بخشی از مقاله
چکیده
شمار زیادی از سازه های موجود که در مناطق زلزله خیز واقع شده اند بر اساس آیین نامه های طراحی لرزه ای قدیمی که دیگر اعتباری ندارند ، ساخته شده اند . علاوه بر آن شماری از زلزله های اصلی که در طول سالهای اخیر اتفاق افتاده اند بر اهمیت سبک شدن برای کاهش خطر لرزه ای تاکید می کنند .
مقاوم سازی لرزه ای سازه های موجود یکی از موثرترین روشها برای کاهش این خطر است .در سالهای اخیر تحقیقات مهمی به مطالعه در رابطه با راهکارهای مختلف جهت ترمیم و تقویت سازه های بتن مسلح برای بالا بردن عملکرد لرزه ای آنها اختصاص داده شده است .
بهرحال عملکرد لرزه ای سازه میتواند توسط مقاوم سازی یا ترمیم افزایش یابد . که در این مقوله مهندس راهکاری را بر اساس ارزیابی لرزه ای سازه انتخاب می کند .
بنابراین نیازهای اساسی ترمیم و تحقیقات مختلف روی راهکارهای مقاوم سازی میبایست قبل از انتخاب روش روش مقاوم سازی بررسی شود .در این مقاله مشخصات راهکارهای مختلف مورد بحث و بررسی قرار گرفته و همچنین رابطه بین مقاوم سازی و خصوصیات سازه ای شرح داده شده است.علاوه بر آن چند مورد از مطالعات سازه ای که برای مقاوم سازی اعمال شده ، ارایه شده است.
راهکارهای مقاوم سازی لرزه ای
معرفی
شمار زیادی از راهکارهای موجود مقاوم سازی لرزه ای بسته به نوع و شرایط مختلف سازه موجود است . بنابراین انتخاب نوع مقاوم سازی روند پیچیده ای دارد و تحت تاثیر توام فناوری ، شرایط اقتصادی و اجتماعی قرار دارد .در زیر عواملی که روی انتخاب راهکارهای مقاوم سازی تاثیر می گذارد را بررسی می کنیم :
• مقایسه هزینه مقاوم سازی و اهمبت سازه
• نیروی انسانی موجود
• طول مدت اجرا یا زمان عدم استفاده
• تکمیل و تقویت بر اساس عملکرد مورد نظر کارفرما
• توجه به تناسب معماری و نقش سازه ای و تکمیل سازه موجود
• تداخل برگشت پذیری
• کنترل کیفیت سطح عملکرد
• اهمیت سیاسی و تاریخی سازه
• سازگاری روش مقاوم سازی با سیستم سازه ای موجود
• عدم نظم در سختی ، مقاومت و شکل پذیری
• تناسب سختی ، مقاومت و شکل پذیری
• کنترل آسیب وارده به مولفه ها و اجزای غیر سازه ای
• ظرفیت مناسب باربری سیستم فونداسیون
• مصالح تعمیر و تکنولوژی موجود
بطور کلی دو روش برای افزایش ظرفیت لرزه ای سازه های موجود وجود دارد .اولین روش مقاوم سازی سطح سازه است که شامل اصلاحات کلی سیستم سازه ای است .به شکل6 نگاه کنید. اصلاحات کلی متداول شامل اضافه کردن دیوارهای سازه ای، بادبند های فولادی یا جداکننده های پایه است .دومین روش مقاوم سازی سطحی عضو می باشد (به شکل 7 نگاه کنید). در این روش اعضایی که ظرفیت شکل پذیری ناکافی دارند ظرفیتشان به منظور برآورده کردن حالات حدی افزایش می یابد.مقاوم سازی سطح عضو شامل روشهایی از قبیل اضافه کردن بتن ، فولاد یا زره پوش کردن ستون باالیاف پلیمری مرکب به منظور محدود کردن است .
