مقاوم سازی سازه های بنایی و سنتی

مقاوم سازی سازه های بنایی و سنتی
1593 1397/4/26

علل آسيب پذيري سازه هاي بنايي:

بطور كلي دلايل اصلي عملكرد ضعيف سازه هاي بنايي ناشي از ترد بودن مصالح ، كاهش مقاومت براثر تكرار شديد بار ، وزن سنگين بنا ، نيروي برشي پايه زياد ، سختي زياد در مقابل امواج لرزه اي با پريود كوتاه وكيفيت ساخت مي باشد .

در اين نوع سازه ها به علت وزن ديوار ، امكان كمانش خارج از صفحه تحت اثر نيروي جانبي نيز وجود دارد . تركهاي عميق در ديوارها ، جدا شدن سقف از ديوار ، باز شدن تيرهاي طاق ضربي و ريختن آجر هاي درون طاق را نيز مي توان از جمله خسارات ناشي از اين گونه بنا برشمرد .

ساختمانهاي بنايي اصولا در برابر زلزله رفتاري فريبنده دارند، زيرابه محض اينكه بار زلزله از مقاومت آنها اندكي بيشتر شود به يكباره فرو مي ريزند.

اما در مقابل راه هايي براي مقاوم نمودن اين نوع سازه ها وجود دارد .در آيين نامه2800 نيز فصلي به ساختمان هاي بنايي غير مسلح اختصاص دارد .بايد توجه نمود كه بدون در نظر گرفتن اين ضوابط ، سازه هاي بنايي بسيار آسيب پذير خواهند بود .

 

نحوه شكست ديوارهاي بنايي:

ديوارهايي كه نسبت ارتفاع به طول آنها كوچك باشد ، به قدر كافي پهن بوده و امكان شكست خمشي در آنها كم مي باشد .به عكس ، در ديوارهاي باريك بيشتر حالت شكست خمشي حاكم مي باشد .

به طور كلي ويژگي مشترك ديوارهاي آجري غير مسلح آن است كه تحت شتاب پي ، تا وقتي كه به حد آستانه نرسيده اند ، آثار تخريب چنداني در آنها ظاهر نمي شود اما به محض عبور ازحد آستانه ، ديوار شروع به يك حركت چرخشي حول محور عمود بر ديوار ( شكست خارج از صفحه ) مي كند.اين حركت به نوبه خود باعث پيدايش تنشهاي خرد كننده اي در پنجه ديوار مي شود كه در نهايت موجب تخريب ديوار مي شود.

 

شكست برشي :

ديوارهايي با نسبت ارتفاع به طول كم كه تحت اثر بار محوري زيادي قرار گيرند گرايش به گسيختگي برشي با تركهاي قطري دارند، در اين حالت تنشهاي  كششي اصلي افزايش يافته تحت اثر نيروهاي افقي وعمودي ،از مقاومت كششي مصالح بنايي تجاوز مي نمايندو سبب گسيختگي ديوار مي گردد.

 

 

شكست لغزشي:

در ديوارهايي كه تحت اثر بارهاي عمودي يا ضريب اصطكاك پايين به دليل نامرغوبي مصالح وملات ، تركهاي افقي در پايين ديوار ايجاد مي شوند ، اين امر سبب لغزش در صفحه در طول ديوار مي گردد .در اين حالت نيمه بالايي روي نيمه پائيني ديوار مي لغزد .

 

شكست خمشي :

ديوار هايي كه در آنها نسبت لنگر خمشي به برش زياد باشد داراي گسيختگي با پكيدن منطقه فشاري ديوار كه در پنجه ديوار اتفاق مي افتد مي باشند .اين عمل سبب چرخش ديوار در صفحه مي گردد .

روش هاي سنتي تقويت سازه هاي بنايي :

روشهاي مختلفي براي تقويت سازه هاي بنايي در گذشته بوجود آمده اندكه مي توان به موارد زير اشاره كرد:

  1. ترميم وتقويت با استفاده از بتن مسلح اسپري شده و يا ملات اسپري شده.
  • پيش تنيدگي خارجي براي افزايش ظرفيت باربري .
  • استفاده از فولاد براي مسلح كردن ديوار .

