بررسی روش‌های تقویت لرزه‌ای دیوارهای مصالح بنایی

تقویت لرزه‌ای ساختمان‌ها در مناطق زلزله‌خیز به ویژه برای سازه‌های مصالح بنایی، یکی از موضوعات مهم در سال‌های اخیر بوده است. با توجه به تعداد زیاد سازه‌های مصالح بنایی و اینکه اکثر آن‌ها قبل از تدوین استانداردهای لرزه‌ای ساخته شده‌اند، آسیب‌پذیری لرزه‌ای آن‌ها یک مسئله اجتناب‌ناپذیر است. در این مقاله، مروری بر روش‌های متداول و مؤثر تقویت لرزه‌ای دیوارهای بنایی ارائه خواهد شد و تأکید بر روش‌های مدرن مبتنی بر ماتریس سیمانی تقویت شده با الیاف یا همان FRCM خواهد بود. مزایا و معایب این روش‌ها از نظر قابلیت استفاده، امکان‌پذیری و اثربخشی مورد بحث قرار خواهد گرفت. در نهایت، مقایسه‌ای بین روش‌های سنتی و جدید مبتنی بر مواد کامپوزیتی انجام خواهد شد.

مطالب این مقاله برگرفته از کار پژوهشی انجام گرفته در مقاله مرجع زیر است:

Hafner, I.; Kišiček, T.; Gams, M. Review of Methods for Seismic Strengthening of Masonry Piers and Walls. Buildings 2023, 13, 1524. https://doi.org/10.3390/buildings13061524

مصالح بنایی مانند بلوک‌های آجری، سیمانی یا بتنی یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی در جهان است. تخمین زده می‌شود که 70 درصد ساختمان‌های جهان از مصالح بنایی ساخته شده‌اند. محبوبیت آن به دلیل ارزان بودن، در دسترس بودن و ساخت آسان است. سازه‌های بنایی همچنین در برابر آتش مقاوم هستند و دوام بسیار بالایی دارند. با این حال، این سازه‌ها به دلیل وزن بالایشان و مقاومت کششی و خمشی ناکافی در برابر زلزله آسیب‌پذیر هستند. از آنجایی که اکثر سازه‌های بنایی موجود قبل از تدوین کدهای لرزه‌ای ساخته شده‌اند و بسیاری از آن‌ها دارای ارزش فرهنگی و تاریخی هستند، ارزیابی آن‌ها و روش‌های تقویت لرزه‌ای باید با دقت و توجه ویژه‌ای انجام شود.

دیوارهای بنایی تحت بارهای لرزه‌ای ممکن است خرابی‌های متعددی را تجربه کنند که این خرابی‌ها می‌توانند ناشی از حرکت‌های جانبی، تغییرات سریع در بارهای عمودی، و یا ترکیبی از این دو باشند. برای مقابله با این چالش‌ها، روش‌های تقویت لرزه‌ای متعددی توسعه یافته‌اند که می‌توانند بهبود قابل توجهی در عملکرد لرزه‌ای این سازه‌ها ایجاد کنند. این روش‌ها شامل استفاده از تکنیک‌های سنتی و مدرن هستند که هر کدام دارای مزایا و معایب خاص خود هستند.

در ادامه، انواع خرابی‌های معمول در دیوارهای بنایی تقویت نشده بررسی شده و سپس به روش‌های سنتی و جدید تقویت لرزه‌ای دیوارهای آجری پرداخته خواهد شد. هدف از این بررسی، ارائه یک دید کلی از روش‌های موجود و ارزیابی اثربخشی آن‌ها در بهبود رفتار لرزه‌ای دیوارهای مصالح بنایی است.

