مقاوم سازی ستون بتنی

ستون ها اعضایی هستند که تحت نیروی محوری با و یا بدون نیروی برشی و لنگر خمشی قرار دارند. در قاب خمشی، ستون ها علاوه بر انتقال بارهای ثقلی به فونداسیون، باید تلاش های ناشی از بارهای جانبی ناشی از زلزله را نیز تحمل نمایند. رعایت اصل ستون قوی- تیر ضعیف از اصول طراحی ستون بتنی است و در طراحی همواره سعی بر آن است که تشکیل مفصل خمیری به تیرها و یا بادبندها منتقل گردد تا فلسفه ستون قوی، تیر ضعیف رعایت گردد.

 

مقاوم سازی ستون بتنی

مقاوم سازی ستون بتنی مطابق آیین نامه‌های طراحی باید از حداقل بعد عرضی کافی برخوردار باشند. زمانی که ستون های بتنی دارای نسبت طول به عرض زیاد می‌باشند تحت خمش‌های دو محوره دچار خرابی می‌گردند. تقویت ستون بتنی به منظور افزایش مقاومت محوری، خمشی و برشی و همچنین برای افزایش ظرفیت شکل‌پذیری ستون در نزدیکی محل اتصال به تیر و مقاوم نمودن محل وصله‌های ضعیف نیز صورت می‌پذیرد.

در ستون های بتن مسلح خرابی های ناشی از زلزله مربوط به شکست های ناشی از طول وصل i ناکافی، شکست های ناشی از برش، خمش و اندرکنش برش و خمش، شکست ستون کوتاه و گسیختگی های ناشی از کمانش میلگردهای طولی می باشد.

خرابی های ستون بتنی ناشی از موارد زیر است:

•  ایجاد ترک و خرد شدگی
•  خوردگی میلگردهای فولادی
• کمبود مقدار و موقعیت آرماتورهای موجود
• کمبود مقاومت فشاری درجای بتن
• طول وصله ناکافی
• کمانش میلگردهای طولی
• شکست های ناشی از برش
• شکست های ناشی از خمش و اندرکنش برش و خمش
• شکست ستون کوتاه

 

شکست تُرد و برشی ستون‌های بتنی به دلیل ماهیت ناگهانی آن بدترین نوع شکست می‌باشد. به همین دلیل همواره سعی بر آن است که مکانیسم کنترل کننده خرابی ستون بصورت خمشی باشد و ستون نباید به عنوان عضوی ضعیف در قاب سازه‌ای عمـل نماید. در شکل بالا نمونه‌ای از شکست برشی ستون دیده می‌شود. در مقاوم سازی ساختمان تلاش می شود تا حد امکان از این نوع گسختگی اجتناب نمود.

از دیگر خرابی‌های ستون می‌توان به کمانش آرماتورهای طولی، عدم دورگیری مناسب و طول ناکافی وصله‌ها اشاره نمود که در اشکال الف، ب و پ به ترتیب نشان داده شده‌اند.

خاموت‌هایی که دارای اعوجاج بوده و یا تحت زاویه ۱۳۵ درجه و با طول مناسب خم نمی‌گردند، نمی‌توانند از کمانش میلگردهای طولی جلوگیری کرده و یا دورگیری مناسبی برای بتن ایجاد نمایند. این امر منجر به شکست ستون قبل از تشکیل مفصل پلاستیک در تیر می‌گردد.

در ستون های بتنی به علت لغزش آرماتورهای طولی در محل وصله‌ها، مفصل پلاستیک در این نواحی ایجاد می‌گردد و طی چند سیکل ابتدایی خمش غیر الاستیک، ظرفیت باربری ستون به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.

انواع روش های مقاوم سازی ستون بتنی

در سالهای اخیر روشهای تقویت ستون مختلفی برای بهبود ظرفیت خمشی، برشی و شکل‌پذیری ستون ها توسط افزایش دورگیری جانبی ناحیه مفصل پلاستیک ارائه شده است که عملکرد مناسبی طی زلزله های مختلف داشته‌اند. این روش‌های تقویت ستون عبارتند از:

1. مقاوم سازی با ژاکت بتنی
2. مقاوم سازی با ژاکت فولادی
3. مقاوم سازی با FRP

در ادامه به توضیح هر یک از روش های فوق می پردازیم:

۱. استفاده از ژاکت بتنی

ژاکت بتنی شامل لایه‌ای از بتن، میلگردهای طولی و خاموتهای بسته می‌باشد. ژاکت بتنی مقاومت خمشی و برشی ستون را افزایش می‌دهد و افزایش شکل‌پذیری ستون در این حالت کاملاً مشهود است.

