مقاله تحلیلی: تکنیک های کلیدی طراحی پروژه‌ های مقاوم سازی سازه

چندین دهه از آغاز شروع به کار تأسیسات حال حاضر می‌گذرد، این در حالی است که در این مدت دچار تغییرات مختلفی که ناشی از تغییر کاربری، تخریب، نقص‌های سازه‌ای، اثرات لرزه‌ای و یا تغییرات آیین نامه‌ای شده‌اند. هر کدام از این عوامل می‌تواند باعث نشان دادن نیاز به بازسازی یا افزایش ظرفیت سازه برای تحمل بارهای بیشتر شود. این پروژه‌ها با چالش‌های بیشتری نیز همراه هستند، زیرا باید کمترین اختلال در روند زندگی افراد ساکن در این ساختمان‌ها ایجاد شود. علاوه بر اهمیت موارد بالا در مقاوم سازی و تعمیر سازه، مدیران این مراکز هم باید با دقت دست به انتخاب گزینه مناسب از میان طیف گسترده تکنیک¬ها و مصالح بزنند؛ به طوری که عمر سازه و عمر خدمات دهی سازه افزایش یابد. برای اطمینان از اینکه سازه‌های مقاوم سازی شده و تعمیر شده استحکام لازم را دارند، روش ترمیم و مقاوم سازی باید به گونه‌ای باشد که عمر سازه را در نظر بگیرد و همچنین تیم درگیر در این گونه پروژه‌ها باید به اندازه کافی با تجربه و آگاه باشند تا بتوانند پیچیدگی کار را درک کنند.

درک اولیه از مهارت‌های مختلف طراحی و تکنیک¬های در دسترس به مدیران این مراکز در ارزیابی گزینه‌های مختلف تعمیر و مقاوم سازی کمک می‌کند.

کارشناسان متخصص در زمینه بتن معمولاً از اصطلاحات تعمیر سازه‌ای و مقاوم سازی سازه‌ای برای توضیح فعالیت‌های نوسازی ساختمان استفاده می‌کنند. اگر چه این دو اصطلاح مشابه به هم هستند اما در مفهوم تفاوت‌های جزئی دارند. تعمیر سازه‌ای به فرآیند بازسازی یک سازه یا اعضای سازه‌ای آن اشاره دارد. این فرآیند شامل تشخیص موقعیت خرابی، حذف مصالح و اجزای آسیب دیده، حذف علل آسیب و همچنین انتخاب و استفاده از مصالح مناسب برای تعمیر سازه است به نحوی که یکپارچگی اعضای سازه‌ای تأمین شود و عمر خدمات دهی سازه افزایش یابد. از سوی دیگر، مقاوم سازی سازه‌ای به معنای ارتقای سیستم سازه‌ای طراحی شده ساختمان به منظور بهبود عملکرد سازه تحت بارهای موجود یا افزایش مقاومت اعضای سازه‌ای موجود برای تحمل بارهای بیشتر است. 

در پروژه‌های ارتقای سیستم سازه‌ای، مهندسان طراح با سازه‌هایی روبرو هستند که هر جزء آن در تحمل بارهای موجود نقش دارند. اثرات مقاوم سازی یا حذف یک بخش یا کل المان سازه‌ای – مثل قسمت‌های آسیب دیده یا در معرض خطر – باید به دقت مورد تجزیه و تحلیل قرار بگیرد تا تأثیر آن‌ها بر رفتار کلی سازه مشخص شود. عدم انجام این کار ممکن است موجب ایجاد تنش بیش از حد در محیط اطراف منطقه تحت تعمیر در المان سازه‌ای شود که این تنش می‌تواند موجب مشکل بزرگ‌تر و حتی شکست موضعی شود. در پروژه‌های ارتقای سیستم سازه‌ای، پیمانکاران نیز باید مسائل مهم مربوط به دسترسی به محل کار، قابلیت تعمیر، کنترل گرد و خاک و سر و صدا، اثرات زیست محیطی و انتخاب مصالح ساخت و ساز را مورد بررسی قرار دهد.

