بسیاری از سازه های بتنآرمه یا به اصطلاح بتنی به دلایل مختلفی از جمله خطاهای حین طراحی و یا ساخت، تغییر کاربری سازه و از دست رفتن بخشی از ظرفیت سازه به علت خوردگی میلگردهای فولادی نیاز به مقاوم سازی، ترمیم، تقویت و بهسازی پیدا میکنند. یافتن راهکارهای مقاوم سازی سازه های بتنی و ارتقای ظرفیت باربری چنین سازه هایی همواره دغدغه طراحان و مجریان سازهها بوده است.
دلایل مقاوم سازی سازه های بتنی
سازه های بتنی به عنوان بخش گسترده ای از سازه ها چنانچه بر حسب محاسبات دقیق و روابط شکل پذیری طراحی و اجرا شوند ساختمان های بسیار مطلوبی خواهند بود اما کیفیت ساخت در برخی سازه ها به دلایل مختلف بسیار نامطلوب است.
کیفیت بد بتن، آرماتور گذاری نامناسب، اجرای بد بتن ریزی، مصالح نامرغوب، خطاهای طراحی، خطاهای اجرایی، افزایش بار سازه، تاثیر شرایط محیطی مخرب و خطر زلزله در اکثر نقاط کشور ایران از جمله عواملی هستند که باعث ضعف سازه های بتنی و نیاز آن ها به مقاوم سازی ساختمان می شوند.
بسیاری از سازههای بتنآرمه موجود که بر مبنای آئیننامههای قبل از سال 1970 طراحی و اجرا گردیدهاند، دارای جزئیات ضعیف آرماتورگذاری بوده که مشکلاتی همچون ظرفیت تغییر مکان جانبی پایین، قابلیت استهلاک انرژی پائین، زوال مقاومت و بروز مکانیزم در محلهای نامطلوب در سازه را به همراه داشته که کلیه این موارد منجر به فروپاشی و انهدام سازه میگردد. جزئیات غیرشکلپذیر در یک سازه بتنآرمه در قالب مواردی همچون مقاومت برشی ضعیف اتصال بواسطه عدم آرماتورگذاری عرضی در هسته اتصال، ظرفیت برشی پائین ستون منتهی به اتصال، کم بودن طول همپوشانی آرماتورهای طولی ستون، عدم رعایت ناحیه خاموت گذاری فشرده در تیر و طول مهاری ناکافی آرماتورهای تیر در ناحیه اتصال مطرح می باشد. ضعف در ناحیه اتصال تیر به ستون به همراه عامل نامطلوب ستون ضعیف-تیر قوی پایداری سازه را به مخاطره میاندازد. وقوع مکانیزم در تیر در مقایسه با ستون ارجح بوده و مکانیزم ستون در مقایسه با ناحیه اتصال غیر بحرانیتر می باشد. بروز مکانیزم و تشکیل مفصل در ناحیه اتصال تیر به ستون، منجر به دورانهای فزاینده در تیر و ستون گشته که باعث از بین رفتن ظرفیت باربری ستون میگردد و ایمنی سازه را متأثر مینماید.
جهت بررسی مقاوم سازی سازه های بتنی، بدون تردید شناسایی گونههای مختلف خسارت در ساختمان های بتنی امری مهم و اجتناب ناپذیر میباشد. بنابراین انواع مختلف ضعفهای سازه های بتنی به شرح زیر میباشد:
ایجاد ترک های مورب در هسته بتن
ورقه ورقه شدگی هسته مرکزی بتن دراکثر ترکهای مورب رفت و برگشتی ناشی از زلزله
جدا شدگی پوشش بتن
کنده شدن تنگها و خاموتها و خارج شدن از محل های خود
شکست برشی المانهای کوتاه یا اعضایی که به اطراف متصل شده اند و طول موثر آزاد آنها کم است.
پدیده کمانش در آرماتورهای طولی
خارج شدن میلگردها از محلهای اولیه و در رفتن به نواحی تنش های متناوب زیاد
گسیخته شدگی دال ها بتن آرمه در کناره های غیر ممتد
ترک های مورب در دیوار برشی، بخصوصبه صورت متمرکز در اطراف بازشوها
ایجاد ترک برشی در محل گره ها و محل اتصال تیر ستون
بتن مصالح ساختمانی با مقاومت فشاری نسبتا خوب و مقاومت کششی پایین است و در صورتی که عضو بتنی بدون میلگرد در نظر گرفته شود با اعمال بار در عضو ترک خوردگی ایجاد شده و این ترک خوردگی تا تخریب نهایی عضو پیش می رود (گسیختگی بتن تنها به صورت ترد و ناگهانی می باشد). در بتن مسلح با استفاده از آرماتورهای تقویت کششی این مشکل بر طرف میگردد. این مسئله از جمله نقاط ضعف سازه های بتنی مسلح و پیچیدگی آن در امر تقویت، ترمیم و مقاوم سازی آن می باشد. ارزیابی و انتخاب مصالح تعمیری موجود مرحله دشواری در تعمیر بتن و بازسازی بتن می باشد ضرورت تعداد بیشمار مصالح تعمیری و تقویتی جدید در سالهای اخیر، باعث توسعه روشهای مختلف مقاوم سازی سازه های بتنی شده است میباشد.
