نحوه مقاوم سازی تیر بتنی تحت خمش ، اصولاً تیرها برای انتقال بارهای سطحی یا خطی به سمت تکیه گاه خود که اصولاً در ابتدا و انتهای آن قرار دارند  طراحی و اجرا می گردند . ساده ترین نمونه یک تیر انداختن الوار قوی یا تنه درخت کلفت بر روی دهانه یک رودخانه یا نهر می باشد که با نصب آن به راحتی می توان از روی رودخانه عبور کرد بدون اینکه وارد آب رود شد ‌. در این حالت بار ناشی از وزن ما در هر نقطه از تیر چوبی که بر روی آن می ایستیم یا حرکت می کنیم از درون تیر چوبی به سمت تکیه گاه های آن که دو طرف تیر می باشد و بر روی زمین در اطراف نهر قرار دارد منتقل می گردد . این مدل ساده ترین سیستم انتقال نیرو توسط یک تیر می باشد. 

هدف از وجود تعداد زیادی تیر بتنی در ساختمان چیست؟

حال در سیستم سازه ای ساختمان و استراکچرهای فولادی یا بتنی تعداد بسیار زیادی تیر بتنی یا فولادی وجود دارد که هدف آن انتقال نیروهای وارده ناشی از کف طبقات و انتقال آن به تکیه گاه های خود که همان ستون ها می باشد است . در طراحی استراکچرهای بتنی با توجه به ماهیت وجودی اجزای بتنی معمولا و بطور متعارف کلیه اتصالات اجزای سازه مانند تیرها و ستون ها در محل اتصال به یکدیگر و تکیه گاه ها و محل اتصال ستون ها به فونداسیون گیردار یا صلب می باشد . این به معنی عدم هیچگونه آزادی عملی در اجزای سازه ای در محل اتصال آنها به یکدیگر مانند چرخش و دوران و پیچش و جابجایی در راستای قائم و افق می باشد . بنابراین به این ترتیب یک تیر بتنی معمولا در جای قرارگیری خود از دو طرف به ستون ها که همان تکیه گاه های خویش می باشد فیکس شده است.

بتن آرمه 

یک تیر بتنی تشکیل شده از بتن و میلگرد که به آن سازه بتن آرمه می گویند . میلگردهای اصلی و طولی یک تیر نقش مقاوم در برابر کشش را داشته و بتن موجود در تیر نقش فشاری را بازی می کند بدین ترتیب کنش و اندر کنش منطقی بین بتن و میلگرد یک عضو بتنی مانند تیر وجود دارد . زمانی که باری بر روی تیر بتنی اعمال می گردد در اثر بار اعمال شده تیر بتنی دچار خمش شده و متناسب با میزان بار وارده نرخ خمش نیز افزایش می یابد. وظیفه مقابله با خمش تیر بتنی و جلوگیری از متلاشی شدن تیر بتنی و انتقال نیروی آن به تکیه گاه ها بر عهده میلگردهای طولی می باشد. 
بتن نیز سهمی در جلوگیری از خمش بیش از حد تیر داشته اما در بخش فوقانی آن این نقش را بازی می کند. به این ترتیب که با مقاومت در برابر فشرده شدن بتن در وسط دهانه تیر و سختی آن بخش از تیر افزایش یافته و با یک بالانس و همان کنش و اندر کنش با میلگردهای تحتانی نیرو و بار وارده از تیر به تکیه گاه ها منتقل شده و تیر موفق به انجام نقش خویش که همان انتقال نیرو از روی خود به طرفین می باشد خواهد شد.
حال چنانچه به هر دلیلی این بالانس یا توازن ما بین بتن و میلگرد طولی به هم بخورد و یکی از دو مواد موجود در تیر بتنی نتوانند نقش خود را به خوبی ایفا نمایند تیر بیش از اندازه دچار خمش شده و خیز آن افزایش یافته و بدنبال آن ترکهایی در قسمت تحتانی رخ میدهد که با بحرانی تر شدن اوضاع دچار شکست شده و در نهایت فرو میریزد و از انتقال بار خود به تکیه گاه ها عاجز می ماند و دیگر نمی تواند نقش خود را انجام دهد . 