در بسیاری از موارد طرح‌های اصلی سازه‌ای در دسترس نیستند و ممکن است ارزیابی سازه موجود به صورت حضور در محل مورد نیاز باشد تا جزئیات مقاوم سازی عضو تعیین شود. انجام تست بار برای بررسی اینکه آیا سازه می‌تواند به نحوی ایمن از بارهای طرح پشتیبانی کند و همچنین بررسی ظرفیت عضو مقاوم سازی شده یا تعمیر شده؛ انجام می‌شود.

ضرورت تعمیر یا مقاوم سازی

در حالت کلی، نقص‌های سازه‌ای ناشی از تغییرات آیین نامه‌ای، نیاز به ارتقای سیستم به لحاظ لرزه‌ای، اثرات زیست محیطی (خوردگی)، تغییر کاربری و افزایش بار، الزامات افزایش مقاومت در برابر انفجار و یا خطاهای موجود در طرح اصلی و ساخت و ساز؛ هستند. هنگام مواجه با این نقص‌ها، دو گزینه برای رفع این مشکل وجود دارد، یکی جایگزینی سازه و دیگری تعمیر و مقاوم سازی آن. به لحاظ اقتصادی در اغلب موارد تعمیر و مقاوم سازی تنها راه حل مناسب شناخته می‌شود.

روش‌های مختلفی برای مقاوم سازی و تعمیر ساختمان‌های موجود، از جمله کامپوزیت¬های متشکل از فیبرهای پلیمری تقویت ‌شده، کم کردن طول دهانه‌ها، سیستم‌های پس کشیدگی داخلی یا خارجی و افزایش اندازه مقطع؛ وجود دارد. تکنیک یا مجموعه‌ای از تکنیک¬ها که برای این منظور استفاده خواهند شد، بستگی به الزامات خاص پروژه با توجه به نگرانی‌های فنی (مهندسی)، موضوعات مرتبط با قابلیت ساخت (روش‌های ساخت و ساز)، زیبایی شناسی (معماری) و اقتصاد دارند. در ادامه به خلاصه‌ای از روش‌های معمول تعمیر و مقاوم سازی به همراه کاربردهای موردی اشاره می‌شود.

کامپوزیت¬های متشکل از فیبرهای پلیمری تقویت ‌شده: سیستم فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP) به طور قابل توجهی ظرفیت باربری را افزایش می‌دهد. نصب این فیبرها معمولاً به وسیله چسب اپوکسی بر روی سطح آماده شده انجام می‌شود. روش کار به این صورت است که اول به سطح FRP و سپس به سطح دیگر چسب اپوکسی زده می‌شود. پس از مدتی اتصال این دو سطح به هم شاهد آن خواهیم بود که ظرفیت عضو به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد چرا که مقاومت کششی FRP تا ده برابر مقاومت کششی فولاد است.

مطالعه موردی: تبدیل یک مرکز خرید به مرکز ارتباطات از راه دور

این ساختمان با مساحتی حدود یک میلیون فوت مربع در ایالت فلوریدا و میامی قرار دارد. کاربری قبلی این ساختمان یک مرکز خرید بود که بعداً توسط یک شرکت کامپیوتری و مخابراتی با هدف تبدیل آن به مرکز اینترنت و تجهیزات ارتباطی خریداری شد. طبقات این ساختمان به لحاظ سازه‌ای شامل دال یک طرفه است که توسط تیرچه‌های پیش تنیده پیش ساخته پشتیبانی می‌شود. 

