پروژه و تحقیق : مقاوم‌سازی لرزه‌ای سازه‌های بتنی با FRP

فایل زیر شامل

۱- عدد فایل ورد (قابل ویرایش) به تعداد ۲۴ صفحه است(این فایل برای پروژه کارشناسی بسیار عالی است و فرمت بندی کامل را دارد)

پروژه و تحقیق : مقاوم‌سازی لرزه‌ای سازه‌های بتنی با FRP

قسمتی از متن

 

چکیده

وقوع زلزله‌های اخیر در کشورمان که موجب ایجاد خرابی‌های بسیار و نیز از دست‌رفتن جان بسیاری از هموطنان گشت، نشانگر وسعت زیاد آسیب‌پذیری و وجود ضعف‌های بسیار در ساختمان‌های موجود بود. لذا انجام مقاوم‌سازی و بهسازی لرزه‌ای برای اکثر ساختمان‌ها امری ضروری می‌باشد و بایستی سریعاً به انجام مطالعات آسیب‌پذیری ساختمان‌ها پرداخت تا از تکرار فاجعه‌ای دیگر جلوگیری نمود. این مقاوم‌سازی برای سازه‌های مختلف انجام می‌گیرد و از میان آنها سازه‌های بتنی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است چرا که بسیاری از ساختمان‌های مسکونی ایران با این اسکلت بنا شده‌اند. مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی با سه رویکرد مختلف اضافه‌کردن عضو جدید، ترمیم با تقویت موضعی و یا استفاده از سیستم‌های هیبریدی جدید انجام می‌گیرد. شناخت FRP ، فیبرها و رزین‌های تشکیل‌دهنده آن، به دلیل وسعت کاربرد و اهمیت آن‌ها در فرآیند مقاوم‌سازی، در کسب دانش مقاوم‌سازی بسیار مهم‌اند. از جمله کاربردهای FRP می‌توان به تقویت دیوارهای بتن‌آرمه، تقویت دیواره تونل‌ها، تقویت لوله‌های بتنی یا فولادی، تقویت دیوارهای آجری و مصالح سنتی، ساخت دیوارهای ساحلی، سقف‌های پشت‌بام‌های صنعتی، نشمین‌گاه تجهیزات راکتورها، سیستم دال کف در محیط‌های خورنده شیمیایی، مرمت و تقویت سازه‌های مهمی چون بیمارستان‌ها، آثار باستانی و غیره اشاره کرد. 

 

کلیدواژه‌ها: بهسازی لرزه‌ای، مقاوم‌سازی، آسیب‌پذیری، سازه ‌بتن‌آرمه، FRP

مقدمه

در باب تاریخچه مقاوم‌سازی می‌توان گفت که پس از زلزله ۱۹۷۱ سانفرناندو در کالیفرنیا، زلزله ۱۹۸۹ لوما پریتا در سانفرانسیسکو، زلزله نورثریج در سال ۱۹۹۴ و زلزله ۱۹۹۵ کوبه، تغییرات عدیده‌ای در آیین‌نامه طراحی لرزه‌ای به خصوص در مناطق با لرزه‌خیزی بالا به‌وجود آمد. سازه‌های بتن‌آرمه موجود برای بارهای گرانشی و بارهای جانبی کمتر از آیین‌نامه‌های اخیراً طراحی‌شده بودند و مشکلاتی چون عدم هم‌پوشانی و پیوستگی آرماتورهای طولی تیرها و ستون‌ها، فواصل زیاد آرماتورهای عرضی و سنجاقی‌ها و خاموت‌های باز با خم ۹۰ درجه، کیفیت اجرای نامطلوب اعضای باربر، ازدحام آرماتورها در محل اتصالات، عدم تأمین پوشش کافی، فقدان محصورشدگی در ناحیه مفصل خمشی و … در پیکربندی و جزئیات سازه‌های طراحی‌شده قبل از سال ۱۹۷۰ به وضوح دیده می‌شد. تا این‌که در دهه ۹۰ میلادی اداره فدرال مدیریت شرایط اضطراری FEMA بر اثر تحقیقات انجام‌شده اقدام به ارزیابی لرزه‌ای و روش‌های تقویت سازه‌های موجود نمود و نتایج این تحقیق را در قالب آیین‌نامه‌هایی ارائه داد، چرا که تا آن زمان بیشتر ساختمان‌های ساخته‌شده در ایالات متحده امریکا، در برابر زلزله ایمن نبودند.

