مقاوم سازی برشی ، فشاری و خمشی سازه های بتنی

مقاوم سازی برشی ، فشاری و خمشی سازه های بتنی – مقاوم سازی ، تیر، ستون ، دال ، فونداسیون و دیوار های بتنی

یکی از چالش‌های مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی، انتخاب روش مقاوم‌سازی است که ضمن رفع محدودیت‌هایی مانند قابلیت ساخت، عملیات ساختمانی و بودجه، استحکام و قابلیت سرویس دهی سازه را افزایش دهد. مقاوم سازی سازه ممکن است به دلیل شرایط مختلف مورد نیاز باشد.

• ممکن است به استحکام بیشتری نیاز باشد تا بارهای بیشتری روی سازه وارد شود. این اغلب زمانی مورد نیاز است که کاربری سازه تغییر کند و ظرفیت تحمل بار بیشتری مورد نیاز باشد. اگر تجهیزات مکانیکی اضافی، سیستم‌های بایگانی، ستون ها یا موارد دیگر به یک سازه اضافه شوند، ممکن است رخ دهد.
• ممکن است برای مقاومت سازه در برابر بارهایی که در طرح اولیه پیش بینی نشده بود، مقاوم سازی مورد نیاز باشد. هنگامی که برای بارهای ناشی از باد و نیروهای لرزه ای یا برای بهبود مقاومت در برابر بار تهاجمی نیاز به استحکام سازه ای است، ممکن است با این مشکل مواجه شویم.
• ممکن است به دلیل نقص در توانایی سازه برای حمل بارهای اولیه طراحی، مقاومت اضافی مورد نیاز باشد. نواقص ممکن است در نتیجه: خرابی (مانند خوردگی آرماتور فولادی و از بین رفتن بخش بتنی)، آسیب ساختاری (به عنوان مثال، ضربه وسیله نقلیه، سایش بیش از حد، بارگذاری بیش از حد، و آتش سوزی)، یا خطا در طراحی یا ساخت اولیه (مانند، میلگرد های تقویت کننده نامناسب یا عدم نصب میلگرد های لازم و مقاومت بتن ناکافی) باشد.

هنگام مواجهه با چنین شرایطی، هر پروژه مجموعه ای از محدودیت ها و خواسته های خاص خود را دارد. خواه پرداختن به محدودیت‌های فضا، محدودیت‌های ساخت‌پذیری، خواسته‌های دوام یا هر تعدادی از مسائل دیگر، هر پروژه به خلاقیت زیادی برای رسیدن به راه‌حل تقویت‌کننده نیاز دارد. این سند به دنبال نشان دادن تکنیک های معمولی تقویت سازه های بتنی است و راهنمایی برای استفاده از این تکنیک ها ارائه می دهد. تکنیک‌های تقویتی مانند بزرگ‌کردن بخش، سیستم‌های باند خارجی، سیستم‌های پس کشش خارجی، و تکیه‌گاه‌های تکمیلی ارائه شده‌اند. ملاحظات مهندسی، روش ها و مواد، ملاحظات دوام، ملاحظات آتش سوزی، کاربردهای میدانی، مزایا و محدودیت ها مورد بحث قرار می گیرند.

مقاوم سازی سازه های بتنی موجود همیشه نیازمند تحلیل و طراحی دقیق مهندسی توسط یک مهندس واجد شرایط است. این سند روش‌های مهندسی دقیق تجزیه و تحلیل را ارائه نمی‌کند، بلکه به دنبال آن است که خواننده را از گزینه‌های تقویت‌کننده مختلف آگاه کند و به خواننده در تعیین اینکه کدام روش برای یک پروژه خاص مناسب‌تر است، کمک کند.

ملاحظات عمومی مهندسی جهت مقاوم سازی سازه های بتنی

بیشتر تقویت سازه شامل بهبود توانایی عنصر سازه برای مقاومت ایمن در برابر یک یا چند نیروی داخلی زیر ناشی از بارگذاری است: خمش، برش، محوری و پیچش. تقویت یا با کاهش مقدار این نیروها یا با افزایش مقاومت اعضا در برابر آنها انجام می شود. تکنیک‌های تقویت‌کننده معمولی مانند بزرگ‌کردن بخش، تقویت باند خارجی، پس کشش و تکیه‌گاه‌های تکمیلی ممکن است برای دستیابی به استحکام و قابلیت سرویس دهی بهبودیافته استفاده شوند.

سیستم های مقاوم سازی می تواند مقاومت سازه موجود در برابر نیروهای داخلی را به صورت غیرفعال یا فعال بهبود بخشد. سیستم های مقاوم سازی غیرفعال معمولاً تنها زمانی وارد می شوند که بارهای اضافی، فراتر از بارهای موجود در زمان نصب، به سازه وارد شود. اتصال صفحات فولادی یا کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف (FRP) روی اعضای سازه نمونه هایی از سیستم های تقویت غیرفعال هستند.