پیشنهاد مقاله : بهسازی و مقاوم سازی تیر بتنی

عوامل ایجاد خیز بیش از حد و ایجاد ترک در تیرهای بتنی 

بنابراین هر دو ماده اصلی تشکیل دهنده یک تیر بتنی که همانا فولاد و بتن می باشند باید به لحاظ مقاومت و میزان در حد مناسب در تیر وجود داشته باشد . یکی از عوامل اصلی و مهم در بوجود آمدن خیز بیش از حد و بدنبال آن ایجاد ترک در تیرهای بتنی ضعف عملکرد میلگردهای طولی می باشد که بیانگر کمبود میلگرد در تیر خواهد بود . حال این کمبود میلگرد در تیر به دلایل مختلفی رخ می دهد ، از جمله ضعف طراحی که ناشی از عملکرد ضعیف مهندس طراح و محاسب سازه بتنی بوده و نتوانسته بدرستی بارهای وارده بر تیر مورد نظر و کفایت تحمل بارهای وارده توسط تیر و میزان میلگردهای مورد نیاز را برآورد نماید . در نتیجه به هنگام اجرای سازه بتنی و تیر مورد نظر کمتر از میزان مورد نیاز میلگرد در تیر بکار گرفته می شود که بعد از زیر بار رفتن تیر مورد نظر و اعمال بارهای سرویس یا بحرانی دچار شکست می گردد .

عامل دیگر در کمبود میلگرد در تیر بتنی کم کاری پیمانکار اجرای اسکلت و به اصطلاح آرماتوربند می باشد که چنانچه مهندس ناظر و مجری پروژه بازدید و بررسی مناسبی از پروژه نداشته باشند بنا به بدلایلی اسکلت کار از قرار دادن تعداد میلگردهای مورد نیاز طبق نقشه سرباز زده و در جهت سهولت کار یا اهمال کاری تعداد میلگردهای مورد نیاز در تیر بتنی را مطابق با نقشه های سازه کار نمی گذارد . از دیگر  عوامل عدم انطباق و سنخیت تعداد و سایز میلگردهای مورد نیاز در یک تیر و عرض در نظر گرفته شده برای تیر بتنی مورد نظر می باشد که در این حالت چنانچه مهندس طراح تجربه لازم در انتخاب سایز میلگرد و ابعاد تیر بتنی نداشته باشد این اتفاق خواهد افتاد و پیمانکار اجرای اسکلت لاجرم نسبت به حذف تعدادی از میلگردها اقدام می نماید . از دیگر عوامل در کمبود میلگردهای یک تیر می توان تغییر در کاربری ساختمان و یا اضافه کردن تعداد طبقات پروژه و اعمال بارهایی بیش از میزان در نظر گرفته شده نام برد که منجر به کمبود میلگرد در تیر می شود.

پیشنهاد مقاله : مدیریت پیمان چیست؟

همان طور که در بالا به آن اشاره شد به غیر از میلگرد بتن نیز نقش مهمی در عملکرد و ظرفیت باربری تیر دارد و مقاومت فشاری بتن اجرا شده در سازه و تیر بتنی پارامتر بسیار مهمی در توانایی حمل بارهای وارده به تیر می باشد. از آنجایی که تولید بتن و عمل آوری آن به همراه کیورینگ و نگهداری از آن بسیار مهم می باشد. لذا چنانچه در هر از مراحل فوق کوتاهی صورت گیرد بتن اجرا کیفیت لازم را نداشته و در ارتباط با کنش و اندر کنش با میلگرد دچار ضعف شده و در برابر بارهای وارده منجر به خمش بیش از حد و خیز نامتعارف و در نهایت شکست خواهد شد.

البته بحث آسیب های وارده به تیرهای بتنی و ایجاد ترک های قابل توجه فقط مختص بارهای خمشی اعمال شده به تیر نمی باشد و در خیلی از موارد ضعف تیرهای بتنی می تواند ناشی از تنش‌های برشی و یا پیچشی در آن باشد. در این حالت باید حتما ضعفهایی از این قبیل را رفع و با تقویت و مقاوم سازی تیرهای بتنی ظرفیت برشی و پیچشی تیر را بقدر کفایت افزایش داد . البته ذکر این نکته خالی از لطف نیست که زمانی که تیر بتنی دچار ضعف خمشی می گردد و بنا بدلایلی مانند کمبود مقاومت فشاری بتن یا عدم طراحی صحیح تیر مورد نظر و یا کمبود میلگرد در تیر دچار ضعف و در نهایت ترک های خمشی می گردد ، حتما باید وضعیت کفایت تیر بتنی به لحاظ تحمل ظرفیت برشی و احیانا پیچشی تیر مورد کنترل و بررسی قرار گیرد. زیرا معمولا تیرهایی دچار ضعف و مشکل خمشی می گردند و در ناحیه خمشی آنها که عموما وسط دهانه تیر می باشد که دهانه تیر بلند باشد و وقتی که تیری دارای دهانه بلند می باشد به معنای سهم بیشتر بارگیری بوده و بار زیادی بر تیر مورد نظر وارد می گردد.

