سازه‌های مدفون
با توجه به سوابق لرزه خیزی كشور و همچنین نحوه احداث بناها، كشور در سال‌های گذشته و همچنین داشتن پتانسیل بالا در اكثر شهرهای پر جمعیت كشور برای وقوع زلزله، لازم است مسئله مصون سازی جامعه از آثار زلزله به طور جدی مورد توجه قرار گیرد. نابودی سرمایه‌های ملی و انسانی بر اثر زلزله‌های مخرب، لزوم توجه به مقاوم سازی ابنیه و ساختمان‌های موجود را اجتناب ناپذیر می‌كند. در چند دهه اخیر تحقیقات زیادی در زمینه مهندسی زلزله صورت گرفته است.
تأمین ایمنی لرزهای ساختمان‌های موجود باید درالویت برنامه‌های كلان كشور قرار گیرد. از جمله روش‌هایی كه در كشورهای مختلف جهت مقابله با تهدیدات ناشی از موج و قدرت تخریبی زلزله‌ها و انفجارات صورت گرفته، به كارگیری سازه‌های بتنی، سازه‌های مركب، دیوار‌حائل، حفاظ‌های بتنی، سازه‌های مجازی و موارد مشابه است.
سازه‌هایی كه با آئین نامه‌های متداول طراحی شده‌اند از لحاظ تأمین امنیت و سلامت جانی عملكرد خوبی دارند اما میزان خسارت وارد بر این سازه‌ها (بخصوص سازه‌هایی مثل بیمارستان و مراكز درمانی كه كارآئی آنها با اهمیت است) بالا بوده و از لحاظ اقتصادی تعمیر و مرمت آنها توجیه ندارد. آئین نامه‌های طراحی كنونی سازه‌ها در برابر زلزله عمدتاً با هدف كاهش تلفات جانی ناشی از زلزله تدوین شده‌اند و تجارب حاصل از زلزله‌های اخیر نیز نشان دهنده كارآمدی آنها در زمینه كاهش تلفات ناشی از زلزله است. ولی زلزله‌های بزرگ سال‌های اخیر نشانگر آن است كه میزان خسارت‌های سازهای و غیرسازه‌ای در برخی موارد بسیار شدید بوده و خسارات مالی سنگینی را به دنبال داشته است.
با توجه به تعداد و گستردگی سازه‌های آسیب پذیر در برابر زلزله در سطح كشور بودجه و زمان بسیار زیادی لازم است تا تمامی این سازه‌ها نوسازی و جایگزین شوند. لذا مقاوم سازی سازه‌های موجود با تدابیری كه حداقل هزینه و حجم مصالح و زمان را نیاز داشته باشد، تنها و بهترین راه حل جهت جلوگیری از فجایع و مصیبت‌های آتی است.
سازه‌های مدفون مانند نیروگاه سدها كه در تونل قرار دارند، به واسطه آن كه یكی از عناصر مهم در شریان‌های حیاتی هستند، باید به گونه‌ای طراحی شوند كه در مدت زلزله و بعد از آن هم بتوانند عملكرد خود را داشته باشد. بنابراین دستیابی به روش یا روش‌هایی جهت بهسازی لرزهای سازه‌های مدفون كه در برابر زلزله به اندازه كافی مقاوم نیستند، می‌تواند بسیار مهم باشد.
اصطلاحات و مفاهیم مختلف
اصطلاحات و مفاهیم مختلف در ارتباط با ارتقاء سطح لرزهای و مقاوم سازی ساختمان‌ها به كار برده میشوند اما تعاریف واحد و كاملاً مشخصی برای آنها ارائه نشده‌اند.
مقاوم سازی
تجدید یا جایگزین كردن عنصری نو در قسمتی از ساختمان موجود جهت بالا بردن ظرفیت سازهای نسبت به ساختمان اصلی به طوری كه عملیات انجام شده باعث میشود مقاومت و شكلپذیری ساختمان تقویت شده، نسبت به ساختمان اولیه بالا رود.
ترمیم
تجدید و یا جایگزین كردن قسمتی نو در ساختمان خسارت دیده و یا رو به زوال رفته، جهت بدست آوردن سطح مقاومت و یا شكل پذیری برای ساختمان قبل از خسارت دیدگی.
