مقاوم سازی اتصالات بتنی و فولادی

تحقیقات انجام شده برروی اتصالات بتنی تقویت شده با ورق های FRP، نشان می دهد که این مواد می توانند باعث افزایش ظرفیت برشی اتصالات بتنی، افزایش ظرفیت خمشی تیر در محل اتصال، افزایش ظرفیت باربری و بهبود شکل پذیری تیرهای منتهی به اتصال شوند. به عبارت دیگر ورقه های FRP می توانند برروی تیرهای مجاور به اتصال به کاربرده شوند و تا مقاومت اتصال افزایش یابد و باعث انتقال مفصل پلاستیک ناحیه اتصال به طرف تیر و دور از اتصال گردند. بدین ترتیب شکل پذیری قاب های بتن آرمه افزایش یافته به طوری که رفتار آن از حالت شکل پذیری معمولی به متوسط و یا حتی ویژه ارتقا می یابد. همچنین این تکنیک می تواند در بهبود عملکرد برشی اتصالات تیر به ستون بتنی مؤثر باشد به طوری که ضعف شکست برشی اتصالات ترمیم شده و از ناپایداری کلی قاب های بتن آرمه به دلیل تشکیل مفصل پلاستیک در محل هسته اتصال و خرابی کل سازه جلوگیری به عمل آید. به طور کلی کارایی این روش به پارامترهای زیادی از جمله جنس FRP، روش اتصال و طول امتداد یافته FRP در طول تیر، مقاومت بتن، مقدار آرماتور موجود در تیر و سختی اتصالات بتنی بستگی دارد.
در طی سال های اخیر موضوع تقویت و مقاوم سازی سازه ها به طور گسترده ای در جوامع علمی و مهندسی مطرح گردیده است. از دیدگاه علمی تمام سازه هایی که براساس اصول و ضوابط حال حاضر آیین نامه ها طراحی و به دلیل قصور عوامل ذیربط و نبود کیفیت لازم برای مصالح به طور صحیح و اصولی طراحی و اجرا نشده اند، نیاز به تقویت و مقاوم سازی دارند. در دهه های اخیر استفاده از FRP در مقاوم سازی قسمت های مختلف سازه ها به طور گسترده مورد توجه واقع شده است.
الیاف FRP می توانند از نفوذ ترک ها به داخل هسته اتصالات بتنی جلوگیری کرده و یا در کمک به ایجاد مفصل پلاستیک در انتهای تیر و با فاصله ای از بر ستون یک اتصال مؤثر باشند. با این شیوه ورقه های FRP می توانند در انعطاف پذیری کل ساختمان، ارتقا مقاومت سازه به سطح مورد نظر از قبیل آسیب دیدگی و یا مقاوم سازی اتصالات بتنی برای مواجه با قوانین سخت گیرانه آئین نامه های جدید و بارهای جدید مؤثر واقع گردند.
در این میان CFRP به دلیل مقاومت کششی قابل ملاحظه و مقاومت بسیار بالا در برابر خستگی و خوردگی در مقاوم سازی سازه های بتن آرمه بیشتر استفاده شده است. یکی از روش های مقاوم سازی محل اتصال تیر و ستون جهت دور کردن مفصل پلاستیک از ستون و به کار بردن فلسفه ستون قوی و تیر ضعیف استفاده از CFRP است.

اتصالات تقویت شده با FRP

بسیاری از سازه‌های موجود، بر اساس آیین‌ نامه‌ های جدید طراحی، در برابر زلزله از ایمنی کافی برخوردار نیستند. همچنین تعداد و تنوع این سازه‌ها و عمر متوسط آن‌ها در دنیا در حال افزایش است، بنابراین ترمیم و محافظت از سازه‌ها امری اجتناب‌ناپذیر می‌نماید. جایگزینی کلی سازه نیز مستلزم تحمل بار مالی شدید بوده و مطمئناً درصورتی‌که ترمیم و مقاوم سازی ساختمان  امکان‌پذیر باشد علاوه بر صرفه اقتصادی باعث حفظ منابع طبیعی نیز خواهد شد. در صورت انتخاب روش مناسب، تقویت لرزه‌ای سازه‌ های موجود مؤثرترین راه کاهش خطر زلزله است. در سالیان اخیر مطالعات زیادی در زمینه روش‌های بهسازی عملکرد لرزه‌ای سازه‌ها بعمل آمده و روش‌های گوناگونی بررسی و پیشنهاد شده است که بسته به نوع و شرایط سازه می‌توان روش تقویت مناسبی را انتخاب نمود. البته علاوه بر چگونگی عملکرد سیستم تقویتی، برخی مسائل از قبیل هزینه، زمان اجرا و تکنولوژی در دسترس از نظر مصالح و اجرا، نیز روی انتخاب تأثیر گذارند. در این بین اتصال تیر به ستون در قاب‌های خمشی بتن مسلح به علت قرارگیری اتصال تحت تلاش‌های رفت و برگشتی در هنگام زلزله جزو بحرانی‌ترین نقاط در عملکرد قاب بتن مسلح خمشی می‌باشد.

استفاده از کامپوزیت های مقاوم سازی شده با الیاف FRP برای مقاوم سازی تیرها و ستون ها در سازه های بتنی در دهه های اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است. با این حال، کمتر به مقاوم سازی اتصالات بتنی با ورقه های FRPتوجه شده است. با استفاده از ورقه های FRP با پیکربندی صحیح می توان شکل پذیری و مقاومت خوبی را به دست آورد.

