اصول و قواعد کلی مقاوم سازی و تقویت سازه بتنی
همان طور که قبلا اشاره شد، هنگامی که مقاومت سازه ی بتنی زیر مقدار تعیین شده در طراحی باشد (دقیق تر اینکه با حذف ضریب اطمینان، رده ی مقاومتی بتن باربر از عدد طراحی شده 15 درصد – یا بیشتر- پایینتر باشد) و این اعداد از طریق آزمون های مخرب یا غیر مخرب از بتن سخت به دست آمده و مورد اطمینان باشند. همین طور به دلایلی چون تغییر کاربری یک سازه ی بتنی و افزایش بارهای لرزه ای و دینامیکی یا قرار گرفتن در طرح توسعه بخشی از کارخانه، نیروگاه یا پالایشگاه، یا پایین آمدن مقاومت بتن به دلیل اجرای نامناسب بتن ریزی، یخ زدگی، فرسایش و خوردگی و هزینه بر بودن ساخت مجدد باعث می شود سازه نیازمند تعمیراتی پیشرفته تر و دقیق تر از ترمیم بتن باشد.
هر چند عدد مقاومت بتن موجود و صعوبت کار، هزینه و زمان اجرا در تعیین روش مقاوم سازی سازه های بتنی موثر است، اما به طور کلی بازگرداندن مقاومت سازه به نحوی که منظور و خواسته کارفرما را تامین نماید، به روش های زیر صورت می گیرد:
الف– انجام عملیات مقاوم سازی با استفاده از الیاف (FRP (fiber reinforced polymer
ب- انجام عملیات مقاوم سازی به روش ژاکت بتنی (غلاف بتنی)
ج- انجام عملیات مقاوم سازی به روش تسمه یا ژاکت فلزی (غلاف فلزی)
بدیهی است هر کدام از این روش های مذکور دارای خواص و ویژگی هایی هستند که به تناسب موقعیت، برتری و مزیت نسبی بر دیگر متد ها خواهند داشت و چه بسا در بعضی از پروژه ها، نیاز به اجرای ترکیبی از 2 یا 3 روش کلی ذکر شده وجود داشته باشد. هر کدام از این روش ها، مستلزم آگاهی و شناخت از طیف وسیعی از استانداردها و مواد و ابزار و مهارت فنی در اجرای تکنیک های ویژه عمرانی و مقاوم سازی ساختمان از قبیل کاشت آرماتور و بولت، انکراژ، اجرای اوپنینگ و کرگیری و برش بتن، ساب و اسکرابینگ سطوح بتنی، تقویت شبکه فولادی و آرماتور بندی، زهکشی و شاتکریت خواهد بود که در ادامه به اختصار به آنها خواهیم پرداخت.
✔ تقویت بتن با الیاف FRP
بهترین و سریع ترین روش برای تقویت سازه ای با کاهش مقاومتی در بازه 65 تا 85 درصد طراحی روبروست، استفاده از الیاف و لمینت FRP است. الیاف پلیمر (یا پلاستیکی) FRP، هنگامی که با رزین (ژل) چسباننده اپوکسی ترکیب می شود، به عنوان یک ماده کامپوزیت (ماده مرکب که از ترکیب فیبر یا الیاف و ماتریس – ژل- تشکیل شده است) می تواند با افزایش لختی سازه، انتقال نیرو در راستای موثر، جلوگیری از واپاشی بتن و عضو ضعیف سازه بتنی عمل کند. برخی از این الیاف توانایی تحمل 8 تن کشش در هر سانتی متر مربع را دارند. این خواص در کنار اقتصادی بودن این روش با سرعت یافتن روش های ارزانتر تولید، سبکی، انعطاف و سرعت عمل اجرا، توانایی مکانیکی و شیمیایی بالا در برابر خوردگی باعث شده تا بسیاری از کارفرمایان و دستگاه های نظارت پروژه های عمرانی به عنوان اولین راه حل در فرآیند مقاوم سازی به آن توجه نمایند.