نتايج استفاده از روشهاي سنتي به شرح زير مي باشند:

  • افزايش وزن كلي ساختمان و به تناسب آن افزايش نيروي زلزله وارد بر سازه .
  • مشكل چسبندگي در محل تماس مصالح و ملات اسپري شده، اثر تقويت را تا حدودي كاهش مي دهد.
  • فضاي داخلي كاهش مي يابد .
  • سيستم هاي پيش تنيدگي خارجي سبب بارهاي فشاري اضافي مي شوند . اين امر اغلب منجر به بار اضافي سازه بنايي در طبقات پايين يك ساختمان چند طبقه مي شود .
  • سيستم هاي مسلح كننده با شبكه هاي فولادي وقابهاي فولادي نيز سبب افزايش سختي مي شوند .اين افزايش باعث افزايش قابل توجهي در مقاومت ديوار مي شود .

در سالهاي اخير ، مهندسان اغلب به جاي طراحي ساختمانها ، با ترميم و بازسازي بناهاي موجود مواجه مي شوند . گرچه در برخي موارد ، جايگزيني يك سازه به طور كامل اقتصادي تر مي باشد، ولي قوانين برنامه ريزي شهري و دلايل تاريخي اجازه نمي دهد كه تغييرات اساسي در بسياري از سازه ها و بويژه در نماي خارجي ساختمانها صورت پذيرد .

اكثر سازه هاي قديمي راي مقابله در برابر زلزله طراحي نشده اند .معماران ومهندسان اكثرا براي پيدا كردن راه حل اقتصادي براي سيستم هاي سازه اي ومقاومت اعضاي سازه در برابر زلزله بويژه زماني كه كاربري سازه از مسكوني به اداري يا تجاري تغيير مي كند به مشكل بر مي خورند ، زيرا تغييرات اساسي براي سيستم سازه لازم مي گردد .

در نتيجه ، اعضا’ سازه اي قديمي با اعضاي سازه اي جديد جايگزين مي شوند ، يا آنها تقويت مي شوند . در بسياري ازحالات ، نگهداري بسياري از اعضاي قديمي سازه كه امكان تقويت آنها اقتصادي مي باشد مطلوب است .

امروزه ثابت شده است كه استفاده از مصالح FRP مي تواند يكي از موثرترين و برجسته ترين فناوري هاي موجود براي تقويت سازه هاي بنايي باشد .

از يك تحقيق جالب در يك كاربرد ميداني ، ايده هاي جديد براي بهبود و اثر بخشي سازه اي أشكار شد و ظهور FRP  بر اساس ديدگاههاي تقويت قرار داده شد. ازجمله نتايج استفاده از اين تكنيك ، اصلاح پذيري مكانيسم شكست اوليه ، افزايش قابل توجه ظرفيت نهايي و ايجاد يك رفتار نيمه شكل پذ ير مي باشد.

تقويت سازه هاي بنايي بوسيله FRP  به دو صورت انجام مي گيرد ، بااستفاده از لايه هاي FRP وباستفاده از ميلگردهاي FER كه بطور جداگانه هر يك را بررسي مي نماييم.

 

تقويت سازه هاي بنايي با استفاده از لايه هاي GFRP و AFRP  :

تقويت سازه هاي بنايي با استفاده از صفحات شيشه و أراميد در حالتي كه نياز اوليه ، افزايش شكل پذيري ديوارهاي باربر باشد و درجائيكه افزايش ظرفيت باربري كمتر مورد اهميت باشد كافي است . تقويت لرزه اي ديوارهاي باربر بايد به منظور توزيع تركها در سر تاسر سطح ديوار انجام شود . افزايش شكلپذيري بدين معني است كه تركها بايد هميشه تحت كوچكترين رويداد لرزه اي  قادر باشند باز شوند . GFRP ساخته شده از الياف شيشه با مدول پايين براي اين كاربرد ميداني ، مناسب مي باشد. در نتيجه ، ديوار بنايي تقويت شده  تحت تاثير نيرو هاي اضافي قرار نخواهد گرفت . تقويت با GFRP در يك طرف ديوار( معمولاداخل يا خارج) انجام مي شود .

 

 

 

تقويت سازه هاي بنايي با استفاده از لايه هاي CFRP:

لايه هاي CFRP قادر هستند بصورت قطري به ديوار بنايي موجود چسبيده و به اعضاي مجاور مهار شوند.

 

تقويت سازه هاي بنايي با استفاده از ميلگردهاي FRP:

براي تقويت سازه هاي بنايي مي توان از ميلگردهاي FRP  نيز بصورت سطحي استفاده كرد .در اينجااز دو روش مختلف استفاده شده است . در روش اول استفاده از ميلگرد FRP بصورت آرماتور خمشي در نماي بيروني انجام مي شود ودر روش دوم، تكنيك  (Retrofitting) مي باشد كه آرماتورها بصورت افقي  در نماي داخلي بكار ميروند.

