به طور کلی عناصر مقاوم در برابر نیروهای زلزله در سازههای بتنی ، ممکن است بصورت قاب خمشی ، دیوار برشی و یا ترکیبی از هر دو باشد. از قاب خمشی بعنوان عنصر مقاوم در برابر زلزله احتیاج به رعایت جزییات خاصی دارد که شکل پذیری قاب را تامین کند.این جزییات از لحاظ اجرایی، اغلب دست و پا گیر بوده و در صورتی میتوان از اجرای دقیق آنها مطمئن شد که کیفیت اجرا و نظارت در کارگاه بسیار مطلوب باشد.
از این رو استفاده از دیوار برشی بعنوان روشی مطمئنتر برای مقابله با نیروهای جانبی در سازههای بتنی از دهه1950 رواج یافته است.
در حال حاضر با توجه به زیاد شدن سن بسیاری از ساختمانهای بتنی که در زمان ساخت و طراحی آنها ، پیشرفتهای چشمگیری در زمینه طراحی سازه در برابر زلزله بدست نیامده بود و آئین نامه های موجود در آن زمان ناقص و ناکارآمد بود ، بحث مقاومسازی و ارتقای سطح سازههای بتنی مورد توجه قرار گرفته است. هم اکنون بسیاری از ساختمانهای دارای دیوار برشی در صورت وقوع زلزله دچار آسیب جدی و حتی انهدام میشوند، زیرا بررسیهای اخیر و دانش امروز نشان داده است که بسیاری از دیوار برشی احداث شده در سالهای قبل ، به دلیل کمبود مقاومت خمشی و برشی و به ویژه شکلپذیری ، آسیبپذیر و ناکارا هستند. در این راستا نیز بسیاری از این ساختمانها به پایان عمر مفید خود نزدیک شدهاند و این مطلب موضوع را پیچیده و دشوارتر میکند.
در طی سی سال اخیر روشهای متعددی برای مقاومسازی دیوارهای برشی ، پیشنهاد شده یا مورد آزمایش قرارگرفته است برخی از این روشها عبارتند از افزایش ضخامت دیوار برشی با روش شاتکریت ، پرکردن بازشوها با بتن مسلح ، احداث و اضافه کردن دیوار دیواربرشی جدید در مجاورت دیوار برشی قبلی و نیز استفاده از المانهای مهارکننده فولادی برای دیوار.
تحقیقات نشان میدهد که روش پوشاندن دیوار با بتن جدید اگرچه سبب افزایش باربری قائم دیوار میشود ولی برای افزایش سختی جانبی موثر نیست.
استفاده از ورقهای فولادی مهارشده بعنوان راهحلی دیگر سبب افزایش سختی جانبی دیوار برشی میشود، اما از نظر معماری و زیبایی، غیرقابل قبول و نامطلوب است، زیرا سبب بهم خوردن نمای خارجی یا داخلی ساختمان و نیز کاهش سطح و فضای قابل استفاده و مفید ساختمان میشود.
بنابراین هر دو تقویت سبب افزایش چشمگیر وزن ساختمان و در نتیجه افزایش نیروهای وارد بر آن میشود. همچنین این پوشش ها هزینه زیادی دارند و نیازمند ابزار و امکانات در طول مدت اجرای آنها میباشد که این سبب مختل شدن فعالیتها و کاربری روزمره ساختمان و ساکنان میشود.
عملکرد دیوار برشی
در صورتی که ارتفاع دیواربرشی کم باشد، اغلب نیروی برشی حاکم بر طراحی خواهد بود، اما اگر ارتفاع دیوار برشی زیاد باشد ، لنگر خمشی حاکم بر طراحی خواهد بود. به هر حال دیوار باید برای هر دو نیروی خمشی و برشی کنترل و در مقابل آن تقویت شود.
برخلاف عنوان برشی برای این سیستم رفتارهای دیوارهای برشی با نسبت بعدی بیش از 2 (ارتفاع به طول) بیشتر بصورت تیر طره است و جابجاییهای ناشی از خمش در آن حاکم است.
در این حالت دیواربرشی بصورت یک تیر طرهای بسیار قوی که پای آن گیردار است ، در مقابل نیروهای جانبی مقاومت میکند و آنها را به پی منتقل میکند. بطورکلی نیروهایی که یک دیوار برشی تحت آن قرار میگیرندشامل نوارد زیرند:
- نیروی برشی متغیر با حداکثر مقدار در پایه
- لنگر خمشی متغیر با حداکثر مقدار در پای دیوار
- نیروی محوری فشاری ناشی از وزن طبقات
شکست خمشی به طور معمول با تسلیم میلگرد همراه است. در شرایط خاص که دیوار تحت نیروی فشاری زیادی قرار میگیرد ، شکست خمشی با خرد شدن بتن فشاری همراه است که در این حالت علاوه بر کاهش سختی کاهش مقاومت نیز به وجود می آید.
