ارزیابی عملکرد سازه هاي بتنی پس از اعمال روش هاي  

مختلف مقاوم سازي

 

 

 

چکیده 

کشور عزیزمان در منطقه اي زلزله خیز واقع شده و وقوع هر چند روز یک زلزله آن هم با شدت حدود 4 ریشتر نشان دهنده وجود یک خطر دایمی است چرا که هر از چند گاه نیز زلزله اي مخرب با تلفات انسانی و مالی وسیع به وقوع می پیوندد .از این رو توجه به امر مقاوم سازي سازه ها در برابر زلزله بسیار ضروري به نظر می رسد تا بلکه بتوان از این طریق ضمن حفظ جان انسان ها، افزایش پایداري سازه هاي مهم در برابر زلزله، حفظ سرمایه هاي ملی و ارتقاي توان کشور براي مدیریت مطلوب بحران ناشی از زلزله کمک کرد. یکی از موضوعات مهم و اساسی در راهبرد کاهش خطرپذیري در برابر زلزله، مقاوم سازي ساختمان هاي موجود با کمترین هزینه و با سرعت بالا و به صورت ساده است تا دست کم جان شهروندان در زلزله اي متوسط به بالا حفظ شود و در حقیقت آستانه ریزش ساختمان ها ارتقا یابد. در نتیجه با توجه به اهمیت موضوع در این تحقیق سعی گردیده تا با جستجو در مطالعات صورت گرفته پیرامون مساله مقاوم سازي سازه هاي موجود در برابر زلزله، تمامی راهکارهاي موجود و نتایج استفاده از آنها در ساختمان هاي بتنی به منظور استفاده در کشور عزیزمان جمع آوري و مورد بررسی قرار گیرد.

  

واژه هاي کلیدي: سازه بتنی، زمین لرزه، روش هاي مقاوم سازي، قاب بتنی.

 

1- مقدمه

یکی از مواردي که بر بشریت پنهان نیست، نابودي هاي عظیم ناشی از زمین لرزه و از دست رفتن شهرها و تمدن هاست .اگرچه وقوع زلزله حادثه اي کوتاه مدت تلقی می شود اما ابعاد فاجعه هاي اجتماعی، فرهنگی و اقتصادي آن چنان زیاد است که تا چندین نسل را تحت تاثیر خود قرار می دهد. با گذشت زمان و تلاش بشریت جهت ارتقاي سطح زندگی، پیشرفتهاي علمی چشمگیري حاصل شده است که از جمله ي آنها ساخت سرپناه هاي امن تر و گسترش علوم ساختمان سازي و زلزله شناسی می باشد. محققان این علوم همواره در مسیر مطالعه حرکات زمین، روش هاي تهیه و بهبود مصالح و بررسی خصوصیات رفتاري ساختمان ها تلاش می کنند تا با درکی آگاهانه بتوانند آیین نامه هایی را جهت طراحی اقتصادي و مقاوم ساختمان ها تهیه و تدوین نمایند. در طی چندین سال گذشته تحقیقات فراوانی در این زمینه انجام گردیده که موجب تحولات اساسی در آیین نامه هاي طراحی شده است. افزایش اطلاعات در مورد نحوه رفتار ساختمان ها در زلزله که از طریق این تحقیقات و تجارب زلزله هاي اخیر بدست آمده باعث نگرانی در مورد وضعیت لرزه اي تعداد زیادي از ساختمان هاي موجود که بدون اعمال ضوابط جدید ساخته شده اند می باشد. همچنین برخی ساخت و سازها، بدون طراحی و نظارت مناسب و اصولاً بدون توجه به هیچ ضابطه فنی و با استفاده از مصالح غیراستاندارد ساخته شده اند که تشدیدکننده این نگرانی است. البته ذکر این نکته حائز اهمیت است که اجراي ساختمان هاي مقاوم در برابر زلزله و مقاوم سازي ساختمان هاي موجود نه تنها سلامت و امنیت ساکنان آنها را تأمین می کند بلکه از نظر اقتصادي نیز از اهمیت ویژه اي برخوردار است و از هدر رفتن سرمایه هاي ملی جلوگیري می کند. برهمین اساس توجه به این مطلب در کشورها، به ویژه آن دسته اي که دچار آسیب هاي زلزله شده اند، دیده می شود. با توجه به اهمیت موضوع، تحقیقات و فعالیت هاي گسترده اي در زمینه مقاوم سازي ساختمان ها آغاز گردید که هم اکنون نیز ادامه دارد. در این تحقیق سعی گردیده تا با جستجویی در تحقیقات صورت گرفته، به ارزیابی عملکرد سازه هاي بتنی پس از اعمال روش هاي مختلف مقاوم سازي پرداخته شود.

 

2. روش هاي مقاوم سازي سازه هاي بتنی

کشور ایران در گروه  سرزمین هاي لرزه خیز جهان قرار دارد و گواه این امر وقوع  زلزله هاي خانمان براندازي چون زمین لرزه ي 30 خرداد ماه 1369 با بزرگی 7/7 در مقیاس ریشتر منطقه رودبار و منجیل است که طی آن بیش از 40000 نفر کشته و 60000 نفر زخمی و 100هزار واحد مسکونی تخریب و 400000 نفر بی خانمان شدند. همچنین زمین لرزه 5 دي ماه 1382 با بزرگی 5/6 در مقیاس ریشتر منطقه بم استان کرمان را لرزاند، بیش از 30000 نفر کشته و 3000 نفر زخمی شدند و

85% ساختمان ها آسیب دیدند. بیش از 30 درصد سازه هاي اسکلتی از نوع بتن آرمه می باشد و حدود 99 درصد ساختمان هاي بتن آرمه موجود در کشور زیر چهار طبقه هستند. درصد زیادي از این ساختمان ها در مقابل زلزله یا از مقاومت کافی برخوردار نیستند و یا اصوًلاً براي پایداري در برابر نیروهاي ناشی از زلزله به نحو صحیحی تحلیل، طراحی و ساخته نشده اند. از آنجا که ضوابط آیین نامه هاي تحلیل و طراحی همواره در حال تغییر و تکمیل هستند، اگر بر کاستی هاي دستورالعمل هاي آیین نامه اي ،ضعف تولید مصالح غیراستاندارد و پایین بودن سطوح تخصصی در اجرا افزوده شود، مقاوم سازي حجم وسیعی از ساختمان هاي بتنی کوتاه مرتبه اجتناب ناپذیر است و لزوم بررسی و تحقیق در مورد شیوه هاي مختلف مقاوم سازي این نوع ساختمان ها به شدت احساس می شود. از میان روش هاي مختلف مقاوم سازي انتخاب گزینه مناسب باتوجه به تأثیر مناسب بر بهبود رفتار سازه، سهولت اجرا و اقتصادي بودن آن حائز اهمیت است. براي مقاوم سازي سازه ها روشهاي زیادي وجود دارد که برخی از روش هاي رایج در زیر شرح داده می شوند [1]. 