سیستم‌های تقویت‌کننده فعال معمولاً به‌طور آنی سازه را درگیر می‌کنند و ممکن است با وارد کردن نیروهای خارجی به عضوی که اثرات نیروهای داخلی را خنثی می‌کنند، انجام شوند. نمونه هایی از این امر شامل استفاده از سیستم های پس کشنده خارجی یا جک زدن عضو برای تخلیه یا انتقال بار موجود است. چه منفعل و چه فعال، چالش اصلی دستیابی به رفتار ترکیبی بین ساختار موجود و عناصر تقویت کننده جدید است.

به عنوان جایگزینی برای تقویت یک سازه موجود، استحکام ظاهری یک سازه را می توان عملاً از طریق یک رویکرد “مقاوم سازی مجازی” مانند: 1) کاهش بارهای وارده بر سازه با حذف بار مرده بر روی سازه یا با کاهش بارهای زنده. 2) با نمونه برداری و آزمایش که نشان دهد که خواص مواد بالاتر از آنچه در طرح اصلی در نظر گرفته شده است. یا 3) نشان دادن ظرفیت مورد نیاز با آزمایش بار گذاری در مقیاس کامل، بهبود بخشید.

ظرفیت تحمل بار اعضای تقویت‌شده و تقویت‌نشده با استفاده از اصول پذیرفته‌شده مهندسی محاسبه می‌شود. با این حال، انجام آزمایش‌های بارگذاری برای تأیید ظرفیت حمل بار می‌تواند مفید باشد و گاهی عاقلانه است. آزمایش بار می تواند اطلاعات ارزشمندی در مورد استحکام و عملکرد یک سازه موجود به سادگی با اعمال بار بر روی اعضای سازه ای منتخب و اندازه گیری پاسخ آنها ارائه دهد.

تست بار را می توان برای ارزیابی عملکرد اعضای سازه ای خراب، تحت فشار یا تقویت شده استفاده کرد. همچنین می‌توان از آن برای آزمایش فناوری‌ها و مواد جدید تقویت‌کننده استفاده کرد. آزمایش بار باید توسط یک مهندس واجد شرایط نظارت شود که مسئول تحقیقات میدانی و تحلیلی مقدماتی، انتخاب مناطق آزمایش، تعیین بزرگی آزمایش بار، و ارزیابی عملکرد عنصر سازه در طول و پس از اتمام آزمایش است. برای رویه‌های انجام آزمایش‌های بار در محل و معیارهای ارزیابی عملکرد، خواننده باید به انتشارات مؤسسه بتن آمریکا ( ACI) [  ACI 318 و ACI 437R  ]مراجعه کند.

انتخاب مناسب ترین روش برای تقویت مستلزم بررسی دقیق عوامل بسیاری از جمله مسائل مهندسی زیر است:

• افزایش مقاومت.
• اثر تغییرات در سختی نسبی اعضا.
• اندازه پروژه (روش های مربوط به مواد و روش های خاص ممکن است در پروژه های کوچک مقرون به صرفه تر باشند).
• شرایط محیطی (روش های استفاده از چسب ممکن است برای کاربرد در محیط های با دمای بالا نامناسب باشد، روش های فولاد خارجی ممکن است در محیط های خورنده مناسب نباشند).
• استحکام بتن در محل و یکپارچگی بستر (اثربخشی روش‌های متکی به اتصال به بتن موجود می‌تواند به طور قابل توجهی با مقاومت کم بتن محدود شود).
• محدودیت های بعدی/فضای آزاد (بزرگ شدن بخش ممکن است با درجه ای که بزرگ شدن می تواند به فضای خالی اطراف تجاوز کند محدود شود).
• دسترسی؛
• محدودیت های عملیاتی (روش هایی که به زمان ساخت و ساز طولانی تری نیاز دارند ممکن است برای کاربردهایی که در آن عملیات ساختمان باید در حین ساخت تعطیل شود، کمتر مطلوب باشد).
• در دسترس بودن مواد، تجهیزات و پیمانکاران واجد شرایط؛
• هزینه ساخت، هزینه های نگهداری و هزینه های چرخه عمر. و
• آزمایش بارگذاری برای تأیید ظرفیت موجود یا ارزیابی تکنیک ها و مواد جدید.

اولین گام در مهندسی هر فعالیت تقویتی، ارزیابی وضعیت سازه موجود و اجزای آن است. هدف از ارزیابی وضعیت، شناسایی انواع و وسعت هر گونه خرابی و آسیب و تشخیص علل آن است. ارزیابی شرایط توسط یک تحلیل ساختاری برای مقایسه ظرفیت موجود با تقاضای مقاومت دنبال می‌شود. هنگامی که انواع و وسعت کمبودهای ساختاری شناسایی شد، می توان یک استراتژی تقویتی ایجاد کرد. در ادامه مراحل مختلف و نقاط تصمیم گیری در فرآیند طراحی تقویت معمولی توضیح داده شده است.

 

 توسعه مقطعی- ژاکت بتنی برای مقاوم سازی سازه های بتنی

بزرگ کردن بخش یکی از قدیمی ترین تکنیک های مقاوم سازی شناخته شده در صنعت ساخت و ساز بتن است. بزرگ شدن عبارت است از قرار دادن بتن اضافی روی یک عضو بتنی سازه ای موجود. بتن اضافی ممکن است بتن “سازه ای” تقویت شده با میلگرد، مش یا رشته های پس کشنده باشد و برای افزایش ظرفیت باربری یک عضو سازه طراحی شده باشد. همچنین ممکن است بتن “محافظت کننده” در نظر گرفته شود که برای بهبود مقاومت در برابر آتش عناصر ساختاری و محافظت از آنها در برابر آسیب های مکانیکی و محیطی استفاده می شود.

