مقاوم سازی ستون بتنی و تیر با استفاده از FRP

منظور از مقاوم سازی ستون بتنی چیست؟

طراحی صحیح ستون ها و تیرها از بتن مسلح برای ایجاد مقاومت سازه ای در ساختمان و به ویژه در برابر زلزله و سایر حوادث طبیعی بسیار حايز اهمیت می باشد.
ستون بتنی مسلح یک عضو سازه ای است که به منظور حمل بارهای فشاری طراحی شده است. از بتن با یک قاب فولادی تعبیه شده برای تقویت استفاده می شود. برای اهداف طراحی ، ستون ها به دو دسته تقسیم می شوند: ستون های کوتاه و ستون های باریک.

استحکام ستون های کوتاه با استحکام مواد و شکل هندسی سطح مقطع کنترل می شود. باریک بودن ستون ها زمانی مناسب است که سطح مقطع آن ها به نسبت طول آنها کوچک باشد. بر خلاف ستون های کوتاه، ستون های باریک توسط شکل هندسی شان محدود شده، و قبل از اینکه آرماتور بتنی یا فولادی تاثیری داشته باشند، خم می شوند.

رفتار خمشی تیر مقاوم سازی شده با FRP

مقاوم سازی ستون بتنی موضوع مهمی است که در این محتوا انواع  روش های آن بیان می شود و توسط مجموعه بیکران سازان انجام می شود.

تیرهای بتن آرمهء تحت خمش و همچنین تغییراتی را که در مراحل مختلف بارگذاری درمقادیر تنش وکرنش مقاطع حاصل میشود می توان تحت اثر بارهای متمرکز مورد بررسی قرارداد. منحنی نیرو-تغییر مکان در این تیرها دارای سه شیب متفاوت است بخش اول منحنی مربوط به حد فاصل ترک خوردن بتن کششی است که در این مرحله سختی تیر زیاد است ( مشابه تیر تقویت نشده ) بخش دوم مربوط به حد فاصل ترک خوردگی بتن کششی تا هنگام جاری شدن میلگرد است که شیب نمودار کاهش می یابد ، ولی همچنان سختی آن نسبت به تیر تقویت نشده بیشتر می باشد و بخش سوم مربوط به حد فاصل تسلیم میلگردها تا گسیختگی FRP ویا جداشدگی FRP از سطح بتن است.

با توجه به مدول الاستیسیته بالای مواد FRP  چسباندن آنها برروی تیر ، سبب افزایش سختی و کاهش خیز تیر می شود . همچنین مواد FRP تا لحظه گسیختگی رفتار تنش-کرنش خطی از خود نشان میدهند و بدون جذب انرژی کافی وعدم دارا بودن ناحیه تسلیم شبیه ناحیه تسلیم فولاد ، دچار گسیختگی می شوند.

بنابراین مقاوم سازی و  نصب آنها برروی تیر سبب کاهش شکل پذیری و مقدار جذب انرژی می شود شایان ذکراست کاهش انرژی جذب شده در اصل به علت تسلیم شدن موضعی میلگردهای طولی در محدوده گسیختگی FRP است چرا که در تیرهای مقاوم سازی نشده تیر در محدوده ای وسیع ترک می خورد و میلگردها به تسلیم می رسند، در حالیکه در تیر های تقویت شده میلگردها فقط در مرحله گسیختگی FRP تغییر شکل می دهند و انرژی جذب می کنند .

به طورکلی با افزایش لایه های FRP از شکل پذیری تیر کاسته می شود.بنابراین با توجه به اینکه مقدار کرنش نهایی مواد FRP در مقایسه با فولاد بسیار زیاد است هنگامی که این مواد بوسیله اپوکسی به سطح کششی تیر برای مقاوم سازی و تقویت خمشی چسبیده می شود قبل از آنکه کامپوزیت FRP شروع به تحمل بار زیادی کند ، فولاد به حالت تسلیم خود می رسد.

بنابراین افزایش سختی تیر یا بار تسلیم آن بدون افزایش سطح مقطع FRP ، برای همکاری بیشتر در باربری تیر، قبل از به تسلیم رسیدن فولاد ممکن نیست. به طور کلی مقاوم سازی و تقویت تیر با سیستم FRP  سبب افزایش ظرفیت نهایی مقطع می شود.

رفتار برشی تیر مقاوم سازی شده با FRP

اگر یک تیر بتنی در تحمل برش ضعیف باشد یا پس از مقاوم سازی خمشی، ظرفیت برشی آن در تحمل نیروهای برشی نسبت به ظرفیت خمشی ، ضعیف تر باشد باید مقاوم سازی برشی آن هم مد نظر قرار گیرد. مقاوم سازی برشی در بیشتر موارد ، یک مرحله کلیدی و اساسی در مقاوم سازی موثر تیرهای بتنی است.