✔ شکل و ساختار انواع الیاف بتن
از لحاظ شکل و ساختار FRP به دو گروه G-FRP (الیاف پلیمری تقویت شده از نوع شیشه) و C-FRP (الیاف تقویت شده از نوع کربن) تقسیم شوند. همچنین بر اساس عملکرد نیز 1) یک محوره (تحمل کشش را در یک جهت دارند) و 2) دو محوره (در 2 جهت کشش را تحمل می کنند) هستند. وزن و مشخصات FRP بر حسب گرم بر متر مربع محاسبه شده و در رول های 50 متر مربعی (عرض 50 سانتیمتر در طول 100 متر) عرضه می شوند. این محصول وارداتی است و کشورهای آلمان، سویس و انگلستان برندهای مطرح تولید کننده ی آن هستند. برای مطالعه ی بیشتر به صفحه 7 و 15 کاتالوگ محصولات کلینیک بتن ایران رجوع کنید.
الیاف شیشه یا GFRP رنگ روشنی دارند و برای استفاده در محیط های سرپوشیده مناسب ترند. (نسبت به اشعه UV نور خورشید مقاوم نیستند). معمولا از 400 تا 800 گرم در متر مربع عرضه می شوند و بنابراین از مقاومت و انعطاف کمتری در هنگام دورپیچ عضو برخوردارند و البته نسبت به الیاف کربن ارزانتر هستند.
الیاف CFRP پرکاربرد ترند. ضخامت پایین تر – یعنی عرضه محصول از 100 تا 300 گرم در هر متر مربع – باعث می شود چسبندگی بیشتری به عضو سازه بتنی داشته و شکل هندسی مقطع بتنی را حفظ می کنند. نسبت به اشعه ی UV مقاومند و مشکی رنگند. بنابراین برای اکثر سازه های بتنی که در محیط باز قرار دارند، مانند پایپ راک ها، فونداسیون ها و عرشه های پل و سقف های باربر قابل استفاده هستند.
ژل FRP یک چسب اپوکسی است که خواص آن برای چسبندگی بیشتر ( تحمل کشش بین 11 تا 15 تن) و با ترکیب 5/2 هادنر به 5/7 رزین در کلینیک بتن ایران طراحی و تولید شده است. هنگام اجرا لمینت FRP که به صورت حصیری بافته شده از ژل آغشته می شود. بنابراین در حین اجرا سطح بتنی با مقداری از چسب به و طرف اتصال لمینت FRP با بتن نیز مقداری دیگر آغشته می گردد. میزان مصرف چسب یا رزین FRP، بین 800 تا 1000 گرم در هر متر مربع و بسته به سطح بتن (فیلم و ضخامتی در حدود 700 میکرون ایجاد می کند) است. روش اجرا و مدت زمان مصرف مطابق توضیحات چسب اپوکسی MTOBOND P1800 است.
روش طراحی مقاومتی با الیاف FRP
الف –فرضیات طراحی
فرض بر این است که مقاومت های بدست آمده از سازه بتنی در محدوده 85 تا 65 درصد رده مقاومتی طراحی شده باشند.
الزامات و رواداری های استاندارد ACI2800 و آیین نامه بهسازی لرزه ای سازه ها، نشریه 345، در نظر گرفته شده است.
تعیین تعداد لایه FRP بر اساس عدد مقاومت فشاری موجود و نزدیکی و دوری آن به ابتدا و انتهای بیشینه و کمینه ی مقاومت استاندارد (فرض شماره 1) صورت پذیرد.
شاخص ضریب کاهش عملکرد ،بر طبق شرایط محیطی تعریف شده (مبحث نهم مقررات ملی ساختمان) در نظر گرفته شود.
ب- انتخاب مصالح و متد اجرای FRP
بنا بر نوع کاربری سازه، توان مکانیکی الیاف FRP و نیز محیط و جغرافیای طبیعی، تاثیر عوامل محیطی اسیدی و قلیایی و اشعه UV و درصد رطوبت زیاد و دمای کاری در انتخاب نوع و وزن در متر مربع FRP موثر است.