با استفاده از این روش، ستون ها، تیرها، دال ها و دیوارها را می توان بزرگ کرد تا ظرفیت حمل بار را افزایش دهد یا سختی را افزایش دهد. در تمام موارد، طراح باید وزن بتن مسلح اضافی را در بارهای طراحی لحاظ کند. به عنوان مثال، یک پوشش بتنی چسبانده شده در بالای یک دال موجود می تواند ظرفیت سازه ای دال را افزایش دهد، اما بار مرده را به دال اضافه می کند.

 

 ملاحظات مهندسی

همه ملاحظات مهندسی عمومی ارائه شده در بخش 2.0 باید در طراحی توسعه بخش در نظر گرفته شوند. مهمترین ملاحظات این روش عبارتند از:

• دستیابی به اقدام ترکیبی بین عضو موجود و گسترش.
• جبران افزایش بار مرده.
• در نظر گرفتن افزایش سختی عضو تقویت شده زیرا ممکن است توزیع بار را در کل سازه تغییر دهد. تجزیه و تحلیل دقیق سیستم ساختاری آسیب دیده ممکن است برای بررسی شرایط تنش برای سایر اعضا مورد نیاز باشد. و
• برای ستون ها، طراحی توسعه باید اثرات خروج از مرکز بار محوری بر شرایط تنش نهایی و رفتار ستون را در نظر بگیرد.

هنگامی که از بزرگ شدن ابعاد به عنوان یک تکنیک تقویتی استفاده می شود، توانایی عضو کامپوزیت برای عملکرد به عنوان یک سیستم یکپارچه تنها با ایجاد پیوند کافی بین عضو بتنی موجود و بتن و تقویت کننده خارجی اعمال می شود. هنگامی که پیوند بین بتن جدید و موجود برای حمل نیروهای برشی افقی در سطح مشترک کافی نباشد، رفتار کامپوزیت را می توان با استفاده از رولپلاک های برشی، اپوکسی یا لنگر مکانیکی به عضو موجود بدست آورد.

برای طراحی آرماتورهای برشی افقی، خواننده به الزامات ACI [ACI 318] ارجاع داده می شود. تمرکز تنش ناشی از افزودن موادی که باعث افزایش ناگهانی سفتی موضعی می شود ممکن است باعث خرابی موضعی شود که باید در طراحی تعمیر مورد توجه قرار گیرد. بزرگ شدن بتن همچنین ممکن است به آرماتور فولادی برای کنترل ترک خوردگی ناشی از تغییرات حجم نیاز داشته باشد.

روکش های بتنی متصل به بالای دال، تیر یا تیرچه می توانند ظرفیت لنگر خمشی مثبت را با افزایش عمق موثر آرماتور موجود افزایش دهند. روکش را می توان به گونه ای طراحی کرد که افزایش عمق آرماتور موجود اثرات وزن روکش را خنثی کند. علاوه بر این، بتن سبک ممکن است برای کاهش وزن روکش استفاده شود. تعبیه آرماتورهای جدید در روکش می تواند ظرفیت ممان منفی دال ها، تیرها و تیرچه ها را افزایش دهد.

چسباندن عضو بزرگ شده و جداسازی نواحی اطراف آن ممکن است برای محدود کردن انحراف و/یا ارتعاش لازم باشد که می تواند در ایجاد پیوند در طول عمل آوری اختلال ایجاد کند. همانطور که در بخش 2.0 این سند توضیح داده شده است، هنگامی که بخش بزرگ شده باید یک سیستم تقویت کننده فعال باشد، ممکن است اتصال و جک نیز در نظر گرفته شود.

 سیستم ها، روش ها و مواد

تکنیک های بزرگ کردن ابعاد بخش برای افزودن ظرفیت خمشی، برشی، پیچشی یا محوری یا ترکیبی از آنها به یک عنصر سازه استفاده می شود. همچنین ممکن است برای بهبود شکل پذیری یا محدود کردن انحرافات مناسب باشد. برای تیرها، بزرگ شدن بخش ممکن است در یک طرف یا چند طرف عضو حاصل شود. برای دال ها، می توان در بالای دال به صورت روکش یا در قسمت پایین دال به صورت زیرانداز، بزرگ شدن را به دست آورد.

بزرگ شدن دال ممکن است به شکل یک پانل قطره در ستون ها نیز حاصل شود. برای ستون‌ها، بسته به نوع و گستردگی کمبود، بزرگ شدن بخش ممکن است در یک یا چند طرف مقطع حاصل شود و بزرگ شدن ممکن است در تمام ارتفاع ستون حاصل شود یا تا فاصله معینی از تکیه‌گاه‌های بالا یا پایین کشیده شود.

