امروزه بحث مقاوم سازی لرزه‌ای سازه‌ها و ساختمان‌های موجود به یكی از محوری‌ترین مسایل موجود در مهندسی زلزله مبدل شده است. غالباً ساختمان‌هایی كه نیاز به مقاوم سازی در برابر زلزله دارند در دو گروه عمده قرار می‌گیرند.
در كشور ما به دلایل مختلف و به ویژه به علت جنبه‌های اقتصادی مسئله، در حال حاضر تمركز بر روی مقاوم سازی ساختمان‌های گروه اول است. در در مقاومسازی كلی، كل سیستم سازه با روش‌های مختلفی مانند استفاده از دیوارهای برشی، مهاربندها، میان قاب‌ها و… به منظور افزایش مقاومت و سختی و نیز تأمین شكل‌پذیری لازم تقویت و بهسازی میشود.
در سیستم‌های سازه‌ای معمول مانند قاب‌های خمشی و سیستم‌های دو گانه، تیرها نقش بسیار مهمی در لرزه‌بری سیستم دارند. این المان‌ها برای عملكرد مناسب نیاز به شكل‌پذیری بالا و مقاومت و سختی متناسب با آن دارند. طراح بایستی قبل از اقدام به بهسازی مكانیزم غالب در رفتار تیر داخل سازه مورد نظر را تشخیص داده و سپس متناسب با آن اقدام به انتخاب روش و سپس مقاوم سازی كند. برای مثال چنانچه شكل‌پذیری خمشی المان تیر پائین باشد، طراح ابتدا بایستی این نوع شكل‌پذیری را تأمین نموده و در مرحله بعد سعی در تأمین مقاومت برشی در تیر تا لحظه تشكیل مفاصل پلاستیك خمشی نماید.
تیرها در جریان انتقال نیروهای ثقلی و جانبی دیافراگم به ستون نقش دارند، از این رو جزئی از سیستم سازه هستند. طراحی تیرهای بتنی مخصوصاً در مناطق لرزه خیز چون ایران نیاز به دقت بالایی دارد. شکست ترد در این اعضا منجر به خسارات گسترده‌ای در سازه میشود که باید از آن جلوگیری کرد. متاسفانه اغلب در سازه‌های موجود به علت عدم پیش بینی صحیح از نیروهای وارد بر سازه از جمله نیروهای ناشی از زلزله، مشکل مقاومت در تیرها مشاهده شده است. روش‌های متعددی جهت رفع ضعف تیرها وجود دارد، از جمله روش مقاوم سازی با FRP است.
مقاوم سازی تیر بتنی با FRP جهت رسیدن به عملکرد دلخواه از طریق افزایش ظرفیت باربری خمشی و برشی، افزایش مقاومت در برابر سایش، افزایش مقاومت در برابر خوردگی و حتی حرارت است. برای مقاوم سازی تیرهایی که آرماتور آنها به دلیل حضور در شرایط نامساعد خورده شده‌اند، نیز می‌توان از مصالح FRP استفاده کرد. بدین ترتیب تیر بتنی ضمن افزایش مقاومت خمشی و برشی، در مقابل شرایط محیطی خورنده نیز با استفاده از FRP محافظت میشوند.
استفاده از الیاف FRP به صورت رکابی‌های خارجی، سبب افزایش مقاومت و تقویت تیرهای بتنی با در سازه‌های بتن آرمه میشود. در این روش صفحات FRP به وجوه جانبی تیر چسبانده میشود به طوری که راستای الیاف عمود بر محور طولی تیر یا مایل باشد. برای داشتن رکابی خارجی U شکل، مصالح FRP به صورت ممتد روی دو وجه جانبی و زیر تیر نصب میشود که این امر سبب بهبود مهاری تقویت خمشی FRP نیز میشود. برای افزایش کارآیی تقویت‌های برشی، تامین مهار انتهایی لازم است.