شکل 6 - صلاح کلی سیستم سازه ای
مقاوم سازی سطح سازه
مقاوم سازی سطح سازه بطور معمول برای افزایش مقاومت جانبی سازه های موجود مورد استفاده قرار می گیرد . از این قبیل مقاوم سازی ساختمانهای بتن مسلح می توان بادبندهای فولادی ، کابلهای پیش تنیده ، دیوارهای پر کننده ، دیوارهای برشی ، پرکننده ها با مصالح بنایی و جداکننده های پایه را نام برد .روشهایی که در زیر شرح داده میشود معمولا برای مقاوم سازی سطح سازه مورد استفاده قرار می گیرد :
اضافه کردن دیوارهای سازه ای بتن مسلح
اضافه کردن دیوارهای سازه ای یکی از متداولترین روشهای مقاوم سازی سطح سازه برای تقویت سازه های موجود می باشد . بطور کلی تعمیر و ترمیم دیوار برشی موجود یا پرکننده برای یکی از دهانه های قاب استفاده می شود .علاوه بر آن به منظور کاهش زمان و هزینه از شاتکریت یا پانلهای پیش ساخته
استفاده می شود . تحقیقاتی که در زمینه دیوارهای سازه ای انجام شده است و یافته ها به نسبت تحقیقات دقیق انجام شده گزارش شده است .تحقیقات نشان می دهد که روند پرکنندگی نقش مهمی در پاسخ پانلها و سازه های دیگر ایفا کرده است . روند پرکنندگی با سخت کردن سازه می تواند برش پایه را افزایش دهد .اثرات واژگونی و برش پایه در محل پر کننده سخت کننده متمرکز شده است .بنابراین در این محلها فونداسیون میبایست تقویت شود.
JIRSA و KREGER در 1989 دیوارهای پرکننده یک طبقه را در کاربرد برای چهار نمونه آزمایش کردند.در آزمایش آنها از یک قاب بتن مسلح سه دهانه ، تک طبقه غیر شکل پذیر تا تکنیکهای ساختمان سازی در دهه 1950 را مدل کنند. در این سازه فاصله آرماتورهای برشی ستون زیاد بود و فشردگی وصله ها برای تامین مقاومت کششی نهایی کافی نبود .در آزمایش آنها ابتدا دیوارهای سه گانه در محل بازشو تغییر یافت .آرماتورهای طولی در نزدیکی ستونهای موجود برای افزایش پیوستگی فولاددر 4 نمونه اضافه شد.در ابتدای 3آزمایش شکستهای ناشی از وصله های لب به لب ناقص ستونبا وجود ترمیم پرکننده هاایجاد شد.(شکل 8را نگاه کنید(
شکل8-نمودار تاریخچه بارگذاری-تغییر مکان دیوار پر کننده
استفاده از بادبندهای فولادی
اضافه کردن بادبندهای فولادی برای تقویت کلی و سخت کردن ساختمانهای موجود می تواند موثر باشد .بادبندهای هم مرکز یا برون مرکز می توانند در دهانه های انتخابی یک قاب بتن مسلح برای افزایش مقاومت جانبی سازه استفاده شود.مزیت این روش آنست که دیگر به تقویت فونداسیون نیاز نیست چون بادبندهای فولادی معمولا بین اعضای موجود قرار میگیرند.
افزایش بارگذاری روی فونداسیون موجود در محل بادبندها ممکن است پس هنوز بایدفونداسیون مورد ارزیابی قرار گیرد .علاوه بر آن اتصال بین قاب بتنب موجود و اعضای بادبندی باید به دقت انجام شود زیرا اتصال در طول مدت زلزله آسیب پذیر است.
گزارشات چندبن محقق حاکی از موفقیت استفاده از بادبندها برای ارتقای رفتار سازه های بتن مسلح است .علاوه بر آن استفاده از بادبندهای فولادی پس کشیده توسط میراندا و برترو در 1990 به منظور ارتقای پاسخ ساختمانهای مدارس کم ارتفاع در مکزیک مورد بررسی قرار گرفته است .
مارسی و گل در 1996 روی یک سازه ساختمانی دال ستون که با مقیاس یک سوم ، دو دهانه ، دو طبقه قاب بتن مسلح ساخته شده بود آزمایش کردند .آنها این آزمایش را در 2 مرحله با بادبندهای فولادی برون محور و هم محور آزمایش کردند و آنها را با قاب بتنی اصلی مقایسه کردند .شکل 9 قاب نمونه مهاربندی نشده را نشان میدهد .شکل10 با مقایسه منحنیهای هیسترزیس قاب مقاوم سازی نشده و مقاوم سازی شده نشان دهنده افزایش مقاومت ، سختی و استهلاک انرژی ناشی از مقاوم سازی است.این آزمایش برای هر دو نمونه مقاوم سازی شده درست بود .مخصوصا نتایج بعد از اتصال بتن و بادبند نشان داد که قاب رفتاری بسیار شکل پذیر دارد.بطوریکه در 15 چرخه بارگذاری بدون شکست باقی ماند .
