات نشان داده است که این روش می‌تواند بر روی یک و یا ثر دو سطح دیوار بدون هیج گونه تأثیر خارج از صفحه انجام گیرد.

همچنین این امکان وجود دارد تا با استفاده از نوارهای FRP در الگوی X شکل به تاثیرات مشابهی دست یافت. هر دو این سیستم‌ها ماقومت و سختی داخل صفحه را بالا می‌برند و همچنین رفتار خارج از صفحه را بهبود می‌بخشند. ورق‌های FRP که بوسیله یک پوشش اپوکسی به دیوار متصل می‌شوند، مواد بنایی را به یکدیگر متصل می‌نمایند و به پخش تدریجی ترک کمک می‌نمایند.

در یک سازه ساختمان‌های بنایی غیر مسلح عادی، اتلاف انرژی از طریق تکان و لغزش در طول ترک‌های اولیه انجام می‌گیرد. پوشش FRP از این رفتار جلوگیری می‌کند و رها شدن اتصالات FRP مهمترین وسیله این اتلاف انرژی می‌باشد. این رفتار می‌تواند منجر به گسیختگی شکننده تر از حالت عادی شود.

 

مهمترین مزایای مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP نسبت به سایر روشهای مقاوم سازی به شرح زیر هستند :

 

  1. مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP بسیار سریعتر از سایر روش های مقاوم سازی می باشد.
  2. مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP نیاز به تخریب بخش هایی از سازه در مقایسه با سایر روش های مقاوم سازی ندارد.
  3. پس از اجرای مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP ، نیاز به بازسازی بخش هایی از سازه در مقایسه با سایر روش های مقاوم سازی ندارد.
  4. مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP در بیشتر موارد ارزانتر از سایر روش های مقاوم سازی است.
  5. مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP به مرور زمان دچار خوردگی نمی شود. ( در مقایسه با بعضی روش های مقاوم سازی سنتی مانند ژاکت فولادی)
  6. مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP در مجاورت مصالح ساختمانی (مانند گچ و خاک) دچار خوردگی نمی شود ( در مقایسه با برخی روش های مقاوم سازی سنتی مانند ژاکت فولادی ) .
  7. مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP مبتنی بر فن آوری های نوین است ( در مقایسه با سایر روش های مقاوم سازی سنتی ) و بنابراین روش های مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP هرروز در حال تکامل و پیشرفت می باشد .
  8. مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP دارای کد ها و آیین نامه های خاص برای مقاوم سازی با FRP می باشد در حالی که بیشتر روش های مقاوم سازی سنتی مبتنی آیین نامه های عمومی هستند ( مانند مقاوم سازی به روش ژاکت بتنی و مقاوم سازی به روش ژاکت فولادی ).
  9. برای کنترل کیفیت مقاوم سازی سازه های بتنی با استفاده از FRP روش های مشخصی مانند تست Pull Off وجود دارد که برای اطمینان از عملکرد صحیح سیستم مقاوم سازی با FRP باید پس از اجرای عملیات مقاوم سازی با FRP انجام شود.
  10. اجرای عملیات مقاوم سازی با FRPنیاز به تجهیزات خاصی در مقایسه با سایر روش های مقاوم سازی ندارد.
  11. اجرای عملیات مقاوم سازی با FRPنیاز به افراد مختلف با مهارت های متعدد در مقایسه با سایر روش های مقاوم سازی ندارد.
  12. مقاومت کششی بالای الیاف FRP

  13. ضخامت کم لایه های FRP (در حد میلی‌متر)، باعث می‌گردد تا استفاده از آن ها در مقاوم سازی سازه، اضافه فضا نداشته باشد.

  14. وزن مصالح FRP بسیار ناچیز است که یکی از اهداف تقویت و مقاوم سازی سازه می باشد.

  15. بی سویی الکترومغناطیسی مصالح FRP ، که می تواند در سازه های خاص مورد استفاده برای تصویربرداری مغناطیسی مهم باشد.

 

جداسازی لرزه ای چیست؟

 

جداسازی لرزه ای یکی از روش های کنترل ارتعاشات لرزه ای با جدا سازی سازه از زمین در ساختمان ها و پل ها می باشد. در این روش بر خلاف روش های مرسوم در مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای، که موجب افزایش سازه میشود، تمرکز بر روی کاهش پاسخ لرزه ای، و نیرو و شتاب ورودی زلزله به سازه است.

