مقاوم سازی سازه های بتنی ژاپن

پس از آســیب شــدیدی که به ساختمان ها و بر اثر وقوع چند زلزله ی مخرب (مثل زلزله ی ١٩٧٨ کوبه و ١٩٨٩ لوماپریتا) وارد شــد، اهمیت بهسازی لرزه ای ســاختمان های موجود علی الخصوص ساختمان هایی که در مناطقُ پر جمعیت شهری قرار داشــتند روز به روزنمایان تر می شــد. از طرفی فشــار روانی ناشــی از این زمین لرزه ها مردم را ترغیب به مقاوم سازی ساختمان های موجود می نمود.

در دنیا تعداد زیادی از ســاختمان های موجود به دلایل مختلف نیاز به مقاوم ســازی دارند که از جمله این دلایل می توان تغییر در آئین نامه های طراحی و آســیب های وارده به ســاختمان ها ناشی از زلزله های مختلف و همچنین عدم استفاده از آئین نامه های رایج در طراحی ســاختمان ها را نام برد. روش های متعدد مقاوم ســازی که قبل از وقوع زلزله و یا بعد از آن مورد اســتفاده واقع شــده اند مورد ارزیابی قرار گرفتند که بعضی از این روش ها مانند میانقاب ها، بادبندها و جاکت کردن اعضــا باعث افزایش مقاومت جانبی و شــکل پذیری گردیده و روش هایی مانند جداســازی 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 می دهد که باعث قربانی شدن تعدادی از هموطنانمان می گردد 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 می گردد 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.

١. 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.

٢. درصد ساختمان های بتنی که شدیداً آسیب دیده یا فرو ریخته اند ٧.٨ درصد گزارش شده اند.

٣. درصد ســاختمان هایی که به علت طبقه ی نرم در همکف آســیب 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.

۴. ســاختمان های بتن آرمه ای که آســیب دیده بودند قبل از سال ١٩٨١ طراحی و ساخته شده بودند به ویژه آن هایی که مربوط به قبل از ســال ١٩٧١ بودند، چون آئین نامه ی لرزه ای ژاپن مربوط به ســال ١٩۵٠ است که زیر ساخت آن شبیه اولین آئین نامه ژاپن مربوط به سال ١٩٢۴ می باشد.

این آئین نامه طی سال های ١٩٧١ تا ١٩٨١ مورد بازبینی قرار گرفته بود.

در یک نگاه آماری آســیب شــدید یا فروریزی ســاختمان هایی که فاقد طبقه نرم در همکف بودند و قبل از ســال ١٩٧١ طراحی و ســاخته شــده بودند ٨.١ درصد و ساختمان های مربوط به سال های قبل از ١٩٨١- ٣.٧ درصد و مواردی که بر اســاس آئین نامه های جاری طراحی و ساخته شــده 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 بررســی آســیب پذیری ساختمان های باقی مانده که امکان تجربه ی زلزله شدید را در آینده دارند بسیار ضروری به نظر می رسد. بدین ترتیب مقاوم سازی تعداد زیادی از پروژه ها بعد از زلزله کوبه آغاز گردید.

برای این منظورابتدا برای ارتقاء آئین نامه های موجود دولت ژاپن اقدام به انتشاراستانداردی برای مقاوم سازی ساختمانهای بتنی موجود نموده و همچنین با تخصیص بســته های تشــویقی خاص از جمله وام های کم بهره، معافیت های مالیاتی و غیره قوانینی جهت الزام مقاوم ســازی ســاختمان های با اهمیت بالا را وضع نمود. لیکن چون غالب ساختمان ها در سطح خطر زلزله کوبه پاســخگو نبودند اغلب ساختمان ها نیاز به مقاوم سازی داشتند

موانعی بر سر راه مقاوم سازی

١. مقاوم سازی لرزه ای برای مالکان ساختمان ها جذابیت کمتری نسبت به از نو ساختن آنها دارد.

٢. از آنجایی که دوره ی بازگشت یک زلزله ی بزرگ طولانی است، انجام مقاوم سازی با تردید همراه بود.

