ساختمان مذکور مجموعه آپارتمانی ۲۰ واحدی در حال ساخت واقع در تهرانسرمی باشد . تیرهای با دهانه زیاد آن (۵/۷ متر) بدلیل عدم رعایت آویز مورد نیاز ( ۲۰ سانتیمتر ) و همچنین کسر میلگرد تقویتی مورد نیاز در وسط دهانه ،دچار ترکهایی در وسط دهانه گردیده است که به مرور زمان دچار خیزنیز می گردید.بعد از انجام عملیات اسکن جهت تعیین میلگردهای بکار رفته و انطباق آن با نقشه های محاسباتی، منجر به تهیه نقشه های مقاوم سازی با استفاده از الیاف CFRP ۳۰۰ گردید. اجراء عملیات مقاوم سازی جهت ۱۴ عدد تیر بتنی آغاز شد ودر کلیه تیرها در بخش زیرین وسط دهانه و بخش رویی مجاور ستون از الیاف کربن ۳۰۰ استفاده گردید.همچنین جهت اسکوپ لبه های الیاف در بخش رویی از ساپورتهای فولادی با رولبولت و نبشی استفاده گردید.

ساختمان های بتنی یکی از رایج ترین نوع سازه ها می باشند که در صورت عدم طراحی مناسب توسط آیین نامه های معتبر داخلی و خارجی تحت زلزله های محتمل شدیدا آسیب پذیر بوده و تلفات جانی و مالی زیادی را ایجاد می نمایند. آسیب پذیری لرزه ای ساختمان های بتنی ممکن است بعلت عدم شکل پذیری و یا مقاومت کافی تیر و ستون باشد. برای مقاوم سازی لرزه ای این ساختمان ها روش های متعددی وجود دارند که از بین آنها می توان به موارد زیر اشاره نمود:

1. مقاوم سازی با دیوار برشی

2. مقاوم سازی با پوشش بتنی

3. مقاوم سازی با ژاکت فلزی

4. مقاوم سازی با الیاف پلیمری

در این میان استفاده از ژاکت فلزی روشی مناسب برای مقاوم سازی ساختمان های بتنی بوده که ضمن افزایش مقاومت و شکل پذیری اعضای این نوع سازه ها وزن قابل ملاحظه ای را به ساختمان اضافه نمی نماید. در این روش ورق های فلزی در محل های آسیب پذیر ساختمان بر روی سطح بتنی عضو قرار گرفته و توسط بولت به عضو مربوطه متصل می گردد.

مقاوم سازی با ژاکت فلزی بر حسب مورد می تواند بصورت دور پیچ، نواری و یا موضعی باشد.

در مواردی که اتصال تیرها و ستون های ساختمان بتنی ضوابط شکل پذیری از جمله فاصله بین خاموت ها را رعایت نمی نمایند ورق های فلزی پیرامون تیر و ستون قرار گرفته و با جوشکاری به یکدیگر متصل می گردند. همچنین این ورق ها باید با بولت به تیر ها و ستون ها وصل گردند تا بتوانند در تحمل لنگر های خمشی و نیرو های برشی ایجاد شده در اتصال مشارکت نمایند. ورق های فلزی پیرامونی بعلاوه با ایجاد محصور شدگی در محل اتصال تیرها و ستون ها خردشدگی بتن را به تاخیر انداخته و باعث افزایش مقاومت فشاری آن می گردند.

همچنین برای مقاوم سازی ستون های ضعیف سازه که فاقد آرماتور های عرضی و یا طولی کافی می باشند استفاده از ژاکت فلزی مرسوم است. برای اینکار نیز مشابه قبل ورق های فلزی در اطراف ستون قرار گرفته و توسط بولت به ستون متصل می گردند. این ورق ها همچنین در بالا و پایین ستون باید بنحو مناسبی به تیر ها و فونداسیون متصل گردند. استفاده از ژاکت فلزی برای مقاوم سازی ستون ها ضمن افزایش مقاومت برشی و خمشی ستون با ایجاد انحصار مقاومت فشاری بتن را نیز افزایش داده و همچنین از کمانش آرماتورهای طولی جلوگیری می نماید.

در مواردی که هدف مقاوم سازی تنها افزایش مقاومت برشی تیر و یا جبران کمبود خاموت در ستون ها برای جلوگیری از کمانش آرماتورهای طولی باشد بجای ورق فلزی می توان از نوارهای فلزی پیرامونی استفاده نمود. به عنوان مثال در شکل زیر، که نشان دهنده مقاوم سازی ساختمان تولید شیر پاستوریزه پگاه گرگان توسط شرکت سازه های بلند پایه است، مشاهده می گردد که برای ایجاد محصور شدگی بتن و در نتیجه افزایش مقاومت فشاری ستون از نوارهای فلزی استفاده شده است.

