مقاوم سازي و تقويت سازه هاي بتني ، فلزي و بنايي با الياف FRP ، ژاكت فلزي و بتني

مقاوم سازي و تقويت سازه هاي بتني ، فلزي و بنايي با الياف FRP ، ژاكت فلزي و بتني 

سازه هاي بتني به صورت كلي و يا جزئي مانند تير ، فونداسيون ، ستون ، سقف ، ديوار برشي و ... ، بنا به دلايل مختلف از جمله اشتباهات طراحي ، اشتباهات اجرايي ، عمر بالاي سازه ، تغييرات در كاربري سازه ها ، تغيير آيين نامه ها ، افزايش طبقات ، حوادث بهره برداري مانند زلزله و ... ، شرايط محيطي ، نيازمند تعمير و تقويت مي باشند.

امروزه روشها و استاندارد هاي مختلفي چه داخلي و چه بين المللي براي تقويت و مقاوم سازي سازه ها وجود دارد. هر كي از اين روش ها داراي مزايا و معايبي مي باشند كه مي توانند در شرايط خاص پروژه موثر باشند.

كلينيك فني و تخصصي بتن ايران ، با اتكا به چدين سال تجربه تخصصي در تعمير و تقويت سازه هاي بتني اقدام به ارائه خدمات در زمينه تعمير و مقاوم سازي سازه ها ي بتني و فلزي و بنايي مي نمايد. شما مي توانيد براي مشاروه و اجراي پروژه هاي مختلف تعميراتي و تقويت تير ، ستون ، دال ، فونداسيون و ديوار برشي با انواع روش هاي رايج با بخش فني و مهندسي كلينيك فني و تخصصي بتن ايران ( 44618462-44618379-09128889641 ) تماس حاصل فرماييد.

مقاوم‌سازي لرزه‌اي  سازه‌هاي بتني با الياف FRP

وقوع زلزله‌هاي اخير در كشورمان كه موجب ايجاد خرابي‌هاي بسيار و نيز از دست‌رفتن جان بسياري از هموطنان گشت، نشانگر وسعت زياد آسيب‌پذيري و وجود ضعف‌هاي بسيار در ساختمان‌هاي موجود بود. لذا انجام مقاوم‌سازي و بهسازي لرزه‌اي براي اكثر ساختمان‌ها امري ضروري مي‌باشد و بايستي سريعاً به انجام مطالعات آسيب‌پذيري ساختمان‌ها پرداخت تا از تكرار فاجعه‌اي ديگر جلوگيري نمود. اين مقاوم‌سازي براي سازه‌هاي مختلف انجام مي‌گيرد و از ميان آنها سازه‌هاي بتني از اهميت ويژه‌اي برخوردار است چرا كه بسياري از ساختمان‌هاي مسكوني ايران با اين اسكلت بنا شده‌اند. مقاوم‌سازي سازه‌هاي بتني با سه رويكرد مختلف اضافه‌كردن عضو جديد، ترميم با تقويت موضعي و يا استفاده از سيستم‌هاي هيبريدي جديد انجام مي‌گيرد. شناخت FRP ، فيبرها و رزين‌هاي تشكيل‌دهنده آن، به دليل وسعت كاربرد و اهميت آن‌ها در فرآيند مقاوم‌سازي، در كسب دانش مقاوم‌سازي بسيار مهم‌اند. از جمله كاربردهاي FRP مي‌توان به تقويت ديوارهاي بتن‌آرمه، تقويت ديواره تونل‌ها، تقويت لوله‌هاي بتني يا فولادي، تقويت ديوارهاي آجري و مصالح سنتي، ساخت ديوارهاي ساحلي، سقف‌هاي پشت‌بام‌هاي صنعتي، نشمين‌گاه تجهيزات راكتورها، سيستم دال كف در محيط‌هاي خورنده شيميايي، مرمت و تقويت سازه‌هاي مهمي چون بيمارستان‌ها، آثار باستاني و غيره اشاره كرد. 

در باب تاريخچه مقاوم‌سازي مي‌توان گفت كه پس از زلزله 1971 سانفرناندو در كاليفرنيا، زلزله 1989 لوما پريتا در سانفرانسيسكو، زلزله نورثريج در سال 1994 و زلزله 1995 كوبه، تغييرات عديده‌اي در آيين‌نامه طراحي لرزه‌اي به خصوص در مناطق با لرزه‌خيزي بالا به‌وجود آمد. سازه‌هاي بتن‌آرمه موجود براي بارهاي گرانشي و بارهاي جانبي كمتر از آيين‌نامه‌هاي اخيراً طراحي‌شده بودند و مشكلاتي چون عدم هم‌پوشاني و پيوستگي آرماتورهاي طولي تيرها و ستون‌ها، فواصل زياد آرماتورهاي عرضي و سنجاقي‌ها و خاموت‌هاي باز با خم 90 درجه، كيفيت اجراي نامطلوب اعضاي باربر، ازدحام آرماتورها در محل اتصالات، عدم تأمين پوشش كافي، فقدان محصورشدگي در ناحيه مفصل خمشي و ... در پيكربندي و جزئيات سازه‌هاي طراحي‌شده قبل از سال 1970 به وضوح ديده مي‌شد. تا اين‌كه در دهه 90 ميلادي اداره فدرال مديريت شرايط اضطراري FEMA بر اثر تحقيقات انجام‌شده اقدام به ارزيابي لرزه‌اي و روش‌هاي تقويت سازه‌هاي موجود نمود و نتايج اين تحقيق را در قالب آيين‌نامه‌هايي ارائه داد، چرا كه تا آن زمان بيشتر ساختمان‌هاي ساخته‌شده در ايالات متحده امريكا، در برابر زلزله ايمن نبودند.