٣. 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:

١. گسترش روش های ارزیابی ظرفیت لرزه ای.

٢. توسعه ی روشهای مقاوم سازی ساختمان های موجود.

٣. آموزش مهندسین.

۴. یارانه هــای دولتــی، وام های کم بهره، معافیت های مالیاتی و نظایر آن، جهت افزایش انگیزه مردم جهت مقاوم ســازی ساختمانهای موجود.

تشکیل شبکه ای از گروه های فّنی 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:

١. مبادله ی اطلاعات مربوط به بهسازی لرزه ای.

٢. برگزاری سمینارها جهت ارتقاء دانش مهندسان.

٣. 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 ســازی اغلب بعد از ســال 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 می شود.

I_S = شاخص لرزه ای. E_o= شاخص لرزه ای مبنا. S_D = اندیس طراحی سازه ای.

T = شاخص زمان.

ضریب مبنای لرزه ای E_o از حاصل ضرب شاخص مقاومت در شاخص شکل پذیری به دست می آید.

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 می شود.

تراز اول: ســاختمان هایی که تعداد دیوارهای آن قابل توجه اند و C شــاخص مقاومت بر اســاس سطح مقطع و مقاومت واحد دیوارها و ستون ها محاسبه می شود.

تراز دوم: ضریب C بر اساس دیوارها و ستون ها ی مسلح محاسبه می شود.

تراز سوم: مقاومت نهایی و شکل پذیری تیرها و ستون ها و دیوارها می بایست به دقت محاسبه شود.

عملکرد لرزه ای ساختمان ها بر اساس دستورالعمل موجود به قرار زیر تعیین می شود:

برای ارزیابی ظرفیت لرزه ای ساختمان ها IS شاخص لرزه ای تخمین زده می شود.

این شاخص با شاخص ISO مقررات مقایسه می شود اگر IS بزرگتر بود، ساختمان از نظر آئین نامه عملکرد خوبی دارد.

این ضریب دســتورالعمل بر اساس مطالعه روی ســاختمان های بتنی که در زلزله های قبلی آسیب دیده بودند تعیین شده اســت. در این مطالعه ثابت شــده که اکثر ســاختمان هایی که دچار آسیب شدید یا متوسط شــده بودند I_S آن ها کمتر از

٠.٣اســت و خســارت در ســاختمان هایی که I_S آن ها بزرگتر از٠.۶ بود ناچیز بود لذا ۶..= I_S به عنوان معیار پذیرش آئین نامه قرار گرفت.

استراتژی مقاوم سازی و راه کارهای آن

پیشینه ی تاریخی

تحقیقات در خصوص بهســازی لرزه ای ســاختمان های موجود بعد از زلزله Oki -Tokachi واندکی پس از ســال 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 می دادند ولی مبتنی بر یک دستورالعمل تخصصی نبود.

بنابراین مطالعات آزمایشــگاهی 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 ســازی ســاختمان 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 مناســب امکان باز یافتن عملکرد اصلی ســازه وجود دارد و جهت ارتقاء ســطح عملکرد ساختمان راههای زیر وجود دارد.

• با افزایش سختی سازه می توان جلوی تغییر شکل های بزرگ را گرفت.
• با ایجاد تغییرات در پیکربندی ســاختمان می توان نواقصی مانند نامنظمی در توزیع ســختی یا مقاومت را گرفت و این مهم باعث کاهش خرابی در پیچش های بزرگ در یک قسمت خاص از ساختمان می شود.
• با الحاق میراگرها می توان میرایی ســازه را افزایش داد که اینکار باعث اســتهلاک بیشتر انرژی و کاهش پاسخ لرزه ای سازه می شود.
• استفاده از جداسازهای لرزه ای باعث کاهش پاسخ سازه به تحریک زمین می گردد و با افزایش زمان تناوب سازه، جرم مؤثر ساختمان کاهش می یابد.

تکنیک های مقاوم سازی

بســیاری از روش های مقاوم سازی که در ســاختمان های موجود استفاده شدند اهداف زیر را دنبال می کنند.

