مقاوم سازی سازه های بتنی با روشهای نوین

مقاوم سازی سازه های بتنی بیشتر مبتنی بر تقویت بتن است و به روش‌های مختلفی انجام می‌شود که در ادامه بیان شده است.

1. استفاده از انواع آرماتورها مثل FRP
2. اجرای ژاکت بتنی
3. اجرای ژاکت فولادی
4. دیوار برشی
5. ژاکت فیبر کربن
6. ضخیم کردن دیوارها

به طور کلی می‌توان فولاد مورد استفاده در ساختمان را در دو دسته طبقه‌بندی کرد:

1. فولاد سازه‌ای.
2. فولاد تقویت کننده.

فولاد سازه‌ای از کاراکترهای اصلی و مهم در ساخت اسکلت سازه‌ها است. فولاد تقویت کننده متفاوت از فولاد سازه‌ای است. فولاد تقویت کننده، همراه با بتن و در ترکیب با بتن و مصالح، جهت تقویت و مقاوم سازی سازه های بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مقامت بتن در برابر تنش‌های کششی کم است. از این رو، برای کمک به افزایش مقاومت کششی بتن، از میلگرد استفاده می‌شود. بتنی که با میلگرد مسلح شده، بتن مسلح یا بتن آرمه نامیده می‌شود. ترکیب بتن با آرماتور و ساخت بتن آرمه، از متداول‌ترین راههای مقاوم سازي سازه هاي بتني است. در این مورد، از انواع میلگردها استفاده می‌شود؛ از جمله:

1. میلگرد آجدار نورد گرم و نورد سرد
2. میلگرد ساده کم کربن
3. میلگرد حرارتی
4. میلگرد بازالت
5. الیاف کامپوزیت

1- استفاده از آرماتور آجدار

استفاده از میلگرد آجدار نورد گرم، متداول‌ترین روش جهت تقویت سازه‌های بتنی است.

با استفاده از میلگردهای آجدار نورد سرد، مرحلۀ پلاستیک در منحنی تنش – کرنش از بین می‌رود. به دلیل حذف مرحلۀ پلاستیک، شکل‌پذیری کمتری نسبت به میلگردهای نورد گرم دارد.  استفاده از آن مخصوص پروژه‌هایی است که تلرانس پایین مسئلۀ اصلی است. منحنی تنش – کرنش عملکرد متمایزی را نشان نمی‌دهد زیرا مرحلۀ پلاستیک کاملاً حذف می‌شود.

2- میلگرد ساده کم کربن

میلگرد ساده کم کربن برای پروژه های کوچک استفاده می‌شود. از آنجا که سطح آن‌ها ساده و صاف است، جهت ایجاد گیرایش آن با بتن باید در انتهای آن‌ها از قلاب استفاده شود. مرحلۀ پلاستیک در میلگردهای فولادی ساده کم کربن بیشتر از میلگردهای آجدار نورد گرم است. مقاومت کششی معمول آن ها 40.000 psi می‌باشد.

3- میلگرد حرارتی

وظیفه اصلی میلگرد حرارتی، جلوگیری از تنش‌های ناشی از جمع شدگی و حرارت بتن است. این میلگردها با توجه به مقاومت خوب شان، کاربردهای زیادی در پروژه های ساختمان سازی دارند. از آن‌ها جهت مقاومت سازه در برابر آتش سوزی و زلزله استفاده می‌شود.

4- آرماتور بازالت

مقاومت مکانیکی بالاتر نسبت به میلگردهای فولادی st37، وزن سبک و عملکرد بهتر در برابر خمش، میلگرد بازالت را به یکی از گزینه‌های مورد توجه جهت تقویت سازه‌های اسکلت بتنی تبدیل کرده است. این روش مقاوم سازی بسیار نوین است و هنوز در بسیاری از کشورها شناخته شده نیست.

5- مقاوم سازی سازه های بتنی با الیاف FRP

تقویت سازه‌های بتنی با آرماتورهای الیاف FRP (مثل میلگرد کامپوزیت) از دهه 1960 در ایالات متحده و دهه 1970 در اروپا  و ژاپن مورد بررسی قرار گرفت. خوردگی آرماتورهای فولادی در بتن و خراب شدن سازه‌های بتنی از یک طرف و هزینه‌های زیاد بهسازی یا بازسازی پس از آن، مهندسان را به فکر استفاده از FRP انداخت. مقاومت خوب در برابر نیروهای کششی، وزن و ضخامت کم و مقاومت در برابر خوردگی، از ویژگی های این محصولات است. FRP جهت مقاوم سازی سازه های فولادی نیز کاربرد دارد.