حال این بار زیاد می بایست از دو سر تیر به سمت تکیه گاه رفته و به ستون های ساختمان منتقل گردد. در نتیجه تبدیل به نیروی برشی زیادی در ناحیه تکیه گاهی شده و چنانچه تیر بتنی مذکور مشکل کمبود مقاومت فشاری بتن داشته باشد ، از آنجایی که بتن در ناحیه تکیه گاهی نقش برشی را ایفاء می نماید لذا در این حالت بدلیل جریان نیروی زیاد و ضعف مقاومت فشاری بتن تیر ، در این ناحیه تیر بتنی دچار ترک هایی از نوع برشی می گردد . البته چنانچه کمبود میلگرد و ضعف اجرای مناسب و اصولی خاموت ها هم وجود داشته باشد وضع به مراتب بدتر خواهد شد و حتی اگر کیفیت بتن نیز در حد مطلوب باشد ، عدم اجرای صحیح خاموت گذاری و رعایت فواصل آن در ناحیه تکیه گاهی می تواند باعث ایجاد ترک های برشی و در نهایت شکست تیر در ناحیه تکیه گاهی گردد .

تقویت و مقاوم سازی تیرهای بتنی ضعیف و آسیب دیده

در خصوص تقویت و مقاوم سازی تیرهای بتنی ضعیف و آسیب دیده که نیازمند تقویت و مقاوم سازی می باشد راه های مختلفی وجود دارد که مهندس طراح مقاوم سازی باید با در نظر شرایط اجرا و چگونگی تقویت تیر و امکان سنجی انجام کار و نیز در نظر گرفتن صرفه اقتصادی و مدیریت زمان اجرای کار روش و نوع تقویت و مقاوم سازی تیرهای بتنی را انتخاب نماید . از روشهای متداول تقویت و مقاوم سازی تیرهای بتنی می توان استفاده از ژاکت فولادی ، ژاکت بتنی و  الیاف FRP نام برد . در میان روشهای ذکر شده استفاده از الیاف FRP روشی نوین و امروزه می باشد و بدلیل سهولت اجرا سرعت انجام کار و عدم آسیب زدن به تیر مورد نظر روشی مطلوب و انقلابی در امر مقاوم سازی ابنیه بتنی می باشد . البته همانطور که هر روشی مزایایی دارد این روش نیز دارای معایبی می باشد .

از معایب این روش نیاز به محاسبات دقیق و آشنایی با روش های محاسبات FRP توسط مهندس طراح می باشد که متأسفانه معدود مهندسینی مهارت لازم در محاسبه تقویت و مقاوم سازی تیرهای بتنی دارند . از جمله معایب طراحی جهت تقویت تیرهای بتنی ضعیف و نیازمند تقویت با استفاده از الیاف FRP محدودیت آیین نامه ای در خصوص حداقل مقاومت فشاری بتن جهت نصب الیاف FRP می باشد . طبق نشریه ۳۴۵ طراحی اجزای سازه ای بتنی مقاومت فشاری بتن اجرا شده در تیرهای بتنی نباید کمتر از ۱۷ مگاپاسکال باشد . زیرا عملکرد FRP در تقویت خمشی تیر بتنی انتقال برش میان صفحه ای ما بین الیاف FRP  و سطح بتن می باشد که با بکار بردن چسب های اپوکسی جهت چسباندن شیت های الیاف FRP بر روی سطوح بتن نیروی برشی میان صفحه ای به الیاف FRP منتقل می گردد . در نتیجه چنانچه مقاومت فشاری بتن از  حد مشخص شده در آیین نامه طراحی با FRP کمتر باشد عملا برش میان صفحه ای مد نظر قابلیت انتقال از بتن به الیاف FRP را نداشته و الیاف FRP از سطح رویی بتن جدا می گردد .

جهت تقویت و مقاوم سازی تیرهای بتنی با استفاده از الیاف FRP با انجام محاسبات مورد نیاز فقط بخشهایی از سطح فوقانی و یا تحتانی تیر بتنی نیاز به تقویت داشته و معمولا کلیه سطوح فوقانی و تحتانی تیرهای بتنی نیاز به نصب الیاف FRP نخواهند داشت. بطور مثال زمانی که یک تیر بتنی دارای کمبود مقاومت فشاری در بتن می شود با انجام محاسبات مجدد و کنترل تیر مورد نظر جهت تحمل بارهای وارده دچار کمبود میلگرد در بخشهای خمشی می گردد . این کمبود به نحوی می باشد تا بتواند بالانس کمبود مقاومت فشاری بتن را جبران نماید در نتیجه با وجود اینکه تیر دچار کمبود مقاومت فشاری در بتن می باشد اما می توان با افزایش میلگرد های طولی در تیر کمبود مقاومت فشاری بتن را جبران نمود . البته این موضوع دارای حد و حدودی بوده و تناسبی بین آن باید برقرار باشد. جهت جبران کمبود میلگرد ناشی از پایین بودن مقاومت فشاری بتن می توان از الیاف FRP در بخشهای دارای کسر میلگرد استفاده نمود .

