مقاوم سازی دیوار بلوک سیمانی
عملکرد ساختمانهای بنایی ساخته شده با بلوک سیمانی در زلزلههای اخیر در ایران بسیار ضعیف بوده و شکست و فرو پاشی تعداد قابل توجهی از این نوع ساختمانهای غیر استاندارد در زلزلههای نه چندان قوی موید این مسئله است. از سوی دیگر هیچ گونه تحقیق جامعی در خصوص نحوه رفتار، دلایل ضعف و راهکار مناسب برای مقاوم سازی این ساختمانها تاکنون به انجام نرسیده است. استفاده از رویه بتنی شاتکریت جهت تقویت دیوارهای بلوک سیمانی از جمله راهکارهایی است که اخیراً در طرح مقاوم سازی این گونه ساختمانها مورد استفاده قرار گرفته است. از سوی دیگر در مناطق ساحلی کشور، که دیوارهای بلوک سیمانی رایجتر است، مسئله خوردگی آرماتورهای رویههای شاتکریت دیوارهای بیرونی، به واسطه رطوبت بالای این مناطق و وجود سولفات و یون کلر در هوای محیط، مشکل قابل توجهی است.
استفاده از بلوکهای سیمانی جهت ساخت دیوارهای باربر در ساختمانهای مصالح بنایی در ایران رواج چشمگیری داشته و تعداد قابل توجهی از ساختمانهای موجود، از جمله ساختمانهای مدارس، از نوع بلوک سیمانی غیر مسلح هستند. در صورتی که استفاده از این مصالح به صورت غیر مسلح در آیین نامههای ساختمانی کشورهای دیگر غیر مجاز است. در پیش نویس مبحث هشتم مقررات ملی ساختمان نیز استفاده از بلوک سیمانی به صورت رایج (بدون پر شدن کامل فضاهای خالی بلوکها) در دیوارهای باربر غیر مجاز آورده شده است. رفتار ضعیف ساختمانهای بنایی با بلوک سیمانی در زلزلههای اخیر در ایران موید این مسئله است. از سوی دیگر هیچ گونه راهکار مناسبی برای مقاوم سازی این دیوارها تا کنون ارائه نشده است و استفاده از رویه شاتکریت به گونه رایج با توجه به عدم امکان اتصال مناسب رویه به دیوار نیز راهکار مناسبی به نظر نمیرسد.
ویژگیهای بلوک سیمانی
بلوک سیمانی یا بلوک بتنی از اختلاط سیمان و آب با شن ریزدانه، ماسه یا دیگر سنگدانههای مناسب، لرزاندن، متراکم کردن، مخلوط، عمل آوردن و مراقبت از آنها در محیط مناسب ساخته میشود. بلوکهای سیمانی به اشکال توخالی و توپر ساخته شده و در دیوارهای خارجی و داخلی به صورت باربر و غیر باربر و در تیغههای جدا کننده و سقفهای تیرچه بلوک و سایر قسمتهای ساختمان به مصرف میرسند. بلوکهای سیمانی بیشتر در نقاطی مرسوم هستند که برای تولید آجر محدودیتهایی وجود داشته باشد.
وزن بلوک بستگی به وزن بتنی دارد که بلوک با آن ساخته میشود. بلوکهای ساخته شده از شن و ماسه طبیعی رودخانهای یا شکسته، دارای وزن ویژهی معمولی و در حدود ۲۰۰۰ کیلوگرم در مترمکعب هستند. بلوکهای با وزن ویژه کمتر از ۱۶۸۰ کیلوگرم بر مترمکعب را سبک به حساب میآورند. در ساخت این بلوکها از دانههایی مانند پوکه معدنی و پوکه صنعتی استفاده میشود. مقاومت بلوکهای سبک با وجود کاهش وزن، در مقایسه با بلوکهای معمولی کاهش چشمگیری ندارد.
بلوکهای سیمانی به لحاظ شکل ظاهری به انواع توخالی باربر، غیر باربر، توپر و آجر بتنی تقسیم میشوند. از نقطه نظر محل مصرف به دیواری، توکار، نمادار، تیغهای، ستونی، و سقفی گروه بندی میشوند. بلوکهای ویژهای نیز برای دودکش، نعل درگاه، جدول خیابانها و پیادهروها و فرش کف ساخته میشوند.
