مقاوم سازی سازه های فولادی و بتنی و نقش کامپوزیتها در مقاوم سازی سازه

امروز روش های مختلفی برای مقاوم سازی و تقویت سازه های بتنی وجود دارد. هر یک از روش های دارای مزایا ، معایب و محدودیت هایی می باشند. از جمله مهمترین عوامل موثر در انتخاب روش تعمیر می توان به ابعاد و محدودیت های ابعادی در روش تعمیر ، محدودیت های معماری ، محدودیت ها افزایش باربری ، محدودیت های زمانی ، محدودیت های بهره برداری اشاره کرد.

برخی از انواع روش های مقاوم سازی سازه های بتنی به شرح ذیل می باشد :

• استفاده از الیافFRP
• ژاکت بتنی
• ژاکلت فلزی
• افزایش ابعاد عضو باربر
• افزایش ظرفیت برابر بستر ( مقاوم سازی فونداسیون )
• افزایش دیوارهای برشی
• افزایش اعضا باربر و کاهش بار وارده به عضو باربر
• ...

لازم به ذکر است در پاره ای موارد ممکن است عملیات مقاوم سازی به صورت همزمان با فرآیند ترمیم و تعمیر انجام شود تا سازه موجود ابتدا به شرایط قابل بهره برداری رسید و سپس ظرفیت های آن ارتقاء داده شود.

روش های مقاوم سازی ستون های بتنی در ساختمان و سازه های صنعتی

تأثیر دورپیچ کردن ستونهای بتن مسلح (با مقطع دایروی) با مصالح FRP در رفتار خمشی ـ محوری

تا پیش از دهه 1990، دو روش مرسوم برای مقاوم سازی ستونهای بتن مسلح بی کفایت وجود داشت. یکی اجرای یک غلاف بتن مسلح اضافی به دور ستون موجود و دیگری استفاده از غلاف فولادی با تزریق دوغاب. استفاده از روش غلاف فولادی، به دلیل آنکه غلاف بتن مسلح فضای بیشتری اشغال کرده و وزن سازه را نیز افزایش می داد، فراگیرتر و مؤثرتر بوده است. البته هر دو روش یاد شده، نیازمند نیروی کار زیاد بوده و اغلب برای انجام در کارگاه مشکل می باشند. همچنین غلاف فولادی در مقابل حمله شرایط جوی مقاومت کمی دارد.

در سالهای اخیر کاربرد روش مقاوم سازی ستونهای بتن مسلح با استفاده از مصالح FRP به جای غلاف فولادی بطور گسترده ای توسعه یافته است. مرسومترین شکل مقاوم سازی ستونهای بتن مسلح با مصالح FRP شامل دورپیچ کردن بیرونی ستون با استفاده از ورقها یا نوارهای FRP است.

مقاوم سازی ستونهای موجود بتن مسلح با استفاده از غلاف فولادی یا FRP بر مبنای این حقیقت استوار است که محصورشدگی جانبی بتن، سبب افزایش قابل توجه مقاومت فشاری محوری، محوری ـ خمشی و شکل پذیری ستون می گردد. مطالعات بسیاری در مورد مقاومت فشاری و رفتار تنش ـ کرنش بتن محصور شده با FRP انجام شده است. این مطالعات بیانگرد آن هستند که رفتار بتن محصور شده با FRP با رفتار بتن محصور شده با فولاد متفاوت بوده و بنابراین توصیه های طراحی توسعه یافته برای ستونهای بتنی محصور شده با غلاف فولادی، علیرغم تشابه ظاهری، برای ستونهای بتنی محصور شده با FRP قابل کاربرد نیستند.

مشکلات اجرایی سازه های بتنی موجود و بهسازی آنها

حرکت استمراری علم در عرصه مهندسی سازه ـ زلزله موجب گردیده است تا نوسازی و بهسازی در سالهای در اخیر از روشهای نوین و مصالحی جدید بهره گیرد که در پیشینه طولانی ساخت و ساز سابقه نداشته است در میان این نوآوری ها FRP (مواد کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف) از جایگاه ویژه برخوردار می باشد تا آنجا که به نظر برخی از متخصصانFRP را باید مصالح ساختمانی هزاره سوم نامید. کامپوزیت FRP که ابتدا در صنایع هوا و فضا بکار برده شد با داشتن ویژگی های ممتاز چون نسبت بالای مقاومت به وزن، به وزن، دوام در برابر خوردگی، سرعت و سهولت  در حمل و نصب، دریچه ای نو پیش روی مهندسین عمران گشوده است به گونه ای که امروز سازه های متعددی در سرتاسر دنیا با استفاده از این مواد تقویت شدند استفاده از مصالح کامپوزیت به طور قابل توجهی در صنعت ساختمان یک بازار تکان دهنده و با سرعت در حال توسعه می باشد. اولین تحقیقات انجام شده در این زمینه از اوایل دهه 1980 آغاز شده است، زلزله 1990 کالیفرنیا و 1995 کوبه ژاپن نیز از جمله عوامل موثرتری برای بررسی کاربرد کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیافFRP جهت تقویت و مقاوم سازی سازه های بتنی و بنایی در مناطق زلزله خیز گردید.