استفاده از صفحه زیرین FRP برای مقاوم سازی خمشی تیرهای بتن مسلح تاثیر چندانی در افزایش مقاومت برشی آنها ندارد، بنابراین از اثر مقاوم سازی خمشی تیرها هنگام طراحی برای مقاوم سازی برشی صرف نظر می شود .

در اینجا باید تاکید شود هرچند الیاف چسبانده شده به سطوح جانبی در راستای طول تیر کمک شایانی به ظرفیت برشی تیر نمی کند اما الیاف چسبانده شده به این وجوه تحت زوایای دیگر، در افزایش مقاومت برشی تیر سهیم می شوند. بیشتر زوایا برای چسباندن الیاف به وجوه جانبی به جز زاویه موازی با ترک های برشی، در مهار کردن و کاهش دادن عرض ترک ها مفید و موثرند.

طرح های مختلفی برای استفاده از مصالح FRP در مقاوم سازی برشی پیشنهاد شده است . این طرح ها شامل چسباندن FRP به سطوح جانبی تیر، استفاده از پوشش U شکل برای سطوح جانبی(U-JACKET) وسطح زیرین تیر و نیز دورپیچ کردن دور مقطع با استفاده از الیاف و نوارهای FRP است.

مقاوم سازی و افزایش مقاومت برشی تیر با استفاده از پوشش Uشکل برای سطوح جانبی (U-JACKET)

افزایش ظرفیت تغییر شکل و تاثیر محصورکنندگی در ستون مقاوم سازی شده با FRP

با نزدیک شدن تنش به حد مقاومت فشاری بتن ، ترک هایی در داخل بتن ایجاد می گردد و بتن در جهت عمود بر جهت اعمال نیرو از هم باز می شود. در این حالت اگر بوسیله میلگرد عرضی و یا هر ابزار دیگری مانع از حرکت عرضی بتن شویم بر مقاومت و شکل پذیری بتن افزوده می گردد.

نمونه ای از عملکرد محصورکننده الیاف شیشه (GFRP)در افزایش مقاومت و شکل پذیری نمونه های استوانه ای در شکل زیر ارائه شده است. در این آزمایش ها که در دانشگاه صنعتی شریف انجام شد، با افزودن لایه هایی از الیاف شیشه توانستیم مقاومت نهایی را تا حد دو برابر افزایش دهیم اما اثر خیلی مهمتر الیاف در این بود که ظرفیت تغییر شکل بتن را از حدود 6000 میکروکرنش برای بتن نا محصور به حدود 35000 میکروکرنش برای بتن مقاوم سازی شده افزایش داد.

بدین ترتیب اگر تیرها و ستونهای مجاور گره یک قاب بتنی را با این روش مقاوم سازی کنیم باید انتظار داشت ظرفیت جابجایی آن حدوداً 5 برابر شود. به عبارت دیگر حد پذیرش تغییرشکل چنین سازه هایی در زلزله سطح خطر مورد نظر به میزان پنج برابر افزایش می یابد.

استفاده از خاصیت محبوس کنندگی برای افزایش مقاومت فشاری در ستون

چرا ستون‌های بتنی به تقویت نیاز دارند؟

در صورتی که در فرایند طراحی، تولید و یا اجرای ستون‌های بتنی نکات لازم رعایت نشده باشد و یا اشتباهاتی رخ داده باشد، سازه مقاومت خوبی در برابر نیروهای جانبی از خود نشان نخواهد داد. در شرایطی که بتن کیفیت لازم را ندارد، ابعاد عضو باربر کوچکتر از استاندارد مورد نیاز اجرا شده است و یا در اثر تغییر کاربری و نیروهای جانبی، ستون بتنی دچار پیچش یا جابه‌جایی به خارج از محور اصلی شده باشد، لازم است که تغییراتی به منظور افزایش ظرفیت ستون‌های بتنی ساختمان انجام شود.

اگر ستون های سازه مقاوم نباشند، چه اتفاقی خواهد افتاد؟

در صورت مقاوم نبودن ستون های یک سازه و یا یک ساختمان، و عدم استحکام آن ها، احتمال دارد مشکلاتی اساسی رخ دهد که در زیر به برخی از آن ها اشاره می کنیم:

• کاهش مقاومت ستون ها
• ترک خوردگی ستون ها (به خصوص ستون های کوتاه)
• خوردگی میلگردهای فولادی
• کمانش میلگردها

مقاوم‌ سازی ستون بتنی با ژاکت بتنی

ژاکت‌های بتنی یکی از متداول‌ترین روش‌هایی هستند که برای تقویت ستون‌های بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرند. ژاکت بتنی در واقع روکش‌های بتن آرمه‌ای هستند که از لایه‌ای بتنی، میلگردهای طولی و خاموت‌های بسته تشکیل شده‌اند و به‌کارگیری آن در عضو سازه‌ای باعث افزایش مقاومت خمشی و برشی ستون می‌شود.