متأسفانه بسياري از ساختمان‌هاي موجود در كشور ما نيز، از مقاومت كافي در برابر نيروهاي زلزله برخوردار نيستند؛ كه اين امر خرابي ناشي از زمين‌لرزه‌هاي آتي را تشديد خواهد كرد. براي جلوگيري از بروز چنين خسارت‌هايي، يك‌ راه‌حل منطقي و اقتصادي، مقاوم‌سازي ساختمان‌هاي موجود است. شناخت ساختمان‌هاي آسيب‌پذير در برابر زلزله مرحله پيشين و بسيار مهم در جهت مقاوم‌سازي است، ‌خصوصاً در ميان ساختمان‌هاي چهار طبقه غيرايمن، كه بيشترين ميزان خرابي را در هنگام زلزله دارند، و متأسفانه بخش زيادي از بافت مسكوني كلانشهرهاي ما، خصوصاً تهران، را تشكيل مي‌دهند. بعد از شناسايي سازه آسيب‌پذير، عمليات مقاوم‌سازي آغاز مي‌شود. در تعريف مقاوم‌سازي مي‌توان گفت «مقاوم‌سازي به مجموعه عملياتي گفته مي‌شود كه روي يك قسمت از سازه يا تمامي آن انجام مي‌شود تا سازه بتواند بارها و سَربارهاي بيشتري را نسبت به حالت اوليه تحمل نمايد و خصوصيت‌هاي رفتاري بهتري را از خود نشان‌دهد»[i].

بسياري از سازه­هاي بتني به دلايل: خطاهاي محاسباتي، اشتباه در ساخت و اجرا، ضعف آيين نامه­هاي قديمي، تغييركاربري سازه و بارهاي بهربرداري وارد به سازه، خوردگي و زنگ‌زدگي آرماتورها و .....، ضوابط آيين‌نامه­هاي جديد را ارضا نمي­كنند؛ لذا ارائه روش‌هاي مقاوم‌سازي و بهسازي و تعمير برايچنين سازه­هايي لازم است. از ميان تمامي شيوه‌هاي مقاوم‌سازي سازه‌هاي بتني، امروزه در دنيا به مقاوم‌سازي از طريق FRP توجه ويژه‌اي مي‌شود. در اين تحقيق نيز هدف اصلي آشنايي با اين نوع مقاوم‌سازي است.

بخش اول: مباني 

به طور كلي فرايند بازسازي كلي يا محلي سازه­اي به سه بخش اصلي مقاوم‌سازي، بهسازي و تعمير تقسيم مي‌شود.

1- معيارهاي مقاوم‌سازي لرزه‌اي

به‌طور كلي در بازسازي و مقاوم‌سازي سازه‌ها بايستي به پارامترهاي زير توجه داشت:

افزايش مقاومت، افزايش سختي، كاهش تغيير مكان، افزايش شكل‌پذيري، افزايش زوال و استهلاك انرژي آزادشده زلزله

2-كنترل رفتار اعضاي سازه‌اي

هر سازه به مثابه يك زنجير مي‌باشد كه اعضاي تشكيل‌دهنده آن شبيه حلقه‌هاي زنجير هستند كه مي‌توانند شكل‌پذير، ترد و نيمه شكل‌پذير باشند. اگر آنها را به دو دسته شكل‌پذير و شكننده تقسيم‌ كنيم اعضايي كه ترد هستند فلسفه طراحي‌شان بر اساس عملكرد، اعضاي شكل‌پذير بر اساس كنترل تغيير شكل و اعضاي ترد و شكننده براساس كنترل نيرو قرار مي‌گيرد.

3-هدف از بهسازي و مقاوم‌سازي لرزه‌اي

اين اهداف در موارد زير برشمرده مي‌شوند:

-        تأمين مقاومت در برابر زلزله‌هاي خفيف بدون هيچ‌گونه آسيب‌ديدگي

-        تأمين مقاومت در برابر زلزله‌هاي متوسط بدون هيچ‌گونه آسيب سازه‌اي ولي احتمال برخي خسارت‌هاي غير سازه‌اي وجود دارد.

-        تأمين مقاومت در برابر زلزله شديدي كه در محل سازه قبلاً رخ داده و يا قابليت وقوع دارد البته بدون فروريزي، ولي با اين‌حال احتمال خسارت‌هاي سازه‌اي و غيرسازه‌اي وجود دارد.

4-گام‌هاي كلي در فرآيند بهسازي و مقاوم‌سازي

-        مباني بهسازي و مقاوم‌سازي و تعيين سطوح عملكرد

-        انتخاب روش تحليل

-        انتخاب روش مقاوم‌سازي

4-1-مباني بهسازي و مقاوم‌سازي و تعيين سطوح عملكرد

4-1-1-تعيين مشخصات ساختمان

در اين مرحله پيكربندي سازه از نظر معماري و از نظر سازه‌اي بررسي مي‌شود و خواص مهندسي مصالح به كار رفته و نحوه استقرار اعضاي سازه‌اي و اتصال آنها به يكديگر مورد ارزيابي قرار مي‌گيرد.

4-2-1- تعيين مشخصات ساختگاه

وضعيت ساختگاه از نظر شرايط زيرسطحي و سطحي چون نوع خاك، طبقه‌بندي لايه خاك، وضعيت شالوده، سرعت امواج طولي و برشي و ... از طريق بررسي‌هاي ميداني و آزمايش‌هاي لازم مشخص گردد.

4-1-3-بررسي ساختمان‌هاي مجاور

احتمال برخورد سازه‌هاي مجاور با سازه هدف در هنگام وقوع زلزله بررسي شود.