همچنین در شکل مقابل مشاهده می گردد که برای انتقال نیروی مهاربند فوقانی به مهاربند تحتانی از نوارهای فلزی استفاده شده است. برای آنکه نیروی برشی بتواند بین عضو بتنی و ورق فلزی منتقل گردد باید اتصال مناسب بین آن دو بر قرار گردد. روش مرسوم برای ایجاد این اتصال آنست که قبل از نصب ورق ها سوراخ هایی در عضو بتنی و ورق های فلزی ایجاد شده، سپس ورق ها بر روی عضو قرار گرفته و بلت ها داخل سوراخ نصب می گردند، سپس فضای باقی مانده داخل سوراخ توسط اپوکسی پر می گردد.

رایج ترین روش مقاوم سازی ساختمان های بنایی استفاده از شاتکریت بر روی دیوارها می باشد. این لایه علاوه بر ایجاد انسجام مناسب در دیوارهای بنایی مقاومت و شکل پذیری درون صفحه و برون صفحه دیوارها را نیز افزایش می دهد. در این روش ابتدا یک شبکه میلگرد بر روی دیوار قرار می گیرد که باید توسط بولت به دیوار دوخته شود. سپس بر روی این شبکه میلگرد بتن پاشیده می شود. شبکه میلگرد به همراه بتن پاشیده شده همانند یک لایه بتن مسلح بوده و باعث بهبود رفتار لرزه ای دیوار می شود.

شرح روش اجرایی شاتکریت

در این روش، شبکه میلگردهای افقی و قائم به دیوار نصب شده و لایه­ای از بتن مسلّح توسط شاتکریت به روی شبکه میلگردها پاشیده می­شود. این روش شامل مراحل ذیل می باشد:

• تعبیه شبکه میله گردهای افقی و قائم و اتصال آن بوسیله آرماتورهای دوخت به دیوارموجود

• عملیات پاشیدن بتن به ضخامت معین به سطح شبکه آرماتور(شاتکریت)

• اتصال شبکه آرماتوربه فونداسیون

2- عملیات پاشیدن بتن به ضخامت معین به سطح شبکه آرماتور(شاتکریت)

در این مرحله باید عملیات شاتکریت، تا جایی که شبکه­های آرماتور درون بتن مدفون گردند، انجام شود. به همین منظور باید ضخامت بتن پاشیده شده بر سطح دیوار 8 سانتیمتر می باشد. مقاومت بتن شاتکریت حدود 100 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع می باشد. پاشش شاتکریت به دیوار به دو صورت پاشش «تر» و «خشک» قابل انجام است. در روش پاشش «تر» بتن تازه با هوای فشرده مخلوط شده و با پمپ به دیوار بنایی پاشیده می شود. در روش پاشش «خشک» بتن خشک با هوا مخلوط شده و پس از هدایت به محل، با آب پرفشار نیز مخلوط و سپس به دیوار پاشیده می شود. در روش پاشش خشک، فشار هوا در پمپ برای طول لوله 30 متر باید حداقل 3/. مگا پاسکال (3 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع) باشد و برای طول­های بیشتر به ازای هر 15 متر، 033/0 مگا پاسکال به فشار اضافه می شود.همچنین فشار آبی که در روش خشک به مخلوط تزریق می شود حداقل 1/0 مگا پاسکال (1 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع) بیشتر از فشار هوای مخلوط است.

3- اتصال شبکه آرماتوربه فونداسیون

در نهایت جهت انسجام دیوار و نیز انتقال نیروی برشی ، آرماتورهای شبکه درون فونداسیون موجود و یا فونداسیون جدید مهار میگردند .

یکی از روش های مقاوم سازی ساختمان های بتنی اضافه نمودن دیوار برشی می باشد. دیوار برشی مقاومت، سختی و شکل پذیری سازه را بشدت افزایش می دهد و باعث بهبود رفتار لرزه ای سازه و کاهش تغییر شکل های و خسارات وارد به دیگر المان های بتنی سازه می گردد.

چنانچه تیر و ستون های سازه بتنی قابلیت تحمل بارهای ثقلی را داشته اما تحت بارهای لرزه ای آسیب پذیر باشد اضافه نمودن دیوار برشی باعث جذب نیروی جانبی لرزه ای توسط این دیوارها شده و از اعمال نیروها و تغییر شکل های لرزه ای به تیر ها و ستون ها جلو گیری می نماید. در نتیجه اضافه نمودن تنها دو یا چهار دیوار برشی باعث کاهش آسیب پذیری تمامی تیر ها و ستون ها می گردد. البته باید توجه داشت که بعلت سختی زیاد دیوارهای برشی، معمولا نیروهای زیادی در فونداسیون زیر آنها ایجاد می گردد که مقابله با آنها مستلزم تقویت شدید فونداسیون موجود و یا اضافه نمودن شمع در پای دیوارهای برشی می باشد.

