تیرهای فولادی، ستون فقرات بسیاری از سازه‌های صنعتی و ساختمانی هستند و نقش حیاتی در ایمنی و پایداری ساختمان‌ها ایفا می‌کنند. با گذشت زمان و تحت تأثیر بارهای اضافی، تغییر کاربری، خوردگی، زلزله یا فرسودگی مصالح، این تیرها ممکن است ضعف پیدا کنند و نیاز به مقاوم‌سازی داشته باشند.

مقاوم‌سازی تیر فولادی فرآیندی است که با استفاده از روش‌های مهندسی پیشرفته، قدرت تحمل بار، سختی و دوام تیرها را افزایش می‌دهد. این فرآیند نه تنها باعث افزایش طول عمر سازه می‌شود، بلکه ایمنی ساختمان‌ها را در برابر نیروهای جانبی و بارهای اضافی تضمین می‌کند.

در این مقاله، با بررسی روش‌های مقاوم‌ سازی تیر فولادی، مزایا و کاربردهای آن، شما با راهکارهایی آشنا خواهید شد که می‌توانند سازه‌های فولادی قدیمی یا آسیب‌دیده را به سطح ایمنی و عملکرد بهینه بازگردانند. اگر می‌خواهید بدانید چگونه می‌توان تیرهای فولادی را تقویت کرد و از خطرات احتمالی جلوگیری نمود، ادامه مطلب را از دست ندهید.

تیرهای فولادی، یکی از عناصر کلیدی و سازه‌ای ساختمان‌ها هستند که طراحی و محاسبات مخصوص به خود را دارند. این تیرها در هر دو نوع سازه، بتن مسلح و فولادی، کاربرد دارند و نقش حیاتی در تحمل بار و پایداری سازه ایفا می‌کنند. در کشور ما، بسیاری از سازه‌ها بر اساس ضوابط فولادی (فصل ۱۰ مقررات ملی ساختمان) طراحی و ساخته می‌شوند. با گذشت زمان یا تحت اثر شرایطی مانند بار اضافی، تغییر کاربری یا فرسودگی مصالح، این تیرها ممکن است نیاز به مقاوم‌سازی و بهبود عملکرد پیدا کنند.

مقاوم‌سازی تیر فولادی با هدف افزایش مقاومت، سختی و دوام سازه انجام می‌شود و شامل اقداماتی مانند آرماتوربندی، استفاده از ژاکت‌های فلزی یا بتنی و روش‌های پیشرفته دیگر است. این فرآیند باعث می‌شود تیرها بتوانند بارهای وارده بر عناصر غیر باربر و بارهای اصلی سازه را به شکل ایمن تحمل کنند و طول عمر سازه را به طور قابل توجهی افزایش دهند.

بیشتر بخوانید : مقاوم سازی ساختمان های صنعتی به چه صورت است؟

انواع تیرها بر اساس شرایط تکیه‌ گاهی و دسته‌ بندی آن‌ها

تیرها در سازه‌ها بسته به نوع تکیه‌گاه و نحوه پشتیبانی، رفتار متفاوتی در برابر بارها از خود نشان می‌دهند. سه نوع متداول تکیه‌گاه تیرها عبارتند از:

1. تکیه‌گاه غلتکی: این نوع تکیه‌گاه تنها در برابر حرکت عمود بر محور خود مقاومت می‌کند و امکان چرخش آزادانه تیر را فراهم می‌کند.

2. تکیه‌گاه مفصلی (پین): در برابر حرکت تیر در تمامی جهات مقاومت می‌کند و همچنین اجازه چرخش آزادانه را می‌دهد.

3. تکیه‌گاه ثابت: این تکیه‌گاه از حرکت و چرخش تیر در هر جهت جلوگیری می‌کند و بیشترین محدودیت را برای تیر ایجاد می‌کند.