4-2-تعيين سطح عملكرد مورد انتظار

سطوح عملكرد بر اساس سطح آسيب و سطح خطر لرزه‌اي (دو جزء اصلي آن) انتخاب مي‌گردد و براي عملكرد هر ساختمان هنگام زلزله بايد سطح خطر را دانست، بنابراين سطح هر آسيب بايد متناظر با سطح خطر باشد. عملكرد لرزه‌اي نيز عبارت است از تعيين حداقل خسارت مجاز (سطح عملكرد) براي پذيرش خطر لرزه‌اي معين (حركت زمين ناشي از زلزله) كه داراي چهار سطح عملكرد اصلي و دو سطح مياني است.

سطوح عملكرد اصلي عبارتند از:

-        قابليت استفاده بي‌وقفه Fully Operational/ Immediate Occupancy

-        ايمني جاني Life Safety/ Operational

-        آستانه فروريزش  Near Collapse

-        لحاظ‌نشده (تعيين‌نشده)  

سطوح عملكرد مياني عبارتند از:

-        خرابي محدود Limited Collapse

-        ايمني جاني محدود Limited Life Safety

سطح عملكرد هدف به دو دسته تقسيم مي‌شود:

-        سطح عملكرد سازه‌اي Structural Performance Level

-        سطح عملكرد غيرسازه‌اي Non-Structural Performance Level

سطوح مختلف خطر زلزله

سطوح مختف خطر زلزله كه ناشي از نوع حركت زمين است عبارت است از:

• سطح خطر 1- مترادف با زلزله سطح طراحي (Design Base Earthquake) DBE

برمبناي سطحي از لرزش‌هاي زمين است كه احتمال وقوع زلزله‌اي بزرگ‌تر از آن در 50 سال برابر 10 درصد،‌دوره بازگشت آن 475 سال ‌باشد. اين زلزله مترادف با زلزله استاندارد آيين‌نامه 2800 است.

• سطح خطر 2- مترادف با بيشينه زلزله محتمل (Maximum Probable Earthquake) MPE

اين سطح خطر براساس 2 درصد احتمال رويداد در 50 سال تعريف مي‌شود؛ كه دوره بازگشت متوسط آن 2475 سال است.

• سطح خطر انتخابي:  معرف زلزله‌اي با هر احتمال رويداد در 50 سال مي‌باشد.
• زلزله سطح بهره‌برداري SE (Serviceability Earthquake): زلزله خفيف يا متوسط است كه احتمال وقوع آن در 50 سال بزرگ‌تر از 50 درصد مي‌باشد. دوره بازگشت زلزله سطح بهره‌برداري تقريباً 75 سال است. اين زلزله عموماً در حدود نصف زلزله سطح طراحي است.
• زلزله بيشينه ME (Maximum Earthquake) : بيانگر سطحي از لرزش‌هاي زمين است كه احتمال وقوع زلزله بزرگ‌تر از آن در 50 سال برابر 50 درصد است.
• طيف طرح استاندارد : مترادف با سطح خطر 1 با ميرايي 5 درصد در استاندارد 2800 ايران براي 4 نوع زمين به عنوان طيف طرح استاندارد ارائه شده‌است.

طيف طرح ويژه ساختگاه

بر مبناي تحليل خطر ويژه‌اي براي بهسازي ويژه مورد استفاده قرار مي‌گيرد و به چند عامل كه عبارتند از شرايط ساختگاه، بزرگي زلزله، فاصله گسل تا ساختگاه، نوع خاك و رابطه كاهندگي مربوط به روش برآورد سطح خطر بستگي دارد. براي تحليل خطر ويژه بايد گسل‌هاي فعال در اطراف ساختگاه و تا شعاع 100 كيلومتري تعيين گردند. سطوح مقاوم‌سازي به چهار دسته تقسيم مي‌شود:

1-     بهسازي و مقاوم‌سازي محدود: مقاوم‌سازي تحت اثر زلزله‌اي خفيف‌تر از سطح خطر 1 باشد به‌طوري كه ايمني جاني ساكنين تأمين گردد.

2-     بهسازي و مقاوم‌سازي مبنا: مقاوم‌سازي تحت اثر زلزله سطح خطر 1 است به طوري‌كه ايمني جاني ساكنين تأمين گردد.

3-     بهسازي و مقاوم‌سازي مطلوب: هدف اين است كه مقاوم‌سازي مطلوب تأمين شود، ثانياً ساختمان مقاوم‌شده تحت اثر زلزله فرو نريزد.

4-     بهسازي و مقاوم‌سازي ويژه: در اين سطح سازه مي‌بايست عملكرد بهتري نسبت به سطح بهسازي مطلوب داشته‌باشد.

4-3-مباني و روش‌هاي تحليلي

1-روش استاتيكي خطي

2-روش ديناميكي خطي

3-روش استاتيكي غيرخطي

4-روش ديناميكي غيرخطي

4-4-انتخاب روش مقاوم‌سازي

عوامل متعددي در انتخاب تكنيك مقاوم‌سازي تأثير دارند كه در زير به بخشي از آنها مي‌پردازيم[ii]

1-«ارزش سازه در مقابل اهميت سازهCost versus importance of structures

2-نيروي انساني موجودAvailable workmanship

3-طول مدت اجرا يا زمان عدم‌استفادهDuration of work/ disruption of use

4-تكميل و تقويت براساس عملكرد موردنظر كارفرماFulfillment of the performance goals of owner

5-توجه به تناسب زيبايي‌شناسي (معماري) نقش سازه‌اي و تكميل سازه موجود

Functionally and aesthetically compatible and complementary to the existing structures