برای نصب تجهیزات مخابراتی (با فشاری حدود 150 کیلوگرم بر متر مربع) لازم بود که ظرفیت باربری تیرها و تیرچه‌های کف 20 درصد افزایش یابد. سیستم انتخاب شده برای مقاوم سازی ذر این مورد، چند لایه نوار CFRP بود که به کناره‌ها و قسمت زیرین هر تیرچه چسبانده می‌شد تا ظرفیت لنگر خمشی افزایش یابد و مقاومت تیرچه در برابر لایه لایه شدگی تأمین شود. در مورد تیرها، نوارهای FRP روی هر ضلع و مرکز ستونی که بالاتر از دال است، نصب می‌شوند تا ظرفیت تکیه گاه‌ها و همچنین ظرفیت خمشی در قسمت میانی و زیرین تیرها افزایش یابد. برای بررسی ظرفیت و رفتار اعضای تقویت شده در طول سرویس‌دهی، تست¬های بار روی تیرها و تیرچه‌های انتخاب شده طی یک سیکل کامل (3 ساعت) و یکنواخت (24 ساعت) انجام می‌شود. تست بار برای ارزیابی عملکرد سازه‌های قبل و بعد از مقاوم سازی انجام می‌شود. در این تست¬ها، 85 درصد از بار طرح روی قطعه مورد نظر اهمال می‌شود. هر چند که قبل از اعمال کل بار در این تست، اعضای تقویت نشده دچار شکست می‌شوند اما اعضای تقویت شده رفتار الاستیکی تا اعمال کل بار از خود نشان می‌دهند و تقریباً هیچ ترکی بعد از حذف بار ایجاد نمی‌شود.

کم کردن طول دهانه‌ها

کم کردن طول دهانه‌ها از طریق اضافه کردن تکیه گاه‌هایی زیر اعضای موجود انجام می‌شود. مصالح استفاده شده در این روش شامل اعضای سازه‌ای فولادی و اعضای بتن مسلح درجا می‌شود که نصب سریعی دارند. اتصالات را به راحتی با استفاده از پیچ و مهره و … می‌توان طراحی کرد. با این حال، استفاده از این روش منجر به کاهش فضا و ارتفاع آزاد می‌شود.

مطالعه موردی: تعمیر پارکینگ

دال پارکینگ (ظرفیت: 1000) یک ساختمان اداری تجاری در آتلانتا به دلیل طراحی نامناسب سیستم پس کشیدگی دچار نقص شده بود. این پارکینگ چهار طبقه به وسیله یک پل به ساختمان متصل شده است. ضخامت عرشه 200 میلی متر بود که از دال‌های دو طرفه بتنی درجا و دال‌های تخت پس کشیده ساخته شده بود.

برای حل مشکل تنش بیش از حد در دهانه انتهایی، یک سیستم قاب فولادی خارجی بین ستون‌ها و در سطح زیرین کف طبقه دوم نصب شد. از این طریق دهانه آزاد بین ستون‌ها و دهانه انتهایی گاراژ کاهش می‌یابد و نقاط ضعف دال به لحاظ خمش حذف شد. در هر نقطه که تکیه گاه جدید اضافه شده یک جک هیدرولیکی بین قاب تکیه گاهی و قسمت زیرین دال قرار داده شد تا بخشی از بار مرده ستون‌ها کاهش یابد.

سیستم پس کشیدگی خارجی

در سیستم پس کشیدگی، نیروهای خارجی فعال بر اعضای سازه‌ای از طریق کابل‌های پس کشیده اعمال می‌شود تا مقاومت در برابر بارهای جدید تأمین شود. نیروهای پس کشیدگی به واسطه کابل‌های پیش تنیده استاندارد یا میلگردهای فولادی با مقاومت بالا منتقل می‌شوند. کابل‌ها به سازه از طریق دو انتهای یک عضو متصل هستند. گیره‌های انتهایی از جنس قطعات پیچ شده به عضو سازه‌ای یا بلوک‌های بتن مسلح در جا هستند. نیروی بالا رونده مورد نظر به وسیله بلوک‌هایی تأمین می‌شود. این بلوک‌ها در نقاط بالایی و یا پایینی المان سازه‌ای محکم بسته می‌شوند. قبل از انجام عملیات پیش تنیدگی خارجی، همه ترک‌ها به وسیله تزریق اپوکسی پر می‌شوند تا از توزیع یکنواخت نیروهای پیش تنیدگی در عضو اطمینان حاصل شود.

