عمران

تقویت و مقاوم سازی تیر و ستون بتنی

مزایا و خصوصیات مقاوم‌ سازی ستون بتنی با FRP

طراحی و محاسبات مقاوم‌ سازی ستون بتنی با FRP

همانگونه که اشاره شد بتن محصور شده مقاومت فشاری بسیار بالاتری نسبت به بتن محصور نشده دارد. محصور کردن ستون باعث ایجاد فشار جانبی بر بتن می شود و وجود فشار محیطی بر عضو بتنی سبب افزایش مقاومت فشاری آن می‌شود. محصور شدگی با جلوگیری از گسترش بارهای خارج از محور در ستون، ظرفیت تحمل بار محوری را افزایش می دهد.

منحنی تنش کرنش مقاوم‌ سازی ستون بتنی با FRP

منحنی تنش – کرنش یک ستون بتنی در حالت های محصور نشده و محصور شده با FRP در سطوح مختلف محصورشدگی در شکل زیر نشان داده شده است. این شکل بخوبی گویای تاثیر محصورشدگی در افزایش مقاومت فشاری عضو بتنی با FRP بوده و علاوه بر آن نشان دهنده تاثیر محسوس محصورشدگی بر افزایش کرنش نهایی بتن می باشد. این موضوع افزایش شکل پذیری المان بتنی محصور شده با FRP را به همراه خواهد داشت.

از الیاف کامپوزیت به صورت دور پیچ خارجی برای تقویت ستون های بتنی استفاده میشود، که مکانیزم تقویت این روش ، افزایش محصوریت ستون است. در نمودار فوق تنش-کرنش ستون تقویت شده با الیاف اورده شده است

این نمودار شامل دو بخش خطی(الاستیک) و غیر خطی (غیر الاستیک) می باشد. با توجه به این نمودار در میابیم که در قسمت خطی بتن محصور شده و غیر محصور شده تفاوتی نداشته اند که دلیل این موضوع عدم انبساط جانبی زیاد بتن در بارهای کم می باشد که این موضوع نشان میدهد نوع ژاکت استفاده شده برای مقاوم سازی در میزان مقاومت بتن در ناحیه خطی تاثیر زیادی ندارد. ناحیه خمیری در بتن محصور نشده بلافاصله بعد از رسیدن به بیشینه مقاومت خود، تشکیل می شود. در این حالت به علت زیاد شدن کرنش های جانبی بتن و افزایش انبساط، دورپیج مورد استفاده فعال می شود.

در ناحیه پلاستیک با افزایش جزئی در تنش محوری، انبساط جانبی به مقدار قابل توجهی افزایش پیدا میکند. این افزایش حجم به دلیل گسترش ترک ها و تخریب ساختار داخل بتن باعث افزایش فشار محصور کنندگی دورپیچ می شود. و با علم بر اینکه الیاف تا لحظه گسیختگی رفتار خطی دارند، نقش بسزای در قسمت خمیری منحنی دارا می باشند.

اگر بتن دارای محصوریت مکفی باشد ناحیه خمیری مثبت و کاملا خطی بوده است که این نشان دهنده این باشد که محصوریت، ظرفیت باربری بیشتری را ایجاد کرده است و اگر بتن خوب محصور نشده باشد، تنش محوری حداکثر، همانند حالت بتن غیر محصور می باشد.

انواع روش های مقاوم‌ سازی ستون بتنی با FRP

دورپیچ کامل با FRP

از سیستم های FRP، می‌توان جهت ایجاد محصورشدگی از طریق دورپیچ کامل FRP و به طبع آن افزایش مقاومت فشاری المان بتنی استفاده نمود. در این روش، قرارگیری الیاف FRP در امتداد عمود بر محور طولی عضو به صورت دورپیچ کامل، سبب ایجاد محصورشدگی انفعالی (Passive) در عضو می‎گردد. از این رو FRP تا زمان بارگذاری و رخداد تغییرشکل های عرضی در المان بتنی موجود منفعل بوده و تحت تنش قرار نگرفته و تاثیری در باربری عضو ندارد. بدین سبب اجرا و نصب استاندارد و اطمینان از چسبندگی کامل بین بتن و FRP در این روش مقاوم سازی بسیار حائز اهمیت می‌باشد.

