ستون‌های بتن مسلح، نقش اساسی در تحمل بارهای عمودی در انواع سازه‌ها دارند، بنابراین مقاومت و ظرفیت باربری آنها، امری حیاتی است. راهکار مقاوم سازی با FRP به عنوان یک راه حل به شدت موثر برای تقویت این ستون‌ها به کار گرفته می‌شود. در مقاوم سازی ستون به روش سیستم FRP، با اعمال استراتژیک انواع کامپوزیت، لمینت و یا پارچه تک الی دو جهته الیاف کربن یا شیشه، بر روی سطح خارجی ستون‌های بتنی، مهندسان می‌توانند به طور قابل توجهی استحکام، شکل‌پذیری و مقاومت ستون را در برابر عوامل محیطی مانند خوردگی، تقویت کنند. مشخصات و مزایای چند وجهی و نسبت استحکام به وزن بالای مواد و محصولات تقویت کننده FRP ، آنها را به گزینه‌ای مناسب برای تقویت ستون‌های بتنی تبدیل می‌کند. مقاوم سازی با FRP بر خلاف روش های سنتی، امکان ارائه راهکارهای سفارشی برای مطابقت با نیازهای طراحی خاص را نیز فراهم می‌سازد. اما لازم است توجه کنیم که استفاده صحیح از ابزارها و فنون نصب FRP، انتخاب چسب یا رزین FRP مناسب و آماده‌سازی صحیح سطح ستون برای اجرای عملیات مقاوم سازی، امری حیاتی برای اطمینان از عملکرد بلندمدت و مؤثر روش مقاوم سازی باFRP است.
مقاوم سازی ستون با FRP
مقاوم سازی ستون با FRP چگونه انجام می شود؟ ستون های یک ساختمان جهت تحمل فشار های وارده در راستای نیروی محوری طراحی میشوند از این رو اگر نیروهایی در راستای افق مثل زلزله به ساختمان وارد شوند و ستون مقاومت لازم را نداشته باشد امکان پیدایش خیز در ستون ها وجود دارد بنابراین مقاوم سازی ستون یک فاکتور مهم در افزایش عمر ساختمان است که در کنار تعمیر و ترمیم ستون ها و برای دستیابی به ستون هایی با عملکرد مناسب و قوی انجام می شود.
ستون های بتنی وظیفه انتقال بار از تیرها یا دال به کف (پی) ساختمان دارند و همچنین نیروی محوری را نیز تحمل می کنند به همین دلیل مقاوم سازی ستون ها سبب عملکرد بهتر آنها می شود.
الیاف FRP به طور گسترده ای به عنوان یک ماده موثر برای مقاوم سازی استفاده شده است که می تواند برای اعضای سازه ای اعمال شود تا ظرفیت آنها افزایش یابد، به عنوان مثال، مقاومت برشی تیرها یا ستون ها را افزایش می دهد، لحظه خم شدن تیرها و بار محوری ستون ها باعث افزایش مقاومت می شود.
به منظور مقاوم سازی ستون با FRP، FRP معمولاً به صورت افقی به دور ستون پیچیده می شود تا مقاومت و شکل پذیری آن را بهبود ببخشد. محققان دریافتند که با افزایش شعاع گوشه های ستون، مقاومت و شکل پذیری ستون های پیچیده FRP افزایش می یابد. بدیهی است که یک مقطع دایره ای در ظرفیت حمل بار بیشترین تأثیر را دارد، در حالی که یک مقطع مربعی کمترین کارآیی را دارد. بنابراین، برای مقاوم سازی ستون های مربع موجود، تغییر بخش ستون ها از مربع به دایره قبل از بستن ستون با FRP راه حل خوبی است که برای کاربردهای عملی باید بررسی و تأیید شود.
برای مقاوم سازی ستون با FRP الیاف شیشه یا کربن را در راستای عمود بر ستون در اطراف آن، دور پیچ میکنند، در این روش محصور کردن ستون با الیاف FRP سبب ایجاد فشار جانبی بر ستون بتنی می گردد و به همین دلیل مقاومت فشاری ستون افزایش پیدا می کند.
برای استفاده از ورق های FRP دور مقطع یک لایه ورقه الیاف بر روی پوشش رزین پلیمری قرار داده می شود که این رزین، ورقه ی الیاف را به بتن ستون می چسباند. سطح تماس بین ورقه FRP و سازه از اهمیت بالایی برخوردار است و خصوصیات و نحوه ی گسیختگی المان بستگی به خصوصیات FRP و سطح عضو سازه دارد.
