بخشی از مقاله
تکنيک هاي تعمير و مقاوم سازي تيرهاي بتني آسيب ديده
خلاصه
در اين مقاله تکنيک هاي تعمير و مقاوم سازي مختلفي براي تيرهاي بتن آرمه شرح و بررسي شده است . خلاصه و مقايسه هر يک از اين روش هـا در اين مقاله فراهم گرديده است . مطالعاتي که در مقاله مورد بررسي قرار گرفته اند آزمايشگاهي بوده و تکنيک ها را مي توان در پنج بخش طبقـه بندي نمود: افزايش مقطع و غلاف بتني، آرماتورگذاري خارجي، صفحات فولادي، سيستم نامقيد و استفاده ازFRP. مزايا، ضعف هـا و ملاحظـات هرتکنيک در اين مقاله مورد بحث قرار گرفته تا بتوان برحسب شرايط و امکانات موجود بهترين تکنيک را براي تعميرو مقاوم سازي سازه انتخـاب کرد.
پس از بررسي مطالعات موجود؛ نتايج حاصله بدين صورت است : تکنيک غلاف بتن آرمه و افزايش مقطع به طور موثر ظرفيت باربري و سـختي را بهبود مي بخشد با اين حال افزودن بتن و فولاد به منظور ترميم و تعمير تيرها، وزن تيرها را افزايش مي دهد که چنـدان مطلـوب نمـي باشـند؛ مقـاوم سازي تيرهاي بتن آرمه توسط اتصال آرماتورهاي بيروني، روش مؤثر، آسان و اقتصادي مي باشد ولي بايستي حفاظت در برابر خوردگي و آتش نيز در نظر گرفته شود؛ اتصال صفحات فولادي خارجي در قسمت هاي مختلف تيرهاي بتن آرمه ، مطمئنا مي تواند ظرفيت خمشي و برشي اين تيرها را بهبود بخشد. پيچ کردن صفحه به سطح بيروني تيرها به طور مؤثري توانست تيرها را تقويت کند؛ روش هـاي مقـاوم سـازي از نـوع نامقيـد نـه تنهـا ظرفيت هاي خمشي و برشي را افزايش مي دهند بلکه همچنين مي توانند هزينه را کمتر کنند و اثر محيطي را به حداقل برسانند با وجود اين ، آن هـا نياز به ابزار و وسايل پيچيده و توجه کافي و مناسب بر حفظ آن ها از اثرات محيطي مثل خوردگي و آتش دارند؛ مصالح FRP سـبک ، مقـاوم در برابر خوردگي و داراي مقاومت کششي بالا مي باشند، اين سيستم همچنين مي توانند در سطوحي با دسترسي هاي محدود يا جاهايي که اجراي شيوه هاي متعارف با مشکلاتي مواجه هستند، مورد استفاده قرار گيرند.
کلمات کليدي: مقاوم سازي ، شکل پذيري ، مقاومت ، سختي ، تير بتن آرمه
١. مقدمه
حوادث و بلاهاي طبيعي همچون زلزله ، گردباد و سـونامي، انسـجام و تماميـت زيربناهـاي عمرانـي و ايمنـي اسـتفاده کننـدگان آن هـا را تهديـد مي کند. تعداد بيشماري از ساختمان ها و پل هاي بتن آرمه اي که قبل از دهه ١٩٧٠ در ايـالات متحـده سـاخته شـدند عمومـا ظرفيـت کـافي را بـه منظـور تحمل نيروها در طي چنين بلاهاي ناگهاني ندارند. چنانچه سازه اي تحت شرايط خاص (زلزلـه يـا گـود بـرداري يـا ...) آسـيب ديـده باشـد يـا اگرقصـد تغييرکاربري ساختمان (مسکوني به آموزشي) ، تغيير يا افزايش در ميزان طبقات سازه را داشته باشيم ديگر سازه موجود ايمنـي و شـرايط مطلـوب بـراي تحمل بار هاي وارده را نخواهد داشت و نيازمند مقاوم سازي يا ترميم و تقويت سازه هسـتيم . بـه جهـت تضـمين ايمنـي و امنيـت مـردم ، سـاختمان هـاي قديمي موجود براي جلوگيري از فرو ريختن و انهدام ، نياز به تعمير و مقاوم سازي دارند. در اين رابطـه بايسـتي روش هـاي مـوثري جهـت تعميـر و مقـاوم سازي ايجاد و توسعه داد.
