اصول مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله به معنی اصلاح سازه موجود جهت افزایش توان باربری آن در برابر انواع بارهای وارده می باشد. مقاوم سازی لرزه ای به معنی افزایش مقاوم سازی ساختمان نسبت به حرکت زمین، شتاب و نیروی وارده به سازه و گسیختگی خاک به علت زلزله می باشد. پیش از دهه ۴۰ شمسی (۱۹۶۰ میلادی) به علت عدم وجود آیین نامه های مناسب، سازه های ساخته شده در ایالات متحده دارای جزییات لرزه ای و لذا کفایت کافی جهت باربری بار جانبی زلزله نبوده اند. پس از سالیان متمادی تلاش، تحقیق و آزمایش، آیین نامه های مختلفی جهت مقاوم سازی سازه های موجود ارائه شده اند که می توان یکی از معتبرترین و مهم ترین آنها را ASCE-SEI 41 دانست.
با شناخت بهتر عملکرد سازه ها و اصول مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله و بررسی ضعف و کاستی آنها بر اساس زلزله های اخیر در نزدیکی مناطق شهری، نیاز به مقاوم سازی بیش از پیش ملموس شده است. به عنوان مثال زلزله سال ۱۳۷۳ شمسی در نورتریج ( ۱۹۹۴ Northridge earthquake ) ناکارآمدی ) تردی یا brittleness ( برخی از انواع اتصالات فولادی را روشن ساخت.
لذا از آن پس استفاده از چنان اتصال هایی دارای محدودیت شده است. بنابراین با توجه به اصلاح و ارتقای استانداردهای لرزه ای، تطبیق شرایط ساخت ساختمانهای موجود با آیین نامه های جدید امری ضروری بوده و نیاز به مقاوم سازی لرزه ای را مبرم می سازد.
به علاوه، عواملی همچون کیفیت ساخت پایین، مشکلات و نواقص اجرایی، ضعف طراحی اولیه، آسیب های وارده به سازه، تغییر کاربری سازه، افزایش طبقات، تغییر معماری و… می توانند تهدیدی برای باربری لرزه ای سازه محسوب شده و لزوم مقاوم سازی را بر حسب شرایط ایجاب نمایند.
اصول مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله اصول مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله
پس از بررسی سازه و تعیین میزان و نوع آسیب پذیری، انتخاب شیوه ی مقاوم سازی از فنی ترین و تخصصی ترین فرآیند های مقاوم سازی لرزه ای سازه های موجود میباشد.
ازبین روش ها و متدهای مختلف، می توان موارد زیر را نام برد:
۱ـ اضافه نمودن عضو جدید به سازه های بتنی :
اضافه نمودن ستون یا تیر، دیوار برشی، قاب خمشی جدید (new moment frame) و یا قاب مهاربندی (Braced frame) جدید، می تواند تأثیر بسزایی در کاهش آسیب پذیری سازه موجود در بحث مقاومت و سختی داشته باشد.
همچنین اعضای جدید می توانند به کاهش دهانه دیافراگم ها (Diaphragms) کمک نمایند. در صورت عملکرد این اعضا به عنوان Collector، امکان مرتفع شدن مشکلات مربوط به Load Path در سازه نیز میسر خواهد شد.
۲ـ تقویت اعضای موجود :
علاوه بر دید کلی نسبت سازه و روش های مختلف بهینه سازی کلی، می توان با نگرشی جزئی تر و با استفاده از مقاوم سازی اعضا، بر نواقص و آسیب پذیری لرزه ای سازه های موجود فائق آمد.
البته توجه به این نکته که برخی انواع تسلیم (Yield) نسبت به یکدیگر مقدم هستند ( به عنوان مثال تسلیم تیرها پیش از ستون ها، تسلیم مهاربندها پیش از اتصالات و یا تسلیم خمشی نسبت به تسلیم برشی ترجیح داده می شوند)، درنظرگیری عملکرد کلی سازه پس از ایجاد تغییر در یک عضو امری ضروری بوده و نیاز به تخصص و تجربه کافی در این زمینه دارد.