مطالعه موردی: تعمیر سازه پارکینگ

در بهار سال 2007، روش پس کشیدگی برای مقاوم سازی دو تیر آسیب دیده پس کشیده در پارکینگ یک ساختمان دولتی واقع در واشنگتن استفاده شد. این پارکینگ یک سازه شش طبقه، مستقل، پس کشیده با مساحتی حدود 500000 فوت مربع است. عرشه آن شامل دال‌های یک طرفه پس کشیده بود که از تیرهای پس کشیده در دهانه‌های طولانی پشتیبانی می‌کرد. خرابی در این دو تیر به این دلیل رخ داد که پیمانکار برف روب حجم قابل توجهی از برف را روی مساحت کوچکی از عرشه روی این دو تیر انباشته کرد. این برف‌های انباشته ارتفاعی حدود 8 فوت داشتند که فشاری معادل 200 پوند بر هر فوت مربع را به عرشه وارد می‌کردند. تیرهای پس کشیده موجود عرضی حدود 12 اینچ (305 میلی متر)، عمقی برابر با 36.5 اینچ (927 میلی متر) دارند که از دال پس کشیده‌ای به ضخامت 5.5 اینچ (138 میلی متر) پشتیبانی می‌کنند.

خرابی بیش از حد در تیرها سبب شد تا برآورد ظرفیت باقی مانده تیرها کار غیرممکنی شود. به این ترتیب، تیم طراحی در ابتدا جایگزینی را تنها گزینه مورد نظر می‌دانست. جایگزینی کامل مشکلات متعددی را سبب شد چرا که این کار مستلزم عملیات پس کشیدگی معکوس در قسمت فوقانی دال و شمع زنی در چند سطح بود؛ بنابراین روش پس کشیدگی خارجی برای مقاوم سازی در قالب قرار دادن یک ژاکت بتنی با عرضی حدود 6 اینچ (150 میلی متر) در هر سمت و ضخامتی برابر با 4 اینچ (100 میلی متر) در قسمت زیرین پیشنهاد شد. این روش هزینه‌ای در حدود نصف هزینه جایگزینی کامل و حداقل اختلال را در عملکرد پارکینگ به همراه داشت.

افزایش اندازه مقطع

این روش مقاوم سازی شامل اتصال قطعه بتن مسلح به عضو سازه‌ای موجود در قالب یک پوشش یا یک ژاکت است. با اضافه کردن مقطع بتن مسلح به ستون‌ها، تیرها، دال‌ها و دیوارها؛ ظرفیت باربری و سختی افزایش می‌یابد. افزایش سایز معمول در دال‌ها حدود 2 تا 3 اینچ و در تیرها و ستون‌ها حدود 3 تا 5 اینچ است.

مطالعه موردی: کازینو Resorts

در این کازینو نیاز به بررسی زوال شدید بتن در تونل بخار احساس می‌شد. در بسیاری از تیرها، دال‌ها و ستون‌ها؛ میلگردهای فولادی یا کاملاً نمایان شده بودند و یا در آن‌ها زوال کامل رخ داده بود. این اعضا نه تنها نیاز به تعمیر داشتند بلکه باید اقدامات مقاوم سازی هم برای تطابق آن‌ها با آیین نامه‌های روز طراحی صورت می‌گرفت. برای مقاوم سازی تیرها، تصمیم گروه بر آن شد که روش افزایش اندازه مقطع با استفاده از اتصال روکش بتن مسلح به هر تیر موجود به کار رود. چالشی که تیم طراحی با آن روبرو شد، تعیین ظرفیت هر تیر موجود به عنوان گام اول در مقاوم سازی بود. برای سرعت بخشیدن و سهولت در کار، طراحی روکش جدید بر اساس کمترین ظرفیت در 10 تیر موجود صورت گرفت. به این صورت طرح مقاوم سازی برای ده تیر با استراتژی مشابه تهیه شد. همچنین برای مؤثر بودن طرح، محاسبات با چشم پوشی از میلگردهای اصلی در تیرها صورت گرفت.

منبع

ترجمه شده توسط تیم مترجمین ۸۰۸

اگر دوست دارید به تیم مترجمین ۸۰۸ بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.