ویژگیها و حدود قابل قبول
بلوکهای دیواری
بلوکهای سیمانی ساده باید به شکل مکعب مستطیل و کاملاً سالم و بدون عیب بوده و سطوح آن چسبندگی کافی با اندود و ملات داشته باشند. استاندارد ایران شماره ۷۰، بلوکهای توخالی دیواری را به انواع ۴۰×۳۰×۲۰ ، ۴۰×۲۰×۲۰ و ۴۰×۱۰×۲۰ سانتیمتر گروه بندی کرده است. جمع طول قطعات توپر را بیش از کل طول در همان جهت و سطح قسمتهای پر را بیش از ۵۰٪ سطح کل بلوک در جهت عمود بر بار وارده و ضخامت حداقل جدارهها و پوسته خارجی بلوکهای کوچک را ۳ سانتیمتر و بلوکهای متوسط و بزرگ را ۴ سانتیمتر تعیین نموده است. ابعاد مذکور اسمی هستند و اندازههای واقعی طول و ارتفاع بلوک را به خاطر وجود ملات ۱ سانتیمتر کمتر اختیار میکنند.
رواداری برای طول بلوک، ۳ و برای عرض ارتفاع بلوک، ۱/۵ میلیمتر تعیین شده است.
بلوکهای سقفی
ضخامت تیغههای بلوک سقفی حداقل ۱۵ میلیمتر، عرض تکیهگاه بلوک سقفی بر روی تیرچه دست کم ۱۷/۵ میلیمتر، رواداری در عرض بلوک ۲ و در طول و ارتفاع ۵ میلیمتر خواهد بود. مصرف سیمان در این بلوک به خاطر نازکی تیغه، قدری بیش از بلوک دیواری است.
بلوکهای نمادار
بلوکهای نمادار به ابعاد بلوکهای دیواری با نمای صاف و نقشدار تهیه میشوند. برای جلوگیری از زخمی شدن و پریدگی لبهها و سطوح در موقع شکستن بلوکهای نمادار جهت مصرف، آنها را در اندازههای نمیه و سه قدی نیز میسازند. به منظور صاف بودن سطوح باید مصرف سیمان قدری بیشتر از بلوکهای معمولی باشد.
بلوکهای سبک
بلوکهای سبک دیواری و سقفی به منظور کاهش وزن و بار مرده و و تقلیل تبادل حرارتی و صوتی در ساختمان مصرف میشوند. این بلوکها را از انواع بتن سبک میسازند و که معمولترین آنها بتنهای گازی و سبک دانهای هستند.
وزن ویژه بلوکهای سبکدانه از ۱۲۰۰ تا ۱۴۵۰ کیلوگرم بر متر مکعب است. تاب فشاری متوسط ۳ نمونه آنها باید دست کم ۷۰ کیلوگرم بر سانیتمتر مربع در سطح کل بلوک و حداقل تاب فشاری یک نمونه ۵۵ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع باشد. حداکثر میزان جذب آب در مورد این بلوکها ۳۰ کیلوگرم بر متر مکعب است.
انواع دیوارهای بلوک سیمانی
به لحاظ ساختاری دیوارهای ساخته شده از بلوک سیمانی را میتوان به چهار دسته تقسیم نمود.
- دیوارهای بلوک سیمانی مسلح باربر
- دیوارهای بلوک سیمانی توپر (گروت شده) باربر
- دیوارهای بلوک سیمانی توخالی باربر
- دیوارهای بلوک سیمانی غیر باربر
ترکیبی از سه دسته اول شامل دیوارهای نیمه مسلح باربر و دیوارهای نیمه پر نیز در برخی نواحی جهان اجرا میشوند.
دیوارهای بلوک سیمانی مسلح
از نظر مهندسی و آیین نامهای، استفاده از بلوک سیمانی سوراخدار جهت کار در دیوار باربر فقط در صورتی که دیوار مسلح باشد، مجاز است. علت ایجاد سوراخهای قابل توجه در این گونه بلوکهای سیمانی اساساً برای ایجاد فضای مناسب، جهت کار گذاشتن میلگرد و سپس گروت کردن سوراخ است.