تقویت ترکیب فشاری – خمشی

دورپیچ کامل یا ژاکت FRP ، می‌تواند جهت ایجاد محصورشدگی و در نتیجه افزایش مقاومت ستونها و المان های بتنی تحت ترکیب نیروهای فشاری و خمشی مورد استفاده قرار گیرد. لذا توجه به هشدار فنی در خصوص استفاده از FRP جهت تقویت فشاری – خمشی سازه های بتنی زیر بسیار حائز اهمیت است. افزایش قابل ملاحظه مقاومت تنها در صورتیکه نقطه متناظر با نیروی فشاری و خمشی نهایی در بالای خط متصل کننده مبدا به نقطه بالانس در منحنی P-M باشد محقق خواهد شد. همانطور که از دیاگرام  P-M در دو حالت محصور شده با FRP و محصور نشده مطابق شکل قابل دریافت است، محدودیت مذکور از این واقعیت که افزایش مقاومت در نتیجه محصورشدگی با FRP تنها برای المان های با مود شکست حاکم فشاری قابل ملاحظه می باشد، نشات می گیرد.

مکانیزم های شکست ستون های بتنی تحت بار زلزله و نیاز به مقاوم‌ سازی ستون بتنی با FRP

شکست برشی ستون های بتنی

نامطلوب ترین حالت شکست، شکست برشی ستون است که ابتدا ترکهای مایل و مورب در بتن ظاهر می‌شوند و پس از گسیختگی و یا باز شدن فولاد عرضی مقطع یا خاموت (تنگ) روی می‌دهد. در نهایت با کمانش آرماتورهای طولی یک شکست ترد و یا انفجاری رخ می دهد این حالت شکست اساسا به دلیل کافی نبودن آرماتورهای عرضی مقطع رخ می دهد. ضعف خمشی، برشی و فشاری و حتی شکل پذیری ستون های بتنی را می‌توان از طریق مصالح کامپوزیتی FRP ارتقاء داد.

خرابی ناشی از ایجاد مفصل پلاستیک خمشی در ستون های بتنی

این حالت شکست پس از وقوع زلزله بسیار به چشم می خورد و عموما در مناطق انتهایی ستون روی می دهد و به ناحیه کوچکی منحصر می‌شود. در این حالت ابتدا قسمتی از پوشش بتن کنده می‌شود و سپس شکست آرماتورهای عرضی و در ادامه کمانش آرماتورهای طولی اتفاق می‌افتد. این ضعف ستون های بتنی را میتوان با دورپیچی الیاف FRP در محل اتصال تیر به ستون بر طرف نمود.

خرابی در محل وصله پوششی آرماتورهای طولی در ستون های بتنی

این حالت در ستونهایی روی می‌دهد که آرماتورهای طولی آنها در محلی که لنگر وارده زیاد است با یکدیگر همپوشانی دارند عموما در هنگام زلزله، انتهای ستون تحت خمش زیادی قرار می گیرد چنانچه طول وصله بسیار کوچک باشد در طول بارگذاری رفت و برگشتی آرماتورها جدا خواهند شد. با استفاده از سیستم تقویت با FRP به روش محصورسازی در محل هایی که آرماتورهای طولی همپوشانی کافی ندارند می‌توان از این نوع خرابی جلوگیری کرد.

دستگاه حفاری تونل

دستگاه حفاری تونل ( Tunnel Boring Machine )

دستگاه حفاری تونل که با نام مول (Mole)‏ نیز شناخته می‌شود ، با مته‌هایش و حرکت چرخشی که دارد با حفر تونل پیش می‌رود . از این دستگاه غول پیکر برای حفر تونل‌هایی با مقطع دایره‌ای که قطری بیش از ۱ متر دارند استفاده می‌شود .

در روش‌های قدیمی که با استفاده از انفجار و مته زنی تونل زده می‌شد باعث مشکلاتی در محیط‌های اطراف و همچنین باعث نامنظم بودن تونل کنده شده می‌شد اما با استفاده از این دستگاه علاوه بر اینکه هیچ یک از دو مشکل ذکر شده وجود ندارد، باعث کم شدن هزینه ساخت می‌شود.

• انجمن بین‌المللی تونل (ITA)

البته ساخت دستگاه‌های TBM بسیار گران است و همچنین امکان جابجایی زیادی ندارند به همین دلیل شاید برای پروژه‌های کوچک استفاده از این دستگاه‌ها گرانتر از روش سنتی باشد ، اما برای پروژه‌های بزرگ و تونل‌های طولانی‌تر به دلیل دقت در انجام پروژه و کاهش زمان پروژه این اختلاف قیمت جبران می‌شود .