تقویت اعضای موجود می تواند با استفاده از ورق های تقویتی، افزایش سطح مقطع ( با استفاده از کاشت میلگرد در سازه های بتنی ) و یا با استفاده از کامپوزیت رزین – الیاف صورت پذیرد.
کامپوزیت رزین الیاف یا همان Fiber Reinforced Polymer ) Frp یا اف آر پی ) از شیوه های نوین مقاوم سازی محسوب می شود. ( اطلاعات بیشتر در مقاوم سازی با استفاده از اف آر پی )
۳ـ تقویت اتصالات اعضا :
عمدتاً نواقص مربوط به Load Path بیش از آنکه به اعضای Collector مرتبط باشند به اتصالات ضعیف بر می گردند.
۴ـ کاهش نیاز سازه (Reduce Demand) :
برای ساختمانهایی که دارای سیستم باربر جانبی کامل ولی ضعیف جهت باربری در شرایط زلزله مورد نظر هستند، اصلاح عملکرد دینامیکی سازه می تواند راه حلی مناسب جهت مقاوم سازی باشد. رایج ترین شیوه اجرایی در این مقوله Seismic Isolation (جداگرهای لرزه ای) و یا استفاده از Damper (یا میراگر) می باشد.
۵ـ حذف برخی المان های سازه ای بتنی:
در برخی موارد عدم وجود برخی المانهای باربر بهتر از وجود آنهاست. به عنوان مثال ممکن است وجود دیوار برشی بدون تقارن در پلان باعث ایجاد نامنظمی شدید شده و عملاً حذف باربری جانبی این دیوارها نوعی مقاوم سازی محسوب خواهد شد.
همچنین دیوارهای تیغه نیز می توانند در باربری لرزه ای همانند یک Strut عمل کرده و باعث بوجود آمدن پدیده ستون کوتاه شوند. بنابراین چون در طراحی از سختی جانبی این دیوارها صرف نظر می شود، برای عدم بوجود آمدن مشکل مذکور ایجاد فاصله مابین دیوار مصالح بنایی و قاب اصلی امری ضروری است.
6-استفاده از مواد های شیمیایی ساختمان در سازه های بتنی:
شاید نکته ای که بعد از سالها محققان به آن رسیدن در حین ساخت است که استفاده از مواد شیمیایی ساختمان جهت مقاومت دیوارها و سقف ها و سازه های بتنی استفاده از افزودنی های بتن که شامل روان کننده ها و الیاف های پروپیلن و یا در کنار خط ساحلی استفاده از ژل میکروسیلیس (پودر میکروسیلیس،ژل سیلیکافیوم) و سایر مواد افزودنی به مانند :روان ساز ها و ابر روان کننده های بتن کربوکسیلاتی و نفتالینی می تواند جهت تراکم در بتن نسبت به سازه طراحی شده مناسب باشند و در کنار مشکلات سازه ای بتوانند همپوشان خوبی برای سازه بتنی باشند.
زلزله موجب گردیده است تا مشکلات سازه بتنی و بهسازی آن در سالهای 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 میباشد تا آنجا که به نظر برخی از متخصصان FRP را باید مصالح ساختمانی هزاره سوم نامید. که در مقاوم سازی سازه های بتنی مؤثر میباشد.
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 ۱۹۸۰ آغاز شده است، زلزله ۱۹۹۰ کالیفرنیا و ۱۹۹۵ کوبه ژاپن نیز از جمله عوامل مؤثرتری برای بررسی کاربرد کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف FRP جهت تقویت و مقاوم سازی سازه های بتنی و بنایی در مناطق زلزله خیز گردید.