 

 1-2- مقاوم سازي سازه هاي بتنی با FRP  

بطور کلی مقاوم سازي سازه هاي بتنی به منظور تقویت آنها براي تحمل بارهاي وارده ، بهبود نارسایی هاي ناشی از فرسایش، افزایش شکل پذیري سازه یا سایر موارد با استفاده از مصالح مناسب و شیوه هاي اجرایی صحیح انجام می گردد .

استفاده از مواد کامپوزیت به شکل پلیمرهاي مسلح شده با الیاف (Fiber Reinforced Polymers) که به اختصار FRP نامیده می شوند به عنوان یک روش مدرن مقاوم سازي و جایگزین مصالح سنتی و شیوههاي موجود شناخته می شود .مصالح FRP از ترکیب الیاف و رزین ساخته می شوند، در فرایند مقاوم سازي از رزین (رزین اپوکسی) براي ایجاد لایه یکپارچه، همچنین چسبیدن سیستم FRP به سطح بتن زیرین و ایجاد پوشش به منظور محافظت مصالح استفاده می شود .استفاده از FRP به دلیل وزن کم، سرعت اجراي بالا ، مقاومت بالا و عدم ایجاد محدودیت معماري به خصوص در ساختمان هاي بتنی بسیار مورد توجه می باشد. شکل 1 نمایی از ستون هاي سازه که بوسیله FRP تقویت گردیده اند نشان می دهد .استفاده از سیستم FRP به علت ضخامت کم ورق هاي FRP ، یکی از راه هاي مناسب براي تقویت ستون ها است چرا که در معماري ساختمان خللی ایجاد نمی نماید. تاثیر این روش در ستون هاي دایره شکل بسیار چشمگیر می باشد؛ حال آن که در ستون هاي با مقطع مربع یا مستطیل باید با گرد کردن گوشه ها، تاثیر مقاوم سازي با این روش را به حداکثر مقدار ممکن افزایش داد [2]

 

شکل 1- نمایی از مقاوم سازي ستون هاي سازه بتنی بوسیله سیستم FRP

 

2-2- مقاوم سازي با اضافه نمودن دیوار برشی و یا بادبند

استفاده از دیوار برشی بتنی و یا بادبند در ساختمان ها یکی دیگر از روش هاي مقاوم سازي سازه هاي بتنی می باشد. به علت سختی بیشتر دیوار برشی نسبت به بادبند، تعداد دهانه هاي لازم براي تعبیه دیوار برشی کمتر از دهانه هاي لازم براي بادبند است که در نتیجه طرح مقاوم سازي مشکلات کمتري در زمینه معماري بوجود می آورد. براي اتصال دیوار به ستون باید از خاموت یا بولت به عنوان برشگیر در ارتفاع ستون استفاده کرد. همچنین براي اتصال دیوار به سقف هم باید تمهیداتی اندیشید. نکته مهم دیگري هم که در مورد استفاده از دیوار برشی باید به آن توجه کرد این است که نیروي زیادي در پی دیوار برشی بوجود می آید، که براي انتقال این نیرو ها به زمین احتمالا نیاز به تعبیه شمع وجود دارد [3]. 

 

2-3- مقاوم سازي با استفاده از جداگرهاي لرزه اي

 نصب جداسازهاي لرزه اي در تراز پایه ساختمان، با هدف جداسازي حرکتی بین سازه و زمین صورت می گیرد .

جداسازهاي لرزهاي، المان هایی هستند که سختی جانبی آنها نسبت به سختی محوريشان بسیار کمتر می باشد، لذا با وقوع زلزله، این المانها میبایستی مانع انتقال نیرو به سازه اصلی شوند و سازه اصلی یک حرکت صلب را در حین وقوع لرزشهاي 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 براي ساختمانهاي داراي وزن و ارتفاع مشخصی موثر بوده و به همین دلیل کمتر از سایر روش ها در جهان مورد استقبال کارشناسان قرار گرفته و در پروژه هاي بسیار کمی مورد استفاده قرارگرفته است. شکل 2 نمایی شماتیک از استفاده از جداگرهاي لرزه اي و نحوه عملکرد آنها را نشان می دهد [3].  

 

شکل 2- نمایی از سیستم جداساز لرزه اي در سازه ها

 

2-4- مقاوم سازي با استفاده از سیستم هاي جاذب انرژي (دمپر)

در روشهاي کنترل غیر فعال سازه نظیر استفاده از مستهلک کننده هاي ویسکوز و ویسکوالاستیک، جذب انرژي حاصل از حرکات نیرومند زمین توسط مستهلک کننده ها صورت گرفته و به سیستم سازه اجازه داده نمیشود که وارد ناحیه غیر خطی گردد. این امر موجب میشود که مقاومت سازه در برابر زلزله هاي با دوره بازگشت طولانی تر (که طبیعتا شدیدتر نیز می باشند) بیشتر گردد یا به تعبیر دیگر احتمال فروریزش سازه در برابر این زلزله ها کاهش می یابد. سیستمهاي جاذب یا مستهلک کننده انرژي بر پایه افزایش ضریب میرایی ساختمان بنا شده اند. مهمترین تاثیر میرایی، کاهش دامنه نوسان و پاسخ ساختمان نسبت به نیروهاي وارده می باشد و بدین وسیله قسمت عمده اي از انرژي ارتعاشی را قبل از رسیدن پاسخ سازه به حد نهایی به هدر می دهند. اتلاف کننده هاي انرژي ممکن است در مهاربندي ها، اتصالات و اجزاي غیر سازه اي و یا دیگر مکانهاي مناسب در ساختمانهاي موجود قرار داده شوند، لیکن ساده ترین و  پرکاربردترین آنها استفاده از میراگر در مهاربندها می باشد که میتوان از آنها در تمامی طبقات ساختمان سود جست. در برخی از انواع میراگرها ملاحظات زیبایی نیز مد نظر قرار گرفته شده است تا چنانچه بصورت نمایان بکار برده شوند مشکلی از لحاظ معماري ایجاد ننمایند. شکل 3 نمونه اي از استفاده از دمپرها را در سازه ها به منظور مقاوم سازي آنها نشان می دهد [4]. 

