مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله چگونه است؟

زلزله پدیده طبیعی است که در اثر وقوع، خسارات و آسیب‌های زیادی به بار می‌آورد. کشور ایران روی کمربند آلپ-هیمالیا قرار گرفته است و زلزله‌های شدیدی تا بزرگی 7.5 ریشتر را تجربه کرده است. پهنه‌بندی نقشه‌های زمین‌لرزه خیزی، نشان می‌دهد که وسعت قابل‌توجهی از ایران بر محور لرزه‌خیزی پرخطر قرار گرفته است که شامل بسیاری از شهرهای پرجمعیت می‌شود. به همین دلیل ایران از مناطق مهم لرزه‌خیز دنیا به حساب می‌آید و همین نکته باعث می‌شود تا توجه به مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله در ایران اهمیتی دوچندان داشته باشد. به همین علت علم مقاوم سازی ساختمان علی‌الخصوص در کشورهای زلزله‌خیز روز به روز در حال پیشرفت است. امروزه از روش‌های نوینی مانندFRP، جداگرها و ژاکت‌های بتنی و فلزی استفاده می‌شود. رخداد زلزله می‌تواند خرابی‌های زیادی به بار آورد اما به راستی زلزله به تنهایی بسیار ویران‌کننده است یا ساخت غیر اصولی بدون رعایت ضوابط لرزه‌ای و مقاوم‌ سازی لرزه‌ای این تخریب را چندین برابر می‌کند؟ روش‌های مختلفی جهت مقاوم‌ سازی سازه‌ها در برابر زلزله وجود دارد که روش مناسب باید به فراخور شرایط و ویژگی‌های هر سازه انتخاب شود. بخش زیادی از هزینه‌های مرتبط با کاهش خسارات ناشی از زلزله را هزینه مقاوم‌ سازی ساختمان‌های با مقاومت ناکافی در برابر زلزله در برمی‌گیرد، ازاین‌رو انتخاب سازه‌هایی که نیاز به مقاوم‌ سازی دارند و شیوه صحیح برای مقاوم‌ سازی ساختمان بسیار مهم است.

ساختمان‌ها در برابر زلزله

شکل‌پذیری یک پارامتر مهم در سازه‌ها است. عملکرد شکل‌پذیری در سازه مانند یک فیوز است. در طراحی نیز تیرها ضعیف‌تر از ستون‌ها طراحی می‌شوند تا مفصل پلاستیک ایجاد شود. در این حالت بخشی از تیر حالت خمیری پیدا کرده و استهلاک انرژی رخ می‌دهد. در هنگام زلزله وجود اعضا شکل‌پذیر این امکان را به ساکنین ساختمان می‌دهد تا فرصت خروج داشته باشند. در واقع آنچه از عملکرد ساختمان در هنگام لرزه مدنظر است فرونریختن یک‌باره است. در مقاطعی مانند تیرها باید مفاصل پلاستیک ایجاد شود تا عملکرد لرزه‌ای مناسبی داشته باشد.

طراحی لرزه‌ای سازه‌ها بر اساس عملکرد انجام می‌شود بدین معنا که در کمترین حالت انتظار، بایستی سازه شکل‌پذیری حداقلی را از خود در هنگام زلزله نشان دهد. در این روش انتظار می‌رود ساختمان مقاوم در برابر زلزله در برابر مقدار مشخصی نیرو، مقاومت کرده و بتواند مقدار تغییر مکان تعیین ‌شده‌ای را بدهد که مقدار تغییر مکان و نیروی مذکور با توجه به سطح عملکرد ساختمان تعیین می‌گردد.

در تحلیل و طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله توجه به اعضای سازه‌ای و غیر سازه‌ای مهم است. برای بررسی اثر خرابی غیر سازه‌ای بر روی رفتار لرزه‌ای سازه‌ها دو عامل جرم و سختی مطرح است. هر قدر که جرم سازه بيشتر باشد نيروی زلزله بزرگ‌تری به سازه وارد می‌شود، استفاده از روش های نوین ساخت و مصالح سبک‌ می‌تواند در کاهش وزن بسیار مؤثر باشد. توجه به اجرا غیر سازه‌ای به ویژه دیوارها بسیار مهم است.

