مقاوم سازی ساختمان های بتنی

مقاوم سازی ساختمان های بتنی با توجه به نیاز به افزایش باربری ساختمان، تحمل بارهای وارده، به روز نبودن آیین نامه مورد استفاده حین ساخت، مشکلات اجرایی و ایجاد خطا در طراحی سازه، فرسایش طی گذر زمان و هم چنین تغییر در کاربری و بسیاری از عوامل محیطی دیگر امر اجتناب ناپذیر می باشد.

از گذشته تا کنون با توجه به سطح علم و میزان دسترسی به مصالح روش های گوناگونی برای مقاوم سازی ساختمان های بتنی ارائه شده است مانند روش های پر کاربرد ژاکت بتنی، ژاکت فولادی، بادبند ها، دیوار برشی، جداساز ها، کامپوزیت FRP  و… . با گذر زمان و پیشرفت علم و فناوری روش های نوین ارائه شده مانند کامپوزیت FRP جهت مقاوم سازی ساختمان های بتنی که از مزیت های بالایی نسبت به سایر روش های سنتی برخوردار می باشند به طور چشم گیری صنعت مقاوم سازی ساختمان های بتنی را در دست گرفته اند.

مقاوم سازی ساختمان های بتنی با استفاده از کامپوزیت های FRP یکی از راه های نوین مقاوم سازی است که جایگزین روش های قدیمی همانند ژاکت فولادی و یا بتنی شده است . تعداد پروژه هایی که در ارتباط با سیستم های FRP در سطح جهان موداستفاده قرار گرفته ، به طور چشمگیری افزایش یافته است به طوری که طی۱۰ سال گذشته از تعداد اندک به چندین هزار پروژه در حال حاضر رسیده است. اعضای سازه های تقویت شده با سیستم های FRP به صورت پوشش های بیرونی عبارتند از : تیرها ، دال ها ، ستون ها ، دیوارها، اتصالات ، دودکش ها ، طاق های گنبدی شکل ، تونل ها ، سیلوها ، لوله ها و خرپاها.

پوشش های FRP همچنین به منظور مقاوم سازی سازه های بنایی ، چوبی ، فولادی و چدنی نیز به کار می روند . استفاده از روکش های پلیمری FRP به منظور بهسازی سازه های بتنی اولین بار در دهه ۱۹۸۰ در اروپا و ژاپن توسعه یا فت . در اروپا سیستم های FRP به عنوان جایگزین صفحات فولادی مورد استفاده قرار گرفت .

انواع روش های مقاوم سازی ساختمان های بتنی

مقاوم سازی ساختمان های بتنی با استفاده از افزودن دیوار برشی پرکننده (ADDING INFILL SHEAR WALL)

در بین انواع روش های مقاوم سازی، افزودن دیوارهای پر کننده بتن مسلح محبوب ترین روش می باشد. در حقیقت نصب دیوارهای پرکننده RC ظرفیت باربری جانبی و سختی سازه را به طرز چشمگیری افزایش می دهد.
در روش مقاوم سازی با استفاده از دیوارهای پرکننده، دیوارهای جدا کننده ی موجود در ساختمان برداشته شده و به جای آن ها دیوارهای برشی بتن مسلح با مقاومت بسیار بالا ساخته می شود. در این نوع از روش مقاوم سازی، دیوارهای برشی بخش عمده ای از بارهای زلزله را تحمیل کرده و تغییر مکان ساختمان را محدود می کنند. در صورتی که سیستم قاب ساختمان مقدار کمی از بار زلزله را تحمل می کند. در این روش جهت تامین عملکرد معماری سازه می توان در داخل دیوار بازشو های پنجره و در نیز تعبیه کرد. هرچند این کار از از سختی و مقاومت دیوارها می کاهد.

مقاوم سازی ساختمان های بتنی با استفاده از افزودن دیوار برشی (ADDING SHEAR WALL)

اگرچه استفاده از دیوارهای برشی پرکننده با توجه به این واقعیت که المان های مقاوم ساز موثری می باشند گسترده می باشد، به دلیل نیاز به تخریب گسترده و حجم عملیات اجرایی بالا، کاربرد آن ها با مشکلاتی همراه است.
به همین منظور استفاده از دیوارهای برشی خارجی به عنوان راهکاری برای حذف مشکلات دیوارهای پرکننده معرفی می گردد. در این روش دیوارهای برشی به نمای خارجی یک ساختمان بدون تخریب دیوارهای داخلی موجود اضافه می گردد. در این حالت، دیوار برشی می تواند به موازت و یا عمود بر اعضای قاب موجود قرار داده شود.

