با توجه به زلزله‌خیز بودن کشور ایران احیای ساختمان‌های آسیب‌دیده در کنترل بحران پس از زلزله و همچنین حفظ سرمایه ملی مؤثر از مسائل مهم و ضروری می‌باشد. زلزله به همه سازه‌ها آسیب وارد خواهد کرد که گاه این آسیب همراه با تخریب کامل خواهد بود و گاه با تخریب قسمتی از ساختمان خواهد بود که این تخریب خود به طرق مختلفی رخ می‌دهد که در اکثر موارد می‌شود با مقاوم سازی و ترمیم سازه‌ها کاربری آن را دوباره احیا کرد. حال به چندین روش این مقاوم‌سازی در سازه‌های فولادی آسیب‌دیده زلزله می‌پردازیم.

انتخاب روش مناسب برای مقاوم‌سازی سازه های فولادی تخریب شده در زلزله

دو روش عمده برای ارتقاء شرایط موجود به منظور مقابله با آثار مخرب زلزله به صورت زیر است:

کاهش دادن نیروی زلزله وارد بر ساختمان

نیروی زلزله وارد بر ساختمان با وزن آن نسبت مستقیم دارد، بنابراین با کاهش وزن ساختمان می‌توان نیروی زلزله وارد بر ساختمان را کم کرد،برای این منظور می‌توان از طریق تبدیل کردن دیوارهای سنگین به دیوارهای سبک،استفاده از بتن سبک سازه‌ای، سبک کردن سقف‌ها و کم کردن طبقات اقدام کرد.

افزودن سیستم سازه‌ای جدید برای مقابله با نیروی زلزله

یکی از راه‌های بسیار مؤثر برای مقابله با نیروی زلزله، افزودن سیستم‌های سازه‌ای جدید به ساختمان می‌باشد. این روش در سالیان اخیر توجه زیادی را به خود جلب کرده است و می‌توان مهم‌ترین روش‌های قابل انجام را به شرح زیر نام برد:

• افزودن سیستم دیوار برشی در یک قاب ساختمانی بتن آرمه با یا بدون دیوار برشی
• استفاده از مهاربندی‌های هم‌مرکز (CBF)
• استفاده از مهاربندی‌های غیر هم‌مرکز (EBF)
• استفاده از میانقاب‌ها
• استفاده از بادبندهای میراگر ویسکو الاستیک

لازم به توضیح است که استفاده از هر یک از روش‌های فوق به تنهایی یا به صورت ترکیبی با روش‌های دیگر منوط به مطالعه کامل سازه می‌باشد و باید مورد به مورد بررسی گردد.

تعمیر و تقویت لرزه‌ای اعضای ساختمانی موجود

دورپیچ کردن با فولاد، افزایش سطح مقطع بتن با بتن‌ریزی و اضافه کردن آرماتور، استفاده از صفحات فولادی، استفاده از آرماتور خارجی، تزریق اپوکسی، بخیه زدن، پیش تنیدگی خارجی و استفاده از روش‌ها و مصالح نوین مانند میراگرها، سیمان الیافی، مواد مرکب سیمانی وFRP ها از جمله روش‌هایی هستند که اعضای ساختمانی بسته به درجه مقاومت ساختمان در برابر زلزله، سطح خسارت محتمل، نوع اعضاء و اتصالات آن‌ها  می‌تواند به وسیله آن‌ها تعمیر و تقویت شوند. روش‌های فوق‌الذکر به جز روش‌های استفاده از مصاح نوین، از روش‌های متداول و مرسومی می‌باشند که برخی از آن‌ها سالیان درازی است که برای تقویت سازه‌های فولادی استفاده می‌گردد.

