مقاوم سازی سازههای بنایی
در حال حاضر ساختمانهای ساخته شده با مصالح بنایی (به خصوص ساختمانهای آجری) درصد بالایی از ساختمانهای موجود یا در حال احداث در کشور ما را تشکیل میدهد. مهم ترین عامل مقبولیت ساختمانهای بنایی در ایران به ویژه در شهرستانها در دسترس بودن مصالح، ساده بودن تکنولوژی تولید آجر و بلوکهای بنایی، آشنایی سازندگان با نحوه ساخت و ساز با مصالح بنایی و سرانجام ارزانتر بودن قیمت تمام شده این قبیل ساختمانها نسبت به ساختمانهای با اسکلت فولادی و بتن مسلح است. با توجه به اینکه در ساخت بیشتر ساختمانهای بنایی ضوابط و معیارهای مهندسی مربوط به مقاومت سازه در برابر زلزله مود توجه قرار نمیگیرد. و معمولاً توسط سازندگان محلی و بدون توجه به اثر تخریبی زلزله، طراحی و اجرا میشوند.
عل رغم تعداد و وسعت ساختمانهای بنایی در کشور و علم به این مساله که بیشترین خسارت در زلزلههای متوسط و نسبتاً شدید مربوط به این ساختمانها است، اما متاسفانه در کشور، کارهای تحقیقاتی زیادی در این زمینه انجام نشده است. و از طرف دیگر مسئولین امر، تاکنون به طور جدی پی گیر این بحث یعنی مقاوم سازی سازههای بنایی نبودهاند.
یکی از موانع موجود کمبود منابع مناسب و کارهای تحقیقاتی در زمینه مقاوم سازیی ساختمانهای بنایی است. در واقع در داخل کشور عل رغم درصد بالای این ساختمانها و خطر پذیری بالای آنها کارهای زیادی انجام نشده است. با توجه به اینکه طیف گستردهای از ساختمانهای موجود در کشور از نوع ساختمانهای بنایی است و از طرف دیگر کشور ایران از لرزه خیزی بالایی برخوردار است، همین مساله باعث شده که معایب ساختمانهای بنایی به محاسن آن چیرگی یافته است. تجربه زلزلههای مختلف بیشترین آمار تلفات را در میان این نوع ساختمانها نشان میدهد.
خواص سازهای و دینامیکی ساختمانهای بنایی
در ساختمانهای بنایی، مصالح بنایی که ممکن است آجر یا بلوک باشند به همراه ملات بین آنها، عناصر اصلی باربر ثقلی و جانبی ساختمان هستند. از طرفی به دلیل پیچیدگی رفتار این نوع سازههای نمیتوان روش جامعی برای تحلیل خواص مکانیکی و سازهای آنها ارائه داد. رفتار ناهمسانگرد، ناهمگن و غیر خطی و وجود ترکهای فراوان از یک سو و صفحهای بودن اجزای سازههای بنایی از سوی دیگر پیچیدگی خاصی را ایجاد کرده که غالباً جز با روش آزمایشهای در مقیاس واقعی نمیتوان از وضعیت خرابیها و تنشهای ایجاد شده در اجزای سازهای اطلاعاتی به دست آورد.
توزیع نیروی زلزله در ساختمانهای بنایی
نیروهای لختی که در نتیجه شتاب پی (ناشی از حرکت زمین به هنگام زلزله) در ساختمان پدید میآید باید به پی و از آنجا به زمین منتقل شوند. دیوارهای ساختمان بنایی به دو دسته برشی و عرضی تقسیم میشوند. دیوارهایی که موازی جهت حرکت پی هستند برشی و آنها که عمود بر این جهت هستند عرضی نامیده میشوند. بخشی از نیروهای دیوارهای عرضی به سقف و بخشی به زمین و بقیه به دیوارهای برشی که در دو طرف دیوار عرضی قرار گرفتهاند وارد میشوند. سقفها نیروهای حاصل از زلزله و دیوارهای عرضی را به دیوارهای برشی منتقل میکنند.
