کاشت میلگرد و مقاوم‌سازی سازه و اعضای بتنی: روش‌ها و انتخاب محصولات

1-1- تعریف مقاوم‌سازی

مقاوم‌سازی یا بهسازی سازه‌های بتنی موجود به عملیاتی گفته می‌شود که به منظور افزایش یا ارتقاء ظرفیت باربری، ظرفیت تغییرشکل و پایداری سازه، که به علت ایجاد آسیب، طراحی نامناسب، عدم انطباق با آیین‌نامه طراحی سازه و زلزله، وجود ایرادات اجرایی، یا تغییر شرایط بهره‌برداری، مشخصات فعلی سازه جوابگوی نیازها نمی‌باشد، انجام می‌شود. گاهی این عملیات بر روی اجزای غیر سازه‌ای نیز انجام می‌گیرد.

1-2- اهمیت مقاوم‌سازی در سازه‌های بتنی

همانطور که در تعریف مقاوم‌سازی بیان شد، هدف اصلی از مقاوم‌سازی یا بهسازی، افزایش و ارتقاء ظرفیت باربری، تغییرشکل یا پایداری فعلی سازه به سطحی بالاتر می‌باشد. بنابراین اهمیت موفقیت روش مقاوم‌سازی و انتخاب صحیح محصولات مرتبط با آن واضح و مشخص می‌باشد و عدم توجه به آن می‌تواند بویژه در مواقع بحرانی مانند زلزله، تبعات جبران‌ناپذیری داشته باشد.

1-3- نقش محصولات مقاوم‌سازی در افزایش عمر سازه

هرچه محصولات مورد استفاده برای مقاوم‌سازی یا بهسازی یا روش مورد استفاده از قابلیت اطمینان، کیفیت و سازگاری مناسب‌تری برخوردار باشد، هم دوام آن افزایش می‌یابد و هم عملکرد آن در مواقع بحرانی، مطلوب‌تر خواهد بود.

2) انواع محصولات مقاوم‌سازی سازه

راهکارها و روش‌ها، و به تبع آن محصولات متنوعی برای مقاوم‌سازی و بهسازی سازه و اجزای آن استفاده می‌شود. بطور سنتی، استفاده از صفحات فولادی بر روی سطح، ژاکت‌های فولادی و بتنی، و پس‌تنیدگی خارجی از روش‌های مرسوم به حساب می‌آید. امروز در بسیاری موارد استفاده از سیستم‌های مبتنی بر فناوری پیشرفته مانند کامپوزیت‌های پلیمری مسلح به الیاف (FRP ها) رواج گسترده‌ای یافته و در مقاوم‌سازی و بهسازی سازه‌ها استفاده می‌شود.

در هر صورت، مقاوم‌سازی یا بهسازی، نیاز به افزودن حداقل یک جزء به سازه دارد. این جزء می‌تواند میلگردهای فولادی یا FRP، پارچه تقویت و چسب (FRP درجا)، صفحات فولادی یا FRP (پیش‌ساخته)، و حتی توری‌های فولادی یا الیاف شیشه (فایبرگلس) و غیره باشد.

2-1- محصولات کاشت میلگرد

در صورت نیاز به افزودن میلگرد به بخشی از سازه، چه این نیاز سازه‌ای باشد چه غیر سازه‌ای، باید از چسب‌های کاشت میلگرد بهره گرفت. این چسب‌ها می‌توانند دارای پایه شیمیایی سیمانی، اپوکسی، اورتان-متاکریلات، پلی‌استر، وینیل استر و غیره باشند. معمولا برای کاربردهای سازه‌ای، استفاده از چسب‌های کاشت اپوکسی مناسب‌تر و مرسوم‌تر و امکان بهره‌برداری سریع‌تر فراهم می‌باشد. اما برای کاشت به مقاصد دیگر (مانند نصب قطعات، پنل‌ها، تجهیزات، ماشین‌آلات و تاسیسات) می‌توان با توجه به میزان بار و شرایط نصب، از انواع دیگر چسب‌ها نیز بهره برد.

چسب‌های کاشت میلگرد پایه سیمانی به شکل پودری عرضه می‌شوند. چسب کاشت نوع اپوکسی به شکل دو جزئی یا سه جزئی ارائه می‌شود. نوع دو جزئی هم بصورت کارتریجی و هم بصورت فله قابل عرضه است.

2-2- توری و پارچه ‌های تقویت و مسلح‌سازی

برای تقویت و مسلح‌سازی سازه‌ای و غیرسازه‌ای سیستم‌های مختلف، از انواع توری و پارچه تقویت استفاده می‌شود. جنس این توری‌ها و پارچه‌ها (بجز توری‌های فولادی) معمولا از الیاف شیشه (فایبرگلس) و الیاف کربن می‌باشد.

الیاف کربن دارای خواص مکانیکی برتری نسبت به الیاف شیشه برخوردار است اما در عملکرد نهایی طراحی شده، مزیت خاصی نسبت به الیاف شیشه ندارد و می‌توان گفت فقط با وزن کمتری از الیاف، عملکرد مشابهی ارائه می‌دهد. البته هزینه محصولات الیاف کربن حتی تا 10 برابر پارچه‌های الیاف شیشه می‌باشد.