مقاوم سازی مجدد سازه با FRP در حال حاضر در کشورهای خارجی، به طور گسترده‌ای به عنوان یک روش مقاوم سازی لرزه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد و از نظر فنی یک تکنولوژی ترمیم مقرون به صرفه است. به نظر می‌رسد مواد کامپوزیتی FRP در جنبه‌های مختلف ساختمان (تقویت سازه‌های موجود یا ساخت جدید زیرساخت‌ها) کاندیداهای خوبی برای جایگزینی مصالح ساختمانی متداول باشد.

مزیت‌های استفاده از frp در ستون‌های بتنی جهت تقویت سازه‌های بتنی به شرح زیر است:

1. افزایش ظرفیت برشی ستون.
2. تغییر مد گسیختگی از حالت برشی به خمشی.
3. افزایش شکل‌پذیری به میزان قابل توجه.

در حال حاضر، نیاز به امکانات و فناوری‌های خاص جهت تولید و قیمت بالای frp در برخی کشورها، از جمله مواردی است که امکان استفاده و اجرای آن را در ساختمان‌ها با محدودیت مواجه کرده است. اما با پیشرفت تکنولوژی و افزایش تولید در آینده، استفاده از این محصولات در آینده‌ای نزدیک رواج پیدا خواهد کرد.

 فولاد پیش تنیده (Prestressing Steel) به صورت میله یا تاندون (چندین رشته) استفاده می‌شود. استفاده از تاندون‌ها متداول‌تر است. زیرا می‌توان آن‌ها را در پروفیل‌های مختلف قرار داد. کابل‌های فولادی پیش تنیده به نوبه خود از چندین سیم تشکیل شده است. این سیم‌ها مقاومت نهایی کششی بسیار بالایی دارند (معمولاً 250،000 - 270،000 psi). مقاومت کششی فولادهای پیش تنیده بالاست و از آن‌ها در ساخت بتن پیش تنیده، پل‌ها و یا در اسلب‌های پیش تنیده ساختمان‌ها استفاده می‌شود.

به دلیل فرآیند کشش سرد که در زمان تولید فولادهای پیش تنیده اعمال می‌شود، مرحله پلاستیک در محصولات حذف شده و وجود ندارد. در نتیجه، منحنی تنش - کرنش یک نقطه عملکرد مشخص را نشان نمی‌دهد.

 1- ژاکت بتنی

یکی از بهبود مقاومت در تیرهای یک ساختمان اسکلت بتنی، اجرای ژاکت بتنی است. این کار از طریق قرار دادن یک لایه بتن اضافی همراه با میلگرد طولی و رکاب اضافی (برای افزایش ظرفیت خمشی و / یا برشی) در اطراف تیرهای موجود انجام می‌شود. این روش در سطوح عمودی مانند دیوارها، ستون‌ها و همچنین تیرهای کناری و کف نیز کاربرد دارد. ژاکت بتنی، شکل‌پذیری و سختی اجزای سازه را بالا می‌برد.

2- ژاکت فولادی

ژاکت فولادی سبب افزایش مقاومت برشی، مقاومت فشارشی و مقاومت خمشی می‌شود. همچنین شکل‌پذیری سازه را افزایش می‌دهد. سرعت اجرای ژاکت فولادی نسبت به ژاکت بتنی بیشتر و وزن آن نیز سبک‌تر است. عدم مقاومت در برابر آتش و نیاز ژاکت فولادی به پوشش ضد حریق، همچنین خوردگی و زنگ زدن آرماتورها با گذر زمان، از معایب آن‌هاست. علاوه بر این‌ها، به حجم بالایی از دوغاب نیاز خواهد شد. امکان آسیب دیدن اعضای مورد مقاوم‌سازی، حین کاشت بولت و برش‌گیر، سبب کاهش مقاومت عضو خواهد شد. همه این کاستی‌ها، مهندسان را بر آن می‌دارد تا به سمت استفاده از روش های نوین مقاوم سازی سازه، از جمله استفاده از frp که در بالا بیان شد، بروند.

3- ضخیم کردن دیوارها

ضخیم کردن دیوارها باعث می‌شود تا توانایی دیوار برای تحمل بارهای عمودی و افقی، بیشتر شود. همچنین کمک می‌کند تا بارهای عرضی، باعث خرابی ناگهانی دیوار نشود. فرایند ضخیم کردن دیوار با افزودن آجر، بتن و فولاد به برخی دیوارها که مهندس مربوطه تشخیص دهد، صورت می‌گیرد.