در هردو مورد از GFRP براي كنترل خمش وبرش استفاده مي شود. براي بيشتر شدن درگيري ميلگردها ، از پوشش ماسه اي استفاده شده است.

 

 

ميلگردها در اثر فرآيند پولتراسيون از فيبرهاي E-glass و رزين ونيل استر تشكيل شده اند.75% وزن آنرا فيبر ها تشكيل مي دهند .

روش NSM  ، روشي است كه در آن ميلگرد هايي كه براي تقويت خمشي به كار مي روند ، در شيار ملات بين آجرها قرار مي گيرند. اين روش به صاف كردن بوسيله سند بلاست ويا بتونه كردن شيارها احتياج ندارد .

در سه مرحله ميلگرد گزاري انجام مي شود:

  1. كندن ملات به اندازه 1.5 برابر قطر ميلگرد .
  2. تميزكردن سطح وريختن وآغشته كردن ماده چسباننده به آن.
  3. كارگزاري ميلگرد وپوشاندن آن .

البته در مرحله برداشتن ملات بايد دقت كرد كه بيش از حد،  نبايد بين آجرها راخالي نمود چون ممكن است باعث ريزش گردد . در ضمن مي توان روي چسب اپوكسي را ، بوسيله چسبهاي رايج پوشش داد تا نما لكه دار به نظر نرسد.

 

ديوارهايي براي آزمايش ساخته شدند ، كه ابعادشان 3.75*24* 48 in  بود . اين نمونه هاي با ميلگردهاي 3#  ، با مقاومت كششي ksi 110 و مدول الاستيسيته ksi5900 تقويت شدند .

آزمايش با استفاده از اين ميلگردها در فواصل مختلف انجام شد . در ديوار R1  ميلگردها از هم in24  ودر ديوار R2 ، in 12 از هم فاصله داشتند . همچنين براي مقايسه ديوار L1 با ورقه هاي FRP پوشانده شد.

ظرفيت باربري يك ديوار بنايي در حدود lb800  مي باشد.

 

ديوار R1  در اثر ازهم پاشيدن ملاتش فرو ريخت .تركهاي اوليه در ملات ظاهر شدند وبطور  مداوم صداي باز شدن تركها به گوش مي رسيد. وقتيكه تنشهاي وارده توسط ميلگردها جذب مي شد يك توزيع مجدد تنش روي داد. بنابراين تركها در نقاط تقاطع ملات بصورت 45 درج هپيش روي مي كردند. بعضي از اين تركها باعث جدايي بين اپوكسي و ملات مي شدند، كه در نهايت موجب متلاشي شدن ديوار شد .

ديوار R2 در اثر برش فروريخت .مانند ديوار R1 ، تركها از مملات شروع شده وبه محل ماكزيمم خمش رسيد. عموما تركهاي اوليه با استفاده از FRP  كم توان شده و همچنين از نظر زماني به تاخير مي افتند.

 

 

 

مقاومت خمشي وسختي ديوارها با زياد شدن تعداد ميلگردها بيشتر مي گردد.

 

تقويت برشي :

اين روش هم  تاحدودي مشابه روش قبلي مي باشد .و عبارتست از جايگزاري ميلگردهاي  FRPدر محل تلاقي ملاتها در نماي ساختمان بنايي .اين كار نزديك به عمل بند كشي در بنايي مي باشد. اين روش فقط پركردن درزهاي ديوار نمي باشد ، بلكه آنرا در برابر برش وخمش تقويت مي نمايد . بند كشي كردن براستفاده از لايه هاي FRP مزيت دارد، زيرا عمل پرداخت كردن سطح و همچنين بتونه كردن آنرا احتياج ندارد.

در اين روش قطر ميلگردها بوسيله ضخامت ملات تعيين ميگردد كه معمولا ازin  8/3 بيشتر نمي باشد .عمليات اجرايي از سه قسمت  تشكيل شده است :

  1. كندن قسمتي از ملات به اندازه اي بيش از قطر ميلگرد.
  2. تميز كردن وآغشته كردن آن به چسب رزين اپوكسي.
  3. جايگزاري ميلگرد و پوشاندن آن( بند كشي كردن).

 

3 ديوار در اندازه هاي 6*8*16 ساخته شدند .ديوارها باميلگردهاي 2# ازنوع GFRP ، با in0.25     و مقاومت كششي ksi120 و مدول الاستيسيته ksi 5900     تقويت شدند .

ديوار R2 ، بوسيله ميلگرد هاي FRP كه بطور افقي روي  محل ملاتها نصب شده بودن تقويت گرديد. ديوار L2 بوسيله ورقه هاي FRPتقويت شده بود .بارها طبق شكل بصورت مورب بر نمونه ها وارد گرديد.