اتصال دیوار برشی به سازه باید به نحوی باشد که بتواند نیروی طبقه را به دیوار منتقل نماید تا دیوار بتواند نیروی زلزله را به خود جذب کند و با سختی خود از تغییر شکل های جانبی ساختمان را کاهش دهد. برای این منظور در تراز سقف ها باید اتصالات مناسبی توسط کاشت بولت بین دیوار برشی و دال بر قرار گردد. همچنین می توان با استفاده از کاشت بولت در تیر و ستون و پوشاندن این المان ها در بتن دیوار برشی انسجام خوبی بین دیوار و سازه موجود بر قرار نمود.

همچنین آرماتورهای دیوار برشی باید در طبقات بصورت پیوسته باشد تا نیروهای لرزه ای بتواند بصورت پیوسته در ارتفاع دیوار از بالا به پایین و نهایتا به فونداسیون منتقل گردد.

ساختمان های فلزی بسیاری در کشور وجود دارند که بعلت فقدان مهاربند فلزی و یا وجود مهاربند های فلزی با اتصالات نامناسب و ضعیف تحت زلزله بسیار آسیب پذیر می باشند. این گونه ساختمان ها همچنین بعلت عدم وجود اتصال گیردار تیر ها و ستون ها دارای سیستم قاب خمشی نیز نمی باشند. برای افزایش سختی و مقاومت جانبی این نوع سازه ها تحت نیروهای لرزه ای یکی از روش های مناسب که بسرعت قابل اجراست اضافه نمودن مهاربند های فلزی می باشند. مهاربند های فلزی ضمن افزایش سختی و مقاومت جانبی ساختمان باعث تشکیل منحنی هیسترسیس پایدار می گردند که باعث استهلاک انرژی ورودی ناشی از ارتعاشات لرزه ای می شود.

استفاده از مهاربند های فلزی باعث افزایش سختی و درنتیجه کاهش جابجایی جانبی ساختمان می گردد که این امر باعث کاهش تغییر شکل های ایجاد شده در اجزای ساختمان فولادی و درنتیجه کاهش آسیب پذیری آنها می شود. به عنوان مثال بسیاری از ساختمان های فولادی دارای تیرهایی با اتصالات خورجینی می باشند که این نوع اتصالات دارای شکل پذیری کمی بوده و براحتی تحت جابجایی های رفت و برگشتی ناشی از زلزله تخریب می گردند. اضافه نمودن مهاربند باعث کاهش تغییر شکل های ایجاد شده در این اتصالات و درنتیجه کاهش صدمات به آنها می شود. از طرفی باید توجه نمود افزایش سختی ساختمان توسط مهاربند فلزی باعث جذب بخش عظیمی از نیروی زلزله توسط مهاربند و در نتیجه ایجاد نیروی برکنش زیاد در فونداسیون زیر این المان ها می گردد. برای جلوگیری از افزایش بیش از حد سختی می توان بجای استفاده از مهاربند ضربدری از مهاربند شورن استفاده نمود. در نتیجه اثر افزایش سختی ناشی از اضافه نمودن مهاربندهای فلزی در ساختمان ها باید در طراحی اجزای مختلف ساختمان مد نظر قرار گیرد.

تحت نیروی جانبی رفت و برگشتی ناشی از زلزله مهاربند ها تحت اثر کشش و فشار قرار می گیرند. چنانچه از مهاربندهای ناودانی برای مقاوم سازی استفاده شود مقاومت فشاری بادبند ها حاکم شده و طراحی باید بر اساس نیروی فشاری وارد بر مهاربند و ضریب لاغری آن انجام گیرد. اما در صورتیکه از المان های صرفا کششی (مثل میلگرد) به عنوان مهاربند استفاده می شود در تحلیل و طراحی باید از اثر مهاربند فشاری صرفنظر نمود.

اتصالات مهاربند ها به قاب پیرامونی از اهمیت بسیار زیادی بر خوردار است چنانچه اگر این اتصالات در هنگام زلزله گسیخته شوند مهاربندها عملا کارایی خود را از دست داده و هیچ مشارکتی در باربری جانبی نخواهند داشت. اتصالات مهاربند ها باید برای تحمل نیروی کششی تسلیم مهاربند داشته و همچنین قابلیت تغییر شکل های لازم ناشی از کمانش مهاربند ها را داشته باشد.