اصیلترین عنصر لرزه بر هر ساختمان آجری دیوارهای برشی است که سرانجام باید بار افقی حاصل از تمامی اجزای دیگر را به زمین منتقل کند. علاوه بر این سقف نیز باید از یکپارچگی لازم برای انتقال نیروهای خود و نیز نیروهایی که از بخشهای دیگر دریافت میکند، به دیوارهای برشی برخوردار باشد. به عنوان مثال سقفهای تیرچه بلوک طاق ضربی که ضوابط آیین نامه ۲۸۰۰ را رعایت کرده باشند از صلابت برشی خوبی برخوردار هستند. در حالی که سقفهای سبک شیروانی چنین نیستند و نمیتوانند بار دیوارهای عرضی (دیوارهای عمود بر جهت زلزله) را به دیوارهای برشی (دیوارهایی در جهت زلزله) انتقال دهند و از طرف دیگر دیوارهای عرضی باید بتوانند بار خود را به سقف و پی و دیوارهای متعامد انتقال دهند.
حالتهای شکست
شکست دیوارهای برشی و عرضی اصیل ترین حالتهای شکست را تشکیل میدهد. چون در ساختمانهای آجری سقف بر دیوارها تکیه دارد با سقوط دیوار، احتمال در هم ریختن کل ساختمان وجود دارد و لذا ناپایداری دیوارهای را میتوان به منزله ناپایداری دانست. دیوارهای برشی تقریباً تمامی بار جانبی حاصل از زلزله را بر دوش دارند. سقوطشان به منزله انهدام قطعی ساختمان است. اما شکست دیوارهای عرضی معمولاً با خسارات کمتری همراه است و بنابراین به هنگام تسلیح و تقویت ساختمان آجری تاکید اصلی روی دیوارهای برشی است.
شکست دیوارهای برشی
هرگاه دیوار برشی تحت نیروهای جانبی قرار گیرند دو حالت شکست خواهد داشت یکی خمشی و دیگری برشی. معمولاً پایههای پهن به حالت برشی و پایههای باریک به حالت خمشی به حالت خمشی میشکنند. در عمل به هنگام زلزله دیوار تحت تاثیر نیروهای لختی ناشی از زلزله، متناوباً بر روی پنجه و پاشنه خم میشود و چنانچه نیروهای زلزله بر نیورهای مقاوم چیره شوند جابجایی از حد کشسان خارج میشود و دیوار شروع به واژگون شدن میکند. اما چون نیروهای زلزله طبیعتی آنی دارند این واژگونی لحظهای بیشتر طول نمیکشد و خیلی زود جهت نیروها عوض میشود. و دیوار در جهت مقابل به حرکت در میآید. و در هر بار چند میلیمتر تا چند سانتیمتر از محل پی جابجا شده، پس از لحظهای و به دنبال ضربهای محکم، در جهت دیگر خم میشود. این حرکتهای خمشی را تلو میگویند. حرکت تلو ذاتاً بسیار خطرناک است. و آثار زیان بخش زیر به همراه دارد.
ضربههای حاصل از تلو خرد شدن پنجه و پاشنه دیوار شده، از عرض موثر پایه میکاهد و دیوار را بیش از پیش دربرابر ضربههای بعدی بی دفاع میسازد.
حرکت تلو با ضربههای شدیدی همراه است که نیروهای افقی بزرگی را ایجاد میکند زیرا اندازه حرکت حاصل (جرم دیوار در سرعت) باید در زمان نسبتاً کوتاهی صفر شود بنابراین نیروی افقی قابل ملاحظهای را به وجود میآورد. این نیرو میتواند به اندازهای بزرگ شود که شکستهای برشی ایجاد کند.
حرکت تلو موجب سست شدن ساختمان و در نتیجه کاهش دوره تناوب میشود که به نوبه خود سبب افزایش شتاب پاسخ یا نیروهای زلزله میشود، بنابراین از یک سو مقاومت ساختمان کم میشود و از سوی دیگر نیروهای زلزله افزیش مییابد و بیش از پیش ساختمان را در معرض انهدام قرار میدهد.