در انتخاب روش پیشنهادی فرضیات زیر موثرند:
مقطع بتن تغییری نمی کند
لغزش نسبی بین الیاف FRP و سطح بتنی – بر اساس تمهیدات اجرایی- وجود نخواهد داشت
تغییر شکل پلاستیک رزین محاسبه نمی شود
به دلیل نوع سازه از مقاومت کششی بتن صرف نظر می شود
رابطه تنش و کرنش الیاف خطی فرض می شود
نمونه جدول کششی برای سیستم پیشنهادی
| ULTIMATE STRENGHT (KN/MM) | FABRIC WEIGHT (g/m3) | FRP SYSTEM DESCRIPTION |
| 400 | 230 | HIGH STRENGHT CARBON/ EPOXY UNIDIRECTIONAL SHEET |
ج- روش اجرا (سیستم چسباندن تر):
لازم است قبل از آن سطح زیر کار از چند منظر آماده گردد، ابتدا سطح بتن اسکراب می شود و یا به وسیله وایر براش شیرابه های اضافی بتن، عناصر سست برداشته شده و در نقاط شن نما با ملات های ترمیمی الیاف دار که در ضخامت های پایین دچار شکستگی نشده و چسبندگی مناسبی به بتن دارند تعمیر می گردد. با توجه به سهم بزرگ اتصال الیاف به بتن در سیستم مقاوم سازی مذکور می بایست تراز زیر کار دارای تلرانسی کمتر از 1 میلیمتر مطابق استاندارد ASTM D4541 باشد. در صورت ضرورت شستشو به جهت زدودن دست و غبار موجود از روی سطح لازم است مطابق دستورالعمل ACI 503-4 پس از شستشو جسم بتن کاملا خشک شده و آزمایش تست رطوبت اعمال شده تا خظر جدایش رزین و به تبع الیاف FRP در اثر دراگ بخار آب و نتیجتا تاول زدن و دیلمینیت شدن رزین کاهش یابد. در این روش لمینت FRP به رزین اپوکسی آغشته شده و پس از آغشته سازی سطح توسط رزین اپوکسی چسبانده می شوند. استاندارد های اجرا مطابق با ICR 03730 و ACI 546R خواهد بود.
تبصره: از آنجایی که گسترش ترک هایی با عرض 3/0 میلی متر می تواند بر عملکرد سیستم پوشش خارجی FRP اثر بگذارد به نحوی که منجر به جدایش لایه ای یا گسیختگی الیاف گردد. لازم است مطابق با الزامات ACI 224IR این ترک ها با تزریق رزین اپوکسی پر گردند. پس از اجرا نیز ناحیه تقویت شده به جهت عمل آوری رزین می بایست به مدت 72 ساعت بوسیله پوشش محافظتی چادر کشی گردد.
د- ضریب ور آمدگی (طول گیرایی و عدم دیلمینیت شدن FRP):
در حالت دورپیج و اجرای فلسی –قائم- الیاف FRP و برای سطوح ساده باید به اندازه طول موثر مقطع پس از نقطه ای در طول سازه که میزان لنگر معادل لنگر ترک خوردگی در آن نقطه تحت بار نهایی باشد یعنی بر اساس وضعیت سازه مورد بحث تا یک سوم فاصله از تکیه گاه یا هر گوشه ادامه یابد.
انواع راهکارها و روش ها مقاوم سازی ساختمان
✔ مقاوم سازی با ژاکت بتنی
به این روش افزایش مقطع بتن یا extend نیز می گویند. هنگامی که مقاومت موثر بتن کاهش می یابد به این معنی است که مقطع بتن مسلح عضو سازه ای تاب مقاومت در برابر مجموعه نیروهای استاتیکی و دینامیکی را ندارد. بنابراین می توان با افزایش مقطع توان از دست رفته را جبران کرد. افزایش مقطع به معنی کاشت آرماتور دوخت، ریشه یا شبکه های فولادی به منظور افزایش کشش و قالب بندی و اجرای بتن مجدد است. این روش به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه است اما معایبی چون افزایش حجم فضای اشغال شده توسط اسکلت سازه و نیازمند بودن به دانستن و اجرای بسیاری از استاندارد ها و الزامات مهندسی است. به صورت ساده تقویت شبکه ی فولادی عضو یا سازه با استفاده از کلاف میلگرد و اجرای بتن ریزی پس از قالب بندی بوسیله پمپ یا شاتکریت را تقویت سازه با ژاکت یا غلاف بتنی گویند.