رفتار درون‌صفحه‌ای دیوارهای بنایی تقویت نشده

دیوارهای بنایی بدون تقویت معمولاً در هنگام قرار گرفتن در معرض بارهای لرزه‌ای سه نوع خرابی درون‌صفحه‌ای را نشان می‌دهند که در ادامه مورد بررسی قرار می‌گیرند:

خرابی خمشی

خرابی خمشی زمانی رخ می‌دهد که دیوار بنایی تحت تاثیر بارهای لرزه‌ای دچار خمش می‌شود. در این حالت، قسمت‌های فشاری دیوار به دلیل فشار بیش از حد دچار شکست می‌شوند. این خرابی همچنین با باز شدن ترک‌ها در قسمت کششی دیوار همراه است. این نوع خرابی معمولاً در دیوارهای بلند و باریک رخ می‌دهد که در معرض بارهای جانبی زیادی قرار دارند. وقتی که خمش در دیوار اتفاق می‌افتد، ناحیه فشاری دیوار در یک سمت و ناحیه کششی در سمت دیگر قرار می‌گیرد. اگر مقاومت فشاری مصالح بنایی کم باشد، دیوار در ناحیه فشاری دچار خرد شدن و شکست می‌شود. با این حال اگر دیوار بتواند در برابر فشار مقاومت کند، همچنان در سمت کششی ترک‌ها گسترش می‌یابند.

خرابی برشی مورب

خرابی برشی مورب زمانی رخ می‌دهد که بارهای لرزه‌ای باعث ایجاد تنش‌های برشی در دیوار می‌شوند و این تنش‌ها از مقاومت کششی مصالح فراتر می‌روند. در این حالت، دیوار دچار ترک‌های مورب می‌شود که از یک گوشه به گوشه دیگر دیوار کشیده می‌شوند. این نوع خرابی معمولاً در دیوارهای کوتاه و پهن رخ می‌دهد که تحت تاثیر نیروهای برشی زیادی قرار دارند. ترک‌های مورب معمولاً از قسمت‌های ضعیف‌تر دیوار مانند درزهای ملات شروع شده و به سرعت در سراسر دیوار گسترش می‌یابند.

خرابی برشی لغزشی   

خرابی برشی لغزشی زمانی رخ می‌دهد که بارهای لرزه‌ای باعث لغزش لایه‌های مختلف دیوار نسبت به یکدیگر می‌شوند. این نوع خرابی معمولاً در درزهای ملات افقی رخ می‌دهد که نیروی اصطکاک بین لایه‌های مصالح و ملات را نمی‌تواند تحمل کند. در این حالت، دیوار دچار ترک‌های افقی می‌شود که نشان‌دهنده لغزش لایه‌ها نسبت به یکدیگر است. خرابی برشی لغزشی بیشتر در دیوارهایی رخ می‌دهد که کیفیت ملات پایین و یا ضخامت درزهای ملات زیاد است.

این سه نوع خرابی درون‌صفحه‌ای از مهم‌ترین خرابی‌هایی هستند که دیوارهای بنایی تقویت نشده در هنگام زلزله‌ها تجربه می‌کنند. شناخت دقیق این خرابی‌ها و مکانیسم‌های آن‌ها برای توسعه روش‌های موثر تقویت لرزه‌ای ضروری است. با استفاده از روش‌های تقویت لرزه‌ای مناسب می‌توان عملکرد لرزه‌ای دیوارهای بنایی را بهبود بخشید و از وقوع این خرابی‌ها جلوگیری کرد.

روش‌های سنتی تقویت لرزه‌ای دیوارهای بنایی

برای بهبود مقاومت لرزه‌ای دیوارهای آجری، روش‌های سنتی مختلفی وجود دارد که در زیر به تفصیل بررسی می‌شوند:

برقراری یکپارچگی سازه‌ای

یکی از ابتدایی‌ترین و مهم‌ترین اقدامات برای بهبود پاسخ لرزه‌ای سازه‌های بنایی، برقراری اتصال قوی بین دیوارها و کف‌ها است. این کار باعث می‌شود نیروهای لرزه‌ای به طور یکنواخت‌تری در کل سازه توزیع شوند و از تمرکز نیروها در یک نقطه خاص جلوگیری شود. برای این منظور، می‌توان از اتصالات فولادی یا بتن مسلح شده در نقاط اتصال استفاده کرد. بررسی‌های تجربی و نظری نشان داده است که یکپارچگی سازه منجر به افزایش مقاومت فشاری و مهم‌تر از آن، مقاومت برشی داخل صفحه دیوارهای بنایی می‌شود. در یک پژوهش دیوارهای بنایی با پیوندهای مناسب تحت آزمایش چرخه‌ای قرار گرفتند که بسته به جزئیات اتصال بین دیوار بنایی و عناصر بتنی، سختی بین 10 تا 26 درصد افزایش یافت. دوم اینکه ظرفیت تحمل بار جانبی دیوار بین 70 تا 90 درصد افزایش یافته و در نهایت شکل پذیری 78 تا 88 درصد افزایش یافته است. این تحقیق همچنین نشان داد که جزئیات اتصالات بین عناصر بنایی و بتنی تأثیر معناداری بر نتایج نداشته است.

از معایب اصلی این روش مشکلات مربوط به اجرا و نیاز به نیروی کار ماهر است. علاوه بر این، گاهی اوقات طراحی، جزئیات و اجرا ضعیف انجام می‌شود. حتی یک سازه بنایی که به درستی یکپارچه شده است ممکن است در برابر زلزله آسیب پذیر باشد زیرا مصالح بنایی به عنوان یک ماده به اندازه کافی قوی نیستند.

ژاکت بتنی (شاتکریت)

یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای تقویت لرزه‌ای سازه‌های بنایی، استفاده از شاتکریت است. این روش شامل قرار دادن شبکه‌های فولادی روی سطح دیوار و اعمال بتن تحت فشار بالا به سطح دیوار است. شاتکریت می‌تواند به طور موثری مقاومت خمشی و برشی دیوار را افزایش دهد و از ایجاد ترک‌های مورب و لغزشی جلوگیری کند. همچنین، این روش می‌تواند ناپیوستگی‌های موجود در دیوار را پر کند و یک سطح صاف و یکپارچه ایجاد نماید.

از مزایای ژاکت بتنی می‌توان به افزایش ظرفیت باربری، ظرفیت جابه‌جایی، شکل پذیری و اتلاف انرژی اشاره کرد. با این حال این روش باعث افزایش جرم و سختی سازه می‌شود که باعث افزایش تقاضای لرزه‌ای است. علاوه بر این، رفتار کلی سازه تغییر می‌کند که ممکن است باعث ایجاد اثرات پیچشی در کل ساختمان شود. از نقطه نظر دوام، اکسیداسیون و خوردگی احتمالی مش‌های فولادی نیز ممکن است دوام این روش را کاهش دهد. علاوه بر این، این روش بسیار گران است و باعث کثیفی، تغییر نما و کاهش فضاهای داخلی می‌شود.

تعویض ملات

در این روش، ملات قدیمی و آسیب‌دیده از درزهای دیوار خارج شده و ملات جدید با خواص مکانیکی بهتر جایگزین می‌شود. این روش به ویژه برای دیوارهایی که ملات آن‌ها به مرور زمان تضعیف شده است بسیار مفید است. تعویض ملات می‌تواند پیوستگی و یکپارچگی دیوار را بهبود بخشد و مقاومت برشی آن را افزایش دهد. همچنین، استفاده از ملات با مقاومت بالا می‌تواند به جلوگیری از لغزش لایه‌ها و خرابی‌های برشی لغزشی کمک کند. این روش تنها زمانی قابل استفاده است که آسیب فقط در اتصالات ملات ظاهر شود.

تزریق ملات

در این روش، ملات یا گروت تحت فشار به داخل ترک‌ها و درزهای دیوار تزریق می‌شود. این روش می‌تواند به طور موثری ترک‌های موجود را پر کرده و پیوستگی دیوار را بهبود بخشد. تزریق ملات به ویژه برای دیوارهایی که دارای ترک‌های ریز و کوچک هستند مناسب است و می‌تواند مقاومت کلی دیوار را افزایش دهد.

