مقاوم‌سازی ساختمان بتن‌آرمه در خیابان آفتاب ونک تهران؛ ترکیب FRP، دیوار برشی و ژاکت فولادی (سال ۱۳۹۱)

مستندات شاخص سازه در حال احداث در خیابان آفتاب ونک تهران

پروژه مقاوم‌سازی ساختمان بتن‌آرمه در محدوده ونک تهران در سال ۱۳۹۱ یکی از نمونه‌های شاخص این نوع پروژه‌ها در سوابق بیکران سازان است.

در زمان ورود تیم بیکران سازان، ساختمان در حال احداث بود و سازه تا سقف هشتم اجرا شده بود. ساختمان در ابتدا با کاربری مسکونی در نظر گرفته شده بود، اما کارفرما تصمیم داشت پس از تکمیل، کاربری آن را به اداری تغییر دهد. علاوه بر تغییر کاربری، امکان اضافه کردن یک طبقه جدید نیز مطرح شده بود. ساختمان دارای دو طبقه زیرزمین و شش طبقه روی زمین بود و در صورت اجرای طبقه الحاقی، ارتفاع آن نیز افزایش پیدا می‌کرد.

سازه بتن‌آرمه ۸ سقف خیابان آفتاب ونک تهران پیش از اجرای بهسازی

اما مسئله اصلی فقط اضافه شدن یک طبقه نبود. بازدیدهای میدانی، نتایج آزمایش‌های بتن و مدل‌سازی مجدد سازه نشان داد که ساختمان با مجموعه‌ای از نواقص جدی مواجه است و قبل از هرگونه تصمیم برای توسعه آن، باید وضعیت واقعی سازه به‌صورت جامع بررسی شود.

مسئله اول؛ تغییر کاربری و تصمیم برای اضافه کردن یک طبقه

تغییر کاربری یک ساختمان از مسکونی به اداری می‌تواند شرایط بارگذاری و الزامات بهره‌برداری آن را تغییر دهد. از طرف دیگر، اضافه شدن یک طبقه جدید مستقیماً موجب افزایش بارهای ثقلی ساختمان می‌شود و افزایش جرم سازه نیز می‌تواند بر نیروهای ناشی از زلزله اثر بگذارد.

گزارش محاسبات پروژه صراحتاً به این موضوع اشاره کرده است که با اضافه شدن طبقه، بارهای مرده و زنده و به تبع آن تقاضای وارد بر اجزای سازه افزایش پیدا می‌کند.

بنابراین سؤال مهندسی پروژه این نبود که: «چگونه یک طبقه دیگر بسازیم؟» بلکه ابتدا باید پاسخ داده می‌شد: «آیا سازه موجود با کیفیت واقعی اجراشده، ظرفیت پذیرش شرایط جدید را دارد؟» پاسخ این سؤال نیازمند بررسی ساختمان بر اساس وضعیت واقعی آن بود، نه صرفاً نقشه‌های اولیه.

تفاوت نقشه با آنچه واقعاً اجرا شده بود

یکی از مهم‌ترین موضوعات این پروژه، اختلاف میان فرضیات طراحی و شرایط واقعی ساختمان بود.

در گزارش بازدید، مشکلات متعددی ثبت شده بود؛ از جمله مقاومت پایین بتن، ضعف فونداسیون، کمبود یا اجرای نامناسب برخی آرماتورها، رعایت نشدن مناسب فاصله آرماتورهای عرضی، مشکلات پوشش بتن، ضعف آرماتورگذاری بعضی دال‌ها و نواقص موجود در نواحی بحرانی تیرها، ستون‌ها و اتصالات.

گزارش حتی موارد جدی‌تری مانند قطع شدن بعضی آرماتورهای دال، تغییرشکل‌های ماندگار در تیر و دال، اجرا نشدن یکی از تیرهای پیش‌بینی‌شده و تداخل سازه نگهبان با اجزای سازه‌ای را ثبت کرده است.