با توجه به اینکه طول موجود برای نصب رکابی‌های FRP، به ارتفاع تیر محدود میشود، بتن موجود باید از کیفیت مناسبی برخوردار باشد. سطح بتن باید متناسب با نیازمندی‌های مصالح FRP مورد استفاده و در صورت لزوم ترمیم شود. به منظور پرهیز از گسیختگی رکابی‌های FRP در اثر تمرکز تنش در گوشه‌های مقطع تیر، این گوشه‌ها باید به شعاع حداقل ۳۰ میلی‌متر گرد شوند.
بررسی نتایج تقویت خمشی تیرهای بتنی مسلح با استفاده از پلیمرهای الیافی نشان می‌دهد كه به طور كلی دو مود شكست در این تیرها دیده میشود.
مودهای خرابی كلاسیك (Classical Failure Modes)
مودهای خرابی كلاسیك عمدتاً در تیرهای بتنی معمول و دال‌های بتنی یك طرفه دیده میشود. نوع خرابی می‌تواند شامل گسیختگی كششی لایه‌های FRP یا خردشدگی بتن (Crushing) قبل یا بعد از تسلیم فولاد تیر باشد.
مودهای خرابی زودرس (Premature Modes of Failure)
در بسیاری از مطالعات تجربی تقویت خمشی بتنی، كنده شدن لایه FRP از تیر دیده شده است. جداشدن FRP در تمامی موارد از دو انتهای آن آغاز شده و سبب خرابی زودرس نمونه‌ها شده است. این مود خود شامل دو نوع خرابی متفاوت است.
در خرابی نوع اول، به علت ضعیف بودن رزین متصل كننده لایه به تیر، FRP كنده شده ولی در خرابی نوع دوم چسب مقاومت بسیار بالایی داشته و در نتیجه می‌تواند بتن پوششی را از نمونه جدا كند. خرابی نوع دوم معمول‌تر بوده و در اثر آن ترك خوردگی رخ می‌دهد.
در فرآیندهای طراحی بر اساس مقاومت پیشنهاد شود، تمامی پارامترهای اثرگذار لحاظ نشده است.پارامترهای مانند درصد آرماتور خمشی موجود در تیر بر میزان اثر بخشی روش تأثیر زیادی دارد. در حالی كه چنین پارامتری در دستورالعمل‌ها دیده نمی‌شود كه ناشی از كمبود اطلاعات حین تدوین آنها است.
در دستورالعمل‌های پیشنهادی تقویت غالباً از نقطه نظر مقاومتی مورد توجه قرار گرفته است. به این مفهوم كه فرآیندهای طراحی بیشتر میزان افزایش مقاومت‌های خمشی و برشی را در خود دارند. در حالی كه دیدگاه صرف مقاومتی برای اهداف طراحی در برابر زلزله به تنهایی كافی نبوده و آنچه حاكم بر عملكرد المان و نهایتاً یك سازه است، شكل‌پذیری و رفتار المان تحت بارهای دینامیكی است. گرچه سختی و عدم افت مقاومتی نیز از پارامترهایی هستند كه همراه شكل‌پذیری بایستی مطرح شوند. در این صورت لازم است كه سختی رفتاری المان تحت بارهای وارده به صورت كالیبره شده‌ای تعیین شده تا بتوان از آن در تحلیل‌های غیرخطی مانند تحلیل بار افزودن (پوش اور) استفاده نمود. این منحنی‌ها خواص هیسترتیك المان را نیز در خود دارند. چنین منحنی‌هایی در مطالعات مختلف تهیه شده، اما تا به حال این منحنی‌ها به صورت یك منحنی با خواص كاملاً مشخص و كالیبر شده كه مورد پذیرش محققین باشد در كارهای عملی وارد نشده است.
