مقاوم سازی تیر فولادی چیست؟  همانطور که می دانید تیرها یکی از عناصر اصلی و سازه ای هستند که طراحی و محاسبات خاص خود را دارند. تیرها در سازه های بتن مسلح و همچنین سازه های فلزی استفاده می شوند. تیرهای مورد استفاده در سازه های فولادی با استفاده از ضوابط فولادی طراحی می شوند (فصل 10 مقررات ملی ساختمان) بیشتر سازه ها در کشور ما از فولاد طراحی و ساخته می شوند که ممکن است نیاز به مقاوم سازی داشته باشند. آرماتوربندی ساختمان عموماً به منظور عملکرد بسیار خوب در برابر بارهای وارده بر عناصر غیر باربر سازه های فولادی و بتنی (مانند دیوارها) و همچنین حفظ مقاومت آنها انجام می شود.  

تیر از نظر شرایط تکیه گاهی

سه نوع متداول تکیه گاه تیرها شامل تکیه گاه غلتکی، تکیه گاه مفصلی (پین) و تکیه گاه ثابت می باشد. تکیه گاه غلتکی در برابر حرکت عمود بر محور خود مقاومت می کنند، در حالی که تکیه گاه مفصلی در برابر حرکت تیر در هر جهت مقاومت می کنند. هم تکیه گاه غلتکی و مفصلی می توانند به صورت آزادانه در تکیه گاه بچرخند. تکیه گاه ثابت از حرکت و چرخش تیر در هر جهتی در تکیه گاه جلوگیری می کند. با این حال، تیرها را می‌توان به‌صورت ساده، برآمده (تیرهای نوک‌دار ساده)، مسطح، دو سر و پیوسته (جهانی) با توجه به شرایط پشتیبانی طبقه‌بندی کرد. تیرهای ساده تیرهای تک دهانه با تکیه گاه در دو انتها، یکی به صورت غلتکی و دیگری مفصلی باشد‌ تیرهایی با تکیه گاه های ساده که تکیه گاه آنها لزوماً در انتهای تیر قرار ندارند، تیرهای مرکب نامیده می شوند. تیر طره‌ای تیری است که در یک انتها گیر دار و سر دیگرش آزاد است. فلش هایی که در دو انتها آزاد نباشند فلش های دو سر نامیده می شوند. فلش هایی با بیش از دو تکیه گاه ساده را فلش های پیوسته یا جهانی می نامند.

 

سطح بارگیری تیر

سهم هر تیر از بار سقف مقدار باری است که وارد سطح باربر آن تیر می شود. اگر نسبت ابعاد دال سقف بیشتر از 2 باشد، دال را دال یک طرفه و در غیر این صورت دال دو طرفه می نامند. در یک شفت، بسته به اینکه شفت بار دال را به صورت یک طرفه یا دو طرفه تحمل کند، وضعیت متفاوت است. اگر تیر بار را از دال یک طرفه حمل می کند، عرض لودر در نیمه راه بین دو دهانه مجاور است. اگر تیر از تیر دو طرفه بارگیری شود، سطح باربر آن با کشیدن نیمساز زاویه به دست می آید، بنابراین بار وارده به تیر به صورت مثلث یا ذوزنقه خواهد بود. دال هایی مانند قوس ضربی و تیرهای بلوک و دال های مرکب (کامپوزیت) رفتار یک طرفه دارند. انواع دال های بتنی یک طرفه و آرمه اغلب دارای خواص دو طرفه هستند.  

پروفیل های مناسب برای تیرها

بدیهی است مقاطعی از نظر انعطاف پذیری مقرون به صرفه هستند که دارای سطح مقطع کوتاهتر و در نتیجه وزن واحد برای ظرفیت خمشی برابر باشند. پروفیل های نورد IPB، INP، IPE، UNP از کارآمدترین پروفیل های خمشی هستند. هنگامی که مقاطع نورد شده در برابر لنگرهای خمشی موجود مقاومت کمتری دارند، با افزودن اجزای بیشتر به بالها، مانند تسمه یا ورق، تقویت می شوند. اگر مقاطع تقویت شده برای بار و دهانه مورد نظر کافی نباشد از تیر ورق استفاده می شود. عناصر سازه ای سازه های فولادی به شرح زیر تقسیم می شوند:

