بتن یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی است. این ماده به دلیل ارزان بودن، سهولت تولید و فراوانی برای ساخت قسمت های مختلف ساختمان استفاده می شود. نکته قابل توجه در رابطه با بتن این است که این ماده، قابلیت ارتجاعی و خم شدن ندارد. اگر هم قرار به خم شدن بتن باشد، قطعا بدون ترک و شکستن نخواهد بود. از سوی دیگر، بتن پس از سخت شدن، مستعد جمع شدگی و انقباض است. به گونه ای که در طول عمر سازه و بر اثر تغییر دماهای مختلف دچار انقباض و انبساط های مکرر می شود. جمع شدگی یکی از ویژگی های ذاتی بتن است و به همین دلیل به منظور اینکه بتوان به قسمت های بتنی هر ساختمان، اجازه حرکت بدون ترک و شکست داد، از اتصالات استفاده می شود. اتصالات در واقع نقاطی هستند که بین دو بخش یک سازه بتنی با یکدیگر پیوند برقرار کرده و سازه را شکل می دهند. این اتصالات نقش مهمی در عملکرد مقاومتی سازه دارند. اتصالات باید از مقاومت کافی برخوردار باشند تا نقش عملکردی سازه به خوبی ایفا شود. به همین دلیل در این مقاله قصد داریم مقاوم سازی اتصالات بتنی را مورد بررسی قرار دهیم.
هر ساختمان دارای بخش های مجزا از قبیل سقف، کف، دیوار و ستون می باشد. این اجزا باید با یکدیگر در ارتباط بوده و به هم متصل شوند تا سازه شکل گیرد. برای مرتبط ساختن اجزای ساختمان به یکدیگر از اتصالات استفاده می شود. اتصالات در محلی قرار می گیرند که در آنجا شروع و توقف ریختن بتن وجود داشته باشد. نوع اتصالات به ابعاد آن بخش از دال بتنی بستگی دارد که نمی توان آن را با یک بار بتن ریزی انجام داد.
مقاوم سازی اتصالات بتنی برای اتصال تیرآهن و ستون به یکدیگر استفاده می شوند. چون اتصال تیر به ستون يكي از بخش های بسیار تاثیرگذار در ساختمان های بتنی می باشد که در صورت عدم رعایت اصول طراحی منجر به خسارات شدید به هنگام بروز حوادث به ویژه زمین لرزه خواهد شد. به همین دلیل، در طی سال های اخیر مقاوم سازی اتصالات بتنی از اهمیت بالایی برخوردار شده است. مقاوم سازی اتصالات بتنی در سازه های دارای اتصال قاب خمشی تاثیر بیشتری دارد. چون در اتصالات قاب خمشی، بخش قابل توجهی از بار جانبی به وسیله این نوع اتصال تحمل می شود. در ادامه مقاله با مقاوم سازی اتصالات بتنی بیشتر آشنا می شویم.
همانطور که در بخش قبلی اشاره شد، اتصال تیر به ستون از بخش های مهم در سازه های قاب خمشی می باشد. در صورت بروز زلزله، اتصال تیر به ستون دچار تنش های شدید می شود. در اثر اعمال این تنش های شدید به محل اتصال تیر و ستون، گره اتصال آسیب دیده و از هم گسیخته می شود. بروز ترک و گسیختگی در گره اتصال در برخی موارد موجب فروریختن کل ساختمان می شود. در طی سال های اخیر با مطرح شدن ایمنی ساختمان در برابر حوادث غیر مترقبه مانند انفجار و زلزله، آیین نامه ها الزامات جدیدی برای مقاوم سازی اتصالات بتنی اعمال نموده اند. الزامات این آیین نامه ها بدین صورت است که تاکید دارند در صورت بروز زمین لرزه، اتصال تیر به ستون آخرین بخشی از سازه باشد که دچار خرابی گردد. این الزامات سخت گیرانه، مقاوم سازی اتصالات بتنی را به عنوان یکی از مراحل قابل توجه در ساختمان سازی تبدیل کرده است. برای آشنایی با مکانیسم مقاوم سازی اتصالات بتنی ابتدا باید انواع اتصالات را شناخت. عمده ترین اتصالات بتنی در سازه ها به سه نوع اتصالات انقباضی، اتصالات ایزوله و اتصالات ساختمانی تقسیم می شوند. در ادامه مقاله ضمن معرفی این سه نوع اتصال، روش های مقاوم سازی اتصالات بتنی تشریح شده است.