در این روش از ورق فولادی نازک جهت پوشش ستون‌ها استفاده می‌شود. پوشش ستون‌ها به صورت کامل بوده و دورتادور ستون توسط ورق‌های فولادی که ضخامتی بین 4 تا 8 میلی‌متر دارند پوشیده می‌شود.این ورق‌ها به طور پیوسته به یکدیگر جوش داده می‌شوند. پوشش استوانه‌ای شکل حاصل بر روی بتن در مهار تنش‌های محیطی ستون عملکرد مناسبی از خود نشان داده است. در صورت مستطیل بودن ستون می‌توان دو ورق L شکل ویل چهار تسمه فولادی قائم را به یکدیگر(توسط چهار نبشی)جوش داد. در این روش شکل‌پذیری و مقاومت محوری ستون به طور موضعی افزایش می‌یابد.فضای خالی بین بتن و پوشش فولادی توسط پرکننده‌هایی نظیر دوغاب سیمان منبسط شونده و یا بتن  اشغال می‌گردد. این روش ابعاد سازه را تغییر نمی‌دهد ولی وزن سازه با استفاده از ورق‌های فولادی افزایش قابل ملاحظه‌ای می‌یابد.

افزایش سطح مقطع با بتن‌ریزی و اضافه کردن آرماتور

از این روش نیز برای ستون‌هایی که دچار آسیب‌دیدگی شده باشند استفاده می‌شود. این روش ظرفیت باربری ستون را افزایش داده و در عین حال می‌تواند مرمت عضو را نیز شامل گردد. استفاده از این روش بر حسب موقعیت ستون و فضاهای قابل دسترسی اطراف ستون می‌تواند در یک،دو،سه یا هر چهار طرف ستون انجام گیرد. مسلح کننده بتن در این روش می‌تواند پروفیل، ورق فولادی و یا آرماتور باشد. با این روش مقاومت محوری وبرشی ستون افزایش می‌یابد ولی مقاومت خمشی ستون به علت عدم عبور مسلح کننده‌ها از سقف افزایش نمی‌یابد. در صورت تقویت  نمودن ستون بین طبقات ممکن است کل سازه رفتار نامناسبی از خود نشان دهد و کمکی در برابر زلزله ننماید. از این‌رو توصیه می‌شود دیوار برشی هم در این‌گونه مواقع به سیستم اضافه شود و یا آرماتور طولی تقویتی از میان سوراخ‌های ایجاد شده در دال سقف عبور نموده و در محل اتصال تیر به ستون بتن‌ریزی گردد.

تزریق اپوکسی

عمل تزریق جهت مرمت تیرهای با ترک‌های جزئی به کار می‌رود. در صورت تمیز بودن سطوح تماس بتن می‌توان با تزریق رزین‌های اپوکسی  با روانی بالا مقاومت کشششی-برشی سازه را بهبود بخشید. چون ترک در اثر تنش‌های کششی به وجود می‌آید، چنانچه این تنش‌ها پس از تعمیر  ترک باز هم بوجود آیند ترک مجدد ایجاد خواهد شد. چنانچه برطرف کردن این تنش‌ها غیر ممکن باشد توصیه می‌شود که در طول سطح ترک یک برش به عنوان درز انقباض یا جابه‌جائی استفاده شود.

استفاده از آرماتور خارجی

در این روش آرماتورهای معمولی از بیرون به مقطع تیر بسته شده و در دو انتهای آن مهار می‌گردند. البته لازم به ذکر است که مهار آرماتورها در انتهای تیر بسیار مهم و حساس بوده و از نظر اجرا مشکل و پرهزینه می‌باشد. میلگردهای خارجی را می‌توان با عبور دادن از سوراخ‌های صفحه‌ای که پشت ستون تعبیه شده و پیچ کردن آن‌ها به صفحه مهار نمود. البته این راه از لحاظ اجرا به دلیل نیاز احتمالی به سوراخ کردن ستون مشکل و یا حتی غیر ممکن خواهد بود. به همین سبب روش دیگری پیشنهاد شده است، بدین صورت که با پوشش محل اتصال تیر و ستون به‌وسیله ورق و جوش دادن یک صفحه فولادی ضخیم به آن می‌توان میلگردها را به راحتی مهار کرد. برای اینکه میلگرد تحت اثر وزن خود دچار خیز نشود با رزوه کردن انتهای میلگرد می‌توان آن‌ها را به صفحه فولادی پیچ نمود و با پیچاندن مهره، انتهای آن را تحت کشش قرار داد. برای اینکه میلگردها از جای خود نلغزند می‌توان پس از پیچاندن مهره دو انتهای آن را به صفحات فولادی جوش داد.