جداسازی لرزه ای
اخیرا ، شمار زیادی از محققان روی جداسازی لرزه ای بعنوان روشی برای مقاوم سازی تحقیقاتی انجام داده اند. هدف این نوع از مقاوم سازی ، جدا کردن سازه از زمین در طول حرکت زمین هنگام وقوع زلزله است .محل قرارگیری بین روبنا و فونداسیون آن است .بدلیل خصوصیات عالی استهلاک انرژی این روش بهترین برای ساختمان با ارتفاع کم و بار زیاد است .
استهلاک انرژی اضافی متداولترین روش برای زیاد کردن استهلاک انرژی یک سازه شامل قرار دادن میراگرهای اصطکاکی ، ویسکوالاستیک و هیسترزیس بعنوان مولفه های مهاربندی قابها می باشد .تعدادی از محققان مطالعاتی بر روی استهلاک انرژی اضافی داشته اند .از طرف دیگر FEMA 356 در مورد بعضی جنبه های منفی این روش صحبت می کند.
هنگامیکه تغییر مکانهای جانبی در اثر استفاده از استهلاک انرژی اضافی کاهش پیدا می کنند نیروها در سازه افزایش می یابد .
مقاوم سازی سطح عضو
مقاوم سازی سطح عضو می تواند با استراتژی موثرتری نسبت به مقاوم سازی سطح سازه انجام شود .زیرا اعضایی که نیاز به افزایش عملکرد لرزه ای آنها در سازه وجود دارد انتخاب شده و مقاوم سازی میشوند . مقاوم سازی سطح عضو شامل اضافه کردن بتن ، فولاد یا الیاف پلیمری مرکب برای استفاده در ستونها و اتصالات بتن مسلح می باشد.مخصوصا در سازه های دال تخت اگر دال برای اثرات ترکیبی بارهای جانبی و ثقلی طراحی نشده باشد شکست ناشی از برش پانچ اتفاق می افتد.پس مقاوم سازی محلی کارایی بسیار مهمی در اتصالات ستون به دال دارد .اخیرا تحقیقاتی در رابطه با مقاوم سازی سطح عضو در آمریکا در مورد ستونها ، اتصالات تیر به ستون و اتصالات دال به ستون انجام شده است .
زره پوش کردن ستون
مقاوم سازی ستون امری حیاتی برای عملکرد لرزه ای سازه محسوب می شود .برای جلوگیری از سازوکار طبقه در طول زلزله ، ستونها نباید ضعیفترین اعضای یک سازه ساختمانی باشند .پاسخ ستون در یک سازه ساختمانی توسط ترکیب نیروی محوری ، خمشی و برشی کنترل میشود .بنابراین زره پوش کردن ستون می تواند برای افزایش مقاومت برشی و خمشی ستون استفاده شود تا ستون آسیب نبیند .اخیرا تحقیقاتی با تکیه بر کاربرد کامپوزیتها انجام شده است .بویژه مصالح الیاف پلیمری مرکب برای مقاوم سازی ستون استفاده میشود .
اگر زره پوشها بطور موثر ستون را محصور کنند از شکست ستون در ناحیه مفصل پلاستیک جلوگیری میشود.
مقاوم سازی اتصالات دال به ستون
در اتصالات دال به ستون شکست برش پانچ ناشی از انتقال لنگرهای نامتعادل بحرانی ترین نوع از آسیب سازه ای است . مقاوم سازی اتصالات دال به ستون به منظور جلوگیری از شکستهای ناشی از برش سودمند است و تحقیقات زیادی در رابطه با مقاوم سازی اتصالات دال به ستون انجام شده که شامل اضافه کردن بتن به سرستون یا صفحات فولادی به دو قسمت دال استکه می تواند از شکست های ناشی از برش پانچ جلوگیری کند .هر دو راه حل نشان دهنده افزایش مقاومت دور تا دور سطح برش پانچ میباشد .جزییات این روش در شکل12 نشان داده شده است.