 

​​​​​​

شکل 3- نمایی از نحوه کاربرد دمپرها به منظور مقاوم سازي سازه ها

 

 

از ترکیب چند روش فوق نیز می تواند براي مقاوم سازي استفاده نمود .به عنوان مثال در مقاوم سازي پروژه هتل بزرگ آزادي از ترکیب روش مقاوم سازي با FRP در ترکیب با سیستم مقاوم سازي با بادبند و دمپر (میراگر) استفاده شده است. در پروژه موزه دکتر شریعتی مقاوم سازي به روش افزایش سختی با اضافه نمودن دیوار برشی به همراه تقویت دیوارهاي بنایی به روش مقاوم سازي با FRP بکار رفته است. همچنین در پروژه مصلی تهران از ترکیب روش هاي ژاکت فلزي و افزایش ابعاد دیوار برشی براي مقاوم سازي استفاده شده است [4]. 

 

 3- اقدامات آیین نامه اي جهت طراحی سازه هاي مقاوم در برابر زلزله

مقاوم سازي ساختمان ها در نقاط مختلف جهان، معمولاً پس از رویداد زمین لرزه هاي بزرگ به صورت چشمگیري مطرح می باشد. در کشور ژاپن بر اثر زمین لرزه سال 1968 در توکاچی- اوکی (Tokachi-Oki) به تعداد بسیار زیادي از ساختمانهاي کوتاه مرتبه آسیب وارد آمد. تعداد 157 مورد ساختمان هاي بتن مسلح بااستفاده از روش هاي مقاوم سازي نوین در برابر زلزله هاي بعدي تقویت شدند که حدود 85 درصد از این ساختمان ها با اضافه کردن دیوار برشی تقویت گردیدند و در 35 درصد از آنها از دورپوش کردن ستون ها نیز استفاده شد.  بهدلیل عدم وجود دستورالعمل ها و آیین نامه هاي طراحی و اجراییبراي روش هاي تقویت، مقاوم سازي این ساختمان ها فقط براساس قضاوت مهندسی صورت گرفته و عملاً اولین تجربه مهندسین ژاپنی براي طراحی و اجراي ترمیم و تقویت ساختمان ها در مقیاس وسیع پس از این زلزله به دست آمد[4].

پس از زمین لرزه سال 1978 در میاگیکن- اوکی نیز تعدادي از ساختمان ها تقویت شدند. این بار تقویت ساختمان ها برخلاف تجربه گذشته، تنها براساس قضاوت هاي مهندسی نبود، بلکه تا آن زمان آزمایشات زیادي صورت گرفته و دستورالعمل هاي مقدماتی مقاوم سازي نیز تهیه گردیده بود، که ژاپنی ها از این تجارب در تقویت ساختمان هاي آسیب دیده از زلزله بهره مند شدند[4].

مطالعات نشان داد که پراکندگی گسترده اي در میزان مقاومت لرزه اي ساختمان هاي موجود ژاپن وجود داشته و مشخص گردید که تعداد بسیار زیادي از ساختمان هاي با ارتفاع کوتاه و متوسط که برمبناي آیین نامه هاي قبلی طراحی و اجرا گردیده ،نیاز به تقویت دارند. بنابراین تعداد زیادي از ساختمان هاي عمومی و یا خصوصی آسیب پذیر بوده که یا باید تقویت می گردیدند و یا از نو ساخته می شدند. به دنبال مطالعات آزمایشگاهی، یک کمیته ویژه مسکن ژاپن۱ در سال 1977 تشکیل شد که وظیفه آن، نگارش دستورالعمل هاي مقاوم سازي بود. راهنماهاي تدوین شده توسط این کمیته، به همراه روش هاي تعیین برآورد ایمنی لرزه اي ساختمان هاي موجود مورد استفاده مهندسان قرار گرفت[5].

در ایالات متحده آمریکا نیز بازسازي ساختمان هاي آسیب دیده، تقریباً پس از زمین لرزه سال 1971 سال فرنادو۲ آغاز شد که این کار پس از رویداد زمین لرزه هاي سال 1985 مکزیکوسیتی و سال 1989 لوما پریتا۳ و سال 1944 نورتریج٤ در ایالت کالیفرنیا و ایالت هاي دیگر پیگیري گردید[5].

بنیاد ملی علوم ایالات متحده٥ در اوایل سال 1980 تحقیقات خود را بر روي بهسازي لرزه اي بصورت جدي آغاز نمود.

تلاش هاي اولیه خیلی هماهنگ نبود، اما در سال 1990 بنیاد ملی علوم اعلام کرد که قصد دارد یک برنامه تحقیقاتی هماهنگ پنج ساله براي ترمیم و تقویت ساختمان ها در برابر زمین لرزه به اجرا درآورد. نتیجه این فعالیت، فراهم آوردن یکسري اطلاعات در مورد ارزیابی آسیب پذیري  ساختمانهاي موجود در سطوح مختلف              لرزهخیزي و همچنین ارائه راهکارهاي اقتصادي و اجرایی در مورد تعمیر و تقویت ساختمان در مناطق لرزه خیز بود[6].

این برنامه منجر به چاپ موضوع ویژه »طیف زلزله«٦ در سال 1996 شد. پس از آن، تحقیقات سازمان ملی علوم( NSF)، توسط مرکز ملی تحقیقات مهندسی زلزله۷ تکمیل و پیگیري گردید[6].

در سال 1990 آژانس فدرال مدیریت بحران۸ (FEMA) و ایالت کالیفرنیا بصورت جداگانه به توسعه دستورالعمل هاي بهسازي  لرزهاي پرداختند، این تلاش ها با استفاده از تحقیقاتی که تا آن زمان صورت گرفته بود، دنبال شد. به عنوان نمونه می توان از  دستورالعملهاي FEMA 273 ،ATC-40T  و FEMA 356 نام برد[7].