متأسفانه بسیاری از ساختمان‌های موجود در کشور ما نیز، از مقاومت کافی در برابر نیروهای زلزله برخوردار نیستند؛ که این امر خرابی ناشی از زمین‌لرزه‌های آتی را تشدید خواهد کرد. برای جلوگیری از بروز چنین خسارت‌هایی، یک‌ راه‌حل منطقی و اقتصادی، مقاوم‌سازی ساختمان‌های موجود است. شناخت ساختمان‌های آسیب‌پذیر در برابر زلزله مرحله پیشین و بسیار مهم در جهت مقاوم‌سازی است، ‌خصوصاً در میان ساختمان‌های چهار طبقه غیرایمن، که بیشترین میزان خرابی را در هنگام زلزله دارند، و متأسفانه بخش زیادی از بافت مسکونی کلانشهرهای ما، خصوصاً تهران، را تشکیل می‌دهند. بعد از شناسایی سازه آسیب‌پذیر، عملیات مقاوم‌سازی آغاز می‌شود. در تعریف مقاوم‌سازی می‌توان گفت «مقاوم‌سازی به مجموعه عملیاتی گفته می‌شود که روی یک قسمت از سازه یا تمامی آن انجام می‌شود تا سازه بتواند بارها و سَربارهای بیشتری را نسبت به حالت اولیه تحمل نماید و خصوصیت‌های رفتاری بهتری را از خود نشان‌دهد»[i].

بسیاری از سازه­های بتنی به دلایل: خطاهای محاسباتی، اشتباه در ساخت و اجرا، ضعف آیین نامه­های قدیمی، تغییرکاربری سازه و بارهای بهربرداری وارد به سازه، خوردگی و زنگ‌زدگی آرماتورها و …..، ضوابط آیین‌نامه­های جدید را ارضا نمی­کنند؛ لذا ارائه روش‌های مقاوم‌سازی و بهسازی و تعمیر برایچنین سازه­هایی لازم است. از میان تمامی شیوه‌های مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی، امروزه در دنیا به مقاوم‌سازی از طریق FRP توجه ویژه‌ای می‌شود. در این تحقیق نیز هدف اصلی آشنایی با این نوع مقاوم‌سازی است.

 

 

بخش اول: مبانی

به طور کلی فرایند بازسازی کلی یا محلی سازه­ای به سه بخش اصلی مقاوم‌سازی، بهسازی و تعمیر تقسیم می‌شود.

۱- معیارهای مقاوم‌سازی لرزه‌ای

به‌طور کلی در بازسازی و مقاوم‌سازی سازه‌ها بایستی به پارامترهای زیر توجه داشت:

افزایش مقاومت، افزایش سختی، کاهش تغییر مکان، افزایش شکل‌پذیری، افزایش زوال و استهلاک انرژی آزادشده زلزله

۲-کنترل رفتار اعضای سازه‌ای

هر سازه به مثابه یک زنجیر می‌باشد که اعضای تشکیل‌دهنده آن شبیه حلقه‌های زنجیر هستند که می‌توانند شکل‌پذیر، ترد و نیمه شکل‌پذیر باشند. اگر آنها را به دو دسته شکل‌پذیر و شکننده تقسیم‌ کنیم اعضایی که ترد هستند فلسفه طراحی‌شان بر اساس عملکرد، اعضای شکل‌پذیر بر اساس کنترل تغییر شکل و اعضای ترد و شکننده براساس کنترل نیرو قرار می‌گیرد.

۳-هدف از بهسازی و مقاوم‌سازی لرزه‌ای

این اهداف در موارد زیر برشمرده می‌شوند:

  • تأمین مقاومت در برابر زلزله‌های خفیف بدون هیچ‌گونه آسیب‌دیدگی
  • تأمین مقاومت در برابر زلزله‌های متوسط بدون هیچ‌گونه آسیب سازه‌ای ولی احتمال برخی خسارت‌های غیر سازه‌ای وجود دارد.
  • تأمین مقاومت در برابر زلزله شدیدی که در محل سازه قبلاً رخ داده و یا قابلیت وقوع دارد البته بدون فروریزی، ولی با این‌حال احتمال خسارت‌های سازه‌ای و غیرسازه‌ای وجود دارد.