6-تداخل برگشت‌پذيري Reversibility of intervention

7-كنترل كيفي سطح عملكرد Performance level of quality control

8-اهميت تاريخي و سياسي سازهPolitical and historical significance

9-سازگاري روش مقاوم‌سازي با سيستم سازه‌اي موجود

Structural compatibility with the existing structural system

10-نامنظمي در سختي، مقاومت و شكل‌پذيريIrregularity of stiffness strength and ductility

11-كنترل آسيب وارده به اجزاي غيرسازه‌ايControlled damage to non-structural components

12-ظرفيت مناسب باربري سيستم فونداسيون Sufficient capacity of foundation system

13-مواد ترميمي و روش موحود و ممكن مقاوم‌سازي» Repair materials and technology available

5-مراحل مقاوم‌سازي

1-گردآوري اطلاعات در مورد مشخصات سازه

2- تحليل سازه‌اي ساختمان آسيب‌پذير

3-طراحي تقويت سازه در صورت نياز

4-تهيه نقشه‌هاي طرح تقويت

5-1-گردآوري اطلاعات در مورد مشخصات سازه

الف- نقشه‌هايي شامل جزئيات لازم در مورد سيستم سازه‌اي و نحوه آرماتورگذاري

ب-نحوه ساخت و اطمينان از مطابقت نقشه‌هاي طراحي با اجرا

ج-كنترل كيفيت مصالح به كمك آزمايش‌هاي مخرب و غيرمخرب چون چكش اشميت، مغزه‌گيري و اولتراسونيك

د-جزئيات و نحوه آسيب‌ديدگي در پلان و ارتفاع به تفصيل

ه-كنترل طراحي و محاسبات اوليه

و-كنترل اعضاي مهم سازه‌اي نظير ديوار برشي و ستون‌ها از نظر قابليت تحمل در برابر بارهاي وارده

5-2-تحليل سازه آسيب‌پذير

الف-تخمين اطلاعات سازه‌اي: به عنوان مثال سختي اعضاء و سازه آسيب‌ديده كاهش مي‌يابد و به واسطه مقاوم‌سازي ضريب رفتار سازه تغيير مي‌كند.

ب-تعيين پارامترهاي لرزه‌اي: به عنوان مثال تعيين كردن PGA يا حداكثر شتاب زمين حين وقوع زمين‌لرزه.

ج-تحليل سيستم سازه‌اي آسيب‌ديده: به عنوان مثال استفاده از تحليل طيفي.

د-برآورد مقاومت لرزه‌اي سازه: به‌طور كلي بايد S_d ≤ R_d كه S_d اثرات عملكرد سازه‌اي روي المان سازه و R_d مقاومت طراحي همان المان سازه‌اي است كه در يك ضريب كاهنده ضرب مي‌شود.

ه-تصميم نهايي براي ترميم يا تقويت: چناچه شاخص مقاومت  براي عضوي بزرگ‌تر از 8/0 باشد، آن عضو فقط يك‌سري ترميم لازم خواهد داشت و اعضايي كه در آنها شاخص مقاومت كمتر از 8/0 مي‌باشد بايد تقويت گردند. تصميم در مورد تقويت كل سازه، مثلاً اضافه‌ كردن يك‌سري المان ديگر برمبناي درصد اعضايي كه به تقويت نياز دارند يا بر اساس نسبت برش باقيمانده به برش پايه‌اي كه سازه بايد تحمل كند، بر مبناي آيين‌نامه‌هاي مختلف تعيين مي‌گردد.

5-3-طراحي تقويت سازه

الف-طراحي اوليه

-        انتخاب بهسازي و مصالح موردنياز و محل اعضايي كه بايد تعمير، تقويت و يا به سازه اضافه شوند.

-        تخمين اوليه ابعاد قسمت‌هاي اضافه‌شده

-        تخمين اوليه سختي اعضاي تقويت‌شده

-        تخمين اوليه از ضريب رفتار برحسب انعطاف‌پذيري موضعي و كلي

ب-طراحي مجدد سازه

-        تعيين مشخصات بارهاي لرزه‌اي

-        تعيين اثرات بارهاي اعمالي (محاسبه تنش‌ها-تغيير مكان‌ها) با در نظرگيري سختي سختي اصلاح‌شده و باز توزيع نامناسب احتمالي اثرات بار در نتيجه گسترده و سنگين

ج-ضريب اطينان

-        انتخاب مدل رفتاري اعضاي ترميم يا تقويت‌شده

-        انتخاب ضريب ايمني مصالح مصرفي

-        محاسبه مقاومت طراحي

-        نامساوي S_d ≤ R_d براي بارگذاري لرزه‌اي و غيرلرزه‌اي در 2 حالت حدنهايي و بهره‌برداري

5-4-تهيه نقشه‌هاي طرح تقويت

بايد كليه اعضاي جديد و اعضايي جديد و اعضايي كه احتياج به ترميم و تقويت دارند، با جزئيات كامل ترسيم شوند و ميزان و محل آسيب بايد در نقشه‌هاي طرح تقويت مشخص شده و محل‌هاي تقويت و شيوه انجام تقويت توضيح داده شود.

5-5-برآورد هزينه

كاري بسيار پيچيده و مشكل‌تر از متره و برآورد احداث ساختمان جديد است.

6-معيارهاي حاكم بر مقاوم‌سازي

6-1-معيارهاي عمومي

1-     قيمت اوليه ساختمان و قيمت طرح ترميم يا تقويت

2-     قابليت دوام جديد و قديم و نيز سازگاري فيزيكي، شيميايي و مكانيكي مصالح جديد و قديم

3-     فراهم بودن تجهيزات، امكانات و نيروي كار

4-     امكان كنترل كيفيت

5-     پر يا خالي از سكنه بودن ساختمان

6-     مدت زمان انجام كار ترميم يا تقويت

7-     زيبايي طرح

8-     حفظ هويت معماري،‌ براي ساختمان‌هاي باستاني

6-2-معيارهاي فني

1-     براي ساختمان‌هاي بسيار نامنظم، بايد تا حد امكان به نظمي در رفتار سازه رسيد.