دیوارهایی که نسبت بعدی (ارتفاع به طول) کمی دارند، دچار شکست برشی میشوند، در این حالت ترکهای قطری ظاهر میشوند. مود شکست در این حالت بصورت ترد در پای دیوار رخ میدهد.
تقویت دیوار برشی با استفاده از FRP
دیوارهای برشی بتن آرمه نوعی سیستم سازه ای شامل بتن و میلگرد های فولادی با سختی بسیار زیاد است. آنها مقاومت جانبی ساختمان ها یا سازه ها را در برابر بارهای جانبی (نیروهای برشی و لحظه های خمش)، به ویژه بارهای زلزله، تأمین می کنند. دیوارهای برشی بتن آرمه با ویژگی های سازه ای مناسب به عنوان اعضای اصلی ساختمان های بتنی مسلح متوسط و بلند در برابر نیروهای زلزله در نظر گرفته می شوند، اما به دلیل محدودیت های معماری، استفاده از دهانه در دیوارهای برشی اجتناب ناپذیر است. با خسارات سازه ای در طول زمان، اجرای ضعیف و عدم اجرای صحیح، تغییر در هندسه دیوارها مانند باز شو و سایر عوامل، مقاوم سازی ساختمان های بتن آرمه موجود بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این بین، مقاوم سازی دیوارهای برشی بتن آرمه، به عنوان اعضای اصلی تحمل ساختمان ها، ضروری است. در این راستا از روش های مختلفی مانند افزایش سطح مقطع و ژاکت فلزی جهت مقاوم سازی دیوارهای بتن آرمه استفاده شده است. این روش ها با اشکالاتی مانند اضافه کردن وزن به سازه، ایجاد اختلال در استفاده از ساختمان در حین اجرا و تغییر در سختی جانبی و توزیع بار در ساختمان همراه هستند. به دلیل خواص سازه ای منحصر به فرد مانند مقاومت در برابر وزن های زیاد، مقاومت عالی در برابر خوردگی و اجرای آسان، در سال های اخیر از ورق های FRP به طور گسترده ای برای مقاوم سازی ساختمان های بتن آرمه استفاده شده است. به طور خاص، دیوارهای برشی تقویت شده با ورق های FRP به عنوان یک روش مقاوم سازی جدید در نظر گرفته می شود.
حالت شکست دیواری که دارای ضعف خمشی میباشد، با شروع ترکهای کششی بصورت افقی در لبههای دیوار نزدیک پای دیوار ایجاد میشود. پس از آن خارجیترین آرماتورهای کششی تسلیم میشوند.
نتایج نشان میدهد که تقویت خمشی دیوار با صفحات FRP سبب افزایش مقاومت در برابر ترک خوردگی ، مقاومت تسلیم، سختی ثانویه در هنگام تسلیم و افزایش مقاومت نهایی دیوار میشود.
نوع شکست نیز به حالت شکلپذیر خمشی است و شکست آن بصورت خرد شدن پنجهدیوار تحت فشار رخ میدهد. نتایج نشان میدهدتا پیش از ترک خوردن بتن و جاری شدن فولاد داخل دیوار ، مشارکت FRP در تحمل بارهای وارد کم است، اما پس از جاری شدن فولاد خمشی و ترک خوردن بتن کششی ، سهم FRP در تحمل خمش وارد به عضو به نحو چشمگیری افزایش مییابد.
حالت شکست در این نوع تقویت تا لحظهای که FRP از روی سطح بتن جدا شده، شکلپذیر است ولی پس از آن کاهش شدید در ظرفیت باربری عضو پدید می آید.
در صورتیکه از هر دو تقویت برشی و خمشی بصورت قرارگیری الیاف بطور افقی و قائم بر روی دیوار بصورت همزمان استفاده شود، افزایش در بار تسلیم، سختی ثانویه مقاومت نهایی و شکلپذیری بیشتر از حالت های قبل خواهد بود. در این سیستم قرارگیری الیاف بصورت افقی خود مهارکننده الیاف خمشی است.
تقویت برشی
برای جبران ضعف برشی دیوار، صفحات FRP در راستای طول دیوار موازی با آرماتورهای عرضی بصورت افقی در دو وجه دیوار نصب میشوند. نحوه عملکرد FRP بدین صورت است که پس از ایجاد ترک برشی در بتن ، کرنش در FRP در آن منطقه افزایش مییابد و نیروها به FRP منتقل میشود.