ساختمانهای ساخته شده با بلوک سیمانی مسلح مانند ساختمانهای قابی بتنی و فولادی جزو دسته ساختمانهای مهندسی هستند. منظور از ساختمانهای مهندسی، ساختمانهایی که دارای محاسبات شامل بارگزاری، تحلیل و طراحی هستند. در این ساختمانها طراحی خاص بر مبنای نیروهای موجود انجام شده و میلگردهای مورد استفاده بر اساس این محاسبات مشخص میشوند.
ساختمانهای بلوک سیمانی مسلح کوتاه تا پنج طبقه مناسبترین نوع ساختمان برای مناطق لرزه خیز هستند. ولی متاسفانه ساختمان بلوک سیمانی مسلح هنوز در ایران مورد استفاده خاص قرار نگرفته و آیین نامهای جهت آن ارائه نشده است. هر چند در نظر است در ویرایش جدید مقررات ملی ساختمان مبحث هشتم، مسائل مربوط به این نوع ساختمان سازی مورد توجه قرار گیرد.
بر اساس استانداردهای بین المللی، در مناطق با لرزه خیزی کم، استفاده از دیوارهای سیمانی غیر مسلح ولی گروت شده جهت دیوار باربر مجاز است. در اجرای این دیوارها، پس از چیدن بلوکهای سیمانی در یک ردیف، سوراخهای بلوک با گروت سیمان پر شده و دیوار به لحاظ رفتاری مشابه دیوار غیر مسلح ساخته شده از بلوک های سیمانی توپر هستند.
دیوارهای بلوک سیمانی توخالی غیر باربر (میان قاب)
در استانداردها و آیین نامههای بین المللی، استفاده از بلوک سیمانی توخالی غیر مسلح فقط به صورت دیوار غیر باربر میان قاب مجاز شمرده شده است. از انواع بلوکهای سیمانی توخالی به ویژه بلوکهای سبک برای استفاده در ساخت دیوار غیر باربر بلوک سیمانی استفاده میشود. در ایران نیز از این نوع دیوارهای میان قاب در ساختمان های قابی بتنی و فولادی استفاده میشود.
دیوارهای بلوک سیمانی توخالی باربر
متاسفانه در ایران، مشابه وضعیتی که برای بسیاری از مصالح وارداتی جدید شاهد بودهایم، ورود بلوکهای سیمانی بدون ورود همزمان تکنولوژی ساخت آن از خارج انجام شده است. لذا این مصالح جدید همچنان با ایدهها و تکنولوژیهای ساخت سنتی مورد استفاده قرار میگیرند. از جمله این ایدههای سنتی، استفاده از بلوک سیمانی توخالی برای ساخت دیوار باربر است که باعث شده ساختمانهای بسیاری در سرتاسر کشور به خصوص نواحی جنوبی که با استفاده از این روش ساخته شدهاند در معرض شدیدترین آسیبها در زلزله های اخیر کشور قرار گیرند. این نوع دیوارهای غیر مسلح علاوه بر ایران در برخی کشورهای دیگر جهان سوم نیز دیده شده است.
استفاده از بلوک های سمیانی توپر به عنوان مصالخ بنایی مشابه آجر از اوایل قرن بیستم رایج شده و همچنان در ساخت دیوارهای بلوک سیمانی غیر مسلح مورد استفاده قرار میگیرند. استفاده از درزهای نازک ملات میتواند به میزان قابل ملاحظه ای مقاومت برشی درون صفحه دیوار تحت بارهای جانبی را در مقایسه با لایه های ضخیم ملات افزایش دهد.
مقاوم سازی ساختمان مصالح بنایی ساخته شده از بلوک بنایی
مقاوم سازی دیوار بلوک سیمانی با استفاده از شبکههای از پیش متصل فولادی همراه با تزریق گروت سیمان به عنوان مقاوم سازی انجام شده و موفقیت این روش در افزایش مقاومت و بهبود رفتار دیوارهای کم عرض بلوک سیمانی مورد استفاده قرار گرفت. این روش مقاوم سازی علاوه بر افزایش مقاومت دیوار باعث افزایش شکل پذیری آن نیز خواهد شد.