توری‌های تقویت معمولا برای افزایش مقاومت خمشی قطعات نازک (مانند برخی سنگ‌های گران‌قیمت، و قطعات پیش‌ساخته گچی یا سیمانی)، ایجاد یکپارچگی و تقویت دیوارهای بنایی (در سیستم مشهور به وال مش جایگزین وال پست)، تقویت پلاسترها، اندودها و سیستم‌های پوشش عایق رطوبتی یا حرارتی، و غیره استفاده می‌شود. توری‌ها دارای وزن واحد سطح مختلف هستند که با توجه به کاربرد مدنظر و طراحی انجام شده، انتخاب می‌گردد. استفاده از توری‌های الیاف شیشه نسبت به سایر توری‌ها (مانند توری الیاف کربن، پلی استر، پلی پروپیلن و غیره) معمول‌تر می‌باشد، هرچند در محیط‌های قلیایی (مانند محیطی که توری در تماس با ملات سیمانی یا بتن باشد) محصولات الیاف شیشه باید از نوع مقاوم در برابر قلیایی (AR) باشند. معمول‌ترین نوع توری الیاف شیشه، توری‌های با وزن 75، 110، 120، 135 و 160 گرم در مترمربع و با چشمه 5×5 یا 4×4 می‌باشد.

پارچه‌های الیاف کربن و الیاف شیشه برای ساخت انواع کامپوزیت‌ها (مانند مقاوم‌سازی سازه‎ها) استفاده می‌شوند. در مقاوم‌سازی معمولا از پارچه‌های تک جهته (UD) استفاده می‌شود زیرا در بیشتر اعضایی که نیاز به تقویت دارند (مانند ستون‌ها و تیرها) عملکرد اجزا بصورت تک جهته است. اما در برخی موارد از پارچه‌های دوجهته (BD) نیز استفاده می‌شود. در مقاوم سازی سازه‌های بتنی معمولا از پارچه الیاف کربن تک جهته با وزن 300 گرم در مترمربع یا پارچه الیاف شیشه دو جهته (حصیری) با وزن 400 یا 600 گرم استفاده می‌شود. این پارچه‌ها معمولا بصورت دورپیچ یا اتصال به یک یا چند وجه اجزا (تیر، ستون و دیوار برشی) می‌توانند باعث افزایش ظرفیت باربری خمشی، برشی و فشاری سازه یا اجزای آن شوند.

2-3- میلگردها و صفحات FRP

در سیستم مقاوم‌سازی به روش کامپوزیت FRP، علاوه بر پارچه‌های تقویت، گاهی از صفحات (لمینت) و حتی میلگردهای FRP نیز استفاده می‌شود. استفاده از میلگردهای FRP به علت خواص ویژه و همچنین مزیت عدم ایجاد خوردگی (بر خلاف میلگزدهای فولادی) امروزه در ساخت و همچنین ترمیم و تقویت سازه‌ها بویژه سازه‌های در معرض یون کلرید به شکل فزاینده‌ای توسعه یافته است.

2-4- محصولات چسب ویژه سیستم FRP

به منظور اشباع‌سازی و اتصال پارچه‌های تقویت سیستم FRP یا اتصال صفحات (لیمنت) FRP به سطح بتن مدنظر، باید از چسب ویژه اپوکسی استفاده نمود. این چسب‌ها باید دارای جمع‌شدگی بسیار کم و ناچیز باشند، بنابراین اپوکسی آن از نوع بدون حلال می‌باشد.

با توجه به سطح اعمال FRP و همچنین نحوه اعمال آن، چسب مورد استفاده می‌تواند از نوع با لزجت کم یا لزجت زیاد باشد. در سطوح قائم یا بالاسر، از چسب با لزجت زیاد استفاده می‌شود.

2-5- چسب‌های اتصال قطعات به سازه

به منظور اتصال انواع قطعات، پنل‌ها، تجهیزات، ماشین‌آلات و تاسیسات مورد نیاز از جنس بتن، فولادی، پلاستیکی، پلیمری و غیره به بدنه سازه‌ها معمولا از چسب‌های پایه سیمانی، پایه پلیمری امولسیونی، پایه اپوکسی و پایه پلی‌اورتانی با توجه به بار، اهمیت و حساسیت، شرایط بهره‌برداری، شرایط محیطی و دوام مدنظر استفاده می‌شود. بطور مثال برای نصب نبشی در سیستم وال مش به دیوار، از چسب اپوکسی استفاده می‌شود.

3) انتخاب محصولات مقاوم‌سازی و بهسازی

پس از انجام نیازسنجی‌ها و طراحی در خصوص مقاوم‌سازی و بهسازی سازه یا قطعه مدنظر، با توجه به مشخصات مدنظر طراح و همچنین سازه‌ای یا غیرسازه‌ای بودن آن، می‌توان محصول مورد استفاده را انتخاب نمود.

استاندارد EN 1504 در چند بخش مشخصات چسب‌های اتصال و چسب‌های کاشت برای کاربردهای مختلف را مشخص کرده است.