2-     تا حد امكان بخشي از سازه را كه پتانسيل رفتار غيرالاستيك دارد، در كل سازه توزيع كرد.

3-     بعد از تقويت بايد تمام موارد آيين‌نامه‌اي مگر در موارد محدودي كه اجازه داده مي‌شود، رعايت گردد.

4-     در نواحي بحراني، تا حد امكان بايد انعطاف‌پذيري موضعي را بالا برد.

5-     يك حداقل افزايش سختي موضعي را در قسمت‌هاي مختلف سازه به وجود آورد.

7-شيوه‌هاي مقاوم‌سازي سازه‌هاي بتن‌آرمه

روش‌هاي زيادي براي مقاوم‌سازي ارائه شده‌اندكه در اينجا به تعدادي از آنها اشاره مي‌كنيم[iii]:

1-     «استفاده از بادبندهاي هم‌محور يا برون‌محور فولاديConcentric Existence Steel Braces

2-     استفاده از كابل‌هاي پس‌تنيده و استفاده از باز توزيع نيروهاPost-Tensioned Cables

3-     استفاده از ديوار برشيShear Wall

4-     استفاده از ميان‌قاب با مصالح بناييMasonery Infilled

5-     استفاده از جداگرهاي پايه و پي‌هاي لغزشيBase Isolator

6-     استفاده از پوشش و غلاف فولاديSteel Jacketing  

7-     استفاده از ورق‌هاي پوششي يا غلاف FRP    FRP Laminates or FRP Wrapping

8-     استفاده از لايه پوشش بتني با ملات مسلح (زره پوش بتني)

9-     استفاده از ميراگرهاي اصطكاكي، هيسترزيس و ويسكو الاستيك Frictional-Hysteretic Viscoelastic Dampers

10-   استفاده از روش‌هاي تركيبي فوق

11-   محدود نمودن در استفاده از سازه يا تغيير كاربري

12-   اصلاح كلي يا موضعي اعضاي آسيب‌ديده و نديده و در صورت امكان تبديل اعضاي غيرسازه‌اي به اعضاي سازه‌اي

13-  اصلاح سيستم سازه‌اي به منظور افزايش سختي، منظم كردن سازه در پلان و ارتفاع، حذف عضو آسيب‌پذير و تغيير مناسب در پريود طبيعي ساختمان

14-  سبك‌سازي و كاهش وزن ساختمان

15-   جابجايي كامل اعضاي به شدت آسيب‌ديده يا اعضاي نامناسب»

به طور كلي روش منحصربه‌فردي براي رسيدن به پاسخ قانع‌كننده وجود ندارد و الگوهاي مقاوم‌سازي متفاوتي را مي‌توان براي تقويت يك سازه خاص به‌كار برد ولي آنچه مسلم است تكنيكي كه تغيير نسبي طبقات را بهتر كنترل مي‌كند، كارآمدتر است و به ساير روش‌ها ترجيح دارد. اين روش‌ها به سه دسته كلي تقسيم مي‌شوند:

1-تقويت سازه با اضافه كردن اعضاي جديد

2-ترميم با تقويت موضعي

3-سيستم هيبريدي جديد

بخش دوم: مقاوم‌سازي با FRP

2- تعاريف: بهسازي، تعمير

در ابتدا لازم است تعريفي از اصطلاحات كليدي بهسازي و تعمير ارائه شود كه به به شرح زير تعريف مي­شوند:

بهسازي: فرايند تغيير و اصلاح پارمترهاي طراحي با استفاده از مقطع موجود را بهسازي گويند.

تعمير:گاهي اوقات برخي از عناصر سازه­اي يا غيرسازه­اي بر اثر پديده­هايي چون آتش‌سوزي، زلزله، عبور وسايل سنگين، خوردگي آرماتورها به مرور زمان، ضربه و برخورد وسايط نقليه و نظاير آن دچار تخريب شده و نياز به تعميير و مرمت براي بدست آوردن عملكرد اوليه خود دارند.

سيستم‌هاي مركب جديد: گاهي اوقات براي بازسازي يك سازه يا يك عضو از تركيب چندين روش بازسازي يا تركيب چند روش مقاوم سازي استفاده مي­شود.

۲-1- FRP چيست ؟

اين كلمه اختصاريFiber Reinforced Polymer or Plastic   مي­باشد. «[iv]FRP نوعي ماده كامپوزيت متشكل از دو بخش فيبر يا الياف تقويتي است كه به وسيله يك ماتريس رزين از جنس پليمر احاطه شده­اند». «فيبرهاي تشكيل‌دهنده  مي­توانند در يك راستا يا دو راستاي عمود برهم قرار داشته باشند. به طور كلي FRP ها به دو شكل وجود دارند: ورقه­­هاي FRP به صورت ارتوتروپيك يا شبه ايزوتروپيك بوده يعني مدول الاستيسيته آن در جهت قرارگيري فيبر با جهات عمود بر آن متفاوت است. پوشش­هايFRP عمدتاً براي بهسازي رفتار سازه­هاي موجود يا تعمير خرابي­هاي ايجاد شده در اثر خستگي، خوردگي، فرسودگي و ... در سازه­هاي موجود به كار مي­روند. اين پوشش به وجه خارجي عضو بتن مي­چسبد. نسبت وزن به مقاومت اين مواد ۵۰ برابر بتن و ۱۸ برابر فولاد مي­باشد. انواع كامپوزيت­هاي پليمري FRP  متداول در مهندسي عمران عبارتند از الياف كربن CFRP، الياف شيشه GFRP و الياف آراميد. از محاسن كامپوزيت­هاي پليمري FRP مي­توان به وزن كم، انعطاف­پذيري بالا، راحتي در جابجايي، سرعت عمل بالا، برشكاري در قطعات دلخواه، سادگي اجرا و امكان تقويت به صورت خارجي و از معايب آن مي­توان به آسيب پذيري در مقابل آتش­سوزي و كم­تجربگي مشاوران و پيمانكاران اشاره نمود».[v]