به کارگيری ديوارهای سنگين، جرم کلی ساختمان را افزايش داده و نيروهای بيشتری از زلزله به سازه هدایت می‌کند، هم‌چنین اين اجزا به خاطر وجود جرم‌های زياد و به دلیل اتصال به سازه، تحت اثر شتاب زلزله، در امتداد عمود بر صفحه خود دچار ناپايداری و انهدام خارج از صفحه می‌شوند. فروریزش دیوارها باعث ایجاد آوار بسیار زیادی می‌شود که جان افراد را به خطر انداخته و امدادرسانی را نیز دشوارتر می‌کند. هم‌چنین، جرم زیاد باعث افزایش اثر P-Δ می‌شود.

اثر سختی پرکننده‌های ميانقابی بر رفتار کلی سازه بسیار مهم است. اين اجزا در ناحیه‌ی ارتجاعی، سختی جانبی سازه را به مقدار قابل‌توجهی افزايش می‌دهند. در نتیجه به علت وجود این سختی کاذب اوليه، بارهای بزرگ و پیش‌بینی‌نشده‌ای در هنگام وقوع زلزله به سازه‌ها وارد می‌شوند. اجزای سازه برای مقابله با این بارها طراحی نشده‌اند پس مقاومت کافی در برابر آن‌ها را ندارند. آثار ناشی از صلبيت پرکننده‌های ميانقابی در رفتار لرزه‌ای عبارت‌اند از:

1. تشدید پاسخ دینامیکی سازه

ديوارهای ميانقابی صلب، باعث افزايش سختی جانبی سازه (در ناحيه ارتجاعی) و کوتاه شدن دوره تناوب طبيعی آن می‌شود در نتیجه، اثر زلزله ورودی به سيستم تغيير می‌کند و غالباً برش زلزله زیاد خواهد شد.

2. ایجاد طبقه نرم

اگر پرکننده‌های ميانقابی در ارتفاع به صورت یکنواختی توزیع نشوند باعث تمرکز پيش بينی نشده جا به جایی‌ها دريک تراز خاص شده و با اعمال نيرو و ضربه‌های متوالی موجب ناپايداری و انهدام کلی سازه می‌شود.

3. اثر ستون کوتاه

سختی ديوارهای ميانقابی، موجب تغيير توزيع نيروهای برشی در طبقه شده که در اين صورت به بعضی ستون‌ها نيرويی بيشتر از نيروی طراحی اوليه وارد می‌شود. هم‌چنین، ديوارهای احاطه‌ کننده ستون، اگر در تمام ارتفاع، ستون را در بر نگرفته باشند، طول مؤثر آن را کوتاه نموده و رفتار ستون برشی خواهد شد. سختی جانبی ستون به‌ شدت زیاد شده و در نتیجه برش بیشتری جذب می‌کند که در بیشتر موارد قادر به تحمل این برش اضافه نخواهد بود.

4. اثر پیچش

در صورتی که پرکننده‌های ميانقابی صلب در پلان توزيع نامتقارنی داشته باشند، باعث ايجاد پيچش ناخواسته و پيش بينی نشده در سازه می‌شود.

5. شکست انفجاری ديوارها

در صورتی که ديوارهای پرکننده به طور صلب به قاب سازه‌ای متصل شده باشند، ديوار به تبعيت از تغيير شکل قاب، تغيير شکل می‌دهد. اگر ديوار تحمل تغيير شکل بيش از حد را نداشته باشد، به صورت انفجاری در خارج از صفحه خود گسيخته می‌گردد.

رفتار سازه‌ها پس از وقوع زلزله

پس از وقوع زلزله در سازه‌ها، برخی سازه‌ها تغییر شکل داده و باید بازسازی شوند. برخی دیگر از نیز ترک‌خورده، از حالت ارتجاعی خارج شده و بخشی از مقاومت خود را از دست داده‌اند.

مقاوم‌ سازی

فرآیند ارتقاء سیستم ساختاری یک ساختمان که به منظور بهبود عملکرد آن تحت بارهای موجود و یا برای افزایش

قدرت حمل بارهای اضافی بر روی ساختمان توصیف می‌شود، مقاوم سازی ساختمان نامیده می‌شود.

در سازه‌های ترد جذب و اتلاف انرژی زلزله فقط از طریق تغییر شکل‌های ارتجاعی ممکن است و اجزا سازه‌ای بدون خرابی قادر به تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی نیستند، برای افزایش حاشیه ایمنی در برابر زلزله باید ابعاد عناصر سازه‌ای افزایش یابد و در واقع مقاوم‌ سازی به کار برده می‌شود.