رفتار ترکیبی بخش بزرگ شده تنها در صورتی می تواند در نظر گرفته شود که یک شرایط ساختاری یکپارچه به دست آید. رفتار کامپوزیت نیاز به پیوند کافی در سطح مشترک بین بتن موجود و جدید دارد تا از توانایی بخش نهایی برای انتقال نیروهای برشی افقی در طول این فصل اطمینان حاصل شود. اتصال ضعیف ممکن است باعث زوال زودرس تحت بارهای ترافیکی یا تنش های محیطی و دمایی شود. دستیابی به یک سطح سالم، خشن و با منافذ باز برای اتصال برای دستیابی به رفتار یکپارچه بسیار مهم است.

این را می توان با بلاست ساینده تهاجمی، بلاست آب با فشار بالا (معمولاً 10000 psi یا بیشتر) یا پروفیل مکانیکی (خراش و چکش کاری) به دست آورد. لازم به ذکر است که پس از پروفیل مکانیکی، سطح حاصل به احتمال زیاد دارای سطحی از ریزشکستگی است که از اتصال بخش جدید جلوگیری می کند. توصیه می شود که برای حذف قطعات ریز شکسته، یک بلاست آب ساینده یا با فشار بالا استفاده شود. گاهی اوقات، بتن در سطح ضعیف است و مقاومت کافی برای اطمینان از اتصال کافی را ندارد.

در این حالت، بتن ضعیف باید حذف شود تا بتن سالم اکسپوز شود. رفتار کامپوزیت ممکن است با استفاده از تقویت رولپلاک برای ایجاد ظرفیت انتقال برشی افقی اضافی حاصل شود. این امر معمولاً با استفاده از رولپلاک های فولادی با چسب اپوکسی یا لنگر مکانیکی به دست می آید (به شکل 3-1 مراجعه کنید). برای عملیات سطحی مناسب، آماده‌سازی و آزمایش باند، خواننده به دستورالعمل‌های مناسب ارائه شده توسط مؤسسه بین‌المللی تعمیر بتن (ICRI ) ارجاع داده می‌شود. [ دستور العمل تکنیکی ICRI شماره 03732 ، 03733 و 03739]

انتخاب مصالح باید بر اساس قابلیت ساخت، اندازه بزرگ شدن، روش قرارگیری، سازگاری با بتن موجود، رفتار ابعادی (انقباض، انبساط حرارتی، مدول الاستیسیته و خزش)، خواص مکانیکی (مقاومت کششی، خمشی و فشاری) و نگرانی های دوام در کاربردهای فشاری، مدول الاستیسیته مواد تعمیری جدید باید مشابه بتن موجود باشد تا اطمینان حاصل شود که ماده اضافه شده بخش متناسبی از بار فشاری را به هنگام اضافه شدن به سازه تحمل می کند.

به عنوان مثال، اگر مدول الاستیسیته بتن جدید به طور قابل توجهی بیشتر از بتن موجود باشد، بخش اضافه شده مقدار بیشتری از بار را به خود جذب می کند زیرا می تواند ماده جدید را بیش از حد تحت تنش قرار دهد. برای راهنمایی انتخاب مواد، به راهنمای فنی ICRI شماره 03733 مراجعه کنید.

روش های معمول قرار دادن بتن شامل قرار دادن بتن در بالای یک عضو موجود (مانند روکش)، قالب و بتن ریزی در محل، قالب و پمپ، و شاتکریت است. انتخاب روش قرار دادن به تعدادی از عوامل از جمله قابلیت ساخت و تعمیر محیط، اندازه ابعاد بزرگ شدن و انتخاب مواد بستگی دارد. به طور کلی، نصب مواد تعمیر تحت فشار به دستیابی به قفل مکانیکی با سطح آماده شده موجود کمک می کند.

برای راهنمایی در مورد انتخاب مواد تعمیری به راهنمای فنی شماره 03733 ICRI مراجعه کنید. فاصله کافی بین سطح عضو بتنی موجود و تقویت کننده اضافه شده برای اطمینان از جریان کافی مواد تعمیر در اطراف میلگردها باید فراهم شود. فاصله به حداکثر اندازه مواد تعمیر بستگی دارد یا  با توجه به آن تعیین می شود [راهنمای فنی ICRI شماره 03730].

 ملاحظات دوام

ملاحظات دوام برای مقاطع بزرگ شده مشابه ملاحظات ساخت بتن جدید است. بسیاری از این ملاحظات به محافظت از فولاد تقویت کننده جدید در برابر خوردگی مربوط می شود.

ملاحظات دوام بسته به قرار گرفتن در معرض محیطی متفاوت است. با این حال، تعدادی از عوامل ممکن است بر دوام آن تأثیر بگذارند، از جمله خواص فیزیکی بتن سخت شده ACI 201.2R] ]، موادی که بتن از آن تشکیل شده است، میزان پوشش بتن، روش های ساخت و ساخت و نوع بتن. قرار گرفتن در معرض آسیب. بتن باید نسبت آب به سیمان پایین، متراکم باشد تا نفوذپذیری را کاهش دهد، و باید به درستی عمل آوری شود تا جمع شدگی به حداقل برسد. برای کنترل ترک خوردگی که می تواند باعث خرابی زودرس شود، ممکن است به تقویت در برابر انقباض نیاز باشد

 ملاحظات آتش سوزی

در طراحی بزرگ‌شدگی‌های ابعاد بتنی، حفاظت در برابر آتش باید در نظر گرفته شود. همان الزامات برای ساخت و ساز بتن جدید در مورد طراحی بزرگ شدن ابعاد بتن اعمال می شود. برای بررسی آتش سوزی و جزئیات، خواننده به ACI 318 و ACI 216 ارجاع می شود. علاوه بر این، هنگامی که حفاظت در برابر آتش حیاتی است، می توان از لنگرهای مکانیکی یا  یا نصب شده با مواد سیمانی به جای لنگرهای  نصب شده با اپوکسی استفاده کرد.