اتصالات انقباضی متداول ترین نوع اتصال در روسازی های بتنی است. یک مخلوط بتن تازه یک توده پلاستیکی سیال است که می تواند تقریباً به هر شکلی قالب ریزی شود. اما با سخت شدن بتن، کاهش حجم یا جمع شدگی ایجاد می شود. بر اثر جمع شدگی، تنش های کششی در بتن ایجاد می شود. با وجودی که بتن نسبت به تنش های فشاری بسیار قوی است، اما مقاومت کششی آن تنها 8 تا 12 درصد مقاومت فشاری است. در واقع ضعف بتن در برابر کشش موجب ایجاد ترک در بتن خواهد شد. ترک های غیرمجاز می توانند رشد کرده و منجر به یک سطح ناهموار شوند. دو استراتژی اساسی برای کنترل ترک خوردگی بتن وجود دارد. استراتژی اول، استفاده از آرماتور فولادی در دال است که ترک های تصادفی را محکم نگه می دارد. استراتژی دوم برای کنترل ترک خوردگی در صفحات بتنی، قرار دادن اتصالات انقباضی در سطح بتن می باشد.
اتصال انقباضی یک شیار اره ای شکل یا تراش خورده در یک دال بتنی است که باعث ایجاد یک خط در دال برای ترک خوردگی ناشی از تغییرات ابعادی دال بر اثر شرایط محیطی می شود. اتصالات انقباضی ممکن است در زمان بتن ریزی ایجاد شوند. همچنین ممکن است پس از سخت شدن بتن، اتصالات در سطح بتن جایگذاری شوند. برای مقاوم سازی اتصالات بتنی، در نظر داشتن این نکته مهم است که هر چه زمان ایجاد اتصال انقباضی به تاخیر بیفتد، احتمال ایجاد ترک قبل از اتمام کار بیشتر است. این بدان معنا می باشد که هرگونه شکافی که قبل از ایجاد اتصال در بتن ایجاد شود، باعث بی اثر شدن اتصال انقباضی خواهد شد.
بنابراین زمان بندی در ایجاد اتصال انقباضی بسیار مهم می باشد. زمان برش بسته به دما و رطوبت نسبی متفاوت است، اما معمولاً اتصال انقباضی باید در 6 تا 18 ساعت اول به پایان برسد و هرگز بیش از 24 ساعت به تأخیر نیفتد. اتصالات انقباضی باید به گونه ای ساخته شوند که تا حد امکان مربع باشند و نسبت طول به عرض آنها از 1.5 به 1 بیشتر نباشد. اتصالات انقباضی باید تا عمق ضخامت دال نصب شوند. فاصله و عمق مناسب اتصالات برای کنترل موثر ترک خوردگی تصادفی ضروری است. اتصالات معمولاً در فواصل معادل 24 تا 30 برابر ضخامت دال قرار دارند.
اتصالات جداسازی، یکی از انواع اتصالات است که برای جداسازی و تفکیک بین بخش های بتنی سازه از سایر بخش ها استفاده می شود. دیوارها و ستون هایی که دارای پایه های مستقل عمیق تری از زیر سطح دال هستند، بر اثر خشک شدن یا تغییرات دمایی ناشی از شرایط محیطی، قادر نیستند به همان اندازه که بخش اصلی بتنی حرکت می کند تغییر ابعادی دهند. برای ایجاد اتصالات جداسازی، با قرار دادن یک ماده اتصالی از پیش ساخته شده در کنار ستون یا دیواره یا لوله تخلیه قبل از ریختن دال موجب ایجاد فضای کافی برای نوسان تغییرات می شوند. بدین ترتیب سطوح خارجی و مستقل نیز می توانند در صورت لزوم، تغییر ابعادی داده و از ایجاد ترک و شکستگی جلوگیری شود.
اتصالات ساختمانی یکی از مباحث مطرح شده در مقاوم سازی اتصالات بتنی است که عمدتا در طی روزهای کاری و در حین اجرای پروژه استفاده می شوند. اگر در طی روزهای کاری، بخشی از ساخت و ساز باید متوقف شود تا به نوبت بعدی ساخت و ساز برسد، دال های مجاور باید به دلیل انتقال بار از یک دال به دیگری به هم گره خورده یا ضخیم شوند. در این شرایط از اتصالات ساختمانی استفاده می شود. اتصالات ساختمانی باید در در نقاط پشتیبانی جانبی از قبیل دیوارهای پایه قرار گیرند. آرماتور اتصالات ساختمانی در هر دو طرف اتصال باید بیشتر از 12 اینچ تعبیه شود. اتصالات ساختمانی در دیوارهای بتن آرمه باید در یک سوم میانی دهانه بین تکیه گاه های جانبی قرار بگیرند یا در صورت نیاز برای اتصالات در دیوارهای بتنی ساده قرار گرفته و ساخته شوند.