استفاده از پیش تنیدگی خارجی

این روش از طریق ایجاد پیش تنیدگی در کابل‌هایی که از بیرون در امتداد طول سازه تعبیه می‌گردند انجام می‌شود. تاریخچه استفاده از پیش تنیدگی خارجی به بعد از جنگ جهانی دوم بر می‌گردد که به علت بکارگیری نامناسب آن، نتیجه خوبی به دست نیامد. بین سال‌های1960 تا 1970 تنها تعداد محدودی پل با استفاده از این روش تقویت شدند. این روش به چندین علت از جمله مسائل مربوط به حفاظت کابل در برابر خوردگی مورد توجه قرار گرفت. اما بعد از چندین سال این روش در فرانسه با شیوه‌ای مناسب و مطلوب توسعه داده شد و در حال حاضر به عنوان روشی جامع در تقویت اعضای سازه‌ای کاربرد دارد. امروزه عملاً تمام پل‌های بزرگ با این روش مقاوم می‌شوند. تجربه مقاوم‌سازی پل‌ها با این روش، طراحان را با تعریف و کاربرد پیش تنیدگی خارجی در طراحی سازه‌ها آشنا ساخت. با وجودی که این روش در ابتدای امر به عنوان یک روش مقاوم‌سازی مطرح گردید، اما پس از فراموشی در یک دوره کوتاه‌مدت، دوباره با کاربردی جدید در طراحی سازه‌ها، علاوه بر کاربرد به عنوان یک روش مقاوم‌سازی مطرح گردید. کمیته آیین‌نامه ACI224 پیش تنیدگی خارجی را به عنوان یک روش تحلیلی برای مقاوم‌سازی مطرح کرده است. در بکارگیری این روش باید به سه موضوع توجه ویژه مبذول داشت :

1) طرح مهارها

2) نصب انحراف دهنده‌ها

3) محافظت کابل‌ها در برابر خوردگی

امروزه مقاوم‌سازی با کابل‌های پیش‌تنیده خارجی یک روش بسیار کاربردی می‌باشد. اما بکارگیری آن نیازمند مهارت خاص و استفاده از تجهیزات مدرن است، لذا انجام آن، محدود به کشورهای پیشرفته و در حال توسعه می‌باشد.

استفاده از صفحه فولادی

این روش پس از پیشرفت صنعت شیمی و ساخت چسب‌های اپوکسی در حدود 30 سال پیش مطرح شد و در حال حاضر در تمام دنیا مورد استفاده قرار می‌گیرد. اگرچه کاربرد آن در آمریکای شمالی محدود شده است. در این روش صفحات فولادی توسط چسب اپوکسی به زیر تیر چسبانده می‌شوند. در این صورت عملاً افزایشی در عمق عضو و وزن مرده ایجاد نخواهد شد. علاوه بر اتصال با چسب، می‌بایست انتهای ورق‌ها را با روش‌هایی ویژه به تیر متصل نمود تا از لغزش و جدا شدن آن‌ها از تیر جلوگیری به عمل آید. روش مذکور متنوع، انعطاف‌پذیر، اقتصادی و مناسب است. آنچه در این روش باید کنترل گردد محکم شدن ورق، محافظت در مقابل حریق، شناخت خواص اپوکسی و آماده‌سازی درست سطح بتن و فولاد می‌باشد.

رفتار مطلوب سیستم مرکب حاصل بستگی بسیاری به چسبندگی لایه بین بتن و صفحه فولادی دارد. لذا آماده‌سازی دقیق سطح تماس بتن و صفحه فولادی از ملزومات کاربرد این روش است. محدودیت‌هایی نیز در انتخاب ضخامت ورق وجود دارد چرا که ضخامت نسبتاً زیاد ورق فولادی می‌تواند ترک افقی و جدا شدن آن از بتن تیر را سبب شود. با افزایش عرض ورق، احتمال شکست در چسبندگی و با افزایش ضخامت چسب، احتمال لغزش بین بتن و ورق بیشتر می‌شود. ورق‌های تقویتی فولادی با نسبت عرض به ضخامت (b/t) کمتر از 50 ، به علت تولید تنش‌های بیشتر در مجاورت انتهای صفحات، با شکست زودرس قبل از تخریب خمشی شکل‌پذیر از بین می روند. یادآور می‌شود این روش در محلی از تیر که پوشش بتن روی آرماتور از بین رفته باشد قابل‌اجرا نیست.