استفاده از لایه‌های پلیمری مسلح(FRP) در صورتی كه در آنها از پدیده جداشدگی (Debonding) جلوگیری شود، در تقویت خمشی تیرهای بتنی بسیار هستند. در برخی موارد حتی با افزودن یك لایه پلیمر تا ۵/۳ برابر افزایش مقاومت دیده شده است. با افزایش میزان آرماتور خمشی تیر (قبل از بهسازی)، اثر بخشی تقویت به كمك این روش كاهش می‌یابد.
تیرهایی كه با استفاده از این روش تقویت خمشی میشوند، رفتار نهایی تردی از خود نشان می‌دهند كه به علت ماهیت مصالح پلیمری منطقی به نظر می‌رسد. با این وصف ظرفیت تغییر شكل تیر تقویت شده بیشتر از تیر تقویت نشده است. مهار قسمت‌های انتهایی لایه پلیمری در رفتار كلی المان تأثیر بهساز‌یی دارد. در صورت مهار لایه پلیمری كرنش ایجاد شده در آن صورت افزایش می‌یابد.
به نسبت بهسازی خمشی، تعداد مطالعات انجام گرفته در زمینه بهسازی برشی تیرهای بتنی با اسـتفاده از FRP كمتر است. تقویت برشی به این صورت است كه لایه‌های پلیمری بـر روی جـان تیـر بتنـی قرار داده میشود. اتصال با زرین انجام می‌گیرد.
پارامترهای مختلفی بر میزان این روش تأثیرگذار است. از جمله می‌توان به سختی پلیمر، شكل هندسی تقویت، میزان آرماتور طولی و عرضی موجود در مقطع و نسبت دهانه به عمق مقطع اشاره نمود. مشابه تقویت خمشی، در روش‌های طراحی برشی موجود نیز تمامی پارامترهای مؤثر در نظر گرفته نشده و نیاز به مطالعات بیشتری است. مطالعات مختلف نشان می‌دهند كه FRP تأثیر زیادی بر روی مقاومت برشی تیرهای عمیق ندارد. حداكثر افزایش مقاومت دیده شده در حدود ۱۱٪ بوده است. در حالی كه در تیرهای لاغر، افزایش تا۹۰٪ هم دیده شده است. همچنین وجود خاموت‌های برشی موجب كاهش بسیار زیاد در میزان افزایش مقاومت برشی تیر تقویت شده میشود. برای مثال در تیرهای لاغر، افزایش مقاومت برشی در اثر استفاده از پلیمر الیافی در تیرهای بدون خاموت برشی تا حدود ۹۰٪ دیده میشود. از سوی دیگر در نمونههای با خاموت برشی، افزایش فقط ۱۳٪ بوده است.
روكش بتن آرمه در مواردی كه میزان شدت آسیب‌های وارده به ستون زیاد باشد و‌ستون از ظرفیت كافی در برابر نیروهای جانبی برخوردار نباشد، بكار گرفته میشود. روكش بتنی بسته به شرایط می‌تواند دور تا دور ستون یا در یك وجه آن اجرا شود. مناسب بودن طرح روكش بتنی به پیوستگی آن با عضو بستگی دارد. اگر ضخامت روكش بتنی كم باشد، افزایش سختی در ستون مقاوم سازی شده محسوس نیست. روكش بتنی باعث افزایش ابعاد ستون میشود كه علاوه بر مسائل معماری، وزن ساختمان را نیز افزایش می‌دهد.
در تیرها می‌توان از روكش بتنی در سه و یا چهار وجه تیر برای بهسازی و افزایش مقاومت آن استفاده نمود. با این روش می‌توان ناحیه كششی و فشاری تیر را با روكش‌های بتنی جدید تقویت كرد.
برای تكمیل مكانیسم انتقال نیرو بین مصالح قدیم و جدید، زبر نمودن سطح بتن قدیمی و جوش دادن میلگردهای اتصال با آرماتورهای جدید و قدیم ضروری است.
