مقاله تحلیلی:‌ مقاوم‌ سازی ستون‌ ها با FRP

ستون چیست؟

ستون نوعی سازه به شکل عمودی است که معمولاً برای انتقال و حمل بار سازه‌های فوقانی به سازه‌های زیرین ایجاد می‌شود. البته ستون ممکن است وزن هیچ سازه‌ای را تحمل نکند و تنها جنبه تزیینی داشته باشد. در مهندسی سازه، ستون به عضوی گفته می‌شود که نیروی فشاری را تحمل کند؛ بنابراین در ستون‌ها، بحث مطرح کمانش است که عاملی تعیین‌کننده‌ نیز محسوب می‌شود. این تعریفی است که ویکی پدیا از ستون ارائه کرده است. 

از نظر ما در قاب‌های مهاربندی‌شده ستون‌ها عمدتاً تحت بارهای محوری قرار می‌گیرند و بارهای برشی و خمشی بسیار کوچکی به آن‌ها وارد می‌شود. از این رو ستون را به‌عنوان عضوی با باربری محوری می‌شناسند. هرچند در سازه‌هایی با سیستم باربری خمشی، ستون‌ها بارهای خمشی و برشی قابل‌توجهی را متحمل می‌شوند و گل‌ها شکست و گسیختگی ستون متأثر از بارهای خمشی و برشی می‌باشد، ولی باید در نظر گرفت که همچنان مقدار زیادی بار محوری بر روی این اعضا وجود دارد.

از سوی دیگری می‌توان ستون‌های بتنی را بر اساس نسبت ارتفاع به بُعد مقطع به سه دسته تقسیم کرد: 

• ستون‌های بلند: ستونی که نسبت ارتفاع به حداقل بعد مقطع آن بالاتر از 12 باشد. 
• ستون کوتاه: ستونی که نسبت ارتفاع به حداقل بعد مقطع آن  کمتر از 3 و بیشتر از 12 نباشد.  
• پدستال ها:  ستونی که نسبت طول به حداقل بعد مقطع آن  کمتر از 3 باشد.

میزان ظرفیت باربری و مودهای گسیختگی ستون بتنی به نسبت لاغری آن بستگی دارد. نسبت لاغری، به نسبت طول مؤثر (Le) و حداقل بعد عرضی (B) ستون گفته می‌شود. در تعریفی دیگر مثل ستون‌های فولادی می‌توان این مقدار را برابر با نسبت طول مؤثر به شعاع ژیراسیون مقطع ستون دانست. همان‌طور که می‌دانید طول مؤثر یک ستون با طول حقیقی آن متفاوت است و با توجه به وضع تکیه‌گاهی تعیین می‌شود.

در ادامه انواع مودهای شکست یک ستون را مشاهده می‌کنید:

مودهای گسیختگی در ستون، تحت بار محوری خالص

همان‌طور که پیش‌تر گفتیم میزان ظرفیت باربری و مود شکست ستون به نسبت لاغری ارتباط دارد. به‌طورکلی سه مود گسیختگی برای ستون‌ها وجود دارد. فرض بر این است که بار محوری بر مرکز سطح مقطع واردشده و ایجاد لنگر نمی‌کند. 

گسیختگی فشاری ستون

وقتی ستون بتنی تحت بار محوی قرار می‌گیرد، در بتن و فولاد تنش ایجاد می‌شود. وقتی بار به حدی برسد که نسبت به مقطع ستون بالا باشد فولاد به تنش تسلیم رسیده و بتن نیز به مرحله شکست خود می‌رسد تا ستون بدون تغییر شکل عرضی فروبریزد.ستون بتنی خردشده و فروریزش ستون به خاطر گسیختگی در بتن و فولاد رخ می‌دهد. برای مقابله با این شکست باید سطح تنش را از حد معینی پایین‌تر نگه داشت. 

این نوع گسیختگی عموماً در پدستال‌ها که عضوی با نسبت طول به کوچک‌ترین بعد مقطع کمتر از 3 هستند و به خاطر بار محوری، بار خمشی به آن‌ها وارد نمی‌شود؛ اتفاق می‌افتد. 

گسیختگی ستون ناشی از نیروی فشاری و خمش

ستون‌های کوتاه معمولاً تحت بار محوری، جانبی و خمشی قرار می‌گیرند. در این ستون‌ها تحت بار جانبی و لنگرهای خمشی تغییر شکل جانبی (عرضی) و خمش ایجاد می‌شود. در ستون‌های بلند حتی اگر فقط بار محوری وارد شود باز تغییر شکل‌های جانبی و خمش ایجاد می‌شود.