دوباره مدل كردن
تجدید و یا جایگزین كردن قسمتی نو درساختمان موجود كه صاحب ملك بخواهد كاربری آن را عوض كند.
بهسازی
شامل مقاوم سازی، ترمیم و دوباره مدل كردن میشود.
توان بخشی
تجدید و یا جایگزین كردن قسمتی نو در ساختمان خسارت دیده جهت دستیابی به همان سطح بهره برداری كه ساختمان قبل از خسارت دارا بوده است.
بازسازی
بازسازی ساختمان‌ها در یك منطقه مشخص اكثرا جهت بناهای تاریخی بكار می‌رود كه شامل ترمیم و مقاوم سازی میشود. به منظور بهبود رفتار لرزهای ساختمان‌ها در برابر نیروهای زلزله لازم است ظرفیت لرزهای ساختمان موجود و ظرفیت لرزهای مورد نیاز برای تقویت تخمین زده شود و چگونگی رسیدن به ظرفیت مورد نیازمشخص شود.
هدف از مقاوم سازی ابنیه زیر زمینی
یكی از اساسی‌ترین كاركردهای مقاوم سازی در ساختمان‌های ایمن حفاظت از آن ساختمان در برابر بارهای احتمالی است. مواردی چون شدت آسیب پذیری، هزینه مالی و مقدار عملیات مورد نیاز شاخصه‌های اصلی در مقاوم سازی ابنیه بخصوص ابنیه زیر زمینی است، جهت دستیابی به این شاخصه‌ها، می‌توان هر كدام را به شرح زیر بسط داد.
آسیب پذیری
آسیب پذیری عبارت است از مقدار آسیب پذیری سازه در برابر زلزله و اهمیت آن سازه. به عنوان مثال هرچه ساختمانی مهمتر یا آسیب پذیرتر باشد، نیاز به ایمن سازی مؤثر تر،بیشتر احساس میشود.
هزینه مالی
صرف هزینه مالی تا جایی معقول و بهینه است كه ارزش هزینه صرف شده برای حراست ساختمان با توجه به تجهیزات موجود در آن و كاركرد آن ساختمان در مواقع مختلف برابر باشد.
مقدار عملیات مورد نیاز
در بعضی مواقع هزینه از اهمیت كمتری برخوردار بوده و امكان انجام مقاوم سازی به دلایلی نظیر زمانبری زیاد و عدم وجود امكانات غیر ممكن است. لذا با توجه به قابل اجراشدن مقاوم سازی، طرح تهیه شود.
روش‌های متداول مقاوم سازی سازه‌های مدفون
طرح‌های مختلفی برای مقاوم سازی سازه‌های مدفون در مقابله با زلزله وجود دارد. البته هر یك دارای خصوصیات و روش‌های خاص خود هستند. ولی یكی از مشكلات این طرح‌ها، هزینه‌های سنگین آنها است. كه اغلب با افزایش عمق همراه است. از آنجایی كه امواج زلزله بخش و كاهش انرژی است. لذا افزایش عمق، تا حدودی ایمنی را افزایش می‌دهد. در مقابل استفاده از این راه، باعث كاهش بهره برداری سازه در شرایط بهره برداری و افزایش هزینه ساخت میشود. از سوی دیگر لایههای مختلف زمین، بخشی از امواج زلزله را كه به فركانس طبیعی لایه نزدیكتر است تقویت می‌كند و عدم توجه به این مطلب در هنگام طراحی، خسارت‌های جبران‌ناپذیری را به همراه دارد. به دلایل اقتصادی عموماً تدابیرفوق الذكر در سازه‌های مدفون، به طور كامل لحاظ نمی‌شود.
اثر موج در خاک
خواص امواج زلزله با عبور از محیط‌های مختلف دگرگون میشود. فركانس‌های بالا به سرعت میرا شده و فركانس‌های پایین تا مسافت‌های دورتر پایدار می‌مانند. از سوی دیگر لایههای مختلف زمین بخش‌هایی از طیف فركانس را كه به فركانس طبیعی لایه نزدیكتر است تقویت می‌كنند. در صورتی كه لایه‌هایی در زمین وجود داشته باشند كه فركانس آنها از طیف اصلی فركانس لرزه، دورتر باشد موج تقویت نشده و مستهلک میشود. لذا جنس خاك پی نقش مهمی بر مستهلک نمودن موج و انرژی و در ضمن پایداری سازه در اثر نیروهای استاتیكی و دینامیكی دارد.
