بررسی راهکارهای مقاومسازی ستون های بتنی و مقاوم سازی ستون
یکی از معمولترین تکنیکها برای مقاومسازی ستونهای بتنی، استفاده از ورقهای فولادی (Steel Jacket) است که از بیرون به این اجزاء چسبانده میشود.
یک روش دیگر برای مقاومسازی ستونهای ضعیف استفاده از نبشیهایی در چهار طرف و چهار کنج ستون و اتصال آنها با یکدیگر به وسیله ورق ها و پلیت های فلزی می باشد. فاصله بین پوشش فلزی و ستون بتنی با گروت ضد انقباض پر میشود.
ضعف اصلی این روش قطع تقویت در زیر و روی سقفها و ایجاد نقاط ضعف برای ساختمان میشود و عملا مقاومسازی ستون را بیتاثیر میکند و ایجاد این اتصال بسیار مشکل و هزینهبر و غیر اقتصادی میباشد.
در کل این روش، روشی ساده است؛ اما از جهات زیر مسئله ساز است:
- زوال چسبندگی بین فولاد و بتن که از خوردگی فولاد ناشی میشود.
- مشکلات ساخت صفحات فولادی سنگین در کارگاه ساختمان.
- نیاز به نصب داربست.
- محدودیت طول در انتقال صفحات فولادی (تقویت خمشی) به کارگاه ساخت .
- زمان طولانی عملیات اجرا .
روش مرسوم دیگر مقاومسازی ستونهای بتنی، استفاده از پوششهای بتنآرمه(Concrete Jacket) میباشد.
برای رفع ضعف باربری ستونهای بتنی تقویت یکطرفه و دو طرفه وسه طرفه و چهار طرفه، با توجه به موقعیت ستون، با روش jackting (پوشش) بتنی میتواند روش موثری باشد. نکته مهم اتصال مناسب بتن جدید با بتن قدیم است، که باید یک عضوی یکپارچه را تشکیل دهند. این مورد برای تحمل بار زلزله بسیار مهم میباشد.
ذکر این نکته ضروری است که برای تقویت ستونها باید عمل تقویت و مقاومسازی از پی تا بالاترین نقطه ساختمان (انتهای ستون)ا انجام پذیرد و قطع آن در زیر و روی سقفها سبب ایجاد نقاط ضعف برای ساختمان میشود و عملا مقاومسازی ستون را بیتاثیر میکند.
این روش تا جایی که مربوط به مقاومت، سختی و شکل پذیری میشود، کاملا مؤثر است؛ اما:
- باعث افزایش ابعاد مقاطع و بار مرده سازه میشود.
- همچنین این شیوه نیازمند عملیات پر دردسر مانند سوراخ کاری و کاشت آرماتور است که ممکن است منجر به ایجاد و گسترش ترک های احتمالی موجود و ایجاد آسیب بیشتر در ستونها شود.
- به صورت بالقوه باعث افزایش نامطلوب سختی اعضای بتنآرمه می شود.
- زمان طولانی تر عملیات اجرا.
- نیاز به نصب داربست.
- نیاز به بررسی فونداسیون موجود و مقاومسازی آن در اثر اضافه وزن ایجاد شده.
قطع آرماتور و تقویت در زیر و روی سقفها و در نتیجه ایجاد نقاط ضعف مجدد برای ستونها
روش نسبتا جدید جهت مقاومسازی ستونهای بتنی، استفاده از پوششهای الیاف FRP میباشد.
مواد مرکب FRP، دامنه وسیعی از کاربردها را برای مقاوم سازی سازههای بتنآرمه در مواردی که تکنیکهای مرسوم مقاوم سازی ممکن است مسئله ساز باشند، به خود اختصاص دادهاند.
استفاده از مواد مرکب FRPبهعنوان مسلح کننده خارجی به دلیل خصوصیات منحصر به فرد آن، از جمله افزایش قابل توجه مقاومت و شکل پذیری، در مقاومسازی و تقویت سازهها اهمیت ویژهای پیدا کردهاند. از طرف دیگر، این تکنیکها به دلیل اجرای سریع و هزینههای اجرایی کم جذابیت ویژهای یافتهاند.
مواد FRP برخلاف فولاد، تحت تأثیر زوال الکتروشیمیایی قرار نمیگیرند و میتوانند درمقابل خوردگی اسیدها، بازها و نمکها و مواد مهاجم مشابه در دامنه وسیعی از دما مقاومت کنند.
در نتیجه نیاز به سیستمهای حفاظت از خوردگی نمیباشد و آمادهکردن سطوح اعضاء قبل از چسباندن صفحات FRP و نگهداری از آنها بعد از نصب، از صفحات فولادی آسانتر است. علاوه بر این، الیاف مسلحکننده در FRP میتوانند در موضع معین و در نسبت حجمی و جهت خاصی درون ماتریس قرارگیرند تا بیشترین کارایی بهدست آید.