شکست دیوارهای عرضی
دیوارهایی که در جهت زلزله عمودند به سبب نیروهای لختی افقی که بر اثر شتاب حاصل از زلزله، از جرم خود دیوار پدید میآیند، مانند دال تختی که بر چهار تکیه گاه قرار گرفته باشد تحت خمش قرار گرفته، خطوطی مشابه خطوط تسلیم در آنها پدید میآید، در صورتی که فاصله دیوارهای عمودی زیاد باشد خمش عمدتاً بین سقف و زمین انجام شده، ترکهای خمشی در امتداد افقی ظاهر میشوند. علاوه بر این چنانچه اتصال دیوار خمشی و دیوارهای متعامد خوب نباشد، در حین زلزله دیوارهای متعامد از هم جدا میشوند.
روشهای ارزیابی کمی آسیب پذیری ساختمانهای بنایی غیر مسلح
ارزیابی آسیب پذیری ساختمانهای موجود در واقع پیش بینی عملکرد این ساختمانها در زلزلههای آتی است و امکان قضاوت مهندسی برای ساخت مجدد یا مقاوم سازی ساختمانهای موجود را فراهم میآورد. این ارزیابی در دو مرحله کیفی و کنی انجام میشود. به این صورت که در مرحله کیفی با توجه به شرایط لرزه خیزی و براساس تجربیات زلزلههای گذشته اطلاعاتی از سیستم سازهای مانند پی، عناصر لرزه بر، نوع سقف جمع آوری شده و بر اساس نتایج این مرحله، ارزیابی کمی با انجام آزمایش برای تعیین مقاومت مصالح سازهای و انجام تحلیل و کنترل معیارهای پذیرش انجام میشود.
روش ارزیابی دستورالعمل بهسازی لرزهای ساختمانهای موجود
در این ارزیابی نیروی زلزله به صورت استاتیکی برای سازه بنایی محاسبه شده و بر اساس آن بدون توزیع بین عناصر سازهای (دیوارها) مقدار برش در هر طبقه به دست میآید که مقدار آن باید از ظرفیت برشی طبقه کمتر باشد. لازم به ذکر است که این برآورد نیاز و ظرفیت منحصراً برای ساختمانهای تا حداکثر سه طبقه و سطح عملکرد ایمنی جانی است.
استفاده از روش قاب معادل در ارزیابی ساختمانهای مصالح بنایی
یک روش مناسب در ارزیابی ساختمانهای بنایی روش قاب معادل است. روش قاب معادل به عنوان یک روش تحلیل ساده و کاربردی جهت ارزیابی لرزهای ساختمانهای با مصالح بنایی مطرح بوده است. روش قاب معادل بر پایه مطابقت سازه با یک قاب معادل فضایی و برمبنای قوانین ساده تعادل در اجزای ساختمانی است. در این روش با معادل سازی دیوارهای سازهای با المانهای تیر و ستون و تعریف پارامترهای مربوط به آن، تحلیل استاتیکی غیر خطی برای ساختمان انجام میگیرد. و به این ترتیب میتوان از این روش در بر آورد کمی این ساختمانها در برابر زلزله بهره جست.
دلیل بنیادی ناپایداری لرزهای ساختمانهای آجری غیر مسلح در برابر زلزله
ساختمانهای آجری، خشتی و سنگی غیر مسلح به راحتی در زلزلههای مخرب و نیمه مخرب فرو میریزند به گونهای که ساختمانهای روستایی حتی در زلزلههای متوسط یا نسبتاً ضعیف خسارت میبینند. ساختمانهای آجری اصولاً فاقد مقاومت هستند. از سوی دیگر پژوهشگران بسیاری بیتوجه به دلیل اصلی ناپایداری ساختمانهای آجری، دست به آزمایش برشی دیوارهای بنایی زدهاند و با مشاهده مقاومتهای نسبتاً زیاد رابطههایی را برای محاسبه دیوارهای برشی در مقابل نیروهای زلزله ارائه دادهاند. عدهای هم به یافتن مدلهای ریاضی برای مطالعه رفتار دینامیکی ساختمانهای آجری در مقابل زلزله پرداختند، غافل از اینکه نتایج این بررسیها هر چه باشد نمیتواند این واقعیت را که ساختمانهای آجری غیر مسلح آسیب پذیرترین سازهها در مقابل زلزلهاند، تغییر دهد. پس معضل ناپایداری را باید در ماهیت نیروهای زلزله و نحوه پاسخ ساختمانهای آجری به آن دانست.