بیشترین قطر دستگاه تی بی ام 15.43 متر است که برای پروژه‌ای در شانگهای چین ساخته شده است . البته در این پروژه خاک و سنگهای محل نرم بوده اما برای سنگهای سخت بیشترین قطر 14.4 متر بوده است .

به طور معمول سرعت چرخش این نوع دستگاه‌ها بین ۱ تا ۱۰ دور در دقیقه است که بستگی به نوع خاک دارد .

یکی از ویژگی‌های خوب دستگاه های TBM این است که خرده سنگ و خاک حفر شده بصورت اتوماتیک روی ریل‌های موجود در آن خارج می‌شوند . در بیشتر مواقع این خاک و سنگ خارج شده در ساخت بتن برای خود پروژه استفاده می‌شود .

دستگاه‌های تی بی ام یکی از مهمترین ماشین آلات حفر تونل می باشند که قادرند تونل را به صورت تمام مقطع حفر کنند .
تکامل و گسترش این دستگاه ها سبب شده است که آهنگ پیشروی تونل ها در حد قابل توجهی افزایش یابد . امروزه در سنگ‌های نسبتا سخت نیز برای حفر تونل از این ماشین‌ها استفاده می‌کنند .

بعد از سال‌ها تلاش و ساخت انواعی از این نوع ماشین ها کوشش های بعدی به منظور ساخت ماشین های تمام مقطعی بود که شرایط سخت زمین شناختی قادر به حفر تونل باشد که آهنگ پیشرفت و تکامل در این زمینه در مقایسه با پیشرفت های اولیه این ماشین ها محدود تر است .

در واقع شروع این تحقیقات کوشش های رابینز در سال 1957 میلادی برای ساخت ماشین‌هایی بود که بتواند در سنگ های خیلی سخت نیز با راندمان معقول تونل حفر کند .

در آن زمان به تدریج این دستگاه ها سنگین‌تر و محکم‌تر شدند و توان آنها نیز افزایش یافت اما پیشرفت آنها در زمینه حفر سنگ‌های محکم کند است .

به عنوان مثال عملکرد نوعی از این دستگاه ها که مجهز به هر دو سیستم برش ناخنی و دیسکی بود برای حفر در سنگهای آهکی سیلیتی که در بین آنها لایه‌هایی با مقاومت140mpa وجود داشت راضی کننده نبود . سر انجام ناخن‌ها به طور کلی حذف شد و حفر تونل تنها با استفاده از دیسک های حفار ادامه یافت .

تقسیم بندی ماشین‌های تی بی ام

• open t.b.m

• single t.b.m

• d.s t.b.m

قسمت های اصلی ماشین‌های تی بی ام

• بد نه
• صفحه حفار
• ابزار برش
• چنگ زنها
• جک های رانش صفحه حفار

نحوه تخلیه مواد حفر شده توسط ماشین‌های تی بی ام

مواد حفر شده به وسیله سیستم ویژه ای که معمولا مرکب از سطل های تعبیه شده پیرامون صفحه حفار است از جلوی جبهه کار جمع آوری شده و به داخل نوار نقاله ای که از داخل دستگاه می گذرد به پشت ماشین هدایت می شود گرچه معمولا محدودیتی برای ابعاد مواد حفر شده و انتقال آنها وجود ندارد اما اگر ابعاد حفر شده خیلی زیاد باشد ممکن است گیر کنند وعمل اتقال را متوقف سازند .

از طرفی مواد خیلی نرم نیز علاوه بر مشکل تهویه ممکن است مخلوتی را تولید کنند که به شدت ساینده باشند . در بعضی از این نوع ماشین ها در مجاورت صفحه حفار پرده هائی تعبیه می شود که گرد و غبار را می گیرند این ذرات در اثر اسپری آب جدا می شوند .

قیمت این ماشین‌ها

قیمت TBM گران است و بیشتر به نوع سفارش داده شده به کارخانه سازنده و نوع سنگ های حفر شونده بستگی دارد . ولی در کل قیمت آنها را می توان در حدود 7 یا 8 میلیارد تومان در نظر گرفت .

البته بسته به شرایط قیمت آنها ممکن است کمتر یا بیشتر باشد . از مهم ترین سازندگان این نوع ماشین‌ها می‌توان از شرکت ویرث نام برد .

نحوه عملکرد دستگاه حفاری تمام مقطع به روش مکانیزه TBM

حفاری این دستگاه در اصول حفاری مکانیزه شامل مراحل خاص و با برنامه‌ریزی دقیق زمانی و تجهیزاتی فراوان است .
انجام پروسه حفاری ، تأیید جهت و مسیر صحیح ، انجام پروسه تقویت دیواره ، پروسه تخلیه مصالح ، سیستم پایش هوا ، نگهداری و تعمیرات .

