بخشی از مقاله
خلاصه
روشهاي مختلف و متعددي براي مرمت و بهسازي آثار تاريخي با هدف بالا بردن کارايي آنها در برابر حوادث گوناگون مورد تحقيق و بررسي قرار گرفته است . از اين ميان روش جداسازي پايه اي براي مقاوم سازي اين قبيل ساختمان ها، داراي اعتبار خاصي مي باشد، چرا که در اين روش با کمترين صدمه و تغييري در معماري بنا و همچنين عدم جلوگيري از کارآيي آن ، مي توان خسارات ناشي از زلزله و ساير تحريکات استاتيکي و ديناميکي را تا حد قابل قبولي کاهش داد.
در اين تحقيق ، با در نظر گرفتن زلزله خيز بودن اکثر مناطق ايران و کثرت آثار با ارزش موجود در اين مناطق ، تجربيات ساير کشورها در زمينه مرمت و مقاوم سازي آثار تاريخي با استفاده از جداسازها بررسي گرديده و سپس آئين نامه ها و ساير ضوابط اجرايي مرتبط با اين روش توضيح داده شده و در نهايت کاربرد اين روش در مورد آثار تاريخي ايران مورد مطالعه قرار گرفته است .
کليد واژه : آثار تاريخي ، مقاوم سازي ، جداسازي پايه اي
١. مقدمه
امروزه توجه به ساختمان هاي قديمي و باارزش که به عنوان بخشي از فرهنگ و هويت ملي هر کشور محسوب مي شوند داراي جايگاه ويژه اي گرديده وکشورها، هزينه هاي بسيار زيادي را براي حفظ ، مرمت و مراقبت از اينگونه آثار در برابر عوامل گوناگون تخريب ، از جمله زلزله وساير تحريکات استاتيکي و ديناميکي پرداخت مي کنند. در عصر حاضر و با وجود تحول عظيم در علم و فناوري و توانايي فوق العاده ابزارهاي طراحي آناليز غيرخطي ، و ساخت ابزارهاي پيشرفته ي کنترل حرکت ساختمان ، مهندسين متفکر و خلاق رشته عمران را براي کاربرد اين وسايل در بخش هاي گوناگون صنعت ساختمان ياري نمود، تا راه کارهاي عملي و ساده اي جهت استفاده از تکنولوژي هاي نوين ارائه دهند. در همين راستا و به منظور مرمت و حفظ آثار تاريخي و باارزش استفاده ازجداسازي لرزه اي مورد توجه واهتمام ويژه قرار گرفته است .
از جداگرها تا حد زيادي در ژاپن ، آمريکا، زلاند نو و ايتاليا استفاده شده است . اين روش مخصوصا در مورد ساختمان هاي ارزشمند تاريخي متداول گرديده که اين امر، هم به جهت حفاظت موثر در برابر زلزله و هم به دليل نصب آنها بدون آسيب رساندن به ويژگي هاي معماري و تاريخي بنا نسبت به روشهاي ديگر مي باشد، علاوه بر اين موارد، استفاده از اين شيوه در حفاظت از آثار بسيار حساس داخل ساختمان ها نيز بسيار موثر خواهد بود.
به وسيله يک سيستم جداساز، از انتقال يافتن ميزان زيادي از حرکات افقي زمين به سازه جلوگيري شده که اين عمل باعث کاهش قابل ملاحظه در شتاب کف و جابجايي هاي بين طبقات مي شود. مزيت ديگر جداسازي لرزه اي افزايش پريود اصلي ارتعاش سازه مي باشد که اين عمل نيز باعث کاهش نيروهاي ارتجاعي حداکثر مي گردد. به طور کلي جداسازي لرزه اي از نقطه نظر اقتصادي نيز مقرون به صرفه خواهد بود. در حقيقت هزينه لوازم موردنياز براي سيستم جداساز، با کاهش هزينه هاي مربوط به مقاوم سازي ساختمان و حفاظت از مجموعه هاي داخل آن ، متوازن مي گردد.