مقاوم سازی ساختمان های بتنی با استفاده از سیستم جدا ساز پایه (BASE ISOLATION)

دنیای مهندسی به پویایی دنیایی می باشد که ما در آن زندگی می کنیم. بنابراین همواره نیاز به نوآوری در دنیای مهندسی و مهندسی عمران احساس می گردد. یکی از این نوآوری ها، مقاوم سازی با استفاده از جداساز پایه می باشد. جداسازی پایه به جدا سازی سازه از فونداسیون آن گفته می شود. در طی سالیان و با بررسی رفتار این نوع از سیستم در تعدادی از زلزله ها، کارایی آن ثابت شده است. این نوع از سیستم مقاوم سازی نه تنها ساکنین و زیرساخت ها را از آسیب های ناشی از زلزله محافظت می کند، بلکه در برخی مواقع هزینه های کلی را با کاهش هزینه اجرای راهکارهای مقاوم سازی و تعمیر اضافی کمتر می کند. به طور عامیانه می توان با مقایسه جداسازی پایه با سیستم تعلیق خودرو به مفهوم آن پی برد. سیستم تعلیق خودرو که به آن سیستم فنربندی نیز گفته می شود، حرکت خودرو بر روی یک سطح ناهموار را به حرکت نرم و هموار و با کمترین نوسان تبدیل می کند.
استفاده از سیستم جداسازی پایه به صدها سال قبل و یا حتی دوران باستان بر می گردد. نصب قطعات چوب بین فونداسیون و دیوارهای ساختمان یکی از تکنیک های ایجاد مقاومت در برابر زلزله بوده است که در گذشته در برخی مناطق به کار گرفته می شده است.

انواع سیستم های جداساز پایه

انواع سیستم های جداساز پایه را میتوان به دو دسته ی جداسازهای لاستیکی و جداسازهای اصطکاکی تقسیم بندی کرد.
انواع جداساز های لاستیکی عبارتند از:

• جداسازهای لاستیکی با ورقه های فولادی و میرایی کم
• جداسازهای لاستیکی با میرایی زیاد
• جداسازهای لاستیکی با هسته سربی

همچنین انواع جداساز های اصطکاکی عبارتند از:

• جداساز های اصطکاکی
• جداساز های الاستیک اصطکاکی
• جداساز های اصطکاکی پاندولی

با ترکیب کردن جداسازهای لاستیکی و اصطکاکی، می توان همزمان از قابلیت های آن ها استفاده کرد:

• ترکیب سری جداسازهای اصطکاکی و لاستیکی
• ترکیب موازی جداسازهای اصطکاکی و لاستیکی

مزایای جداساز پایه

• علاوه بر محافظت از سازه در برابر زلزله، جدا ساز لرزه ای سازه را در برابر بار انفجار محافظت کرده و با جابجایی خود اثر کلی انفجار بر روی سازه ها را کاهش می دهد.
• با توجه به قابل پیش بینی بودن رفتار سازه های جداسازی شده، در مقایسه با اعضا سازه ای متعارف قابل اطمینان تر می باشند.
• به علت کاهش نیروهای لرزه ای منتقل شده به سازه، نیاز به تمهیدات تقویت کننده سازه نظیر تعبیه قاب ها، مهاربندها و دیوارهای برشی کاهش می یابد.
• ساده شدن انجام تحلیل لرزه ای در مقایسه با سازه های متعارف به علت کاهش اعضای سازه ای.
• در زلزله های غیرمنتظره بزرگ، آسیب وارده تنها در سیستم جداساز متمرکز بوده و می توان به راحتی اجزا آن را تعویض کرد.
• سیستم جدا ساز پایه را میتوان برای مقاوم سازی سازه های موجود و مناسب مورد استفاده قرار داد. علاوه بر این، سرویس دهی ساختمان مورد نظر در حین اجرای سیستم جداساز پایه مختل نخواهد شد.

معایب جداساز پایه

• سیستم جداساز پایه را نمی توان برای مقاوم سازی هر سازه ای بکار برد. برای مثال، این سیستم برای تقویت سازه های قرار گرفته بر روی خاک های نرم مناسب نمی باشد.
• کارایی این سیستم برای ساختمان های بلند مرتبه کمتر می باشد.
• برخلاف دگر روش های مقاوم سازی، سیستم جدا ساز پایه را نمی توان به صورت موضعی و برای مقاوم سازی بخشی از سازه بکار برد.
• اجرای این سیستم اغلب نیازمند مهندسین و کارگرهای با مهارت و تجربه بالا می باشد.