برای مقاوم سازی اتصالات بتنی روش های مختلفی وجود دارد که عمدتا در سه گروه زیر قرار می گیرند:
در مقاوم سازی اتصالات بتنی با استفاده از ژاکت بتنی، بخشی از اتصالات که نیاز به تقویت دارند؛ توسط پوشش بتنی، محصور و تقویت می شوند. در این حالت باید دقت داشت که رده مقاومتی بتن ها سازگار باشند. مقاوم سازی اتصالات بتنی به دو روش استفاده از ژاکت بتنی و ژاکت فلزی مشابه هم هستند. در مقاوم سازی اتصالات بتنی با استفاده از ژاکت فولادی، یک پوشش خارجی برای بخشی از سازه که نیاز به تقویت دارد، ایجاد می شود. بخش های تشکیل دهنده این نوع اتصال، المان مورد نظر را در خود محصور کرده و با کمک عملیات جوشکاری، پیچ و مهره و یا در تکنولوژی های جدید با کمک چسب های مخصوص به هم اتصال می یابند. ژاکت ایجاد شده علاوه بر آن که سطح مقطع را افزایش داده و قسمتی از بار المان را تحمل می کند، از طریق محصور سازی المان اصلی و ایجاد ظرفیت باربری به افزایش مقاومت اتصال کمک می کند. روش اجرای مقاوم سازی اتصالات بتنی با استفاده از ژاکت فلزی، با توجه به شرایط سازه و میزان مقاوم سازی، متفاوت است.
مقاوم سازی اتصالات بتنی با استفاده از ورق های FRP روش جدیدی است که مزایای قابل توجهی دارد. ورق FRP نوعی کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف است که نسبت مقاومت به وزن بالایی دارند. انواع الیاف مورد استفاده در ساخت این ورق ها شامل الیاف کربن، الیاف شیشه، الیاف آرامید و الیاف بازالت می باشد. از مقاوم سازی اتصالات بتنی با استفاده از ورق FRP بیشتر برای سازه هایی که وزن سازه از اهمیت بیشتری برخوردار است مثل سیلوها، پل ها، خطوط انتقال لوله و .. استفاده می شود.
همانطور که در بخش های قبلی اشاره شد روش های مقاوم سازی اتصالات بتنی به سه نوع پوشش فولادی، ژاکت بتنی و ورق کامپوزیت FRP تقسیم می شود. در بین سه روش گفته شده استفاده از ورق FRP از مزایای بیشتری برخوردار است. ورق کامپوزیت FRP علاوه بر سهولت و سرعت نصب، وزن کمتری نسبت به ورق های فولادی و بتنی دارد. مقاوم سازی اتصالات بتنی با استفاده از ورق کامپوزیت، به تجهیزات کارگاهی حجیم نیاز ندارد. به همین دلیل در زمان کوتاهی پس از مقاوم سازی اتصالات بتنی قابل استفاده و بهرهبرداری هستند. یکی از مهمترین مزایای مقاوم سازی اتصالات بتنی با استفاده از الیاف FRP مقاومت بالای آنها در برابر عوامل شیمیایی مثل اسیدها و بازها و عوامل مهاجم شیمیایی است. مقاوم سازی اتصالات بتنی با استفاده از FRP نیازی به ایجاد ساز و کار ثانویه برای حفاظت در برابر خوردگی و عوامل شیمیایی ندارد.
در کنار مزایای ذکر شده برای مقاوم سازی اتصالات بتنی، برخی معایب موجب محدودیت کاربرد آنها می شوند. استفاده از ورق فولادی در مقاوم سازی اتصالات بتنی، در مواقع ایجاد تنش کششی موجب آسیب دیدگی این نوع اتصال شده و منجر به تخریب اتصال می شود. چون این ورق ها با استفاده از جوش به صورت ثانویه در مقاوم سازی اتصالات بتنی استفاده می شوند، به همین دلیل پیوند یکنواختی با اعضای سازه ندارند. در صورتی که از ژاکت بتنی در مقاوم سازی اتصالات بتنی استفاده شود، وزن سازه زیاد میشود. هر چه مقطع بتنی استفاده شده بیشتر باشد، بار مرده بیشتری به سازه تحمیل می شود. مقاوم سازی اتصالات بتنی با استفاده از دو روش بتنی و فلزی نیاز به تجهیزات و نیروی کار بسیار زیاد دارند. مهمترین ضعف استفاده از ورق های کامپوزیت FRP نیز قیمت بالای آنها می باشد.
جمع بندی
در این مقاله، مقاوم سازی اتصالات بتنی مورد بررسی قرار گرفت. از بین روش های مختلف برای مقاوم سازی اتصالات بتنی، سه روش استفاده از ژاکت بتنی، ژاکت فلزی و کامپوزیت پلیمری رایج تر هستند. در طی سال های اخیر، کامپوزیت های پلیمری به دلیل نسبت بالای مقاومت به وزن، پایداری در برابر عوامل محیطی و کیفیت بالا از محبوبیت بیشتری برخوردار شده اند. البته در مواردی که قیمت بالای کامپوزیت FRP موجب تحمیل هزینه به پروژه شود، از روش های دیگر استفاده می شود.