کاربرد ورق یا کامپوزیت FRP در مقاوم سازی سازه های بتن مسلح امروزه نگهداری از سازه ها به دلیل هزینه ساخت و تعمیر بسیار حائز اهمیت می باشد با مطالعه رفتار سازه های بتنی مشخص می شود عوامل متعددی مانند: اشتباهات طراحی و محاسبه، عدم اجرای مناسب تغییر کاربری سازه ها، آسیب دیدگی ناشی از وارد شدن بارهای تصادفی، خوردگی بتن و فولاد و شرایط محیطی از دوام آنها می کاهد ضمناً تغییر آیین نامه های ساختمانی (باعث تغییر در بارگذاری و ضرایب اطمینان می شود) نیز سبب ارزیابی و بازنگری مجدد طرح و سازه می گردد تا در صورت لزوم بهسازی و تقویت شود. سیستمهای الیاف مسلح شده پلیمری FRP برای تقویت سازه های بتنی پدیدار شده و به عنوان یک جانشین برای روش های سنتی از قبیل چسباندن صفحات فولادی، افزایش سطح مقطع با بتن ریزی مجدد و پیش تنیدگی خارجی می باشد. 
با توجه به معایب این روشها مانند بازدهی کم و یا نیاز به امکانات و فن آوری خاص امروزه روش های مقاوم سازی با استفاده از کامپوزیت توسعه روز افزون دارد.

محدودیت استفاده و کاربرد کامپوزیت در مهندسی ساختمان به قیمت بالای آنها برمی گردد البته هزینه و قیمت آنها به تدریج رو به کاهش می باشد به این ترتیب 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 به صرفه ترین و موثر ترین راه مقاوم سازی سازه های بتنی امروزه به شمار می رود.

در این حین، جهت استفاده صحیح و مناسب از این ماده و طراحی مقاوم سازی سازه های بتنی، آیین نامه ها، راهنماها و گزارشهایی در سراسر جهان منتشر گردید با توجه به شروع رشد و استفاده از مواد FRP ، در ایران تدوین راهنمایی برای طراحی مقاوم سازی به کمک این مواد، بسیار ضروری است

مقاوم سازی ستون های بتنی موجود با بکارگیری الیاف FRP

• مقاومسازي اعضاي بتني با مصالح كامپوزيتيFRP روش نسبتا جديدي به شمار مي رود. مصالح FRP خواص فيزيكي مناسبي دارند كه مي توان به مقاومت كششي بالا و ضخامت و وزن كم آنها اشاره نمود . در ستونهاي بتني استفاده از FRP ضمن افزايش ظرفيت برشي ستون، مدگسيختگي آن را از حالت برشي به خمشي تغيير داده و شكل پذيري را به ميزان قابل توجهي افزايش مي دهد.
• دورپيچي اعضاي فشاري با اليافFRP باعث افزايش مقاومت فشاري آنها مي گردد . اين امر همچنين باعث افزايش شكل پذيري اعضا تحت تركيب نيروهاي محوري و خمشي مي شود.
• براي محصور كردن عضو بتني، لازم است راستاي الياف 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.
• هنگامي كه ستون يا عضو فشاري تحت بارهاي لرزه اي قرار مي گيرد، مسئله ظرفيت جذب انرژي و شكل پذيري ستون اهميت مي يابد. در ا ين ارتباط مقاوم سازي يا بهسازي آن عضو با افزايش شكل پذيري انجام مي گيرد.

مقاوم سازی ستون با استفاده از روكش بتني (Concrete jacket)

• روكش بتني شامل لایه اي از بتن، ميلگردهاي طولي و خاموت هاي بسته مي باشد. روكش بتني مقاومت خمشي و برشي ستون را افزايش مي دهد و افزايش شكل پذيري ستون در اين حالت كاملاً مشهود است.
• روكش بتن آرمه در مواردي كه ميزان شدت آسيب هاي وارده به ستون زياد باشد و يا ستون از ظرفيت كافي در برابر نيروهاي جانبي برخوردار نباشد، بكار گرفته ميشود.
• روكش بتني بسته به شرايط مي تواند دور تا دور ستون و يا در يك وجه آن اجرا شود.مناسب بودن طرح روكش بتني به پيوستگي آن با عضو بستگي دارد
• اگر ضخامت روكش بتني كم باشد، افزايش سختي در ستون مقاوم سازي شده محسوس نمي باشد.
• روكش بتني باعث افز ايش ابعاد ستون مي گردد كه علاوه بر مسائل معماري، وزن ساختمان را نيز افزايش ميدهد.
• روكش بتن آرمه در مواردي كه ميزان شدت آسيب هاي وارده به ستون زياد باشد و يا ستون از ظرفيت كافي در برابر نيروهاي جانبي برخوردار نباشد، بكار گرفته ميشود.
• روكش بتني بسته به شرايط مي تواند دور تا دور ستون و يا در يك وجه آن اجرا شود.مناسب بودن طرح روكش بتني به پيوستگي آن با عضو بستگي دارد
• اگر ضخامت روكش بتني كم باشد، افزايش سختي در ستون مقاوم سازي شده محسوس نمي باشد.
• روكش بتني باعث افز ايش ابعاد ستون مي گردد كه علاوه بر مسائل معماري، وزن ساختمان را نيز افزايش ميدهد.