کاربرد نخاله‌های ساختمانی و آجر در مقطع بتنی به جای بتن متراکم

عدم رعایت کاور استاندارد بتن و عریان‌شدگی شدید آرماتورهای طولی تیر

عدم رعایت فواصل مجاز خاموت‌ها در ستون و فقدان محصورشدگی در نواحی بحرانی

آزمایش بتن؛ اختلاف بسیار زیاد نتایج

یکی از مهم‌ترین بخش‌های این پروژه، بررسی مقاومت فشاری بتن بود.

نتایج آزمایش مغزه‌های بتن پراکندگی قابل توجهی نشان می‌داد. در گزارش، میانگین مقاومت نمونه‌های ستون حدود ۲۳۵ kgf/cm²، تیر و دال حدود ۱۳۸ kgf/cm² و فونداسیون حدود ۱۷۴ kgf/cm² گزارش شده است؛ اما ضریب تغییرات نتایج بسیار بالا بود و به ترتیب حدود ۴۳، ۴۲ و ۴۶ درصد گزارش شد. بنابراین استفاده ساده از مقدار میانگین می‌توانست تصویر خوش‌بینانه‌ای از وضعیت بتن ایجاد کند.

در گزارش محاسباتی، به دلیل پراکندگی زیاد نتایج، مقادیر محافظه‌کارانه‌تری برای تحلیل طبقات مورد بررسی در نظر گرفته شد: حدود ۱۳۳ kgf/cm² برای ستون‌ها، ۸۰ kgf/cm² برای تیر و دال و ۹۵ kgf/cm² برای فونداسیون.

این اعداد یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این Case Study هستند. مشکل فقط «بتن ضعیف» نبود؛ عدم یکنواختی کیفیت بتن نیز مسئله مهمی بود. در مقاوم‌سازی ساختمان موجود، دانستن میانگین مقاومت به‌تنهایی کافی نیست. پراکندگی نتایج می‌تواند نشان دهد که کیفیت ساخت در نقاط مختلف ساختمان یکنواخت نبوده و همین مسئله باید در انتخاب مشخصات مصالح برای تحلیل و طراحی مورد توجه قرار گیرد.

خیز و تغییرشکل ماندگار دال‌ها

یکی دیگر از مشکلات مهم ساختمان، تغییرشکل قابل توجه بعضی دال‌ها و تیرها بود. گزارش بازدید حتی در بعضی نقاط تغییرشکل ماندگار در حدود ۲۰ سانتی‌متر را ثبت کرده و بخشی از آن را به اجرای نامناسب و قالب‌بندی ضعیف مرتبط دانسته است.

این نکته از نظر مهندسی بسیار مهم است، زیرا هر اختلاف تراز مشاهده‌شده در یک سقف را نمی‌توان مستقیماً «خیز سازه‌ای ناشی از بار» تلقی کرد. بخشی از تغییرشکل ممکن است از زمان اجرا و قالب‌بندی ایجاد شده باشد و بخش دیگری ناشی از رفتار واقعی عضو تحت بار باشد.

تغییرشکل ماندگار مشهود در تیر و دال سقف طبقه دوم

خیز بسیار شدید دال بتنی و عدم پاسخگویی کنترل تغییرشکل در نرم‌افزار SAFE

در مرحله محاسبات، دال‌های موردنظر در نرم‌افزار SAFE مدل شدند. گزارش نتیجه گرفت که دال‌ها از نظر سختی و مقاومت خمشی دارای کمبودهایی هستند و در بعضی دهانه‌ها کنترل خیز نیز پاسخ مناسبی نمی‌دهد. بنابراین مسئله دال فقط یک ترک ظاهری یا نقص معماری نبود؛ رفتار آن در مدل سازه‌ای نیز مورد ارزیابی قرار گرفت.

FRP برای جبران کمبود خمشی دال

برای بخش‌هایی از دال که کمبود مقاومت خمشی داشتند، استفاده از FRP در طرح مقاوم‌سازی پیش‌بینی شد.

