مقاوم سازی ساختمان براساس مطالعات صورت گرفته در دو دهه اخیر و همچنین مستندات علمی و مشاهداتی که از قرن بیستم وجود دارد، کشور ایران از نظر لرزه‌خیزی در یکی از مناطق فعال جهان قرار دارد.

تیرهای بتن آرمهء تحت خمش و همچنین تغییراتی را که در مراحل مختلف بارگذاری در مقادیر تنش و کرنش مقاطع حاصل می‌شود می‌توان تحت اثر بارهای متمرکز مورد بررسی قرارداد. منحنی نیرو - تغییر مکان در این تیرها دارای سه شیب متفاوت است بخش اول منحنی مربوط به حدفاصل ترک خوردن بتن کششی است که در این مرحله سختی تیر زیاد است (مشابه تیر تقویت نشده) بخش دوم مربوط به حدفاصل ترک‌خوردگی بتن کششی تا هنگام جاری شدن میلگرد است که شیب نمودار کاهش می‌یابد، ولی همچنان سختی آن نسبت به تیر تقویت نشده بیشتر می‌باشد و بخش سوم مربوط به حدفاصل تسلیم میل‌گردها تا گسیختگی FRP و یا جداشدگی FRP از سطح بتن است.

امروزه بسیاری از سازه‌های بتن مسلح موجود بنا به دلایلی از قبیل تغییرات کاربری، تغییرات الزامات آیین‌نامه‌ای نسبت به گذشته، افزایش بار‌های وارد بر سازه، عدم طراحی درست، بی دقتی در اجرا و … دچار مشکل در ظرفیت باربری یا خدمت‌رسانی هستند.از آنجا که هزینه تخریب و ساخت ساختمان جدید بسیار سنگین و غیر اقتصادی است، بحث بهسازی و تقویت سازه‌های موجود به شدت رونق یافته است.

بهسازی و مقاوم سازی تیر بتنی شکست‌های برشی و خمشی، دو حالت عمده شکست در تیرهای بتنی می‌باشند. شکست خمشی عموماً نسبت به شکست برشی، ارجح است زیرا رفتار شکل‌پذیرتری از خود نشان می‌دهد. شکست نرم امکان پخش مجدد تنش را فراهم می‌آورد و به کاربران و حاضران در محل نیز فرصت بیشتری برای پی بردن به وضعیت بحرانی تیر می‌دهد. همچنین خرابی تیر بتن مسلح می‌تواند به علت تهاجم یون‌های شیمیایی صورت بگیرد.

مقاوم سازی تيرها

دو حالت عمده ی شکست در تیر های معمولی بتن مسلح ،شکست های برشی و خمشی می باشند . شکست خمشی ، به شکست برشی ، ترجیح داده می شود ، زیرا رفتار شکل پذیرتری از خود نشان می دهد .شکست نرم علاوه بر آنکه امکان پخش مجدد تنش را فراهم می آورد ، به کاربران و حاضران در محل فرصت بیشتری برای پی بردن به وضعیت بحرانی تیر می دهد .

در حالت مقاوم سازی خمشی تیر های بتنی با روش چسباندن صفحات FRP ، ملاحظه می شود که شکل پذیری تیر نسبت به حالت عادی آن ، کاهش یافته است . البته حتی در این شرایط هم ، شکست آن تحت خمش شکل پذیرتر از شکست برشی آن است . به طور کلی افزایش مقاومت برشی ، احتمال گسیختگی خمشی را نسبت به گسیختگی برشی بیشتر می کند و در نتیجه عضو سازه ای ، شکل پذیرتر می شود .

اگر یک تیر بتنی ، در تحمل برش ضعیف باشد یا پس از مقاوم سازی خمشی ، ظرفیت برشی آن در تحمل نیروهای برشی نسبت به ظرفیت خمشی ، ضعیف تر باشد ، باید مقاوم سازی برشی آن هم مدنظر قرار گیرد . مقاوم سازی برشی در بیشتر موارد ، یک مرحله ی کلیدی و اساسی در مقاوم سازی مؤثر تیر های بتنی است.