دوام بالا، سبك وزن بودن، مقاومت مشخصه و مدول بالاي برخي از نمونه­هاي آن، مقاومت در برابر خوردگي، مقاومت در برابر شرايط محيطي و تركيبات شيميايي، نفوذ ناپذيري مغناطيسي، مقاومت در برابر ضربه، ضخامت كم، حمل‌ونقل آسان به دليل وزن كم، اجراي ساده ورقه­ها، توجيه اقتصادي براي تقويت و ترميم پروژه­هاي سنگين به عنوان مثال پلها، از جمله مزاياي استفاده از FRP در سازه­هاي بتن آرمه مي­باشد.

به طوركلي عملكرد يك كامپوزيت بستگي به عوامل مختلفي از جمله مواد سازنده آن، نسبت مواد سازنده آن، ظرفيت باربري فيبر يا الياف تقويتي و نحوه­ي قرارگيري آنها و همينطور رفتار توأم سازنده با يكديگر دارد. عملكرد فيبر تقويتي نيز  تحت تأثير عواملي چون جهت قرارگيري الياف، طول فيبر، شكل آن، تركيب آن با ماتريس و رزين و چسبندگي بين آن دو و جنس الياف قرار دارد.

۲-۱-۱-  انواع فيبرهاي تشكيل دهنده FRP :

فيبر شيشه­اي:

 اولين فيبر مهم است كه در مهندسي عمران استفاده مي­شود و به خاطر توازني كه بين قيمت و مقاومت آن وجود دارد كاربرد وسيعي پيدا كرده است. انواع آن عبارتند از:

E-Glass: نوعي فيبر شيشه­اي كه براي كارهاي الكتريكي معتبر است؛ متداول‌ترين نوع فيبر شيشه­اي موجود در بازار است داراي مدول الاستيسيته E=70Gpa و مقاومت نهايي و حداكثر كرنش نهايي دارد.E-Glass  از سيليكات آلومينيم كلسيم بدست مي­آيد. 80 تا 90 درصد توليدات GFRP را تشكيل مي­دهد و كم‌ترين مقدار مواد قليايي در تركيب آن به كار رفته است.

Z-Glass: اين نوع الياف مقاومت بسيار زيادي در برابر محيط‌هاي قليايي دارند و به صورت اليافي براي مسلح كردن بتن آرمه به كار مي­رود.

A-Glass:  نوعي فيبر شيشه­اي است كه درصد مواد قليايي به كار رفته در تركيب آن زياد است و امروزه از چرخه توليد خارج شده است.

فيبر پرمقاومت :ECR Glass، s2  كه همان E-Glass  اصلاح شده و داراي مقاومت مناسب در برابر اسيدها است.

S-Glass: سيليكات آلومينيم مغناطيسي است. مقاومت بالا، عملكرد حرارتي مناسب و اصلاح سطحي دارد گرانقيمت‌ترين نوع GFRP مي­باشد و نياز به كنترل كيفيت خاص در زمان توليد دارد و بيشتر كاربرد نظامي دارد.

C-Glass: از بارو سيليكات سود آهك بدست مي­آيد. پايداري شيميايي مناسب در برابر محيط خورنده دارد.GFRP به اشكال مختلف چون سوزن پانچ، STICHED، كشبافي شده، چسبيده شده، چند محوره، چندلا مي­باشد. مدول الاستيسيته يك رشته منفرد Eglass در حدود Gpa73 مي­باشد. ماكزيمم كرنش نهايي آن 5/2 تا 3 درصد مي­باشد و اگر GFRP در معرض محيط خورنده با PH بالا قرار گيرد روي وام آن تأثيرگذار است.

فيبر كربن:

 از قير ارزان مي­باشد (كه از تقطير زغال سنگ بدست مي­آيد) ولي مدول الاستيسيته پايين دارد و ابريشم مصنوعي ساخته مي­شود. براي تشكيل اين نوع فيبر به درجه حرارتي دست كم OC 100 احتياج است اكثر فيبرهاي مصنوعي در اين درجه حرارت ذوب و تبخير مي­شوند ولي فيبر كربني به دليل داشتن اكريليك همچنان باقي مي­ماند. اين فيبر داراي سه 3 تيپ مي­باشد: با مدول بالا،  با مقاومت بالا و با مقاومت و مدول الاستيسيته بينابين. عنصر سازنده CFRP گرافين است كه در فيبر كربني داراي ساختار 2 بعدي است. اگر گرافين ساختار 3 بعدي و به صورت 6 ضلعي داشته باشد بدان گرافيت مي­گويند كه در صنعت مدادسازي از آن استفاده مي­شود. و قير همسانگرد در ساخت GFRP با مدول پايين (حدود Gpa 50) استفاده مي­شوند كه مدول فيبركربني با اصلاح حرارتي در درجه حرارت بين 1000 تا OC 3000 افزايش مي­يابد. با PAN و قير نا‌همسانگرد meaophase  فيبر كربني نوع 2 با مقاومت بالا در درجه حرارت حدود   OC1500 بدست مي‌آيد. جهت قرارگيري گرافين در راستاي فيبر كربن تعيين‌كننده مدول فيبر مي­باشد و جهت قرارگيري گرافين روي رطوبت سطحي و چسبندگي با ماتريس نيز تأثير مي­گذارد. الياف كربني با رزين به خوبي خيس نمي­شوند بنابراين اصلاح سطحي بايستي بر روي آنها انجام شود. نوع خاصي فيبر كربني به نام Tows متشكل از 1000 تا 200 هزار الياف يا تار كربني است.