دسته‌بندی تیرها بر اساس شرایط پشتیبانی

با توجه به نحوه قرارگیری و تکیه‌گاه‌ها، تیرها به شکل‌های مختلفی تقسیم می‌شوند:

• تیر ساده: تیر تک‌دهانه با تکیه‌گاه در دو انتها (یکی غلتکی و دیگری مفصلی)

• تیر مرکب: تیرهایی که دارای تکیه‌گاه ساده هستند اما این تکیه‌گاه‌ها لزوماً در انتهای تیر قرار ندارند

• تیر طره‌ای: تیری که در یک انتها گیر دارد و سر دیگر آن آزاد است

• تیر دو سر: تیرهایی که در دو انتها محدود شده‌اند و حرکت آزاد ندارند

• تیر پیوسته یا جهانی: تیرهایی با بیش از دو تکیه‌گاه ساده که بار را بین چند نقطه منتقل می‌کنند

شناخت دقیق انواع تیرها و شرایط تکیه‌گاهی آن‌ها برای طراحی و مقاوم‌ سازی ستون های بتن مسلح و تیرهای فولادی اهمیت ویژه‌ای دارد، زیرا رفتار تیرها تحت بارهای مختلف مستقیماً به نوع تکیه‌گاه وابسته است و در تعیین نقاط بحرانی و روش‌های تقویت تیرها نقش کلیدی دارد.

محاسبه سطح بارگیری تیرها در ساختمان‌های فولادی

سطح بارگیری تیرها نشان‌دهنده مقدار باری است که هر تیر از سقف تحمل می‌کند. نحوه توزیع بار به شکل یک طرفه یا دو طرفه بودن دال سقف بستگی دارد. اگر نسبت ابعاد دال سقف بیشتر از ۲ باشد، دال به عنوان دال یک طرفه و در غیر این صورت به عنوان دال دو طرفه در نظر گرفته می‌شود.

• در دال یک طرفه، تیر بار را از نیمه فاصله بین دو دهانه مجاور دریافت می‌کند.

• در دال دو طرفه، سطح باربر تیر با رسم نیمساز زاویه به دست می‌آید و بار وارده معمولاً به صورت مثلث یا ذوزنقه توزیع می‌شود.

برخی دال‌ها مانند دال‌های قوسی، تیرهای بلوک و دال‌های مرکب (کامپوزیت) رفتار یک طرفه دارند، در حالی که انواع دال‌های بتنی یک طرفه و آرمه اغلب خواص دو طرفه نیز نشان می‌دهند.

درک صحیح سطح بارگیری تیرها، پایه‌ای برای طراحی و مقاوم‌سازی تیرهای فولادی است و به مهندسان کمک می‌کند تا تیرها را به صورت بهینه برای تحمل بارهای سقف طراحی یا تقویت کنند.

بیشتر بخوانید : ۵ مورد از کاربردهای نبشی کشی ساختمان

پروفیل‌های مناسب و تقویت تیرهای فولادی در مقاوم‌سازی سازه‌ها

انتخاب پروفیل مناسب تیر فولادی نقش مهمی در افزایش مقاومت و کاهش وزن سازه دارد. از جمله پروفیل‌های نورد پرکاربرد و اقتصادی برای تیرها می‌توان به IPB، INP، IPE و UNP اشاره کرد.

• اگر مقطع نورد شده در برابر لنگرهای خمشی کافی نباشد، می‌توان با افزودن تسمه یا ورق به بال‌ها آن را تقویت کرد.

• در صورت نیاز به ظرفیت بیشتر برای بار و دهانه مورد نظر، استفاده از تیر ورق توصیه می‌شود.

عناصر اصلی سازه‌های فولادی شامل موارد زیر هستند:

• تیرهای فولادی

• ستون‌های فولادی

• فونداسیون سازه

به ویژه در شرایطی که بارهای جانبی مانند زلزله به ساختمان وارد می‌شوند، تقویت تیرهای فولادی اهمیت زیادی پیدا می‌کند. این اقدام باعث می‌شود سازه استحکام و پایداری خود را حفظ کرده و عملکرد بهینه در برابر بارهای وارده داشته باشد، بدون آنکه با مشکلات و آسیب‌های جدی مواجه شود.

دلایل خرابی تیرهای ساختمان و ضرورت تقویت آن‌ها

تیرهای ساختمان نقش حیاتی در پایداری و استحکام سازه دارند و خرابی آن‌ها می‌تواند به شدت ایمنی ساختمان را تهدید کند. عوامل متعددی باعث ضعف یا شکست تیرها می‌شوند که مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:

1. کم بودن مقطع تیر: یکی از دلایل اصلی شکست تیرها، پایین بودن سطح مقطع نسبت به بارهای وارده است.

2. لاغری بیش از حد تیر: تیرهای نازک‌تر از حد استاندارد مقاومت لازم را ندارند و مستعد شکست هستند.

