اگر ساختمان های با اسکلت فلزی طراحی مناسب و اجرای دقیق داشته باشند، شکل پذیری و مقاومت آنها مطلوب خواهد بود. اما در صورت استفاده نکردن از نیروهای متخصص و فرضیات اشتباه، ساختمان های فولادی نقص ها و ایرادهایی خواهند داشت که به مقاوم سازی نیاز پیدا می کنن اغلب ساختمان های فولادی تحت بارهای لرزه ای به علت کمانش موضعی دچار آسیب می شوند و عملکرد مناسبی ندارند. همچنین، ممکن است مقاوم سازی اسکلت فلزی به علت خوردگی انجام شود. در ادامه راهکارهایی برای مقاوم سازی آورده شده است.

مقاوم سازی اسکلت فلزی

ضعف های ساختمان های دارای اسکلت فلزی در مقابل بارهای جانبی عبارتند از:

• کمانش مهاربند فولادی
• کمانش بادبند
• تشکیل طبقه نرم
• تخریب در اثر تشکیل طبقه نرم
• ضعف در جوش و صفحه اتصال
• گسیختگی اتصالات

با توجه به این ضعف ها، مقاوم سازی اسکلت فلزی در برابر نیروهای زلزله ضروری به نظر می رسد.

روش هایی پیشنهادی برای مقاوم سازی سازه های فولادی

مقاوم سازی اسکلت فلزی به روش های زیر قابل انجام است.

1- مقاوم سازی با کامپوزیت FRP

یکی از راه های مقاوم سازی اسکلت فلزی استفاده از کامپوزیت FRP است. تیرها در ساختمان های فولادی از اعضای خمشی محسوب می شوند. از آنجا که در زمان خمش بخشی از مقطع تحت فشار قرار می گیرد، خطر کمانش در این قسمت وجود دارد. دو نوع کمانش در این قسمت ممکن است اتفاق بیافتد. در نوع اول کمانش، بال یا جان مقطع جداگانه و به شکل موضعی کمانش می کند. در نوع دوم، ممکن است در قسمت تحت فشار کمانش کلی رخ دهد. در جلوگیری از رخ دادن این دو نوع کمانش، دو عامل تعیین کننده مشخصات هندسی مقطع و فاصله های تکیه گاهی یا مهارهای جانبی اهمیت دارند.

اگر مشخصات ابعادی نیمرخ در طراحی اعضای خشمی به شکلی باشد که نسبت عرض به ضخامت اجزای آن از موارد مطرح شده در آئین نامه ها کمتر باشد و شرایط فشردگی را برآورده نکند، بال یا جان مقطع به ناپایداری موضعی دچار می شوند و کمانش می کنند. به این ترتیب، عضو توان باربری خود را از دست خواهد داد. 

اگر طول تیر در فاصله میان دو تکیه گاه جانبی از حد معینی بگذرد یا تکیه گاه جانبی در فاصله های مناسب نداشته باشد، پیش از این که تنش های خمشی در تیر به مرز تسلیم نزدیک شوند، بال فشاری تیر ناپایدار و تخریب می شود.

این تخریب ناگهانی در اثر بالا رفتن تنش فشاری در بال در اثر خمش تیر از یک سو و خمش جانبی تیر در اثر نگهداری نشدن از آن به شکل جانبی و همچنین چرخش تیر از سوی دیگر، ترکیبی از پیچش به نام کمانش پیچشی جانبی ایجاد می شود.

از روش های مقاوم سازی اسکلت فلزی استفاده از اتصال ورق های اضافی با پیچ و جوش به مقطع تیر فولادی است. این روش تقویت با توجه به سنگینی ورق ها و نداشتن انعطاف پذیری مشکلاتی را ایجاد می کنند. اتصال ورق های اضافی نیز به افزایش تنش پسماند به عضو منجر می شود.