در کشور ايران نيز آثار و گنجينه هاي باارزش زيادي وجود دارد که اکثر آنها در شهرهاي قديمي و در معرض خطرات ناشي از زلزله واقع شده اند. لذا لازم است که با مرمت و استحکام بخشي اين ابنيه که در بر دارنده ي هويت و نبوغ نسلهاي پيشين ما مي باشند، اين آثار بيش ازپيش موردتوجه قرار گيرند.
٢. تاريخچه استفاده از جداسازي لرزه اي
شايد اولين تحقيقات در زمينه جداسازي لرزه اي را بتوان به جان مايلن انگليسي نسبت داد. مايلن در زمينه تحقيقات زلزله شناسي آنقدر پيشتاز بود که اغلب از وي با لقب پدر زلزله شناسي نوين نام برده اند. او که مدتي در ژاپن اقامت داشت در دانشگاه توکيو نمونه اي از يک ساختمان جداشده را ساخت و سپس اصلاحاتي بر روي آن انجام داد ودرنهايت در سال ١٨٨٦ گزارشي از طرح خود را ارائه نمود. بعد از اوکساني همچون چاکوب بچتولد در سال ١٩٠٦ و فرانک لويدرايت در سال ١٩٢١ از ايده جداسازي براي محافظت ساختمان ها در برابر زلزله استفاده کردند. پيشرفت هاي اخير در تکنولوژي لاستيک ، ايده جداسازي پايه را تبديل به يک واقعيت عملي نموده است . امروزه مفهوم جداسازي لرزه اي براي حفاظت از ساختمان هاي مهم در برابر حرکات قوي زمين در مناطق لرزه خيز جهان به طور گسترده اي پذيرفته شده و در نمونه هاي بسياري در کشورهاي مختلف مورد استفاده واقع شده است . [١] و [٢]
نخستين مورد استفاده از يک سيستم جداساز لاستيکي براي محافظت ساختمان ها در برابر زمين لرزه در سال ١٩٦٩ ميلادي درساختمان يک مدرسه ابتدايي در اسکوپيه يوگسلاوي بوده است . در آمريکا، ايتاليا، ژاپن ، چين و اندونزي بيشتر از نوعي از جداگرها که از جنس لاستيک طبيعي با ميرايي بالا مي باشند استفاده مي شود که سادگي استفاده از اين نشيمن ها يکي از علل گسترش سريع استفاده از جداگرها در سال هاي اخير بوده است .
در آمريکا براي اولين بار در سال ١٩٨٤ و در ساخت مرکز قضايي وحقوقي فوت هيل در نزديکي شهر لس آنجلس از ٩٨ جداگرلاستيکي با ميرايي بالا استفاده شد، اين نشيمن ها توسط يک موسسه تحقيقاتي مالزيايي سازنده لاستيک در انگلستان و براي مصرف در اين پروژه توليده شده بود.
استفاده از اين سيستم در ژاپن از سال ١٩٨٦ شدت گرفته و با عملکرد برتر و مطلوب ساختمان هايي که با استفاده از اين روش ساخته شده اند ميزان تقاضاهاي ارائه شده براي صدور مجوز احداث چنين ساختمان هايي به سرعت رو به افزايش بوده و در سال هاي اخير به حدود ٢٠٠ پروژه در سال رسيده است . فعال ترين مرکز مطالعه جداسازي پايه در اروپا کشور ايتاليا مي باشد و در سال هاي اخير حتي کشورهاي ديگري همچون ارمنستان نيز با حمايت يک سري از سرمايه گذاران خارجي تشويق به استفاده از اين فناوري شده اند. [١] و [٢]
امروزه مهمترين موضوع پيش روي اين فناوري، دوام بلندمدت و ويژگي هاي مکانيکي جداسازها ومصالح سازنده ي آنها مي باشد که بهترين راه ارزيابي عملکرد بلندمدت آنها انجام آزمايشات و بازرسي هاي دوره اي بر روي نمونه هايي است که عملا در سال هاي گذشته مورد استفاده قرار گرفته اند.