 

 

 

ديوار R2  پايداري خوبي را از خود به نمايش گذاشت . مقاومت برشي در حدود 80% افزايش يافت و هيچ مصاح متلاشي شده اي مشاهده نشد و فقط ديوار در طول ملات ترك برداشت . اين امر مي تواند از فرو ريختن ديوار هاي بنايي جلوگيري كند .

نتيجه :

هردو آزمايش نشان دادند كه اميدواري هايي براي تقويت كردن ساختمانهاي بنايي وجود دارد .همچنين اين مقدار با روش دوم ( بندكشي كردن با FRP) بطور چشمگيري ظرفيت برشي بنا را بالا مي برد.

 

به بررسي يك تحقيق ديگر در مورد استفاده از FRP  براي تقويت سازه هاي بنايي مي پردازيم .

دو روش سنتي خارجي تقويت سازه هاي بنايي احداث  پشتبندهاي قوي و استفاده از بادبندهاي ضربدري است . اخيرا هم بوسيله بتن پاشي يه روي آن و يا كاشتن ميلگرد درون ديوارها بكار مي روند . اماروشهايي نظير استفاده از پوششهايي كه سختي را افزايش مي دهند كمتر بكار ميروند.

 

Hamilton و Dolan  دو ديوار 1.2*4.7 متر و چهار ديوار كوتاه 6.*8. ساختند و تا 26% و13% ظرفيت بالانسشان تقويت كردند . سپس بوسيله كيسه هاي هوايي بارگزاري شدند .

در سال 2000 احساني و همكاران با آزمايش كردن 7 ديوار در مقياس 2/1 و تقويت آنها به روابطي شبيه به روابط ACI-318 دست يافتند .

Nanni و همكارانش يك تحقيق ديگر را در اين مورد پي گيري كردند . براي اين كار روي ديوار  حفراتي ايجاد كردند ، عمق اين حفره ها براي ميلگردهاي mm9.5 برابرmm19.5  وبراي ميلگردهاي mm6 برابر mm13.5 مي باشد . اين شكافها براي اطمينان اچسبندگي ميلگردها به ديوارها بايد عمق كافي داشته باشند .

مي دانيم كه اغلب برش در محل تلاقي ملاتها رخ مي دهد. ميلگرد ها در امتداد ملات نصب مي شوند .  بارگزاري متقارن توسط جكها به نمونه ها اعمال مي شوند .

 

 

ازدستگاههاي اندازه گيري نيز براي  پيدا كردن مقدار جابجايي وتغيير مكان هر ميلگرد استفاده مي شود .

در مرحله اول سه سيستم مورد آزمايش قرار گرفتند ، دو اپوكسي ويك ملات .  اين ملات از مواد زير تشكيل گرديد: kg 2.04 ماسه ، kg 0.68 سيمان و 0.379 واحد از نوعي پليمر.

در مرحله دوم آزمايشات ، اپوكسي نوع 2# با چهار نوع FRP مورد آزمايش قرار گرفت . طبق نتايجي كه در جدول شماره 3 ديده مي شود ، ميلگرد هاي كوچكتر ،به نسبت مقاومت كششي خود ، داراي تعهد چسبندگي بيشتري هستند . البت اين انتظار وجود داشت ، چونكه ميلگرد هاي كوچكتر داراي نسبت محيط به مساحت بيشتري در مقايسه با ميل گرد هاي بزرگتر هستند . همچنين  ميلگرد هاي B بعلت داشتن روكش ماسه اي مارپيچ تعهد چسبندگي بيشتري نسبت به ميلگردهاي A داشتند كه دندانه هاي بدون خلل وفرج دايره اي داشتند .

در مرحله سوم ، اپوكسي با اليافي بطول mm 3 وبا حجم 5% تقويت شد وآزمايش گرديد ، كه نتايج آن در جدول شماره 4 ديده مي شود .

در دو آزمايش ميلگردها در كشش جواب ندادند .و در 97% و 93% مقاومت كششي  تك محوره ، جراب شدند .

در آز مايش سومي گسيختگي در بتن روي داد ولي برش نزديك خط تعهد بود .

بنابراين مي توان به اين نتيجه رسيد كا اضافه كردن مقداري الياف  شيشه به اپوكسي  باعث افزايش معني داري در مقاومت آن مي شود.

 

خمش اسمي و نيروي برشي :

مقاومت خمشي تير هاي بناي مسلح شده با فولاد سازگار مي شدند با روش تنش نهايي   ACI 530-02 ، كه مي توان آنرا با ميلگرد هاي FRP هم هماهنگ كرد :

سطح مقطع جانبي ميلگرد ،  Fu كشش نهايي آرماتور، Frn مقاومت فشاري  بنايي ، b  عرض تير و c  عمق فشار است .