کاربرد جداساز پایه

• امروزه استفاده از این سیستم جهت مقاوم سازی انواع سازه ها از جمله ساختمان های مسکونی، بناهای تاریخی، پل ها و… بسیار متداول می باشد.
• با وجود اینکه این تکنولوژی در حال پیشرفت می باشد، تا به حال در تعداد بسیاری از سازه ها مورد استفاده قرار گرفته است.
• این نوع از سیستم مقاوم ساز لرزه ای برای اولین بار در نیوزلند و در سال ۱۹۷۴ مورد استفاده قرار گرفت.
• ساختمان شهرداری شهر لس آنجلس (با ارتفاع ۱۳۸ متر)، بلند ترین سازه در دنیا می باشد که سیستم جداساز لرزه ای در آن بکار گرفته شده است.

مقاوم سازی ساختمان های بتنی با استفاده از کاهش جرم سازه (MASS REDUCTION)

در این روش می توان با حذف یک یا تعداد بیشتری از طبقات، همانند شکل پایین، ساختمان را مقاوم سازی نمود. با حذف جرم سازه، پریود سازه کاهش می یابد. بنابراین با کاهش پریود سازه مقاومت آن افزایش می یابد و به مقاومت مورد نظر دست می یابیم. به بیان دیگر می توان گفت کاهش جرم سازه مقدار نیروی جانبی وارد به سازه را کاهش می دهد و می توان از این طریق یاختمان را تقویت نمود.

مقاوم سازی ساختمان های بتنی با استفاده از کامپوزیت های پلیمری FRP

مقاوم سازی ساختمان های بتنی با روش FRP جدید ترین و کارآمد ترین روش موجود در صنعت مقاوم سازی ساختمان بتنی می باشد. این روش جهت مقاوم سازی اعضای ضعیف سازه ای مانند تیر، ستون، دیوار برشی، دال، فونداسیون و انواع اتصالات مورد استفاده قرار می گیرد. کامپوزیت پلیمری FRP حاصل ترکیب الیاف پلیمری و انواع رزین مانند رزین اپوکسی، رزین فنولیک و … می باشد. الیاف پلیمری از جنس شیشه و کربن در صنعت مقاوم سازی ساختمان کاربرد بالاتری دارند. الیاف پلیمری کربن و شیشه مورد استفاده در کامپوزیت FRP تحت عنوان سیستم CFRP و GFRP مورد استفاده قرار می گیرند. در این سیستم الیاف پلیمری این الیاف آغشته شده به رزین اپوکسی به وجه بیرونی اعضای آسیب دیده چسبانیده می شوند و سبب بالا رفتن مقاومت برشی، مقاومت فشاری، مقاومت خمشی، مقاومت کششی،افزایش سختی، افزایش شکل پذیری و همچنین باعث محافظت ساختمان در برابر حملات شیمیایی و خوردگی می شود. در سیستم مقاوم سازی ساختمان های بتنی با روش FRP نیازی به توقف کاربری سازه نیست در صورتیکه در روش های سنتی نظیر ژاکت بتنی و فولادی علاوه بر توقف کاربری حین مقاوم سازی امکان آسیب دیدگی دیگر اعضای سازه وجود دارد. همچنین استفاده از روش کامپوزیت FRP به دلیل دارا بودن چگالی پایین(یک سوم فولاد) سبب افزایش وزن ساختمان بتنی و افزایش سطح مقطع عضو نمی گردد. مقاوم سازی ساختمان های بتنی با FRP مقاوم کردن سطوح و اجزایی از سازه که دسترسی به آن ها محدود و مشکل بود را آسان گردانیده است. سیستم کامپوزیت FRP علاوه بر مقاوم سازی در برابر تحمل بارهای وارده عایق الکتریکی و حرارتی می باشند به گونه ای که در دماهای بالا استحکام خود را حفظ می کنند. داشتن مقاومت کششی بالاتر نسبت به فولاد(۱۰برابر)اجرای آسان، سرعت اجرای بالاتر، نیاز نداشتن به تجهیزات مکانیکی و حمل و نقل آسان این سیستم از دیگر مزیت ها نسبت به سایر روش های سنتی می باشد. همچنین مقاوم سازی با FRP به دلیل داشتن انعطاف پذیری بالا در مقاوم سازی انواع سطوح منحنی و ستون های دایره ای مورد استقبال فراوان قرار گرفته اند.