•     تیر فولادی
•     ستون های فولادی
•     فونداسیون سازه

البته لازم به ذکر است که تقسیم بندی عناصر سازه ای درمقاوم سازی ستون های بتن مسلح به همین صورت است. در اغلب موارد به دلیل ایجاد بارهای جانبی مانند زلزله، برای کارآمدی ساختمان و همچنین مقاوم سازی در برابر بارهایی که ممکن است به ساختمان وارد شود، نیاز به تقویت تیرهای فولادی و تقویت آنها داریم. ، سازه استحکام و پایداری خود را به خوبی حفظ می کند و با مشکلات و سختی های زیادی مواجه نمی شود.  

چرا تیرهای ساختمان خراب می شوند؟

از دلایل اصلی خرابی تیرهای ساختمان می توان به موارد زیر اشاره کرد:

•     یکی از مهم ترین دلایل شکستن تیرهای ساختمان مقطع تیر پایین می باشد.
•     لاغری بیشتر از حد مجاز تیر، یکی دیگر از علل خراب شدن تیرها است.
•     جوش ضعیف تیرها باعث ضعیف شدن و شکستن تیرهای ساختمان می شود. فشرده نشدن سطح مقطع عامل مهم دیگری است که باعث کاهش مقاومت تیرها می شود.
•     عدم فشردگی مقطع، یکی دیگر از موارد مهمی است که باعث کاهش مقاومت تیرها می شود.
•     زنگ زدگی و خوردگی تیرها در اثر تماس با مواد شیمیایی یکی دیگر از دلایل اصلی شکستگی و کمانش تیر است.
•     همچنین خستگی و ساییدگی سازه تیرها باعث کمانش و شکستن تیرها می شود.
•     نیروها و تنش های لرزه ای نیز می تواند به تیرهای ساختمان آسیب برساند.

موارد فوق یکی از عوامل اصلی ضعیف شدن جرزها و کاهش استحکام آنهاست. برای جلوگیری از این اتفاق و افزایش عمر مفید سازه باید از روش های تقویت تیرها استفاده کرد تا به تیرهای سازه آسیبی وارد نشود.  

دلایل تقویت تیرهای فولادی:

آرماتوربندی تیرهای فولادی در ساختمان به دلیل موارد زیر است که در مقاوم سازی ساختمان بسیار حائز اهمیت است:  

علل شکستگی تیرهای فولادی و آرماتورهای تیرهای فولادی:

  خرابی های عمده در تیرهای فلزی شامل کمانش عمومی و موضعی بال و قالب و پارگی در درزها و وصله‌ها می باشد. به دلیل اینکه قسمتی از مقطع تحت فشار است، خطر کمانش در این ناحیه وجود دارد و یکی از دلایل مهم تقویت تیر فولادی این نوع خرابی است. کمانش در سازه های فولادی همانطور که گفته شد در اثر نیروهای فشاری ایجاد می شود. به همین دلیل باید این عناصر را تقویت کرد تا از انواع کمانش در تیرهای فولادی و همچنین در ستون‌های فولادی جلوگیری شود. این کمانش در اتصالات فشاری می تواند به دو صورت رخ دهد که در زیر توضیح داده شده است:

 

کمانش موضعی:

به طوری که پروفیل تیغه یا هسته به صورت موضعی در برابر تنش های فشاری کمانش می شود.

کمانش کلی:

به طوری که ناحیه فشاری سطح مقطع، مانند ستون فشار، معمولاً دچار کمانش می شود. دلایل اصلی این خرابی ها عبارتند از:   1- سطح مقطع کم تیر 2- تضعیف بالاتر از حد مجاز 3- فشرده نشدن مقطع 4- ضعف در آکنه 5- زنگ زدگی و خوردگی تیر 6- ایجاد ناحیه متاثر از حرارت در اثر جوشکاری زیاد 7- خستگی 8- طراحی نادرست تیرهای فولادی  

راه حل های رایج برای تقویت تیرهای فلزی:

 

تقویت شده با روکش فولادی برای تقویت تیر فولادی

یکی از راه های مقاوم سازی تیرهای فولادی، روکش فولادی است. با افزایش ضخامت تیغه از کمانش موضعی تیغه تیر نیز جلوگیری می شود. روکش فولادی ماده ای است که در قسمت های مختلف سازه نصب می شود و می تواند در افزایش ظرفیت باربری سازه کاملاً موثر باشد.  