۴-گام‌های کلی در فرآیند بهسازی و مقاوم‌سازی

  • مبانی بهسازی و مقاوم‌سازی و تعیین سطوح عملکرد
  • انتخاب روش تحلیل
  • انتخاب روش مقاوم‌سازی

۴-۱-مبانی بهسازی و مقاوم‌سازی و تعیین سطوح عملکرد

۴-۱-۱-تعیین مشخصات ساختمان

در این مرحله پیکربندی سازه از نظر معماری و از نظر سازه‌ای بررسی می‌شود و خواص مهندسی مصالح به کار رفته و نحوه استقرار اعضای سازه‌ای و اتصال آنها به یکدیگر مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.

۴-۲-۱- تعیین مشخصات ساختگاه

وضعیت ساختگاه از نظر شرایط زیرسطحی و سطحی چون نوع خاک، طبقه‌بندی لایه خاک، وضعیت شالوده، سرعت امواج طولی و برشی و … از طریق بررسی‌های میدانی و آزمایش‌های لازم مشخص گردد.

۴-۱-۳-بررسی ساختمان‌های مجاور

احتمال برخورد سازه‌های مجاور با سازه هدف در هنگام وقوع زلزله بررسی شود.

۴-۲-تعیین سطح عملکرد مورد انتظار

سطوح عملکرد بر اساس سطح آسیب و سطح خطر لرزه‌ای (دو جزء اصلی آن) انتخاب می‌گردد و برای عملکرد هر ساختمان هنگام زلزله باید سطح خطر را دانست، بنابراین سطح هر آسیب باید متناظر با سطح خطر باشد. عملکرد لرزه‌ای نیز عبارت است از تعیین حداقل خسارت مجاز (سطح عملکرد) برای پذیرش خطر لرزه‌ای معین (حرکت زمین ناشی از زلزله) که دارای چهار سطح عملکرد اصلی و دو سطح میانی است.

سطوح عملکرد اصلی عبارتند از:

  • قابلیت استفاده بی‌وقفه Fully Operational/ Immediate Occupancy
  • ایمنی جانی Life Safety/ Operational
  • آستانه فروریزش Near Collapse
  • لحاظ‌نشده (تعیین‌نشده)

سطوح عملکرد میانی عبارتند از:

  • خرابی محدود Limited Collapse
  • ایمنی جانی محدود Limited Life Safety

سطح عملکرد هدف به دو دسته تقسیم می‌شود:

  • سطح عملکرد سازه‌ای Structural Performance Level
  • سطح عملکرد غیرسازه‌ای Non-Structural Performance Level

سطوح مختلف خطر زلزله

سطوح مختف خطر زلزله که ناشی از نوع حرکت زمین است عبارت است از:

  • سطح خطر ۱- مترادف با زلزله سطح طراحی (Design Base Earthquake) DBE

برمبنای سطحی از لرزش‌های زمین است که احتمال وقوع زلزله‌ای بزرگ‌تر از آن در ۵۰ سال برابر ۱۰ درصد،‌دوره بازگشت آن ۴۷۵ سال ‌باشد. این زلزله مترادف با زلزله استاندارد آیین‌نامه ۲۸۰۰ است.

  • سطح خطر ۲- مترادف با بیشینه زلزله محتمل (Maximum Probable Earthquake) MPE

این سطح خطر براساس ۲ درصد احتمال رویداد در ۵۰ سال تعریف می‌شود؛ که دوره بازگشت متوسط آن ۲۴۷۵ سال است.

  • سطح خطر انتخابی: معرف زلزله‌ای با هر احتمال رویداد در ۵۰ سال می‌باشد.
  • زلزله سطح بهره‌برداری SE (Serviceability Earthquake): زلزله خفیف یا متوسط است که احتمال وقوع آن در ۵۰ سال بزرگ‌تر از ۵۰ درصد می‌باشد. دوره بازگشت زلزله سطح بهره‌برداری تقریباً ۷۵ سال است. این زلزله عموماً در حدود نصف زلزله سطح طراحی است.
  • زلزله بیشینه ME (Maximum Earthquake) : بیانگر سطحی از لرزش‌های زمین است که احتمال وقوع زلزله بزرگ‌تر از آن در ۵۰ سال برابر ۵۰ درصد است.
  • طیف طرح استاندارد : مترادف با سطح خطر ۱ با میرایی ۵ درصد در استاندارد ۲۸۰۰ ایران برای ۴ نوع زمین به عنوان طیف طرح استاندارد ارائه شده‌است.

