مقاوم سازی ساختمان

سیستم‌های FRCM در بخش مقاوم سازی و تقویت سازه‌ها در برابر نیروهای جانبی و مهار دیوارها به عنوان یک فناوری جدید و معرفی می‌شوند. رویکردهای اساسی در فرآیند مقاوم سازی عبارت است از بهبود یکپارچگی ساختار بنایی، کاهش تاثیر بارگذاری خارجی و ارتقاء ظرفیت باربری هر عضو. سیستم‌های FRCM به دلیل عملکرد برتر در دماهای بالا، سازگاری بهتر با بستر و دوام بیشتر، جایگزین مناسبی برای سیستم‌های FRP هستند. با در دسترس بودن راهنمای طراحی ACI 549 انتظار می‌رود که استفاده از سیستم‌های FRCM برای تقویت سازه‌های بتنی و بنایی موجود به کار رود.

مقاوم سازی چیست؟

فرآیند ترمیم و افزایش مقاومت عضو پس از تولید و ساخت به عنوان مقاوم سازی ساختمان شناخته می‌شود. پس از ساخت و ساز ساختمان، کار مقاوم سازی ساختمان مستلزم ترمیم یا تعمیر سیستم سازه است. بهبود ایمنی و دوام سازه منجر به نیاز به مقاوم‌سازی ساختمان‌هایی می‌شود که در اثر خرابی‌ها و آسیب‌های ناشی از نیروهای لرزه‌ای تحت تاثیر قرار گرفته‌اند. در واقع هدف اولیه از مقاوم سازی، تقویت سازه های موجود و مقاوم سازی ساختمان‌ها آنها در برابر زلزله است.

زلزله یکی از مخرب ترین متغیرها می‌باشد که ساختار داخلی ساختمان را مختل می‌کند و باعث می‌شود که سازه استحکام و پایداری خود را از دست بدهد و زیان جانی و مالی به دنبال دارد. مقاوم سازی سازه به اصلاح سازه موجود برای محافظت از آن در برابر سیل یا خطرات دیگر مانند بادهای شدید و زلزله اشاره دارد. با تکنیک مناسب مقاوم سازی ساختمان می‌توان ظرفیت مورد نیاز سازه را دوباره بازیابی نمود.

هدف از مقاوم سازی چیست؟

مفهوم اساسی رویکردهای تقویت و مقاوم سازی عبارت است از کاهش تأثیر بارگذاری خارجی، ارتقاء ظرفیت تحمل بار هر عنصر و بهبود یکپارچگی ساختار بنایی سازه. عوامل محیطی بسیاری بر روی سازه‌ها تأثیر می‌گذارند که از بین این عوامل، زلزله به عنوان مخرب‌ترین عاملی است که ساختار داخلی ساختمان را به خطر می‌اندازد و به تدریج باعث کاهش مقاومت و پایداری ساختمان می‌شود. در نتیجه ساختمان ناامن شده و خسارات عظیمی ایجاد می‌کند.

خطر خوردگی آرماتور یکی از عوامل تخریب عناصر بتنی محسوب می‌شود که ترک‌ها را ایجاد کرده، مساحت موثر آرماتور را کاهش می‌دهد و پوشش بتنی را از بین ببرد و در نهایت منجر به فروپاشی عضو می‌شود.در موارد مختلفی با خسارت‌ها روبرو هستیم. در صورتی که ساختمان‌های خصوصی یا عمومی مانند دفترکار یا خانه به حدی آسیب ببینند، مهندسان عمران ترجیح می‌دهند ساختمان را تخریب و مجدداً بازسازی کنند. اما در مورد ساختمان‌های تاریخی و مهم، تخریب آن‌ها گزینه‌ مناسبی نیست و در این‌جا پدیده مقاوم سازی وارد می‌شود.

ساختمان‌های مصالح بنایی چیست؟

دسته‌بندی ساختمان‌های بنایی طبقه مبحث هشتم به سه گروه متفاوت انجام می‌شود: ساختمان بنایی مسلح، ساختمان بنایی غیر مسلح، و ساختمان بنایی محصور. سازه‌های بنایی از متریال‌های مختلفی مانند بتن، فولاد، مصالح سنگی و سیمانی تشکیل شده‌اند. می‌توان گفت که در اسکلت سازه بنایی از آجر، بلوک سیمانی، سنگ و آرماتورهای تقویتی استفاده می‌شود هر کدام از این متریال‌ها خواص مکانیکی و مقاومت مخصوص به خود را دارند و به علت ویژگی‌های منحصر به فردشان در مقاومت سازه بنایی نقش دارند.