بنابراین معمولا محل هایی الیاف FRP نصب می گردد که در یک تیر میلگردهای تقویتی نیاز است . مثلاً در زیر تیر در وسط دهانه یا قسمت فوقانی تیر در نزدیک تکیه گاه که میلگردهای تقویتی کارگذاشته می شود . این میلگردها به عنوان میلگردهای ممان منفی نامیده می شود و در ناحیه نزدیک به ستون ها و در قسمت فوقانی تیر می باشد . بزرگترین معضل تقویت تیرهای بتنی با استفاده از الیاف FRP در تقویت سطح فوقانی تیر می باشد که همان در بخش ممان منفی است و در محل اتصال به ستون اجرا می شود. این مشکل بدین صورت است که در اتصالات گیر دار که عموما در اکثر سازه های بتنی وجود دارد ، ماکزیمم لنگر در قسمت های انتهایی تیرها بوده و علاوه بر لنگر نیروی برشی هم ماکزیمم می باشد . معنی آن این است که بیشترین تلاشی نیروها در همین قسمت و درست در محل تلاقی تیر به ستون می باشد . بنابراین همان جایی که بیشترین نیروها و تنش های ناشی از بارهای وارده در تیر وجود دارد الیاف FRP قطع می گردد . بنابراین برای رفع این معضل باید با استفاده از مکانیزم هایی مانند نصب نبشی کنج و اسلیور هایی از جنس FRP تلاش کرد تا لنگرها و نیروها را به الیاف FRP منتقل نمود . اما در تقویت بخش تحتانی تیرهای بتنی چون وسط دهانه می بایست تقویت گردد لذا با در نظر گرفتن ناحیه آزاد می توان طول محاسباتی بدست آمده برای نصب FRP را اضافه نمود و براحتی تیر و کمبود میلگرد در این ناحیه را جبران نمود. 

پیشنهاد مقاله : انواع الیاف FRP در مقاوم سازی ساختمان

در خصوص تقویت تیر بتنی با استفاده از ژاکت فولادی که روشی قدیمی می‌باشد به جای استفاده از الیاف FRP از ورق های فولادی استفاده شده و کمبود میلگرد محاسبه شده بصورت کامپوزیت محاسبه گردیده و با محاسبه ضخامت ورق فولادی می توان تیر را تقویت نمود .البته بدلیل اینکه ورق های فولادی باید به توسط رادهای فولادی به تیر بتنی متصل گردد سوراخکاری تیرهای بتنی خود معضلی بوده و باعث آسیب به تیرهایی که دارای ضعف می باشند می گردد . همچنین بدلیل عدم وجود چسبندگی سطحی کامل ما بین سطح ورق فولادی و سطح بتن نیروی برش میان صفحه ای مابین ورقهای فولادی و سطح بتن فقط بتوسط سطح مقطع رادهای فولادی انتقال داده شده و باید تعداد و قطر رادهای بکاررفته محاسبه شده تا بتواند کفایت انتقال برش را داشته باشد. در هر صورت در این روش نیز مانند روش تقویت تیر با الیاف FRP در بخش تقویت قسمت فوقانی و در محل اتصال به تکیه گاه وجود داشته و می بایست همان تمهیدات را جهت انتقال لنگرهای موجود در ناحیه اتصال را در نظر گرفت .

این نکته مهم را باید در نظر داشت که در کنار تقویت خمشی تیرهای بتنی حتما نیاز به کنترل ظرفیت برشی تیر هم خواهد بود و معمولا تیرها نیاز به تقویت برشی نیز خواهند داشت. در روش تقویت و مقاوم سازی تیرهای بتنی با استفاده از روش ژاکت بتنی موضوع خیلی فرق می کند . معمولا زمانی از این روش استفاده می شود که مقاومت فشاری بتن تیر بسیار پایین بوده و علاوه بر پایین بودن مقاومت فشاری بتن تیر مورد نظر دچار کمبود میلگرد هم می باشد . لذا با تقویت به روشهای قبلی مانند استفاده از الیاف FRP و بکارگیری روش ژاکت فولادی جوابگوی کار نباشد. البته استفاده از این روش بسیار دچار و تکنیکی بوده و می بایست تمهیدات ویژه ای بدین منظور در نظر گرفت و حتی شاید نیاز به تخریب بخش هایی از تیر بتنی باشد . در روش تقویت تیر با ژاکت بتنی جهت اتصال بتن موجود با بتن ریزی جدید می بایست سطح بتن موجود مضرس گردیده و بر روی بتن موجود برشگیرهایی تعبیه نمود تا انتقال برش درون صفحه ای ما بین بتن موجود و بتن جدید انجام گیرد. همچنین استفاده از افزودنی روان کننده یا فوق روان کننده در این روش الزامی بوده و جهت اجرای کار نیروی فنی با تجربه کافی مورد نیاز است.