پس از آسیب شدیدی که به ساختمان ها و بر اثر وقوع چند زلزله ی مخرب (مثل زلزله ی ١٩٧٨ کوبه و ١٩٨٩ لوماپریتا) وارد شد، اهمیت بهسازی لرزه ای ساختمان های موجود علی الخصوص ساختمان هایی که در مناطقُ پر جمعیت شهری قرار داشتند روز به روزنمایان تر میشد. از طرفی فشار روانی ناشی از این زمین لرزه ها مردم را ترغیب به مقاوم سازی ساختمان های موجود مینمود.
در دنیا تعداد زیادی از ساختمان های موجود به دلایل مختلف نیاز به مقاوم سازی دارند که از جمله این دلایل میتوان تغییر در آئین نامه های طراحی و آسیب های وارده به ساختمان ها ناشی از زلزله های مختلف و همچنین عدم استفاده از آئین نامه های رایج در طراحی ساختمان ها را نام برد. روش های متعدد مقاوم سازی که قبل از وقوع زلزله و یا بعد از آن مورد استفاده واقع شده اند مورد ارزیابی قرار گرفتند که بعضی از این روش ها مانند میانقاب ها، بادبندها و جاکت کردن اعضا باعث افزایش مقاومت جانبی و شکل پذیری گردیده و روش هایی مانند جداسازی لرزه ای و میراگرها هم باعث کاهش پاسخ لرزه ای ساختمان ها شده اند.
کشور عزیزمان ایران، بر روی کمربند جهانی زلزله قرار دارد و هر از گاهی در گوشه و کنار این مرز و بوم زلزله ای رخ میدهد که باعث قربانی شدن تعدادی از هموطنانمان میگردد لذا اهمیت مقابله با این پدیده ی طبیعی برای همه مشخص است. در این راستا استفاده از تجارب کشورهایی که شرایطی نظیر ما دارند، خالی از بهره نخواهد بود. بنابراین اقدامات اولیه ای که در کشور ژاپن در این خصوص انجام شده مورد توجه قرار گرفته استپس از فجایع ناشی از زلزله کوبه، فنون جدید از قبیل جداسازی های لرزه ای ـ میراگرها و FRP جهت مقاوم سازی ساختمان های بتنی مورد استفاده قرار گرفتند. و روش هایی مانند افزودن میانقاب ها تقویت قطعات سازه ای موجود توسط جاکت های فولادی و نصب بادبندهای اضافی هم از قبل متداول بودند.
در این مقاله سعی میگردد که ضمن ارائه روشهای مقاوم سازی در کشور ژاپن رفتار ساختمانهای مقاوم سازی شده نمایش داده شود این ساختمانها ممکن است قبل و یا بعد از زلزله مقاوم سازی شده باشند.
نگاهی به رفتار ساختمان ها در زلزله ی کوبه
نتایج بررسی های به عمل آمده روی ساختمان ها بتنی به قرار زیر گزارش شده است.
- اکثر ساختمان هایی که بر اساس آئین نامه های موجود طراحی و ساخته شده بودند آسیب شدید سازه ای ندیده و سطح عملکرد ایمنی جانی را به خوبی تأمین کرده بودند.
- درصد ساختمان های بتنی که شدیداً آسیب دیده یا فرو ریخته اند ٧.٨ درصد گزارش شده اند.
- درصد ساختمان هایی که به علت طبقه ی نرم در همکف آسیب جّدی دیده اند ١٧ درصد و آن هایی که طبقه ی نرم همکف را نداشتند ٧ درصد گزارش شده که خیلی کمتر از ساختمان های با طبقه نرم در همکف هستند.
- ساختمان های بتن آرمه ای که آسیب دیده بودند قبل از سال ١٩٨١ طراحی و ساخته شده بودند به ویژه آن هایی که مربوط به قبل از سال ١٩٧١ بودند، چون آئین نامه ی لرزه ای ژاپن مربوط به سال ١٩۵٠ است که زیر ساخت آن شبیه اولین آئین نامه ژاپن مربوط به سال ١٩٢۴ میباشد.
این آئین نامه طی سال های ١٩٧١ تا ١٩٨١ مورد بازبینی قرار گرفته بود.