استهلاک موج
افزایش ضریب استهلاک موجب كاهش نیروهای زلزله در زمین میشود.
ضریب استهلاک در مصالح خاكی متفاوت است و می‌تواند بین ۱۰ تا ۲۰ متغیر باشد كه ناشی از عوامل مختلفی است.
- رفتار پسماند
- اصطكاك ناشی بین ۲ سطح سازه و خاك
- لزجت داخلی ذرات – اصطكاك – تخلخل بین ذرات ومقاومت خارجی آب در ذرات خاك
در خاك‌های دانه‌ای استهلاك ناشی از اصطكاك، از عوامل دیگر مهمتر است. این مطلب هم قابل ذكر است كه عبور موج در محیط متخلخل همراه با توزیع انرژی است.
بار گذاری زلزله بر سازه
روش‌های مقاوم سازی در برابر انفجار، نسبت به زلزله، كم خرج‌تر و امكان پذیرتر است اغلب از ارتعاشات انفجاری جهت بررسی خواص زمین لرزهای سازه‌های مختلف بهره گیری میشود. رفتار یك ماده منفجره بر یك سازه، عموماً با كمك ۲ عنصر مهم مطالعه میشود.
- اندازه قدرت انفجار، كه با TNT سنجیده میشود.
- فاصله منبع انفجار تا هدف
فشار امواج حاصل از انفجار پس از گذشت از بازه زمانی انفجار به صورت تصاعدی كاهش می‌یابد. طبق آزمایشات انجام شده، این فشار مثبت حتی می‌تواند به فشار منفی تبدیل شود كه در این صورت تشدید خرابی را به همراه خواهد داشت. زیرا در اثر این فشارهای منفی سازه، در معرض نیروهایی در جهت مخالف قرار می‌گیرد. با رخ دادن انفجار، (با قدرت معین بر حسب TNT)، در سطح زمین یا نزدیك به آن، حداكثر فشار حاصله از این انفجار كروی به صورت تابعی از فاصله نسبت به منبع گسترش دهنده نزول می‌كند. وقتی كه موج زلزله یا انفجار به سازه می‌رسد، سازه در معرض فشار بازتاب و نتایج بارگذاری، كه ممكن است بسیار پیچیده باشد، قرار می‌گیرد. هر چند كه این بارگذاری بسیار پیچیده است ولی باز هم موج انفجار بر اساس بارگذاری قابل محاسبه است. موج زلزله كه قبل از برخورد به صورت فشاری بوده، پس از برخورد و انعكاس تبدیل به موج كششی میشود. بیشترین آسیب به ساختمان در اثر این موج كشش است.
اثر موج زلزله بر بتن
امواج زلزله در قسمت‌های مختلف دیواره سازه منتشر شده و پس از رسیده به سطوح آزاد دیواره‌ها منعكس و پراكنده میشوند. این امواج كه قبل از برخورد به صورت فشاری بودند، پس از برخورد و انعكاس تبدیل به موج كششی میشوند. انعكاس موج تنش در بدنه سازه‌های بتن آرمه باعث به وجود آمدن پدیده‌ای به نام قلوه كنشدگی میشود كه به عنوان یكی از عوامل مخرب سازه‌های امن ساخته شده از بتن به شمار می‌رود. برای مقابله با این پدیده چند روش مورد استفاده قرار می‌گیرند.
راهكار پیشنهادی برای سازهای مدفون در برابر زلزله
در هنگام ارائه راهكارهای جدید برای مقاوم سازی زلزله‌ای و یا انفجاری سازه، باید موارد متعددی در نظر گرفت كه اهمیت آن سازه در جای نخست قرار دارد. یكی از سازه‌های بسیار مهم در هر كشور مراكز زیر زمینی نظامی و یا غیر نظامی است كه اصطلاحاً به آن سازه‌های امن گفته میشود. هر چند هزینه مصرفی در جهت مقاوم سازی این سازه ها ممكن است بسیار زیاد باشد، ولی با توجه به كاهش خسارت‌های مالی و جانی كه در صورت بروز حادثه رخ می‌دهد، قابل توجیه است.