به چه دلیل سازه بنایی نیاز به مقاوم سازی دارد؟

مصالح بنایی یکی از قدیمی‌ترین مصالح اساسی برای ساختمان سازی می‌باشد. سازه‌های بنایی غیر مسلح هنگامی که در معرض بارهای ناشی از زلزله، باد، ضربه قرار می‌گیرند عملکرد ضعیفی نشان می‌دهند و دچار شکست می‌شوند. یکی از اهداف تقویت و مقاوم سازی سازه‌های بنایی غیر مسلح (URM) کاهش آسیب پذیری در برابر بارهای جانبی القایی و نیروهای کششی است. در دهه‌های اخیر، تحقیقات فراوانی در زمینه تکنیک‌های مقاوم‌سازی و تقویت لرزه‌ای ساختمان‌ها با استفاده از مواد کامپوزیتی انجام شده است. این تحقیقات به ساختمان‌هایی که از مصالح بنایی استفاده می‌کنند، به عنوان یکی از اجزای اصلی سازه‌های جهان توجه خاصی دارند. بناهای تاریخی، تاسیسات و زیرساخت‌ها اکثراً بر مبنای مصالح بنایی ساخته شده‌اند.

در ابتدا سازههای بنایی بر اساس تجربه ساخته شد. این سازه‌ها اگر چه در برابر نیرو‌های فشاری مقاوم هستند ولی در برابر نیروهای جانبی یا کششی آسیب پذیر هستند. زلزله باعث ایجاد ترک در سازه‌های بنایی می‌شود که ممکن است در طول سازه پخش شود و خسارات جبران ناپذیری مانند ریزش به دنبال داشته باشد. به همین علت هدف اولیه در مقاوم سازی سازه‌های بنایی بهبود عملکرد سازه برای اطمینان از ایمن بودن آن‌ها در هنگام زلزله است.

روش‌های مقاوم سازی ساختمان بتنی و بنایی

در ترمیم، مقاوم سازی و بازسازی سازه‌های بتنی و بنایی، از روش‌ها و مصالح ساخت و ساز جدید و مرسوم استفاده می‌شود. این شامل سیستم‌های پلیمرتقویت شده با الیاف خارجی (FRP)، صفحات فولادی، روکش‌های بتن مسلح (RC)، پس تنیدگی و سیستم FRCM می‌شود.

مقاوم سازی سازه‌های بتنی و بنایی با روش FRCM :

کامپوزیت‌های ماتریس سیمانی تقویت شده با الیاف (FRCM) به عنوان یک فناوری بادوام و کارآمد مورد استفاده قرار می‌گیرند، به منظور ترمیم و تقویت سازه‌های بتنی و بنایی، همچنین دیگر ساختارهای سیمانی. روش FRCM (فیبر تقویت شده با ماتریس سیمانی) یکی از روش‌های مقاوم سازی خارجی سازه های بتنی و بنایی است. در این روش، ماتریس سیمانی با فیبر‌های مقاوم تقویت می‌شود که باعث افزایش مقاومت و انعطاف‌پذیری سازه می‌شود. سیستم FRCMبا نام تجاری TRM (Textile Reinforced Mortar) شناخته می‌شود که از الیاف شیشه‌ و الیاف کربن در ساختار آن استفاده می‌کند. استفاده از سیستم FRCM به این صورت است که ماتریس سیمانی، الیاف تقویت‌شده را بر روی سطح دیوار، سقف یا ساختارهای تشکیل‌دهنده سازه اعمال می‌شود. این عمل با هدف افزایش مقاومت و استحکام سازه صورت می‌گیرد.