 برنامه های کاربردی

 بزرگ شدن ابعاد دال

یک رمپ مرتفع فرودگاه (دال ریخته‌شده روی تیرهای نوع انجمن بزرگراه‌های ایالتی و حمل‌ونقل آمریکا (AASHTO) ) به دلیل یک ساختار سایبان جدید که توسط ستون‌های لوله فولادی که روی سطح شیبدار نصب شده بودند، برای بارهای جدید مستحکم‌سازی می‌شد. در هر ستون فولادی، دال برای حمل بارهای جدید کافی نبود. دال در قسمت زیرین بزرگتر شد تا یک تیر بتن آرمه بین تیرهای AASHTO ایجاد شود. استفاده از رولپلاک های فولادی و فرم و تکنیک پمپ، رفتار ترکیبی با اعضای اطراف را تضمین می کند.

بزرگ کردن ابعاد تیر

یک سری از تیرها در یک سازه پارکینگ برای ظرفیت خمشی و برشی اضافی بزرگ‌تر شدند. سطوحی که قرار است بزرگ شوند با استفاده از بلاست تهاجمی به درستی تمیز و پروفیل شدند. رکاب برای ارتقاء برشی اضافه شد. علاوه بر این، رشته‌های پس کشنده در دو طرف هر تیر نصب شده و در مکان‌های دو چهارم دهانه با استفاده از تیرچه‌های عرضی به عنوان انحراف منحرف شدند.

صفحات فولادی برای لنگرهای انتهایی ساخته و در انتهای تیرها نصب شد. سپس این بخش (اطراف و پایین) با استفاده از تکنیک قالب بندی و پمپ با بتن، ابعادشان بزرگ شد.

 

بزرگ شدن ابعاد ستون اصلی

دال اطراف ستون ها در گاراژ پارکینگ آپارتمانی به ظرفیت برشی پانچ اضافی نیاز داشت. برای انجام این کار، سر ستون‌ها بزرگ‌تر شدند تا یک ناحیه یاتاقان بزرگ‌تر ایجاد شود. بتن ابتدا با چکش سبک مضرس و سپس بلاست تهاجمی آماده شد. این کار برای دستیابی به پروفیل سطح مناسب و حذف مواد سست و شکسته ناشی از فرآیند چکش کاری انجام شد. آرماتورهای محیطی نصب شد، منطقه شکل گرفت و بتن تحت فشار به داخل قالب پمپ شد.

 

مزایا و محدودیت ها

مزایا

بزرگ کردن ابعاد بخش بتنی نسبتا آسان است و می تواند مقرون به صرفه باشد. می توان از آن برای افزایش ظرفیت بار خمشی، برشی، پیچشی و محوری اعضای موجود استفاده کرد.

همچنین ممکن است برای افزایش سفتی یا بهبود شکل پذیری استفاده شود. این روش برای کاربردهایی که نیاز به افزایش قابل توجه ظرفیت، محدودیت‌های قابلیت سرویس (انحراف و عرض ترک) یا نسوز کردن دارند، انعطاف‌پذیری قابل‌توجهی را فراهم می‌کند. اصول طراحی و مصالح مورد استفاده در ساخت و ساز برای پیمانکار و مهندس کاملاً شناخته شده است. از آنجایی که درجه آتش سوزی ساختاری قابل دستیابی است، عنصر بزرگ شده می تواند ظرفیت حمل بار قابل توجهی را به دست آورد و به عنوان یک سیستم تقویت اولیه در نظر گرفته شود.

 محدودیت ها

محدودیت‌های این تکنیک شامل از دست دادن فضا یا فضای سر، وزن اضافی بتن جدید و هزینه احتمالی بالاتر به دلیل سطح گسترده آماده‌سازی سطح، الزامات قالب‌بندی و تکنیک‌های قرار دادن بتن است. بنابراین، بزرگ شدن ابعاد ممکن است به زمان نصب طولانی تری نسبت به سایر روش های مقاوم سازی نیاز داشته باشد. خوردگی فولاد تقویت‌کننده تعبیه‌شده، به‌ویژه در محیط‌های خشن باید در نظر گرفته شود. این مشکل را می توان با تهیه پوشش بتنی کافی، سیستم های حفاظت در برابر خوردگی (پوشش ها، حفاظت کاتدی و مواد افزودنی) یا آرماتورهایی که کمتر در معرض خوردگی هستند به حداقل رساند.