مواد حاصله تنها با درصدی از وزن فولاد، مقاومت و سختی بالایی در جهت الیاف دارند. آنها همچنین حمل و نقل آسانتری داشته، نیازمند داربست کمتری برای نصب میباشند، و میتوانند برای مکانهایی که دارای دسترسی محدود هستند، مورد استفاده قرار گیرند؛
استفاده از پوششهایی از نوع بتنآرمه پس از نصب، بار اضافی قابلتوجهی را به سازه تحمیل میکنند. بهعنوان یک جایگزین، صفحات FRP میتوانند به دور اجزاء بتنآرمه پیچیده شوند و افزایش قابل توجه مقاومت و شکل پذیری را به دنبال داشته باشند؛ بدون آنکه تغییر زیادی در سختی ایجاد نمایند.
مواد کامپوزیتی FRP به وفور جهت تقویت خمشی و فشاری و نیز افزایش شکلپذیری ستونها مورد استفاده قرار میگیرند. در همین ارتباط محصور شدگی بتن مهمترین خصوصیتی است که می توان آن را با چسباندن این مواد در اطراف ستونها فراهم نمود. از طرفی استفاده از مواد کامپوزیتی FRP برای افزایش شکلپذیری اتصالات و رفتار مناسبتر آن در زلزله نیز بسیار مطلوب خواهد بود.
مزیت های استفاد از FRP در مقاوم سازی ستونهای موجود:
- عدم افزایش ابعاد مقاطع و بار مرده سازه .
- عدم ایجاد آسیب در سازه موجود.
- حمل و اجرای سریع.
- افزایش قابل توجه مقاومت و شکل پذیری و عدم افزایش سختی ستونها .
- زمان کوتاهتر عملیات اجرا.
- عدم نیاز به بررسی و مقاوم سازی فونداسیون موجود در اثر اضافه وزن ایجاد شده.
- مقاومت بالای مواد FRP برخلاف فولاد در نتیجه عدم نیاز به سیستمهای حفاظت از خوردگی.
- آمادهکردن سطوح اعضاء قبل از چسباندن صفحات FRP و نگهداری از آنها بعد از نصب، از صفحات فولادی آسانتر است.
در ادامه جدول بررسی و مقایسه روشهای مقاومسازی ستونهای بتنی بتنی مذکور ارائه شدهاست.
همانطور که در جدول فوق مشاهده میگردد، بررسیها نشان میدهد که استفاده از الیاف FRP جهت مقاومسازی و رفع ضعف ستونها موجود به لحاظ فنی، اقتصادی و ملاحظات معماری مناسب میباشد.
بررسی روش مقاومسازی (استفاده از الیاف FRP)
استفاده از الیافهای ترکیبی FRP جهت تقویت و مقاوم سازی به منظور انتقال و تحمل بارهای بیشتر، اصلاح نقایص ناشی از آسیبها و یا افزایش شکلپذیری سازههای بتنی موجود از جمله گزینههای جایگزین روشهای سنتی میباشد.
سبک بودن، عدم خوردگی و مقاومت کششی بالای الیاف FRP از جمله مزایای آن محسوب میگردد. همچنین ضخامت کم این الیاف عامل موثری در کاهش نگرانیها در خصوص مسائل معماری میباشد. الیاف FRP حداقل دو برابر و حداکثر ۱۰ برابر صفحات صفحات فولادی را دارد در حالی که وزن آن حدود ۲۰ درصد وزن فولاد است.
مقاومت در برابر خوردگی یکی از مزایای مهم الیافFRP میباشد. مواد مرکب FRP، دامنه وسیعی از کاربردها را برای مقاوم سازی سازههای بتنآرمه در مواردی که تکنیکهای مرسوم مقاوم سازی ممکن است مسئله ساز باشند، به خود اختصاص دادهاند.
استفاده از مواد مرکب FRPبهعنوان مسلح کننده خارجی به دلیل خصوصیات منحصر به فرد آن، از جمله افزایش قابل توجه مقاومت و شکلپذیری، در مقاومسازی و احیاء سازهها اهمیت ویژهای پیدا کردهاند. از طرف دیگر، این تکنیکها به دلیل اجرای سریع و هزینههای کم جذابیت ویژهای یافتهاند.
مواد FRP از دو جزء اساسی تشکیل میشوند؛ فایبر (الیاف) و رزین (ماده چسباننده). فایبرها که اصولاً الاستیک، ترد و بسیار مقاوم هستند، جزء اصلی باربر در ماده FRP محسوب میشوند. بسته به نوع فایبر، قطر آن در محدوده ۵ تا ۲۵ میکرون میباشد.