مزایای مقاوم سازی به روش FRCM

از ویژگی‌های منحصر به فرد این روش می‌توان به ساختار سبک و نازکی که با ایجاد لایه‌های تقویتی تشکیل می‌شود، اشاره کرد. با این روش، سازه ها با حفظ ظاهر ظریف و زیبایی خود تقویت می‌شوند و از کاهش وزن ناشی از استفاده از مصالح سنگین جلوگیری می‌شود. استفاده از سیستم FRCM نه تنها می‌تواند عمر مفید ساختارها را بهبود بخشد، بلکه هزینه‌های نگهداری و تعمیر سازه‌ها را نیز به حداقل برساند. این روش با کاهش انرژی مصرفی، محیط زیست را نیز محافظت می‌کند. سیستم FRCM قابلیت تقویت دیوارها، سقف‌ها و سطوح بتنی، سیمانی، گچی، آجری و موارد مشابه را داراست.از دیگر مزایای روش کامپوزیت FRCM این است که این سیستم می‌تواند ساختارهایی با آسیب‌های سطحی مانند ترک‌ها یا پوسته شدگی را ترمیم و احیا کند. هم‌چنین، این روش قابلیت پیشگیری از وقوع انواع آسیب‌ها را در ساختمان فراهم می‌کند.

سیستم FRCM به عنوان یک راهکار پیشرفته برای تقویت ساختمان‌ها و افزایش مقاومت در برابر نیروهای جانبی و شرایط محیطی مخرب مورد تأیید است. این سیستم با استفاده از ماتریکس سیمانی تقویت شده با الیاف، ساختمان را در مقابل این تأثیرات حفاظت کرده و عمر مفید آن را بهبود می‌بخشد.

سیستم FRCM از چه بخش‌هایی تشکیل شده است؟

سیستم تقویتی FRCM از ترکیب اجزای مختلف تشکیل شده است که در ادامه ذکر شده است:

شبکه‌ الیافی FRP :

شبکه‌ی الیاف FRP که از الیاف مقاومت بالا مانند الیاف کربن و الیاف شیشه تشکیل شده است، یکی از اجزای اساسی سیستم FRCM است. وظیفه الیاف تحمل تنش‌های کششی است. این شبکه‌ی الیافی در ماتریس پلاستیکی (معمولاً رزین پلیمری) قرار گرفته و بر روی سطوح بتنی، سیمانی، گچی و غیره نصب می‌شود. استفاده از شبکه‌ی الیاف FRP باعث افزایش مقاومت و استحکام سازه‌ها، کاهش وزن ساختمان‌ها و افزایش دوام آن‌ها می‌شود.

مش کربن (Carbon Fiber Mesh):

این نوع مش که از جنس الیاف کربن است به دلیل ویژگی‌های ذاتی مانند مقاومت بالا در برابر کشش و فشار، استحکام بالا، وزن کم، مقاومت در برابر خوردگی به عنوان یک جزء اصلی در سیستم FRCM به کار می‌رود. مش کربن نسبت به دیگر انواع مش‌هایFRP، قوی‌تر و موثرتر است که برای تقویت سازه‌ها و سطوح بتنی، سیمانی، گچی و غیره استفاده می‌شود.

مش فایبرگلاس(fiberglass mesh) :

مش فایبرگلاس یک شبکه‌ی الیافی از روینگ‌ها یا رشته‌های الیاف شیشه است که خصوصیات مکانیکی بالا و مقاومت برتر نسبت به فولاد و بتن دارد. این نوع مش با مقاومت بالا در برابر خوردگی، انعطاف پذیری عالی، قابلیت تحمل بار بالا، وزن سبک و مقاومت در برابر حرارت و آب، در صنعت ساخت و ساز به عنوان یک ماده تقویتی سبک و با استحکام بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد. مش فایبرگلاس از نظر اقتصادی نیز مقرون به صرفه بوده و می‌تواند هزینه‌ها و زمان اجرای پروژه را کاهش دهد. الیاف شیشه انواع مختلفی دارد که برای محیط‌های قلیایی از نوعAR-Glass استفاده شود. با توجه به خصوصیات گفته شده، می‌توان آن را به عنوان یک انتخاب اقتصادی با عملکرد عالی در سیستم FRCM معرفی کرد.