فيبر آراميدي

در انتخاب نوع فيبر بايستي به قيمت، درجه حرارت، زمان بهره‌برداري و دوام آن توجه داشت. اين نوع فيبر ازPPDT ساخته مي­شود و دو شركت هلندي Akzo Nobel (سازنده نوعي AFRP به نام Twaron) و شركت فرانسوي Dupont ( سازنده نوعيAFRP به نامKevlar) سازندگان مهم AFRP در دنيا هستند. امروزه 4 نوع الياف كولار در جهان وجود دارد يكي از آنها به نام 49Kevlar داراي مشخصات زير است. مقاومت كششي الياف كولار 55% مقاومت كششي الياف شيشه­اي و مقاومت برشي آن 180%  الياف شيشه­اي است و نتايج آزمايشات نشان مي­دهد مقاومت كششي الياف كلوار10% از مقاومت فيبر كربني كمتر است و قيمت آن تقريباً نصف الياف كربني است با اين حال قابليت كار كردن با الياف كولار بيشتر از فيبر شيشه­اي و كربني است ميلگرد ساخته شده از Kevlar نيز داراي مشخصات زير است.

از خصوصيات AFRP، صلب بودن و شبيه ميلگرد بودن، پايداري حرارتي بالا، مقاومت بالا و مدول بالا مي­باشد. مقاومت كششي تحت تأثير قرارگيري مولكول‌ها است. مقاومت كششي فيبر پارا آراميد تقريباً 50 درصد مقاومت كششي EGlass  مي­باشد. در اتاق حرارتي رطوبت روي خواص كششي فيبر آراميدي تأثيري كمتر از 5% دارد.       فيبر پارا آراميد در برابر خستگي و گسيختگي خزشي مقاوم است. خواص فشاري پارا آراميد به صورت غير خطي مي­باشد و رفتار شكل پذير در فشار دارد. در كرنش 3/0 تا 5/0 درصد تسليم فشاري رخ مي­دهد اما معمولاً كمانش قبل از تسليم فشاري بر اثر kink bond رخ مي­دهد. فيبر p-aramid پايداري حرارتي بالايي دارد و عملكرد مناسب در درجه حرارت بين OC 200-  تا  OC 200 دارد ولي براي عملكرد طولاني مدت و دوام مناسب نبايستي درجه حرارت بيشتر از OC 150 گردد. فيبر آراميدي ضريب انبساط حرارتي منفي دارد و مقاوم در برابر اسيدها و بازها مي­باشد. خاصيت از هم پاشيدگي اشعه ماوراي بنفش دارد. مقاومت فشاري فيبر آراميدي به دليل كمانش كم است لذا براي اصلاح آن از تركيب آن با فيبر كربن يا شيشه استفاده مي­شود. فيبر وينيولي، فيبر پليمري پلي‌اتلين با مولكول سنگين: اين نوع پليمر به شكل رشته­اي يا به صورت پارچه مي­باشد. افزايش طول كمي دارد نياز به اصلاح پلاسما نيز دارد. نوعي خاصي از اين پليمر را شركت هلندي به نام Spectra توليد مي­كند. موارد مصرف FRP توليدي به اين روش در لوله‌سازي، ساخت لوله­هاي تحت پيچش، بدنه و جداره موشك، بطري‌ها و شيشه­هاي تحت فشار، تانك‌هاي ذخيره و فيوز تأخيري هواپيما مي­باشد.

۲-۱-۲- عوامل مؤثر در خواص مكانيكي FRP

عوامل مؤثر درخواص يك محصول توليدي، حجم و نوع رزين كاربردي، جهت قرارگيري فيبرها، تأثيرات ابعادي و كنترل كيفيت در زمان توليد و عوامل مؤثر در خواص مكانيكي FRP شامل مدت بارگذاري، تاريخچه بارگذاري، درجه حرارت و رطوبت مي­باشد.

رطوبت خواص رزين را تغيير داده، منجر به باد كردن و تابيدگي يا اعوعاج كامپوزيت مي­گردد. لذا براي جلوگيري از اثر مخرب رطوبت بايستي به شرايط استفاده از كامپوزيت و نوع آن توجه داشت. رزين­ها به دليل داشتن مقادير قابل توجهي كربن و هيدروژن قابل اشتعال هستند اما تركيب آنها با فيبر يا الياف تقويتي منجر به افزايش مقاومت FRP در برابر آتش‌سوزي مي­گردد. اشعه ماوراي بنفش كه در نور خورشيد وجود دارد با ماتريس پليمري واكنش شيميايي داده و اثر مخربي روي FRP مي­گذارد براي كاهش اين اثر سو از مواد افزاينده مناسب استفاده مي­شود.

۲-۱-۳-روش­هاي توليد FRP

روند توليد از طريق فرايند فشرده سازي در خلاء: در اين روش وزن هواي بين لايه­هاي FRP مانع از تشكيل آن مي­گردد، بنابراين بر اثر پرس و فشار اعمالي بايستي هواي محبوس خارج شد تا ورق پوشي FRP يا لمينيت شكل گيرد. يك يا چند لايه با ضخامت مختلف روي فيلم يا غشا قابل گسترش قرار داده شده، سپس تحت پرس و فشار قرار مي­گيرند تا هواي بين لمينيت خارج شده و ماتريس رزين به يكي از روشهاي موجود حرارت داده شده و به لايه فيبر تزريق مي­شود.