اين مقاله ، اثربخشي و انجام شدني بودن تکنيک هاي موجود را براي تعمير و مقاوم سازي تيرهاي بتن آرمه ارزيابي مي کند. همچنين ايـن مقالـه به تحقيق و پژوهشي از مطالعات انجام شده روي تعمير و مقاوم سازي تيرهاي بتن آرمه متمرکز است . هدف اين مقاله يافتن جوانب مثبت و منفي هر يـک از تکنيک هاي تعمير و مقاوم سازي مي باشد. نتايج اين مقاله مي تواند به مهندسـين در انتخـاب بهتـرين روش در پـروژه هـا براسـاس شـرايط اقتصـادي و محيطي مختلف کمک نمايد.
٣. تعريف مقاوم سازي
به طور کلي، مقاوم سازي لرزه اي عبارت است از اصلاح خردمندانه خواص سازه اي موجود به منظور بهبود عملکـرد در زلزلـه هـاي آينـده . بـه دليل گوناگوني ساختمان ها و تنوع نواقص و کاستي هايي که امکان دارند و نيز گوناگوني مقاصد مقاوم سازي، تکنيـک هـاي مقـاوم سـازي نيـز متفـاوت مـي باشـند.تاکنون تحقيقـات و مطالعـات زيـادي در زمينـه چگـونگي تقويـت سـازه هـاي سـاختماني سـاخته شـده در کشـورهاي مختلـف انجـام شـده و
نتايج چشمگيري نيز به دست آمده است . به طور کلي در موارد زير مقاوم سازي سازه هاي متعارف متداول است :
* ساختمان هاي آسيب ديده حين وقوع زلزله ،
* ساختمان هايي که کاربري آن ها تغيير کرده است ،
* ساختمان هايي که به دلايل تغيير ضوابط آيين نامه ها، مقاومت کافي ندارند، ساختمان هايي که قرار است طبقات اضافي روي آن ها ساخته شود،
* ساختمان هايي که آثار ضعف به صورت ترک در آن ها پديدار شده است .
٤. هدف مقاوم سازي
هدف مقاوم سازي عبارت است از دستيابي به شرايط مورد انتظار ساختمان در سطح بهره برداري دلخواه بـراي يـک شـدت زلزلـه بخصـوص از لرزش زمين ، که براي دستـيابي به اين هــدف هرگونه اقدامات اصلاحي مشتمل بر سـخت کـردن يـا مقـاوم سـازي سـازه ، افـزودن اجـزاي موضـعي بـراي حذف بي نظمي ها، بستن اجزاي سازه به يکديگر، کاهش تقاضاي زلزله در سازه از طريق روش جداسازي ويا جذب انرژي و يـا کـاهش ارتفـاع يـا جـرم سازه را، مي توان در قالب روش هاي مقاوم سازي براي حصول پايداري و مقاومت سازه در برابر بار جانبي زناشي از زلزله بـه عنـوان تکنيـک هـا و روش هاي کاهش خطر در نظر گرفت .
در سازه هاي با قاب خمشي، تيرها علاوه بر تحمل بارهاي ثقلي بايد بارهاي جـانبي ناشـي از زلزلـه را نيـز تحمـل نماينـد. در زلزلـه هـاي شـديد ستون ها نبايد آسيبي ببينند و مفصل هاي خميري خمشي و برشي بايد به تيرها و يا بادبندها منتقل شوند بدين منظـور بـه هنگـام مقـاوم سـازي، همـواره تيـر مقاوم سازي شده نبايد قوي تر از ستون متصل به آن باشد.
عوامل مؤثر در انتخاب طرح مقاوم سازي تير عبارتند از:
* ميزان دسترسي به تير در محل (دسترسي به کل محيط تير)
* وضعيت بارهاي وارده (بارهاي يکنواخت ، بارهاي متناوب و رفت و برگشتي)
* ميزان افزايش مقاومت برشي و خمشي مورد نياز
* دسترسي به انواع مصالح براي مقاوم سازي
* ملاحظات اقتصادي
شکست هاي برشي و خمشي، دو حالت عمده شکست در تيرهاي بتن مسلح مي باشند . شکست خمشي عموماً نسبت به شکست برشـي، ارجـح است زيرا رفتار شکل پذيرتري از خود نشان مي دهد. شکست نرم امکان پخش مجـدد تـنش را فـراهم مـي آورد و بـه کـاربران و حاضـران در محـل نيـز فرصت بيشتري براي پي بردن به وضعيت بحراني تير مي دهد.
٥. تکنيک غلاف بتني و افزايش سطح مقطع
قرار دادن يک لايه اضافي بتن پيرامون مقطع يک تير، افزايش مقطع ناميده شده و همين طور غلاف بتني افزودن يک غلاف بـتن آرمـه پيرامـون
تير موجود مي باشد. غلاف بتن آرمه در عين حال که مقاومت در برابر بارهاي اعمالي را بهبود مـي بخشـد مـي توانـد دوام و مانـدگاري را افـزايش دهـد.
