مقاوم سازی سازه های بتنی قدیمی با استفاده از کامپوزیتهای FRP و ارزیابی تاثیر آن بر رفتار لرزه ای

ساختمان های بتنی قدیمی به دلیل طراحی بر اساس استانداردهای لرزه ای قدیمی تر اغلب در برابر زلزله های شدید آسیب پذیر هستند و نیاز به مقاوم سازی دارند. این پژوهش با هدف ارزیابی تاثیر استفاده از کامپوزیت های FRP پلیمرهای تقویت شده با الیاف بر مقاوم سازی لرزه ای سازه های بتنی قدیمی انجام شد تا ضمن بهبود رفتار لرزه ای، هزینه ها و اثرات زیست محیطی را کاهش دهد. برای این منظور یک ساختمان بتنی ۵ طبقه با قدمت ۴۰ سال که بر اساس استانداردهای لرزه ای دهه ۱۳۶۰ طراحی شده بود به عنوان مدل مطالعاتی انتخاب شد. این ساختمان دارای ستون هایی با مقاومت فشاری ۲۰ مگاپاسکال و تیرهایی با آرماتوربندی ناکافی بود که آن را در برابر زلزله با شتاب اوج ۰/۳۵g آسیب پذیر می کرد. مقاوم سازی با استفاده از ورقه های FRP کربنی (CFRP) با ضخامت ۱/۲ میلی متر و مدول الاستیسیته ۲۳۰ گیگاپاسکال انجام شد. ورقه ها به صورت دورپیچ (Wrapping) بر روی ستون ها و به صورت نوارهای افقی و عمودی بر روی تیرها و دیوارهای برشی نصب شدند. برای ارزیابی رفتار لرزه ای، تحلیل های عددی با نرم افزار ABAQUS انجام شد و مدل تحت زلزله ای با شتاب اوج ۰/۳۵g و فرکانس غالب ۵ هرتز قرار گرفت. نتایج نشان داد که استفاده از FRP ظرفیت باربری ستون ها را ۴۲ درصد افزایش داد به طوری که تنش تسلیم در ستون ها از ۳۲۰ مگاپاسکال به ۴۵۵ مگاپاسکال رسید، همچنین جابجایی نسبی طبقات (Drift) تحت زلزله از ۳/۸ درصد به ۱/۹ درصد کاهش یافت که نشان دهنده بهبود قابل توجه سختی سازه است. این امر خطر فروریزش سازه را تا ۳۵ درصد کاهش داد. از منظر شکل پذیری نسبت شکل پذیری (Ductility Ratio) از ۲/۱ به ۳/۴ افزایش یافت که نشان دهنده توانایی بهتر سازه در جذب انرژی زلزله است. علاوه بر این، استفاده از FRP به دلیل وزن کم (حدود ۱/۵ کیلوگرم بر متر مربع) و نصب سریع، زمان اجرای پروژه را ۴۵ درصد کاهش داد و هزینه ها را در مقایسه با روش های سنتی (مانند اضافه کردن مهاربند) ۲۰ درصد پایین آورد. این روش همچنین مصرف مصالح سنگین مانند بتن و فولاد را کاهش داد و ردپای کربن پروژه را ۱۵ درصد پایین آورد که معادل کاهش انتشار ۲۰۰ تن دی اکسید کربن بود. با این حال این روش با چالش هایی مواجه بود؛ هزینه اولیه تهیه ورقه های FRP بالا بود و برای این پروژه به ازای هر متر مربع ۴۰۰,۰۰۰ تومان هزینه داشت که ممکن است برای پروژه های کوچکتر مقرون به صرفه نباشد. همچنین نصب FRP نیازمند تخصص بالاست زیرا چسبندگی نادرست می تواند کارایی سیستم را تا ۳۰ درصد کاهش دهد. برای مثال، در یک سناریوی شبیه سازی شده، چسبندگی ضعیف باعث کاهش ظرفیت باربری ستون ها به میزان ۱۲ درصد شد. این پژوهش نشان داد که مقاوم سازی با FRP می تواند به عنوان یک راهکار موثر و پایدار برای بهبود رفتار لرزه ای سازه های بتنی قدیمی عمل کند، به ویژه در مناطق زلزله خیز مانند ایران که تعداد زیادی ساختمان قدیمی دارند. با این حال برای اجرایی شدن گسترده تر این روش نیاز به کاهش هزینه های مواد اولیه و آموزش نیروی کار متخصص است. برای تحقیقات آینده پیشنهاد می شود تاثیر FRP در برابر زلزله های با شدت بالا (بیش از ۵g) بررسی شود و روش هایی برای بهبود چسبندگی و کاهش هزینه ها توسعه یابد.

کلیدواژه ها:

مقاوم سازی ، سازه های بتنی ، ورقهای کامپوزیت FRP ، رفتار لرزه ایی