در یک نگاه آماری آسیب شدید یا فروریزی ساختمان هایی که فاقد طبقه نرم در همکف بودند و قبل از سال ١٩٧١ طراحی و ساخته شده بودند ٨.١ درصد و ساختمان های مربوط به سال های قبل از ١٩٨١- ٣.٧ درصد و مواردی که بر اساس آئین نامه های جاری طراحی و ساخته شده اند ١.١ درصد گزارش شده است. و این نسبت ها برای ساختمان هایی که دارای طبقه نرم در همکف بودند برای قبل از سال ١٩٧١ ـ ١٢.٢ درصد و قبل از سال ١٩٨١ ـ ١١.٧ درصد و برای آئین نامه های رایج ٢.۴ درصد گزارش شده اند.
بنابراین بررسی آسیب پذیری ساختمان های باقی مانده که امکان تجربه ی زلزله شدید را در آینده دارند بسیار ضروری به نظر میرسد. بدین ترتیب مقاوم سازی تعداد زیادی از پروژه ها بعد از زلزله کوبه آغاز گردید.
برای این منظورابتدا برای ارتقا آئین نامه های موجود دولت ژاپن اقدام به انتشاراستانداردی برای مقاوم سازی ساختمانهای بتنی موجود نموده و همچنین با تخصیص بسته های تشویقی خاص از جمله وام های کم بهره، معافیت های مالیاتی و غیره قوانینی جهت الزام مقاوم سازی ساختمان های با اهمیت بالا را وضع نمود. لیکن چون غالب ساختمان ها در سطح خطر زلزله کوبه پاسخگو نبودند اغلب ساختمان ها نیاز به مقاوم سازی داشتند
موانعی بر سر راه مقاوم سازی
- مقاوم سازی لرزه ای برای مالکان ساختمان ها جذابیت کمتری نسبت به از نو ساختن آنها دارد.
- از آنجایی که دوره ی بازگشت یک زلزله ی بزرگ طولانی است، انجام مقاوم سازی با تردید همراه بود.
- بهسازی یک ساختمان موجود بسیار پیچیده تر از یک ساختمان نوساز است و برای مهندسین و دست اندرکاران دارای زحمت زیاد و دستمزد کمتری است.
به هر تقدیر پس از اجماع به عمل آمده پس از زلزله کوبه راه کارهای زیر جهت مقاوم سازی پیش او قرار گرفت:
- گسترش روش های ارزیابی ظرفیت لرزه ای.
- توسعه ی روشهای مقاوم سازی ساختمان های موجود.
- آموزش مهندسین.
- یارانه های دولتی، وام های کم بهره، معافیت های مالیاتی و نظایر آن، جهت افزایش انگیزه مردم جهت مقاوم سازی ساختمانهای موجود.
تشکیل شبکه ای از گروه های فنی برای افزایش ظرفیت لرزه ای ساختمان ها
این شبکه متشکل از ٧۶ کمیته بود که به شرکت های مرتبط به طراحی و ساخت ساختمان ها و دانشگاهیان، مهندسین، معماران و مشاوران وابسته بود.
فعالیت های این کمیته ها عبارتند بودند از:
- مبادله ی اطلاعات مربوط به بهسازی لرزه ای.
- برگزاری سمینارها جهت ارتقاء دانش مهندسان.
- پشتیبانی دولت به گروه های مهندسی برای تأسیس مراکز ارتقای بهسازی لرزه ای و موارد مشابه.
ارزیابی ظرفیت لرزه ای ساختمان های موجود
تعیین ظرفیت لرزه ای و توصیه های مقاوم سازی اغلب بعد از سال ١٩٧٧ استفاده شد. در دستورالعمل ارزیابی، ظرفیت لرزه ای ساختمان ها به وسیله ی اندیس لرزه ای IS و بر اساس معادله ی زیر محاسبه میشود.
IS = شاخص لرزه ای. Eo= شاخص لرزه ای مبنا. SD = اندیس طراحی سازه ای.
T = شاخص زمان.
ضریب مبنای لرزه ای Eo از حاصل ضرب شاخص مقاومت در شاخص شکل پذیری به دست میآید.
ایده اندیس لرزه ای برای سنجش ظرفیت استهلاک انرژی طبقه است در دستورالعمل ارزیابی شاخص مبنای لرزه ای سه تراز را برای تعیین E شامل میشود.
تراز اول: ساختمان هایی که تعداد دیوارهای آن قابل توجه اند و C شاخص مقاومت بر اساس سطح مقطع و مقاومت واحد دیوارها و ستون ها محاسبه میشود.
تراز دوم: ضریب C بر اساس دیوارها و ستون ها ی مسلح محاسبه میشود.
تراز سوم: مقاومت نهایی و شکل پذیری تیرها و ستون ها و دیوارها میبایست به دقت محاسبه شود.