اما نکته حرفه‌ای این گزارش این است که FRP برای همه قسمت‌ها به‌عنوان راه‌حل اجباری انتخاب نشد. در ناحیه‌ای که وضعیت دال و سیستم باربر آن نامناسب‌تر بود، گزارش حتی گزینه تخریب و بازسازی بخشی از سقف و اجرای عضو سازه‌ای موردنیاز را مطرح کرد. برای سایر تیرها و دال‌هایی که امکان تقویت آنها وجود داشت، جبران کمبود ظرفیت با FRP در نظر گرفته شد.

مشکل فقط اعضای منفرد نبود؛ ساختمان کمبود سختی جانبی داشت

اگر مشکل ساختمان فقط چند تیر یا دال ضعیف بود، تقویت موضعی آنها می‌توانست بخش اصلی راهکار باشد. اما تحلیل کل ساختمان مسئله مهم دیگری را آشکار کرد: سختی جانبی سازه کافی نبود.

در مدل اولیه، نسبت تقاضا به ظرفیت بعضی ستون‌ها به مقادیر بالایی می‌رسید و گزارش همچنین نشان می‌داد تغییرمکان نسبی طبقات در بخش‌هایی از ساختمان از حدود موردنظر در محاسبات فراتر رفته است.

در چنین شرایطی، پیچیدن FRP دور تعدادی ستون به‌تنهایی مشکل اصلی ساختمان را حل نمی‌کند. FRP می‌تواند ظرفیت یک عضو را افزایش دهد، اما اگر مسئله اصلی ساختمان سیستم باربر جانبی و سختی کلی سازه باشد، باید در سطح سیستم سازه‌ای مداخله کرد. به همین دلیل در این پروژه، اضافه کردن دیوارهای برشی بتن‌آرمه به‌عنوان بخشی از راهکار مقاوم‌سازی انتخاب شد.

اضافه کردن دیوار برشی؛ تغییر رفتار کل ساختمان

هدف از اضافه کردن دیوارهای برشی این بود که سهم بیشتری از نیروهای جانبی توسط یک سیستم سخت‌تر تحمل شود و تقاضای وارد بر قاب‌های بتن‌آرمه کاهش پیدا کند.

گزارش تصریح می‌کند که با اضافه شدن دیوارها، مسئله کمبود مقاومت و سختی سازه برطرف شده و مقادیر تغییرمکان نسبی طبقات در محدوده موردنظر قرار گرفته است.

مدل سه‌بعدی سازه موجود قبل از مقاوم‌سازی (کمبود شدید سختی جانبی)

مدل تحلیلی جدید پس از اضافه کردن دیوارهای برشی بتن‌آرمه و مهار دریفت

این موضوع تفاوت میان مقاوم‌سازی عضو و مقاوم‌سازی سیستم سازه‌ای را به‌خوبی نشان می‌دهد. وقتی یک تیر کمبود خمشی دارد، می‌توان همان تیر را تقویت کرد. وقتی یک ستون به محصورشدگی بیشتری نیاز دارد، می‌توان همان ستون را تقویت کرد. اما وقتی کل ساختمان کمبود سختی جانبی دارد، افزایش ظرفیت چند عضو منفرد الزاماً پاسخ صحیح نیست. در این پروژه ابتدا سیستم مقاوم جانبی اصلاح شد و سپس اعضایی که پس از این اصلاح همچنان نیاز به افزایش ظرفیت داشتند، به‌صورت موضعی تقویت شدند.

مقاوم‌سازی ترکیبی؛ FRP در کنار دیوار برشی

جمع‌بندی نهایی دفترچه محاسبات دقیقاً بر همین فلسفه استوار است:

این جمله شاید مهم‌ترین بخش کل گزارش باشد. در این پروژه FRP قرار نبود جایگزین تمام روش‌های مقاوم‌سازی شود. از آن در جایی استفاده شد که ویژگی‌های آن متناسب با نوع ضعف عضو بود.