به طور خلاصه بالا بردن مقاومت یک سازه در برابر نیروهای وارده را مقاوم‌ سازی می‌گویند. مقاوم‌ سازی ساختمان‌ها در برابر زلزله، به نوع ساختمان (فولادی، بتنی، دیوار باربر و…) بستگی دارد و شیوه‌های مقاوم‌ سازی ساختمان و بهسازی لرزه‌ای در هر کدام متفاوت است. مقاوم‌ سازی با دو رویکرد صورت می‌گیرد؛ افزودن عضو جدید مانند جداگرها و یا تقویت اجزا موجود مانند استفاده از الیاف.

ضرورت مقاوم‌ سازی سازه‌ها

مقاوم‌ سازی ساختمان یک امر ضروری است چرا که مانع آسیب رسیدن به سازه در طول عمر آن در اثر عوامل آسیب‌زا می‌شود. شاید به کمک مقاوم‌ سازی نتوان به طور کامل از خرابی‌ها جلوگیری کرد اما می‌توان میزان و دامنه خرابی‌ها را کاهش داده و در محدوده مطلوب قرار داد.

علاوه بر تأثیر مقاوم‌ سازی ساختمان بر حفظ ایمنی و جان افراد، مقاوم سازی ساختمان سبب ایجاد صرفه‌ اقتصادی هم می‌شود چرا که مانع هدر رفت مصالح و امکانات می‌شود. از سوی دیگر تخریب یک سازه در اثر زلزله اثرات سوء محیط زیستی به همراه دارد. در نتیجه ترمیم و مقاوم‌ سازی سازه‌ها امری بسیار سودمند و مهم است.

اهداف روش‌های مقاوم‌سازی

مقاوم‌سازی سازه‌ها به دنبال اهداف مختلفی صورت می‌گیرد. این اهداف به صورت خلاصه عبارت‌اند از:

1. ارتقاء توان باربری و افزایش عمر مفید سازه‌ها
2. افزایش شکل‌پذیری اعضای سازه
3. پیشگیری از آسیب‌دیدگی در صورت وجود نقص در طراحی اولیه

روش‌های مقاوم سازی ساختمان

مقاوم سازی ساختمان ها به روش‌های گوناگونی انجام می‌شود. باید در شرایط متفاوت اجرایی‌ترین و اقتصادی‌ترین حالت ممکن انتخاب شود. در برخی موارد می‌توان از چند روش بهسازی و مقاوم‌سازی لرزه‌ای به صورت هم‌زمان استفاده کرد. هر کدام از روش‌های مقاوم‌سازی مزایا و معایب خود را به همراه دارند.

• جداگر های لرزه‌ای

جداگرهای لرزه‌ای در دو نوع اصطکاکی و لاستیکی وجود دارند. جداسازهای لرزه‌ای لاستیکی شامل انواع زیر است:

1. لاستیکی با هسته سربی
2. لاستیکی با میرایی زیاد

انواع جداسازهای اصطکاکی عبارت‌اند از:

1. الاستیک اصطکاکی
2. اصطکاکی پاندولی

جداگر لرزه‌ای اثر زمین‌ لرزه بر ساختمان‌ها را کاهش داده و مانع ایجاد آسیب در ساختمان می‌شود. عملکرد لرزه‌ای بر مبنای کاهش جابه‌جایی جانبی سازه به واسطه تغییر دوره و شتاب اعمال شده ناشی از بار زلزله به ساختمان است. نصب سیستم‌های جداساز لرزه‌ای زمان تناوب اصلی سازه را افزایش داده و نیروهای وارد بر آن را کاهش می‌دهد. این روش برای ساختمان‌های کوتاه و متوسط به دلیل پایین بودن زمان تناوب آن‌ها، مؤثرتر از ساختمان‌های بلند است. جداساز، باعث افزایش زمان تناوب و میرایی سازه می‌شود.