پس از مونتاژ کامل دستگاه و تست نهایی دستگاه آماده شروع حفاری خواهد بود . اما در ابتدا باید بستر حفاری آماده شود .

یک کوه را در نظر بگیرید ، برای اینکه دستگاه بتواند عملیات حفاری را شروع کند ابتدا می بایست دهانه ای با قطر متناسب با قطر دستگاه حفاری در کوه ایجاد شود تا سر برنده دستگاه (Cutter Head) بتواند روی متریال قرار گیرد و در انجام عملیات حفاری وقفه ایجاد نشود .

به بستر حفاری اصطلاحاً “ترانشه” گفته می‌شود . ترانشه شامل خاک برداری از سطح رویی زمین تا رسیدن به بستر سخت و سنگی ، ایجاد یک تونل با قطر متناسب با قطر دستگاه حفاری ، انجام عملیات سخت سازی( انجام مش و شات کریت) در اطراف دهانه و عملیات تقویت دیواره(لاینینگ) داخلی دهانه می باشد .

پس از انجام عملیات آماده سازی سایت و پورتال اختصاصی ، ریل گذاری در دهانه انجام می‌شود تا دستگاه روی ریل قرار گرفته و دستگاه آماده شروع عملیات حفاری شود .

پروسه حفاری دستگاه حفاری تمام مقطع به روش مکانیزه

آماده سازی دستگاه از نظر الکتریکی و مکانیکی و تأمین نیروی هیدرولیکی دستگاه در بخش پشتیبان (BU) انجام می‌گیرد . سپس مسیر با لیزر مشخص شده و اپراتور دستگاه تنظیمات لازم جهت انجام حفاری را انجام می‌دهد . سیستم‌های تهویه هوا و تخلیه مصالح روشن شده و سیستم های کنترلی فعال می شوند . حالا وقت شروع است .

سر برش بوسیله الکتروموتورها و جعبه دنده‌های قوی به چرخش درمیآید و جک‌ها سر برش را به جلو هل می‌دهند تا دیسک‌ها با سطح سنگ برخورد کرده ، آنها را خرد کند و به سیستم تخلیه مصالح انتقال دهد . کاتر به اندازه مشخصی به جلو پیش می رود . پس از آن متوقف شده و انجام عملیات تکمیلی تخلیه انجام میگیرد . به این عملیات اصطلاحاً یک کورس حفاری گفته می شود .

پس از انجام حفاری عملیات لاینینگ انجام شده و دستگاه توسط جک‌های قدرتمند، خود را به جلو هل می‌دهد. به این پروسه تریلینگ (Traling) گفته می‌شود. سپس دستگاه دوباره تنظیم شده و این سیکل تکرار می‌شود.

در برخی از موارد که مصالح سخت تر بوده و امکان ریزش در حداقل است میتوان Telescop Shield را فعال کرد. این امر به شما این امکان را میدهد تا در هنگام انجام عملیات حفاری به صورت همزمان به انجام عملیات لاینیگ بپردازید و درمواقع لزوم به راحتی تلسکوپ شیلد را به عقب کشیده (Retract) و عملیات تعمیر یا بازدید دیسک‌ها را انجام دهید یا حتی سطح حفاری را بررسی نمایید.

این تکنیک تنها در سیستم های Duble Shield امکان پذیر است و نحوه عملکرد آن مختصراً به این گونه است که شیلد عقبی یا Gripper Shield توسط جکهای گریپر در جایش فیکس می شود و شیلد جلویی یا Front Shield و کاتر هد به وسیله جکهای Advance به جلو هل داده می‌شوند، در همین زمان شما می‌توانید جکهای Auxilary Thrust را جمع کنید و عملیات لاینینگ را همزمان با انجام عملیات حفاری انجام دهید.

در اصطلاح به عملیات بازشدن جک ها Extend و به عملیات جمع کردن آنها Retract می گویند .

در تمام مراحل انجام عملیات حفاری سنسورها و دستگاه های مختلف فرایند انجام عملیات، فشار وارده بر کاتر، جک ها و بدنه ؛ جهت مسیر، احتمال وجود گاز و یا کم شدن اکسیژن، تعادل در جریان های الکتریکی و هیدرولیکی وارده به دستگاه و بسیاری از مسائل حیاتی و ضروری دیگر دائم در حال کنترل هستند .