مصالح FRPمعمولاً مقاومت کششی بسیار بالایی دارند، که از مقاومت کششی فولاد به مراتب بیشتر است. مقاومت کششی بالای مواد FRP کاربرد آنها را برای مقاوم سازی سازههای بتن آرمه بسیار مناسب نموده است. مقاومت کششی مصالح FRP اساساً به مقاومت کششی، نسبت حجمی، اندازه و سطح مقطع فایبرهای بکار رفته در آنها بستگی دارد.
الیاف FRP به لحاظ مشخصات مواد انواع گستردهای داشته و عمدتا در سه نوع GFRP، CFRP و AFRP تولید میگردند و براین اساس انتخاب نوع الیاف بسته به شرایط وضع موجود و نیازهای فنی صورت میپذیرد. مشخصات تیپ الیاف مورد استفاده در سیستمهای FRP بقرار جدول زیر نشان داده شده است.
|
Fiber type |
Elastic Modulus | Ultimate Strength | Rupture strain. Min % |
| Gpa | Mpa | ||
| Carbon | |||
| General Purpuse | ۲۲۰ to 240 | ۲۰۵۰ to 3790 | ۱٫۲ |
| High Strength | ۲۲۰ to 240 | ۳۷۹۰ to 4820 | ۱٫۴ |
| Ultra-High Strength | ۲۲۰ to 240 | ۴۸۲۰ to 6200 | ۱٫۵ |
| High Modulus | ۳۴۰ to 520 | ۱۷۲۰ to 3100 | ۰٫۵ |
| Ultra-High Modulus | ۵۲۰ to 690 | ۱۳۸۰ to 2400 | ۰٫۲ |
| Glass | |||
| E-Glass | ۶۹ to 72 | ۱۸۶۰ to 2680 | ۴٫۵ |
| S-Glass | ۸۶ to 90 | ۳۴۴۰ to 4140 | ۵٫۴ |
| Aramid | |||
| General Purpuse | ۶۹ to 83 | ۳۴۴۰ to 4110 | ۲٫۵ |
| High Performance | ۱۱۰ to 124 | ۳۴۴۰ to 4140 |
۱٫۶ |
خستگی خاصیتی است که در بسیاری از مصالح ساختمانی وجود داشته و در نظر گرفتن آن ممکن است به شکست غیر منتظره، خصوصاً در اجزایی که در معرض سطوح بالایی از بارها و تنشهای تناوبی قرار دارند، منجر شود.
در مقایسه با فولاد، رفتار مصالح FRP در پدیده خستگی بسیار عالی است؛ به عنوان نمونه برای تنشهای کمتر از یک دوم مقاومت نهایی، مواد FRP در اثر خستگی گسیخته نمیشوند. رفتار خزشی کامپوزیتها بسیار خوب است؛ به بیان دیگر، اکثر کامپوزیتهای در دسترس، دچار خزش نمی شوند.
رزین اصولاً به عنوان یک محیط چسباننده عمل میکند، که فایبرها را در کنار یکدیگر نگاه میدارد. با این وجود، ماتریسهای با مقاومت کم به صورت چشمگیر بر خواص مکانیکی کامپوزیت نظیر مدول الاستیسیته و مقاومت نهایی آن اثر نمیگذارند. ماتریس (رزین) را میتوان از مخلوطهای ترموست و یا ترموپلاستیک انتخاب کرد.
ماتریسهای ترموست با اعمال حرارت سخت شده و دیگر به حالت مایع یا روان در نمیآیند؛ در حالیکه رزینهای ترموپلاستیک را میتوان با اعمال حرارت، مایع نموده و با اعمال برودت به حالت جامد درآورد.
به عنوان رزینهای ترموست میتوان از پلیاستر، وینیلاستر و اپوکسی، و به عنوان رزینهای ترموپلاستیک از پلیوینیل کلرید (PVC)، پلیاتیلن و پلی پروپیلن (PP)، نام برد. مقاومت رزین به عنوان متصل کننده سیستم الیاف FRP به سطح بتن بسیار مهم است و ضعف آن میتواند باعث شکست زودهنگام موادFRP میگردد.
اگر چه در بررسی بسیار اولیه، مقاومت چسبندگی ضعیفی برای کامپوزیتهای از الیاف شیشه گزارش شده بود، تحقیقات اخیر در دنیا مقاومت چسبندگی خوب و قابل قبولی را برای مواد کامپوزیتی FRP گزارش می کند.
متداولترین روش مقاومسازی ستونها با FRP، دور پیچ کرن سطح خارجی آنها با نوارهای FRP میباشد. اساس این مقاومسازی که در واقع محصور کردن ستون میباشد، بر این اصل استوار است که وجود فشار محیطی بر روی یک المان بتنی سبب افزایش مقاومت فشاری و شکلپذیری آن میگردد.