گشتاور نهايي ،مماني است كه ميلگرد را پاره مي كند قبل از فرو ريختن بتن :

نسبت تعادل بستگي به كرنش فشاري مصالح بنايي كه حدود 0.0025 بوده و همچنين كرنش كششي FRP كه حدود 0.0196  مي باشد، بستگي دارد .

تنش نهايي بار از رابطه   زير محاسبه مي شود كه در آن  برابر برش دهانه تير است .

Vn  مقاومت برشي  مصالح بنايي ، بدون تزريق جامد وبدون تقويت برشي و An مساحت خالص سطح تير  مي با نشد.

Vn  مقاومت برشي  مصالح بنايي ، با تزريق جامد وبدون تقويت برشي و An مساحت خالص سطح تير  مي با نشد

جدول شماره 5  شامل موارد محاسبه شده وتنش مجاز اسمي در دو تير باريك و پهن مي با شد  . مقدار آرماتور مصرفي در تير پهن 1.5 برابر تير باريك است .

بطور آزمايشي ، ممان نهايي و نيروي برشي توسط بار اعمالي و بار مرده به تير وارد مي شوند.

Me  ممان نهايي اعمال شده ، Pe بار اعمال شده ، Ve نيروي برش نهايي و w بار مرده در واحد طول مي باشند .

در جدول 5 Pbu وPbg  نسبت آ رماتور متعادل كننده براي تيرهاي تزريق نشده و تزريق شده هستند و به همين   ترتيبP u  و Pg  نسبت تطابق آرماتور ها مي باشند . بار مرده با دانسيته kg/m3 1920  براي مصالح و ماده تزريق شده محاسبه مي گردد. مقاومت فشاري طبق استانداردASTM C- 140  به مقدارMPa  11.3 در هر سه نمونه بدست آمد .

 

ميلگردهاي FRP   در نمونه هاي 1- بصورت موازي و 2- بصورت عمودي  در روي محل تلاقي ملاتها گذاشته شدند . براي هر سري دو تير نازك ( در دو پهنا) به اندازه هاي m0.2*0.4*2.85  و دو تير پهن به اندازه هايm0.2*.8*2.85 آزمايش شدند. تيرهاي نازك با يك ميلگرد در قسمت مياني ناحييه كششي و تيرهاي پهن با 3 ميلگرد  مسلح شدند . ميلگردها د ر شكافهاي مربع شكلي كه در تيرها كنده شده بود قرار گرفته و بوسيله رزين اپوكسي آميخته با تارهاي شيشه ، چسبانده شدند .

نمونه ها بوسيله ماشين آزمايش ، كه تير ها را تحت بار ، با سرعت mm/min 1.5 قرار مي داد ( غير از تير شماره ا كه سرعت آن mm/min 0.6 بود ) تست شدند . يك اندازه گير LDVTمقدار خيزها را اندازه مي گرفت و همچنين سه اندازه گير در m 0.61 انتهاي ميلگردها نصب شده بودند براي بدست آوردن تنش ميلگردهاي FRP .داده ها در يك دستگاه نمونه برداري ثبت شدند .

تير اول بطور غير منتظره اي فرو ريخت .

 

 

منحني تغيير شكل براي تيرهاي نازك وپهن بترتيب در شكل 3 و 4 ديده مي شوند .

ترك هادر قسمت كششي در اثر اعمال بار باسرعت ثابت و تنش خمشي و برشي گسترش  يافتند . اولين تيري كه مورد آزمايش قرار گرفت ، تير نازك از نوع 1 بود . تركهايي تحت اثر تنش خمشي، برشي در قسمت فشاري تير بوجود آمده بودند . برش باعث شد  مصالح بنايي تحت بار KN 6.2  بشكنند ، يعني در 43% مقاومت برشي اسمي .

تيرها ي بعدي داراي مقاومت برشي بالايي بودن ولي در اثر تنش خمشي فرو ريختند .

با توجه به نمونه آزمايشهاي ارائه شده ، در يافتيم كه روشهايي تحت عنوان بند كشي مجدد سازه اي  كه حتي مي توان با لايه هاي FRP هم تركيب شود ، دربرابر تركهاي ناشي از خزش سازه بنايي تحت تاثير بار مرده در دراز مدت جلوگيري كند .

در ادامه به بررسي مدل سازي هاي انجام شده بر روي ديوارهاي غير مسلح بنايي مي پردازيم .