انواع روش های مقاوم سازی ستون بتنی چیست؟  ستون ها اعضایی هستند که تحت نیروهای محوری  یا بدون نیروهای برشی و لنگرهای خمشی قرار می گیرند. در قاب خمشی، ستون علاوه بر انتقال بار ثقلی به پی، باید تنش های ناشی از بارهای جانبی ناشی از زلزله را نیز تحمل کند. رعایت اصل ستون های مستحکم ، تیرهای ضعیف یکی از اصول طراحی است و در طراحی همواره سعی بر این است که شکل گیری درزهای خمیری به تیرها یا براکت ها منتقل شود تا فلسفه ستون های محکم، تیرهای ضعیف رعایت شود. روش های تقویت ستونهای بتنی طبق قوانین طراحی باید دارای حداقل ابعاد عرضی باشند. زمانی که یک انواع روش های مقاوم سازی ستون بتنی  نسبت طول به عرض زیادی داشته باشد، تحت خمش های دو محوره از کار می افتد. مقاوم سازی ستون های بتنی برای افزایش مقاومت محوری، خمشی و برشی و همچنین افزایش شکل پذیری ستون ها در نزدیکی نقاط اتصال به تیرها و تقویت نقاط ضعیف انجام می شود. در ستون‌های بتن مسلح ، گسل‌های لرزه‌ای با شکست‌های ناشی از طول اتصال ناکافی i، برش ناشی از برشی، خمشی و برشی و خمشی، شکست ستون‌های کوتاه و ترک‌های ناشی از کمانش طولی میلگرد همراه است.

ستون چیست؟

ستون یک سازه عمودی است که بر روی پی گذاشته می شود، وظیفه اصلی آنها حمل بار سازه های فوقانی و همچنین انتقال بار از تیرهای مجاور به سازه های زیرین و در نهایت به فونداسیون سازه می باشد. به طور کلی می توان گفت که ستون سازه ای است که می تواند بار محوری را به صورت نیروی فشاری تحمل و انتقال دهد. بارهای محوری به دو صورت به عضو ستون اعمال می شود:

•     در صورتی که جهت بار با محور طولی شفت که از مرکز مقطع عبور می کند منطبق باشد به این نوع بار، بار محوری ساده می گویند.
•     اگر امتداد بار با محور طولی شفت منطبق نباشد، در این صورت علاوه بر تأثیر فشار بار، تأثیر انحراف آن از مرکز نیز بر محور و سازه تأثیر می گذارد. اثر انحراف بار روی شفت معمولاً منجر به خمش می شود.
• اهمیت ستون در این است که رابط کف (فنداسیون) و سقف است و هرگونه ضعف در ستون خسارات جبران ناپذیری به سازه و سقف وارد می کند و گاهی با خسارات مالی و جانی همراه است.

خرابی ستون های بتنی به دلایل زیر است:

1.      ایجاد ترک و خرد شدگی
2.      خوردگی میلگرد فولادی
3.     فقدان کمیت و موقعیت آرماتور موجود
4.     عدم مقاومت فشاری در بتن
5.     طول وصله ناکافی
6.     کمانش میلگرد های طولی
7.     شکست های ناشی از برش
8.     شکستگی های ناشی از فعل و انفعالات خمشی و برش خمشی
9.     شکست ستون کوتاه