نتایج تحقیقات نشان میدهد که تقویت برشی دیوار با FRP سبب افزایش مقاومت تسلیم و مقاومت نهایی و شکل پذیری دیوار میشود. ظرفیت برشی FRP در این حالت براساس ظرفیت برشی مقاطع مستطیل شکل دورپیچ شده با FRP مشخص میشود.
پوشش FRP می‌تواند در کنار بتن و آرماتور دیوارها به مقاومت برشی دیوار بیفزاید. ورقهای FRP در راستای طول دیوار، موازی با آرماتورهای عرضی به صورت افقی در دو وجه دیوار نصب می‌گردد. پس از ایجاد ترک برشی در بتن، کرنش در FRP افزایش یافته و نیروها را جذب می کند. این امر سبب افزایش مقاومت تسلیم، مقاومت نهایی و شکل پذیری دیوار می‌گردد.
تقویت خمشی
برای جبران ضعف خمشی دیوار ، صفحات FRP در راستای ارتفاع دیوار موازی با آرماتورهای طولی بر روی آن بطور قائم نصب میشوند. روش نصب بطور معمول به این صورت است که FRP در نحوه همکاری این الیاف در تحمل خمش وارد بر دیوار ، همانند نقشی است که آرماتورهای اصلی(قائم) دورن دیوار ایفا میکنند، در صورتی که FRP به منظور افزایش مقاومت خمشی بر روی دیوار به صورت ارتفاعی استفاده شود، باید انتهای آن به نحو مناسبی در پای دیوار مهار شود تا نیروی درون این صفحات به تکیهگاه پای دیوار انتقال یابد. برای مهار انتهای صفحات خمشی میتوان از یک مقطع نبشی فولادی در مجاورت تکیهگاه دیوار، یا از یک صفحه برشی FRP عمود بر لایه FRP خمشی در انتهای لایه استفاده کرد.
بدین منظور الیاف FRP در راستای ارتفاع دیوار، موازی با آرماتورهای طولی بر روی آن بطور قائم در دو وجه دیوار نصب می‌گردد. لازم است که انتهای آن به نحو مناسبی در پای دیوار مهار گردد تا نیروهای درون این صفحات به تکیهگاه پای دیوار انتقال یابد. برای مهار انتهای صفحات خمشی میتوان از یک مقطع نبشی فولادی در مجاورت تکیه گاه دیوار که بر آن پیچ می‌گردد استفاده کرد.
استفاده از پوشش FRP در دیوارهای برشی یک روش کارآمد و منطقی برای تقویت دیوارهای برشی با طراحی ضعیف برای مقابله با بارهای لرزه ای است. از آنجا که بازشو های دیوار برشی تأثیر زیادی در رفتار آنها دارد ، تقویت و مقاوم سازی دیوارها با بازشو از اهمیت بالایی برخوردار است. الگوهای مختلف آرماتور بندی و ضخامت های مختلف ورق های FRP اثرات متفاوتی بر رفتار سازه ای و دیوار های برشی دارد. تقویت با ورق های FRP یکی از روش های موثر برای بازسازی دیوار های برشی بتن با باز شو است که امروزه بسیار مورد توجه قرار گرفته است.
دیوارهای برشی بتن آرمه نیز یکی از متداول ترین سیستم هایی هستند که در برابر بارهای جانبی در ساختمان های بتنی مقاومت می کنند. در هنگام زلزله، دیوارهای برشی با کاهش جابجایی کف ساختمان های بلند بتنی نقش عمده ای در کاهش شدت آسیب لرزه ای دارند. از دیگر مزایایی که دیوارهای برشی را به یک سیستم مقاوم در برابر بار جانبی تبدیل می کند، سادگی ساخت و هزینه کم آنها است. دیوار های برشی باید به دقت طراحی شوند تا نه تنها مقاومت کافی، بلکه شکل پذیری کافی نیز داشته باشند تا از شکست ترد تحت بارهای جانبی قوی جلوگیری شود. بسیاری از دیوارهای برشی در سراسر جهان در اثر زمین لرزه های قبلی آسیب دیده اند و یا از نظر جزئیات در طراحی ضعیف هستند و یا دارای ضعف در ساخت هستند و به سرعت نیاز به بازسازی دارند. از الیاف پلیمری مقاوم سازی شده FRP به دلیل نسبت مقاومت به وزن بالا، مقاومت در برابر خوردگی، خستگی مناسب، به طور گسترده ای در جهت تقویت و مقاوم سازی سازه های بتنی استفاده شده است.
از سیستم های FRP می توان برای مقاوم سازی برشی و خمشی دیوارها، محافظت حین لرزه و انفجار، ترمیم آسیب، جایگزینی فولاد خراب، ضد آب کردن و غیره استفاده کرد.