در ایران پس از رویداد زمین لرزه 1341  بویینزهرا یک فصل مربوط به بارهاي ناشی از  زمینلرزه، در استاندارد 519 مؤسسه استاندارد و تحقیقات صنعتی ایران منعکس و براي محاسبات ساختمان ها ملاك عمل قرار گرفت، که البته این موضوع براي طراحی  ساختمانهاي جدیدالاحداث بوده است. پس از آن با برگزاري سمینارهاي آموزشی متعدد اثرات زمین لرزه در ساختمان هاي متعارف مورد بررسی قرار گرفت، که این کار منجر به تهیه و تدوین  آییننامه طرح ساختمان ها در برابر زمین لرزه (آیین نامه 2800) در سال 1366 شد و دو بار مورد تجدیدنظر قرار گرفت. این آیین نامه تحول چشمگیري در طراحی لرزه ايساختمان ها بوجود آورد. 

 

4- بررسی تحقیقات خارجی صورت گرفته مرتبط با عملکرد سازه هاي بتنی پس از اعمال روش هاي مختلف مقاوم سازي 

تمامی اقدامات بند 3 تلاش هایی بودند که مهندسین براي مقابله با زلزله در طرح ساختمان هاي جدید مورد توجه قرار داده اند. بعدها با رخ دادن زمین لرزه هاي متعدد و به بار آمدن خسارت هاي جانی و مالی فراوان، توجه مهندسان به مسئله ضعف ساختمان هاي موجود بیشتر شد، و فقدان یک دستورالعمل مشخص جهت ترمیم و تقویت ساختمان هاي موجود بیش از پیش احساس گردید. از پیشگامان امر تحقیق در زمینه مقاوم سازي، محققان ژاپنی، تاکاتوشی میکی، تاکاشی هما و ماسایا هیروساوا۱ بودند که در سال 1973 در زمینه ارزیابی آسیب پذیري و مقاوم سازي ساختمان هاي بتنی موجود، در پنجمین کنفرانس جهانی مهندسی زلزله مقاله اي ارائه دادند[5]. سپس محققان دیگري به این امر پرداختند که به بعضی از تحقیقات انجام شده در این زمینه در این بخش پرداخته می شود:

در سال 1990، بوش و همکارانش۲ استفاده از دیوار جانبی۳ را به عنوان یک روش مقاوم سازي قاب هاي داراي ستون ضعیف و نیز قوي مورد بررسی قرار دادند. در این روش به کمک اصطکاك برشی اعمال شده در فولادهاي دوخت، یکپارچگی بین قاب اصلی و المان هاي تقویتی را بهبود دادند. در این طراحی زمانی که تیرها تحت خمش تسلیم  میشدند پایه هاي بتنی تنها به 40درصد ظرفیت برشی خود می رسیدند، در مجموع این سیستم رفتار و شکل پذیري خوبی از خود نشان داد[7].

در سال 1990، کراس و وایت٤ طی مقاله اي به بررسی  مقاومسازي ساختمان هاي بتنی کوتاه مرتبه پرداختند. در این تحقیق یک قاب از ساختمان دو طبقه یک مدرسه با مقیاس 3/2، در آزمایشگاه میشیگان در سه حالت مختلف مورد آزمایش قرار گرفت. در آزمایش اول قاب تنها و در آزمایش دوم قاب با استفاده از دیوارهاي پرکننده آجري و در آزمایش سوم قاب با استفاده از دورپوش کردن بتنی تقویت گردید. نتایج نشان داد که قاب در حالت دوم سختی و مقاومت جانبی بالاتري نسبت به حالت اول دارد ولی با شکل پذیري کمتر رفتار هیسترزیس سازه ناپایدارتر گردیده است. همچنین نتایج نشان داد که با استفاده از دورپوش بتنی، مفصل پلاستیک از اتصال تیر به ستون، به تیر منتقل شده که این موضوع باعث گردیده میلگردهاي تیر از داخل اتصال به بیرون کشیده شود و سبب کم شدن سختی پس از سه سیکل بارگذاري گردد. با این حال هم شکل پذیري و هم استهلاك انرژي در این حالت افزایش یافتند[8].

در سال 1994، موراي و پارکر٥ نتایج مقاوم سازي ساختمان هاي بتنی کوتاه مرتبه غیرشکل پذیر، در ایالات متحده را مورد بررسی قرار دادند. این ساختمان هاي یک تا سه طبقه، با استفاده از دیوارهاي پرکننده بنایی تقویت شده بودند. آنها پس از ارزیابی و بررسی این ساختمان ها به این نتیجه رسیدند که قرار دادن دیوار، درون  قابهاي غیر شکل پذیر کوتاه مرتبه، روش  مقاومسازي مؤثري براي زمین لرزه هاي آتی خواهد بود. همچنین آنها نتیجه گرفتند که این روش از نظر هزینه نیز مقرون به صرفه می باشد[9].

در سال 1995، جیرسا و پینچریا٦ طی مقاله اي رفتار قاب هاي بتنی تقویت شده بااستفاده از بادبندها و دیوارها را مورد بررسی قرار دادند. در این تحقیق یک سري ساختمان کوتاه تا متوسط مرتبه در ناحیه با لرزه خیزي شدید در ایالات متحده را درنظر گرفته، بااستفاده از سه روش بادبند پس کشیده، بادبند معمولی و دیوار آنها را تقویت کرده و پاسخ دینامیکی این سازه ها

را طی 5 شتاب نگاشت زمین لرزه روي خاك هاي نرم تا سخت بررسی کردند. سه دسته ساختمان سه، هفت و دوازده طبقه دراین کار بررسی گردیدند. نتایج مطالعه آنها نشان داد که براي ساختمان هاي سه طبقه هر سه روش مقاوم سازي رضایت بخش بودند، این در حالیست که براي ساختمان هاي هفت و دوازده طبقه در همه موارد دیوار پرکننده نتایج خوبی نشان داد ولی اضافه کردن بادبند، به تنهایی بدون تقویت دیگر اعضا، همیشه نتیجه مطلوبی را به همراه نداشت[9].