به عبارتی اصل جداسازی لرزه ای بر ایجاد انعطاف پذیری در پایه ساختمان در صفحه افقی مبتنی است و در عین حال از اجزای میراکننده برای محدود کردن دامنه حرکت ناشی از زلزله استفاده میکند. برپایی ساختمان ها بر روی یک سیستم جداساز لرزه ای باعث جلوگیری از انتقال قسمت زیادی از حرکت افقی زمین به ساختمان می شود( اثر زلزله را تا ۸۰ درصد کاهش میدهد ) که این عمل منجر به کاهش شدید شتاب های طبقات و تغییرمکان های بین طبقه ای ( دریفت Drift ) می شود. این روش مستلزم نصب جداسازها در یکی از طبقات ساختمان ( ترجیحاً تراز پی ) می باشد. پس از نصب جداساز لرزه ای تغییر شکل جانبی در آن متمرکز شده و تغییر شکل نسبی طبقات بالای آن به شدت کاهش می یابد.

 

مزایا و معایب سیستم جداسازی لرزه‌ایی

 

مزیت اصلی سیستم‌های جداساز لرزه‌ای، افزایش زمان تناوب اصلی سازه به منظور انتقال آن از زمان تناوب سازه با پایه گیردار و زمان تناوب غالب زلزله به زمان تناوب بالاتر می‌باشد. از دیگر مزیت های جداسازی لرزه‌ای استهلاک انرژی ورودی به سازه می‌باشد که منجر به کاهش شتاب منتقل شده به سازه فوقانی می‌گردد.

از دیگر مزایای این سیستم می‌توان به حذف و یا کاهش صدمات سازه‌ای و غیر سازه‌ای اشاره کرد. همچنین سطح آرامش ساکنان ساختمان در حین زلزله در صورت استفاده از این روش ارتقا می‌یابد.

از معایب اصلی جداسازی لرزه‌ایی می‌توان به محدودیت آن به سازه‌های کوتاه مرتبه و میان مرتبه اشاره کرد (در سازه‌های بلندمرتبه اجرای آن توصیه نمی‌شود). این سیستم‌ها بسیار هزینه بر هستند که البته در صورت تولید انبوه می‌تواند توجیه اقتصادی داشته باشد.

 

هدف استفاده از جداسازی لرزه‌ای

 

تعبیه و نصب جداگرهای لرزه‌ای در محل اتصال سازه به پی ، به عنوان مانعی برای انتقال نیروی زلزله و انرژی حاصل از آن به سازه مطرح می‌شود. در واقع هدف اصلی در جداسازی، جلوگیری از انتقال مستقیم نیروی زلزله از پی به سازه است.

در این روش، کل یا بخشی از سازه برای کاهش پاسخ لرزه‌ای آن بخش در زمان زلزله از زمین یا قسمت‌های دیگر سازه جدا می‌شود. این کار با استفاده از جداسازهایی که بر اساس مشخصات دینامیکی سازه، اهداف عملکردی مورد نظر طراح و شرایط خطر لرزه‌ای ساختگاه، طراحی و ساخته شده‌اند ، صورت می‌گیرد.

وظیفه‌ی اصلی این جداسازها ایجاد فاصله بین دوره تناوب طبیعی سازه و محدوده‌ی دوره‌ی تناوب حاکم در ارتعاش زمین‌لرزه احتمالی در محل سازه مورد نظر است. علاوه بر این، انرژی ارتعاشی ناشی از زلزله نیز با کمک سازه و کارهای مختلفی جذب شده و از انتقال آن به سازه جلوگیری می‌گردد.

 

از آنجا که در این روش نیروی زلزله به سازه وارد نمی‌شود و یا سهم اندکی از آن به سازه منتقل می‌گردد، نتایج زیر را می‌توان  انتظار داشت:

 

    • تغییر مکان نسبی طبقات کاهش یابد؛
    • کاهش قابل ملاحظه‌ای در شتاب طبقات به وجود آید؛
    • خسارت سازه‌ای و نیز خسارت غیر سازه‌ای به طور محسوسی کاهش یابد؛
    • از مشکلات معماری در ساختمان‌ها کاسته شود؛
    • هزینه اجرای سازه‌ها به دلیل استفاده از مقاطع با ظرفیت کمتر، کاهش یابد.
    • </ul >

