مقاوم سازی ستون های بتن مسلح چگونه انجام می شود؟ ستون ها اعضایی هستند که تحت نیروی محوری با یا بدون نیروی برشی و تثبیت کننده خمشی قرار می گیرند. در چارچوب خمشی، ستون ها علاوه بر انتقال بارهای ثقلی به پی، باید تنش های ناشی از بارهای جانبی ناشی از زلزله را نیز تحمل کنند. رعایت اصل ستون مستحکم – تیر ضعیف یکی از اصول طراحی است و در طراحی همواره سعی بر این است که تشکیل اتصال به تیرها یا گیره ها منتقل شود تا فلسفه ستون قوی، تیر ضعیف رعایت شود. مقاوم سازی ستون های بتنی مطابق با آیین نامه طراحی باید دارای حداقل ابعاد مقطع باشد. زمانی که ستون های بتنی نسبت طول به عرض زیادی داشته باشند، در زیر خم های دو محوره شکست می خورند. ستون های بتنی به منظور افزایش مقاومت محوری، خمشی و برشی و همچنین افزایش شکل پذیری ستون در نزدیکی اتصال تیر و تقویت نقاط ضعیف تقویت می شوند. در ستون های بتن مسلح ، خسارت زلزله با شکست ناشی از ناکافی بودن طول اتصال i، شکست ناشی از برش و خمش و اندرکنش برشی خمشی، شکست ستون کوتاه و ترک های ناشی از پیچش میلگرد طولی همراه است. خرابی ستون بتنی به دلایل زیر است:

•      ایجاد ترک و خرد شدگی
•      خوردگی میلگرد
•     کاهش مقدار و محل آرماتورهای موجود
•     عدم مقاومت فشاری در بتن
•     طول وصله ناکافی
•     کمانش میلگردهای طولی
•     شکست های ناشی از برش
•     شکست های ناشی از خمش و اندرکنش برش و خمش
•     شکست ستون کوتاه

شکست تُرد و برشی ستون های بتنی به دلیل ماهیت ناگهانی آن بدترین نوع شکست محسوب می شود. به همین دلیل همواره سعی می شود مکانیسم کنترل کننده شکست ستون خمشی باشد و ستون نباید به عنوان یک عضو ضعیف در سازه های قاب عمل کند. در مقاوم سازی ساختمان تلاش می شود تا حد امکان از این نوع گسختگی جلوگیری شود. از دیگر خرابی های ستون می توان به کمانش آرماتورهای طولی، عدم فاصله گذاری مناسب و طول ناکافی لکه ها اشاره کرد. اتصالات انقباض دال باید در سوراخ ستون قطع شود و نباید در سوراخ ستون قطع شود. این باعث می شود که ستون قبل از تشکیل اتصال پلاستیکی در تیر از کار بیفتد. در ستون های بتنی به دلیل لغزش آرماتور های طولی در محل لکه ها، اتصال پلاستیکی در این نواحی ایجاد می شود و در طی چند سیکل اول خمش غیر کشسان، ظرفیت باربری ستون به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.  

انواع روش های مقاوم سازی ستون بتنی

در سال‌ های اخیر روش‌ های مختلفی برای تقویت قطب ‌ها برای بهبود توانایی خمشی، برشی و شکل‌ پذیری قطب ‌ها با افزایش فاصله جانبی ناحیه اتصال پلاستیک پیشنهاد شده است که در هنگام زلزله ‌های مختلف عملکرد خوبی داشته است. روش های تقویت ستون عبارتند از:

•     مقاوم سازی با ژاکت بتنی
•     مقاوم سازی با ژاکت فولادی
•     مقاوم سازی ساختمان با FRP

  در زیر به توضیح هر یک از روش های فوق می پردازیم:  