دلایل نیاز به مقاوم سازی

دلایل زیادی جهت انجام مقاوم سازی سازه ها وجود دارند. در سر تا سر جهان می بینیم که بسیاری از ساختمان ها دارای ضعف هایی می باشند؛ ولی با وجود تفاوت در این ضعف ها، تنها به وسیله ی اجرای آن می توان آن ها را از بین برد و استحکام ساختمان ها را به طور اصولی و با استفاده از روش های روز دنیا افزایش داد و بازسازی کرد. برخی از این ضعف ها در ساخت سازه ها عبارت اند از:

۱-خطا در طراحی:

منظور از خطا در طراحی سازه ها، در واقع اشکالات موجود در تهیه نقشه ها، بی اعتنایی به مبانی اولیه و پایه، و پیشبینی های نادرست و اشتباه است. در چنین مواقعی است که می تواند این ایراداتی که در مراحل اولیه ساخت و ساز ایجاد شده اند را از بین ببرد.

۲-خطا در اجرا:

خطاهایی که در اجرا رخ می دهند، عموما همان مشکلاتی هستند که در قالب بندی، بتن ریزی و اقداماتی از این دست ایجاد می شوند. چنین اشکالاتی اغلب به دلیل عدم نظارت، وجود نیروهای غیر متخصص در عملیات، و یا به کارگیری مصالح ارزان و بی کیفیت پیش می آیند.

۳- تغییر کاربری:

گاهی بنا به دلایلی، کاربری سازه ها تغییر پیدا می کنند و انتظارات از کاربری سازه ها متفاوت می شود. همین تغییر کاربری است که باعث می شود ساختمان ها به مقاوم سازی نیاز پیدا کنند، چراکه بارگذاری به بیش از حد پیشبینی شده می رسد و سازه توان کافی ندارد.

مقاوم‌سازی تیر بتنی با FRP

مقاوم‌سازی تیر بتنی با FRP جهت رسیدن به عملکرد دلخواه از طریق افزایش ظرفیت باربری خمشی و برشی، افزایش مقاومت در برابر سایش، افزایش مقاومت در برابر خوردگی و حتی حرارت می‌باشد. برای مقاوم‌سازی تیر بتنی با FRP که آرماتور آنها به دلیل حضور در شرایط نامساعد خورده شده‌اند، نیز می­توان از مصالح FRP استفاده کرد. بدین ترتیب تیر بتنی ضمن افزایش مقاومت خمشی و برشی، در مقابل شرایط محیطی خورنده نیز با استفاده از FRP محافظت می‌شوند.

مقاوم‌سازی تیر بتنی با FRP و تقویت تیر بتنی با FRP روش نسبتاً جدیدی به شمار می‌رود که در پروژه‌های بهسازی لرزه‌ای مورداستفاده قرار می‌گیرد. مصالح FRP خواص فیزیکی بسیار مناسبی دارند که می‌توان به مقاومت کششی بالا و ضخامت و وزن کم اشاره آن نمود. در مجموع مقاوم‌سازی و تقویت تیر بتنی با FRP جهت افزایش عملکرد لرزه‌ای آن از طریق افزایش ظرفیت باربری خمشی، برشی، افزایش مقاومت در برابر سایش، افزایش مقاومت در برابر خوردگی و حتی حرارت می‌باشد.

روش‌های متعددی جهت رفع ضعف تیر وجود دارد که از جمله آنها می‌توان روش مقاوم‌سازی تیر بتنی با FRP را به دلیل مزایای بسیار بالای آن نام برد. در حقیقت مقاوم‌سازی تیر بتنی با FRP راه‌حل اقتصادی و مؤثری برای تقویت تیر بتنی در برابر خمش و برش می‌باشد که امروزه به دلیل کاهش قیمت FRP به‌خصوص در ایران بسیار متداول شده است.