3. جوش ضعیف: کیفیت پایین جوش در تیرها باعث کاهش مقاومت و ایجاد نقاط آسیب‌پذیر می‌شود.

4. عدم فشردگی مقطع: ناترازی یا فشردگی ناکافی مقطع تیر باعث کاهش ظرفیت تحمل بار می‌شود.

5. خوردگی و زنگ‌زدگی: تماس تیر با مواد شیمیایی یا رطوبت باعث خوردگی می‌شود و مقاومت تیر کاهش می‌یابد.

6. خستگی و ساییدگی سازه: استفاده طولانی‌مدت و بارهای متناوب می‌تواند باعث کمانش و شکست تیر شود.

7. نیروها و تنش‌های لرزه‌ای: زمین‌لرزه و ارتعاشات شدید می‌تواند تیرها را تحت فشار قرار دهد و به آن‌ها آسیب برساند.

برای جلوگیری از این مشکلات و افزایش طول عمر سازه، استفاده از روش‌های تقویت تیرهای فولادی ضروری است.

بیشتر بخوانید : مقاوم‌ سازی ساختمان با پیش تنیدگی و پس کشیدگی چیست؟

دلایل تقویت تیرهای فولادی در مقاوم‌سازی ساختمان

تیرهای فولادی به دلیل بارهای فشاری و خمشی ممکن است دچار خرابی شوند. عمده مشکلات تیرهای فولادی شامل کمانش موضعی، کمانش کلی، پارگی در درزها و وصله‌ها می‌باشد.

• کمانش موضعی: بخش‌هایی از پروفیل یا هسته تیر به صورت محلی در برابر تنش‌های فشاری کمانش می‌کنند.

• کمانش کلی: کل ناحیه فشاری سطح مقطع، مشابه ستون تحت فشار، دچار کمانش می‌شود.

دلایل اصلی خرابی تیرهای فولادی عبارتند از:

1. سطح مقطع ناکافی تیر

2. لاغری بیش از حد بال‌ها

3. فشرده نشدن مقطع

4. ضعف در آرماتوربندی

5. زنگ‌زدگی و خوردگی تیرها

6. ایجاد ناحیه متاثر از حرارت در اثر جوشکاری زیاد

7. خستگی و بارهای متناوب

8. طراحی نادرست تیرهای فولادی

با توجه به این عوامل، تقویت تیرهای فولادی نه تنها باعث افزایش مقاومت و جلوگیری از کمانش می‌شود، بلکه ایمنی و پایداری ساختمان را در برابر نیروهای جانبی و بارهای اضافه تضمین می‌کند.

راهکارهای رایج برای تقویت تیرهای فلزی در مقاوم‌ سازی ساختمان

برای افزایش ظرفیت باربری و دوام تیرهای فولادی، روش‌های مختلفی وجود دارد که هر کدام بسته به نوع آسیب و شرایط سازه کاربرد دارند. از جمله رایج‌ترین روش‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

۱. تقویت تیر فولادی با روکش فولادی

یکی از روش‌های مؤثر در مقاوم‌سازی تیرهای فولادی، استفاده از روکش فولادی است. این روش باعث افزایش ضخامت تیغه تیر می‌شود و از کمانش موضعی تیغه جلوگیری می‌کند. روکش فولادی در قسمت‌های مختلف تیر نصب شده و ظرفیت باربری تیر را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

۲. تقویت تیر با ژاکت فولادی

استفاده از ژاکت فولادی یکی دیگر از روش‌های متداول است که به دو صورت انجام می‌شود:

1. افزودن ورق‌های موازی به قالب تیر: این کار باعث افزایش مقاومت خمشی و برشی تیر می‌شود.

2. اضافه کردن سخت‌کننده‌های جان: صفحات عمودی که در فواصل معین به قالب تیر جوش داده می‌شوند، به عنوان سخت‌کننده‌های جان عمل کرده و مقاومت برشی را به طور چشمگیری افزایش می‌دهند.