عملکرد ساختمانهای آجری غیر مسلح در مقابل زلزله
با توجه به مباحث مطرح شده، ضعف اساسی ساختمانهای آجری در مقابل زلزله مقاومت نیست بلکه کمبود نرمی (شکل پذیری) است. میزان خسارت سازههای نرم تا حدودی تابع بزرگی زلزله است و در مورد سازههای نرم در زلزلهای بسیار مخرب با شدت بیش از ۷ در ناحیه مرکزی بیش ترین آسیب مشاهده میشود و از مرکز که دور میشویم به تدریج از شدت آسیب کاسته میشود در حالی که در مورد ساختمانهای آجری چنین نیست و از منطقهای که ساختمانها کاملاً فرو ریخته ناگهان به منطقهای با ساختمانهای نسبتاً سر پا میرسیم. رفتار یک ساختمان آجری غیر مسلح را در مقابل زلزله میتوان به صورت زیر خلاصه کرد.
- شدت زلزله از مقاومت سازه کمتر است و در این صورت سازه سختی خود را حفظ کرده، ضریب بازتاب کم است و نیروی زلزله برای جرم ساختمان ضرب در شتاب زلزله است. این نیرو برای ایجاد ترک و در هم شکستن سازه کافی نیست و بنابراین ساختمان از زلزله آسیبی نمیبیند.
- شدت زلزله در لحظات واپسین آن از حد مقاومت سازه فراتر میرود و ترکها و خردشدگیها آغاز میشود. سختی کم شده، تناوب زیاد میشود و در نتیجه ضریب بازتاب افزایش مییابد و سبب بالا رفتن نیوری زلزله میشود. اما چون این تحولات در لحظههای واپسین اتفاق میافتد و زلزله ادامه نمییابد سازه پایدار میماند. و در پایان زلزله فقط مقدار ترک و خرد شدگی ملاحظه خواهد شد.
- شدت زلزله در همان لحظههای آغازین از حد مقاومت سازه فراتر میرود و در نیتجه کاهش سختی و افزایش ضریب بازتاب، سازه در معرض نیروهای بزرگتری قرار میگیرد به گونهای که خیلی زود در هم میشکند و با خاک یکسان میشود.
مقاومت جانبی دیوار برشی غیر مسلح
دیوار برشی ساخته شده از مصالح آجری و مانند آن (بلوک بتنی، سنگ، خشت) از مقاومت برشی قابل ملاحظهای برخوردار است. اما متاسفانه رفتاری به شدت ترد و شکننده و به محض رسیدن به مقاومت نهایی تحلیل میرود. و فرو میریزد. و به همین دلیل برای مناطق شدیداً لرزه خیز سیستم مناسبی است. این نوع دیوار دارای دو حالت شکست اصلی است. شکست خمشی و شکست خمشی و شکست برشی. دیواری که نسبت بعدی کوچکی دارد به قدر کافی پهن بوده و امکان شکست خمشی در آن کم است. به عکس در دیوار باریک بیشتر حالت شکست خمشی غالب است. با توجه به تردی و شکنندگی دیوار غیر مسلح و عملکرد بسیار ضعیف در زلزلههای مخرب گذشته به کار گیری آن به تنهایی به عنوان عنصر لرزه بر اصلاً توصیه نمیشود.
یکی از ویژگیهای دیوارهای آجری غیر مسلح آن است که تحت شتاب پی، مادام که به حد آستانه نرسیدهاند اثار تخریبی چندانی در آنها ظاهر نمیشود اما به محض عبور از حد اآستانه دیوار شروع به یک حرکت چرخشی حول محور عمود بر دیوار به نام حرمت تلو میکند و این حرکت به نوبه خود موجب پیدایش تنشهای خرد کنندهای در پنجه دیوار میشود که نهایتاً به خرابی دیوار میانجامد.
تقویت لرزهای ساختمانهای بنایی
تقویت یک ساختمان به دو صورت امکان پذیر است.
- افزایش مقاومت برشی به کمک افزایش مقدار دیوارهای برشی و افزایش مقاومت جانبی آنها
- افزایش نرمی (شکل پذیری) ساختمان به کمک تسلیح عناصر لرزه بر و سایر اقدامات مشابه
برای تقویت ساختمانهای بنایی در برابر زلزله روشهای مختلفی وجود دارد.
