مقاوم‌ سازی ستون‌های بتنی با FRP

ستون‌ها از اصلی‌ترین اجزای باربر در سازه‌های بتنی و فولادی هستند و وظیفه انتقال بارهای ثقلی و جانبی به فونداسیون را بر عهده دارند. هرگونه ضعف یا گسیختگی در ستون‌ها می‌تواند پایداری کلی سازه را به‌طور مستقیم تهدید کند.

در طول عمر یک ساختمان، نیاز به مقاوم‌سازی ستون‌ها ممکن است به دلایلی مانند افزایش بارهای بهره‌برداری، تغییر کاربری ساختمان، خطاهای طراحی و اجرایی، یا اثرات محیطی همچون خوردگی و زلزله ایجاد شود.

در دو دهه اخیر، کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده با الیاف (FRP) به‌عنوان جایگزینی مؤثر برای روش‌های سنتی مانند ژاکت‌های فولادی و بتنی معرفی شده‌اند. این مواد به دلیل وزن سبک، مقاومت مکانیکی بالا، دوام زیاد و نصب سریع، توجه مهندسان و آیین‌نامه‌های معتبر نظیر ACI 440.2R-17 و fib Bulletin 14 را به خود جلب کرده‌اند.

1. انواع ستون ها و مقاطع قابل تقویت با FRP:

    

   1-1 ستون‌های دایره‌ای

   
   
   ستون‌های دایره‌ای بیشترین کارایی را در محصورسازی با FRP دارند. علت آن توزیع یکنواخت تنش‌های جانبی بر سطح بتن است. تحقیقات Lam & Teng (2004) نشان می‌دهد که مقاومت فشاری بتن در این ستون‌ها می‌تواند تا دو برابر افزایش یابد.

1-2 ستون‌های مربعی و مستطیلی

در این مقاطع، تمرکز تنش در گوشه‌ها مانع از عملکرد یکنواخت FRP می‌شود. آیین‌نامه ACI 440.2R توصیه می‌کند گوشه‌ها پیش از اجرای FRP با مصالح ترمیمی گرد شوند تا کارایی افزایش یابد.

1-3 ستون‌های پیش‌ساخته و مقاطع خاص

ستون‌های پیش‌ساخته بتنی، مقاطع T شکل یا I شکل نیز در پروژه‌های مقاوم‌سازی دیده می‌شوند. در این ستون‌ها، الیافFRP  عمدتاً برای تقویت برشی و خمشی به کار می‌رود و معمولاً از روش‌های ترکیبی شامل: لمینیت‌های CFRP طولی، همراه با الیاف پیچشی (Hoop FRP) استفاده می‌شود (ACI 562-19).

5. آیین‌نامه‌ها و استانداردهای مرتبط

• ACI 440.2R-17: راهنمای طراحی مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی با FRP
• ACI 318-19: ضوابط طراحی ستون‌های بتنی
• ACI 562-19: آیین‌نامه تعمیر و مقاوم‌سازی سازه‌های موجود
• fib Bulletin 14 (2001): مرجع بین‌المللی مقاوم‌سازی با FRP
• Eurocode 8: طراحی لرزه‌ای و بهسازی با FRP
• DT 200 (2013, Italy): طراحی مقاوم‌سازی با FRP و FRCM

جمع‌بندی

مقاوم‌سازی ستون‌های بتنی با FRP به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فردی همچون وزن سبک، نصب سریع، مقاومت بالا و دوام زیاد، به یکی از اصلی‌ترین روش‌های بهسازی لرزه‌ای و سازه‌ای تبدیل شده است. بررسی انواع ستون‌ها نشان داد که ستون‌های دایره‌ای بهترین عملکرد را در محصورسازی دارند، در حالی‌که مقاطع مربعی نیازمند اصلاح گوشه‌ها هستند.

علل نیاز به مقاوم‌سازی شامل افزایش بارها، خوردگی، تغییر کاربری، ضعف طراحی و بهسازی لرزه‌ای است. روش‌های متنوعی همچون محصورسازی دورپیچی، استفاده از لمینیت‌های CFRP، مقاوم‌سازی برشی و روش‌های نوین ترکیبی در آیین‌نامه‌های معتبر مورد تأکید قرار گرفته‌اند.

اگرچه هزینه و حساسیت به آتش از محدودیت‌های FRP است، اما با رعایت ضوابط آیین‌نامه‌ای و طراحی صحیح، می‌توان این روش را به عنوان راهکاری مؤثر، پایدار و اقتصادی در مقاوم‌سازی ستون‌ها معرفی کرد.

رفرنس‌ها

* ACI Committee 440 (2017). *Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures (ACI 440.2R-17)*. American Concrete Institute.

* ACI Committee 318 (2019). *Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-19)*. ACI.

* ACI Committee 562 (2019). *Code Requirements for Assessment, Repair, and Rehabilitation of Existing Concrete Structures (ACI 562-19)*. ACI.

* fib Bulletin 14 (2001). *Externally bonded FRP reinforcement for RC structures*. Fédération Internationale du Béton.

* fib Bulletin 24 (2003). *Seismic assessment and retrofit of RC buildings*. fib.

* Eurocode 8 (2004). *Design of structures for earthquake resistance*. CEN.

* CNR-DT 200 (2013). *Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Existing Structures*. National Research Council, Italy.

* Lam, L. & Teng, J. G. (2004). *Strength models for FRP-confined concrete*. Journal of Structural Engineering, ASCE.

* Mirmiran, A., & Shahawy, M. (1997). *Behavior of concrete columns confined by fiber composites*. Journal of Structural Engineering, ASCE.