برای بهسازی و مقاوم سازی تیر بتنی می‌توان از راهکارهای زیر استفاده کرد :

• ژاکت بتن مسلح
• تقویت تیر بتنی با روکش فولادی
• استفاده از نبشی و رکابی
• افزایش مقاومت موضعی تیرهای دارای سوراخ
• اضافه نمودن ورق های فولادی به تیر
• اعمال سیستم مهاربندی در انتهای لایه FRP
• اعمال سیستم پیش تنیدگی در لایه FRP
• استفاده از پیش‌تنیدگی خارجی در تیر بتنی

۱- استفاده از ژاکت بتن مسلح

در تیرها می‌توان از ژاکت بتنی تیر در سه و یا چهار وجه تیر برای مقاوم سازی تیر بتنی و افزایش مقاومت آن استفاده نمود. با این روش می‌توان ناحیه کششی و فشاری تیر را با ژاکت بتنی تیر جدید تقویت کرد. برای تکمیل مکانیسم انتقال نیرو بین مصالح قدیم و جدید، زبر نمودن سطح بتن قدیمی و جوش دادن میلگردهای اتصال با آرماتورهای جدید و قدیم ضروری می‌باشد.

اجرای ژاکت بتنی تیر در هر چهار وجه تیر مؤثرترین روش برای مقاوم سازی تیر بتنی می‌باشد. در این شیوه ضخامت بتنی که به وجه بالایی تیر افزوده می‌گردد باید در ضخامت سقف گم شود. اجرای تنگها نیز از طریق سوراخ هایی که در فواصل نزدیک به هم در دال سقف ایجاد می‌شود امکان‌پذیر می‌باشد.

اجرای ژاکت بتنی در سه وجه تیر برای افزایش ظرفیت خمشی و برشی تیر در برابر بارهای قائم انجام می‌شود، اما به دلیل آنکه در این حالت، افزایش ظرفیت باربری مقاطعی از تیرکه درنزدیکی تکیه‌ گاهها قراردارند امکان‌پذیر نیست، تیر را نمی‌توان درمقابل بارهای جانبی زلزله تقویت نمود. موفقیت در بهسازی و مقاوم سازی تیر بتنی مستلزم مهار مناسب خاموت ها از ضلع‌های  بالایی روکش است. بـه دلیل آنکه استفاده از قالب و ریختن بتن از بالای تیر امکان‌ پذیرنیست تنها راه ممکن استفاده از بتن پاشی می‌باشد.

۲- بهسازی و مقاوم سازی تیر بتنی با روکش فولادی

برای تقویت خمشی تیر بتنی می‌توان ورق‌هایی به ضخامت کم را با رزین اپوکسی به وجه کششی تیر چسباند. چسباندن ورق به وجه قائم تیرها در نزدیکی تکیه‌ گاه ها موجب افزایش ظرفیت برشی و چسباندن ورق به بال تحتانی موجب افزایش ظرفیت خمشی تیر می‌گردد. در صورت نیاز به استفاده از ورقه‌هایی با ضخامت بیشتر باید از آرماتورها و بولت های مهاری برای انتقال برش استفاده نمود. در این حالت نیز توصیه می‌شود ابتدا ورق فولادی با چسب اپوکسی چسبانده شده و بعد آرماتور‌ها به صورت میانگذار یا کاشته شده مورد استفاده قرار گیرد . می‌توان بجای استفاده از ورق های فولادی که در وجوه تیر نصب می‌شوند از قفس‌های فولادی بصورت نبشی و رکابی استفاده کرد.

۳- استفاده از نبشی و رکابی

در این روش مقاومت کششی با استفاده از دو نبشی تأمین می‌شود. این نبشی‌ها در کنج تیر قرار می‌گیرند و در این حالت رکابیها از پایین به نبشی جوش می‌شوند و از بالا به روی بتن سقف کاملاً آرماتور و مهار می‌شوند و محاسبات آن شبیه به تسمه‌های فولادی است. فقط به جای تسمه فولادی معادل نبشی قرارداده می‌شود. در آرماتورها کشش اولیه‌ای ایجاد می‌گردد که باعث کیپ شدن نبشی‌ها به تیر بتنی و عملکرد مشترک در رکابی و تیر بتنی می‌گردد. از آنجا که با افزایش بار احتمال ترک در بتن  می‌رود، از مقاومت Vc در طراحی صرف‌نظر می‌شود.