روش تسلیح دیوارهای آجری
برای مقابله با حالتهای شکست خمشی و برشی در دیوار میتوان از میلگردهای قائم و افقی استفاده کرد. در این صورت از ترکیب فولاد و دیوارهای سازهای عضوی پدید میآید که خواصش مشابه سازههای مرکب مانند بتن مسلح است. میلگردهای افقی در داخل درزهای افقی قرار میگیرند و از این رو عملاً قطر آن نمیتواند از ۱۰ تا ۱۲ میلیمتر بیشتر باشد. میلگرد قائم باید به داخل کلاف افقی زیرین دیوار قلاب شود تا بتواند لنگر خمشی ناشی از نیوری زلزله را به داخل پی هدایت نموده و از وقوع شکست خمشی جلوگیری نماید.
روش کلاف بندی دیوار آجری
وجود دیوار آجری در داخل قاب فولاد یا بتنی عملاً از جابجایی قاب در صفحه خود جلوگیری کرده و در نتیجه بخشی از نیروی جانبی وارد بر قاب به میان قاب منتقل شود. مقاومت و سختی این قابهای به مراتب بیشتر از قاب لخت (بدون میانقاب) است. اندر کنش قاب با میانقاب موجب افزایش سختی و مقاومت از یک سو و افزایش نرمی میانقاب از سوی دیگر میشود و در نتیجه خواص لرزهای را به طور چشمگیری بهبود میبخشد. بر اساس این رفتار اندرکنشی این قابها را مرکب میخوانیم.
انواع ساختمانهای مصالح بنایی مشمول بهسازی لرزهای ساختمانهای موجود
ساختمانهای مصالح بنایی سنتی
ساختمانهایی هستند که بدون انجام محاسبات مهندسی ساخته شدهاند و عناصر مقاوم لرزهای خاصی نداشته و عموماً به واسطه شکل نامناسب سازهای، ضعف مصالح و نحوه نامناسب اجرا، در برابر زلزله ضعیف عمل میکنند.
ساختمانهای مصالح بنایی کلاف دار
این ساختمانها نیز بدون انجام محاسبات مهندسی ساخته میشوند ولی در اجرای آنها برخی اصول طراحی مقاوم لرزهای رعایت میشود در نتیجه رفتار آنها در برابر زلزله از ساختمانهای مصالح بنایی سنتی بهتر است. مبنای اجرای آنها ضوابط آیین نامه ۲۸۰۰ است.
راهکارهای بهسازی
جهت انجام بهسازی لرزهای ساختمان میتوان عناصر موجود در سیستم سازهای آن را تقویت نمود یا المانهای دیگری به این سیستم اضافه نمود. به طوری که مقاومت جانبی و شکل پذیری ساختمان افزایش یابد. در هر صورت برای بهسازی لرزهای و ترمیم ساختمانهای بنایی موجود، جهت کاهش اثرات ناشی از نیروهای زلزله اصول زیر باید تامین شود.
- مصالح مورد استفاده بایستی از کیفیت مطلوبی برخوردار بوده و حتی المقدور با مصالح موجود متجانس باشد.
- وزن سازه با برداشتن عناصر سنگین فوقانی کاهش داده شود.
- سیستم فونداسیون باید قادر باشد بار نهایی سازه را به نحو مطلوب به زمین منتقل نماید.
- دیوارها باید کاملاً با یکدیگر درگیر شده و به هم بسته شوند، کفها باید به خوبی به دیوار متصل شوند تا از شکست خارج صفحهای آنها جلوگیری شود.
- دیوارهای سازهای باید در دو جهت عمود بر هم در ساختمان به صورت یکنواخت توزیع شوند و فاصله بین مرکز جرم و مرکز سختی ساختمان با اضافه کردن دیوارهای جدید یا بستن باز شوها در دیوارهای موجود کاهش داده شود. با این عمل اثرات نامطلوب پیچش در ساختمان کم میشود.
- سیستم سقف باید دارای انسجام کافی بوده و به نحو مطلوب به دیوارهای سازهای متصل شده باشد.
- عناصر غیر سازهای باید به طور کامل و به نحو مطلوب به سیستم سازهای متصل شوند.