ماتریس سیمانی یا پلاستر سیمانی:

یکی دیگر از اجزای اصلی سیستم FRCM، پلاستر سیمانی به عنوان یک ماده چسبنده و تثبیت‌کننده شبکه‌ی الیافی استفاده می‌شود. این ماتریس باعث می‌شود که مش یا توری فایبرگلاس به سطوح بتنی یا سیمانی زیرین متصل شود. ماتریس سیمانی از سیمان، آب، سنگدانه و مواد پرکننده با فرمولاسیون و ترکیبات مهندسی شده می‌باشد که باعث بهبود عملکرد سیستم FRCM می‌شود.

وظیفه ماتریس سیمانی محصور کردن و محافظت از الیاف و انتقال تنش از بستر بتن یا بنایی به الیاف است. انتقال تنش از طریق پیوند بین بستر و ماتریس و اتصال مکانیکی بین مش الیافی و ماتریس انجام می‌شود. ترکیب ماتریس سیمانی برای عملکرد بهتر سیستم FRCM بسیار مهم است. ماتریس و پلاستر ویژه باید به راحتی با ماله اجرا شود و در منافذ مش نفوذ کند و برای اجرا روی سطوح عمودی چسبناک باشد. هم‌چنین در ماتریس سیمانی می‌توان از الیاف خرد شده برای کاهش ترک خوردگی انقباض پلاستیک استفاده شود.

با استفاده از اجزای مذکور، سیستم FRCM به عنوان یک روش موثر و پیشرفته در تقویت و افزایش مقاومت ساختمان‌های مختلف مانند بتنی، سیمانی، گچی و آجری به کار می‌رود. این روش قادر است مشکلات سطحی سازه‌ها مانند ترک‌ها و پوسته‌شدگی را ترمیم و احیا کند. علاوه بر این، با استفاده از این روش، ساختمان‌ها مقاومت بیشتری در برابر نیروهای جانبی و شرایط محیطی مخرب به دست آورده‌اند. استفاده از این روش منجر به افزایش مقاومت ساختمان‌ها در برابر نیروهای جانبی و شرایط محیطی مخرب می‌شود. استفاده از این روش منجر به بهبود عمر مفید ساختمان‌ها و افزایش مقاومت آن‌ها در برابر نیروهای جانبی و شرایط محیطی مخرب می‌گردد.

به چه دلیل امروزه سیستم FRCM بر روش FRP در مقاوم سازی سازه‌ها ارجحیت دارد؟

سیستم‌های پلیمری تقویت شده با الیاف (FRP) یکی از فناوری‌های نوین برای تعمیر و تقویت بتن می‌باشد. سیستم‌های FRP دارای ویژگی‌هایی مانند استحکام کششی بالا، وزن سبک، نصب آسان و مقاومت در برابر خوردگی هستند. با این وجود سیستمFRP دارای محدودیت‌هایی می‌باشد که مانع استفاده از آن‌ها برای برخی کاربرد‌ها می‌شود. یکی از این محدودیت‌ها دمای بالا می‌باشدکه کارایی سیستم‌های FRP را به خطر می‌اندازد. هم‌چنین کاربرد آن روی سطوح مرطوب یا در دماهای پایین محدود می‌شود و سیستم‌های FRP معمولاً به عنوان یک مانع بخار عمل می‌کنند.

محدودیت‌ها مرتبط با ماتریس اپوکسی استفاده شده برای چسباندن الیاف FRP هستند، بنابراین سیستم FRCM (fabric reinforced cementitious matrix) به عنوان یک جایگزین بهتر برای بهبود عملکرد مطرح شده است. این سیستم جدید به نام ماتریس سیمانی تقویت شده با پارچه (FRCM) نیز شناخته می‌شود. اولین استفاده و کاربردTRC و TRM در اواخر دهه 1990 در اروپا در کاربردهای جدید ساختمانی مانند عناصر قالب دائمی، نماها، مخازن و مهارها گزارش شد.

افزایش انعطاف‌پذیری، عدم حساسیت به عوامل محیطی، پایداری در برابر حرارت و رطوبت، و همچنین طول عمر بیشتر، از مزایای جذابی است که سبب جلب توجه به روش FRCM برای مقاوم‌سازی سازه‌های بنایی و بتنی می‌شود. مزایایی چون افزایش انعطاف‌پذیری، عدم حساسیت به عوامل محیطی، پایداری در برابر حرارت و رطوبت، و همچنین طول عمر بیشتر، باعث توجه به روش FRCM برای مقاوم‌سازی سازه‌های بنایی و بتنی گردیده است.