1. از ژاکت بتونی استفاده کنید

پوشش بتنی از یک لایه بتنی از آرماتورهای فولادی طولی و اتصالات بسته تشکیل شده است. پوشش بتنی مقاومت خمشی و برشی ستون را افزایش می دهد و افزایش شکل پذیری ستون در این حالت کاملا مشهود است. از روکش بتن مسلح در مواردی استفاده می شود که شدت آسیب وارده به ستون زیاد باشد و یا ستون از مقاومت کافی در برابر نیروهای جانبی برخوردار نباشد. بسته به موقعیت، پوشش بتنی می تواند در اطراف ستون یا به یک طرف بچرخد. مناسب بودن طرح پوشش بتنی به اتصال آن به عضو بستگی دارد. اگر ضخامت پوشش بتنی کم باشد، افزایش صلبیت بتن مسلح محسوس نخواهد بود. ژاکت بتنی ستون باعث افزایش سایز ستون شده و علاوه بر مشکلات معماری، وزن ساختمان را نیز افزایش می دهد. عملکرد ترکیبی بتن قدیمی و روکش ممکن است تنها با اتصال بین آنها (به دلیل ناهمواری سطح قدیمی بتن) حاصل شود. می توان از آن برای ایجاد اتصالات قوی تر بین قفس های قدیمی و جدید با استفاده از میلگرد Ω جوش داده شده به قدیمی و میلگرد جدید استفاده کرد. اما اگر ابعاد میلگرد بزرگ است و نمی توانید حداقل یکی از تمام میلگردهای جدید را با هم مخلوط کنید، باید از گیره های اتصال برای جلوگیری از کمانش عمودی میلگرد استفاده کنید. اگر می‌خواهید مقاوم سازی ساختمان با ژاکت بتنی را فقط به قسمتی از ستون بزنید، باید ژاکت قدیمی را در معرض دید قرار دهید و جدید را جوش دهید. هنگام در نظر گرفتن افزایش مقاومت برشی بدون افزایش مقاومت خمشی بنا به دلایلی، پوشش اعمال شده ممکن است به سقف یا تیر نچسبد و در صورتی اعمال شده است که برای افزایش مقاومت خمشی ستون ها نیز در نظر گرفته شده باشد. هنگام استفاده از راهکار مقاوم سازی ستون بتنی با ژاکت بتنی، آرماتور طولی اضافی باید توسط فونداسیون محدود شود و با توجه به افزایش ظرفیت خمشی ستون، به طور مداوم از سقف عبور کند. نمونه ای از آن در شکل نشان داده شده است. ستون های اضافی معمولاً در چهار گوشه ستون قرار می گیرند و هنگام عبور از سقف نباید با تیرها برخورد کنند. افزایش بار روی ژاکت بتنی ستون باعث افزایش مقاومت برشی ستون می شود. به دلیل وجود ستون، اتصالات روی یک میلگرد قابل اجرا نیست. در اجرای آن باید حداقل از دو میلگرد متصل به میلگردهای عمودی استفاده شود. خم بریس باید به اندازه کافی طولانی باشد و حداقل زاویه باید 135 درجه باشد.  

ساخت ژاکت بتنی

بهتر است ژاکت بتن را با استفاده از قالب و بتن خود پر شوند، اما در صورتی که پوشش بتن کمی ضخیم تر باشد، بهتر است از روش بتن پاشی استفاده شود تا بتن ریزی. در این روش قالب و بتن پس از بستن میلگردهای تقویت کننده اطراف ستون ها پلکانی می شود. ارتفاع قالب در هر مرحله باید به اندازه ای باشد که با بتن متراکم شود. بتن در بالای سقف سخت ترین قسمت است. بسته به شکل از کرمبندی برای ساخت شاتکریت استفاده می شود. برای اطمینان از عملکرد ترکیبی بتن قدیم و جدید، سطوح بتن قدیمی باید با تیشه یا قلم خراشیده شود و یا سطوح آن با چسب شیمیایی پوشانده شود. در آزمایشات و تجربیات گذشته، برای اتصال بتن قدیم و جدید، زبری کردن سطح بتن کافی است، اما کاشت میخچه(میله تقویت کننده) در فاصله 300 تا 500 میلی متر، عملکرد ترکیبی بتن قدیم و جدید را به شدت افزایش می دهد. اگر پوشش بتنی اطراف ستون ها را احاطه کند، انقباض بتن جدید باعث ایجاد اصطکاک بین بتن قدیمی و جدید می شود و نیازی به کاشت پیچ و مهره را از بین می برد. حداقل مشخصات فنی برای پوشش بتن در زیر نشان داده شده است. لازم به ذکر است کلیه مفاد آیین نامه بتن ایران در خصوص طراحی و اجرای پوشش های بتنی باید اجرا شود.