 

کاربرد ورق یا کامپوزیت FRP در روش های مقاوم سازی سازه بتنی

 

امروزه نگهداری از سازه‌ها به دلیل هزینه ساخت و تعمیر بسیار حائز اهمیت می‌باشد. با مطالعه رفتار سازه‌های بتنی مشخص می‌شود عوامل متعددی مانند: اشتباهات طراحی و محاسبه، عدم اجرای مناسب تغییر کاربری سازه‌ها، آسیب‌دیدگی ناشی از وارد شدن بارهای تصادفی، خوردگی بتن و فولاد و شرایط محیطی از دوام آن‌ها می‌کاهد.

ضمناً تغییر آیین‌نامه‌های ساختمانی (که باعث تغییر در بارگذاری و ضرایب اطمینان می‌شود) نیز سبب ارزیابی و بازنگری مجدد طرح و سازه می‌گردد تا در صورت لزوم بهسازی و تقویت شود. سیستم های الیاف مسلح شده پلیمری FRP برای تقویت سازه‌های بتنی پدیدار شده و به عنوان یک جانشین برای روش‌های سنتی از قبیل چسباندن صفحات فولادی، افزایش سطح مقطع با بتن‌ریزی مجدد و پیش تنیدگی خارجی می‌باشد.

با توجه به معایب این روش‌ها مانند بازدهی کم و یا نیاز به امکانات و فن‌آوری خاص، امروزه روش‌های مقاوم سازی ساختمان با استفاده از کامپوزیت توسعه روزافزون پیدا کرده است. محدودیت استفاده و کاربرد کامپوزیت در مهندسی ساختمان به قیمت بالای آن‌ها برمی‌گردد. البته هزینه و قیمت آن‌ها به‌تدریج رو به کاهش می‌باشد و به‌این‌ترتیب استفاده از آن‌ها بیشتر و بیشتر خواهد شد. استفاده از FRP در زمینه مقاوم سازی ، هر چند که هزینه بالایی در بردارد، اما با توجه به هزینه اجرای کم و نیز سایر مزایای FRP، در کل به‌صرفه‌ترین و مؤثرترین راه مقاوم سازی سازه‌های بتنی امروزه به شمار می‌رود.

استفاده از کامپوزیت های با زمینه پلیمری FRP در مقاوم سازی و بهسازی سازه ها و به طور کلی مقاوم سازی با FRP در طراحی سازه های بتن آرمه طی سالیان اخیر از رشد قابل توجهی برخوردار بوده است که دلیل اصلی آن نیاز به افزایش عمر بهره برداری و ارتقای اساسی زیرساخت ها در تمامی نقاط دنیا می باشد. از ویژگی های اصلی کامپوزیت های پلیمری می توان مقاومت مناسب در برابر خوردگی، سادگی اجرا در محل نصب و سبکی آن ها را برشمرد .

عامل دیگر در گسترش کاربری مصالح FRP کاهش قیمت این مصالح می باشد. شاید یک دهه قبل استفاده از کامپوزیت های FRP روشی لوکس و گران قیمت به نظر می‌رسید ولی اکنون قیمت این مصالح به مراتب تنزل نموده است و مقاوم سازی با FRP علاوه بر همه ی فوایدی که دارد اقتصاد پروژه را نیز بهینه می کند.

در گذشته ای نه چندان دور مدارک فنی بسیار محدودی در این رابطه وجود داشت ، لیکن امروزه تعداد قابل توجهی از مقالات علمی نشریات و کنفرانس های مربوط به بحث کاربرد این مصالح در مقاوم سازی اختصاص دارد .

این رشد فزاینده شاهد رویکرد و اهمیت این فناوری نو می باشد که به دنبال گسترش نیاز و توجه به تقویت با استفاده از مصالح کامپوزیت و به منظور کاربردی نمودن دانش فنی، روش های طراحی نیز تدوین گردیدند تا در بخش حرفه مورد استفاده قرار گیرند. تبیین روش های تحلیل و در نظر گرفتن ضرایب ایمنی در طراحی با ملاحظات اقتصادی منجر به تدوین دستورالعمل ها و آیین نامه های محاسباتی و اجرایی شدند که از آن جمله می توان به آیین نامه های ISIS کانادا، FIB اروپا و ACI 440 R ایالات متحده اشاره نمود.