شکست های شدید و برشی ستون های بتنی به دلیل ماهیت ناگهانی خود از شدیدترین انواع خرابی ها هستند. به همین دلیل همواره سعی بر این است که مکانیسم کنترل شکست ستون خمیده باشد و ستون نتواند به عنوان عضوی ضعیف در چارچوب سازه عمل کند. نمودار بالا نمونه ای از شکست برشی ستون را نشان می دهد. در مقاوم سازی ساختمان ها تلاش می شود تا حد امکان از این نوع شکستگی جلوگیری شود. سایر خرابی های ستون شامل کمانش آرماتورهای طولی، فاصله ناکافی و طول ناکافی وصله است .خاموت‌هایی که با زاویه 135 درجه انحراف یا خمیده نشده‌اند و با طول مناسب، نمی‌توانند از خمش طولی میلگرد جلوگیری کنند یا فاصله مناسبی برای بتن ایجاد کنند. این منجر به شکست ستون قبل از تشکیل اتصالات پلاستیکی در تیر می شود. در ستون های بتنی به دلیل لغزش آرماتورهای طولی در محل وصله، اتصالات پلاستیکی در این ناحیه ایجاد می شود و در 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 ستون‌ها برای افزایش ظرفیت خمشی، برشی و شکل ‌پذیری ستون‌ها با افزایش فواصل جانبی ناحیه اتصال پلاستیک پیشنهاد شده است که در هنگام زلزله‌های مختلف عملکرد خوبی دارد. روش تقویت این ستون به شرح زیر است:

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

در ادامه هر یک از روش های فوق را شرح خواهیم داد:

1. از ژاکت بتنی استفاده کنید

انواع روش های مقاوم سازی ستون بتنی ژاکت بتنی از یک لایه بتن، میلگرد طولی و خاموت بسته تشکیل شده است. ژاکت های بتنی مقاومت خمشی و برشی ستون ها را افزایش می دهند و افزایش شکل پذیری ستون در این حالت کاملا مشهود است. در مواردی که شدت آسیب به ستون ها زیاد باشد و یا ستون ها ظرفیت کافی در برابر نیروهای جانبی را نداشته باشند از پوشش های بتن مسلح استفاده می شود.بسته به موقعیت، ژاکت بتنی را می توان در اطراف ستون یا در یک طرف حمل کرد. مناسب بودن طرح ژاکت بتنی به اتصال آن به عضو بستگی دارد. اگر ضخامت ژاکت بتنی کم باشد، افزایش سفتی مقاوم سازی سمت راست قابل توجه نخواهد بود. ژاکت های بتنی ستونی باعث افزایش ابعاد ستون ها می شود که علاوه بر مسائل معماری باعث افزایش وزن ساختمان نیز می شود. گاهی اوقات عملکرد کامپوزیت های بتن و روکش قدیمی تنها با چسبندگی بین آنها (به دلیل ناهمواری سطح بتن قدیمی) حاصل می شود که می توان از آن برای ایجاد اتصالات قوی تری بین قفس های قدیمی و جدید با استفاده از آرماتور Ω جوش داده شده به قدیمی استفاده کرد. میلگرد جدید ظاهر می شود. اما در مواردی که ابعاد ستون مقاوم سازی بزرگ است و امکان قفل کردن تمام میلگردهای جدید حداقل یکی در میان وجود ندارد، برای جلوگیری از کمانش طولی میلگرد، استفاده از گیره های اتصال ضروری است. اگر ژاکت بتنی ستون فقط در قسمتی از ستون استفاده شود، خاموت قدیمی باید نمایش داده شود و خاموت جدید باید به آن جوش داده شود. اگر به دلایلی افزایش ظرفیت برشی بدون افزایش ظرفیت خمشی در نظر گرفته شود، ممکن است پوشش اعمال شده به سقف و تیرچه ها نچسبد و اگر افزایش ظرفیت خمشی ستون نیز در نظر گرفته شود، پوشش اعمال شده باید از طریق سقف عبور کند. هنگام استفاده از محلول مقاوم سازی ستون های بتنی با ژاکت های بتنی، اگر افزایش ظرفیت خمشی ستون ها در نظر گرفته شود، آرماتورهای طولی اضافه شده باید در ترمیم و بهسازی فونداسیون برای مقاوم سازی و از طریق سقف به طور مداوم محدود شود. ستون های اضافی معمولاً در چهار گوشه ستون قرار می گیرند و هنگام عبور از سقف نباید با تیرها برخورد کنند. افزودن خاموت در ژاکت بتنی ستون مقاومت برشی ستون را افزایش می دهد. خاموت به دلیل ستون نمی تواند با یک آرماتور عمل کند و حداقل باید از دو آرماتور متصل به آرماتور طولی استفاده شود. خم خاموت باید طول کافی داشته باشد و حداقل زاویه 135 درجه داشته باشد.  