1- استحکام ماده جدید باید بیشتر یا مساوی مقاومت ماده موجود باشد. مقاومت فشاری بتن پوشش داده شده حداقل 5 مگاپاسکال بالاتر از بتن موجود توصیه می شود. 2- برای ستون هایی که نیاز به تستر اضافی ندارند باید از چهار آرماتور طولی به قطر 16 میلی متر که توسط بادبندهایی به قطر 8 میلی متر احاطه شده اند استفاده شود. 3- حداقل ضخامت پوشش بتنی 100 میلی متر می باشد. 4- خاموت دارای حداقل قطر 8 میلی متر و حداکثر قطر 14 میلی متر است. زاویه خمش نوک خاموت 135 درجه است. 5. فاصله محور تا محور خاموت ها نباید از 200 میلی متر بیشتر شود، اما ترجیحاً فاصله خاموت ها نباید از ضخامت روسازی بیشتر شود. در فاصله 1/4 ارتفاع ستون از تکیه گاه، فاصله خاموت ها نباید از 100 میلی متر تجاوز کند. 6. فاصله آماتورهای افقی متوالی ستون نباید از هیچ یک از مقادیر زیر تجاوز کند: الف: 12 برابر قطر کوچکترین میلگرد طولی، چه به تنهایی و چه به عنوان عضوی از گروه میلگرد تماسی. ب: 48 برابر قطر میلگردهای خاموت پ: 250 میلی متر   در صورتی که مقاومت بتن پوششی بیشتر از مقاومت بتن موجود باشد، می توان سطح مقطع ستون را برابر با سطح مقطع در هنگام تحلیل مقاومت خمشی ستون بتن مسلح افزایش داد و به عنوان مصالح آن در نظر گرفت. . مواد اصلی ستون با یک فرض محافظه کارانه، تسلیم و ظرفیت خمشی نهایی ستون تا 90 درصد مقادیر محاسبه شده قابل قبول است. افزایش ظرفیت شکست را می توان بر اساس مقدار خاموت اضافه شده محاسبه کرد. فقط خاموت برای محاسبه مقدار صید در نظر گرفته می شود.  