تقویت با ژاکت فولادی:

  1- افزودن ورق موازی به قالب تیر 2- افزودن سخت کننده جان اضافه نمودن سخت کننده های جان : افزودن صفحات موازی به هسته تیر باعث افزایش مقاومت برشی می شود. اضافه نمودن سخت کننده های جان : یکی از موثرترین راه‌ها برای افزایش مقاومت برشی تیر، استفاده از سخت‌کننده‌ها است. سفت کننده های عرضی صفحاتی هستند که به صورت تیغه های عمودی در فواصل معین از یکدیگر قرار گرفته و به قالب و پره فشار جوش داده می شوند.  

استفاده از ژاکت فولادی تیر بتنی برای تقویت تیر فلزی:

  سفتی تیر فولادی با اعمال مقاوم سازی ساختمان با ژاکت بتنی افزایش یافته که باعث افزایش سختی برشی و خمشی شد. اگر تیر فلزی به شدت خورده شده باشد، تیر بتنی تیر فولادی به عنوان یک راه حل موثر توصیه می شود. تیرهای فلزی تقویت شده با پوشش بتنی نیز مقاومت خوبی در برابر آتش دارند. همانطور که می دانید فولاد برای مقاومت در برابر آتش و مقاوم سازی ساختمان در برابر بلاهای طبیعیمناسب نیست و برعکس بتن مقاومت و رفتار بهتری در برابر آتش نشان می دهد. بنابراین می توان از ژاکت بتنی برای سخت شدن تیرهای فولادی و سایر عناصر سازه ای سازه فولادی در برابر آتش و حرارت ناشی از آن استفاده کرد.  

استفاده از پیش تنیدگی خارجی برای تقویت تیرهای فولادی:

  پیش‌ تنیدگی خارجی یکی از روش های جدید تقویت تیر فولادی است. کابل‌های کششی که برای این منظور استفاده می‌شوند، همان کابل‌ها و سیم‌هایی هستند که معمولاً در کارهای کششی استفاده می‌شوند. چنین تقویت تیرهای فلزی می تواند موضعی یا عمومی باشد. به طور کلی نیروهای پیش تنیدگی القا شده در سازه مقاومتی منجر به توزیع مجدد نیروهای داخلی و کاهش تنش ها در اعضا نسبت به حالت اولیه می شود. با این حال، در برخی دیگر از اعضای سازه، پیش‌ تنیدگی ممکن است تنش را افزایش دهد. بنابراین تجزیه و تحلیل تنش در سازه تقویت شده باید در هنگام استفاده از پیش تنیدگی خارجی با دقت انجام شود. جدای از موضوع محدودیت ها، تعدادی ملاحظات اضافی در هنگام استفاده از کابل های کششی لازم است که اغلب حاوی انواع مختلفی از سفت کننده ها هستند. این امر به ویژه در پیش‌ تنیدگیمقاوم‌سازی ساختمان با پیش تنیدگی و پس کشیدگی موضعی دیده می‌شود زیرا پیش‌ تنیدگی، نیروهای مرکزی جدید از جمله نیروهای محوری اضافی را در اعضا ایجاد می کند، بنابراین اعضا باید به صورت محلی تقویت شوند تا ثبات خود را حفظ کنند.  

تقویت تیرهای فولادی با الیاف FRP

  در سازه های فولادی، تیرها وظیفه حمل بارهای وارده از پایه سازه و انتقال آن به ستون ها را بر عهده دارند و در صورتی که تیر فولادی به هر دلیلی ظرفیت خمشی کافی برای تحمل بارها را نداشته باشد، باید مقاوم سازی شود. مانند تیرهای بتن مسلح، تیرهای فولادی را می توان با اتصال FRP به قسمتی از مقطع که قرار است کشیده شود، تقویت کرد. به این ترتیب می توان بال پایینی تیر فولادی را با تقویت آن تقویت کرد. همچنین برای تیرهای خرپایی یا تیرهای مورد استفاده در قاب های چند دهانه، می توان خم شدن را با FRP در وسط طول بال تحتانی و همچنین با تقویت بال بالایی در نواحی نزدیک تقویت کرد.