علاوه بر اين ، تکنيک افزايش مقطع و غلاف بتني در مقايسه با تکنيک هاي ديگر ممکن است ارزان تر و آسان تر باشد. در تيرها مي توان از روکش بتنـي در سه و يا چهار وجه تير براي بهسازي و افزايش مقاومت آن استفاده نمود. با اين روش مي توان ناحيه کششي و فشاري تير را با روکش هاي بتنـي جديـد تقويت کرد.
* دياب و همکارانش (١٩٩٨) تحقيقي را به منظور آزمايش کردن تاثير استفاده از بتن اسپري شده براي مقاوم سازي تيرهاي بـتن آرمـه انجـام دادنـد.
نتايج آزمايشگاهي نشان مي دهند که استفاده از بتن اسپري شده به منظور مقاوم سازي تيرهاي بتن آرمه مي تواند به طور مؤثري ظرفيت بـاربري يـا سختي آن ها را افزايش دهد، عـلاوه بـر ايـن ، فيبرهـاي شيشـه فلـزي اضـافه در بـتن اسـپري شـده مسـير و الگـوي تـرک و ظرفيـت نهـايي تيرهـاي بتن آرمه را بهبود مي بخشيد. افزودن اين فيبرها موجب افزايش مقاومت خمشي ، افزايش ترک ها، کاهش تنش کششـي و افـزايش بـه ميـزان نسـبتاً
زيادنخستين ممان ترک خوردگي شد[١].
(شکل ١) منحني بار- تغيير مکان وسط تيرهاي مقاوم سازي شده
* سيرجو و شارما در سال ٢٠٠١، افزايش تکنيک هاي مختلف مقاوم سازي اعضاي بتن آرمه را تحت فشار محـوري و خمـش را مـورد مقايسـه قـرار دادند. نتايج آزمايشگاهي نشان دادند که در مقايسه با تير مرجع مقاوم سازي نشـده ، تيرهـاي مقـاوم سـازي شـده داراي سـختي و مقاومـت خمشـي نهايي بيشتري مي باشند. حالت و مد شکست براي تيرهاي مقاوم سازي شده به صورت تدريجي و شکل پذير بود[٢].
(شکل ٢) نمودار خيز وسط دهانه نمونه هاي آزمايش شده
* شهاتا و شهاتا در سال ٢٠٠٨ رفتار تيرهاي بتن آرمه مقاوم سازي شده با غلاف جزئي با استفاده از پيچ هايي به عنوان اتصالات برشي مـورد بررسـي قرار داد. نتايج آزمايشگاهي نشان دادند که روش غلاف جزئي يک تکنيک مقاوم سازي موثر مي باشـد. بـه منظـور دسـتيابي بـه درگيـري مناسـب پيچ ها، عمق فرورفتگي پيچ ها بايد بيش از ٥ برابر قطر پيچ بوده و همچنين کمتر از ٥٠ ميلي متر نباشد[٣].
(شکل ٣) منحني هاي بار- تغيير مکان تيرها همراه با تيرهاي مرجع REF١ و REF٣
* آلتن و همکاران (٢٠٠٤) ويژگي ها و مشخصات مکانيکي تيرهاي بتن آرمه را قبل و پس از غلاف گذاري، تحت آزمـايش خمـش مـورد مقايسـه قرار دادند. نتايج نشان دادند که رفتار تيرهاي بتن آرمه آسيب ديده شـبيه تيرهـاي بـتن آرمـه معمـولي بـا همـان ابعـاد بـا غـلاف هـاي بـتن افـزوده
مي باشد[٤].
(شکل ٤) منحني هاي بار- تغيير مکان وسط دهانه تيرهاي آزمايش شده
٦. تکنيک آرماتورگذاري خارجي
مقاوم سازي تيرهاي بتن آرمه مي تواند از طريق افزودن آرماتورهاي طولي خارجي به اين تيرها به منظور افزايش ظرفيـت بـاربري حاصـل شـود.
اين تکنيک در حالي که بسياري از معايب تکنيک هاي ديگر را ندارد، تکنيـک ارزان و آسـان بـه لحـاظ اجرايـي مـي باشـد. در ايـن روش آرماتورهـاي معمولي از بيرون به مقطع تير بسته شده و در دو انتهاي آن مهار مي گردند. البته لازم به ذکر است که مهار آرماتورها در انتهـاي تيـر بسـيار مهـم و حسـاس بوده و از نظر اجرا مشکل و پرهزينه مي باشد. ميلگردهاي خارجي را مي توان با عبور دادن از سـوراخهاي صـفحه اي کـه پشـت سـتون تعبيـه شـده و پـيچ کردن آن ها به صفحه مهار نمود.