در سال 1996، قبارا، عزیز و بیده۱ دو نمونه اتصال تیر به ستون را که در برابر نیروي ناشی از زمین لرزه ضعیف بودند با ورق هاي کرکره اي۲ تقویت و درز بین آنها را با بتن انبساطی پر نمودند. ورق علاوه بر گره اتصال قسمتی از ارتفاع ستون را پوشانده بود. پوشش ورق تیر در قسمت بالا و پایین تیر به ورق ستون متصل نشده و فقط در قسمت کنار به وسیله دو عدد نبشی، اتصال ورق تیر به ستون انجام گرفته بود. نتایج این تحقیق نشان داد که سختی و ظرفیت نمونه اصلی تحت بارگذاري به شدت کاهش یافته این در حالیست که نمونه تقویت شده رفتار کمی بهتر از معیارهاي آیین نامه طراحی بتن را نشان داده و در افزایش ظرفیت برشی و محصور شدگی بتن نقش مهمی داشته است[10].

در سال 1996، فروش و همکارانش۳ استفاده از پانل پیش ساخته را درون قاب ها مورد بررسی قرار دادند. پانل ها در اندازه هایی بودند که بتوانند با آسانسور منتقل شوند. در این سیستم برش از طریق دوخت هاي تعبیه شده، به تیرهاي طبقات انتقال می یابد. نتایج حاصل از آزمایش خمش و برش در این سیستم موفقیت آمیز بود[10].

در سال 1997، براچی، کونات و رینهورن٤ در مقاله اي به بررسی رفتار لرزه اي ساختمان هاي بتنی کوتاه تا متوسط مرتبه پرداختند. در این کار با استفاده از مدل هاي تحلیلی و آزمایشگاهی براي ساختمان سه طبقه بتنی با مقیاس 3/1 رفتار لرزه اي حالت تقویت شده و حالت عادي آن را بررسی کردند. این ساختمان با استفاده از پوشش بتنی پیش تنیده در اطراف اتصالات تیر به ستون تقویت شد. نتایج آزمایشگاهی نشان داد که سازه رفتار بهتري از خود نشان می دهد و حالت گسیختگی از ستون ها به تیرها منتقل می شود، که این کار براي جلوگیري از شکست طبقه نرم و ایجاد ستون قوي و تیر ضعیف مؤثر است[11].

در سال 2000، قبارا٥ طی مقاله اي نتایج تحلیل یکسري ساختمان سه، شش و نه طبقه بتنی را مطرح کرد. نتایج این تحقیق نشان داد که براي ساختمان هاي بتنی کوتاه مرتبه، افزایش مقاومت ستون ها، روش مؤثري براي کاهش جابه جایی طبقه و خرابی ناشی از آن و نیز افزایش شکل پذیري می باشد ولی افزایش سختی ستون ها به تنهایی در زمین لرزه هاي بزرگ زیان آور است. همچنین نتایج نشان داد که براي ساختمان هاي متوسط مرتبه، افزایش مقاومت ستون ها، تغییر مکان جانبی طبقه و خسارت پذیري را کاهش می دهد و افزایش سختی ستون ها، کاهش کمی را در جابه جایی جانبی و خرابی ناشی از آن دربر دارد .ضمن آنکه در ساختمان هاي بلند مرتبه بتنی، بهبود شکل پذیري، کاهش متوسطی در خرابی و تأثیر کمی در جابه جایی جانبی طبقه داشته است[11].

در سال 2000، ابوالفتح و قبارا٦ در مقاله اي به بررسی رفتار ساختمان هاي بتن مسلح کوتاه مرتبه بااستفاده از بادبندهاي فولادي هم مرکز پرداختند. در این تحقیق یک ساختمان سه طبقه با استفاده از بادبندهاي فولادي، مقاوم شده و تحت تحریکات مختلف زلزله مورد تحلیل قرار گرفت. نتایج بیانگر این نکته بود که استفاده از بادبندها در یک دهانه از قاب مناسب  نمیباشد و می توان با افزایش تعداد دهانه ها و آرایش بادبندها، رفتار سازه را بهبود بخشید. مثلاً استفاده از بادبند در دو دهانه  بهجاي یک دهانه باعث افزایش معادل 35 درصد در ظرفیت باربري جانبی و استفاده در سه دهانه باعث افزایش70  درصد ظرفیت باربري جانبی می شود. همچنین افزایش تعداد بادبندها باعث کاهش بارهاي وارده به ستون هاي بتن مسلح می شود[12].

 

در سال 2004، روچا و همکارانش۱ با مدل سازي عددي روشهاي مختلف مقاوم سازي قاب هاي بتن مسلح، نتایج تحلیلیرا با نتایج آزمایشگاهی مقایسه نمودند. این تحقیق براساس مطالعه بر روي یک قاب بتنی چهار طبقه و سه دهانه با مقیاس واقعی در آزمایشگاه السا۲ ایتالیا انجام گردید. ابتدا قاب مذکور تحت شتاب زلزله قرار داده شد که این شتاب در نقاط ابتدا و انتهاي تعدادي از ستون ها ترك هایی بوجود آمد. سپس به مقاوم سازي قاب آسیب دیده به دو روش افزایش مقاومت و افزایش شکل پذیري پرداختند. افزایش مقاومت توسط افزودن میلگردهاي طولی به ستون هاي آسیب دیده و افزایش شکل پذیري با دورپوش کردن ستون ها توسط تسمه هاي فولادي انجام گردید. قاب تقویت شده تحت همان شتاب زلزله قرار داده شد که نتایج آزمایش افزایش محسوس مقاومت و شکل پذیري سازه را نشان داد. در انتها نتایج حاصل از تحلیل دینامیکی غیرخطی با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردید که انطباق خوبی با هم داشتند[12].

در سال 2005، الاموري و قبارا۳ در مقاله اي باعنوان بهسازي قاب هاي بتنی توسط٤ FRP و یا بادبند فولادي، تأثیر هر یک از موارد را در بهبود رفتار سازه مورد ارزیابی قرار دادند. ایشان در مدل تحلیلی خود به بررسی رفتار سازه اي دو قاب بتنی 9 و 18 طبقه که مطابق ضوابط آیین نامه سال 1960 طراحی شده بود، پرداختند. از دورپوش FRP جهت افزایش مقاومت برشی و خمشی مفاصل در هر یک از قاب ها استفاده گردید. همچنین روش دیگر  مقاومسازي در این تحقیق استفاده از بادبند فولادي در دهانه وسط و در کل ارتفاع هر دو قاب بود. براي هر دو قاب روند خرابی و تغییر مکان جانبی طبقات اندازه گیري گردید. نتایج بررسی نشان داد، دورپوش FRP بدون ایجاد تغییر محسوس در رفتار سازه، از ایجاد گسیختگی ترد در مفاصل قاب جلوگیري می نماید. همچنین نتایج نشان داد که بادبند فولادي در کاهش تغییرمکان جانبی طبقات نقش بسزایی دارد[12].