کرگیری و انجام اوپنینگ یا بازشو بر روی بتن
کرگیری یا مغزه گیری از بتن سخت، به منظور اخذ نمونه بتن برای آزمایشگاه (کاربرد در آزمایش تعیین مقاومت فشاری و کششی و سه محوره، آزمایش نفوذ پذیری آب و تعیین عمق کربناتاسیون و پتروگرافی) یا کاشت بولت، یا اجرای بازشو برش بتن در ابعاد خاص برای کانال یا محل قرارگیری آسانسور، اجرای کسینگ عبوری لوله و تاسیسات در دیوار ها و دیواره های مخازن و همچنین لوله پمپ بتن برای دسترسی به محل قالب بندی در مقاوم سازی ستون ها کاربرد دارد.
دستگاه کر گیر دارای یک شاسی است که به کمک بولت در محل انجام عملیات کر گیری فیکس شده و قسمت متحرک آن با جلو رفتن سر مته ی تو خالی الماسه ای را در سایزهای گوناگون در بتن پیش می راند. طول مته های استاندارد 45 سانتی متر است اما اگر نیاز باشد عمق بیشتری در ضخامت بتن پیش رفت، رابط هایی برای انجام این عملیات وجود دارد.
باید توجه داشت اجزایی مانند تیر بتنی دارای میلگرد های کششی هستند که بریده شدن آن به عملکرد سازه لطمه می زند، بنابر این بهتر است حتی الامکان در اعضای دارای کابل یا میلگرد کششی، عملیات کرگیری صورت نپذیرد.
مقاوم سازی ساختمان با FRP
✔ مقاوم سازی با ژاکت فلزی
هنگامی که روش ژاکت بتنی به دلیل نبود فضای مناسب برای تقویت اعضا غیر ممکن باشد، یا زمان مناسب برای خشک شدن و کیورینگ و بارگذاری بتن در برنامه تعمیراتی دیده نشده باشد و یا اعضای کششی مانند تیر و پوتر بتنی نیاز به تقویت داشته باشد، می توان از غلاف، تسمه یا ژاکت فلزی استفاده کرد.
وجود ترک های خمشی یا برشی خالص و خمشی - برشی، تعیین انرژی شکست سازه توسط محاسب، مقاومت پایین بتن در سازه و کاهش موثر لختی سازه از دیگر عوامل استفاده از مقاوم سازی به روش ژاکت بتنی است.
در واقع افزایش مقطع فولاد در بتن مسلح و تکیه بر خواص مکانیکی فلز، می تواند ارتقا سازه را در ضخامت محدود، تا حد قابل قبولی بالا ببرد.
فیکس شدن و پایداری فلز در اتصال با بتن بوسیله کاشت بولت صورت گرفته و باد خور ها و فضاهای خالی میان فلز و بتن پس از جک گذاری و جوشکاری، توسط گروت اپوکسی MTOFLOW 650 پر می شود.