مقاوم سازی با ژاکت بتنی و ژاکت فولادی
یکی از ایده های ابتدایی و تکنیکهای مرسوم بهسازی و مقاوم سازی سازه های بتنی و تقویت سازهها، شکافتن پوشش بتنی عضو سازه ای و قرار دادن میلگردهای فولادی اضافی در المان و سپس پوشاندن آن قسمت به وسیله چسبها و رزین های پر مقاومت بوده است. این ایده علی رغم آنکه ظرفیت سازه را مقداری بهبود میبخشد لیکن هم چنان مشکل خوردگی میلگردهای فولادی را بی پاسخ میگذارد؛ تکنیک دیگری که برای تقویت سازه های بتنی مورد استفاده قرار میگیرد، بکارگیری ورق های فولادی یا تکنیک ژاکت فولادی هست که در آن ورقهای فولادی از بیرون به اجزاء بتنی چسبانده میگردد. روش اتصال ورق فولادی، روشی ساده و اقتصادی است؛ اما از جهات زیر مسئله ساز است:
وزن بالای ورق های فولادی و مشکلات ساخت این اجزاء
دسترسی سخت به اجزاء و نیاز داشتن داربست
ضعف ایجاد شده در چسبندگی بین فولاد و بتن که ناشی از خوردگی فولاد میباشد
داشتن محدودیت طولی در انتقال ورقهای فولادی به کارگاه با توجه به این نکته که در پروژه های مقاوم سازی سازه های بتنی، طولهای تیر عموماً بلند میباشند.
روش سنتی دیگر در مقاوم سازی سازه های بتنی، استفاده از ژاکت های بتنی یا پوششهایی از نوع بتنآرمه، میباشد. استفاده از این روش سبب افزایش سختی و شکل پذیری و در مجموع تقویت سازه های بتنی میباشد؛ از ضعف های این روش افزایش ابعاد مقاطع و بار مرده سازه بتنی میباشد. استفاده از این روش همچنین نیازمند تخلیه ساختمان و تخریبهای زیاد سازه بتنی است و باعث افزایش نامطلوب سختی اعضای بتنی میگردد.
مقاوم سازی با دیوار برشی فولادی
در سال های اخیر به طور مکرر دیوارهای برشی فولادی به عنوان سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی درطراحی و مقاوم سازی سازه ها به کار برده می شوند. هزینه ساخت کم، نصب سریع، پتانسیل جذب انرژی بالا و… دیوار برشی فولادی را یک سیستم بسیار مناسب جهت مقاوم سازی سازه های موجود ساخته و این سیستم در حال حاضر در کشورهایی مثل ایالات متحده، ژاپن و کانادا در مقاوم سازی ساختمان ها کاربرد بسیاری یافته است. دیوار برشی فولادی می تواند به آسانی به قاب های فلزی موجود اضافه شود، اما مقاوم سازی لرزه ای قاب های بتنی توسط دیوار برشی فولادی مراحل ابتدائی پیشرفت خود را طی می کند.
با مقایسه رفتار قاب های بتنی با و بدون دیوار برشی فولادی مشخص گردیده است که تاثیر پارامتر مقاومت فشاری بتن برظرفیت قاب های بتنی با دیوار برشی ورق فولادی بیشتر است که علت آن را میتوان تاثیر ورق فولادی بر عناصر مرزی دانست.
مقاوم سازی با استفاده از مهاربندهای فولادی
اضافه نمودن مهاربندی های فولادی به سازه بتنی، افزایش سختی، کاهش نیاز شکل پذیری و افزایش مقاومت برشی سیستم را به همراه خواهد داشت ضمن آنکه افزایش ناچیزی را در وزن سازه موجب می شود. عموما استفاده از سیستم های مهاربندی واگرا (EBF) در ساختمان های بتنی به دلیل پر هزینه بودن و مشکلات موجود در اجرا و تامین جزییات تیر پیوند مرسوم نمی باشد. اما انواع سیستم های مهاربندی همگرا می تواند در این نوع بهسازی مورد توجه قرار می گیرد.