امروزه جهت مقاوم‌سازی سازه‌های موجود ،روش‌ها و مصالح نوینی که نتیجه تحقیقات زیادی می‌باشند وجود دارند که در ذیل به چند مورد از آن‌ها بطور خلاصه اشاره شده است:

میراگر اصطکاکی

این میراگر به عنوان قسمتی از سیستم مهاربند جانبی،شامل صفحات فولادی می‌باشد که به یکدیگر بولت شده‌اند و عموماً در قسمت وسط مهاربند x شکل قرار می‌گیرد. سیستمی نظیر این میراگرها وجود دارد که می‌توان آن را بوسیله اتصالاتی در محل تیر-ستون تعبیه نمود. این میراگرها انرژی زلزله را بواسطه لغزش صفحات فولادی بر روی یکدیگر به انرژی گرمایی تبدیل می‌نماید.

سیمان الیافی یا سیمان مسلح شده با الیاف (FRC)

این ترکیب تشکیل شده است از یک شبکه الیاف شیشه با مقاومت بالا و یک لایه نازک سیمان مسلح شده به الیاف. با اضافه نمودن پوشش FRC بر روی دیوار مصالح بنایی غیر مسلح ،مقاومت و شکل‌پذیری آن بدون افزایش سختی، افزایش می‌یابد.

مواد مرکب سیمانی

مواد مرکب سیمانی شکل‌پذیر نظیر (ECC (Engineered Cementitious composites  نمونه‌ای از نسل جدید مصالح می‌باشند که مزیت‌ها و قابلیت‌های زیادی از قبیل جذب انرژی بالا ،مقاومت کششی و فشاری زیاد، قابلیت شکل‌دهی، قابلیت اتصال با بولت ،جوش و گروت برای استفاده در مقاوم‌سازی ساختمان‌های موجود دارند.

رفتار شبه سخت‌شوندگی کرنش (Pseudo Strain Hardening) در پاسخ تنش، این مصالح را منحصر به فرد ساخته است.

مواد تشکیل‌دهنده آن عبارتند از آب،سیمان ،ماسه، الیاف و مقداری مواد شیمیایی افزودنی. بطور کلی به دلیل مقدار کم الیاف مورد نیاز (در حدود2% حجم) نحوه مخلوط کردن آن، شبیه بتن می‌باشد. جهت دستیابی به رفتار منحصر به فرد این مصالح، می‌بایستی از الیاف‌هایی با مشخصات خاص استفاده نمود.

کاربرد مصالح FRP در مقاوم‌سازی سازه‌هاي فولادي

کاربردهاي بسیار زیادي از مصالح FRP چسبانده شده به سازه‌های بخصوص فلزی فولاد و چدن وجود دارد. ابتدا به چند مورد از کاربرد مصالح FRP در سازه‌های فلزي اشاره می‌کنیم و در نهایت به تشریح کاربرد لمینیتهاي CFRP در تقویت تیرورق‌های فولادي خواهیم پرداخت.