در سال 2005، بالسامو و همکارانش٥ رفتار لرزه اي یک قاب سه بعدي ترمیم شده با٦CFRP را مورد بررسی قرار دادند .

در این تحقیق یک قاب چهار طبقه که داراي دیوار برشی کوپله نیز بود به صورت سه بعدي و با مقایسه واقعی در آزمایشگاه السا۷  ایتالیا ساخته شد. نیروي جانبی زلزله در هر طبقه توسط دو بازوي هیدرولیکی به سازه وارد گردید تا جایی که ترك هاي قابل توجهی در سازه ایجاد شود. سپس سازه آسیب دیده توسط تزریق اپوکسی۸ و ورق هاي CFRP ترمیم و تقویت گردید و تحت تحت نیروي جانبی زلزله قرار داده شد. نتایج دو آزمایش نشان داد که سازه ترمیم شده تحت زلزله طرح و 5/1 برابر زلزله طرح با آسیب دیدگی جزیی فونداسیون، در برابر نیروي وارده مقاومت می کند. همچنین در سازه ترمیم شده رفتار چرخه اي۹ پایدار ،افزایش مقاومت و شکل پذیري تحت نیروي زلزله مشاهده گردید[12].

در سال 2006، اردم و همکارانش۱۰ در  مقالهاي به مقایسه دو روش مقاوم سازي قاب هاي بتن مسلح پرداختند. در این تحقیق دو قاب دو طبقه و دو دهانه با مقیاس 3/1 ساخته شد. یکی از این دو قاب توسط میانقاب بتن مسلح و دیگري توسط آجر رسی سوراخدار تقویت شده با۱۱ CFRP ، مقاوم سازي گردیدند. قاب ها تحت بار رفت و برگشتی شبه استاتیکی قرار گرفتند و مقاومت، سختی وتغییر مکان جانبی دو قاب با هم مقایسه شدند. نتایج نشان داد که هر دو قاب مقاوم شده، تحت بارگذاري جانبی، رفتار مشابهی دارند. همچنین سختی و مقاومت این قاب ها به ترتیب 10 و5 برابر سختی قاب بدون تقویت بوده است. تغییر مکان جانبی قاب هاي مقاوم شده نیز نصف قاب بدون تقویت بود. با بررسی دقیق تر نتایج مشخص گردید که سختی اولیه قاب مقاوم شده با میانقاب بتن مسلح نسبت به قاب مقاوم شده توسط آجر رسی همراه باCFRP ، بیشتر بود .

اگرچه مقاومت جانبی هر دو نمونه یکسان بودند اما کاهش مقاومت قاب مقاوم شده با میانقاب آجري و CFRP، در ناحیه غیرخطی بیشتر مشهود گردید[12].

 

1-4- بررسی تحقیقات داخلی مرتبط با عملکرد سازه هاي بتنی پس از اعمال روش هاي مختلف مقاوم سازي 

در کشور عزیزمان نیز پس از خسارتهاي فراوانی که به ساختمان هاي موجود در حین وقوع زمین لرزه وارد گردید، سازمان مدیریت و برنامه ریزي کشور بر آن شد که زمینه تدوین دستورالعملی ملی جهت مقاوم سازي ساختمان هاي موجود را فراهم نماید. پس از بررسی هاي اولیه این مهم در سال 1379 به پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله واگذار گردید. در این راستا پژوهشگاه بین المللی زلزله شناسی و مهندسی زلزله در سال 1379 پس از تدوین پیش نویس اولیه، در سال 1381 »دستورالعمل بهسازي لرزه اي ساختمان هاي موجود« را تهیه و ارائه کرد. از دیگر تحقیقات مرتبطی که محققان کشورمان در ارتباط با مقاوم سازي سازه ها در برابر زلزله صورت داده اند می توان موارد زیر را نام برد:

در سال 2001 (1380)، طاهري در پایان نامه کارشناسی ارشد خود با عنوان ارزیابی روش مقاوم سازي قاب هاي خمشی بتن آرمه با مهاربند فولادي و تعیین ضریب رفتار سازه، به بررسی رفتار قاب هاي خمشی تقویت شده با مهاربند ضربدري پرداخت. سازه هاي مهاربندي شده با آرایش هاي گوناگون بادبند مدل شدند و با انجام تحلیل استاتیکی غیرخطی و دینامیکی غیرخطی رفتار آنها در محدوده غیرخطی مورد بررسی قرار گرفت. همچنین ضریب رفتار سازه هاي مهاربندي شده همراه با پوشش فولادي  ستونها محاسبه گردید. نتایج نشان داد که براي  مقاومسازي، مهاربندي پانل هاي داخلی بهتر از مهاربندي پانل هاي خارجی است و استفاده از پوشش فولادي ستون ها رفتار سازه را بهبود می بخشد و در پایداري کلی سازه مؤثر است[8].

در سال 2002 (1381)، سمیعی در پایان نامه کارشناسی ارشد خود باعنوان بررسی رفتار  لرزهاي سازه هاي بتنی با درنظر گرفتن اثر میانقاب هاي آجري، به ارزیابی رفتار لرزه اي دو نمونه سازه بتنی 3 و 6 طبقه که طبق ضوابط آیین  نامههاي آبا و 2800 طراحی شده بودند، پرداخت. هر یک از سازه ها در حالت با میانقاب و بدون میانقاب، با استفاده از تحیل دینامیکی غیرخطی مورد مقایسه و بررسی قرار گرفتند. اثر وجود میانقاب در دو حالت توپو و آجر سورخدار مقایسه گردید. نتایج تحلیل نشان داد که وجود میانقاب باعث افزایش مقاومت و سختی سازه و افزایش نیروهاي وارد بر قاب هاي داراي میانقاب می شود .حذف میانقاب در یک طبقه باعث کاهش سختی نسبی آن طبقه نسبت به سایر طبقات شده و ممکن است در سازه مکانیزم طبقه نرم  بهوجود آید[8].