استفاده از الیاف FRP در مقاوم سازی سازه های فولادی به دلیل ویژگی های فیزیکی و مکانیکی که دارد، بازتاب خوبی داشته است. از مهم ترین ویژگی این الیاف ها می توان به داشتن رفتار الاستیک خطی پیش از شکست ترد، نسبت مقاومت به وزن زیاد، مقاومت در مقابل اثرات محیطی، اجرای آسان، دسترسی در اندازه، شکل و ابعاد مختلف و عایق بودن اشاره کرد.

2- مقاوم سازی با ژاکت بتنی

مقاوم سازی سازه های فولادی با ژاکت بتنی از روش های دیگر مقاوم سازی است. استفاده از ژاکت بتنی در ستون ها موجب افزایش سختی و بالا رفتن مقاومت ستون های فلزی و همچنین مقاومت عناصر در مقابل کمانش می شود. استفاده از ژاکت های بتنی در تیرها موجب بالا رفتن ظرفیت خمشی و برشی آنها خواهد شد.

3- تقویت اتصالات و عناصر با ورق های مناسب

تقویت اتصالات در جهت مقاوم سازی سازه های فولادی از آسیب های زلزله خواهد کاست. صدمات اتصالات در اثر زمین لرزه را می توان آسیب های تیرها، ستون ها، جوش، اجزا و چشمه اتصال دانست. در طراحی اتصالات باید به این مسئله توجه شود که اتصال باید بتواند حداکثر نیروی وارده را تحمل کند، در غیر این صورت به تقویت و مقاوم سازی نیاز دارند. در سازه های فلزی اتصالات در قاب های خمشی از اهمیت برخوردار هستند.

4- ایجاد سختی در طبقه های با پتانسیل طبقه نرم

سختی جانبی در جهت مقاوم سازی سازه های فولادی با اضافه کردن مهاربند یا دیوار برشی ایجاد می شود. اگر قاب مهاربندی شده یا دیوار برشی سختی زیادی داشته باشد، ممکن است بتواند بخش زیادی از بارهای جانبی را جذب کند.

در صورتی که بالا بردن ظرفیت با افزودن قاب خمشی به وجود آید، به علت نرمی قاب اندرکنش سازه موجود و قاب خمشی باعث توزیع بار میان هر دو سیستم خواهد شد. در این صورت رفتار اعضای ترد سازه باید در اثر تغییر شکل های ساختمان بهسازی شده بررسی شود.

افزودن مهاربند به قاب های فلزی روش مناسبی است که اگر ساختمان سختی کم یا جوشکاری و اتصالات نامناسب داشته باشد، می توان از این شیوه استفاده کرد. اگر مهاربند در جهت مقاوم سازی ساختمان به کار رود ستون ها باید برای اطمینان از مقاومت در مقابل کمانش موضعی کنترل شوند.

برای مقاوم سازی اسکلت فلزی کمتر از مهاربندهای واگرا استفاده می شود که دلیل آن ضعف مقاومتی تیر است که تنها برای بار ثقلی طراحی شده است و مقاوم سازی بخشی از آن به عنوان تیر پیوند دشوار و پر هزنیه است. مهاربندهای فلزی هم‌ محور موجب بالا بردن سختی، محدود کردن چرخش در محل اتصالات تیر به ستون و پایین آوردن تغییر مکان های کلی سازه و نسبی طبقه ها می شود. به علت پایین آمدن زمان تناوب سازه، سازه باید برای مقادیر بیشتری از نیروی زلزله کنترل شود. 

علاوه بر این روش ها برای مقاوم سازی اسکلت فلزی از روش های دیگری نیز استفاده می شود. اضافه کردن ستون، اضافه کردن دیوار برشی و اضافه کردن میانقاب، اجرای دیوار باربر، اجرای دستک فشار و کششی برای مهار کنسول ها و اجرای تیر فرعی میان ستون ها از دیگر روش های مقاوم سازی سازه های فولادی محسوب می شوند.