مزایای استفاده از سیستم FRCM کدام است؟

به طور خلاصه مزایای مقاوم سازی با سیستم FRCM عبارتند از:

• سازگاری با خواص شیمیایی، فیزیکی و مکانیکی بستر بنایی و بتنی
• اجرای پلاسترکشی آسان سطح
• افزایش انعطاف پذیری وشکل پذیری سازه و جلوگیری از شکست
• عبور آسان هوا و رطوبت از به علت ساختار متخلخل
• عملکرد خوب در دماهای بالا به علاوه نسبت به مقاومت جزئی در برابر آتش
• سهولت برگشت پذیری (یعنی توانایی بازگرداندن ترمیم بدون آسیب رساندن به ساختار اصلی)
• مقاومت در برابر خوردگی و ترک خوردگی
• مهار سازه بنایی در برابر نیروهای جانبی

کاربرد سیستم FRCM در ساز‌ه‌های بتنی و بنایی

سیستم‌های FRCM یک گزینه بسیار مناسب برای تقویت خمشی و برشی اعضای بتنی و بنایی هستند. به طور کلی، با استفاده از سیستم‌های FRCM، استحکام تیرها یا دال‌های بتن مسلح افزایش می‌یابد. دیوارهای بنایی تقویت نشده با این سیستم و عناصر مشابه تقویت شده با FRP قابل مقایسه هستند. احتمالاً می‌توان دیوارهای بنایی تقویت نشده با این سیستم را با عناصر مشابه تقویت شده با FRP مقایسه کرد.

در عناصر تقویت شده با FRP، خرابی معمولاً ناشی از جدا شدگی این عناصر از بستر بتن یا ساختمان است. به عنوان مقابل، در سیستم FRCM، مشکل جدا شدگی از بنا معمولاً به وجود نمی‌آید و خرابی به دلیل این عامل رخ نمی‌دهد. همچنین‌طبق آیین نامه CNR DT-215 کاربرد سیستم FRCM در سازه‌‌های بتنی و بنایی شامل موارد زیر می‌شود:

مقاوم سازی پنل‌های بنایی

در مورد مقاوم سازی بنایی می‌توان از سیستم‌های FRCM بر روی دیوارهای بنایی بتنی و سفالی استفاده کرد. ماتریس‌های سیمانی FRCM با بسترهای بنایی سازگاری بیشتری دارند. عناصر بنایی بارها در معرض قرار گرفتن مداوم در معرض رطوبتی هستند که از ضخامت دیوار عبور می‌کنند. تخلخل و نفوذ پذیری ماتریس سیمانی باعث می‌شود که رطوبت در بستر مورد نظر حبس نشود. اعمال سیستم تقویت‌کننده FRCM بر روی سطوح دیوار، به عنوان یک روش، می‌تواند ظرفیت برشی، لنگر محوری، و خمشی دیوار بنایی را افزایش دهد. این افزایش می‌تواند با اتخاذ یک طرح پیوسته یا ناپیوسته رخ دهد.

تقویت طاق‌ها و قوس‌ها

طاق‌ها و قوس‌های بنایی را می‌توان با اعمال FRCM در هر دو قسمت داخلی و خارجی المان تقویت کرد. هدف از این کار جبران کمبود ظرفیت کششی سازه بنایی و جلوگیری از باز شدن ترک‌های ماکرو می باشد.

تیرهای کف و سقف

به منظور جلوگیری از فروپاشی و افزایش مقاومت برای تیرهای موجود در کف و سقف از مش‌‌های الیافی که در داخل ملات بستر مدفون می‌شوند استفاده می‌شود.

محصور کردن ستون‌های بتنی

پیچاندن عناصر تحت فشار تک محوری یا تحت فشار و خمش حداقلی باعث افزایش شکل پذیری عنصر و افزایش ظرفیت باربری آن می‌شود. نوارهای مش می‌توانند پیوسته یا ناپیوسته باشد.