مقاوم سازی ساختمان های بتنی با استفاده از روش ژاکت بتنی

ابتدا سوراخ هایی با فواصل تعیین شده در وجوه پیرامون اعضای ضعیف بتنی ایجاد می شود سپس یک مش فولادی با آرماتور های آجدار در اطراف عضو قرار می دهند. سوراخ های ایجاد شده توسط چسب اپوکسی پر می شوند و سپس آرماتور ها به صورت سر کج و یا L شکل در داخل آن ها قرار می دهند. در نهایت قالب هایی در اطراف عضو قرار می دهند و توسط بتن پر می کنند. از این روش برای مقاوم سازی اجزای سازه ای بتنی ضعیف مانند تیر، ستون، فونداسیون و دیوار برشی جهت افزایش مقاومت فشاری، مقاومت برشی، مقاومت خمشی و افزایش میزان شکل پذیری استفاده می شود. از محاسن استفاده از ژاکت بتنی برای مقاوم سازی ساختمان های بتنی عدم نیاز به پوشش ضد حریق، پیوستگی سریع اعضا اعم از بتنی و آرماتور فولادی و بالا رفتن ظرفیت باربری ساختمان در برابر انواع بار های ثقلی و جانبی می باشد. افزایش ابعاد اعضای سازه ای مورد مقاوم سازی، افزایش چشمگیر وزن ساختمان بتنی، نیاز به قالب بندی، عدم استفاده از کاربری حین مقاوم سازی و صرف هزینه و زمان بالا از معایب استفاده از این روش جهت مقاوم سازی ساختمان های بتنی می باشد به گونه ای که سبب ایجاد روش های نوین تر در صنعت مقاوم سازی شده است.

مقاوم سازی ساختمان های بتنی با استفاده از روش ژاکت فولادی

مقاوم سازی ساختمان بتنی با استفاده روش ژاکت فولادی سبب افزایش مقاومت برشی، مقاومت خمشی، مقاومت فشاری و شکل پذیری سازه می گردد. اجرای این روش به گونه ای است که ورق های فولادی توسط بولت به عضو آسیب دیده متصل می شود. این روش نسبت به روش ژاکت بتنی از مزایایی چون نیاز نداشتن به قالب بندی، افزایش ابعاد کم، افزایش وزن کمتر نسبت به ژاکت بتنی و سرعت اجرای بالاتر برخوردار می باشد. بالا بودن هزینه، مقاوم نبودن در برابر آتش سوزی و نیاز داشتن به پوشش ضد حریق، نیاز داشتن به حجم بالای گروت، خوردگی و زنگ زدن آرماتور طی گذر زمان و همچنین امکان آسیب دیدن اعضای مورد مقاوم سازی حین کاشت بولت و برش گیر که خود سبب کاهش مقاومت عضو می گردد از معایب روش ژاکت فولادی جهت مقاوم سازی ساختمان های بتنی می باشد که همین امر سبب گرایش مهندسین به ایجاد روش های نوین و آسان اجرا و کارآمد تر شده است.

مقاوم سازی ساختمان های بتنی با استفاده از بادبند ها

مقاوم سازی ساختمان های بتنی با استفاده از بادبند در برابر زمین لرزه روشی بسیار کارآمد و موثر است به گونه ای که علاوه بر افزایش مقاومت برشی و افزایش سختی ساختمان باعث می شود تا نیاز سازه به شکل پذیری کاهش یابد. بادبند ها اعضای قطری یا موربی هستند که از انواع پروفیل ها نظیر دوبل نبشی یا دوبل ناودانی ساخته می شوند به گونه ای که با نصب درون قاب ساختمان بتنی باعث کاهش تغییر شکل و جلوگیری از خرابی ساختمان بتنی می گردد. نیروهای جانبی مانند نیروی زلزله از سقف ساختمان بتنی به قاب و از قاب ها به بادبند ها منتقل می گردند و به صورت نیروی فشاری و کششی در طول عضو در می آید. اگر بادبند از مقاومت کافی برخوردار باشد تا پایان وارد شدن نیروی جانبی مقاومت کرده و مانع از خرابی و آسیب دیدگی تیر و ستون و دیگر اعضای سازه ای می گردد. بادبند ها به طور کلی به دو دسته انواع بادبند همگرا و انواع بادبند واگرا تقسیم می شوند. با توجه به صعوبت اجرا و بالا بودن هزینه سیستم واگرا زیاد در مقاوم سازی ساختمان در برابر زمین لرزه مرسوم نیست. سیستم های مهاربندی همگرا(بادبند ضربدری) در صنعت مقاوم سازی و بهسازی ساختمان بتنی مورد توجه بی نظیری قرار گرفته است. در استفاده از بادبند ها می بایست ستون های مجاور برای برش تقویت گردند. پی نیز برای افزایش نیرو به دلیل کشش و فشار ایجاد شده کنترل گردند. سرعت مناسب برای اجرا، هزینه مناسب جهت افزایش و تقویت سختی و مقاومت سازه و وزن مناسب از مزایای استفاده از بادبند در مقاوم سازی ساختمان بتنی آن می باشد. متمرکز شدن نیروها در دهانه ی مهاربند شده، افزایش نیروی محوری در ستون ها و به طبع آن نیاز به تقویت آن ها، ایجاد نیرو های زیاد در فونداسیون و لزوم تقویت آن ها از معایب بادبند ها می باشد.