اجرای روكش بتنی در هر چهار وجه تیر موثرترین روش برای مقاومسازی تیرهای بتنی است. در این شیوه ضخامت بتنی كه به وجه بالایی تیر افزوده میشود باید در ضخامت سقف گم شود. اجرای تنگ‌ها نیز از طریق سوراخ‌هایی كه در فواصل نزدیك به هم در دال سقف ایجاد میشود امكان پذیر است.
اجرای روكش بتنی در سه وجه تیر برای افزایش ظرفیت خمشی و برشی تیر در برابر بارهای قائم انجام میشود، اما به دلیل آنكه در این حالت، افزایش ظرفیت باربری مقاطعی از تیر كه در نزدیكی تكیه گاه‌ها قرار دارند امكان پذیر نیست، تیر را نمی‌توان در مقابل بارهای جانبی زلزله تقویت نمود.
در تیرهای بتن آرمه خرابی‌های ناشی از زلزله منجر به شکست ستون قبل از تشکیل مفصل پلاستیک در تیر میشود. در نتیجه روش‌های مختلفی برای بهبود ظرفیت خمشی، برشی و شکل پذیری ستون‌ها توسط افزایش دورگیری جانبی ناحیه مفصل پلاستیک ارائه شده که عملکرد مناسبی طی زلزله‌های مختلف داشته‌اند از آن جمله استفاده از ژاکت بتنی و استفاده از الیاف FRP است. افزایش مقاومت جانبی و سختی در نمونههای مقاوم سازی شده با ژاکت بتنی خیلی بیشتر از نمونههای مقاوم سازی شده با الیاف FRP است. در حالی که میزان شکل پذیری نمونههای مقاوم سازی شده با FRP بهتر از نمونههای مقاوم سازی شده با ژاکت بتنی است.
استفاده از ژاکت فلزی روشی مناسب برای مقاوم سازی تیر بتنی بوده که ضمن افزایش مقاومت و شکل پذیری اعضای این نوع سازه‌ها وزن قابل ملاحظه‌ای را به ساختمان اضافه نمی‌نماید. در این روش ورق‌های فلزی در محل‌های آسیب پذیر ساختمان بر روی سطح بتنی عضو قرار گرفته و توسط بولت به عضو مربوطه متصل میشود. مقاوم سازی با ژاکت فلزی بر حسب مورد می‌تواند بصورت دور پیچ، نواری و یا موضعی باشد.
در مواردی که اتصال تیرها و ستون‌های ساختمان بتنی ضوابط شکل پذیری از جمله فاصله بین خاموت‌ها را رعایت نمی‌نمایند ورق‌های فلزی پیرامون تیر و ستون قرار گرفته و با جوشکاری به یکدیگر متصل میشوند. همچنین این ورق‌ها باید با بولت به تیرها و ستون‌ها وصل شوند تا بتوانند در تحمل لنگر‌های خمشی و نیروهای برشی ایجاد شده در اتصال مشارکت نمایند. ورق‌های فلزی پیرامونی به علاوه با ایجاد محصور شدگی در محل اتصال تیرها و ستون‌ها خردشدگی بتن را به تاخیر انداخته و باعث افزایش مقاومت فشاری آن میشوند.
همچنین برای مقاوم سازی ستون‌های ضعیف سازه که فاقد آرماتورهای عرضی یا طولی کافی هستند استفاده از ژاکت فلزی مرسوم است. برای اینکار نیز مشابه قبل ورق‌های فلزی در اطراف ستون قرار گرفته و توسط بولت به ستون متصل میشوند. این ورق‌ها همچنین در بالا و پایین ستون باید به نحو مناسبی به تیرها و فونداسیون متصل شوند. استفاده از ژاکت فلزی برای مقاوم سازی تیرها ضمن افزایش مقاومت برشی و خمشی، مقاومت فشاری بتن را نیز افزایش داده و همچنین از کمانش آرماتورهای طولی جلوگیری می‌نماید.