هدف اصلی، جداسازی سازه از زمین است. جداسازها اغلب در تراز بین سازه و پی نصب می‌شوند و چون سختی افقی تقریباً کمی دارند، سازه را از مؤلفه‌های افقی زمین‌لرزه جدا می‌کنند. این امر فرکانس طبیعی سازه را نسبت به فرکانس حالت جداسازی لرزه‌ای نشده به میزان قابل‌توجهی کاهش داده و آن را از محدوده‌ی تشدید که معمولاً در فرکانس‌های بالا رخ می‌دهد دور می‌سازد. در این روش تمرکز بر روی کاهش پاسخ لرزه‌ای و نیرو و شتاب ورودی زلزله به سازه است.

ویژگی‌های جداگرهای لرزه‌ای به صورت زیر است:

1. قابلیت جذب انرژی
2. انعطاف در جهت افقی
3. تحمل نیروهای قائم (ناشی از زلزله و وزن)

جداساز لرزه‌ای مانند هر روش دیگری مزایا و معایب زیادی دارد.

مزایای جداساز لرزه‌ای:

1. افزایش زمان تناوب سازه
2. استهلاک انرژی ورودی سازه
3. کم کردن و یا حذف آسیب‌های سازه‌ای و غیر سازه‌ای.

معایب جداساز لرزه‌ای:

1. محدودیت به سازه‌های کوتاه
2. پرهزینه بودن روش جداساز لرزه‌ای

• FRP

یکی از روش‌های مقاوم سازی ساختمان، استفاده از FRP در سازه‌های بتنی است. FRP ترکیب الیاف و رزین است. دسته‌های الیاف به رزین آغشته می‌شوند و بعد از عبور از یک قالب در کنار هم قرار می‌گیرند. این روش برای تقویت تیرها، ستون‌ها و اتصالات دیوارها کاربرد دارد.

FRP سبب افزایش هر چه بیشتر سطح زیر منحنی تنش-کرنش می‌شود. هم‌چنین، باعث افزایش نسبت کرنش محوری به کرنش تسلیم شده که به عنوان معیارهایی برای شکل‌پذیری سازه و جذب انرژی است. به علت وجود رفتار کشسان در FRP ها، رفتار نهایی آن‌ها باید به دقت ارزیابی شود. استفاده از FRP ها مانند هر روش دیگری مزایا و معایبی به دنبال دارد. برخی از مزایای FRP عبارت است از:

1. افزایش مقاومت FRP
2. افزایش مقاومت برشی تیر
3. افزایش شکل‌پذیری تیر
4. افزایش مقاومت در برابر خوردگی
5. افزایش دوام و عمر
6. کنترل عرض ترك
7. ضخامت کم ورقه‌های FRP و عدم تغییر قابل‌توجه در ابعاد تیر
8. سهولت در اجرا
9. ترمیم ناشی از خوردگی

برای اجرای FRP باید ابتدا بتن آن بخش آسیب‌ دیده را برداشت و سپس سطح را از آلودگی پاک کرد تا بتوان FRP را اجرا کرد. سطح باید به نحوی آماده شود که باعث پارگی الیاف نشود. برای طراحی و استفاده از FRP آئین‌نامه‌ها و استانداردهای متفاوتی وجود دارد. برای مثال:

ACI 440.2R-08

Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures.

AC178

Acceptance Criteria for Inspection and Verification of Concrete and Reinforced and Unreinforced Masonry Strengthening Using Fiber-Reinforced Polymer (FFP) Composite Systems.

AC125

Acceptance Criteria for Concrete and Reinforced and Unreinforced Masonry Strengthening using Fiber-Reinforced Polymer (FFP) Composite Systems.

• ژاکت‌های فلزی و بتنی:

به کمک ژاکت‌ها می‌توان به طور موضعی مقاوم سازی ساختمان انجام داد. ژاکت‌ها در دو نوع بتنی و فلزی وجود دارند. در ژاکت‌ها باید کل بخش خراب بتن برداشته شود. ژاکت فلزی برای مقاوم‌ سازی سازه‌های بتنی استفاده می‌شود و در سه نوع دور پیچ، نواری یا موضعی اجرا می‌شود. ژاکت‌های فلزی سبب افزایش شکل‌پذیری و مقاومت می‌شود.