روکش بتن آرمه در مواردی که میزان شدت آسیبهای وارده به ستون زیاد باشد و یا ستون از ظرفیت کافی در برابر نیروهای جانبی برخوردار نباشد، بکار گرفته می‌شود. ژاکت بتنی بسته به شرایط می‌تواند دور تا دور ستون و یا در یک وجه آن اجرا شود.

مناسب بودن طرح ژاکت بتنی به پیوستگی آن با عضو بستگی دارد. اگر ضخامت ژاکت بتنی کم باشد، افزایش سختی درستون مقاوم سازی شده محسوس نمی‌باشد. ژاکت بتنی ستون باعث افزایش ابعاد ستون می‌گردد که علاوه بـر مسائل معماری، وزن ساختمان را نیز افزایش می‌دهد.

گاهی عملکرد مرکب بتن قدیم و روکش‌، صرفاً از طریق چسبندگی بین آنها (با توجه به زبر بودن سطح بتن قدیمی) تأمین می‌گردد که می‌توان برای ایجاد اتصال قوی‌تر بین قفس قدیم و جدید از آرماتور Ω  که به میلگردهای قدیمی و جدید جوش  شـده‌اند، استفاده نمود. البته درشرایطی که ابعاد ستون مقاوم سازی شده بزرگ باشد و دورگیری تمام میلگردهای جدید به صورت حداقل یک در میان امکان‌پذیر نباشد، استفاده از تنگ های متصل کننده بمنظور جلوگیری از کمانش میلگردهای طولی، ضروری خواهد بود.

 

در صورتی که ژاکت بتنی ستون تنها در قسمتی از ستون اجرا گردد، باید خاموتهای قدیم نمایان شده و خاموتهای جدید به آنها جوش شوند.

اگر بنا به دلایلی افزایش ظرفیت برشی بدون افزایش ظرفیت خمشی مد نظر باشد، پوشش بکار گرفته شده می‌تواند به سقف و تیرها متصل نباشد و اگر افزایش ظرفیت خمشی ستون نیز مد نظر است پوشش بکار گرفته شده باید از سقف عبور نماید.

 

به هنگام استفاده از راهکار مقاوم سازی ستون بتنی با ژاکت بتنی، اگر افزایش ظرفیت خمشی ستون مدنظر باشد، آرماتورهای اضافه شده طولی باید در فونداسیون مهار شده و به صورت پیوسته از داخل سقف‌ها نیز عبور نمایند. نمونه‌ای از این امر در شکل  نشان داده شده است. میلگردهای طولی اضافی معمولاً در چهار گوشه ستون قرار می‌گیرند و به هنگام عبور از سقف نباید با تیرها برخورد نمایند. افزایش خاموتها در ژاکت بتنی ستون منجر به افزایش مقاومت برشی ستون می‌شود.

خاموتها را به علت وجود ستون نمی‌توان با یک میلگرد منفرد اجرا نمود و برای اجرای آنها استفاده از حداقل دو میلگرد که به آرماتورهای طولی متصل شده باشند، ضروری است. خم خاموتها باید دارای طول کافی بوده و حداقل زاویه آنها ۱۳۵ درجه باشد.

 

 

اجرای ژاکت بتنی

اجرای ژاکت بتنی بهتر است با قالب و بتن خود تراکم اجرا گردد ولی اگر روکش بتنی ضخامت کمی داشته باشد، استفاده از روش بتن پاشی بهتر از بتن‌ریزی می‌باشد. در شکل اجرای روکش بتنی با قالب نشان داده شده است. در ایـن روش پس از بستن آرماتورها به دور ستون، قالب‌بندی و  بتن‌ریزی به صورت مرحله‌ای انجام می‌شود. ارتفاع قالب در هر مرحله باید طوری باشد که  بتن‌ریزی و تراکم آن امکان‌پذیر باشد.  بتن‌ریزی در قسمت فوقانی زیر سقف مشکل‌ترین قسمت است. در شکل اجرای روکش بتنی ستون با روش بتن پاشی نشان داده شده است. برای اجرای بتن شاتکریت مطـابق شـکل از کرمبندی استفاده می‌شود.