مقاومت لرزهای ساختمان تقویت شده با پلاستر سیمانی مسلح حدود ۴۳ درصد از مقاومت لرزهای ساختمان تقویت نشده بیشتر بوده و شکل پذیری ساختمان نیز به لحاظ تقویت ۱۰۰ افزایش داشته است. این روش مقاوم سازی برای ساختمان دو طبقه مورد نظر باعث شده تا ساختمان بتواند زلزلههایی را تا بیشینه شتاب ۰/۴ تا ۰/۵ شتاب ثقل زمین را بتواند تحمل کند ولی در شتابهای ۰/۷۳ شتاب ثقل زمین و بالاتر، توان لازم برای جلوگیری از ویرانی و سقوط ساختمان را ندارد.
رفتار ضعیف ساختمانهای مصالح بنایی ساخته شده با بلوک سیمانی توخالی غیر مسلح ناشی از ضعف مصالح، ضعف اجرا و ساختار نامناسب دیوارهای بلوک سیمانی غیر مسلح در تحمل بارهای جانبی از جمله دلایل اصلی ضعف این ساختمانها در برابر زلزله بیان شده است.
ویژگیهای مقاومتی و رفتاری بلوکهای سیمانی
برای مشخص کردن پارامترهای مقاومتی و رفتاری بلوکهای سیمانی مورد استفاده در دیوارهای بلوک سیمانی آزمایشهای مقاومت فشاری، مقاومت کششی، مدول الاستیسیته از اهمیت ویژهای برخوردار است. در رابطه با انجام آزمایشها باید توجه خاص به محاسبه سطح مقطع موثر نمونههای مورد آزمایش مبذول داشت.
از موارد مهم دیگر که بر مقاوت فشاری بلوک تاثیر میگذارند ابعاد نمونهها و شرایط تماس سطح نمونهها با فک دستگاه پرس است. زیرا از یک سو اصطکاک ناشی از تماس سطح نمونه و ورق فک دستگاه تنشهای افقی (برشی) قابل توجهی به بلوک وارد نموده و مقاومت فشاری نمونه تحت آزمایش را تحت تاثیر قرار میدهد. و از سوی دیگر ناهمواریهای سطح بلوک باعث افزایش اصطکاک و تمرکز تنش در بلوک سیمانی میشود. برای این منظور از کلاهک گذاری با ترکیب سولفور استفاده میشود.
ویژگیهای رفتاری و مقاومتی دیوارهای بلوک سیمانی
دیوارهای بلوک سیمانی اساساً با استفاده از بلوک سیمانی و ملات ماسه سیمان ساخته میشوند. بنابراین مقاومت دیوار نه تنها به مقاومت بلوک سیمانی بلکه به مقاومت ملات مورد استفاده نیز بستگی خواهد داشت. رابطه مقاومت فشاری مجموعه بلوک سیمانی و ملات (دیوار) را به عنوان تابعی از مقاومت فشاری بلوک سیمانی و سه نوع ملات متفاوت نشان میدهد. مقاومت فشاری مجموعه بلوک سیمانی و ملات از مقاومت فشاری بلوکهای سمیمانی تشکیل دهنده آن کمتر است.
ساخت دیوارهای بلوک سیمانی
ساخت دیوارهای تقویت نشده
با توجه به این که دیوارهای تقویت نشده از نوع دیوارهای بلوک سیمانی با اجرای رایج در ایران در نظر گرفته شدهاند، در ساخت آنها بلوکهای سیمانی زنجاب نشده و درزهای قائم بین بلوکها نیز از ملات پر نشدهاند. ملات مورد استفاده ملات ماسه سیمان با استفاده از ماسه صفر – شش نشسته و سیمان پرتلند تیپ ۱ به نسبت ۴ با ۱ در نظر گرفته شده است. همچنین برای یک دست بودن وضعیت دیوار چینی در همه دیوارها، سوراخهای داخل بلوکهای سیمانی پیشاپیش با پلی فوم پر شده و به این ترتیب ملات فقط در قسمت لبه افقی بلوکها قرار گرفته و داخل سوراخهای بلوکها نفوذ نکردهاند.