اضافه کردن دیوارهای برشی

افزودن دیوارهای برشی در نقاط استراتژیک سازه می‌تواند به طور قابل توجهی مقاومت لرزه‌ای کل سازه را بهبود بخشد. دیوارهای برشی به عنوان عناصر سخت‌کننده عمل می‌کنند و نیروهای جانبی را به سمت فونداسیون منتقل می‌کنند. این دیوارها معمولاً از بتن مسلح ساخته می‌شوند و به طور عمودی و یا افقی در سازه نصب می‌شوند.

کمربندهای فولادی

در این روش، کمربندهای فولادی در اطراف دیوارهای بنایی نصب می‌شوند تا مقاومت آن‌ها در برابر بارهای لرزه‌ای افزایش یابد. کمربندهای فولادی می‌توانند به طور موثری نیروی کششی و فشاری را تحمل کنند و از تغییر شکل‌های بزرگ دیوار جلوگیری کنند. این روش به ویژه برای دیوارهای باربر که نقش اصلی در تحمل بارهای ثقلی و جانبی دارند مناسب است.

روش‌های نوین برای تقویت لرزه‌ای دیوارهای بنایی

با پیشرفت فناوری و توسعه مصالح جدید، روش‌های نوینی برای تقویت لرزه‌ای دیوارهای بنایی معرفی شده‌اند که دارای مزایای قابل توجهی نسبت به روش‌های سنتی هستند. در ادامه به بررسی این روش‌های جدید پرداخته می‌شود:

پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف (FRP)

یکی از روش‌های جدید و مؤثر برای تقویت دیوارهای بنایی استفاده از پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP) است. این مواد کامپوزیتی سبک و قوی شامل الیاف شیشه، کربن یا آرامید هستند که در یک ماتریس پلیمری قرار دارند. FRP به دلیل خواص مکانیکی بالا، وزن کم و مقاومت در برابر خوردگی، به عنوان یک تقویت‌کننده مناسب مورد استفاده قرار می‌گیرد. روش کار به این صورت است که لایه‌های FRP با استفاده از رزین‌های اپوکسی به سطح دیوار چسبانده می‌شوند. این روش می‌تواند به طور قابل توجهی مقاومت خمشی و برشی دیوارها را افزایش دهد و از ایجاد ترک‌های مورب و لغزشی جلوگیری کند.

تعدادی از معایب مربوط به استفاده از FRP در طول سال‌ها گزارش شده است. به عنوان مثال اجرای FRP بر روی سطوح مرطوب یا در دماهای پایین بسیار دشوار است. رزین اپوکسی نسبت به دمای بالا آسیب‌پذیر است. مشکل دیگر عدم نفوذپذیری ماتریس اپوکسی در سیستم‌های FRP است که مانع استفاده از آن‌ها در سازه های بنایی موجود می‌شود. همچنین شرایط رطوبتی می‌تواند بر دوام دیوار بنایی تقویت شده با FRP و چسبندگی FRP به بستر تاثیرات مخربی وارد کند.

در ادامه روند توسعه و بهبود FRPها، یک فناوری دیگر به نام ماتریس سیمانی تقویت‌شده با منسوج (FRCM) ایجاد شد. در این سیستم، رزین اپوکسی با یک ملات معدنی و سازگار با مصالح بنایی دیوار جایگزین شده است. این روش در سال‌های اخیر به طور گسترده مورد بررسی و استفاده قرار گرفته است.

ماتریس سیمانی تقویت شده با الیاف (FRCM)

در سیستم‌های FRCM، رزین اپوکسی با یک ماتریس سیمانی جایگزین می‌شود و تقویت با شبکه‌ای از الیاف انجام می‌گیرد. این روش به دلیل استفاده از ماتریس سیمانی به جای پلیمر، دارای مزایای زیست محیطی بیشتری است و می‌تواند به کاهش اثرات زیست محیطی کمک کند. همچنین، FRCM به دلیل خواص مکانیکی بالا و قابلیت پیوستگی بهتر با سطح دیوار، می‌تواند مقاومت خمشی و برشی دیوارها را بهبود بخشد. این سیستم‌ها شامل الیاف شیشه، بازالت یا کربن هستند که در یک ماتریس سیمانی قرار می‌گیرند و به سطح دیوار اعمال می‌شوند.