عملکرد لرزه ای ساختمان ها بر اساس دستورالعمل موجود به قرار زیر تعیین میشود:
برای ارزیابی ظرفیت لرزه ای ساختمان ها IS شاخص لرزه ای تخمین زده میشود.
این شاخص با شاخص ISO مقررات مقایسه میشود اگر IS بزرگتر بود، ساختمان از نظر آئین نامه عملکرد خوبی دارد.
این ضریب دستورالعمل بر اساس مطالعه روی ساختمان های بتنی که در زلزله های قبلی آسیب دیده بودند تعیین شده است. در این مطالعه ثابت شده که اکثر ساختمان هایی که دچار آسیب شدید یا متوسط شده بودند IS آن ها کمتر از
٠.٣است و خسارت در ساختمان هایی که IS آن ها بزرگتر از٠.۶ بود ناچیز بود لذا ۶..= IS به عنوان معیار پذیرش آئین نامه قرار گرفت.
استراتژی مقاوم سازی و راه کارهای آن
پیشینه ی تاریخی
تحقیقات در خصوص بهسازی لرزه ای ساختمان های موجود بعد از زلزله Oki -Tokachi واندکی پس از سال ١٩۶٨ شروع شد.
تعداد زیادی از ساختمان های کوتاه مرتبه بتنی آسیب دیده بودند و در میان آن ها ساختمان هایی بودند که قبل از زلزله و افزودن دیوار سازه ای مقاوم سازی شده بودند، این اولین تجربه ژاپنی ها در این خصوص بود.
ژاپنی ها مقاوم سازی را بر اساس عملکرد انجام میدادند ولی مبتنی بر یک دستورالعمل تخصصی نبود.
بنابراین مطالعات آزمایشگاهی آن ها روی بررسی رفتار لرزه ای ساختمان های مقاوم سازی شده متمرکز گردید و در سال ١٩٧٧ و در قالب آئین نامه طراحی و مقاوم سازی ساختمان های بتنی (توسط دولت ژاپن) منتشر گردید. این آئین نامه در سال ١٩٩٠ مورد بازبینی قرار گرفت.
استراتژی مقاوم سازی
اهداف مقاوم سازی عبارتند از: باز یافتن عملکرد اصلی سازه و ارتقاء آن همچنین کاهش پاسخ لرزه ای سازه.
با انجام تعمیرات و یا جایگزینی مصالح مناسب امکان باز یافتن عملکرد اصلی سازه وجود دارد و جهت ارتقاء سطح عملکرد ساختمان راههای زیر وجود دارد.
- با افزایش سختی سازه میتوان جلوی تغییر شکل های بزرگ را گرفت.
- با ایجاد تغییرات در پیکربندی ساختمان میتوان نواقصی مانند نامنظمی در توزیع سختی یا مقاومت را گرفت و این مهم باعث کاهش خرابی در پیچش های بزرگ در یک قسمت خاص از ساختمان میشود.
- با الحاق میراگرها میتوان میرایی سازه را افزایش داد که اینکار باعث استهلاک بیشتر انرژی و کاهش پاسخ لرزه ای سازه میشود.
- استفاده از جداسازهای لرزه ای باعث کاهش پاسخ سازه به تحریک زمین میگردد و با افزایش زمان تناوب سازه، جرم مؤثر ساختمان کاهش مییابد.
تکنیک های مقاوم سازی
بسیاری از روش های مقاوم سازی که در ساختمان های موجود استفاده شدند اهداف زیر را دنبال میکنند.
- افزایش مقاومت
- افزایش شکل پذیری
- ترکیب مناسبی از این دو مورد
عملکرد مورد نیاز به وسیله مقاومت و شکل پذیری ارزیابی میشود. در ساختمان های کوتاه و متوسط افزایش مقاومت محتمل ترین گزینه جهت افزایش عملکرد است حتی اگر شکل پذیری لازم هم موجود باشد مقاومت لازم باید وجود داشته باشد تا تغییر شکل ها در ناحیه غیر خطی کنترل شود. روش های مقاوم سازی به طور خلاصه در شکل (٢) نشان داده شده اند.