 مقاوم سازی ساختمان های بتنی با استفاده از دیوار برشی

استفاده از دیوار برشی برای مقاوم سازی ساختمان های بتنی موجب افزایش سختی ساختمان بتنی می گردد. همین امر سبب افزایش ظرفیت تحمل بار ثقلی و افزایش بی نظیر در تحمل نیروهای جانبی(زمین لرزه) می شود. دیوار های برشی نسبت به دیگر اعضای سازه مانند تیر و ستون حجیم تر می باشند تا بتواند سختی بالایی داشته باشد و این امر سبب می شود که دیوار های برشی بتوانند تمام نیروی زمین لرزه وارد به ساختمان را جذب به خود کند زیرا نیرو به سمت سختی در ساختمان حرکت می کند در نتیجه هرچه سختی بالاتر نیروی بیشتری جذب میشود و از آسیب رسیدن به دیگر المان های سازه جلوگیری نماید. دیوار برشی مقاومت، سختی و شکل پذیری سازه را بشدت افزایش می دهد و باعث بهبود رفتار لرزه ای سازه و کاهش تغییر شکل های و خسارات وارد به دیگر المان های بتنی سازه می گردد. در طراحی دیوار برشی می بایست به آن توجه داشت عبارتند از: ظرفیت بالای جذب انرژی، مقاومت بالا، شکل پذیری و حداقل کاهش در سختی. زیرا در صورت عدم طراحی درست و مناسب دیوار برشی مستعد شکست برشی می باشد و هم چنین در صورت عدم تخمین صحیح و درست تعداد دیوار برشی و محل قرار گیری آن ها موجب ایجاد نیروهای بالا رانش می شود. دیوار برشی برای موقعیت بهتر مرکز سختی در نواحی محیطی پلان جانمایی می شود به گونه ای که بار های مرده و حداثر تنش های کششی و خمشی ناشی از بار جانبی را جذب و خنثی نماید.

سوالات متداول

هدف از مقاوم سازی سازه های بتنی چیست؟

مقاوم سازی ساختمان های بتنی با توجه به نیاز به افزایش باربری ساختمان، تحمل بارهای وارده، به روز نبودن آیین نامه مورد استفاده حین ساخت، مشکلات اجرایی و ایجاد خطا در طراحی سازه، فرسایش طی گذر زمان و هم چنین تغییر در کاربری و بسیاری از عوامل محیطی دیگر امر اجتناب ناپذیر می باشد.

انواع روش های مقاوم سازی ساختمان های بتنی کدام است؟

افزودن دیوار برشی ، استفاده از سیستم جدا ساز پایه ، استفاده از کاهش جرم سازه ، استفاده از کامپوزیت های پلیمری FRP ، استفاده از روش ژاکت بتنی ، استفاده از روش ژاکت فولادی ، افزودن بادبند

موارد استفاده از مصالح FRP جهت مقاوم سازی سازه های بتنی کدام است ؟

اعضای سازه های تقویت شده با سیستم های FRP به صورت پوشش های بیرونی عبارتند از : تیرها ، دال ها ، ستون ها ، دیوارها، اتصالات ، دودکش ها ، طاق های گنبدی شکل ، تونل ها ، سیلوها ، لوله ها و خرپاها.

عمده ضعف سازه های بتنی چگونه است؟

طراحی و یا اجرای نامناسب سازه بتنی ، پیچیده بودن دیتایل های اجرایی که دقت اجرا را پایین می آورد ، تخریب بتن در اثر حمله سولفات ها ، تخریب بتن در اثر حمله کلرید ها ، ایجاد کربناسیون در بتن ، ایجاد واکنش قلیایی سنگدانه های موجود در بتن ، ایجاد انبساط در سطح بتن ، نمک ها که هر یک به نوعی به بتن آسیب وارد کرده و از عملکرد قابل انتظار از بتن دور می کند.