تحت چنین شرایطی وقتی سطح تنش در میلگردها و بتن به حد نهایی خود برسد، ستون دچار گسیختگی فشاری- خمشی می‌شود. 

گسیختگی ستون به علت ناپایداری الاستیکی 

ستون‌های بلند بسیار لاغرند، یعنی نسبت طول مؤثر آن و حداقل بعد مقطع آن (در عبارت دیگر شعاع ژیراسیون) بیشتر از 12 است. تحت این شرایط ظرفیت باربری ستون بتنی  برای ابعاد مقطع و سطح میلگرد آن مقطع به‌طور شدیدی کاهش پیدا می‌کند.

این ستون‌ها حتی وقتی تحت بارهای کوچک قرار می‌گیرند تمایل به ناپایداری و کمانش به هر سمتی را دارند. بنابراین این ستون‌ها تحت گسیختگی ناشی از کمانش و ناپایداری الاستیکی قرار می‌گیرند. 

این نوع گسیختگی در سازه‌های مرسوم بتنی غیرقابل‌پذیرش است. آیین‌نامه‌ها استفاده از ستون‌های لاغر بدون مهار جانبی و با ضریب لاغری بزرگ‌تر از 30 را در ساختمان‌های بتنی ممنوع می‌کنند.

 روش‌های مقاوم‌سازی ستون

محصورسازی ستون با FRP

ستون‌ها به‌عنوان یکی از اعضای مهم سازه‌ای در اکثر سازه‌های ساختمانی و غیر ساختمانی می‌توانند نیاز به مقاوم‌سازی داشته باشند. دلایلی چون از دست رفتن ظرفیت ستون بر اثر خوردگی در گذر زمان، عدم رعایت شرایط و الزامات لرزه‌ای، افزایش بار زنده و یا مرده وارده بر سازه و چند دلیل دیگر می‌تواند باعث تصمیم‌گیری به انجام بهسازی و مقاوم‌سازی عضو شود. در زیر به روایت تصویر چند مورد از ستون‌هایی که مستعد خرابی هستند و نیاز به مقاوم‌سازی دارند را مورد بررسی قرار می‌دهیم. 

 معمولاً در ساختمان‌ها طبقه اول به پارکینگ اختصاص داده می‌شود و یا در برخی از شرایط این طبقه کاربری‌هایی همچون تالار و یا فروشگاه دارند. به خاطر ماهیت معماری در این طبقات اکثر دیوارهای پیرامونی و میانی حذف می‌شوند تا فضای بیشتری فراهم شود و در مورد تالارها و فروشگاه‌ها حتی ارتفاع در طبقه افزایش داده می‌شود. این مسئله موجب می‌شود تا ساختمان در طبقه اول دارای طبقه نرم باشد. طبقه نرم همچنآن‌که از نامش پیداست به‌سختی جانبی کمتر این طبقه اشاره دارد. هنگام وقوع زمین‌لرزه؛ تغییر مکان این طبقه بسیار شدید بوده و باعث فروریختن آن می‌شود. در عوض طبقات بالاتر چون تغییر شکل چندانی نداشته‌اند، کاملاً سالم باقی می‌مانند در تصاویر بعدی این پدیده را در دو ساختمان مشاهده می‌فرمایید.

طبقه اول در ساختمان سمت راست کاملاً فروریخته است.

یکی دیگر از مواردی که ستون‌ها ممکن است در وقوع زلزله دچار خسارت شوند، ستون‌های کوتاه می‌باشند. در تصاویر زیر شرایطی که ممکن است در آن یک ستون کوتاه ایجاد شود را مشاهده می‌کنید. در ادامه ستون کوتاهی را می‌بینید که تحت بار زلزله دچار آسیب شده است.