در طرح نهایی، FRP برای تقویت خمشی تیرها، تقویت برشی تیرها، تقویت دال‌های موردنیاز و تقویت تعدادی از ستون‌ها پیش‌بینی شد و در کنار آن، دیوارهای برشی جدید برای اصلاح رفتار کلی سازه طراحی شدند. این همان چیزی است که یک طرح مقاوم‌سازی را از فروش یا اجرای صرف یک محصول جدا می‌کند: روش باید تابع مسئله باشد؛ نه مسئله تابع روشی که پیمانکار می‌خواهد اجرا کند.

تقویت تیرها با FRP؛ خمش و برش دو مسئله متفاوت

در بررسی تیرهای ساختمان، کمبود ظرفیت صرفاً از یک نوع نبود. برای برخی اعضا تقویت خمشی و برای برخی نواحی تقویت برشی موردنیاز بود. گزارش نهایی نیز این دو مورد را به‌صورت مستقل در دستور کار مقاوم‌سازی ذکر کرده است.

این تفکیک اهمیت زیادی دارد. FRP ماده‌ای جهت‌دار است و نحوه قرارگیری الیاف باید متناسب با مکانیزمی باشد که قرار است تقویت شود. آرایش موردنیاز برای افزایش ظرفیت خمشی تیر الزاماً همان آرایشی نیست که برای تقویت برشی استفاده می‌شود.

بنابراین عبارت کلی «تقویت تیر با FRP» اطلاعات مهندسی کافی در اختیار ما قرار نمی‌دهد؛ ابتدا باید مشخص شود کمبود عضو خمشی، برشی یا ترکیبی است.

تقویت ستون‌ها؛ FRP همیشه پاسخگو نیست

یکی از ارزشمندترین نکات این پروژه، تصمیمی است که درباره ستون‌ها گرفته شد.

برای تعدادی از ستون‌هایی که بر اساس محاسبات امکان تقویت آنها با FRP وجود داشت، سیستم دورپیچ CFRP طراحی شد. گزارش حتی تعداد لایه موردنیاز را برای اعضای مختلف به‌صورت محاسباتی تعیین کرده بود؛ یعنی تعداد لایه‌های CFRP یک عدد ثابت و تجربی برای همه ستون‌ها در نظر گرفته نشده بود.

اما نکته مهم‌تر این است که گزارش برای برخی ستون‌ها نتیجه گرفت FRP به‌تنهایی قادر به تأمین ظرفیت موردنیاز نیست. در این موارد گزینه‌های ژاکت بتنی و ژاکت فولادی بررسی شدند. با توجه به محدودیت معماری و اینکه افزایش ابعاد ستون می‌توانست در فضای پارکینگ مشکل ایجاد کند، در نهایت ژاکت فولادی برای اعضای موردنظر انتخاب شد.

نحوه صحیح اجرای ژاکت فولادی ستون‌های بتنی با تسمه و نبشی

به‌کارگیری ژاکت فلزی جهت ارتقای ظرفیت باربری محوری ستون‌ها

ایجاد محصورشدگی لرزه‌ای در چشمه اتصال تیر به ستون با الیاف کربن

اجرای تخصصی الیاف پلیمری CFRP بر روی تیرها و ستون‌های قاب

این تصمیم از نظر معرفی توان مهندسی بیکران سازان اهمیت زیادی دارد. یک شرکت تخصصی FRP نباید برای هر مسئله‌ای الزاماً FRP پیشنهاد کند. گاهی نتیجه محاسبات باید این باشد: FRP برای این عضو کافی نیست، و در چنین شرایطی باید روش دیگری انتخاب شود.

بیش از ۶۰۰ مترمربع سیستم کربنی در طراحی پروژه

گزارش محاسبات حتی برآورد مصالح FRP را نیز ارائه کرده است.

بر اساس جدول نهایی، برای تیرها و ستون‌ها مجموعاً حدود ۱۵۱ مترمربع SikaWrap-300C محاسبه شده بود و برای دال‌ها حدود ۴۱۸ مترمربع Sika CarboDur M1014 در نظر گرفته شده بود. با احتساب ضریب اضافه مصالح، ارقام تدارکاتی گزارش به حدود ۱۶۶ و ۴۶۰ مترمربع می‌رسید.