شكل 12 مقاوم سازی اتصالات دال به ستون
گزینش روشهای مقاوم سازی
الناشای و پینهو در 1998 پیشنهادات دیگری در رابطه با روشهای مقاوم سازی ارایه کردند که توسط تاثیر روی خصوصیات پاسخ سازه ای طبقه بندی شده بود .این تئوری یک راه اقتصادیتر را ارائه داد زیرا فقط نیاز به تغییر خصوصیت سازه داشت .آنها این تئوری را توسط افزایش یک به یک 3 پارامتر پاسخ طراحی یعنی سختی ، مقاومت و شکل پذیری آزمایش کردند .دیوارهای بتنی به منظور برنامه آزمایش استفاده شدند و اطلاعات آزمایش با نتایج تحلیل کامپیوتری مقایسه شدند . تاثیر مداخله روشهای گزینش روی رفتار کلی مشخص و معین شد. شکل13 ارزیابی و مقطع عرضی نمونه را نشان میدهد .
شکل13 _ ارزیابی و مقطع عرضی نمونه
صفحات فولادی مهار شده خارجی به منظور افزایش سختی بدون هیچ تغییری در مقاومت و شکل پذیری استفاده شد .در این زمینه ارتفاع ، عرض و ضخامت صفحه پارامترهای مهمی برای کنترل میزان افزایش سختی می باشند . برای بدست آوردن بهترین نتایج تا جایی که ممکن بود صفحات نزدیک لبه ها قرار داده شدند .آرماتورهای مهار نشده خارجی می توانند تنها به منظور افزایش مقاومت استفاده شوند .استفاده از بازوی اهرم بلندتر و ضخامت یا مقاومت نهایی
کوچکتر بهترین نتایج را می دهد .بالا خره ، برای تنها افزایش شکل پذیری می توان از صفحات فولادی با محدود شدگی خارجی استفاده کرد .برای بدست آوردن بهترین نتایج ، صفحات به هم بسته شدند و ارتفاع مجموع صفحات به بیشترین مقدار خود رسید در شکل 14 تا16 جزییات نمونه ها نشان داده شده است .
راه های مقاوم سازی ساختمان ها
ساخت خانه های متحرک یکی از متدهای پیشرفته در امر مقاوم سازی در برابر زلزله است از این روش در ساخت ساختمان ها، آپارتمان ها، کارخانه ها و ساختمانهای مراکز تجاری استفاده می شود. این روش بسیار کم خرج است و در مناطقی که از نظر مقاومت در مقابل زلزله از سطح پایینی برخوردارند و در نواحی زلزله خیز سراسر جهان واقع شده اند بسیار مناسب و مقرون به صرفه می باشد بدین ترتیب تمامی اصول ساختمان سازی به سمت ساختمان سازی مکانیکی متحول می شود. این ساختمان ها در برابر تمامی بلایای طبیعی از قبیل سیل، آتشفشان، رانش زمین و همچنین در مقابل زلزله های خطرناک و مهیب و حملات تروریستی هم مقاوم می باشد.
این طریقه مقاوم سازی که شیوه مهندسی ساختمانی "هاپکن" نام دارد نوعی مهندسی مکانیکی است که مدیریت و ابداع و سنجش تکنیکی آن را فردی به نام هاپکن به انجام رسانیده است. وی تا کنون چندین مورد از ماشین آلات مکانیکی را طراحی کرده و در این زمینه چند ابداع نوین داشته است.
وی طی مطالعاتش در دانشگاه فنی و همندسی هلند انیشه ساخت سیستم ساختمان ساری خانه های متحرک به فکرش خطور کرد. چندین سال بعد وی ایده اش را در این خصوص تکمیل کرد.
دیوار های این خانه از بتون درست شده است و بوسیله میله های فلزی کششی عمودی کاملا فشرده می شوند. بدین ترتیب بدلیل استفاده از مواد جامد فشرده و سنگین نیرو وارده به اجزای پایینی ساختمان بسیار افزایش می یابد. الببه باید گفت که دیوارهای هر طبقه بصورت کنترل شده ایی به آن فشار وارد می شود و میزان فشار وارده در تمامی طبقات یکسان است. علاوه بر یک میله عمود در هر طبقه از 3 میله افقی هم استفاده می شود.