 

 Externally Bonded Systems

عمل چسباندن خارجی آرماتور متشکل از فولاد نرم، فولاد ضد زنگ، کامپوزیت های پیشرفته و سایر مواد بر روی بتن برای سال های متمادی با موفقیت توسط صنعت ساختمان مورد استفاده قرار گرفته است. سیستم‌های چسبیده خارجی می‌توانند مقاومت بتن را به‌ویژه در کاربردهای خمشی، برشی و محصور شدن با ارائه آرماتور کششی اضافی که بار را با آرماتورهای موجود (داخلی) تقسیم می‌کند، افزایش دهند. بسته به کاربرد و انتخاب مواد، سیستم‌های متصل به بیرون می‌توانند استحکام، سختی و/یا شکل‌پذیری سازه را تغییر دهند.

از لحاظ تاریخی، صفحات فولادی به دلیل استحکام، سختی، در دسترس بودن و هزینه نسبی کم، مواد انتخابی برای مقاوم سازی خارجی بودند. رفتار کامپوزیت معمولاً با اتصال صفحات با رزین اپوکسی و/یا استفاده از لنگرهای مکانیکی حاصل می‌شود. رزین اپوکسی مورد استفاده در این کاربردها یا به صورت خمیری است یا به صورت مایع تزریق شده تحت فشار. بسته به نیازهای ساختاری و محیطی، انکر بولت ها ممکن است برای تکمیل پیوند ارائه شده توسط اپوکسی برای بهبود ظرفیت انتقال برش افقی و نگه داشتن صفحات سنگین در محل تا زمانی که رزین اپوکسی سخت شود، استفاده شود.

اخیراً، FRP ها برای سیستم‌های تقویت‌کننده با چسب خارجی بتن استفاده می‌شوند. نسبت مقاومت به وزن بالا آنها را برای بسیاری از کاربردهای تقویت مهندسی عمران ایده آل می کند. علاوه بر این، ماهیت غیر خورنده آنها، نگهداری و هزینه طولانی مدت FRPها را برای صاحبان ساختمان، طراحان سیستم های حمل و نقل، مهندسان و معماران جذاب می کند. کربن FRP (CFRP)، آرامید FRP (AFRP) و FRP شیشه (GFRP)  بیشتر برای تقویت خارجی سازه های بتنی استفاده می شوند. برای اطلاعات بیشتر، به ACI 440.2R مراجعه کنید.

 ملاحظات مهندسی

تمام مسائل طراحی ارائه شده در بخش 2.0، ملاحظات مهندسی عمومی، باید هنگام طراحی سیستم های تقویتی با چسب خارجی در نظر گرفته شوند. یک مهندس واجد شرایط با تجربه در این زمینه باید سیستم های تقویت کننده باند خارجی را طراحی کند. ACI سندی را منتشر کرده است [ACI 440.2R  ]که باید در هنگام استفاده از FRP به عنوان بخشی از ارتقاء استفاده شود. طراحی صفحات فولادی خارجی باید مطابق با اسناد ACI مناسب از جمله ACI 318 باشد.

سیستم های چسبیده خارجی برای مقاومت در برابر نیروهای کششی و در عین حال سازگاری کرنش با بخش تقویت شده طراحی شده اند. FRP نباید برای مقاومت در برابر نیروهای فشاری طراحی شود. با این حال، برای FRP قابل قبول است که فشرده سازی را به دلیل برگشت لحظه ای یا تغییر در الگوهای بارگذاری تجربه کند.

هنگام در نظر گرفتن FRP برای طراحی، مهم است که در نظر بگیریم که آیا سازه تحت شرایط بارگذاری پایدار یا رویدادی قرار می‌گیرد. برخی از نمونه‌های بارهای پایدار عبارتند از: افزایش شرایط بار مرده یا زنده، تغییرات ساختاری، تغییر کاربری و ارتقاء ناشی از تخریب محیط‌زیست. بارهای رویداد شامل ارتقاء لرزه ای، حفاظت در برابر ضربه و سخت شدن انفجار است. مواد GFRP ممکن است برای بارهای رویداد مناسب باشند زیرا FRP تحت نیروهای فعال قرار نمی گیرد. مواد CFRP، به جای GFRP، معمولاً برای بارهای پایدار به دلیل استحکام، سختی، دوام و مقاومت در برابر خزش بالاتر استفاده می‌شوند. در همه موارد، باید توجه ویژه ای به لنگرگاه مناسب از جمله طول توسعه مصالح شود.

برخی از ملاحظات مهندسی برای اتصال ورق فولادی عبارتند از ضخامت خط پیوند اپوکسی، مقاومت در برابر آتش سیستم و غلظت تنش، به ویژه در نقاط پایانی. در حالی که پروژه ها ممکن است با توجه به تناسب و پیچیدگی متفاوت باشند، افزایش بار تا حدود 60% با استفاده از سیستم های متصل به بیرون امکان پذیر است.

اپوکسی ها معمولاً در دماهای بالا مستعد تخریب هستند زیرا در دمای بحرانی به نام دمای انتقال شیشه شروع به نرم شدن می کنند. طراح باید اطمینان حاصل کند که دمای عملیاتی یا طراحی کمتر از دمای انتقال شیشه ای اپوکسی است. هنگامی که این امکان پذیر نیست، علاوه بر رزین اپوکسی باید از لنگرهای مکانیکی نیز استفاده کرد. مورد دوم بیشتر برای صفحات فولادی مناسب است و ممکن است برای کامپوزیت های FRP مناسب نباشد.