مقاوم سازی لرزه‌ای اصلاح ساختارهای موجود برای مقاومت بیشتر در برابر فعالیت‌های لرزه‌ای، حرکت زمین یا ایجاد مشکل در خاک در اثر زلزله است. مقاوم سازی سازه‌های موجود با مقاومت لرزه‌ای ناکافی بخش عمده‌ای از کل هزینه کاهش خطر را شامل می‌شود. هر ساله زمین‌لرزه‌های متوسط تا شدیدی در سراسر جهان رخ می‌دهد. شناسایی سازه‌هایی که نیاز به مقاوم سازی لرزه‌ای دارند، به ویژه در مناطق لرزه‌خیز، از اهمیت حیاتی برخوردار است. سازه‌های اسکلت بتنی در این موارد مستعد آسیب پذیری بیشتری هستند. روش‌هایی مختلفی برای تقویت ساختمان های بتنی در برابر زمین‌لرزه وجود دارد. یکی از روش‌ها استفاده از میلگردبستر است.در صورتیکه قوانین و ضوابط میلگرد بستر به درستی رعایت شود، استفاده در آن تأثیر بسزایی در پیشگیری از تخریب شدید دیوارها خواهد داشت. سایر روش های مقاوم سازی، در ادامه معرفی شده است.

1- اجرای دیوار برشی

دیوار برشی یک عضو ساختمان است که برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی و موازی با سطح دیوار ساخته می‌شود. در مورد دیوارهای کم ضخامت که تغییر شکل خمش بیشتر است، این عضو در برابر بارهای ناشی از Cantilever Action مقاومت می‌کند. به عبارت دیگر، دیوارهای برشی، عناصر عمودی سیستم مقاومت در برابر نیروی افقی هستند.

یک دیوار برشی در محور اصلی خود سخت‌تر از محور دیگر است. این سازه به عنوان یک ساختار اولیه در نظر گرفته می‌شود که مقاومت نسبتاً سختی را در برابر نیروهای عمودی و افقی وارد بر صفحه ایجاد می‌کند. تحت این شرایط بارگیری ترکیبی، یک دیوار برشی باعث ایجاد کرنش‌های محوری، برشی، پیچشی و خمشی می‌شود. در نتیجه یک توزیع تنش داخلی پیچیده ایجاد می‌شود. به این ترتیب، بارها به صورت عمودی به پی ساختمان منتقل می‌شوند.

2- تکنیک پس تنیدگی برای مقاوم سازی سازه های بتنی

تکنیک پس تنیدگی (Post tensioning) یکی از گزینه‌های بالقوه و کارآمد بهسازی برای ساختمان‌های بتن مسلح است و در حمل بارهای ثقلی بسیار مؤثر می‌باشد. بتن مقاومت فشاری نسبتاً بالایی دارد، اما در برابر نیروهای کششی، ضعیف است و مقاومت خوبی از خود نشان نمی‌دهد. از این رو، در حمل بارهای ثقلی بسیار مؤثر است. معمولاً تنش‌های کششی ناشی از تنش های فشاری است و برای تأمین مقاومت و انعطاف پذیری لازم، باید تقویت کننده اضافه شود. این تقویت کننده‌های می‌تواند انواع آرماتور باشد.

3- ژاکت فیبر کربن

یکی دیگر از راههای مقاوم سازی سازه های بتن مسلح، کامپوزیت رپ یا ژاکت فیبر کربن (Composite wraps or carbon fiber jackets) است. ژاکت فیبر کربن، جزء تقویت کننده‌های کامپوزیت است و به منظور تقویت و افزایش قابلیت تغییر شکل، به اجزای بتن مسلح اضافه می‌شود. همچنین جهت تقویت مقاومت خمشی و برشی مؤثر است. مقاومت آن در برابر کشش 10 برابر بیشتر از فولاد است. همه این ها سبب می‌شود تا بتن در برابر ترک خوردگی مقاوم شود. در مواردی که در بتن ترک ایجاد شده باشد، اجرای ژاکت الیاف کربن و ماتریکس آن، سرعت انتشار ترک و توزیع آن را نیز محدود و کند می‌کند. بیشترین تأثیر کامپوزیت رپ زمانی است که در ستون‌های سازه‌های بتنی از آن استفاده شود. می‌توان از آن‌ها به صورت نوارهایی در سقف سازه استفاده کرد. ژاکت فیبر کربن، علاوه بر تقویت ساختمان، جهت افزایش پایداری پل های بتنی نیز کاربرد دارد.

ژاکت فیبر کربن سبک است و انعطاف‌پذیری خوب و استحکام بالایی دارد. همچنین در برابر مواد شیمیایی و خوردگی مقاوم است.