مزایای روش تقویت تیر فولادی FRP

 

1.     مشکلات عملکرد را به دلیل وزن بسیار کم الیاف FRP به حداقل می رساند
2.     انعطاف پذیری بالای الیاف FRP
3.     افزایش ظرفیت خمشی تیرهای فولادی
4.     به تاخیر انداختن کمانش موضعی بال تیر
5.     ورق های FRP با ضخامت کم و عدم تغییر قابل توجه در ابعاد تیر
6.     هزینه کم نسبت به سایر روش های سنتی

تقویت برشی تیرها با الیاف پلیمری

در آرماتوربندی برشی تیرها با الیاف FRP، الیاف FRP به طرفین تیر (عمود بر طول تیر) متصل می شوند تا ظرفیت برشی تیرها افزایش یابد. برای ایجاد FRP به شکل U برای تقویت تیرها،الیاف FRP به دو طرف و پایین تیر می‌چسبند. این نوع عملکرد در تقویت تیر با FRP باعث افزایش مقاومت برشی تیر و همچنین مقاومت خمشی تیرها می شود.  

تقویت تیرها با خمش با الیاف پلیمری

برای تقویت انعطاف پذیری تیرهای بتنی می توان از الیاف پلیمری استفاده کرد. به طور کلی، در جایی که سازه در طراحی اولیه دارای مقاومت خمشی پایینی بود، مقدار ناکافی آن را می توان با استفاده از الیاف FRP جبران کرد. اگر کاشت میلگرد کمتر از حد لازم باشد تا مقاومت خمشی مورد نظر را تامین کند، شاهد ترک هایی در بتن در زیر تیرها یا طبقات خواهیم بود. ترک ها در بتن به صورت عمودی ایجاد می شوند و به اقدامات تعمیر بتن نیاز دارند. برای به دست آوردن بالاترین سختی و استحکام کششی، این مواد باید در جهت آرماتور فولادی اجرا شوند. البته در چنین مواقعی لازم است اثر بارهای جایگزین بر FRP مورد تحلیل قرار گیرد.  

تقویت تیر بتنی سوراخ دار

یکی از شروط لازم برای اجرای اقدامات مربوط به مقاوم سازی سازه در آرماتوربندی موضعی تیرهای بتن آرمه سوراخ دار می باشد. چنین اجزایی اغلب با مجموعه ها همراه هستند، در این صورت می توان مناطق اطراف حفره ها را به صورت موضعی با استفاده از الیاف پلیمری FRP برای تقویت تیرهای بتنی تقویت کرد.  

تقویت تیر بتنی با میلگردهای پلیمری

همانطور که در این مقاله اشاره شد استفاده از الیاف FRP یکی از روش های مقاوم سازی تیرهای بتن آرمه و مقاوم سازی تیرها می باشد. اما این ورق های FRP اعمال شده بر روی سطوح خارجی تیرهای بتنی به عوامل مختلفی از جمله ضربه، درجه حرارت بالا، آتش و اشعه ماوراء بنفش حساس هستند. برای رفع این مشکل می توان از میلگرد FRP و تیرهای بتن آرمه به روش NSM استفاده کرد. در این روش نواحی خاصی برای تعبیه میلگرد GFRP و میلگرد CFRP ایجاد می شود که ابعاد آنها از ضخامت پوشش بتنی میلگرد کوچکتر است و میلگردهای پلیمری در آنها قرار می گیرد.   آخرین کلام: به طور کلی امروزه موضوع مقاوم سازی سازه ها با هر نوع ماده سخت شده برای مهندسین اهمیت زیادی دارد زیرا استفاده از آرماتورهای سازه ها می تواند عمر سازه ها و امکان استفاده را افزایش دهد. آرماتور با تقویت المان های خاصی که طرح ها و چیدمان های خاصی برای آن ها در نظر گرفته می شود، انجام می شود.