۳. تقویت تیر فولادی با ژاکت بتنی

در شرایطی که تیر فولادی آسیب‌دیده یا خورده شده باشد، مقاوم سازی ساختمان با ژاکت بتنی یک راه حل کارآمد است. این روش باعث افزایش سختی خمشی و برشی تیر شده و مقاومت تیر را در برابر آتش نیز بهبود می‌بخشد، چرا که بتن نسبت به فولاد رفتار بهتری در برابر حرارت و آتش دارد. بنابراین، ترکیب تیر فولادی با ژاکت بتنی علاوه بر افزایش ظرفیت باربری، ایمنی سازه را در شرایط آتش‌سوزی نیز تضمین می‌کند.

۴. استفاده از پیش‌ تنیدگی خارجی برای تقویت تیرها

یکی از روش‌های مدرن در تقویت تیرهای فلزی، پیش‌تنیدگی خارجی است. در این روش از کابل‌های کششی استفاده می‌شود که می‌توانند به صورت موضعی یا کلی نیروهای پیش‌تنیدگی را به سازه اعمال کنند.

مزایای پیش‌ تنیدگی خارجی:

• توزیع مجدد نیروهای داخلی و کاهش تنش‌ها نسبت به حالت اولیه.

• افزایش ظرفیت باربری تیرها و بهبود عملکرد لرزه‌ای.

با این حال، در برخی اعضای سازه ممکن است پیش‌تنیدگی باعث افزایش تنش شود، بنابراین تحلیل دقیق تنش‌ها قبل از اجرای این روش ضروری است. علاوه بر این، استفاده از کابل‌های کششی نیازمند توجه به سفت‌کننده‌ها و نیروهای محوری ایجاد شده در اعضا است تا ثبات تیر حفظ شود.

بیشتر بخوانید : راهکارهای مقاوم سازی ساختمان در برابر بلاهای طبیعی به چه صورت است؟

تقویت تیرهای فولادی با الیاف FRP

تیرهای فولادی در سازه‌های فولادی نقش حیاتی دارند و وظیفه انتقال بارهای وارده به ستون‌ها و فونداسیون را بر عهده دارند. در صورتی که تیر فولادی به هر دلیلی ظرفیت خمشی کافی برای تحمل بارها نداشته باشد، باید از روش‌های مقاوم‌سازی استفاده کرد.

یکی از روش‌های پیشرفته و مؤثر، تقویت تیرهای فولادی با الیاف FRP است. مشابه تیرهای بتن مسلح، با اتصال ورق‌ها یا الیاف FRP به بخش‌هایی از مقطع تیر که تحت کشش هستند، می‌توان بال پایینی تیر فولادی را تقویت کرده و ظرفیت خمشی آن را افزایش داد.

برای تیرهای خرپایی یا تیرهای چند دهانه، می‌توان با نصب FRP در میان طول بال تحتانی و همچنین تقویت بال بالایی در نواحی نزدیک دهانه‌ها، خم شدن تیر را به حداقل رساند و عملکرد سازه را بهبود بخشید.

مزایای استفاده از الیاف FRP در تقویت تیر فولادی

استفاده از FRP برای مقاوم‌سازی تیرهای فولادی مزایای قابل توجهی دارد:

• کاهش مشکلات عملکردی به دلیل وزن بسیار کم الیاف FRP

• انعطاف‌پذیری بالای FRP و انطباق با شکل تیر

• افزایش ظرفیت خمشی تیرهای فولادی

• به تاخیر انداختن کمانش موضعی بال تیر

• ورق‌های FRP با ضخامت کم بدون تغییر قابل توجه در ابعاد تیر

• هزینه کمتر نسبت به سایر روش‌های سنتی مقاوم‌سازی

تقویت برشی و خمشی تیرها با الیاف پلیمری FRP

استفاده از الیاف پلیمری FRP یکی از روش‌های نوین و مؤثر در مقاوم‌سازی تیرهای فولادی و بتنی است. این روش می‌تواند ظرفیت برشی و خمشی تیرها را افزایش داده و عمر مفید سازه را به طور قابل توجهی طولانی‌تر کند.

تقویت برشی تیرها با FRP

در تقویت برشی تیرها، الیاف FRP به صورت عمود بر طول تیر و در دو طرف آن نصب می‌شوند. برای افزایش مقاومت برشی تیرها، می‌توان الیاف را به شکل U اجرا کرد تا به دو طرف و پایین تیر بچسبند. این روش باعث افزایش مقاومت برشی و خمشی تیرها شده و عملکرد سازه را در برابر بارهای جانبی و نیروهای اضافی بهبود می‌بخشد.