بهسازی و مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

ایران کشوری است زلزله‌خیز و در زلزله های اخیر خسارات متعددی حادث‌شده است که در این زمینه کاهش آسیب‌پذیری ساختمان ها از اهمیت بالایی برخوردار شده است، از طرفی سرعت رو به رشد احداث ساختمان های پیش ساخته بتنی با توجه به مزیت های موجود، مقاوم سازی و بهسازی و ایمن‌سازی ساختمان ها اهمیت ویژه ای دارد. در این میان جهت مقاوم سازی ساختمان ها می توان از روش نوین FRP (مواد مرکب پلیمری تقویت‌شده با الیاف) که امروزه در میان مهندسان از جایگاه ویژه ای برخوردار است بهره گرفت. کامپوزیت FRP با داشتن ویژگی های ممتازی چون نسبت بالای مقاومت به وزن، دوام در برابر خوردگی، سرعت و سهولت در حمل و نصب مورد اقبال مهندسان قرارگرفته به‌گونه‌ای که امروزه سازه های متعددی در دنیا با استفاده از کامپوزیت FRP مقاوم سازی می شوند.

تاریخچه ی صنعت پیش ساخته

با توجه به رشد جمعیت و نیاز روزافزون به مسکن و مهاجرت به شهر ها، تحولات بنیادین و عمیق در صنعت ساختمان سازی نوین تحت عنوان پیش ساخته به‌سرعت جایگاه خود را در صنعت ساختمان باز کرد تا جایی که در حال حاضر در برخی کشور ها بیش از ۷۰ درصد ساختمان سازی با استفاده از این روش هست. امروزه سال هاست که این روش نوین در کشورهای اروپایی و پیشرفته ی دنیا مورداستفاده قرار می گیرد و با آزمایش های فنی و تجربه های قابل قبولی که به‌دست‌آمده، جایگاه خود را استحکام بخشیده است. خصوصاً باوجود حوادث طبیعی از سویی و ضرورت های اقتصادی از سوی دیگر، صنعت ساخت مسکن به سمت هرچه بیشتر از این قبیل مصالح باهدف سبک سازی، کاهش زمان ساخت و صرفه جویی در انرژی حرکت کرده است.

سازه های بتنی پیش ساخته

بنا به تعریف بتن پیش ساخته عبارت است از بتنی که ساخت، قالب ریزی و عمل آوری آن در محلی غیر از محل پروژه انجام پذیرد. ساخت این نوع بتن باید تحت شرایط کنترل انجام  گیرد و روند تولید آن به‌صورت مرحله‌به‌مرحله مورد بازرسی، کنترل و نظارت قرار می گیرد. در حالت کلی سازه های بتنی پیش ساخته به‌واسطه اتصال مناسب اعضای پیش ساخته تشکیل می شوند که در این حالت سازه با اسکلت‌بندی مناسب و مقاوم در برابر بارهای ناشی از باد و زلزله حاصل می گردد. از سازه های بتنی پیش ساخته می توان در ساختمان های با کاربری های مختلف اعم از مسکونی، اداری، پارکینگ، مدارس و غیره استفاده نمود.

مزایا و معایب سازه های بتن پیش ساخته

افزایش اعضای سازه ای به دلیل قابلیت کنترل و دقت زیاد در تولید صنعتی آن
کوتاه بودن مدت ساخت و مونتاژ
ساخت بیشترین قسمت ساختمان در کارخانه و کم شدن هزینه های کارگاهی
قابلیت حمل‌ونقل قطعات پیش ساخته

از معایب این سازه می توان به نکات زیر اشاره کرد

اجزای بتن آرمه در ساختمان های پیش ساخته بتنی در شرایط نامناسب محیطی معمولاً در طول بهره برداری موجب خوردگی فولاد داخلی اجزا می شود.
اغلب باگذشت زمان و خرابی های بتن، ساختمان های پیش ساخته بتنی نیازمند تعمیر، نگهداری و تقویت اعضا می شود.
سازه به علت تغییر کاربری، تضعیف و یا تخریب اعضا و عدم رعایت نکات طراحی ازجمله طراحی لرزه ای نیازمند تقویت جز و یا کل سازه می شود.

مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

مقوله بهبود و ارتقای کیفی زیرساخت‌های دانش مهندسی ساختمان یکی از مهم‌ترین موارد صنعت ساختمان هست. خراب شدن و از بین رفتن ستون پل ها، تیرها، ستون‌ها و دیوارها و غیره به مواردی همچون بالا رفتن سن سازه، عوامل مضر و مخرب محیطی، طراحی و اجرای ضعیف، نگهداری نامناسب از ساختمان و زلزله نسبت داده می شود. در این شرایط مقاوم سازی ساختمان به‌ویژه در مناطقی که خطر نسبی زلزله در آن ها بالا است از اهمیت ویژه برخوردار است.
پیشرفت های اخیر درزمینه‌ی فنّاوری تقویت سازه ها، بسیار چشمگیر بوده است. یکی از این روش ها استفاده از کامپوزیت پلیمری FRP است که در حال حاضر ازنظر مهندسین، بسیار کارآمد و نویدبخش است. از دلایل عمده استفاده از کامپوزیت پلیمری FRP برای مقاوم¬سازی ساختمان پیش ساخته بتنی می توان به موارد زیر اشاره کرد:
ایمنی و مصونیت در برابر زنگ‌زدگی و خوردگی
وزن کم (در حدود یک‌چهارم فولاد)
کاربرد راحت تر در فضاهایی با دسترسی محدود
عدم نیاز به داربست و جک
پایین آوردن هزینه ی نیروی کار
مقاومت کششی بسیار بالا در برابر بارگذاری کوتاه‌مدت و بلندمدت
قابلیت تغییر شکل بالا، دسترسی مناسب به ابعاد و اندازه های گوناگون FRP

مواد و مصالح مربوط به مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

چسب ها

دلیل استفاده از چسب، به وجود آوردن انتقال نیروی برشی بین سطوح بتنی و مواد مرکب تقویت‌کننده است. از متداول ترین چسب های سازه ای می توان به چسب ها اپوکسی اشاره کرد.

رزین
این مواد نقش بسیار مهمی در خواص مکانیکی کامپوزیت ها دارند. حفاظت از الیاف و پخش بار های وارده از دیگر نقش های رزین است.

الیاف
عموماً سه گروه عمده از الیاف هستند که برای مقاوم سازی در مهندسی ساختمان به کار گرفته می شوند که عبارت اند از شیشه، آرامید و کربن. محدوده چگالی مواد FRP از ۱٫۲ تا ۲٫۱ گرم بر سانتیمتر مکعب بوده که تقریباً حدود ۴ تا ۶ برابر کمتر از چگالی فولاد (۷٫۹) است. این کاهش در وزن منجر به کاهش هزینه حمل‌ونقل، کاهش وزن بار مرده اعمال‌شده به سازه و امکان حمل‌ونقل و نصب در کارگاه به‌صورت دستی می شود.

مصالح کامپوزیت FRP

مصالح کامپوزیت FRP (الیاف و رزین) مشتمل بر تعداد زیادی الیاف کوچک، پیوسته که در یک رزین قرار دارد. بسته به نوع الیاف که آن ها را AFRP (الیاف بر پایه آرامید)، CFRP (الیاف در پایه کربن) و GFRP (الیاف بر پایه شیشه) می نامند. الیاف به‌کاررفته نقش اساسی را در تحمل تنش بر عهده‌دارند و رزین به‌کاررفته تنش رابین تارهای مختلف پخش می کند و آن ها را در کنار هم نگه می دارد.

اساس طراحی و اجرا مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

مقاوم سازی سازه های بتنی با سیستم FRP یک روش کارآمد بوده که بر پایه عملکرد مرکب بین یک عضو بتن مسلح و FRP چسبیده شده بر سطح بتن هست. جهت تضمین ایمنی سازه لازم است که از یک سیستم FRP مناسب استفاده شود و این سیستم به‌دقت طراحی و اجرا گردد. حالت و شرایط عضو قبل از مقاوم سازی مهم است چراکه ممکن است سازه قبل از مقاوم سازی به یکسری عملیات ترمیمی، نیاز داشته باشد.
باید همواره دقت شود که سیستم کامپوزیت FRP مناسب برای مقاوم‌سازی انتخاب شود، علاوه بر آن مهندس پروژه نیز باید دارای تجربه ی کافی در تقویت سازه باشد و با مواد تشکیل دهنده کامپوزیت FRP، رفتار سازه ها و ایمنی آن ها آشنایی کافی داشته باشد. برای طراحی باید همه شرایط لازم و ترکیب بارهای مختلف موردتوجه قرار گیرد. طراحی کامپوزیت FRP دارای دو جنبه است، یکی بررسی اثرات تقویت‌کننده در مقطع (طراحی با فرض عملکرد کامل کامپوزیت) و دوم توانایی انتقال نیرو ها به‌وسیله اتصال بین دولایه FRP و بتن. در استفاده از دستگاه‌های کامپوزیت FRP باید آسیب های ممکن مشخص‌شده و علت این نقایص معلوم شود و در صورت لزوم‌ترمیم مناسب صورت گیرد.

تقویت خمشی در مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

اعضای پیش ساخته بتن آرمه، مانند تیر ها و ستون ها، تحت خمش با استفاده از کامپوزیت های FRP که توسط اپوکسی به ناحیه¬ی کششی چسبیده اند و دارای الیاف های با راستای موازی با جهت تنش های کششی ماکزیمم هستند، تقویت می شوند. برای طراحی کامپوزیت FRP جهت تقویت سازه پیش ساخته بتنی ابتدا لنگر طراحی مقاوم در عضو قبل از مقاوم سازی تعیین‌شده و از لنگر طراحی لازم برای مقاوم سازی سطح مقطع لازم کامپوزیت FRP تعیین می شود. سطح مقطع کامپوزیت FRP باید ارضاکننده‌ی ماکزیمم خیز اعضا باشد، علاوه برخیز سطح مقطع FRP باید جواب گوی تنش های ایجادشده نیز باشد.