امروزه نگهداری از سازه ها به دلیل هزینه ساخت و تعمیر بسیار حائز اهمیت می باشد با مطالعه رفتار و مشکلات سازه بتنی و بهسازی آن 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 ترمیم سازه های بتنی 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 میباشد 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 مؤثرترین 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.می توانید به عنوان مثال فصل چهارم نشریه 345 (بهسازی لرزه ای سازه ها) و ACI 2800 را مطالعه کنید .می توان جهت کلیت ترمیم این سازه ها(بتنی) موادی که مورد استفاده هستند عبارتند از: ترمیم کننده های بتن به عنوان مثال MTOSIVE1020 و به عنوان مثالی دیگر جهت ترمیم مشکلات سازه ای از ترمیم کننده اپوکسی یاگروت های اپوکسی MTOFLOW650 جهت زیر سازی کار استفاده نمود و سپس از لمینت های اف آرپی نسبت به طراحی به صورت یکطرفه یا 2 طرفه در جهت تیر یا ستون استفاده کرد.شایان ذکر است جهت آزمایش و تست پول آف اف آرپی باید مدت زمان 6 روز از استفاده رزین و لمینت گذشته باشد.
استفاده از FRP ها به علت وزن سبک و کاربرد آسان و همچنین مقاومت و سختی مناسب، بسیار مورد توجه و استفاده مهندسان قرار گرفته و پروژه‌های متعددی در دنیا و کشورمان انجام گرفته است. کاربرد FRP در تیرهای بتنی در جریان انتقال نیروهای ثقلی و جانبی دیافراگم به ستون نقش دارند، از این رو جزئی از سیستم سازه می‌باشند.
از روشهای تقویت المانهای سازه‌ای می‌توان به ژاکت فولادی و بتنی، استفاده از کامپوزیت‌های FRP جهت افزایش مقاوم سازی ساختمان با FRP ظرفیت باربری عضو و اضافه کردن المانهای مقاوم لرزه‌ای مانند بادبند و میراگر اشاره کرد.به یاد داشته باشید جهت مقاوم سازی تیرها و یا سطوح بتنی حتما زیر سازی باید انجام گردد یا از ترمیم کننده های لاتکسی بتن برپایه سیمانی به مانند ترمیم کننده بتن MTOSIVE1020یا از ترمیم کننده های اپوکسی و گروت اپوکسی به مانند MTOFLOW650 در شرایط خاص استفاده می گردد.
تقویت خمشی با استفاده از پلیمرهای مسلح شده با الیاف ( FRP ) :
یکی از کاربرد پلیمرهای مسلح شده با الیاف (FRP) تقویت خمشی تیرها و یا دال‌های بتنی در دهانه‌های بلند میباشد. البته این به این معنی نیست که نمی‌توان از FRP در تیرها و دال‌های با دهانه‌های کوچک استفاده کرد.
درصورتی که طراحی اولیه عضو نامناسب باشد می‌توان با استفاده از الیاف FRP سختی و مقاومت خمشی راه افزایش داد. اگر نسبت ضخامت و ارتفاع عضو به دهانه آن کم باشد، سختی آن کم و در نتیجه خیز وسط دهانه عضو ( تیر یا دال ) افزایش می‌یابد. همچنین اگر مقدار آرماتور خمشی در تیر یا دال از حد نیاز کمتر باشد، ترکهای خمشی در زیر تیر یا دال ایجاد می‌شود. این ترک‌ها به‌صورت قائم بوده و در راستای خمش ( عمود بر راستای آرماتورهای طولی ) در محل لنگر خمشی بیشینه ایجاد می‌شوند.
برای افزایش سختی و مقاومت خمشی می‌توان ورقهای پلیمری کربنی (CFRP) را توسط چسب اپوکسی به وجه کششی عضو خمشی چسباند. درنتیجه وسط تیر ورقهای پلیمری باید به وجه تحتانی و تکیه گاه این ورق‌ها باید به وجه فوقانی چسبانده شوند. جهت الیاف باید در راستای آرماتورهای فولادی باشند زیرا سختی و مقاومت کششی الیاف در راستای آن بیشترین مقدار را دارند. با وجود ضخامت کم الیاف پلیمری، مدول الاستیسیته بالایی دارند که سختی تیر یا دال افزایش پیدا می‌کند و درنتیجه خیز آن کاهش می‌یابد.