 مقاوم سازی خمشی

اعضای سازه را می‌توان با افزایش مقاومت خمشی مثبت و/یا منفی با سیستم‌های متصل به بیرون برای خمش ارتقا داد. یکی از این کاربردها، چسباندن آرماتورهای خارجی به کف تیر یا دال برای ارتقای ممان مثبت سازه‌های ساده است. برای سازه‌های پیوسته یا در نواحی بالای تکیه‌گاه‌ها، ممان منفی را می‌توان با سیستم‌های متصل به بیرون افزایش داد. با این حال، بررسی نیروهای برشی جدید به ویژه در تکیه گاه ها ضروری است. دیوارها را همچنین می توان با سیستم های چسبیده خارجی، به طور معمول برای خمش خارج از صفحه مانند خمش ناشی از بارهای باد، تقویت کرد.

 استحکام برشی

سیستم‌های با پیوند خارجی برای افزایش ظرفیت برشی عناصر، به‌ویژه تیرها بسیار مؤثر هستند. صفحات فولادی ممکن است به طرفین عضو اضافه شوند و سیستم های FRP ممکن است در طرفین عضو اعمال شوند یا به شکل “U” روی تیر پیچیده شوند. برای ستون ها، تقویت برشی با نصب سیستم آرماتور به صورت جانبی، مشابه رکاب های فولادی استاندارد، حاصل می شود. تسمه های فولادی یا FRP ممکن است برای برنامه های ارتقاء برش ستون استفاده شود. سیستم های خارجی ممکن است برای پوشش کامل ناحیه آسیب دیده عضو یا نوارهای نصب شده در یک فاصله معین اعمال شوند.

 مقاوم سازی و محصور کردن ستون

برای افزایش شکل‌پذیری و افزایش مقاومت فشاری محوری، می‌توان ستون‌ها را با سیستم‌های متصل به بیرون تقویت کرد. هر دو ژاکت فولادی و سیستم های FRP با موفقیت در این کاربردها استفاده شده اند. این سیستم‌ها با محدود کردن ستون‌ها، ستون‌ها را محدود می‌کنند، بنابراین مقاومت فشاری و شکل‌پذیری بتن را افزایش می‌دهند، آرماتورهای عمودی را در برابر کمانش مهار می‌کنند و از ریزش پوشش جلوگیری می‌کنند. این امر به ویژه برای تقویت لرزه ای ستون ها و اتصالات ستون و تیر بسیار مهم است. آرماتور خارجی شبیه به تقویت حلقه یا مارپیچ است که معمولاً در ستون ها یافت می شود.

سیستم ها، روش ها و مواد

صفحات فولادی / ژاکت فلزی برای مقاوم سازی سازه های بتنی

صفحات فولادی از اواخر دهه 1960 به طور موفقیت آمیزی برای استحکام بخشی یا موضعی استفاده شده است. برای کاربردهای خمشی و برشی، صفحات معمولاً با یک رزین اپوکسی بر روی بستر بتن یا بنایی چسبانده می شوند و همچنین با یک لنگر مکانیکی یا چسبنده پیچ می شوند. صفحات را می توان با یک رزین اپوکسی که دارای قوام خمیری یا ویسکوزیته پایین است چسباند. آماده سازی معمولی فولاد این است که به صورت مکانیکی ساییده شود تا زمانی که یک فلز سفید (SSPC SP-5/NACE No. 1 ) به دست آید. بتن باید سالم باشد و با حداقل پروفیل CSP 3 آماده شود [راهنمای فنی شماره 03732 ICRI ].

 

الیاف یا پارچه های FRP

پارچه های کامپوزیتی روشی موثر برای ایجاد مقاومت برشی، محصور شدن یا خمشی به بتن و بنایی هستند. متداول ترین FRP های مورد استفاده در صنعت ساختمان سازی عبارتند از الیاف کربن، E-glass و آرامید. در همه موارد، آنها همراه با یک چسب، معمولاً رزین های اپوکسی استفاده می شوند. پارچه های FRP دارای استحکام و مدول بالا هستند، در عین حال بسیار سبک و بسیار انعطاف پذیر هستند.

به این ترتیب، آنها می توانند با اکثر اندازه ها و هندسه موجود در این زمینه مطابقت داشته باشند. پارچه ها را می توان در بسیاری از روش های مختلف استفاده کرد، از جمله چیدمان مرطوب، چیدمان خشک و کیسه خلاء. اندازه و پیچیدگی پروژه معمولاً روش نصب را تعیین می کند. آماده سازی سطح برای کاربردهای FRP بسیار حیاتی است. تمامی سطوح برای دریافت FRP باید تمیز و خشک و عاری از آلودگی باشند. بتن سطحی باید در شرایط خوبی باشد و تمام مشکلات مربوط به خوردگی باید قبل از اعمال FRP به اندازه کافی برطرف شود.