شیشه و کربن FRP برای انواع مختلف دیوارها، از جمله بتن، آجر، مصالح بنایی غیر مسلح راه حل های ترمیمی و مقاوم سازی ایده آل ارائه می دهد. یکی دیگر از کاربردهای معمول FRP مقاوم سازی ناحیه های اطراف بازشوهای دیوار است که ممکن است لازم باشد برای درها و پنجره ها ایجاد شود.
ورق های نازک FRP با ضخامت تقریبی 1.3 میلی متر را می توان مشابه کاغذ دیواری برای مقاوم سازی دیوار استفاده کرد. این مواد در طی یک روز عمل آوری می شوند و به مقاومت کششی سه برابر فولاد می رسند. مهندسان طراح سازه تعداد و جهت الیاف موجود در هر لایه از پارچه FRP را تعیین کرده و نقشه های مهندسی را برای اینگونه ترمیم ها ارائه می دهند.
افزایش شکل پذیری دیوار
کمبود شکل پذیری به عنوان عمده ترین ضعف دیوارهای برشی موجود برای مقابله با نیروی جانبی زلزله محسوب می‌گردد. از جمله مهمترین علل این کمبود می توان به وصله آرماتورهای طولی در نواحی مستعد تشکیل مفصل پلاستیک، محصور شدگی ناکافی در نواحی مرزی و مهار ناکافی آرماتورهای عرضی اشاره نمود. حالت شکست در این حالات به صورت ناگهانی و ترد می باشد و منجر به افت شدید ظرفیت باربری می گردد.
ضعف در شکل پذیری مهمترین ضعف دیوارهای برشی موجود برای مقابله با نیرویجانبی محسوب میشود. از جمله مهمترین علل این کمبود میتوان به وصله آرماتورهای طولی در نواحی مستعد تشکیل مفصل پلاستیک ، محصور شدن ناکافی در نواحی مرزی و مهار ناکافی آرماتورهای عرضی اشاره کرد. حالت شکست در این حالتها بصورت ناگهانی و ترد است و به افت شدید ظرفیت باربری منجر میشود.
بطورکلی برای رسیدن به شکل پذیری مناسب باید از تمام حالتهای شکست ترد جلوگیری کرد. از طرف دیگر انرژی وارد به دیوار نیز باید از طریق ایجاد مفصل پلاستیک در ارتفاع دیوار جذب و مستهلک گردد. بنابراین در نواحی مستعد تشکیل مفصل پلاستیک، لازم است که المانهای مرزی به نحو مناسبی محصور گردند و از کمانش آرماتورهای طولی دیوار در این قسمتها نیز جلوگیری کرد. در صورتی که FRP برشی بصورت کامل از طریق دورپیچ دیوار (محصورشدن خارجی) و یا اتصال FRP برشی در دو وجه دیوار با بولت که سبب محصور شدن داخلی دیوار میشود انجام پذیرد، FRP برشی سبب محصور شدن آرماتورها میشود. دورپیچ FRP در این حالت به واقع سبب محصور کردن و محدودکردن ترکهای ایجاد شده در راستای آرماتورهای طولی میشود. بطورکلی افزایش ظرفیت برشی دیوار با FRP باید به حدی باشد که امکان تشکیل مفصل پلاستیک در طول دیوار بدون شکست برشی فراهم شود.
رفتار بار-تغییر مکان دیوار تقویت شده در محل وصله به کمک حلقههای هیسترتیک نشان میدهد که مقدار زیادی خمش غیرالاستیک در پای دیوار پدید میآید که سبب جذب انرژی بسیار زیادی میشود. همچنین رفتار هیسترتیک دیوارهای تقویت شده با FRP با استفاده از نمودار بار-تغییرمکان نشان میدهد که تقویت با FRP روشی موثر برای افزایش محصور شدن المانهای مرزی و مهارکردن آرماتورهای عرضی دیوار میباشد.
مزایای مقاوم سازی دیوار برشی با FRP
1.عدم افزایش وزن دیوار
2.عدم افزایش ابعاد دیوار
3.استفاده همزمان از الیاف FRP برای مقاوم سازی و عایق رطوبتی
4.اجرای آسان
5.افزایش مقاومت خمشی و برشی دیوار
6.افزایش سختی سازه
سلام وقت بخیر
برای مهار انتهایی الیاف روی دیوار چه راه هایی وجود دارد؟؟
با درود فراوان
برای مهار انتهای صفحات خمشی میتوان از یک مقطع نبشی فولادی در مجاورت تکیه گاه دیوار که بر آن پیچ می‌گردد استفاده کرد.