کاربرد FRP در تیرهاي کامپوزیتی و تیر ورق‌های فولادي

تقویت تیرهاي فولادي با مصالح کامپوزیتی را به دو قسمت تقویت تیرهاي سالم و تیرهاي آسیب‌دیده می‌توان تفکیک کرد. بیشتر تحقیقات انجام شده در زمینه مقاوم‌سازی تیرهاي فولادي سالم با مواد پلیمر کامپوزیت، مربوط به تیرهاي فولادي مرکب با دال بتنی می‌باشد. این نوع تیرها کاربرد فراوانی در سازه‌های پل و ساختمان دارند. مزیت این نوع تیرها در استفاده فولاد در کشش و بتن در فشار می‌باشد و علاوه بر این دال بتنی وظیفه مهار جانبی بال فشاري را نیز بعهده دارد. تحقیقات انجام شده نشان‌دهنده کاراییروش مقاوم سازی تیرهاي مختلط فولاد و بتن با مواد FRP در بهبود مقاومت نهایی آنها میباشد اما سختی آنها به مقدار کمی افزایش مییابد. براي نمونه توکلی زاده و سعادتمنش تحقیقات تحلیلی و تجربی روي تیرهاي فولادي 30×W14  مختلط با بتن انجام دادند. آنها دو ردیف ورق CFRP به عرض 57 میلیمتر و ضخامت 17.2 میلیمتر روي بال کششی در دو طرف جان چسباندند. ورق‌هاي CFRP از سه نوع یک لایه، سه لایه و پنج لایه مورد استفاده قرار گرفتند. آزمایش خمش چهارنقطهاي روي تیرهاي به طول 4780 میلی‌متر انجام دادند و افزایش بار نهایی براي نمونه‌هاي مقاوم شده با یک لایه، سه لایه و پنج لایه CFRP به ترتیب 44 ،51 و 76 درصد بوده است. همچنی مقدار کرنش کششی در بال ها در یک سطح بار مشخص، براي نمونه‌هاي یک لایه، سه لایه و پنج لایه حدود 21 ،39 و 53 درصد کاهش یافتند و نیز مشاهده شد در نمونه‌هاي با یک لایه CFRP ، مقدار تنش موجود در ورق تقویتی بعد از بار نهایی حدود 75 درصد کاهش یافت، در حالیکه مقدار متناظر براي ورقه‌هاي پنج لایه در حدود 42 درصد بوده است.

استفاده از ورق روسری و زیر سری مضاعف

در صورتی که از جوش ورق های زیر سری و رو سری به ستون اطمینان نباشد، استفاده از ورق های زیر سری و روسری مضاعف می تواند در برنامه کار قرار گیرد. در صورتی که هیچ اطمینانی از جوش ورق روسری موجود به ستون نباشد و یا این جوش از ین رفته باشد، ضخامت ورق روسری و زیر سری باید برای لنگر خمیی تیر طراحی شود. اما اگر اضافه کردن وقت زیر سری و رو سری به منطور تقویت وضعیت موجود باشد، ضخامت آن با توجه به های موجود تعیین می گردد.

استفاده از ماهیچه

اضافه کردن یک مماهیچه باعث انتقال مفصل خمیری از بر ستون به خل تیر می شود. اضافه نمودن ماهیچه در صورت امکان تنها در بال تحتانی تیر نصب شود.

استفاده از مقاطع Tشکل

با استفاده از مقطع T شکل نیز می توان اتصال فولادی را بهسازی لرزه ای نمود. در بعضی از موارد، مقطع را تنها در بال پاییینی اتصال اجرا می نمایند که یا استفاده از این روش می توان بدون تخریب دال، ذاتصال را بهسازی لرزه ای نمود.

روش‌های مقاوم سازی شالوده‌ها

مقاوم نمودن شالوده‌ها به دو روش زیر انجام می‌گردد.

الف) افزایش مقاومت تکیه‌گاه(خاک) شالوده بوسیله ایجاد ‍پی‌های اضافی بزرگتر زیر پی‌های موجود

ب) افزایش وزن شالوده بوسیله پی‌های اضافی و بستن آن‌ها به پی‌های موجود و غیره

برای مقاوم سازی سازه ها و ساختمان ها روش های زیادی وجود دارد که برخی از روش های رایج درمقاوم سازی سازه ها عبارتند از:

مقاوم سازی با FRP

بطور کلی مقاوم‌سازی سازه‌های فولادی موجود برای تقویت آن‌ها به منظور تحمل بارهای وارده، بهبود نارسایی‌های ناشی از فرسایش، افزایش شکل پذیری سازه یا سایر موارد با استفاده از مصالح مناسب و شیوه‌های اجرایی صحیح انجام می­گردد. امروزه استفاده از الیاف FRP به‌عنوان یک ضرورت در جایگزینی مصالح سنتی و شیوه‌های موجود شناخته می‌شوند. سیستم اف آر پی FRP  بدین صورت تعریف می­شود که الیاف و رزین‌ها برای ساخت چند لایه مرکب مورد استفاده قرار می‌گیرند، به نحوی که رزین‌های مصرفی (رزین اپوکسی) به منظور چسباندن چند لایه مرکب به سطح بتن زیرین و پوشش‌ها به منظور محافظت مصالح ترکیب شده استفاده می‌شوند. استفاده از FRP  به دلیل وزن کم‏‏، سرعت اجرای بالا‏، مقاومت بالا و عدم ایجاد محدودیت معماری بسیار مورد توجه می‌باشد.