استفاده از کامپوزیت های  FRPدر مقاوم سازی سازه های بتن آرمه در سال های اخیر مورد توجه مهندسان عمران بوده است. بسیاری از تحقیقات برای مقاوم سازی اعضای مختلف بتن آرمه مانند تیرها، ستون ها و دال ها با ورقه های  FRP انجام شده است. با این حال، کمتر به مقاوم سازی اتصالات بتن مسلح با ورقه های  FRP توجه شده است. با توجه به پیچیدگی رفتار اتصالات بتن آرمه، ارائه مدل المان محدود مناسب برای تجزیه و تحلیل غیر خطی اتصالات بتن مسلح از اهمیت زیادی برخوردار است.

یکی از بخش های مهم و بحرانی ساختمان، محل اتصالات تیر و ستون ها به یکدیگر است، زیرا این اتصالات بهسازی لرزه ای و عمر و بقای سازه را هنگام وقوع زلزله و نیروهای لرزه ای تضمین می کند و در واقع هنگام وقوع زلزله نیروی زیادی به این بخش از سازه های قاب خمشی بتن مسلح وارد می گردد و اتصالات را دچار تنش زیادی می کند.

برای تأمین شکل پذیری کافی اعضا و اتصالات بتن مسلح، الزامات ویژه ای در آیین نامه های طراحی در نظر گرفته شده است. فاصله نزدیک بست ها در منطقه چشمه اتصال و مناطق حیاتی تیر و ستون برای افزایش شکل پذیری آنها از جمله این نیازهای مهم است.

این الزامات لرزه ای و شکل پذیری در برخی از سازه های بتن مسلح که در پنجاه سال اخیر بر اساس کدهای طراحی قدیمی طراحی و ساخته شده اند مورد توجه قرار نگرفته است، بنابراین شکست بسیاری از برش ها در بسیاری از اعضا مانند مناطق چشمه اتصال به دلیل کاهش محدودیت بتن و شکل پذیری مشاهده شده است. بنابراین، مقاوم سازی سازه برای جلوگیری از خسارات احتمالی در هنگام زلزله ضروری است. یکی از رایج ترین راه حل ها برای بازسازی قاب های بتن مسلح تبدیل کردن ستون و پانل به یک بتن جدید با تقویت کننده های طولی و عرضی است. تکنیک دیگر برای ترمیم قاب های آسیب دیده بتن مسلح تخلیه هسته بتنی اتصال ستون و تیر و سپس پر کردن آن با ملات با مقاومت بالا یا استفاده از الیاف FRP برای مقاوم سازی قاب های بتن مسلح یا روش تزریق اپوکسی است. از ورق های FRP برای بهبود بسیاری از عناصر بتنی مانند ستون ها به ویژه برای بهسازی لرزه ای استفاده می شود. اخیراً، از ورق های FRP به منظور افزایش ظرفیت تحمل بار، شکل پذیری و سایر پارامترهای اتصالات، در بهسازی خمش و برش اتصالات بتن مسلح استفاده شده است.

در سازه های بتن آرمه با اتصالات صلب وظیفه انتقال کامل نیروها و لنگرها به عهده اتصالات است. به وجود آمدن تغییر شکل های جزئی در محل اتصال باعث می شود این عملکرد کامل نشود. مشاهدات پس از وقوع زلزله مبین این نکته است که خرابی های سازه ای بیشتر در ناحیه اتصالات بوده و گسیختگی سایر المان های سازه ای کمتر اتفاق افتاده است. با تقویت و مقاوم سازی اتصالات بتنی با FRP می‌توان ظرفیت خمشی و همچنین ظرفیت برشی اتصال را افزایش داد. به علت دورگیری، بکارگیری این روش میزان شکل‌پذیری اتصال را نیز افزایش می‌دهد. با استفاده از FRP می‌توان بدون افزایش ابعاد اتصال، مقاومت آن را افزایش داد. استفاده از تقویت اتصال بتنی با FRP، نسبت به روکش فولادی ارجح تر است، زیرا تقویت اتصال با FRP برخلاف فولاد دچارخوردگی نمی‌شود و می‌تواند در مقابل خوردگی اسیدها، بازها و مواد مهاجم مشابه در دامنه وسیعی از دما مقاومت کنند. در نتیجه نیاز به سیستم های حفاظت از خوردگی نمی‌باشد و آماده کردن سطوح اعضا قبل از تقویت اتصال بتنی با FRP و نگهداری از آنها بعد از نصب، آسانتر از ورق فولادی است. لازم به ذکر است که در استفاده از FRP بر خلاف روش تقویت با روکش بتنی نیاز به افزایش ابعاد اتصال و عملیات ساختمانی پر حجم نمی‌باشد.

معمولاً این ورق های  FRPروی یک یا بعضی از اعضای بتن مسلح با روش آماده سازی سطح معمولی نصب می شوند، اما هنوز هم احتمال جدا شدن زود هنگام ورق های FRP از سطح بتن قبل از خرابی در مقاومت کششی نهایی (کرنش) وجود دارد. شیار زدن سطح بتن قبل از نصب ورق ها یکی از جدیدترین روش های آماده سازی سطح برای افزایش چسبندگی بین ورق ها و سطح بتن است.

بنابراین، با استفاده از این روش مقاوم سازی، می توان پارامترهای مقاومت اتصال ضعیف را به اتصال استاندارد (که در آن الزامات شکل پذیری متوسط ​​کد طراحی در نظر گرفته شده است)، بدون خطر جدا شدن زود هنگام ورق ها قبل از جدا شدن توسط شیارهای سطح، ارتقا داد.