فرايند توليد بوسيله قالب‌گيري متناسب: اين روش خود به 2 صورت براي توليد FRP بكار برده مي­شود. با به كاربردن قالب انتقالي رزين يا به­ كاربردن قالب مركب ورقه­اي. كامپوزيت‌هاي FRP توليدي به اين روش خاصيت شبه ناهمسان­گرد دارد.

انواع پوشش­هاي FRP براساس نحوه توليد، پوشش دست‌ساز و درجا در محل Wet-Lay-Up و ورقه­هاي Pultrusion  مي­باشد.

۲-۳- مقاوم‌سازي اعضاي باربر سازه­اي با ورقه FRP

از ورقه­هاي FRP براي تقويت خشمي، برشي، پيچشي و تركيب آنها در اعضاي باربر سازه چون تيرها، ستونها، اتصالات، ديوارها و دال‌هاي بتن‌آرمه و حتي عناصر غيرباربر استفاده مي­شود. اخيراً حتي براي تقويت پروفيل‌هاي فولادي ساختماني از ورقه FRP استفاده شده و براي استفاده بهينه حتي ورقه­ها را در حالت پس‌تنيده و يا پيش‌تنيده در سيستم تقويت به كار مي­برند. در حالت تقويت برشي مي­توان از الگوي يكپارچه ورقه يا Laminate  و نوارهاي منقطع يا Strips  استفاده كرد. گاهي اوقات يك عضو باربر سازه­اي را با تركيب چند روش تقويت مي­كنيم. باريكه­ها و نوارهاي FRP يا حتي ورقه­هاي آن مي­تواند در زواياي مختلف بخصوص 45 درجه براي كنترل ترك‌هاي برشي و در تعداد لايه­هاي مختلف و حتي دو لايه عمود بر هم با زواياي مختلف به عنوان مثال 0-90 درجه يا  درجه بكار برده شوند.

«در اعضاي تخت مانند دال­ها و تيرها صفحات پيش­ساخته كامپوزيت­هاي FRP با عرض ۵ تا ۱۵ سانتي­متر بر روي سطح تميز شده عضو سطح بتن با ماسه و با فشار هوا تميز مي­شود و با استفاده از چسب چسبانده مي‌شوند. در اعضاي عمودي مانند ستون­ها براي تقويت از صفحات پيش­ساخته كه در آن­ها الياف به صورت حلقه­اي قرار دارند، استفاده مي­شود. پس از آماده­سازي سطح عضو بتني با لايه چسب روي آن را مي­پوشاند و صفحه مورد نظر در راستاي مشخص روي عضو چسبانده مي­شود».[vi]

۲-۳-۱- تكنيك­هاي تسليح سطحي عضو بتن­آرمه با ورقه FRP

به طور كلي دو تكنيك براي تسليح سطحي سازه­اي بتني موجود است:

- لايه­هاي پيوندي خارجي                                                            External Bonded Laminates

- ميله­هاي جاسازي شده نزديك سطح                NSM)                      Near Surface Mounted Rods (

براي مقاوم­سازي تيرهاي بتني رايج­ترين نوع FRP ها عبارتند از:

ميلگردهاي صاف و عاج­دار                                                              Smooth and Deformed

تاندون­هاي پيش­تنيده                                                                              Pretension Tendons 

پوسته­هاي عمل­­آمده در محل                                                  Cured in Place Laminates/Shells

پوسته­هاي پيش­عمل­آمده                                                 Pre-Cured in Place Laminates/Shells [vii] 

نصب لايه­هاي پيوندي خارجي

لايه­هاي پيوندي سطح به دو صورت موجود هستند. روش اول استفاده از پوسته‌هاي عمل­آمده در محل مي­باشد. در روش دوم جهت پر كردن حفره­هاي كوچك بر روي سطح آماده­شده بتن يك لايه آستري كشيده مي­شود. پس از آن يك لايه فيبري به طول و عرض موردنياز بريده شده و به كمك دستگاه گرداننده جداكننده حباب (bubble roller) با فشار روي بتن نصب مي­شود. اين كار سبب مي­شود كه هواي حبس شده بين رزين و لايه فيبري حذف شده و از تلفيق بين ورقه­هاي فيبري و رزين اطمينان حاصل شود. بايد توجه كرد كه اگر ورقه FRP از جهت ضعيف نصب شود، مقاومت ورقه­ها كاهش مي­يابد. پس از اينكه لايه نصب شد، لايه دومي از رزين­هاي تلفيق­گر بر روي ورقه­ها كشيده مي­شود. تكنيك­هاي ترميم شامل عمل تزريق رزين­ها يا جايگزين كردن لايه­ها مي­باشد كه خود وابسته به اندازه، تعداد و مكان محل­هاي ورقه­ورقه­شده مي­باشد.

«در اكثر سيستم­هاي FRP، نصب مناسب بسيار مهم مي­باشد. نصب نامناسب مي­تواند به صورت­هاي مختلف نظير مخلوط نشدن اعضا به صورت كافي، اشباع نشدن و يا ناهمراست بودن فيبرها ظاهر شود».[viii]

۲-۳-۲- تقويت ستونها

روشهاي تقويت ستونها با ورقه FRP  عبارتند از:

-        دور پيچ سراسري                                                                   

-        پيچاندن ولفاف كردن به صورت دوراني

-        استفاده از نوارها/ كابل­هاي كامپوزيت

-        دورپيچ به صورت خودكار واتوماتيك

-        چسباندن پوسته­هاي پيش ساخته

-        تزريق چسب يا ماتريس               &nbs