بطور مثال برای کاشت میلگردهای غیرسازه‌ای در عملیات ترمیم به روش قالب‌بندی یا مقاوم‌سازی به روش ژاکت بتنی، می‌توان از چسب کاشت پایه سیمانی یا پلی‌استر بهره برد. اما برای کاشت هرگونه میلگرد سازه‌ای حتما باید از انواع چسب کاشت اپوکسی یا اورتان-متاکریلات استفاده نمود. در انتخاب پارچه در سیستم FRP با توجه به در دسترس بودن انواع پارچه و هزینه آنها، می‌توان پارچه الیاف کربن یا شیشه تک جهته یا دوجهته استفاده کرد. البته پارچه الیاف کربن در وزن و ضخامت کمتر قابل استفاده می‌باشد.

چسب‌های مورد استفاده با توجه به چسبندگی مدنظر، شرایط محیطی و بهره‌برداری و نوع و جنس قطعه یا پارچه مورد استفاده انتخاب می‌گردند.

4) مراحل و روش‌های مقاوم‌سازی

به منظور طراحی مقاوم‌سازی و بهسازی سازه و قطعات و اجرای اصولی آن، معمولا مراحل زیر برای طی این فرآیند انجام می‌شود.

4-1- بررسی وضعیت فعلی سازه و تعیین اهداف مقاوم‌سازی

در گام اول، وضعیت فعلی سازه بر اساس اسناد موجود و اظهارات کارفرما مشخص می‌گردد و سپس اهداف مقاوم‌سازی و بهسازی با توجه به نیازمندی‌ها، خواسته‌ها و الزامات مدنظر کارفرما، تعیین می‌شود.

4-2- بازدید چشمی و برداشت اولیه وضعیت فعلی سازه

در گام دوم، بازدید چشمی توسط یک فرد با تجربه از وضعیت فعلی سازه و برداشت اولیه نقشه محل، گستره و نوع آسیب‌ها و خرابی‌های احتمالی، و تعیین وضعیت و محدودیت‌های هندسی سازه می‌باشد. در این مرحله تمام جزئیات موردنیاز ثبت و گزارش می‌شود.

4-3- انجام آزمایش‌های در محل و آزمایشگاهی

پس از تعیین وضعیت سازه بر اساس مراحل قبلی و همچنین تعیین اعداف مدنظر، معمولا یک برنامه مطالعاتی انجام آزمایش مخرب و غیرمخرب در محل و همچنین مغزه‌گیری و انجام آزمایش‌های آزمایشگاهی بر روی مغزه‌ها برای تعیین مشخصات مصالح مورد استفاده در سازه، تهیه می‌گردد. این برنامه به منظور تعیین و تکمیل ظزفیت باربری، علل خرابی‌ها، تعیین وضعیت و مشخصات فعلی سازه، و بطور کلی آگاهی از وضعیت موجود سازه می‌باشد.

در برخی شرایط (مانند مقاوم‌سازی ساده)، ممکن است این گام فقط با اتکا به مشخصات فنی موجود انجام شود و آزمایش تکمیلی خاصی انجام نشود.

4-3- تحلیل وضعیت موجود

پس از انجام مطالعات گام‌های قبل، محل آسیب‌های احتمالی موجود، دامنه آنها و همچنین ظرفیت باربری، تغییرشکل و پایداری سازه بطور کلی مشخص می‌گردد و مشخصات سازه موجود تا حد زیادی تعیین می‌شود. بر اساس این داده‌ها و تحلیل آنها، می‌توان در گام‌های بعدی طراحی روش مقاوم‌سازی و بهسازی را انجام داد.

4-4- ارائه روش مقاوم‌سازی و بهسازی سازه

با توجه به شرایط موجود، الزامات سازه، اهداف مدنظر و شرایط بهره‌برداری از سازه و همچنین محدودیت‌های احتمالی در اجرا، روش یا روش‌های امکانپذیر برای مقاوم‌سازی و بهسازی سازه ارائه می‌شود. پس از آن با توجه به شرایط موجود، حداقل یک روش به عنوان روش نهایی معرفی می‌گردد.

4-5- تهیه مشخصات فنی و روش اجرای مقاوم‌سازی و بهسازی سازه

پس از تعیین روش یا روش‌های مقاوم‌سازی و بهسازی سازه، جزئیات عملیات اجرای آن از قبیل ترمیم و تعمیر (در صورت نیاز)، مناطق نیازمند تخریب، مناطق نیازمند کاشت میلگرد، سیستم و روش اجرای تقویت، مشخصات مواد و مصالح مصرفی مورد نیاز در هر مرحله، و همچنین روش‌های تضمین و کنترل کیفیت اجرای مقاوم‌سازی و بهسازی با ذکر جزئیات تهیه می‌شود.

4-6- عملیات اجرایی مقاوم‌سازی و بهسازی سازه

پس از انتخاب مجری و با توجه به مشخصات فنی و روش اجرای موجود از گام قبل، عملیات اجرا و کنترل کیفیت مصالح و اجرا، انجام می‌شود.

6) سوالات متداول (FAQ)