اجرای ژاکت بتنی

بهتر است از ژاکت بتنی با قالب خود و بتن جامد استفاده شود اما اگر پوشش بتن کمی ضخیم باشد استفاده از روش بتن پاشی بهتر از بتن است. در نمودار پوشش بتنی با قالب نشان داده شده است. در این روش پس از بستن آرماتورهای اطراف ستون ها، قالب گیری و بتن به صورت مرحله ای انجام می شود. ارتفاع قالب در هر مرحله باید به حدی باشد که بتن و تراکم امکان پذیر باشد. ساخت بتن در قسمت بالایی زیر سقف سخت ترین قسمت است. در شکل پوشش بتنی ستون با روش بتن پاشی نشان داده شده است. برای اجرای بتن شاتکریت از کرمبندی استفاده می شود. حداقل مشخصات فنی پوشش های بتنی در زیر ارائه شده است. لازم به ذکر است کلیه ضوابط آیین نامه بتن ایران برای طراحی و اجرای پوشش های بتنی باید اجرا شود. 1- مقاومت مصالح جدید برابر یا بیشتر از مقاومت مصالح موجود باشد، توصیه می شود مقاومت فشاری بتن روکش دار حداقل 5 مگاپاسکال بیشتر از بتن موجود باشد. 2- برای ستون هایی که نیاز به تستر اضافی ندارند باید از چهار آرماتور طولی به قطر 16 میلی متر استفاده شود که با خاموت به قطر 8 میلی متر متصل می شوند. 3- حداقل ضخامت پوشش بتنی 100 میلی متر می باشد. 4- حداقل قطر خاموت 8 میلی متر و حداکثر 14 میلی متر می باشد. زاویه خمش انتهای خاموت 135 درجه است. 5. فاصله محوری تا محور خاموت نباید بیشتر از 200 میلی متر باشد، اما ترجیحاً فاصله خاموت نباید از ضخامت پوشش بیشتر شود. در فاصله 1/4 ارتفاع ستون از تکیه گاه، فاصله خاموت نباید از 100 میلی متر تجاوز کند. 6. فاصله افقی آماتوری ستون های متوالی نباید از هیچ یک از مقادیر زیر تجاوز کند: الف: 12 برابر قطر کوچکترین آرماتور طولی، چه به تنهایی و چه به عنوان عضوی از گروه تقویت کننده تماسی. ب: 48 برابر قطر میلگرد خاموت پ: 250 میلیمتر در صورتی که مقاومت بتن پوششی بیشتر از مقاومت بتن موجود باشد، هنگام تحلیل مقاومت خمشی ستون های مسلح می توان سطح مقطع ستون ها را به میزان مقطع افزایش داد و مصالح را به عنوان مصالح اولیه در نظر گرفت. از ستون ها با فرضیه حفاظت می توان تسلیم و ظرفیت خمشی انتهای ستون را تا 90 درصد مقدار محاسبه شده در نظر گرفت. افزایش ظرفیت برشی را می توان بر اساس مقدار خاموت اضافه شده محاسبه کرد. فقط خاموت برای محاسبه تعداد رهگیری ها در نظر گرفته می شود.

 