* کوتاندارامان و همکاران (٢٠١٠) روش و تکنيک جديدي را اختراع کردند که تيرهاي بتن آرمـه را بـا آرماتورگـذاري خـارجي در سـطح زيـرين آن ها مقاوم مي کرد. نتايج آزمايش نشان دادند که مقاوم سازي با استفاده از آرماتورهاي بيروني در سطح زيرين تير، به طور قابـل تـوجهي پهنـا و
عرض ترک ها و خيزها را کاهش مي دهد و ظرفيت باربري خمش را در مقايسه با تيرهاي مقاوم سازي نشده افزايش مي دهد[٥].
(شکل ٥) نمودار بار – تغيير مکان وسط دهانه
* تان و همکاران (٢٠٠٣) معايب برش تيرهاي بتن آرمه گيردار مقاوم سازي شده با ميله هاي کششي خارجي متفـاوت را مـورد بررسـي قـرار دادنـد.
نتايج آزمايشگاهي تأثير استفاده از ميله هاي کششي خارجي را براي مقاوم سازي تيرهاي گيـردار را ثابـت کردنـد. بـا ايـن حـال ، ظرفيـت تيرهـاي مقاوم سازي شده بدليل ظرفيت برشي پايين ، محدود شده بود. علاوه بر اين مقاوم سازي تيرهاي بتني با ميله هاي کششي با نيمرخ هـاي سـهموي يـا
برش - خورده ، احتمال شکست برشي را کاهش مي دهد به اين دليل که آن ها (ميله ها) مقاومت برشي را افزايش مي دهند[٦].
(شکل ٦) مقادير بار - تغييرمکان
٧. تکنيک صفحات فولادي
اين روش پس از پيشرفت صنعت شيمي و ساخت چسب هاي اپوکسي در حدود ٣٠ سال پيش مطرح شـد و درحـال حاضـر در تمـام دنيـا مـورد استفاده قرار مي گيرد. در اين روش صفحات فولادي توسط چسب اپوکسي به زير تير چسبانده مي شوند. در اين صورت عملاً افزايشـي در عمـق عضـو و وزن مرده ايجاد نخواهد شد. علاوه بر اتصال با چسب ، مي بايست انتهاي ورق ها را با روش هايي ويژه به تير متصل نمود تا از لغزش و جدا شدن آن هـا از تير جلوگيري به عمل آيد. روش مذکور متنوع ، انعطاف پذير، اقتصادي و مناسب است . آنچه در اين روش بايد کنترل گردد محکم شدن ورق ، محافظـت در مقابل حريق ، شناخت خواص اپوکسي و آماده سازي درست سطح بتن و فولاد مي باشـد. رفتـار مطلـوب سيسـتم مرکـب حاصـل ، بسـتگي بسـياري بـه چسبندگي لايه بين بتن و صفحه فولادي دارد. لذا آماده سازي دقيق سطح تماس بتن و صفحه فولادي از ملزومات کاربرد اين روش است .
* حسين و همکاران (١٩٩٥) روش و تکنيک تعمير چسباندن صفحات فولادي را کشف کردند که شامل تـأثيرات ضـخامت صـفحه و مهـار انتهـايي بر شکل پذيري و حالت شکست و خرابي مي باشد. نتايج آزمايشگاهي نشان دهنده اين هستند که شـکل پـذيري تيرهـاي تعميـر شـده ، بـا افـزايش ضخامت صفحه کاهش مي يابد. اگرچه مهار انتهايي مي تواند شکل پذيري را بهبود بخشد ولي با افزايش ضخامت صفحه ، شـکل پـذيري کـاهش مي يابد. بجاي شکست خمشي خالص ، شکست مي تواند ناشي از ضخامت افزايش يافته فولاد ناشي از گسيختگي بتن در دهانه برش باشد[٧].
* سو و سوي(٢٠١٠) آزمايش هاي خمش چهار نقطه اي را براي ٥ نمونه تير بتن آرمه با تکيه گاه ساده و با صفحات پيچ شده به يک طرفشـان انجـام دادند. نتايج آزمايش دلالت بر اين دارند که مقاومت پيچ ها و صفحات ، بـه ميـزان زيـادي بـر دو معيـار عملکـرد سـازه اي افـزايش مقاومـت پـس ارتجاعي و شکل پذيري جابجايي تأثير مي گذارند. نمونه مقاوم سازي شده با چيدمان پيچ هاي قوي و صفحه فولادي ضـعيف ، افـزايش کـافي در مقاومت و شکل پذيري را نشان داد. تير تقويت شده با چيدمان پيچ هاي قوي و صفحه فولادي قـوي، شکسـت دور از انتظـار و شـکنندگي تـرد را
تجربه کرد[٨].