2. استفاده از ژاکت فولادی

پوشش ستون های بتنی با روکش فولادی (روکش فولادی) یکی دیگر از روش های مقاوم سازی ستون های بتنی است. در این روش افزایش جزئی در اندازه و وزن ستون وجود دارد. اثربخشی این روش به سختی مناسب روسازی در برابر تغییر شکل جانبی بتن بستگی دارد. درزهای انقباضی دال باید در دهانه ستون ها باشد و دهانه های ستون ها را قطع کنند. استفاده از روکش فولادی همچنین می تواند به عنوان یک روش موقت برای تعمیر ستون های آسیب دیده پس از زلزله مورد استفاده قرار گیرد. روکش فولادی مقاومت برشی و تا حدودی فاصله ستون را افزایش می دهد. نمونه هایی از پوشش های فولادی که استفاده از آنها منجر به افزایش مقاومت برشی می شود. در صورت عدم اتصال بین آسترهای فولادی ستون با گریدهای مختلف، ظرفیت نیروی محوری ستون افزایش نمی یابد. مقاومت خمشی ستون تا زمانی که ورق های روکش فولادی به فونداسیون نچسبیده و ارتباط بین روکش فولادی لایه های مختلف از طریق دال برقرار شود افزایش نمی یابد. مقاومت خمشی ستون ها با استفاده از جزئیات مناسب افزایش یافته است که نمونه هایی از آن در شکل نشان داده شده است. ژاکت های فولادی مستطیلی و مربعی به تنهایی کاربرد عملی کمی برای تقویت ستون ها دارند. اثر اصلی این نوع ژاکت افزایش مقاومت برشی در ستون است.برای بهبود مقاومت برشی ستون تقویت شده نیاز به افزایش شکل پذیری خمشی دارد که معمولاً در ژاکت های مستطیلی فقط در گوشه های مقطع ارائه می شود. زیرا این نوع ژاکت مقاومت کمی در برابر انبساط جانبی هسته بتنی دارد. برای بهبود رفتار خمشی ژاکت های فولادی مستطیلی از یک آرماتور در ارتفاع ستون استفاده می شود. با فشرده سازی، گوشته فولادی بیشتر پیچیده شده و از تورم جلوگیری می شود. طراحی ژاکت فولادی و سفت کننده ها بر اساس اطمینان از شکل پذیری خمشی ستون است. علاوه بر این ضخامت سختی گیرها نقش مهمی در افزایش ظرفیت برشی ستون ها دارد به طوری که با افزایش ضخامت سفت کننده ظرفیت برشی و سختی ستون افزایش می یابد بیشتر فولادی شوید. عامل مهم دیگر طول سفت کننده است که باید کمی بیشتر از طول ناحیه مستعد تشکیل مفصل پلاستیکی باشد تا از تورم ژاکت در این ناحیه جلوگیری شود. مقاوم سازی با ژاکت فولادی را می توان با پروفیل های فولادی و نوارهای اتصال قفسه ای شکل اعمال کرد. این نوع پوشش فولادی یکی از رایج ترین و کاربردی ترین روش های اجرای پوشش های فولادی می باشد.

3. استفاده از الیاف FRP

تقویت عناصر بتنی با مواد کامپوزیت FRP یک روش نسبتا جدید است. مواد FRP خواص فیزیکی خوبی دارند که به دلیل استحکام کششی بالا، ضخامت و وزن کم قابل توجه است. استفاده از FRP در ستون های بتنی باعث افزایش ظرفیت برشی ستون، تغییر حالت گسیختگی از حالت برشی به خمشی و افزایش قابل توجه شکل پذیری می شود. برای احاطه یک عضو بتنی، جهت فیبر کربن یک طرفه باید تا حد امکان عمود بر محور طولی عضو باشد. در این حالت الیاف دایره ای مانند گیره های بسته یا مارپیچ های فولادی خاموت عمل می کنند. در محاسبه مقاومت فشاری محوری عنصر، سهم الیاف موازی با جهت طولی آن باید حذف شود.

 

کاربرد کامپوزیت FRP در مقاوم سازی سازه های بتن مسلح

امروزه نگهداری سازه ها با توجه به هزینه های ساخت و تعمیر از اهمیت بالایی برخوردار است و بررسی رفتار سازه های بتنی عوامل مختلفی از جمله خطاهای طراحی و محاسبات، اعمال نادرست تغییر سازه را آشکار می سازد. در اثر بارهای تصادفی، خوردگی بتن و فولاد و شرایط محیطی دوام خود را کاهش داده و در مواقع لزوم بهبود و تقویت می شود. سیستم های الیاف تقویت شده با پلیمر FRP برای تقویت سازه های بتنی و جایگزینی روش های سنتی مانند اتصال صفحات فولادی، بتن مجدد و افزایش سطح مقطع توسط پیش تنیدگی خارجی پدید آمده اند. با توجه به معایب این روش ها مانند راندمان پایین و یا نیاز به امکانات و تکنولوژی خاص، روش های تقویتی با استفاده از کامپوزیت ها روز به روز بیشتر در حال توسعه هستند.   کلام آخر ستون بتن مسلح یک عضو سازه ای است که برای حمل بارهای فشاری طراحی شده است.برای آرماتوربندی از بتن با اسکلت فولادی توکار استفاده می شود. استحکام ستون های کوتاه توسط استحکام مواد و شکل هندسی مقطع کنترل می شود. مقاوم سازی ستون بتنی با الیاف کربن ستون های باریک زمانی مناسب هستند که سطح مقطع آنها نسبت به طول آنها کوچک باشد.