تقویت برشی در مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

مقاوم سازی برشی اعضای بتن آرمه با استفاده از کامپوزیت FRP به وسیله ی چسباندن تقویت‌کننده‌های خارجی در راستای اصلی الیاف ها، موازی با ماکزیمم تنش های کششی اصلی صورت می گیرد. اعضای سازه ای که تحت بار جانبی قرار می گیرند، بار وارده بر عضو عمود بر محور عضو است بااین‌حال معمولاً کامپوزیت FRP به‌طور عملی به‌گونه‌ای طراحی و نصب می شود که راستای الیاف ها عمود بر محور عضو باشد.

محصوریت اعضای فشاری در مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

عموماً محصوریت برای اعضای تحت‌فشار کاربرد داشته و باهدف افزایش ظرفیت تحمل بار، یا در مورد مقاوم سازی لرزه ای، جهت افزایش شکل پذیری استفاده می شود. افزایش اثر محصوریت، مقاومت و شکل پذیری بتن را افزایش داده و به علاوه از لغزش و کمانش آرماتور های طولی جلوگیری می کند. لازم به ذکر است که در مسائل لرزه ای روش های مقاوم سازی موجود عموماً بر اساس افزایش فشار محصورت در نواحی محل تشکیل مفصل پلاستیک و مناطق وصله آرماتور های طولی صورت می گیرد.
در نواحی زلزله‌خیز، اغلب طراحی ستون های پیش ساخته درگذشته فقط بر اساس جنبه های مقاومتی در نظر گرفته‌شده‌اند و از اثر شکل پذیری که تضمین‌کننده پایداری سازه است لحاظ نگردیده است، لذا بیشتر این ستون ها نیاز به مقاوم سازی دارند. محصورت ستون های بتن آرمه یا اعضای مشابه آن مانند دودکش ها و کوره ها و غیره با کامپوزیت FRP به‌طور قابل‌توجهی عملکرد محوری، خمشی وبرشی آن را بالا می برد، زیرا موجب افزایش مقاومت فشاری بتن، شکل پذیری، مقاومت برشی و مقاومت در برابر کمانش آرماتور های فولادی تحت‌فشار می شود. در مورد الیاف کامپوزیت FRP می توان گفت که الیاف های کربن در افزایش مقاومت نسبت به دو الیاف شیشه و آرامید اثر بهتری داشته ولی ازلحاظ افزایش شکل پذیری، الیاف شیشه اثر بهتری خواهد داشت.

محصوریت ستون های بتنی پیش ساخته

محصوریت ستون های بتنی پیش ساخته به‌وسیله‌ی کامپوزیت FRP قابل‌دستیابی است که منجر به وقوع شرایط زیر می شود:
افزایش مقاومت بتن و همچنین ظرفیت تغییر شکل آن
جلوگیری از جداشدگی و پوسته‌پوسته شدن پوشش بتن

مقاوم سازی خمشی در مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

خمشی اعضای پیش ساخته ساختمان های بتنی، از طریق قرار دادن کامپوزیت FRP در محل طراحی‌شده و چسباندن آن در وجوه تحتانی و فوقانی و حتی جانبی عضو تحت خمش صورت می گیرد. درصورتی‌که بر اساس محاسبات مجبور به استفاده از چندلایه کامپوزیت FRP جهت تقویت اعضا شویم، باید با ایجاد همپوشانی کافی هر لایه، بعد از لایه ی دیگر قرار گیرد به این صورت که لایه ی دوم دقیقه روی لایه ی اول نصب شود.

مقاوم سازی برشی در مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

در مقاوم سازی اعضای بتنی تحت برش، کامپوزیت FRP معمولاً در سه یا چهار وجه اعضا چسبانده می شود.

مقاومت فشاری در مقاوم سازی ساختمان بتنی پیش ساخته با FRP

اعضای فشاری را می توان با استفاده از کامپوزیت FRP که به‌صورت افقی و یا مارپیچ در طول المان قرارگرفته‌اند، مقاوم سازی کرد. می توان جهت افزایش عملکرد مقاوم سازی با کامپوزیت FRP، از ترکیب قرارگیری کامپوزیت در راستای طولی و عرضی استفاده کرد. هرگاه بار وارده به ستون بتنی پیش ساخته تحت خروج از مرکزیت زیادی باشد، می توان کامپوزیت FRP را به طور مستقیم در راستای طولی عضو استفاده کرد و مهار این الیاف را با الیاف های عرض در بالا و پایین ستون انجام داد.