طیف طرح ویژه ساختگاه

بر مبنای تحلیل خطر ویژه‌ای برای بهسازی ویژه مورد استفاده قرار می‌گیرد و به چند عامل که عبارتند از شرایط ساختگاه، بزرگی زلزله، فاصله گسل تا ساختگاه، نوع خاک و رابطه کاهندگی مربوط به روش برآورد سطح خطر بستگی دارد. برای تحلیل خطر ویژه باید گسل‌های فعال در اطراف ساختگاه و تا شعاع ۱۰۰ کیلومتری تعیین گردند. سطوح مقاوم‌سازی به چهار دسته تقسیم می‌شود:

  • بهسازی و مقاوم‌سازی محدود: مقاوم‌سازی تحت اثر زلزله‌ای خفیف‌تر از سطح خطر ۱ باشد به‌طوری که ایمنی جانی ساکنین تأمین گردد.
  • بهسازی و مقاوم‌سازی مبنا: مقاوم‌سازی تحت اثر زلزله سطح خطر ۱ است به طوری‌که ایمنی جانی ساکنین تأمین گردد.
  • بهسازی و مقاوم‌سازی مطلوب: هدف این است که مقاوم‌سازی مطلوب تأمین شود، ثانیاً ساختمان مقاوم‌شده تحت اثر زلزله فرو نریزد.
  • بهسازی و مقاوم‌سازی ویژه: در این سطح سازه می‌بایست عملکرد بهتری نسبت به سطح بهسازی مطلوب داشته‌باشد.

۴-۳-مبانی و روش‌های تحلیلی

۱-روش استاتیکی خطی

۲-روش دینامیکی خطی

۳-روش استاتیکی غیرخطی

۴-روش دینامیکی غیرخطی

۴-۴-انتخاب روش مقاوم‌سازی

عوامل متعددی در انتخاب تکنیک مقاوم‌سازی تأثیر دارند که در زیر به بخشی از آنها می‌پردازیم[ii]

۱-«ارزش سازه در مقابل اهمیت سازهCost versus importance of structures

۲-نیروی انسانی موجودAvailable workmanship

۳-طول مدت اجرا یا زمان عدم‌استفادهDuration of work/ disruption of use

۴-تکمیل و تقویت براساس عملکرد موردنظر کارفرماFulfillment of the performance goals of owner

۵-توجه به تناسب زیبایی‌شناسی (معماری) نقش سازه‌ای و تکمیل سازه موجود

Functionally and aesthetically compatible and complementary to the existing structures

۶-تداخل برگشت‌پذیری Reversibility of intervention

۷-کنترل کیفی سطح عملکرد Performance level of quality control

۸-اهمیت تاریخی و سیاسی سازهPolitical and historical significance

۹-سازگاری روش مقاوم‌سازی با سیستم سازه‌ای موجود

Structural compatibility with the existing structural system

۱۰-نامنظمی در سختی، مقاومت و شکل‌پذیریIrregularity of stiffness strength and ductility

۱۱-کنترل آسیب وارده به اجزای غیرسازه‌ایControlled damage to non-structural components

۱۲-ظرفیت مناسب باربری سیستم فونداسیون Sufficient capacity of foundation system

۱۳-مواد ترمیمی و روش موحود و ممکن مقاوم‌سازی» Repair materials and technology available

۵-مراحل مقاوم‌سازی

۱-گردآوری اطلاعات در مورد مشخصات سازه

۲- تحلیل سازه‌ای ساختمان آسیب‌پذیر

۳-طراحی تقویت سازه در صورت نیاز

۴-تهیه نقشه‌های طرح تقویت

۵-۱-گردآوری اطلاعات در مورد مشخصات سازه

الف- نقشه‌هایی شامل جزئیات لازم در مورد سیستم سازه‌ای و نحوه آرماتورگذاری

ب-نحوه ساخت و اطمینان از مطابقت نقشه‌های طراحی با اجرا

ج-کنترل کیفیت مصالح به کمک آزمایش‌های مخرب و غیرمخرب چون چکش اشمیت، مغزه‌گیری و اولتراسونیک

د-جزئیات و نحوه آسیب‌دیدگی در پلان و ارتفاع به تفصیل

ه-کنترل طراحی و محاسبات اولیه

و-کنترل اعضای مهم سازه‌ای نظیر دیوار برشی و ستون‌ها از نظر قابلیت تحمل در برابر بارهای وارده

۵-۲-تحلیل سازه آسیب‌پذیر

الف-تخمین اطلاعات سازه‌ای: به عنوان مثال سختی اعضاء و سازه آسیب‌دیده کاهش می‌یابد و به واسطه مقاوم‌سازی ضریب رفتار سازه تغییر می‌کند.