۴- افزایش مقاومت موضعی تیرهای دارای سوراخ

یکی دیگر از کاربردهای FRP  افزایش مقاومت موضعی تیرهای دارای سوراخ  ( معمولاً تأسیساتی ) می‌باشد. در این روش می‌توان اطراف سوراخ‌ها را بطور موضعی با FRP تقویت کرد.

۵- اعمال سیستم مهاربندی در انتهای لایه FRP

سیستم مهاربندی اصولاً به این جهت مورد استفاده قرار می‌گیرد که بتوان از ظرفیت باربری سیستم FRP  نهایت استفاده را برد. گسیختگی های ناشی از جداشدگی لایه‌های FRP عموماً در اثر نبود چنین سیستمی می‌باشد. در این روش از دور آرماتور کردن کامل انتهای FRP توسط نوارهایی از FRP استفاده می‌گردد. با توجه به اینکه معمولاً، ناحیه فوقانی تیرهای موجود به دلیل وجود دال، قابل دستیابی نیستند، از نوارهایی که فقط سطوح پایینی و جانبی تیر را می‌پوشانند استفاده می‌گردد. از سایر روش ها نیز می‌توان به استفاده از آرماتورهای مخصوص در انتهای لایهFRP  نام برد.

این روش یکی از اولین روشها بوده که جهت نصب و مهاربندی صفحات فولادی مورد استفاده قرارمی‌گرفت. بر اساس مطالعات انجام شده، این روش بر روی لایه‌های کامپوزیتی نیز مناسب بوده و اثر مثبتی از خود نشان می‌دهد ولی مشکلی که ایجاد می‌کند سوراخ شدن لایه FRP بوده که اثر نامطلوبی بر عملکرد آن خواهد داشت و باعث ایجاد تمرکز تنش در FRP  می‌گردد.

6- اضافه نمودن ورق های فولادی به تیر

با استفاده از اتصال ورق های فولادی به وجه کششی در تیرهای بتنی می توان ظرفیت باربری خمشی تیر را افزایش داد. در این روش ورق های فولادی به ضخامت حداکثر 3 سانتی متر با استفاده از رزین اپوکسی به تیر بتنی چسبانده می شود. همچنین با اضافه نمودن ورق های موازی با جان تیر فولادی می توان مقاومت برشی آن را افزایش داد.

7- اعمال سیستم پیش‌ تنیدگی در لایه FRP

این روش تقریباً مشابه روش مهاربندی در انتهای لایه FRP  می‌باشد، زیرا در این روش برای ایجاد پیش تنیدگی تعبیه سیستم مهاری لازم است. تنها فرق این روش، اعمال نیروی پیش‌ تنیدگی قبل از نصب کامل و عمل آوری لایه FRP می‌باشد. می‌توان نوارها یا صفحات پیش‌تنیده FRP را قبل از چسباندن بر روی بتن، پیش‌ تنیده کرد. مزیت اصلی این کار این است که چنین نوارهایی پس از چسبانده شدن بر روی المان در باربری المان سهیم می‌شوند و برای شرکت آنها در ظرفیت باربری المان دیگر نیازی به اضافه شدن بر مقدار بارهای وارده بر المان نمی‌باشد.

همچنین پیش‌ تنیدگی این نوارها باعث کاهش عرض ترک های موجود درطول المان می‌شود که این در برخی موارد موضوع بسیار حیاتی و مهمی می‌باشد. علاوه بر این ها بدلیل اینکه مصالح FRP  مقاومت کششی بالایی دارند، پیش‌ تنیده کردن آنها سبب استفاده بهتر و افزایش بهره‌وری از آن ها می‌گردد. البته این روش نیازمند نیروی کار ماهرتر و دقت بیشتر در طراحی و اجرا می‌باشد.

8-مقاوم‌سازی خمشی تیر بتنی با FRP

اگر طراحی اولیه تیرها و دال‌های بتنی به‌ویژه در دهانه‌های بلند دارای مشکل باشد می‌توان به کمک الیاف FRP اف آر پی مقاومت خمشی آنها را افزایش داد و تیرهای بتنی را تقویت کرد. عموماً به دلیل پایین بودن نسبت ضخامت و ارتفاع المان به دهانه، مقاومت خمشی آن کم می‌شود و در نتیجه در وسط دهانهٔ تیر یا دال بتنی مقدار خیز بیشتر می‌شود .