جزئیات و دیتیل اجرایی بر اساس هر پروژه متنوع و متفاوت است لذا پیش از انجام عملیات اجرایی بهتر است با کارشناسان فن مشورت گردد. برای مطالعه بیشتر به صفحه 15 کاتالوگ کلینیک بتن ایران مراجعه فرمایید.
| چک لیست استاندارد اجرایی - اجرای مقاوم سازی سازه های بتنی |
| تجهیزات مورد نیاز | دستگاه فرز، برش و ساب سطوح بتنی دریل و مته دستگاه کرگیری تجهیزات تزریق انکرهای شیمیایی کاردک هواگیری تجهیزات آرماتور و قالب بندی خلاطه و تجهیزات بتن ریزی قالب بتن فلزی و چوبی ویبراتور و چکش لاستیکی تجهیزات محافظ ایمنی |
| مواد مورد نیاز | لمینت FRP رزین چسباننده FRP میلگرد چسب کاشت آرماتور بتن با ترکیبی از روان کننده ها و میکروسیلیس خمیر یا چسب کاشت آرماتور بولت های سر رزوه و تمام رزوه و استات بولت |
| روش انجام عملیات | 1- برای اجرای FRP سطوح تراشیده و سند بلاستینگ می گردد. 2- گوشه ها و زوایای تیز با شعاع مناسب تراشیده و پخ می گردند. 3- 200 گرم رزین بر روی لمینت FRP و مابقی بر روی سطح بتنی اعمال می گردد. 4- پوشش FRP بر روی سطح اجرا شده و با کاردک پلاستیکی هواگیری می شود، حداقل اورلب 2 لایه FRP 5 سانتیمتر و نحوه اجرا بر اساس نوع طراحی در چند لایه اجرا می گردد. 5- لمینت FRP به منظور تامین ضریب مقابله با ور آمدگی تا یک سوم طول نقطه تکیه گاهی ادامه می یابد. 6- برای افزایش مقطع به روش ژاکت بتنی، کاشت آرماتور دوخت با عمق 12 برابر سایز آرماتور دوخت – معمولا 10 تا 12- ادامه می یابد. 7- کاشت میلگرد های ریشه ی دیوار–در پاشنه یا زیر سقف- موازی با آرماتورهای طولی، با میلگردهایی مشابه میلگرد های اصلی صورت می گیرد. 8- طول مهاری ریشه 40 برابر قطر آرماتور خواهد بود. 9- تنظیف سوراخ با کمپرسور باد صورت می گیرد. 10- در کاشت عمودی از خمیر کاشت 3 جزئی تا 250 گرم برای هر حفره و در کاشت افقی از چسب کاشت 2 جزئی تزریقی به میزان 80 تا 120 میلی لیتر برای هر سوراخ خواهد بود. 11- پس از گیرش آرماتورها، کلاف بندی شبکه ی فولادی انجام می گیرد. 12- قالب بندی بر اساس نوع سازه انجام می شود، برای بخشهای زیر سقف، طراحی گوشواره یا کرگیری برای ورود شلنگ بتن ریزی لازم است. 13- مخلوط بتن برای سازه های آبی باید دارای حداقل 8 درصد میکروسیلیس و حدود 15 درصد چسب لاتکس باشد. 14- کیورینگ مطابق با مقررات ملی و آبا صورت می پذیرد. |
| روا داری ها | کاهش حجم فضای داخلی محیط مخازن، پارکینگ ها، سلر ها و.. که فرم و بتن فعلی آن، به عنوان قالب در نظر گرفته شده است باید مد نظر قرار گیرد. در صورتی که فرایند اجرای بتن ریزی، حجم مذکور را به طور قابل توجهی کاهش می دهد، می توان به ساخت مجدد و یا استفاده از ژاکت های فلزی اندیشید. بسته به طراحی صورت گرفته، لمینت های FRP می توانند به صورت تسمه های منفرد اجرا گردند و نیازی به پوشش کل سطح نیست. در لایه های دوم و سوم FRP میزان چسب کمتر از لایه اول خواهد بود، اما کل الیاف باید از رزین اپوکسی اشباع گردد. برای اجرای لایه های دوم و سوم نیازی به صبر کردن تا خشک شدن لایه اول نیست. حداقل ضخامت افزایش مقطع دیواره 15 سانتیمتر و حداقل شبکه ی فولادی اضافه شده 1 شبکه خواهد بود. پوشش محافظ بتنی یا ملات سیمانی در محلی که لمینت های FRP در معرض سایش قرار دارند الزامی است. |