 

ترمیم و تقویت سازه های بتنی

 

گزارش اولیه تحقیقات انجام شده در تابستان سال ۲۰۰۰ میلادی در آزمایشگاه سازه دیویس هال دانشگاه برکلی کالیفرنیا نشان می دهد، ظرفیت دیوارهای برشی فولادی برای مقابله با خطراتی مانند زلزله، طوفان و انفجار در مقایسه با دیگر سیستم ها مثل قابهای ممان گیر ویژه حداقل ۲۵% بیشتر می باشد. در آزمایشگاه های تحقیقاتی استفاده گردیده است که ظرفیت آن حدوداً ۶۶۷۰KN می باشد.


یکی از کاربردهای این پانل ها در تقویت سازه های بتنی در ساختمان مرکز درمانی در چارلستون می باشد این سازه در اثر زلزله ۱۹۶۳ آسیب دیده بود این ساختمان متشکل از ساختمان های متعددی از یک تا پنج طبقه می باشد که زیر بنای آنها نزدیک به ۳۲۵۰۰ متر مربع است . برای تقویت این سازه از بهترین تیم طراحی وتحقیقاتی استفاده گردید.


معرفی سیستم دیوار برشی فولادی برای ترمیم و تقویت سازه های بتنی ساخته شده سال ۱۹۹۵ زلزله در Hugoken-Nanbu4 که زلزله مهیبی بود، باعث کشته و مجروح شدن انسانهای زیادی شد. ساختمان های بسیاری آسیب جدی دیدند و ساختمان هایی که قبل از سال ۱۹۸۱ و مخصوصاً قبل از ۱۹۷۱ ساخته شده بودند، خسارت شدیدی را متحمل گردیدند و حتی برخی از آن ها فرو ریختند.
این امر نشانگر این است که آیین نامه و مقررات قدیمی برای طراحی ساختمان به نحو مناسبی نیروهای زلزله و شکل پذیری سازه ای را در نظر نگرفته اند .

 

تقویت سازه های بتنی با ژاکت فولادی (فلزی)

 

تکنیک مقاوم سازی با ژاکت فولادی یا ورقه های فلزی از روش های متداول تقویت سازه ی بتنی است . در این روش میلگردها یا ورقه های فلزی از بیرون به عضو بتنی مورد نظر متصل می شوند . در مقاوم سازی با ژاکت فولادی علی رغم افزایش مقاومت سازه و بالا بردن ظرفیت بار بردی آن معایبی نظیر : وزن بالای اجزای فولادی ، دسترسی سخت به اعضا و مشکل اتصال بین فولاد و بتن بدلیل احتمال خوردگی فولاد می باشد .
عموما وزن و ابعاد بالای فولاد در این روش از مقاوم سازی سازه ی بتنی سبب بروز مشکل و پیچیدگی در ساخت و حمل این اجزاء می شود .

 

تقویت سازه های بتنی با ژاکت بتنی

 

مقاوم سازی با ژاکت بتنی یکی دیگر از روش های قدیمی تقویت سازه های بتنی است . ژاکت بتنی از طریق افزایش میزان شکل پذیری و سختی اجزای سازه ، مقاومت کلی ساختمان را افزایش می دهد .
حین اجرای این روش ساختمان قابل بهره برداری نمی باشد . بکار بردن بتن آرمه در مقاوم سازی سازه های بتنی علاوه بر افزایش سختی موجب افزایش ابعاد سازه ی بتنی مورد نظر نیز می شود که همین امر مقدار بار مرده ی وارد بر سازه را بیشتر می کند و این پدیده از معایب این روش است .

 

تقویت سازه های بتنی با دیوار برشی

 

مقاوم سازی سازه های بتنی با دیوار برشی از تکنیک های متداول و اقتصادی است . هزینه ی ساخت پایین ، نصب سریع و قدرت جذب بالای انرژی سبب استفاده از این روش شده است .
دیوار برشی از طریق افزایش شکل پذیری ، اعضای بتنی را تقویت می کند و از بروز خسارت شدید در زلزله جلوگیری می کند . باید توجه داشت که اجرای دیوار برشی و مقاوم سازی با دیوار برشی مستلزم آماده سازی فونداسیون جهت تحمل نیروی وارد بر آن است .