ستون ها ممکن است به مقاوم سازی خارجی، خصوصاً برای ارتقا لرزه ای سازه هایی که برای بارهای ثقلی طراحی شده اند، نیاز داشته باشند. در این حالت، حداکثر گشتاورهای خمشی معمولاً در سطح مقطع بالا و پایین ستون حاصل می شود و از این رو سیستم مقاوم سازی کننده نیاز به مهار در تیرهای مجاور دارد. در بسیاری از کشورها، بیشتر ساختمان های موجود، پل ها و انواع دیگر سازه ها از نظر استاندارد دارای مشکل هستند و مصالح و تکنیک های جدید برای مقاوم سازی یا ترمیم لازم است.
ستون های بتنی در بسیاری از سازه ها عملکرد مهمی دارند. اغلب، این ستون ها در برابر بارهای خاص (مانند ضربه، انفجار یا بارهای لرزه ای)، افزایش بار (افزایش استفاده یا تغییر در عملکرد سازه ها) و تخریب (خوردگی آرماتور فولادی و واکنش سیلیس قلیایی) آسیب پذیر هستند. تحت یک بار لرزه ای، چندین حالت خرابی، مانند شکست در اتصال بین پی و ستون، شکست برشی و شکست محصورشدگی در مفصل پلاستیک خمشی، در ستون پل های بتن مسلح موجود مشاهده شد. این سه حالت خرابی به طور بالقوه به جزئیات ضعیف در اتصالات طولی، آرماتورعرضی نامناسب و مقاومت برشی ناکافی مربوط هستند.
ستون ها در ساختمان ها و پل ها اغلب با گذشت زمان دچار خوردگی می شوند و نیاز به ترمیم و مقاوم سازی دارند. خطاهای حین ساخت همچنین می توانند منجر به ستون های ضعیف تری شوند که نیاز به مقاوم سازی دارند.
تقریباً تمام ستون های بتنی ساخته شده قبل از اواسط دهه 1970 که بر اساس آیین نامه ای زلزله مدرن ساخته شده اند، در معرض بارهای لرزه ای به صورت ایمن نیستند. در تمام این موارد، مقاوم سازی ستون با FRP یک گزینه سریع و مقرون به صرفه برای ترمیم ارائه می دهد.
خرابی برشی به عنوان خطرناکترین حالت خرابی شناخته می شود، زیرا به احتمال زیاد باعث ریزش کامل ساختمان ها و پل های موجود می شود. کمبود برش ممکن است به دلیل بسیاری از فاکتورها رخ دهد، از جمله عدم مقاوم سازی برشی کافی یا کاهش سطح فولاد به دلیل خوردگی، افزایش بار سرویس و خطاهای ساخت و ساز. علاوه بر این، نیاز مبرم به ارتقا مقاومت برشی سازه های بتن مسلح قدیمی برای مطابقت با استانداردهای فعلی طراحی لرزه ای در مناطق با لرزه خیزی بالا وجود دارد.
خرابی های مفاصل پلاستیک معمولاً با برخی از شکل پذیری های جابجایی اتفاق می افتد و محدود به نواحی کوتاهتر ستون است. بنابراین این خرابی ها تخریب کمتری دارند و به دلیل تغییر شکل های خمشی غیر الاستیک، مطلوب تر از شکست برشی شکننده ستون در کل ستون هستند. به طور معمول، عملکرد خمشی را می توان در پایه ستون مشاهده کرد و پس از تسلیم آرماتور اصلی ستون، پوشش بتنی از بین می رود، در نتیجه منجر به کمانش در میگردهای طولی بین خاموت ها و منجر به از دست دادن محصورشدگی می شود. از بین رفتن پوشش بتنی، مقداری هسته بتن و کمانش در میلگردهای طولی منجر به از دست رفتن مقاومت محوری و خمشی ستون در ظرفیت دریفت جانبی پایین می شود.
مطالعات زیادی که توسط سازمان های مختلف دولتی اثربخشی سیستم مقاوم سازی ستون با FRP را در ترمیم و مقاوم سازی ستون ها ثابت کرده اند. در همه موارد ، طراحان مناسب ترین محصول را برای ترمیم پیشنهاد می دهند. آنها مقاوم سازی با الیاف را شامل تعداد و جهت الیاف در هر لایه از الیاف FRP یا لمینیت را طراحی می کنند و نقشه های مهندسی را برای چنین ترمیم هایی به مشتری ارائه می دهند.
ویژگی ها و مزایا مقاوم سازی ستون با FRP
ویژگی های مقاوم سازی با FRP عبارتند از:
- ترمیم برای کلیه مصالح (فولاد ، بتن ، چوب و غیره) قابل استفاده است.
- می تواند ظرفیت محوری، برشی و خمشی ستون ها را افزایش دهد.
- به طور قابل توجهی محصورکنندگی و شکل پذیری ستون را بهبود می بخشد.
- حداقل افزایش در ابعاد ستون
- ترمیم های سریع و با کمترین اختلال در سرویس انجام می شود.