از آنجایی که الیاف با مقاومت کششی در یک ملات با خواص کششی ضعیف تعبیه شده است، ابتدا ملات ترک می‌خورد که باعث فعال شدن خواص کششی الیاف می‌شود. پس از ایجاد ترک‌های اولیه، الیاف نیروهای کششی را تحمل می‌کند. این مسئله را می‌توان در آزمایش‌های کششی تک محوری انجام شده بر روی نمونه‌های منشوری (کوپنی) مشاهده کرد. با تقسیم نیروی کششی بر سطح مقطع پارچه، منحنی‌های تنش-کرنش FRCM به دست می‌آیند که می‌تواند با یک منحنی سه‌خطینشان داده شود.

بخش اول – فاز الاستیک اولیه: یک منحنی خطی که نشان دهنده حالت ترک نخورده نمونه‌ها است که در آن سیستم FRCM به عنوان یک ماده کامپوزیت رفتار می‌کند. در این مرحله سختی توسط خواص ماتریس (ملات) تعیین می‌شود.

بخش دوم – مرحله توسعه ترک: ترک‌های اولیه (عرضی، در جهت بارگذاری) در ماتریس ظاهر می‌شوند. به دلیل وجود الیاف معمولاً ترک‌های زیادی در طول نمونه مشاهده می‌شود. توسعه ترک با کاهش قابل توجهی در سختی همراه است.

بخش سوم – باز شدن ترک‌ها: با گشاد شدن ترک‌های موجود در ماتریس، شبکه الیاف کل بار کششی را تحمل می‌کند. این مسئله را می‌توان در شیب فاز نهایی که مدول شبکه الیاف را منعکس می‌کند مشاهده کرد.

در بخش پایانی منحنی تنش-کرنش، انتشار ترک به سرعت افزایش می‌یابد و منجر به شکست نهایی FRCM می‌شود. شش حالت شکست برای FRCM وجود دارد: گسیختگی در داخل مصالح بنایی، جدا شدگی در سطح مشترک FRCM و مصالح بنایی، جدا شدگی داخل ملات، لغزش الیاف در داخل ملات، لغزش الیاف همراه با ترک خوردن زیرلایه و شکست کششی لایه الیاف.

(نمونه منشوری آزمایش شده شرکت وال‌مش در دانشگاه امیبرکبیر-قرارگرفته در محلول قلیایی مطابق AC 434)

مزایای سیستم FRCM

سیستم ماتریس سیمانی تقویت شده با الیاف (FRCM) به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود مزایای متعددی دارد که آن را به یک گزینه مناسب برای تقویت لرزه‌ای دیوارها تبدیل کرده است. در زیر به بررسی این مزایا پرداخته می‌شود:

افزایش مقاومت مکانیکی

یکی از اصلی‌ترین مزایای سیستم FRCM، افزایش مقاومت خمشی و برشی دیوارها است. الیاف تقویت‌کننده در ماتریس سیمانی قرار می‌گیرند و باعث افزایش مقاومت دیوار در برابر نیروهای لرزه‌ای می‌شوند. این ویژگی می‌تواند به طور قابل توجهی از خرابی‌های ناشی از زلزله‌ها جلوگیری کند.

چسبندگی بهتر به سطح دیوار

استفاده از ماتریس سیمانی به جای پلیمر، چسبندگی بهتری به سطح دیوار فراهم می‌کند. این ویژگی به ویژه در دیوارهای قدیمی که سطح آن‌ها ممکن است ناصاف یا دارای ترک‌های ریز باشد، بسیار مهم است. ماتریس سیمانی به خوبی به این سطوح می‌چسبد و یکپارچگی ساختاری بهتری ایجاد می‌کند.