در حقیقت این کار، مقاومت و شکلپذیری بتن را افزایش داده و بعلاوه از لغزش و کمانش آرماتورهای طولی جلوگیری میکند.
استفاده از الیاف FRP به صورت دورپیچ عامل موثری در ایجاد محصورشدگی و همچنین افزایش شکلپذیری مقاطع بتنی میباشد. بر این اساس و با توجه به ضعف مقاومتی در بتن ستونها بکارگیری این راهکار بسیار موثر میباشد. اشکال زیر نحوه اجرای سیستم دورپیچ FRP(FRP Confining) و تاثیر آن را بر منحنی اندرکنش ستون و رفتار آن را نشان میدهند.
بطور کلی در عمل، اغلب ستونها تحت بارهای خارج از مرکز قرار میگیرند که منجر به این می شود که مقطع ستونها تحت تاثیر ترکیبی از خمش و نیروی محوری واقع گردد محصور کردن ستون با FRP(FRP Confining) برای بارهای محوری و نیز افزایش باربری خمشی ستون در این شرایط مفید است. مقاومت محوری پوشش FRP اطراف ستون کوچک و قابل صرفنظر کردن است اما استفاده از الیاف دور ستون وقتی امکانپذیر است که آنها تحت کشش در راستای حلقه FRP (در راستای طولی الیاف) قرار می گیرند.
در ستونهای بتنی استفاده از پوشش FRP باعث افزایش ظرفیت برشی ستون، و تغییر حالت احتمالی گسیختگی ترد برشی به حالت خمشی، و نهایتا افزایش شکلپذیری ستون تحت نیروهای محوری و خمشی میگردد. برای محصور کردن موءثرتر ستون، لازم است که راستای الیاف تا حد امکان عمود بر محور طولی عضو باشد.
با توجه به جداول ارائه شده جهت تشریح رفتاری الیاف و سایر توضیحات بیان شده در مورد نوع ضعف سازه و روش تقویت آن، استفاده از الیاف شیشه GFRP دو جهته ۶۰۰ گرمی، با توجه به ایجاد محصورشدگی و شکلپذیری مناسب در بتن توسط الیاف شیشه و رفتار مناسب این الیاف نسبت به سایر الیاف در برابر بارهای لرزهای (بار زلزله)، جهت مقاومسازی ستونهای مذکور از این الیاف استفاده میشود. ذکر این نکته قابل توجه است که قسمتی از بارهای طراحی شامل بار زلزله میباشد.
نحوه عملکرد به این صورت است که با ایجاد ترک برشی در بتن، کرنش الیاف GFRP در آن ناحیه بیشتر شده و نیروها به الیاف GFRP منتقل می شود. بنابراین هم مقاومت برشی سازه افزایش مییابد و هم ترک خوردگی و کرنش بتن فشاری با کمک الیاف GFRP کاهش مییابد. الیاف در راستای ارتفاعی باعث افزایش مقاومت خمشی و همچنین مهار الیاف دورپیچ می گردد. نتایج آزمایشات انجام شده بر روی نمونههای تقویت اجزای بتنی توسط الیاف FRP نشان میدهد که جدا شدن صفحات FRP از بتن مساله کاملا حائز اهمیت است که امروزه متخصصین و پژوهشگران رشته بهسازی و مقاومسازی توجه زیادی را این به مساله نشان میدهند. در این ارتباط به نظر میرسد که استفاده از تقویتکنندههای خارجی حتی به میزان کم، میتواند ایمنی قابل ملاحظهای در برابر جدا شدن صفحات FRP از بتن، و نیز شکستهای برشی ترد فراهم آورد. جهت اطمینان از عدم وقوع این شکست در ستونهای موردنظر ،استفاده از الیاف دو جهته، (GFRP Bidirectional) بدلیل اینکه راستای الیاف اصلی در دو جهت طولی و عرضی (عمود بر هم) تقریبا دارای تاثیر معادل استفاده از دو لایه مجزا در دو راستای طولی و عرضی بوده که از نظر اجرایی و اقتصادی موثر است.
با توجه به مطالب عنوان شده در قسمتهای گذشته، بکارگیری راهکار دورپیچ کردن(Confining) ستونهای مورد بررسی ی توسط الیاف شیشه دو جهته GFRP) (Bidirectional جهت کاهش اثرات کمبود مقاومت فشاری بتن در این المانها از لحاظ فنی، اجرایی و اقتصادی روش مناسبی جهت مقاومسازی میباشد. علاوه بر این الیاف مذکور ظرفیت برشی و شکلپذیری این المانها را بهبود میبخشد.
نوشتن نظر