یک سازه ممکن بدلیل فقدان سختی، مقاومت، شکل پذیری و ماندگاری نیاز به مقاوم سازی داشته باشد. به طور کلی دلایل مقاوم سازی ساختمان را می توان به چهار دسته زیر تقسیم بندی نمود.

1. مقاوم سازی لرزه ای برای رعایت الزامات آیین نامه های موجود

2. آسیب های وارده ناشی از تصادفات و یا شرایط محیطی

3. وجود اشتباه در طراحی اولیه

4. تغییر کاربری

یکی از روش های مقاوم سازی برای انواع ساختمان ها استفاده از الیاف پلیمری می باشد. این روش بلحاظ اقتصادی با روش های سنتی قابل رقابت بوده و همچنین دارای قابلیت اجرای سریع و آسان می باشد. مقاوم سازی با الیاف پلیمری نسبت به روش های سنتی تداخل کمتری در کابری ساختمان در حین اجرا ایجاد می نماید. در مواردی که استفاده از ماشین آلات سنگین و یا توقف کاربری ساختمان در هنگام اجرا امکان پذیر نیست. استفاده از الیاف پلیمری (FRP) تنها روش مقاوم سازی می باشد. از دیگر مزایای مصالح پلیمری (FRP) نسبت بالای مقاومت به وزن و سختی به وزن می باشد. هم اکنون استفاده از این روش در مورد پل ها متداول می باشد. روش سنتی استفاده از صفحات فولادی در مقاوم سازی تیرها و عرشه پل دارای مشکلاتی از جمله افزایش وزن سازه، صعوبت دسترسی و زمان بالای اجرا می باشد.

تقویت خمشی با استفاده از الیاف پلیمری ((FRP

یکی از موارد کاربرد الیاف پلیمری (FRP) تقویت خمشی تیرها و یا دال های بتنی در دهانه های بلند می باشد.در این موارد، اگر طراحی اولیه عضو نامناسب باشد می توان با استفاده از الیاف FRP سختی و مقاومت خمشی آنرا افزایش داد. اگر نسبت ضخامت (یا ارتفاع) عضو به دهانه آن کم باشد، سختی آن کم و در نتیجه خیز وسط دهانه عضو (تیر یا دال) افزایش می یابد. همچنین اگر مقدار آرماتور خمشی در تیر یا دال از حد نیاز کمتر باشد، ترک های خمشی در زیر تیر یا دال ایجاد می شود. این ترک ها بصورت قائم بوده و در راستای خمش (عمود بر راستای آرماتورهای طولی) در محل لنگر خمشی بیشینه ایجاد می شوند. به بیان دیگر، در وسط تیر ترک های خمشی در وجه زیرین آن و در محل تکیه گاهها ترک های خمشی در وجه فوقانی تیر ایجاد می شوند.

برای افزایش سختی و یا مقاومت خمشی عضو می توان ورقهای پلیمری کربنی (CFRP) را توسط چسب اپوکسی به وجه کششی عضو خمشی چسباند. در نتیجه در وسط تیر ورق های پلیمری باید به وجه تحتانی و در بر تکیه گاه ها این ورق ها باید به وجه فوقانی چسبانده شوند. جهت الیاف باید در راستای آرماتور های فولادی باشند، زیرا سختی و مقاومت کششی الیاف در راستای آن بیشترین مقدار را دارند. با وجود ضخامت کم الیاف پلیمری (حدود 1/0 میلیمتر) مدول الاستیسیته بالای آنها (10 برابر فولاد) باعث افزایش سختی تیر و در نتیجه کاهش خیز آن می شود.

همچنین باید توجه داشت که الیاف پلیمری، بر خلاف آرماتورهای فولادی، رفتاری ترد دارند. بدین معنا که پس از آنکه تنش کششی در آنها به مقدار بیشینه رسید، بلافاصله گسیخته می شوند. این درحالیست که آرماتورهای فولادی رفتاری نرم دارند، یعنی پس از رسیدن به تنش تسلیم تغییر شکل خمیری داده و طول آن ها تا 1/0 طول اولیه افزایش می یابند.

مقاومت برشی چسب اپوکسی استفاده شده برای چسباندن الیاف پلیمری و همچنین طول نوار پلیمری چسبانده شده به عضو باید به حدی باشند که بتوانند تنش های برشی را بین عضو خمشی و نوار پلیمری منتقل نمایند. در غیر این صورت نوارهای پلیمری قبل از رسیدن به تنش گسیختگی از سطح عضو جدا می شوند. این نوع خرابی را جدا شدگی سطحی (Debonding) می نامند.