بنابراین این پروژه از نظر حجم طراحی FRP نیز پروژه کوچکی محسوب نمی‌شد. اما اهمیت آن بیشتر از متراژ الیاف مصرفی است؛ زیرا FRP در قالب یک سیستم مقاوم‌سازی چندروشی طراحی شده بود.

فونداسیون؛ جایی که گزارش مرز مسئولیت تخصصی را مشخص کرد

شاید حرفه‌ای‌ترین قسمت این گزارش مربوط به فونداسیون باشد.

بررسی‌ها نشان داد بتن فونداسیون نیز مقاومت پایینی دارد و مقدار مبنای مورد استفاده در گزارش حدود ۹۵ kgf/cm² بوده است. علاوه بر آن، مسائل مرتبط با فشار زیر پی، برش پانچ و وضعیت کلی فونداسیون مطرح شده بود.

اما تیم مقاوم‌سازی به جای ارائه یک راهکار ساده و خارج از حوزه تخصصی، در جمع‌بندی گزارش اعلام کرد که مشکلات فونداسیون اهمیت بالایی دارد و برای تعیین روش مناسب، مشاوره با متخصص ژئوتکنیک ضروری است.

این نکته برای معرفی پروژه بسیار ارزشمند است. مهندسی مقاوم‌سازی فقط پیدا کردن راهی برای اجرای خواسته کارفرما نیست. گاهی وظیفه مهندس این است که اعلام کند تا زمانی که یک مسئله اساسی حل نشده، ادامه توسعه ساختمان قابل توصیه نیست.

چرا این پروژه برای سابقه بیکران سازان اهمیت دارد؟

این گزارش مربوط به سال ۱۳۹۱ است.

در همان زمان، بیکران سازان برای یک ساختمان چندطبقه در تهران فقط مجری الیاف کربن نبوده، بلکه فرآیند پروژه شامل بازدید و آسیب‌شناسی، ارزیابی نتایج آزمایش بتن، مدل‌سازی ساختمان در ETABS، مدل‌سازی دال و فونداسیون در SAFE، بررسی گزینه‌های مختلف بهسازی، طراحی دیوارهای برشی، طراحی FRP و طراحی ژاکت فولادی بوده است.

فهرست مدارک تحویلی پروژه نیز وجود مدل سازه در ETABS، مدل فونداسیون و دال در SAFE، مدل طراحی ژاکت فولادی و نقشه‌های اجرایی FRP، ژاکت فولادی و دیوار برشی را ثبت کرده است.

این سابقه از نظر معرفی شرکت ارزش بیشتری از عبارات تبلیغاتی مانند «بهترین شرکت مقاوم‌سازی» دارد. وجود یک دفترچه محاسبات ۹۲ صفحه‌ای متعلق به سال ۱۳۹۱ نشان می‌دهد که استفاده از FRP در بیکران سازان از ابتدا در قالب تحلیل و طراحی سازه‌ای و در کنار سایر روش‌های مقاوم‌سازی مورد توجه بوده است.

مهم‌ترین درس پروژه؛ مقاوم‌سازی یعنی انتخاب روش مناسب، نه یک روش ثابت

پروژه ونک نمونه روشنی از این واقعیت است که مقاوم‌سازی حرفه‌ای ساختمان نمی‌تواند محصول‌محور باشد. در یک ساختمان واحد:

• دیوار برشی برای اصلاح سختی و رفتار جانبی سازه مورد استفاده قرار گرفت.
• CFRP برای تقویت موضعی تیرها و ستون‌های قابل تقویت انتخاب شد.
• لمینیت کربن برای جبران بخشی از کمبودهای خمشی دال در طراحی مورد استفاده قرار گرفت.
• برای اعضایی که FRP پاسخگوی نیاز آنها نبود، ژاکت فولادی طراحی شد.
• در بخش‌هایی که شرایط موجود قابل قبول نبود، تخریب و بازسازی عضو در دستور کار قرار گرفت.
• و درباره فونداسیون نیز به دلیل ماهیت مسئله، بررسی تخصصی ژئوتکنیک مطالبه شد.