لذا با توجه به مطالب بالا به كار بردن روش‌های نوین مقاوم سازی جهت ایمنی و كم هزینه شدن مقاوم سازی سازه‌های امن ضرورت دارد. برای مقاوم سازی این گونه سازه‌ها، نیازمند به راهكارهای بهینه است.
مواد كامپوزیت پلیمری (FRP )
این مواد بطور كلی تركیبی از دو ماده الیاف و رزین هستند كه در آن الیاف عامل ایجاد مقاومت و رزین عامل ایجاد پیوستگی و یكپارچگی الیاف و همچنین عامل توزیع و انتقال یكنواخت بار به الیاف است. وظیفه محافظت از الیاف و اتصال آنها به سطح و انتقال نیرو از سازه به الیاف نیز بر عهده رزین بوده در حالی كه وقتی الیاف با رزین مورد استفاده قرار می‌گیرند، مقاومت كششی آن به ۲ الی ۳ برابر مقاومت كششی فولاد كاهش می‌یابد. این مواد تنوع بسیار زیادی دارند ولی در زیر چند مورد از آنها اشاره میشود.
- مواد كامپوزیت پلیمری با الیاف كربن (CFRP)
- مواد كامپوزیت پلیمری با الیاف آرامید (AFRP)
- مواد كامپوزیت پلیمری با الیاف شیشه (GFRP) رایج ترین نوع است ولی در برابر مواد قلیایی آسیب پذیر است. (E-Glass)
- الیاف شیشه مقاوم در برابر قلیایی ها AR-Glass
دلایل استفاده از این گونه مواد
- قابلیت افزایش مقاومت در جهت دلخواه
- مقاوم در برابر خوردگی و فرسودگی
- وزن بسیار كم (برای تقویت دیوار برشی، وزن دیوار اضافه نخواهد شد و در نتیجه نیازی به تقویت پی نیست)
- مقاوم در برابر بارهای متناوب، دینامیكی و تكراری (استفاده در پل‌ها به دلیل خستگی ناپذیر بودن)
- افزایش رفتار شكل پذیر سازه
- سرعت به كارگیری و نصب بالا
- رفتار تقریباً یكسان از لحاظ انبساط و انقباض با بتن
- قابلیت حمل آسان
- صرفه اقتصادی (علیرغم بالاتر بودن قیمت واحد خود مواد كامپوزیت نسبت به مصالح دیگر، به دلایل زیر استفاده از این مواد در مقاوم سازی به صرفه است)
- وزن كم و عدم نیاز به تقویت پی‌ها
- ضخامت تمام شده كم و عدم كاهش زیر بنای مفید ساختمان
- سرعت نصب بالا و عدم نیاز به ماشین آلات سنگین و پر صدا
- مقاوم در برابر خوردگی و عدم وجود هزینه نگهداری
این میراگر بعنوان قسمتی از سیستم مهاربند جانبی، شامل صفحات فولادی است كه به یكدیگر بولت شده و عموماً در قسمت وسط مهارربند X شكل قرار می‌گیرد. سیستمی نظیر این میراگرها وجود دارد كه می‌توان آن را به وسیله اتصالاتی در محل اتصال تیر – ستون تعبیه نمود. این میراگرها انرژی زلزله را بواسطه لغزش صفحات فولادی بر روی یكدیگر به انرژی گرمایی تبدیل می‌نماید.
در چند مرحله انرژی موج زلزله جذب میشود، به صورتی كه حداقل انرژی موج به بتن نهایی می‌رسد، سپس توسط نوع جدیدی از بتن و همین طور با طرز قرار گرفتن خاص آرماتورها و استفاده از میراگرها و اثر زلزله را خنثی می‌كند و آسیب‌ها را به حداقل می‌رساند. همانطور كه گفته شد می‌توان این روش را به چند مرحله تقسیم كرد.
مرحله اول ( جذب انرژی)
در این مرحله ابتدا، موج زلزله را به طور نسبی بوسیله لایههای مصنوعی خاك مستهلك نموده، به طوری كه انرژی ناشی از موج لرزهای صرف جابجایی این لایه‌ها میشود. برای این منظور و همینطور افزایش رفتار میرایی در لایههای زمین، از مصالح ارتجاعی مقاوم (PVC متراکم) در خاك‌هایی كه تخلخل بالا دارند استفاده میشود. سپس از میکرو شمع استفاده میشود.