تقویت برشی با استفاده از الیاف پلیمری و کاربرد FRP در تیرهای بتنی:
در تیرهای بتنی خاموت‌ها که در جهت عمود بر راستای تیر قرار می‌گیرند، نقش تأمین مقاومت برشی آن را ایفا می‌کند. همانطور که می‌دانیم به علت مقاومت برشی کم بتن، از خاموت برای تأمین مقاومت برشی کافی در تیرها استفاده می‌شود. چنانچه تیری فاقد مقاومت برشی کافی باشد، ترکهای برشی در محل برش بیشینه، برای تکیه‌گاه، به صورت مایل با زاویه حدوداً ۴۵ درجه تشکیل می‌شوند. برای تقویت برشی تیرها معمولاً الیاف پلیمری(FRP) را به صورت مایل یا قائم ( عمود بر راستای ترکهای برشی) به طرفین تیر می‌چسبانند. هرچه زاویه بین الیاف با راستای عمود بر ترکهای برشی کمتر باشد اثر آنها در افزایش مقاومت برشی تیر بیشتر است. نوارهایFRP که برای تقویت برشی تیر به کار می‌روند می‌توانند به صورت U شکل باشند و یا کاملاً پیرامون تیر را بپوشاند.
کاربرد FRP در تیرهای بتنی :
تیر بتنی مسلح
تیر بتنی پیش تنیده
تیرهای بتنی پیش ساخته
مزایای روش مقاوم سازی تیر بتنی با FRP
افزایش مقاومت خمشی تیر
افزایش مقاومت برشی تیر
افزایش شکل پذیری تیر
افزایش مقاومت در برابر خوردگی
افزایش دوام و عمر
کنترل عرض ترک
ضخامت کم ورقه های FRP و عدم تغیر قابل توجه در ابعاد تیر
سهولت در اجرا
هزینه پایین نسبت به روش های مرسوم دیگر
ترمیم ناشی از خوردگی
چسب FRP و کاربرد FRP در تیرهای بتنی :
در حال حاضر چسبهای FRP بسیار قدرتمندی در دسترس می‌باشند که می‌توانند در چسباندن و استفاده از نوارها، لمینیت ها و الیاف FRP مورد استفاده قرار گیرند. با توجه به اینکه مقاومت رزینها و چسبها از مقاومت بتن بیشتر است، به همین دلیل در اغلب حالات مکانیزم شکست در بتن رخ می‌دهد و شکست در لایه چسب به ندرت رخ می‌دهد. تنها در صورت استفاده از چسب نامناسب و یا اجرای غلط و نامطلوب در سیستم FRP، امکان بروز مشکل در لایه چسب وجود دارد. این مشکل در سطح مشترک چسب و الیاف FRP و یا در سطح مشترک بتن و چسب رخ می‌دهد.
تقویت خمشی تیر و کاربرد FRP در تیرهای بتنی :
یکی از موارد کاربرد الیاف پلیمری FRP تقویت خمشی تیرها و یا دال های بتنی در دهانه های بلند می باشد.در این موارد، اگر طراحی اولیه عضو نامناسب باشد می توان با استفاده از الیاف FRP سختی و مقاومت خمشی آنرا افزایش داد. اگر نسبت ضخامت ( یا ارتفاع ) عضو به دهانه آن کم باشد، سختی آن کم و در نتیجه خیز وسط دهانه عضو ( تیر یا دال ) افزایش می یابد.
همچنین اگر مقدار آرماتور خمشی در تیر یا دال از حد نیاز کمتر باشد، ترک های خمشی در زیر تیر یا دال ایجاد می شود. این ترک ها بصورت قائم بوده و در راستای خمش (عمود بر راستای آرماتورهای طولی) در محل لنگر خمشی بیشینه ایجاد می شوند. به بیان دیگر، در وسط تیر ترک های خمشی در وجه زیرین آن و در محل تکیه گاهها ترک های خمشی در وجه فوقانی تیر ایجاد می شوند.