این دقیقاً همان چیزی است که باید از یک طرح مقاوم‌سازی انتظار داشت. هدف مهندس نباید استفاده حداکثری از FRP، فولاد یا بتن باشد؛ هدف باید رسیدن به راهکاری قابل دفاع برای کل سازه باشد.

مقاوم‌سازی قبل از اضافه طبقه

این پروژه یک نکته مهم دیگر نیز برای مالکان ساختمان‌های موجود دارد. اضافه کردن طبقه صرفاً مسئله ظرفیت ستون‌های طبقه پایین نیست.

طبقه جدید می‌تواند بر بارهای ثقلی، جرم لرزه‌ای، تقاضای تیرها و ستون‌ها، تغییرمکان جانبی، سیستم مقاوم در برابر زلزله و نهایتاً فونداسیون و خاک زیر ساختمان اثر بگذارد. به همین دلیل قبل از تصمیم برای اضافه‌طبقه باید کل مسیر انتقال بار از سقف جدید تا زمین بررسی شود.

پروژه ونک نمونه بسیار خوبی از این مسئله است. اگر بررسی فقط به اعضای فوقانی محدود می‌شد، مسئله مهم فونداسیون و کمبود سختی جانبی ساختمان ممکن بود در تصمیم‌گیری دیده نشود. در این پروژه، طرح مقاوم‌سازی از بالا تا پایین سازه مورد بررسی قرار گرفت و در نهایت نیز مجوز فنی اضافه‌طبقه به حل مسئله فونداسیون مشروط شد.

جمع‌بندی

پروژه مقاوم‌سازی ساختمان بتن‌آرمه در محدوده ونک تهران در سال ۱۳۹۱ یکی از پروژه‌های جامع بیکران سازان در زمینه ارزیابی و مقاوم‌سازی ساختمان‌های موجود بود.

ساختمان در شرایطی مورد بررسی قرار گرفت که تغییر کاربری از مسکونی به اداری و اضافه کردن یک طبقه جدید مطرح بود؛ در حالی که بازدیدهای میدانی و آزمایش‌ها مشکلات متعددی شامل کیفیت نامناسب و پراکندگی بالای مقاومت بتن، ضعف‌های اجرایی، مشکلات آرماتورگذاری، تغییرشکل دال‌ها، کمبود ظرفیت برخی اعضا و کمبود سختی جانبی ساختمان را نشان می‌دادند.

به همین دلیل راهکار نهایی به استفاده از یک روش محدود نشد. دیوارهای برشی برای اصلاح رفتار کلی و سختی جانبی ساختمان، FRP برای تقویت خمشی و برشی تیرها و تقویت تعدادی از ستون‌ها و دال‌ها، ژاکت فولادی برای ستون‌هایی که امکان تأمین ظرفیت موردنیاز آنها با FRP وجود نداشت و بازسازی برای برخی اعضای دارای شرایط نامناسب در نظر گرفته شد. جمع‌بندی خود گزارش نیز روش پروژه را ترکیب دیوار برشی و تقویت موضعی اعضا با FRP معرفی می‌کند.

مهم‌تر از همه، در جایی که بررسی فونداسیون مسئله‌ای فراتر از تقویت موضعی اعضای سازه‌ای را نشان داد، گزارش انجام مطالعات تخصصی ژئوتکنیک را ضروری دانست و اضافه کردن طبقه جدید را تا پیش از ارائه و اجرای راهکار مناسب برای فونداسیون تأیید نکرد.

این پروژه نشان می‌دهد که مقاوم‌سازی واقعی ساختمان از انتخاب یک محصول آغاز نمی‌شود؛ از شناخت صحیح سازه آغاز می‌شود و ممکن است پاسخ نهایی آن ترکیبی از FRP، فولاد، بتن، اصلاح سیستم باربر جانبی، بازسازی بعضی اعضا و حتی تصمیم به انجام ندادن بخشی از خواسته اولیه کارفرما باشد.