تاریخچه دستگاه‌های حفاری تونل

نخستین سپر محافظ تونل، توسط سر مارک ایزامبارد برونل در سال ۱۸۲۵ و برای حفاری تونل تِیمز ساخته شد. اگرچه این ابتکار تنها به منظور ساخت یک سپر بوده و شامل ساختن یک دستگاه حفاری تونل کامل نبود؛ اما عملیات حفر تونل‌ها نیاز داشت که با استفاده از روش‌های استاندارد حفاری به سرانجام برسد.

مشهور است که نخستین دستگاه حفاری ساخته شده، هنری جوزف ماوس یک دستگاه برش کوه بوده‌است. این دستگاه در سال ۱۸۴۵ به سفارش پادشاه ساردینیا و به منظور حفر تونل ریلی فرجوس از میان رشته‌کوه‌های آلپ، بین دو کشور فرانسه و ایتالیا ساخته شده بود.

عملیات ساخت این دستگاه در یک کارخانه اسلحه‌سازی در نزدیکی تورین و در سال ۱۸۴۶ به پایان رسید. این دستگاه عبارت بوده‌است از بیش از ۱۰۰ مته کوبه‌ای که در قسمت جلویی دستگاهی به اندازه لوکوموتیو نصب شده بود که نیروی رانشی آن از ورودی تونل به صورت مکانیکی اعمال می‌شد.

بودجه این پروژه تحت تاثیر انقلاب سال ۱۸۴۸ قرار گرفته و تونل هنوز کامل نشده بود؛ تا اینکه با استفاده از روش‌های مبتکرانه و کم‌هزینه‌ای همچون استفاده از مته پنوماتیک، پس از ۱۰ سال به بهره‌برداری رسید.

نخستین ماشین حفر تونل ساخته شده در ایالات متحده برای ساختن تونل هوساک در سال ۱۸۵۳ مورد استفاده قرار گرفت. این دستگاه، با چدن ساخته شده و به نام ماشین برش سنگ انحصاری ویلسون و به نام مخترعی به اسم ویلسون نام گذاری شد.

این ماشین، قبل از شکستن زمین سنگی، ۱۰ فوت را درون سنگ حفاری کرد. تونل مذکور سرانجام بعد از بیش از ۲۰ سال به پایان رسید. در ساخت آن همانند تونل ریلی فرجوس از روش‌های جاه‌طلبانه، کمتر استفاده شد.

در اوایل دهه ۱۹۵۰، ف. ک. مایتری برنده مناقصه احداث سد انحرافی اوه واقع در پییر در ایالت داکوتای جنوبی شد که با مشاوره جیمز س. رابینز (بنیان‌گذار شرکت رابینز) حفاری زمین‌های سنگ رسی پییر شیل را که مشکل‌ترین عملیات حفاری زمین‌های سنگ رسی در آن زمان بود شروع کرد.

شرکت رابینز دستگاهی درست کرد که قادر بود ۱۶۰ فوت از زمین‌های سنگ رسی را در بیست و چهار ساعت حفر کند که نسبت به روش‌های رایج در آن هنگام ۱۰ برابر سریع‌تر بود.

چیزی که باعث شد ماشین‌های حفر تونل، کارآمد و مطمئن شوند، اختراع سر گردان آن‌ها بود که به صفحه برش نصب می‌شد.
در ابتدا، در دستگاه تی‌بی‌ام رابینز از چکش‌های فولادی چرخشی استفاده کردند که با حرکت دایره‌ای خود زمین پیش‌روی‌اش را حفر می‌کرد؛ اما او سریعاً متوجه این شد که این چکش‌ها، علیرغم محکم بودنشان کارآیی زیادی ندارند؛ زیرا به محض شکستن و کند شدن، باید مکرراً با چکش‌های جدید تعویض می‌شدند.

این مشکل با جایگزین کردن صفحات برش بادوام‌تر به جای چکش، به طور قابل ملاحظه‌ای برطرف شد. در سال ۱۹۵۶ این طرح، برای اولین بار در تونل فاضلاب و رودخانه هامبر با موفقیت مورد استفاده قرار گرفت (فولی، ۲۰۰۹).

از آن زمان تاکنون، در تمام حفاری‌هایی که در زمین‌های سخت، با توفیق همراه بوده‌است، از تی‌بی‌ام‌هایی با چرخ‌های برش گردان و صفحات برش مدور استفاده گردیده‌است.