پس از اجرای دیوار بلوک سیمانی، تیر بتنی بارگذاری، به عرض برابر با عرض دیوار و عمق ۲۵ سانتیمتر اجرا شده است. جهت تقویت تیر بارگذاری از چهار میلگرد فی ۱۲ طولی و تعدادی خاموت فی ۸ به صورت یک شبکه پیوسته استفاده شده است. اتصال تیر بارگذاری به دیوار با در ابتدا و انتها قرار دادن دو میلگرد عمودی در ابتدا و انتهای تیر و ادامه دادن آنها در سوراخهای بالاترین رج بلوک سیمانی و پر کردن این سوراخها از بتن توقیت شد. دیوار و تیر بتنی بارگذاری به مدت یک ماه به حال خود رها شده و در این مدت تنها تیر بتنی بارگذاری مورد مراقبت رطوبتی قرار گرفت.
مقاوم سازی دیوار با رویه بتنی
برای دیوارهایی که مورد تقویت با رویه بتنی قرار گرفتهاند، در ابتدا سوراخهایی در پایه بتنی و تیر بارگذاری، جهت کاشت میلگردهای عمودی شبکه رویه بتنی تعبیه میشود. سپس میلگردهای عمودی شبکه، در دو انتها با استفاده از چسب اپوکسی به پایه بتنی و تیر بارگذاری متصل میشوند. شبکه میلگرد افقی با استفاده از سیم به شبکه عمودی وصل میشود.
جهت اتصال رویه بتنی به دیوار در تقویت یک طرفه، رویه بتنی یک طرفه با استفاده از میل مهار به تسمههای فولادی اتصال که در وجه مقابل قرار دارند، وصل میشود. جهت تماس مناسب تسمههای اتصال به دیوار، زیر این تسمهها با یک لایه نازک ملات هموار میشود. پس از تعبیه شبکه میلگرد رویه بتنی و سیستم اتصال رویه به وجه مقابل، رویه بتنی با اجرای بتن به صورت پلاستر اجرا میشود.
به دلایل مختلف از اجرای بتن به صورت پاششی با فشار یا شاتکریت اجتناب شود. دلیل اول این که مقاومت بتن پاششی با فشار، با توجه به نحوه اجرای آن قابل اندازه گیری نیست. به عبارت دیگر مقاومت نمونه استوانهای بتنی که جهت پاشیدن تهیه میشود با مقاومت بتن پاشیده شده با فشار متفاوت است.
با توجه به این که مقدار دقیق مقاومت رویه بتنی جهت انجام تحلیلهای عددی الزامی است، از پاشیدن بتن با فشار اجتناب شد. همچنین اعمال بتن به صورت اجرای پلاستر، با پاشیدن بتن به صورت دستی رویه مناسبتر است.
سیستم بارگذاری در دیوارهای بلوک سیمانی
با توجه به نوع بارگذاری که بارگذاری برش درون صفحه است، از دو جک هیدرولیکی به صورت افقی و عمودی در گوشه بارگذاری دیوار استفاده شد. نیروی جکها از طریق قاب بارگذاری به تیر بارگذاری روی دیوار اعمال شد. مشابه وضعیت حقیقی یک دیوار باربر در زلزله، نیروی افقی جک افقی از طریق تیر بارگذاری به تمام سطح بالایی دیوار منتقل میشود.
از سوی دیگر با توجه به نیاز به مقایسه دیوارهای تقویت نشده و تقویت شده باید از وقوع مود شکست مشابه در همه دیوارها اطمینان حاصل نمود. به عبارت دیگر میبایست از احتمال شکست یک نمونه در یک مود و شکست نمونه دیگر در مودی دیگر اجتناب ورزیده و از شکست نمونهها در مود شکست برشی درون صفحه با تشکیل ترک و شکست قطری اطمینان حاصل نمود. علت استفاده از جک عمودی در گوشه بالای دیوار برای اطمینان از شکست دیوار در مود برشی قطری درون صفحه است. کار گذاشتن یک جک هیدرولیکی عمودی در گوشه بارگذاری دیوار و وصل کردن آن به همان سیسیتم اعمال نیروی جک افقی بارگذاری امکان ایجاد یک برآیند نیروی قطری را فراهم نمود. که علاوه بر جلوگیری از چرخش دیوار حول پنچه آن، اتفاق شکست قطری برشی را تضمین مینمود.