در انتهای این مرحله، از نوعی محیط ژله‌ای (یا پلاسما) استفاده می‌كنیم تا بار وارده در سطح وسیع‌تری پخش شده و نتیجتاً بار زلزله و یا انفجار به طور مستقیم نمی‌تواند دیواره بتنی را تخریب نماید. دراین صورت اثرات مخرب ایجاد شده بر روی سازه به حداقل می‌رسد. مقدار بار بحرانی در هنگام وقوع زلزله در زمان بسیار كوتاه اتفاق می‌افتد. لذا می‌توان با كاهش این اثر بخشی در بازه زمانی مورد نظر و گسترش آن در بازه زمانی بزرگتر، قدرت و شدت بار وارده را كاهش داده و به تبع آن مقدار تخریب را كاهش دهیم.
مرحله دوم
در این مرحله تركیبی از مصالح FRP با بتن جدید (این نوع بتن در مركز تحقیقات مهندسی جهاد آذربایجان شرقی طراحی شده كه اثر ویران بخش زلزله بر بتن كه در بخش اثر زلزله بر بتن ذكر شد به حداقل می‌رساند) اثر زلزله را به حداقل ممكن می‌رساند.
مرحله سوم
در این مرحله با استفاده از میراگرهای اصطكاكی و روش آرماتوربندی پیوسته، حداقل فاصله بین آرماتورها اثر زلزله را خنثی می‌كند. برای احتیاط می‌توان از شمع‌ها كه به صورت مایل به سنگ بستر سخت وصل هستند استفاده كرد. عملكرد شمع‌های مایل به گونه‌ای ست كه باعث افزایش مقاومت دیواره‌های قائم و تحكیم دیواره بتنی میشوند و لذا از ریزش دیواره به داخل و آسیب دیدن تجهیزات جلوگیری می نمایند. از طرفی با توجه به كنترل توده خاك و تثبیت آن، باعث افزایش مقاومت خاك در اطراف سازه میشوند. بدین صورت انرژی دینامیكی را مستهلك می‌كنند. لذا استفاده از این روش در مقاوم سازی سازه‌های مختلف بسیار مناسب است. نكته قابل ذكر این است كه به نظر می‌آید این روش خیلی پر هزینه است.
سپر دفاعی تحتانی
سپر دفاعی تحتانی باعث افزایش كارائی گالری در تحمل موج و بار وارده ناشی از انفجار و زلزله میشود. بكارگیری سپر تحتانی از سازه در برابر واژگونی و همچنین در برابر افت‌های موضعی ناشی از اعمال بار و در نهایت از آسیب دیدیگی سازه از قسمت پائین جلوگیری به عمل می‌آورد.
شمع‌های مایل (ریز شمع)
عملكرد شمع‌های مایل به گونه است كه با دو كاركرد باعث مقاوم سازی دیواره‌های قائم و تحكیم دیواره بتنی میشوند و لذا از ریزش دیواره به داخل و آسیب دیدن تجهیزات جلوگیری می‌نمایند و باعث افزایش مقاومت خاك در اطراف سازه میشوند، چون به خوبی باعث تثبیت خاك میشود.
با توجه به مطالب گفته شده به كارگیری روش‌های یاد شده ضمن افزایش باربری سازه، از بروز خسارات به تجهیزات داخل آن جلوگیری كرده و امكان استفاده از سازه امن را بعد از زلزله و یا انفجار فراهم می‌سازد.
- امواج زلزله هنگام عبور از لایههای مختلف زمین در حال انعكاس، شكسته و جذب میشوند.
- سازه‌های مقاوم شده انفجاری عموماً در مقابل زلزله نیز باربری مناسبی دارند.
- جهت توزیع و جذب موج در زمین، ژئومبین به صورت لایههای بسیار نازك با ضخامت طراحی در لایههای خاك استفاده میشود.
- با توجه به مشابه بودن بارگذاری زلزله و انفجار بهتر است در سازه‌های مختلف این دو مقاوم سازی بصورت همزمان صورت پذیرد.