ب-تعیین پارامترهای لرزه‌ای: به عنوان مثال تعیین کردن PGA یا حداکثر شتاب زمین حین وقوع زمین‌لرزه.

ج-تحلیل سیستم سازه‌ای آسیب‌دیده: به عنوان مثال استفاده از تحلیل طیفی.

د-برآورد مقاومت لرزه‌ای سازه: به‌طور کلی باید Sd ≤ Rd که Sd اثرات عملکرد سازه‌ای روی المان سازه و Rd مقاومت طراحی همان المان سازه‌ای است که در یک ضریب کاهنده ضرب می‌شود.

ه-تصمیم نهایی برای ترمیم یا تقویت: چناچه شاخص مقاومت  برای عضوی بزرگ‌تر از ۸/۰ باشد، آن عضو فقط یک‌سری ترمیم لازم خواهد داشت و اعضایی که در آنها شاخص مقاومت کمتر از ۸/۰ می‌باشد باید تقویت گردند. تصمیم در مورد تقویت کل سازه، مثلاً اضافه‌ کردن یک‌سری المان دیگر برمبنای درصد اعضایی که به تقویت نیاز دارند یا بر اساس نسبت برش باقیمانده به برش پایه‌ای که سازه باید تحمل کند، بر مبنای آیین‌نامه‌های مختلف تعیین می‌گردد.

۵-۳-طراحی تقویت سازه

الف-طراحی اولیه

  • انتخاب بهسازی و مصالح موردنیاز و محل اعضایی که باید تعمیر، تقویت و یا به سازه اضافه شوند.
  • تخمین اولیه ابعاد قسمت‌های اضافه‌شده
  • تخمین اولیه سختی اعضای تقویت‌شده
  • تخمین اولیه از ضریب رفتار برحسب انعطاف‌پذیری موضعی و کلی

ب-طراحی مجدد سازه

  • تعیین مشخصات بارهای لرزه‌ای
  • تعیین اثرات بارهای اعمالی (محاسبه تنش‌ها-تغییر مکان‌ها) با در نظرگیری سختی سختی اصلاح‌شده و باز توزیع نامناسب احتمالی اثرات بار در نتیجه گسترده و سنگین

ج-ضریب اطینان

  • انتخاب مدل رفتاری اعضای ترمیم یا تقویت‌شده
  • انتخاب ضریب ایمنی مصالح مصرفی
  • محاسبه مقاومت طراحی
  • نامساوی Sd ≤ Rd برای بارگذاری لرزه‌ای و غیرلرزه‌ای در ۲ حالت حدنهایی و بهره‌برداری

۵-۴-تهیه نقشه‌های طرح تقویت

باید کلیه اعضای جدید و اعضایی جدید و اعضایی که احتیاج به ترمیم و تقویت دارند، با جزئیات کامل ترسیم شوند و میزان و محل آسیب باید در نقشه‌های طرح تقویت مشخص شده و محل‌های تقویت و شیوه انجام تقویت توضیح داده شود.

۵-۵-برآورد هزینه

کاری بسیار پیچیده و مشکل‌تر از متره و برآورد احداث ساختمان جدید است.

۶-معیارهای حاکم بر مقاوم‌سازی

۶-۱-معیارهای عمومی

  • قیمت اولیه ساختمان و قیمت طرح ترمیم یا تقویت
  • قابلیت دوام جدید و قدیم و نیز سازگاری فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی مصالح جدید و قدیم
  • فراهم بودن تجهیزات، امکانات و نیروی کار
  • امکان کنترل کیفیت
  • پر یا خالی از سکنه بودن ساختمان
  • مدت زمان انجام کار ترمیم یا تقویت
  • زیبایی طرح
  • حفظ هویت معماری،‌ برای ساختمان‌های باستانی

۶-۲-معیارهای فنی

  • برای ساختمان‌های بسیار نامنظم، باید تا حد امکان به نظمی در رفتار سازه رسید.
  • تا حد امکان بخشی از سازه را که پتانسیل رفتار غیرالاستیک دارد، در کل سازه توزیع کرد.

[i] Penelis, G.-G. and Koppos, A.-J.,”Earthquake Resistant Concrete Structures”, Tomson Pres Ltd., 1997

[ii] Jong Wha Bai; “Seismic Retrofit for reinforced Concrete Building Structures” Consequence-Based Engineering (CEB)-Institute Final Report; Texas University; August;  ۲۰۰۳

برچسبها
محصولات مرتبط

دیدگاهی بنویسید.

0