علت به‌وجودآمدن ترک‌های قائم در زیر تیرو دال‌های بتنی، عدم وجود آرماتور خمشی به مقدار موردنیاز در آنها می‌باشد، یعنی هنگامی‌که تعداد آرماتورها از مقدار استاندارد آنها کمتر باشد ترک‌ها عمود بر آرماتورهای طولی شکل می‌گیرند و در این ناحیه به بیشترین مقدار خود می‌رسند .

مقاوم سازی تیر بتنی  با استفاده از FRP

در سازه ی بتنی می توان المان های بتنی مثل تیرها را جهت رسیدن به مقاومت مورد نظر با FRP اف آر پی تقویت کرد . الیاف FRP اف آر پی به جهت داشتن وزن و ضخامت کم در کنار مقاومت بالا ضمن داشتن قیمت و کاربری مناسب آن توانسته جایگزین سایر روش های سنتی در مقاوم سازی سازه های بتنی شود . ضمنا الیاف و ورقه های FRP اف آر پی بدلیل ضخامت پایین بدون تغییر زیاد در ابعاد اصلی تیر سبب مقاوم سازی تیرهای بتنی با FRP اف آر پی می شوند .

مقاوم سازی تیرهای بتنی با FRP و تقویت تیرهای بتنی با FRP اف آر پی روش جدیدی است که طی آن با افزایش مقاومت کششی و برشی ، افزایش ظرفیت باربری ، افزایش مقاومت در برابر خوردگی و سایش می توان سازه ی مورد نظر را تقویت کرد . در مقاوم سازی تیرهای بتنی با FRP ، سازه هایی که آرماتور آنها توسط عوامل فرسایش دهنده دچار خوردگی شده را هم می توان با مصالح FRP اف آر پی مقاوم کرد در نتیجه المان مورد نظر ضمن کسب مقاومت برشی و خمشی مورد نظر در برابر عوامل شیمیایی و محیطی نیز محافظت می شوند.

در مقاوم سازی و تقویت تیرهای بتنی از طریق افزایش سختی کششی و برشی ، افزایش ظرفیت باربری و افزایش مقاومت عضو مورد نظر در برابر فرسایش و خوردگی می توان سازه را در برابر افزایش بارهای وارده مثل زلزله ، مقاوم سازی و بهسازی کرد .

آماده سازی سطح بتن

پس از آماده‌سازی سطح بتن، نوار FRP  تا سطح معینی تحت کشش قرار گرفته است. سپس هم بر روی سطح بتن و هم برروی سطح نوار چسب زده می‌شود. تیر بتنی بالا برده می‌شود تا به نوار تحت کشش FRP  چسبانده شود. بعد از آن با اعمال فشار اندکی بر روی نوار FRP ، عمل‌آوری چسب انجام می‌شود. پس از اتمام عمل‌آوری، گیره های فولادی در نزدیکی دو انتهای نوار FRP  جهت مهاربندی کافی نصب می‌گردند.

پس از این مراحل و اتمام عملیات مهاربندی، نوارFRP  ( خارج ازمحدوده مهاربندی شده ) بریده می‌شود. سپس صفحات ضخیم FRP  درست در مجاورت دو گیره فولادی، روی صفحه پیش‌ تنیده قرارگرفته بر سطح بتن، چسبانده می‌شود. بعد از عمل‌آوری چسب، سوراخ هایی از میان ضخامت این صفحات ضخیم و نوار پیش‌ تنیده بـه درون تیر بتنی ایجاد می‌گردد و سپس بولت ها همراه با تزریق اپوکسی به داخل این سوراخ ها، فرو برده می‌شوند. پس ازعمل‌آوری چسب اطراف این بولت ها، گیره های فولادی دو انتهای نوار پیش‌تنیده برداشته می‌شود و طول اضافی این نوار ( خارج از صفحات ضخیم انتهایی ) بریده می‌شود. به این ترتیب عملیات به انجام می‌رسد

بطور کلی پیش تنیدگی در FRP دارای مزیت‌هایی از قبیل :