طرح اختلاط ماتریس سیمانی FRCM چگونه است؟

اختلاط ماتریس ملات باید مطابق با روش توصیه شده سازنده سیستم FRCM انجام شود. سازنده نسبت‌های اختلاط را طبق روش و زمان و نوع مخلوط تعیین می‌کند. تجهیزات لازم برای طرح اختلاط می‌تواند شامل میکسر‌های ملات کوچک، واحدهای ویژه یا همزن‌های دستی باشد، در صورتی که توسط سازنده مجاز باشد. بچینگ برای حفظ حالت پلاستیک ملات باید به اندازه کافی کم باشد. افزایش عمر پلاستیک محصول باعث افزایش ویسکوزیته می‌شود، که به نوبه‌ی خود منجر به تأثیر منفی بر نفوذ ملات به مش فایبرگلاس تقویت‌کننده می‌گردد.

روش اجرای سیستم FRCM بر اساس ACI549

روش اجرای سیستم FRCM بر اساس ACI549 عبارت است از:

• برای آماده‌سازی سطح، نیاز به زبرکردن و ترازکردن سطح وجود دارد. آماده‌سازی سطح زیرلایه‌های بنایی معمولاً بدون نیاز به زبری انجام می‌شود. در صورت وجود ناهمواری بر روی سطح (کمتر از 2 میلی‌متر) پیش از اعمال مش فایبرگلاس می‌توان با استفاده از ملات سطح را تسطیح نمود.
• سیستم‌های FRCM معمولاً با استفاده از روش دستی با استفاده از یک ماتریس سیمانی با مش الیافی طبق توصیه های سازنده نصب می‌شوند.
• نوارهای مش در ابعاد مورد نظر برش داده و بر روی سطح قرار می‌گیرند
• پلاستر ویژه مش و مش الیافی به طور مستقیم بر روی عضو در حال تقویت قرار می‌گیرند. پلاستر سیمانی به یکنواختی بر روی تمام سطوح آماده شده اعمال می‌شود. مش تقویت کننده به آرامی در ماتریس فشرده جا می‌افتد.
  در صورتی که نیاز به‌ لایه‌های دیگر مش باشد، لایه‌های متوالی ماتریس سیمانی و مش قبل از گیرش کامل لایه قبلی بر روی سطح قرار می‌گیرند.

سیستم وال مش چیست؟

سیستم وال مش در واقع زیر مجوعه سیستم FRCM است با این تفاوت که از سیستم وال پست مش الزاما برای مهار دیوار غیرسازه‌ای در برابر نیروهای جانبی مانند زلزله و باد استفاده می‌شود. نحوه اجرا به این صورت می‌باشد که در ابتدا مش‌های FRP بر روی سطح قرار می‌گیرند و با لایه‌ای از پلاستر سیمانی یا گچی مدفون می‌شوند. در صورت استفاده از پلاستر سیمانی به علت خاصیت قلیایی استفاده از مش فایبرگلاس از نوع AR-glass و برای پلاستر گچی از مش E-Glass استفاده می‌شود. هم‌چنین از مصالح جدا کننده قاب از دیوار برای مهار آن استفاده می‌شود. ایده وال پست مش بسیار مقرون به صرفه و اجرایی است و در مدت زمان کوتاه انجام می‌شود و عملکرد بهتری در آینده دارد.

جمع بندی

استفاده از سیستم FRCM به عنوان گزینه‌ی مناسب برای تقویت و افزایش مقاومت سازه‌های بنایی و بتنی توصیه می‌شود؛ این انتخاب به دلیل ویژگی‌هایی نظیر مقاومت حرارتی، سازگاری با بستر، و دوام بلند مدت، اولویت بالایی دارد. هم‌چنین مقاومت کم FRP در برابر آتش و اشعه ماورا بنفش در معرض هوای آزاد باعث شد که ماتریس سیمانی تقویت‌شده با الیاف (FRCM) بر اساس استفاده از تقویت‌کننده‌های الیافی تعبیه‌شده آن بر معایب مشاهده‌شده برای FRP ها غلبه کند. به همه این دلایل، استفاده از سیستم‌های FRCM برای تقویت سازه‌های بتنی و بنایی موجود نسبت به سیستم FRP ارجحیت دارد. علاوه بر این، مطالعات تحقیقاتی طول عمر فیبر شیشه ای مقاوم در برابر قلیایی (AR) را در ماتریس سیمانی ثابت کرده است.