مقاوم‌سازی با اضافه نمودن دیوار برشی و یا بادبند

استفاده از دیوار برشی بتنی در  ساختمان‌ها یکی دیگر از روش‌های مقاوم‌سازی ساختمان می‌باشد. به علت سختی بیشتر دیوار برشی نسبت به بادبند، تعداد دهانه‌های لازم برای تعبیه دیوار برشی کمتر از دهانه‌های لازم برای بادبند است که در نتیجه طرح مقاوم‌سازی مشکلات کمتری در زمینه معماری بوجود می‌آورد. برای اتصال دیوار به ستون باید از خاموت‌های دورپیچ ستون یا بولت به عنوان برش گیر در ارتفاع ستون استفاده کرد. همچنین برای اتصال دیوار به سقف هم باید تمهیداتی اندیشید. نکته مهم دیگری هم که در مورد استفاده از دیوار برشی باید به آن توجه کرد این است که به علت نیروی زیادی که در پی دیوار برشی بوجود می‌آید، احتمالا نیاز به شمع دارد تا بتواند نیرو‌ها را به زمین منتقل کند.

مقاوم‌ سازی با استفاده از جداگرهای لرزه‌ای

نصب جداسازهای لرزه‌ای در تراز پایه ساختمان، با هدف جداسازی حرکتی بین سازه و زمین صورت می‌گیرد. جداسازهای لرزه‌ای، المان‌هایی هستند که سختی جانبی آن‌ها نسبت به سختی محوری­شان بسیار کمتر می‌باشد، لذا با وقوع زلزله، این المان­ها میبایستی مانع انتقال نیرو به سازه‌ی اصلی­ شوند و سازه‌ی اصلی یک حرکت صلب را در حین وقوع لرزش­های زمین تجربه  نماید. عملکرد جداگرها فقط در محدوده خاصی از جرم و ارتفاع ساختمان مطلوب است و به همین دلیل این روش بصورت خیلی محدود و فقط برای ساختمان‌های دارای وزن و ارتفاع مناسب مؤثر بوده و به همین دلیل کمتر از سایر روش‌ها در جهان مورد استقبال کارشناسان قرار گرفته است.

مقاوم سازی با استفاده از سیستم‌های جاذب انرژی (دمپر)

در روش­های کنترل غیر فعال سازه نظیر استفاده از مستهلک کننده‌های ویسکوز و ویسکوالاستیک، جذب انرژی حاصل از حرکات نیرومند زمین توسط مستهلک کننده‌ها صورت گرفته و به سیستم سازه اجازه داده نمی­شود که وارد ناحیه غیر خطی گردد. این امر موجب می­ شود که مقاومت سازه در برابر زلزله‌های با دوره بازگشت طولانی‌تر (که طبیعتاً شدیدتر نیز می‌باشند) بیشتر گردد یا به تعبیر دیگر احتمال فروریزش سازه در برابر این زلزله‌ها کاهش می‌یابد. سیستم‌های جاذب یا مستهلک کننده انرژی  (Dampers ) بر پایه افزایش ضریب میرایی ساختمان بنا شده‌اند. مهمترین تأثیر میرایی، کاهش دامنه نوسان و پاسخ ساختمان نسبت به نیروهای وارده می‌باشد و بدین وسیله قسمت عمده‌ای از انرژی ارتعاشی را قبل از رسیدن پاسخ سازه به حد نهایی به هدر می‌دهند. اتلاف کننده‌های انرژی ممکن است در مهاربندی‌ها، اتصالات و اجزای غیر سازه‌ای و یا دیگر مکان‌های مناسب در ساختمان‌های موجود قرار داده شوند، لیکن ساده‌ترین و  پرکاربردترین آن‌ها استفاده از میراگر در مهاربندها می‌باشد که می­توان از آن‌ها در تمامی طبقات ساختمان سود جست. در برخی از انواع میراگرها ملاحظات زیبایی نیز مدنظر قرار گرفته شده است تا چنانچه بصورت نمایان بکار برده شوند مشکلی از لحاظ معماری ایجاد ننمایند.

منبع : شرکت مقاوم سازی افزیر