برای اطمینان از عمل مرکب بتن قدیم و جدید باید سطح بتن قدیم را با تیشه یا قلم مضرس نمود و یـا سطح آنها را با چسب های شیمیایی پوشاند. آزمایشات و تجارب گذشته نشان می‌دهد که زبر نمودن سطح بتن برای پیوستگی بتن قدیم و جدید کافی می‌باشد، ولی با کاشت میخچه(میلگرد) در فاصله ۳۰۰ تا ۵۰۰ میلیمتر عمل مرکب بین بتن قدیم و جدید بـه شکل کاملاً مشهودی افزایش می یابد.

اگر روکش بتنی ستون را محصور نماید ، انقباض بتن جدید منجر به ایجاد اصطکاک بین بتن قدیم و جدید می گردد و احتیاجی به کاشت بولت نخواهد بود.

حداقل مشخصات فنی برای روکش های بتنی بصورت زیر ارائه شده است . لازم به ذکر است کلیه ضوابط آیین نامه بتن ایران برای طرح و اجرای روکش بتنی باید اجرا گردد.

۱- مقاومت مصالح جدید باید برابر و یا بیشتر از مقاومت مصالح موجود باشد، توصیه می گردد مقاومت فشاری بتن روکش حد اقل ۵MPa بیشتر از بتن موجود است.

۲- برای ستون هایی که به آزماتورهای اضافی احتیاج ندارند، استفاده از چهار آرماتور طولی با قطر ۱۶ میلیمتر که با خاموت هایی به قطر ۸ میلیمتر محصور شده اند ضروری است.

۳- حداقل ضخامت روکش بتنی ۱۰۰ میلیمتر می باشد.

۴- حداقل قطر خاموت ۸ میلیمتر و حداکثر آن ۱۴ میلیمتر می باشد. زاویه خم انتهای خاموت ها ۱۳۵ درجه می باشد.

۵- فاصله محور به محور خاموت ها نباید از ۲۰۰ میلیمتر تجاوز نماید، لیکن ترجیحا فاصله خاموت ها نباید از ضخامت روکش بیشتر شود. در فاصله ۱/۴ ارتفاع ستون از بر تکیه گاه، فاصله خاموت ها نباید از ۱۰۰ میلیمتر بیشتر شود.

۶-فاصله آماتورهای متوالی افقی ستون نباید از هیچ یک از مقادیر زیر بیشتر شود:

الف: ۱۲ برابر قطر کوچکترین میلگرد طولی اعم از اینکه منفرد باشد یا عضوی از گروه میلگردهای در تماس بشمار آید.

ب: ۴۸ برابر قطر میلگرد خاموت ها

پ: ۲۵۰ میلیمتر

اگر مقاومت بتن روکش از مقاومت بتن موجود بیشتر باشد به هنگام تحلیل مقاومت خمشی ستون مقاومسازی شده، می توان مقطع ستون را برابر مقطع افزایش یافته و مصالح آن را همانند مصالح اولیه ستون در نظر گرفت. با فرضی محافظ کارانه، می توان ظرفیت خمشی تسلیم و نهایی ستون را تا ۹۰% مقادیر محاسبه شده در نظر گرفت. افزایش ظرفیت برشی را می توان بر اساس مقدار خاموت های اضافه شده محاسبه نمود. برای محاسبه مقدار دورگیری نیز تنها خاموتهای اضافه شده در نظر گرفته می شود.

۲. استفاده از ژاکت فولادی

محصور نمودن ستون های بتنی با پوشش فولادی (روکش فولادی) از دیگر روش های مقاوم سازی ستون های بتنی می باشد. در این روش، افزایش ناچیزی در ابعاد و وزن ستون بوجود می آید. موثر بودن این روش منوط به سختی مناسب روکش در برابر تغییر شکل های جانبی بتن می باشد.