جهت افزایش مقاومت قاب های موجود المان هایی به آن ها اضافه شده اند و یا به منظور افزایش ظرفیت خمشی و یا بهبود شکل پذیری ساختمان های موجود اجزای قاب ها با الحاق مصالح جدید مسلح شده اند
Fig. 1. Seismic strengthening, seismic isolation and energy dissipation
Fig. 2. Typical frame strengthening techniques
المان هایی که به منظور افزایش مقاومت ساختمان های موجود به کار گرفته شده اند عبارتند از میانقاب ها، بادبندها، دیوارهای دو طرف ستون ها، پشت بندها و نیز افزایش قاب های پیرامونی و میانقاب ها و دیوارهای کناری داخل قاب ها و قطعات پیش تنیده بین قاب ها و یا بین ستون ها نصب میشوند. امکان استفاده از دیوارهای فولادی به عنوان میانقاب در قاب های موجود وجود دارد.
زمانی که نیاز به مقاومت جانبی بالا داشته باشیم باید دیوار یکپارچه عمل کند و بدین منظور بین قاب ها و میانقاب ها باید اتصال مناسبی برقرار باشد. برای ایجاد یکپارچگی اگر بازشوهایی هم در دیوارهای جانبی قرار داشته باشند باید با بتنُ پر گردد یک دیوار سازه ای موجود ممکن است به وسیله جایگزینی یک دیوار بتنی تقویت شود جزئیات اتصالات در سازه های موجود بتنی در شکل ٣ نمایش داده شده است.
نمونه اتصال تیپ شکل (a) ٣ جهت اتصال میانقاب ها به دیوارهای کناری مورد استفاده قرار میگیرند شکل (c) ٣ نمونه اتصالی است که در آن میله مهارها به وسیله ی چسب در بدنه موجود نصب شده است.
Fig. 3. Connections in frame strengthening
Fig. 4 Behavior of stregthened frames with steel systems.
شکل(d) ٣ اتصالی است که در آن المان های فولادی به وسیله ی پرکردن ملات به قطعات بتنی متصل شده اند ضمن اینکه این قطعات میتوانند مانند شکل (b) ٣ به صورت مستقیم و باپیچ و رول پلاک به قاب ها متصل شوند.
سیستم با بندها و پانل های فولادی در قاب های محیطی توسط یاماتو مورد مطالعه قرار گرفته که در شکل ۴ منحنی رفتاری آن نمایش داده شده است.جهت برقراری اتصال بین میانقاب ها و ستون ها فولادی بدین ترتیب عمل میشود که روی ستون ها گل میخ هایی نصب میشود و بعد مهارهایی هم با چسب به میانقابها چسبانده میشودو بعد فضای بین این دو بتن ریزی میشود بنابراین علی رغم اینکه با هم اتصال ندارند با هم درگیر میشوند این نوع اتصال رو اداری زیادی را جهت اتصال قاب های فولادی به قاب یا میانقاب های موجود دارا میباشد.
ظرفیت خمشی قاب ممکن است به وسیله ی پوشش بتنی یا فولادی افزایش داده شوند که در شکل ۵ نشان داده شده است
Fig. 5. Jacketing to increase flexural capacity
و این افزایش به شرطی صورت میگیرد که طول عضو از نظر جانبی مقاوم سازی شوند. مقاوم شدن جانبی برای رسیدن به رفتار شکل پذیر مهم است اتصال تیر به ستون هم نیاز به محصور شدن توسط المان های فولادی دارند هر چند که اجرای آن آسان نمیباشد.
همانطور که در شکل 6 و 7 نشان داده شده شکل پذیری ستون میتواند با اجرای ژاکت افزایش داده شود.زمانی که قصد داریم فقط شکل پذیری یک ستون را با استفاده از ژاکت فلزی یا بتنی افزایش دهیم باید یک فاصله در ابتدا و انتهای ستون قرار گیرد که این افزایش ظرفیت خمشی باعث ایجاد سختی برشی نشود.
نتیجه
- رفتار میانقاب ها شبیه دیوارهای یکپارچه هستند و مقاومت آن ها کمی کمتر از دیوارهای یکپارچه هستند.
- بلوک های بتنی باعث افزایش مقاومت قاب اصلی میشوند.
- بادبندهای کششی اگر شکل پذیری مناسبی داشته باشند مفید هستند.
- بادبندهای فشاری و دیوارهای فولادی به دلیل جاری شدن اتصالات و یا ستون های مرزی نمیتوانند وارد مرحله غیر خطی شوند.
- بادبندهای X و V باعث افزایش مقاومت و شکل پذیری میشوند.
- شکل 8 نمودار بار تغییر شکل سیستم های مختلف مورد استفاده در مقاوم سازی به تصویر کشیده شده است.
Fig.6. Column jacketing
Fig. 8. Typical load – displacement relationships of strengthened frames with various techniques
Fig:7. Jacketing to increase column shear capacity