برای بررسی استحکام زیرلایه، آزمایش کشش باید طبق دستورالعمل فنی ICRI به شماره 03739 انجام شود. زیرلایه باید معیارهای مقاومت چسبندگی کششی 200 psi ( 1.4 مگاپاسکال) را داشته باشد و دارای شکست در بستر بتنی باشد.  مقاومت یا شکست کمتر بین سیستم FRP و بتن یا بین لایه‌ها باید برای ارزیابی و پذیرش طبق استاندارد ACI 440.2R-02 به مهندس گزارش شود.

لمینت- صفحات FRP

از اوایل دهه 1990، نوارها یا صفحات کامپوزیتی، معمولاً فیبر کربن، برای تقویت بتن و بنایی استفاده شده است. صفحات با استفاده از فرآیند pultrusion تولید می شوند و بسته به تجهیزات و مواد خام مورد استفاده می توانند در عرض ها، ضخامت ها، شکل ها و مقاومت های مختلف ساخته شوند. از آنجایی که صفحات pultruded ضخیم‌تر و سفت‌تر از پارچه‌های FRP هستند، معمولاً به تقویت اعضای صاف مانند تیرها یا دال‌ها برای کاربردهای خمشی و همچنین عناصر باریک مانند تیرچه‌ها محدود می‌شوند. اعضا را می توان برای لحظه مثبت (معمولاً در پایین) یا لحظه منفی (معمولاً در بالا) تقویت کرد.

صفحات pultruded تحت شرایط کنترل شده تولید می شوند بنابراین خواص فیزیکی به طور کلی قابل پیش بینی تر است. چسب خمیر اپوکسی به طور کلی برای چسباندن صفحات FRP بر روی بستر استفاده می شود. و از آنجایی که FRP بسیار سبک است، پشتیبانی های موقت حتی در تاسیسات بالای سر لازم نیست.

 

 تقویت نزدیک به سطح ( NSM)

روش دیگر برای استحکام خمشی و برشی بتن، استفاده از آرماتورهای نزدیک به سطح (NSM) است. این تکنیک که سال هاست با موفقیت در تقویت کننده های فولادی معمولی استفاده می شود و همچنین می تواند با میلگردهای FRP نیز مورد استفاده قرار گیرد. هر دو نوار CFRP و GFRP را می توان برای این برنامه استفاده کرد. میله های فولادی معمولاً با استفاده از دوغاب سیمانی یا چسب اپوکسی به هم متصل می شوند در حالی که میله های FRP معمولاً با استفاده از چسب اپوکسی به هم متصل می شوند. اندازه شیار به اندازه میله، نوع عامل اتصال (گروت یا اپوکسی)، و دوام مورد نیاز (ضخامت پوشش) بستگی دارد. میله های FRP غیر خورنده هستند.

بنابراین می توان آنها را در شیارهای کم عمق تر نصب کرد. این امر علاوه بر سبک بودن آنها در مقایسه با فولاد، نصب میلگردهای FRP را سریعتر از میلگردهای فولادی انجام می دهد و ممکن است برای این نوع کاربردها مقرون به صرفه تر باشد. تکنیک تقویت NSM شامل بریدن یک شیار کم عمق در سطح عضو، تمیز کردن شیار، نصب میله یا صفحه تقویت کننده فولادی یا FRP و تراز کردن سطح است.

آرماتور NSM برای مواردی که سطح بتن بسیار ناهموار، ضعیف است یا نیاز به آماده سازی سطح قابل توجهی دارد، مناسب است. برای این موارد، ایجاد شیار سطح می تواند مقرون به صرفه تر از آماده سازی سطح باشد. از آنجایی که آرماتور در زیر سطح تعبیه شده است، آرماتور NSM به خوبی از سایش مکانیکی (مانند ترافیک) محافظت می شود.

 

 سایر سیستم ها

برخی از کاربردهای دیگر FRP برای سیستم‌های باند خارجی، اشکال پیش ساخته، مانند ژاکت‌ها برای محصور کردن یا براکت‌های L شکل برای تقویت برشی هستند (به شکل 4-5 مراجعه کنید).

سیستم‌های FRP می‌توانند مانند تاندون‌های فولادی پس تنیده شوند ، تقویت فعال‌تری برای کاهش بخشی از نیروهای وارده توسط آرماتور موجود، بستن ترک‌ها در بتن و بهینه‌سازی عملکرد کامپوزیت ایجاد کنند. . لنگرها می توانند پیچیده باشند و باید طوری طراحی شوند که در برابر نیروهای کششی مقاومت کرده و از آسیب FRP جلوگیری کنند.

پلیمر های تقویت شده با فولاد (SRP) ماده دیگری است که می تواند برای تقویت سازه های بتنی استفاده شود. کامپوزیت‌های SRP ورق‌های نازکی هستند که با طناب‌های فولادی بسیار مقاوم تولید می‌شوند که با استفاده از رزین‌های اپوکسی یا ملات‌های سیمانی بر روی بستر بتنی چسبانده می‌شوند. یکی از مزایای کلیدی مواد SRP توانایی آنها در مقاومت در برابر دماهای بالا هنگام استفاده با یک عامل اتصال دهنده مبتنی بر سیمان است. به دلیل مقاومت برشی بالای مفتول های فولادی، می توان آرماتور SRP را به صورت مکانیکی به عضو سازه متصل کرد.