ورق های فولادی روکش در تمامی طول خود به هم جوش می شوند و فضای اندک بین روکش و ستون توسط ملات منبسط شونده پر می گردد برای بهبود عملکرد مجموعه می توان از کاشت میلگرد برای انتقال برش بین ورق و بتن استفاده نمود.

استفاده از روکش فولادی می تواند به عنوان روشی موقت برای بهسازی ستون هایی که پس از زلزله دچار آسیب شده اند نیز، بکار گرفته شود.

 

 

روکش فولادی مقاومت برشی و تا حدودی دورگیری ستون را افزایش می دهد. نمونه های از روکش های فولادی که استفاده از آن منجر به افزایش مقاومت برشی می گردد.

در صورت عدم پیوستگی بین روکش های فولادی ستون در طبقات مختلف، ظرفیت نیروی محوری ستون افزایش نمی یابد. تا زمانی که نتوان ورق های روکش فولادی را به فونداسیون متصل کرد و پیوستگی بین روکش فولادی طبقات مختلف را از میان دال ایجاد نمود، مقاومت خمشی ستون افزایش نمی یابد. با بکارگیری جزئیات مناسب که نمونه های اجرا شده ی از آن در شکل نشان داده شده است، مقاومت خمشی ستون ها افزایش می یابد.

 

ژاکت های فولادی مستتطیلی و مربعی به تنهایی برای انجام عمل تقویت در ستون ها کاربرد عملی چندانی ندارند. تاثیر اصلی این نوع از ژاکت ها، افزایش مقاومت برشی در ستون است.یک ستون تقویت شده به منظور بهبود مقاومت برشی معمولا احتیاج به افزایش شکل پذیری خمشی دارد که در ژاکت های مستطیلی تنها در گوشه های مقطع فراهم می شود. علت این امر، مقاومت کم این نوع از ژاکت در برابر انبساط جانبی هسته بتنی است.

به جهت بهبود رفتار خمشی ژاکت های فولادی مستطیلی از سخت کننده در ارتفاع ستون استفاده می شود. با استفاده از سخت کننده ژاکت فولادی بیشتر محصور شده و از تورم آن جلوگیری می شود. مبنای طراحی ژاکت فولادی و سخت کننده ها بر اساس تامین ظرفیت شکل پذیری خمشی ستون است.

هم چنین ضخامت سخت کننده ها نقش بسزایی در افزایش ظرفیت برشی ستون ها دارد به طوری که با افزایش ضخامت سخت کننده میزان ظرفیت برشی و سختی ستون افزایش پیدا می کند و در حالت کلی ضخامت سخت کننده ها به منظور اعمال محصور کنندگی بهتر از ضخامت ژاکت فولادی بیشتر باشد.

فاکتور مهم دیگر طول سخت کنندگی می باشد که این طول باید کمی بیش از طول ناحیه مستعد تشکیل مفصل پلاستیک باشد تا بتواند از تورم ژاکت در این ناحیه جلوگیری کند.

روکش فولادی را می توان با نیمرخ های فولادی و تسمه های اتصال به شکل قفسه اجرا نمود . این نوع روکش فولادی یکی از متداولترین و کاربردی ترین روشهای اجرایی روکش های فولادی می باشد.

 

۳. استفاده از الیاف  FRP

مقاوم سازی اعضای بتنی با مصالح کامپوزیت FRP روش نسبتا جدیدی به شمار می رود. مصالح FRP خواص فیزیکی مناسبی دارند که می توان به مقاومت کششی بالا و ضخامت و وزن کم آن ها اشاره نمود. در ستون ها بتنی استفاده از FRP ضمن افزایش ظرفیت برشی ستون، مد گسیختگی آن را از حالت برشی به خمشی تغییر داده و شکل پذیری را میزان قابل توجهی افزایش می دهد.

 

برای محصور کردن عضو بتنی، لازم است راستای الیاف کربن تک جهته  تا حد امکان عمود بر محور طولی عضو باشد . در این وضعیت، الیاف حلقوی مشابه تنگ های بسته یا خاموت های مارپیچی فولادی عمل می کنند. در محاسبه مقاومت فشاری محوری عضو باید از سهم الیاف موازی با راستای طولی آن صرفنظر گردد.

 

 

منبع:

مقاوم سازی افریز