ژاکت‌های بتنی شکل‌پذیری ستون را تا حد محسوسی افزایش می‌دهند و معمولا در شرایطی که میزان آسیب‌های وارد شده به ستون‌ها در حد بالایی باشد و یا ستون‌ها ظرفیت کافی برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی زلزله را نداشته باشند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. با توجه به شرایط پروژه، ژاکت‌های بتنی می‌توانند به صورت سرتاسری (دور تا دور) یا فقط در یک وجه ستون بتنی مورد استفاده قرار بگیرد.

در صورتی که از ژاکت‌های بتنی با ضخامت کم استفاده شود، افزایش سختی در ستون بتنی مورد نظر چندان محسوس نخواهد بود. این پوشش بتن آرمه‌ای همچنین ابعاد ستون و وزن کلی ساختمان را افزایش می‌دهد.

هنگام استفاده از روش مقاوم‌سازی ستونی بتنی با ژاکت بتنی در صورتی که هدف افزایش ظرفیت خمشی ستون باشد، آرماتورهای طولی اضافه شده باید به شکل مناسبی در فونداسیون مهار شوند و حتما از داخل سقف‌ها عبور کنند.

میلگردهای طولی اضافه شده در فرایند مقاوم‌سازی نیز عموما در چهار گوشه ستون بتنی قرار می‌گیرند. این میلگردها هنگام عبور از درون سقف نباید با تیرهای اصلی برخورد داشته باشند. نکته مهم دیگری که باید به آن توجه داشت این است که با افزایش خاموت‌ها در ژاکت بتنی، می‌توان شاهد افزایش مقاومت برشی ستون بتنی بود. بنابراین نیازی به اتصال پوشش به‌کار رفته به سقف و تیرها نیست.

مقاوم‌ سازی ستون بتنی با ژاکت فولادی

یکی دیگر از روش‌های رایجی که برای تقویت ستون‌های بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد، استفاده از ژاکت فولادی یا فلزی است.

برای اجرای این روش، ستون‌های بتنی با یک پوشش فولادی یا فلزی پوشانده می‌شود و در نتیجه مقاومت برشی ستون بتنی افزایش می‌یابد. روش ژاکت فولادی نسبت به نوع بتنی، تغییرات خاصی در معماری و ابعاد سازه‌ها ایجاد نمی‌کند و افزایش وزن نیز ناچیز است.

برای اتصال اکثر قسمت‌های یک ژاکت فولادی از جوشکاری استفاده می‌شود و فاصله‌ای که بین پوشش فولادی و ستون بتنی وجود دارد با استفاده از ملات منبسط شونده پر می‌شود. با استفاده از تکنیک کاشت میلگرد می‌توان به انتقال بهتر نیروی برشی بین روکش فولادی و ستون بتنی کمک کرد.

با این کار عملکرد کلی سیستم ژاکت فولادی بهبود می‌یابد. اگر قصد افزایش ظرفیت نیروهای محوری در ستون را داشته باشیم، پیوستگی روکش‌های فولادی در طبقات مختلف حتما باید رعایت شود.

اگر پیوستگی بین روکش‌های فولادی در طبقات مختلف وجود نداشته باشد، ظرفیت نیروی محوری ستون بتنی تغییری نخواهد کرد. از سوی دیگر، اگر ورق‌های فولادی را به فوندانسیون متصل نکنیم و پیوستگی بین روکش‌های طبقعات مختلف را میان دال بتنی ایجاد شود، مقاومت خمشی ستون بتنی نیز افزایش نخواهد داشت.

مقاوم‌ سازی ستون بتنی با نبشی کشی

یکی از فرم‌های تقویت ستون‌های بتنی با استفاده از ژاکت‌های فولادی، نبشی کشی است. در این روش، نبشی با کمک یک چسب اپوکسی به ستون متصل شده و هم‌زمان تحت فشار و گرمای مشخصی قرار می‌گیرد. پس از اینکه تسمه‌های فولادی با استفاده از جوشکاری به یکدیگر متصل شدند، فضای بین اجزا با استفاده از ملات مناسب پر می‌شود.

سوالات مقاوم سازی ستون بتنی