مقاومت در برابر حرارت و آتش

سیستم‌های FRCM به دلیل استفاده از ماتریس سیمانی، مقاومت بالایی در برابر حرارت و آتش دارند. این ویژگی باعث می‌شود که این سیستم‌ها در ساختمان‌هایی که نیاز به مقاومت بالا در برابر حرارت دارند، گزینه مناسبی باشند. بر خلاف پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP) که در دماهای بالا ممکن است خواص خود را از دست بدهند، سیستم‌های FRCM پایداری بهتری در برابر حرارت نشان می‌دهند.

دوام و ماندگاری بالا

استفاده از الیاف و ماتریس سیمانی در سیستم‌های FRCM باعث افزایش دوام و ماندگاری این سیستم‌ها می‌شود. الیاف تقویت کننده معمولاً از مواد مقاوم در برابر خوردگی مانند شیشه یا بازالت ساخته می‌شوند که در محیط‌های مرطوب و خورنده نیز پایدار هستند. این ویژگی باعث می‌شود که سیستم‌های FRCM نیاز کمتری به نگهداری و تعمیرات دوره‌ای داشته باشند.

سازگاری با محیط زیست

یکی از مزایای مهم سیستم‌های FRCM، سازگاری بیشتر آن‌ها با محیط زیست است. استفاده از ماتریس سیمانی به جای پلیمرهای مصنوعی می‌تواند به کاهش اثرات زیست محیطی کمک کند. همچنین، مواد استفاده شده در این سیستم‌ها معمولاً قابل بازیافت هستند و به کاهش زباله‌های ساختمانی کمک می‌کنند.

نصب آسان و سریع

سیستم‌های FRCM به دلیل وزن سبک و قابلیت انعطاف‌پذیری بالا، به راحتی نصب می‌شوند. این ویژگی باعث می‌شود که زمان و هزینه نصب این سیستم‌ها کاهش یابد. نصب آسان و سریع این سیستم‌ها به ویژه در پروژه‌های بازسازی و تقویت لرزه‌ای ساختمان‌های موجود بسیار حائز اهمیت است.

عدم نیاز به تغییرات عمده در سازه

استفاده از سیستم‌های FRCM نیاز به تغییرات عمده در سازه ندارد و می‌تواند به عنوان یک راهکار غیرمخرب برای تقویت لرزه‌ای دیوارهای موجود مورد استفاده قرار گیرد.

سخن پایانی

روش‌های سنتی و مدرن هر کدام دارای مزایا و معایب خاص خود هستند. انتخاب روش مناسب باید بر اساس شرایط خاص هر سازه، نیازهای تقویت و محدودیت‌های موجود انجام شود. با استفاده از این روش‌ها می‌توان مقاومت خمشی و برشی دیوارها را افزایش داد و از وقوع خرابی‌های ناشی از زلزله‌ها جلوگیری کرد. روش‌های جدید تقویت لرزه‌ای دیوارها به دلیل وزن سبک، استحکام بالا، و قابلیت پیوستگی بهتر با سطح دیوار، دارای مزایای بیشتری نسبت به روش‌های سنتی هستند و به طور فزاینده‌ای مورد توجه قرار گرفته‌اند. سیستم ماتریس سیمانی تقویت شده با الیاف (FRCM) با داشتن مزایای متعدد از جمله افزایش مقاومت مکانیکی، چسبندگی بهتر به سطح دیوار، مقاومت در برابر حرارت و آتش، دوام و ماندگاری بالا، سازگاری با محیط زیست، نصب آسان و سریع، و عدم نیاز به تغییرات عمده در سازه، به عنوان یک گزینه موثر و کارآمد برای تقویت لرزه‌ای دیوارهای آجری شناخته می‌شود. انتخاب این سیستم‌ها می‌تواند به بهبود عملکرد لرزه‌ای ساختمان‌ها کمک کرده و از خسارات ناشی از زلزله‌ها جلوگیری کند.