2. استفاده از ژاکت فولادی

اتصال ستون های بتنی با روکش فولادی یکی دیگر از روش های مقاوم سازی ستون های بتنی است. در این روش افزایش جزئی در ابعاد و وزن ستون ها وجود دارد. اثربخشی این روش به سختی پوشش صحیح در برابر تغییر شکل جانبی بتن بستگی دارد. اتصالات انقباضی دال باید در دهانه ستون ها قطع شود و باید در دهانه ستون ها را قطع کنند اتصالات انقباضی دال باید در دهانه های ستون قطع شوند. استفاده از پوشش های فولادی نیز می تواند به عنوان روشی موقت برای تعمیر تیرهایی که پس از زلزله آسیب دیده اند مورد استفاده قرار گیرد. روکش فولادی مقاومت برشی و تا حدی فاصله ستون ها را افزایش می دهد. نمونه ای از پوشش فولادی که در هنگام استفاده مقاومت برشی را افزایش می دهد. اگر اتصالی بین روکش فولادی ستون در طبقات مختلف وجود نداشته باشد، ظرفیت نیروی محوری ستون افزایش نمی یابد. تا زمانی که ورق های پوشش فولادی نتوانند به فونداسیون چسبانده شوند و اتصالات بین پوشش های فولادی لایه های مختلف از طریق دال برقرار نشود، مقاومت خمشی ستون ها افزایش نمی یابد. ستون های تقویت شده برای افزایش مقاومت برشی معمولاً نیاز به افزایش شکل پذیری خمشی دارند که در ژاکت های مستطیلی فقط در زوایای مقطع ارائه می شود. دلیل آن مقاومت کم این نوع ژاکت در برابر انبساط جانبی هسته بتنی است. برای بهبود رفتار خمشی ژاکت فولادی مستطیلی، یک اعتراف کننده در ارتفاع ستون اعمال می شود. با سفت کردن، ژاکت فولادی بیشتر بسته شده و از تورم جلوگیری می شود. طراحی ژاکت و انبردست فولادی بر اساس ایجاد شکل پذیری خمشی ستون است. همچنین ضخامت سخت کننده ها نقش بسزایی در افزایش ظرفیت برشی ستون ها دارد به طوری که با افزایش ضخامت سخت کننده میزان ظرفیت برشی و سختی ستون افزایش پیدا می کند و در حالت کلی ضخامت سخت کننده ها به منظور اعمال محصور کنندگی بهتر از ضخامت ژاکت فولادی بیشتر باشد. فاکتور مهم دیگر طول هاردنر است که باید کمی بیشتر از طول ناحیه مستعد تشکیل مفصل پلاستیکی باشد تا از تورم ژاکت در این ناحیه جلوگیری شود. روکش فولادی را می توان با پروفیل های فولادی و تسمه های اتصال به صورت قفسه ای اجرا کرد. این نوع پوشش فولادی یکی از رایج ترین و کاربردی ترین روش های اجرای پوشش فولادي می باشد.  

3. استفاده از الیاف FRP

مقاوم سازی ستون بتنی با الیاف کربن و مقاوم سازی اعضای بتنی با مواد کامپوزیت FRP یک روش نسبتا جدید است. مواد FRP خواص فیزیکی خوبی دارند که می توان آن را برای استحکام کششی بالا، ضخامت و وزن کم مشاهده کرد. برای اتصال یک عضو بتنی، لازم است که جهت الياف کربن یک طرفه تا حد امکان عمود بر محور طولی عضو باشد.در این حالت الیاف گرد مانند تنگ هاي بسته يا خاموت هاي مارپيچي فولادي عمل مي كنند. در محاسبه مقاومت فشاري محوري عضو بايد از سهم الياف موازي با راستاي طولي آن صرفنظر گردد. کلام آخر مقاوم‌سازی سازه‌های ضعیف که ممکن است در اثر تغییر در آیین‌نامه‌های طراحی یا اجرای نامناسب سازه‌ها و یا به دلیل افزایش طبقات که نیاز به مقاوم‌سازی دارند یا آسیب‌های ساختمانی در اثر خوردگی فولاد ایجاد شود، موضوع مهم و ضروری است. این مقاوم سازی را می توان قبل از زلزله یا با ترمیم اندام آسیب دیده پس از زلزله انجام داد. در ساختمان ها، ستون ها از زلزله خیزترین عناصر هستند. افزایش ظرفیت محوری و شکل پذیری ستون های بتن مسلح می تواند در استحکام کل سازه موثر باشد. در سال‌های اخیر روش‌های مختلفی برای تعمیر یا تقویت ستون‌ها ارائه شده و نظریه‌های متعددی در مورد افزایش ظرفیت محوری آن‌ها بیان شده است. .