در سال 2006 (1385)، وطنی اسکویی با آزمایش بر روي نمونه هاي ترمیم شده اتصال تیر به ستون، به بررسی عملکرد این اتصالات تحت بارهاي رفت وبرگشتی زلزله پرداخت. در این پروژه تحقیقاتی 4 نمونه اتصال تیر به ستون خارجی با مقیاس کامل بر مبناي معیارهاي طراحی سازه هاي بتن مسلح شکل پذیر پیشنهاد شده در  آییننامه بتن ایران، ساخته شد. نمونه ها تحت بار رفت و برگشتی تا زمانی که کاهش مقاومت پدیدار گشته و دیگر باري تحمل نمی کند، بارگذاري شدند. سپس هر یک از نمونه هاي ترك خورده با روش هاي تزریق اپوکسی و تعویض بتن قسمت آسیب دیده با بتن جدید، استفاده از تسمه و نبشی ،استفاده از الیاف پلیمري CFRP ترمیم شدند و تحت بارگذاري رفت وبرگشتی قرار گرفتند. نتایج این تحقیق نشان داد که در روش تزریق اپوکسی مقاومت، میرایی و جذب انرژي نمونه ترمیم شده از نمونه اصلی بیشتر گردیده اما معیاري جهت تشخیص اینکه اپوکشی تمام ترك ها را پوشانده وجود ندارد. ترمیم بوسیله نبشی و تسمه به طور قابل  ملاحظهاي سختی، مقاومت، میرایی و جذب انرژي را در نمونه ترمیم شده افزایش  میدهد، اما صعوبت اجرا از معایب این روش می باشد. در نهایت ترمیم توسط الیاف پلیمري CFRP مقاومت و میرایی را بصورت قابل توجهی افزایش داده و سختی نیز تا حدودي افزایش پیدا کرده است ،اما اجراي آن به مهارت و دقت بالایی نیاز دارد[8].

در سال 2007 (1386)، پارسا و سروقد مقدم در مقاله اي تحت عنوان استفاده از میانقاب هاي مصالح بنایی به عنوان روشی جدید براي مقاوم سازي قاب هاي بتنی آسیب دیده به بررسی این موضوع پرداختند. در این تحقیق سه عدد قاب بتنی یک دهانه و یک طبقه با مقیاس2/1 تحت آزمایش شبه استاتیک قرار گرفتند. با توجه به اینکه هدف از انجام این آزمایش ها بررسی تأثیر میانقاب در مقاوم سازي ساختمان هاي آسیب دیده بود، از ساده ترین روش براي ترمیم قاب هاي پیرامونی استفاده شد، به طوري که براي ترمیم آنها، ابتدا بتن ترك خورده اطراف نقاط آسیب دیده برداشته شده و پس از پیچیدن تور سیمی به دور این نقاط با ملاتی که تا حدي درشت دانه تر باشد اقدام به بازسازي نقاط صدمه دیده گردید و پس از آن داخل قاب با میانقاب جدیدي از جنس آجر فشاري پر شد. در این تحقیق سعی گردید طراحی و ساخت قاب ها، تا حد امکان مشابه با ساختمان هاي بتنی موجود در کشور باشد. با اعمال بار رفت و برگشتی فزاینده به هر یک از نمونه ها، پارامترهاي مختلف پاسخ نظیر تغییرات سختی اولیه، تغییرات مقاومت، میزان استهلاك انرژي و نحوه گسیختگی قاب محصور کننده و میانقاب بررسی گردید. نتیجه این تحقیق بدین صورت بوده است که ساخت میانقاب هاي آجري در قاب هاي بتنی آسیب دیده، با افزایش سختی مؤثر، ماکزیمم مقاومت و استهلاك انرژي موجب بهبود رفتار قاب ها می شود[8].

در سال 2007 (1386)، پارسا و سروقد مقدم به بررسی پاسخ دینامیکی قاب هاي بتنی داراي میانقاب، حین اعمال بار چرخه اي پرداختند. در این تحقیق سه عدد قاب بتنی یک دهانه و یک طبقه با مقیاس 2/1 در حالت هاي بدون میانقاب، با میانقاب آجر فشاري و با بلوك سفالی تحت آزمایش شبه استاتیک قرار گرفتند. با انجام این آزمایشات پارامترهاي مختلف پاسخ قاب ها بررسی شده، نتایج با مقادیر حاصل از روش هاي تحلیلی معادل سازي میانقاب ها مقایسه شده  و در نهایت نتیجه گیري گردیده که میانقاب هاي آجري باعث افزایش سختی اولیه، حداکثر مقاومت و حداکثر استهلاك انرژي قاب ها می شوند اما میانقاب هاي سفالی علیرغم افزایش نسبی پارامترهاي ذکرشده، به دلیل تخریب سریع، رفتار چندان مطلوبی ایجاد نمی کنند. از لحاظ مقایسه نتایج با روش هاي تحلیلی، مشاهده می شود که در حالت خطی سختی اولیه میانقاب هاي آجري به درستی تخمین زده می شود اما در مورد میانقاب هاي سفالی چنین حالتی وجود ندارد ضمن آنکه در حالت غیرخطی نیز در هر دو مورد میانقاب ها سفالی وآجري فشاري تطابقی بین نتایج تحلیلی و آزمایشگاهی وجود ندارد[13].