 در طراحی و ساخت سازه‌های احداث شده تا قبل از اواسط دهه 1970 هیچ‌گونه آیین‌نامه‌ای برای تعیین رفتار لرزه‌ای اعضای ساختمانی وجود نداشته و عدم رعایت الزامات لرزه‌ای کنونی در ساختمان‌های موجود از آن زمان به فراوانی دیده می‌شود. در این موارد عضو علاوه بر اینکه در برابر زلزله مقاومت لازم را ندارد از قابلیت شکل‌پذیری بسیار پایینی نیز برخوردار است. این مسئله در ساختمان‌ها بسیار خطرناک بوده و باید به هر ترتیب از خرابی این اعضا جلوگیری به عمل بیاید. در زیر یک ستون با بتن بسیار ضعیف و دارای میلگرد جانبی ناکافی را مشاهده می‌کنید که به علت نقض الزامات لرزه‌ای نیاز به مقاوم‌سازی دارد. در ادامه تصویری از ستون بدون آرماتور عرضی کافی را مشاهده می‌کنید که تحت افزایش بار محوری دچار گسیختگی شده است، مسلماً گسیختگی مشابه با این تصویر مطلوب نیست و باید سعی شود تا مشکل این‌گونه ستون‌ها رفع شود.

 یکی از کاربردهای رایج از مصالح FRP در مقاوم‌سازی ستون‌ها است و در اکثر مواقع این مصالح چه به لحاظ سهولت و زمان اجرا و چه به لحاظ اقتصاد طرح،  بهترین گزینه می‌باشد. 

محصور نمودن ستون که همچنین بانام‌های دور پیچ  کردن ستون یا  مقاوم‌سازی به روش FRP Wrap نیز شناخته می‌شود، یکی از  پرکاربردترین روش‌های مقاوم‌سازی ساختمان محسوب می‌شود. اگر ابعاد ستون بتنی و یا مقدار آرماتور طولی آن کمتر از حد نیاز باشد، ستون فاقد مقاومت کافی بوده و نیاز به مقاوم‌سازی دارد.  همچنین اگر فاصله بین خاموت¬ها یا همان آرماتورهای عرضی  زیاد باشد و  سایز آرماتور عرضی کوچک‌تر از  آنچه در محاسبات تعیین‌شده، استفاده شده باشد؛ علاوه بر اینکه مقاومت برشی در ستون تأمین نمی‌شود، شکل‌پذیری ستون به‌شدت کاهش پیدا کرده  و یا در حین بارگذاری فشاری آرماتورهای طولی دچار کمانش می‌شوند. اگر این‌گونه معایب در یک ستون وجود داشته باشد، مقاومت خمشی و فشاری ستون تأمین نخواهد شد و  در حین بارگذاری گسیختگی اتفاق می‌افتد.

یکی از بهترین روش‌ها برای مقاوم‌سازی این‌گونه اعضا، استفاده از روش محصورسازی ستون با پارچه FRP  می‌باشد. برای تقویت ستون‌ها در این شرایط،  می‌توان  الیاف FRP  را توسط چسب اپوکسی به پیرامون ستون متصل کرد. محصورسازی ستون با این روش مقاومت فشاری و خمشی ستون را افزایش می‌دهد. لازم به ذکر است مقاومت فشاری بتن محصور شده از بتن معمولی بیشتر است زیرا محصورشدگی باعث ایجاد تنش‌های دو جهته در  بتن می‌شود.  قابل‌ذکر است در این روش جهت الیاف باید عمود بر راستای ستون، یعنی هم‌جهت با خا موت‌های ستون باشد.

 خصوصیات و مزایا

مزایای استفاده از مقاوم‌سازی توسط مصالح FRP در ستون‌ها به شرح زیر است:

• قابل‌نصب بروی تمام مصالح (فولاد، بتن، چوب، مصالح بنایی و ...).
• قابلیت افزایش مقاومت محوری، برشی و خمشی ستون
• افزایش شکل‌پذیری و قابلیت جابه‌جایی نسبی نهایی بیشتر
• کمترین افزایش در ابعاد پایه در بین روش‌ها مشابه
• سرعت بالای مقاوم‌سازی بدون توقفِ بهره‌برداری از سازه

توضیح علمی مقاوم‌سازی ستون‌های بتنی

همان‌طور که می‌دانیم محصور نمودن مصالح بتنی سبب افزایش قابل‌ملاحظه‌ای در ظرفیت محوری و نیز شکل‌پذیری این‌گونه قطعات می‌شود. محصور ساختن عضو بتنی باعث می‌شود تا با افزایش نیروی محوری بر ستون و به‌تناسب آن افزایش کرنش محوری، در مقطع کرنش‌های عرضی ایجاد شود. وقتی ستون با FRP محصور شود، از افزایش کرنش عرضی جلوگیری به عمل آمده و تنش‌های جانبی در ستون ایجاد می‌شود.  بدین ترتیب نیروی بیشتری توسط ستون تحمل می‌شود. شکل زیر به‌خوبی گویای این مسئله می‌باشد:

 شکل زیر نمودار تنش-کرنش استوانه بتنی محصور نشده و محصورشده با FRP را با تعداد لایه‌های مختلف نشان می‌دهد. همان‌طور که مشاهده می‌فرمایید با افزایش لایه‌های FRP مقاومت نهایی و شکل‌پذیری استوانه افزایش می‌یابد: 

 برای استفاده از این بحث علمی در پروژه‌های اجرایی می‌توان از آیین‌نامه‌های موجود همچون ACI440.2R، Fib Bulletin 14، ISIS  و یا حتی نشریه 345 استفاده نمود که در بخش استانداردهای سایت موجود بوده و قابلیت دانلود دارند. 

کاربرد FRP در افزایش مقاومت و شکل‌پذیری ستون‌ها

اعضای یک ساختمان بنا به دلایل مختلف پس از گذر زمان قادر نیستند که قابلیت ارائه خدمت خود را حفظ کنند. از جمله این دلایل نابودی مواد، صدمه و ضربه دیدن اعضا، افزایش بار مورد نیاز بر روی سیستم و ... می‌باشد. بشر همواره تلاش کرده تا با کمترین هزینه مالی و زمانی از یک سازه برای مدت زمان طولانی استفاده کرده و از تخریب و جایگزینی آن جلوگیری کند. از این رو از روش‌های مقاوم‌سازی، نگهداری و ترمیم متنوعی بهره گرفته است. برای مثال در گذشته با تعویض پوشش کاه‌گلی ساختمان از نفوذ آب و در نتیجه تخریب دیوارها و سقف جلوگیری می‌کردند و یا در صورتی که احساس می‌کردند ممکن است سقفی به علت فرسودگی تیرهای چوبی و یا افزایش وزن دچار شکست خواهد شد با افزودن دیرک‌های چوبی (Pier) از این پدیده جلوگیری می‌کردند. باگذشت زمان و ورود مصالح جدیدتر در صنعت ساختمان نیازهای متنوعی برای ابداع روش‌های نگهداری و مستحکم سازی سازه‌ها احساس شد، برای مثال در ساختمان‌های بتنی با از بین رفتن روکش بتن و زنگ‌زدگی فولاد در محیط‌های خورنده جهت رفع مشکل مجبور به افزایش ابعاد مقطع و افزودن فولاد اضافه به آن شدند که منجر به معرفی روشی به نام ژاکت بتنی شد. با توجه به شرایط معماری گل‌ها افزایش مقطع ممکن نبوده لذا از فولاد که مشخصات مکانیکی بالاتری نسبت به بتن دارد برای ژاکت کردن عضو استفاده می‌شود. ولی همچنان مشکلات عدیده‌ای از جمله مسئله خوردگی فولاد و دشواری حمل و نصب این ژاکت‌ها و ... باعث شد نیاز به روش جدیدتر رفع نشود؛ لذا محققین با شناخت از مصالح جدیدتر که علاوه بر دارا بودن خاصیت مکانیکی برتر نسبت به فولاد، دارای مقاومت مناسب‌تر در برابر شرایط جوی هستند، روش‌های مدرن امروزی را پیشنهاد دادند. یکی از پرکاربردترین این روش‌ها استفاده از مصالح کامپوزیت (FRP) می‌باشد.

FRP در تقویت ستون‌های بتنی بسیار کاربرد دارد. می‌توان برای تقویت خمشی ستون‌ها، افزایش مقاومت مشخصه بتن و افزایش شکل‌پذیری (اثر محصورشدگی) به‌خوبی از مواد کامپوزیتی FRP بهره برد تا در مقابل بارهای لرزه‌ای (ناشی از زلزله) عملکرد بهتری داشته باشند. استفاده از سیستم FRP به علت ضخامت کم ورق‌های FRP، یکی از راه‌های مناسب برای تقویت ستون‌ها است چرا که در معماری ساختمان خللی ایجاد نمی‌نماید. تأثیر این روش در ستون‌های دایره شکل بسیار چشمگیر می‌باشد؛ حال آن‌که در ستون‌هایی با مقطع مربع یا مستطیل باید با گرد کردن گوشه‌ها، تأثیر مقاوم‌سازی با این روش را به حداکثر مقدار ممکن افزایش داد. قابل‌ذکر است که در اکثر مواقع برای مقاوم‌سازی از الیاف کربن CFRP استفاده می‌شود.

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.