ـ افزایش سختی

ـ کاهش عرض و توزیع ترک

ـ بهبود خدمت‌ پذیری و دوام ـ تقویت برشی تیر بتنی و تقویت خمشی تیر بتنی ( بدلیل ترک نخوردن مقطع )

ـ اجتناب از مودهای شکست ناشی از پوسته پوسته شدن در ناحیه ترکها و انتهای لایه

FRP ـ افزایش ظرفیت مقطع ( تار خنثی نسبت به حالت غیر پیش‌ تنیده پایین‌تر قرار می‌گیرد)

ـ افزایش بار تسلیم مقطع می‌باشد. بنابراین دو روش بیان شده برای بهسازی و مقاوم سازی تیر بتنی به گونه‌ای عمل می‌کند که انتهای لایهFRP  را محکم نگه‌ داشته و بعد از ایجاد جدا شدگی، از لغزش و جدا شدگی کامل لایه FRP جلوگیری نماید. برای اطلاعات بیشتر مقاله مشکلات سازه بتنی و بهسازی آن را مطالعه نمایید.

بهسازی و مقاوم سازی تیر بتنی :

در عمل، استفاده از مهاربندی مکانیکی انتهایی می‌بایست موقعی مدنظر قرارگیرد که کاربرد آن لازم باشد و همچنین تأثیر و سودمندی آن برای حفظ چسبندگی FRP  و بتن به اثبات برسد. در بسیاری از موارد، مهاربندی با استفاده از نوارهای U شکل انتهایی، امکان پذیر و یا مؤثر نمی‌باشد همانند مقاوم سازی تیرهای با عرض زیاد یا دالها. در چنین مواردی لازم است راه های دیگری برای مهاربندی مکانیکی بررسی و ابداع گردد. یکی از این راه ها، استفاده از مهارهای الیافی می‌باشد.

8- استفاده از پیش‌ تنیدگی خارجی در تیر بتنی

پیش‌ تنیدگی خارجی جزء روشهای نوین بهسازی و مقاوم سازی تیر بتنی می‌باشد. کابلهای پیش‌ تنیدگی بکار گرفته شده برای این کار از همان نوع کابل‌ها و مفتول های متداول در کارهای پیش‌ تنیدگی هستند. مقاوم سازی تیر بتنی بدین روش می‌تواند موضعی و یا کلی باشد. در حالت کلی نیروهای پیش‌ تنیدگی که به سازه مقاوم شده القا می‌گردند، منجر به باز توزیع نیروهای داخلی گشته و باعث کاهش تنش ها در اعضا نسبت به حالت اولیه آنها می‌شوند. با این حال ممکن است در برخی دیگر از اعضای سازه، پیش‌ تنیدگی موجب افزایش تنش گردد.

به همین دلیل در استفاده از پیش‌ تنیدگی خارجی باید آنالیز تنش در سازه مقاوم سازی شده به دقت مورد بررسی قرار گیرد. جدا از مسئله مهارها، به هنگام استفاده از کابل های پیش‌ تنیدگی یک سری المان های اضافی که اکثراً شامل انواع مختلفی از سخت کننده‌هاست، مورد نیاز است. این امر به ویژه در پیش‌ تنیدگی موضعی دیده می‌شود زیرا پیش‌ تنیدگی، نیروهای متمرکز جدیدی شامل نیروهای محوری اضافی در اعضا بوجود می‌آورد، از این رو اعضا باید بصورت موضعی برای حفظ پایداریشان تقویت شوند.

سخن پایانی

در تیر های بتنی خاموت‌ها که در جهت عمود بر راستای تیر قرار می ‌گیرند، نقش تأمین مقاومت برشی آن را ایفا می ‌کند. همانطور که می‌دانیم به علت مقاومت برشی کم بتن، از خاموت برای تأمین مقاومت برشی کافی در تیرها استفاده می ‌شود. چنانچه تیری فاقد مقاومت برشی کافی باشد، ترک‌ های برشی در محل برش بیشینه، برای تکیه گاه، به‌ صورت مایل با زاویه حدودا ۴۵درجه تشکیل می ‌شوند. شما می توانید برای کسب اطلاعات بیشتر به وب سایت آرینتیس مراجعه نمایید.