تقویت برشی با استفاده از الیاف پلیمری (FRP)

در تیرهای بتنی، خاموت ها، که در جهت عمود بر راستای تیر قرار می گیرند، نقش تامین مقاومت برشی آن را ایفا می کنند.همانطور که می دانیم بعلت مقاومت برشی کم بتن، از خاموت برای تامین مقاومت برشی کافی در تیرها استفاده می شود. چنانچه تیری فاقد مقاومت برشی کافی باشد، ترکهای برشی در محل برش بیشینه، بر تکیه گاه، به صورت مایل با زاویه حدود 45 درجه تشکیل می شوند.

برای تقویت برشی تیرها معمولا الیاف پلیمری را بصورت قائم و یا مایل (عمود بر راستای ترک های برشی) به طرفین تیر می چسبانند. هرچه زاویه بین الیاف با راستای عمود بر ترک های برشی کمتر باشد اثر آن ها در افزایش مقاومت برشی تیر بیشتر است. نوارهای پلیمری که برای تقویت برشی تیر به کار می روند می توانند بصورت U شکل باشند و یا کاملا پیرامون تیر را بپوشانند.

گاهی برای مقاوم سازی اتصال تیر به ستون در ساختمان های بتنی، در صورت نیاز، پیرامون تیر و ستون را در محل اتصال کاملا توسط ورق های پلیمری می پوشانند. این روش تقویت ضمن افزایش مقاومت برشی تیر و ستون در محل اتصال، باعث افزایش شکل پذیری سازه می شود. لازم به ذکر است شکل پذیری سازه، قابلیت تحمل تغییر شکل های خمیری، نقش تعیین کننده در تامین پایداری ساختمان در هنگام زلزله دارد.

تسلیح سطحی با استفاده از آرماتورهای پلیمری

ورق های پلیمری که به سطح اعضای بتنی چسبانده می شوند در مقابل ضربه، حرارت، آتش و اشعه ماورای بنفش آسیب پذیر می باشند. برای جلوگیری از این آسیب ها می توان از روش تسلیح سطحی با آرماتورهای پلیمری استفاده نمود. در این روش شکاف هایی با عمق کمتر از ضخامت پوشش بتن در سطح بتنی عضو ایجاد شده و آرماتورهای پلیمری کربنی (CFRP) در داخل این شکاف ها چسبانده می شوند. در این روش چسبندگی مناسبی بین آرماتورهای CFRP و عضو ایجاد می شود.

محصور نمودن ستون

اگر ابعاد ستون بتنی و یا مقدار آرماتور طولی آن کمتر از حد نیاز باشد، ستون فاقد مقاومت فشاری کافی بوده و نیاز به مقاوم سازی دارد. همچنین اگر فاصله بین خاموت ها زیاد باشد، آرماتورهای طولی ستون تحت فشار کمانش کرده و ستون مقاومت فشاری و خمشی خود را از دست می دهد.

برای تقویت ستون ها در این شرایط، می توان الیاف پلیمری را توسط چسب اپوکسی به پیرامون آن متصل نمود. محصور نمودن ستون با این روش مانع کمانش آرماتورها شده و مقاومت فشاری ستون را افزایش می دهد. لازم به ذکر است مقاومت فشاری بتن محصور شده از بتن معمولی بیشتر است زیرا محصور شدگی باعث ایجاد تنش های دو جهته در بتن می شود. در این روش مقاوم سازی جهت الیاف باید عمود بر راستای ستون باشد، یعنی همجهت با خاموت های ستون.

تقویت سازه های بنایی با الیاف پلیمری ((FRP

در سال های اخیر الیاف پلیمری (FRP) برای تقویت لرزه ای ساختمان های بنایی، بخصوص ساختمان هایی با اهمیت تاریخی، مورد استفاده قرار گرفته است. در این ساختمان ها روش متداول آنست که دیوارهای بنایی ساختمان را توسط نوارهای پلیمری تقویت می کنند.

برای تقویت دیوار های بنایی، الیاف کربن یا شیشه را بصورت ضربدری و یا قائم به سطح دیوار می چسبانند. نوارهای پلیمری ضربدری بر سطح دیوار بنایی، مقاومت و شکل پذیری آنرا هم در جهت درون صفحه دیوار و هم در جهت عمود بر صفحه دیوار افزایش می دهند. اگر الیاف پلیمری بنحو مناسبی به سطح دیوار و یا قاب پیرامونی متصل گردند مقاومت درون صفحه دیوار بنایی را تا 2 برابر افزایش می دهد.