ژاکت بتنی یک روکش برای عضو بتنی است که از میلگردهای فولادی و بتن تشکیل شده است. برای اجرای ژاکت بتنی ابتدا شبکه‌ای از میلگردها را بر روی عضو قدیمی آرماتوربندی می‌کنند و سپس بعد از قالب‌بندی بتن‌ریزی می‌شود. این ژاکت اطراف المان اصلی را پوشش داده و مانند ژاکت فولادی از طریق افزایش سطح مقطع و همچنین ایجاد تنش سه محوره در المان‌های اصلی به تحمل تنش بیشتر کمک می‌کند.

ژاکت بتنی هم‌جنس و همگن با اجزا سازه بوده و به پوشش ضد حریق نیاز ندارد اما معایبی نیز به همراه دارد برای مثال، با افزایش ابعاد اجزای سازه و مقاومت آن باید اقداماتی برای جلوگیری از مشکلاتی مثل تیر قوی و ستون ضعیف صورت گیرد. از سوی دیگر ژاکت فلزی ساده‌تر اجرا می‌شود و نیاز به قالب‌بندی ندارد اما مستعد زنگ‌زدگی است و برای ایجاد پوشش ضد حریق بر روی آن نیازمند هزینه زیادی است.

• سیستم‌های کنترل غیرفعال:

سیستم‌های کنترل غیرفعال برای کاهش و میراندن یک بخش بسیار زیاد از انرژی ورودی زلزله طراحی شده‌اند. سیستم‌های کنترل غیرفعال تشکیل شده از ابزارها و یا اجزای اتصال ویژه‌ای هستند که در طول زمان زلزله، تسلیم‌شده یا تغییر شکل می‌دهند.

به این طریق خسارت وارد شده به سایر نقاط سازه کاهش می‌یابد چرا که تغییر شکل یا تسلیم شدن اصلی در یک وسیله یا اتصال متمرکز شده است. در این حالت، از هیچ منبع انرژی اضافه‌ای برای به کار انداختن این سیستم‌ها استفاده نمی‌شود و به صورت غیرفعال هستند.

در زمان وقوع زلزله موج وارد شده در اثر زلزله سیستم را فعال کرد و انرژی زیادی را مصرف می‌کند و در نتیجه سازه را تا مقدار زیادی از اثرات زلزله حفظ می‌کند. دو نمونه بارز از سیستم‌های کنترل غیرفعال جداکننده‌های لرزه‌ای یا سیستم‌های جداساز پایه و سیستم‌های میراگر انرژی غیرفعال مانند دمپرها می‌باشد.

عوامل خرابی در سازه‌های بتنی:

در اثر سه عامل عمر سازه‌ها کاهش می‌یابد، این عوامل شامل موارد زیر است:

• اشتباهات طراحی

اشتباهات طراحی در اثر استفاده از استانداردها و مشخصات فنی اشتباه رخ می‌دهد.

• اشتباهات اجرایی

نقص‌های ایجاد شده در حین اجرا و ساخت که می‌تواند به دلیل عدم نظارت مناسب ایجاد شود.

عوامل مخرب محیطی و شیمیایی

این عوامل شامل رطوبت، فرسایش، حملات کلریدی در سازه‌های بتنی، آتش‌سوزی و … است.

استانداردهای مرتبط با مقاوم‌ سازی لرزه‌ای

استانداردهای مختلفی در خصوص بهسازی لرزه‌ای و مقاوم‌سازی سازه‌ها وجود دارد. در این خصوص می‌توان به استانداردهای زیر اشاره کرد:

1. Asce41-17 (استاندارد بین‌المللی): بررسی روش‌های ارزیابی آسیب‌پذیری و بهسازی ساختمان‌ها.
2. نشریه 360 سازمان برنامه و بودجه که ترجمه‌ای از استانداردهای FEMA273 و FEMA356 است: دستورالعمل بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود.
3. نشریه 254 سازمان برنامه و بودجه کشور: ارائه روش‌ها و شیوه‌های بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود و جزئیات اجرایی.

جمع‌بندی

ایران کشوری لرزه‌خیز است و توجه به مقاوم سازی ساختمان در آن امری ضروری است. توجه به مقاوم‌ سازی ساختمان سبب کنترل هزینه‌ها و حفظ ایمنی و جان افراد می‌شود. نظارت دقیق بر اجرای سازه‌ها و طرح‌های عمرانی و استفاده از افراد متخصص و ماهر در طراحی و اجرا سبب می‌شود تا مقاوم‌ سازی ساختمان به خوبی اجرا شود.

مطالب مرتبط:

Building Retrofitting