برای افزایش سختی و یا مقاومت خمشی عضو می توان ورقهای پلیمری کربنی (CFRP) را توسط چسب اپوکسی به وجه کششی عضو خمشی چسباند. در نتیجه در وسط تیر ورق های پلیمری باید به وجه تحتانی و در بر تکیه گاه ها این ورق ها باید به وجه فوقانی چسبانده شوند. جهت الیاف باید در راستای آرماتور های فولادی باشند، زیرا سختی و مقاومت کششی الیاف در راستای آن بیشترین مقدار را دارند. با وجود ضخامت کم الیاف پلیمری (کمتر۱ میلیمتر) مدول الاستیسیته بالای آنها (۱۰ برابر فولاد) باعث افزایش سختی تیر و در نتیجه کاهش خیز آن می شود.
تقویت برشی و کاربرد FRP در تیرهای بتنی:
در تیرهای بتنی، خاموت ها، که در جهت عمود بر راستای تیر قرار می گیرند، نقش تامین مقاومت برشی آن را ایفا می کنند. چنانچه تیری فاقد مقاومت برشی کافی باشد، ترکهای برشی در محل برش بیشینه، بر تکیه گاه، به صورت مایل با زاویه حدود ۴۵ درجه تشکیل می شوند.
برای تقویت برشی تیرها معمولا الیاف پلیمری را بصورت قائم و یا مایل (عمود بر راستای ترک های برشی) به طرفین تیر می چسبانند. هرچه زاویه بین الیاف با راستای عمود بر ترک های برشی کمتر باشد اثر آن ها در افزایش مقاومت برشی تیر بیشتر است. نوارهای پلیمری که برای تقویت برشی تیر به کار می روند می توانند بصورت U شکل باشند و یا کاملاً پیرامون تیر را بپوشانند. برای افزایش کارآیی تقویتهای برشی، تامین مهار انتهایی لازم است.
با توجه به اینکه طول موجود برای نصب رکابیهای FRP به ارتفاع تیر محدود می‌شود، بتن موجود باید از کیفیت مناسبی برخوردار باشد. سطح بتن باید متناسب با نیازمندیهای مصالح FRP مورد استفاده و در صورت لزوم ترمیم شود. به منظور پرهیز از گسیختگی رکابیهای FRP در اثر تمرکز تنش در گوشه‌های مقطع تیر، این گوشه‌ها باید به شعاع حداقل ۳۰ میلیمتر گرد شوند.جهت انجام و مشاوره این نوع طراحی مقاوم سازی می توانید با واحد فنی کلینیک بتن ایران(مهندسین مشاور مهرازان پایدار)تماس حاصل فرمایید.
تقویت خمشی و برشی المان و کاربرد FRP در تیرهای بتنی :
کاهش عرض ترک های موجود در پوشش بتنی به کمک کشش اولیه ایجاد شده در صفحات FRP
محافظت آتی از آرماتورها در برابر شرایط مخرب محیطی
مقاوم سازی پوتر بتنی با FRP برای افزایش مقاومت در برابر حرارت
محافظت از تیر بتنی به علت ایجاد پوشش نارسانای حرارتی
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP برای تامین آب بندی کامل المان
افزایش عمر مفید
کاهش سرعت خوردگی
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP برای تامین فضای نارسانای الکتریکی
محافظت از تیر بتنی به علت ایجاد پوشش نارسانای الکتریکی
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP برای تامین فضای نارسانای مغناطیسی
محافظت از تیر بتنی به علت ایجاد پوشش نارسانای مغناطیسی
ایده آل برای سایت های با دسترسی محدود به علت حجم و وزن اندک
دارای نسبت بالای مقاومت به وزن
دارای چگالی در حدود ۲۰ درصد فولاد