١) افزایش مقاومت. ٢) افزایش شکل پذیری. ٣) ترکیب مناسبی از این دو مورد.

عملکرد مورد نیاز به وســیله مقاومت و شکل پذیری ارزیابی می شود. در ساختمان های کوتاه و متوســط افزایش مقاومت محتمل ترین گزینه جهت افزایش عملکرد است حتی اگر شــکل پذیری لازم هم موجود باشــد مقاومت لازم باید وجود داشــته 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 خمشــی 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 هایــی که بــه منظور افزایش مقاومت ســاختمان های موجود به کار گرفته شــده اند عبارتند از میانقاب ها، بادبندها، دیوارهای دو طرف ستون ها، پشــت بندها و نیز افزایش قاب های پیرامونی و میانقاب ها و دیوارهــای کناری داخل قاب هــا و قطعات پیش تنیده بین قاب ها و یا بین ستون ها نصب می شــوند. امکان استفاده از دیوارهای فولادی به عنوان میانقاب در قاب های موجود وجود دارد.

زمانی که نیاز به مقاومت جانبی بالا داشــته باشیم باید دیوار یکپارچه عمل کند و بدین منظور بین قاب ها و میانقاب ها باید اتصال مناســبی برقرار باشد. بــرای ایجاد یکپارچگی اگر بازشــوهایی هم در دیوارهای جانبی قرار داشته باشند باید با بتنُ پر گردد یک دیوار سازه ای موجود ممکن است به وســیله جایگزینی یک دیوار بتنی تقویت شود جزئیات اتصالات در سازه های موجود بتنی در شکل ٣ نمایش داده شده است.

نمونه اتصال تیپ شــکل (a) ٣ جهت اتصال میانقاب ها به دیوارهای کناری مورد اســتفاده قرار می گیرند شــکل (c) ٣ نمونه اتصالی است که در آن میله مهارها به وســیله ی چســب 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 شــده اند ضمن اینکه این قطعات می توانند مانند شــکل (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 مــورد مطالعه قرار گرفته که در شــکل ۴ منحنــی رفتاری آن نمایش داده شده است.جهت برقراری اتصال بین میانقاب ها و ســتون ها فولادی بدین ترتیب عمل می شــود که روی ســتون ها گل میخ هایی نصب می شود و بعد مهارهایی هم با چسب به میانقابها چسبانده می شودو بعد فضای بین این دو بتن ریزی می شــود بنابراین علی رغم اینکه با هم اتصال ندارند با هم درگیر می شوند این نوع اتصال رو اداری زیادی را جهت اتصال قاب های فولادی به قاب یا میانقاب های موجود دارا می باشد.

ظرفیت خمشــی 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 ایــن افزایش به شــرطی صورت می گیرد که طــول عضو از نظر جانبی مقاوم ســازی شوند. مقاوم شــدن 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 نمی باشد.

همانطور که در شــکل 6 و 7 نشان داده شده شکل پذیری ستون می تواند با اجرای ژاکت افزایش داده شود.زمانی که قصد داریم فقط شــکل پذیری یک ستون را با استفاده از ژاکت فلزی یا بتنی افزایش دهیم باید یک فاصله در ابتدا و انتهای ســتون قرار گیرد که این افزایش ظرفیت خمشی باعث ایجاد سختی برشی نشود.

نتیجه

ـ رفتار میانقاب ها شــبیه دیوارهای یکپارچه هستند و مقاومت آن ها کمی کمتر از دیوارهای یکپارچه هستند.

ـ بلوک های بتنی باعث افزایش مقاومت قاب اصلی می شوند.

ـ بادبندهای کششی اگر شکل پذیری مناسبی داشته باشند مفید هستند.

ـ بادبندهای فشاری و دیوارهای فولادی به دلیل جاری شدن اتصالات و یا ستون های مرزی نمی توانند وارد مرحله غیر خطی شوند.

ـ بادبندهای X و V باعث افزایش مقاومت و شکل پذیری می شوند.

ـ شــکل 8 نمودار بار تغییر شــکل سیســتم 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