در سال 2007 (1386)، بشیري و تسنیمی در مقاله خود به ارزیابی سطوح عملکرد قاب هاي خمشی بتن مسلح با شکل پذیري متوسط با استفاده از روش هاي مختلف مقاوم سازي پرداختند. بدین منظور آنالیز استاتیکی غیرخطی بر روي 6 قاب با تفاوت در تعداد دهانه، طبقه و واقع شده در منطقه با خطر نسبی لرزه خیزي خیلی زیاد انجام شده است. پس از بدست آوردن نقاط عملکرد قاب ها با استفاده از روش طیف ظرفیت و مقایسه با یکدیگر، عملکرد تک تک اجزاي سازه اي وکلی قاب ها بدست آمدند. ملاحظه گردید عموماً در قاب ها با تعداد دهانه و طبقات کمتر عملکرد قاب ها ضعیف بوده و برخی اجزاي سازه اي معیارهاي پذیرش براي سطوح عملکرد ایمنی جانی (بر طبق ضوابط دستورالعمل بهسازي) را برآورده نساختند. به منظور بررسی روش هاي مختلف مقاوم سازي، قابی به عنوان مبنا انتخاب گردید و با سه روش افزودن دیوار برشی، بادبند فولادي و میانقاب  مصالح بنایی، قاب مورد نظر مقاوم سازي شده و در نهایت مقایسه اي از لحاظ عملکردي بین قاب مقاوم سازي شده با سه روش فوق صورت گرفته است. نتایج به دست آمده نشان می دهد افزودن دیوار برشی بهترین روش مقاوم سازي از لحاظ عملکردي می باشد[13].

 

5. نتیجه گیري

کشور ایران در گروه  سرزمین هاي لرزه خیز جهان قرار دارد و گواه این امر وقوع  زلزله هاي خانمان براندازي چون زمین لرزه ي 30 خرداد ماه 1369 با بزرگی 7/7 در مقیاس ریشتر منطقه رودبار و منجیل است که طی آن بیش از 40000 نفر کشته و 60000 نفر زخمی و 100هزار واحد مسکونی تخریب و 400000 نفر بی خانمان شدند. همچنین زمین لرزه 5 دي ماه 1382 با بزرگی 5/6 در مقیاس ریشتر منطقه بم استان کرمان را لرزاند، بیش از 30000 نفر کشته و 3000 نفر زخمی شدند و

85% ساختمان ها آسیب دیدند. از آنجاییکه بیش از 30 درصد سازه هاي اسکلتی از نوع بتن آرمه می باشد و حدود 99 درصد ساختمان هاي بتن آرمه موجود در کشور زیر چهار طبقه هستند و همچنین درصد زیادي از این ساختمان ها در مقابل زلزله یا از مقاومت کافی برخوردار نیستند و یا اصولاً براي پایداري در برابر نیروهاي ناشی از زلزله به نحو صحیحی تحلیل، طراحی و ساخته نشده اند لازم است تا توجه بیشتري به روش هاي مقاوم سازي سازه هاي بتنی در مقابل خطرات ناشی از زلزله شود. در نتیجه در این مقاله سعی گردید تا با جمع آوري روش هاي مختلف مقاوم سازي سازه هاي بتنی به مطالعه آنها پرداخته شود تا در مواقع مورد نیاز براي سازه هاي موجود کشورمان توسط مهندسین ساختمان مورد استفاده قرار گیرد. روش هاي مختلفی همچون مقاوم سازي سازه هاي بتنی باFRP ، مقاوم سازي با اضافه نمودن دیوار برشی و یا بادبند، مقاوم سازي با استفاده از جداگرهاي لرزه اي، مقاوم سازي با استفاده از سیستم هاي جاذب انرژي (دمپر) مورد ارزیابی قرار گرفت که تمامی آنها مزایا و معایبی داشتند که تمامی آنها در مقاله مورد بررسی قرار گرفته تا مهندسین حوزه ساختمان با مطالعه آن راهکارهاي فراوانی براي مقاوم سازي ساختمان هاي مورد نظرشان داشته باشند.

 

5. مراجع

1. Sugano, S. (1992), “Seismic Strengthening of Existing Reinforced Concrete Building in Japan.” International Institute Seismology and Earthquake Engineering Building Research Institute Ministry of Construction.
2. Jordan, R.M., and Kreger, M.E. (1990), “Evaluation of Strengthening Schemes and Effects on Dynamic Characteristic of Reinforced Concrete Frames” Proceeding of Fourth US National Conference on Earthquake Engineering, California.
3. Alcocer, S., and Jirsa, J. (1993), “Strength of Reinforced Concrete Frame Connections Rehabilitated by Jacketing”, ACI Structural Journal.
4. Maheri, M. R., and Sahebi, A. (1995),“Experimental Investigation of Steel-Braced Reinforced Concrete Frames”, Proceedings of the Second International Conference on Seismology and Earthquake Engineering, Vol. 1, Tehran, Islamic Republic of Iran, May 15-17, pp. 775-784.
5. El-Amoury, T., and Ghobarah, A., (2005), “Retrofit of RC Frame Using FRP Jacketing or Steel Bracing”, JSEE, Vol. 7, No. 2, pp. 83-94.
6. Balsamo, A., Colombo, A., Manfredi, G., Negro, P., and Prota, A. (2005), “Seismic Behavior of a Full-Scale RC Frame Repaired CFRP Laminates”, Engineering Structures, Vol. 27, pp. 769-780.  تسنیمی و عباسعلی. (1384)، "مقاوم سازي قاب هاي بتن مسلح به کمک بادبندهاي فولادي"، مرکز تحقیقات ساختمان [7]  .331-و مسکن، نشریه شماره گ

8. دفتر امور فنی و تدوین معیارها، سازمان مدیریت و برنامه ریزي کشور ،"راهنماي طراحی و ضوابط اجرایی بهسازي ساختمان هاي بتنی موجود با استفاده از مصالح تقویتی FRP"، 1385.
9. Dai, J.G., Bai, Y.L., and Teng, J.G. (2011), "Behavior and modeling of concrete confined with FRP composites of large deformability." J. Compos. Constr., ASCE, 15(6), 963-973.
10. Xiao, Q.G. (2013), "Computational models for FRP-confined concrete and FRP-confined RC columns." PhD Thesis. The Hong Kong Polytechnic University.
11. Teng, J.G., Xiao, Q.G., Yu., T., and Lam, L. (2015), "Three-dimensional finite ellement analysis of reinforced concrete columns with FRP and/or steel confinement." Engineering Structures, 97, 15-28.
12. Durucan, C., and Dicleli, M. (2010), "Analytical study on seismic retrofitting of reinforced concrete buldins using steel braces with shear link." Engineering Structures, 2995-3010.
13. Xie, T., and Ozbakkaloglu, T. (2015), "Behavior steel fiber-reinforced high-strength concrete-filled FRP tube columns under axial compression." Engineering Structures, 158-171.

 

چهارشنبه ۰۳-۰۵-۱۳۹۷