٣. بيان عملکرد سيستم هاي جداکننده پايه
مسئله ي اصلي در تامين مقاومت لرزه اي بالاي يک ساختمان ، چگونگي به حداقل رساندن تغيير مکان بين طبقه اي و شتاب هاي طبقات مي باشد. تغيير مکان بين طبقه اي را مي توان با افزايش سختي سازه کاهش داد اما اين عمل سبب تقويت و تشديد حرکت زمين و به دنبال آن افزايش شتاب طبقات مي شود. شتاب هاي طبقات را نيز مي توان با نرم کردن سيستم کاهش داد اما اين کار نيز منجر به تغيير مکان هاي بين طبقه اي بزرگي خواهد شد. با قراردادن ساختمان بر روي يک سيستم جداساز از انتقال يافتن ميزان زيادي از حرکات افقي زمين به سازه جلوگيري مي شود. اين عمل باعث کاهش قابل ملاحظه اي در شتاب هاي کف و جابجايي هاي بين طبقات مي گردد و بدين وسيله ازمحتويات ساختمان و اجزاي آن محافظت خواهد شد. [١]
مزيت ديگر جداسازي لرزه اي افزايش پريود اصلي ارتعاش سازه وا نتقال آن به نواحي کم انرژي تر زلزله در طيف پاسخ مي باشد. در اثر اين عمل ، نيروهاي ارتجاعي حداکثر، کاهش قابل ملاحظه اي پيدا مي کنند.
براي رسيدن به اهداف فوق ، هر سيستم جداساز از سه جزء پايه تشکيل شده است :
١- يک تکيه گاه انعطاف پذير
٢- يک مستهلک کننده و يا جاذب انرژي
٣- يک وسيله براي فراهم آوردن صلبيت تحت بارهاي کوچک
با توجه به افزايش جابجايي هاي به وجود آمده توسط سيستم جداساز، مي توان ميرايي سازه را افزايش داد تا بر مشکل جابجايي اضافي فائق آمد و تغيير شکل هاي نسبي بين سازه و زمين را در يک حد مناسب کنترل نمود. همچنين با افزايش ميرايي در يک پريود ثابت ، نيرو کاهش مي يابد و بخش عمده اي از حساسيت نسبت به مشخصات حرکات زمين حذف مي گردد.
٤. انواع جداسازهاي متداول
٤-١- سيستم هاي بر مبناي الاستومر که شامل موارد زير مي شوند:
٤-١-١- نشيمنهاي لاستيک طبيعي فاقد ميرايي
٤-١-٢- نشيمنهاي لاستيک طبيعي و مصنوعي با ميرايي کم
٤-١-٣- نشيمن هاي با هسته سربي
٤-١-٤- سيستم هاي لاستيک طبيعي باميرايي بالا
٤-١-٥- جداسازهاي الاستومري تقويت شده با الياف
٤-٢- سيستم هاي جداساز بر مبناي لغزش
٥. آئين نامه ها و دستورالعمل هاي مرتبط با کاربرد جداگرها
از اوايل دهه ١٩٧٠ دستورالعمل ها و به مرور آئين نامه هايي براي کمک و کنترل طراحي سازه هايي که در آنها از جداسازهاي لرزه اي استفاده مي کنند نوشته شده است . در سال ١٩٩١ آيين نامه UBC مجموعه قوانيني را تحت عنوان ضوابط طراحي لرزه اي براي سازه ها با جداسازي لرزه اي، ارائه داد که بيشتر بر مبناي روش استاتيکي معادل قرار داشت . نگارشهاي بعدي آيين نامه UBC که تحت ٩٤-UBC و ٩٧-UBC ارائه گرديد پيچيده تر از نسخه هاي گذشته بوده و بيشتر بر مبناي روش هاي ديناميکي طراحي قرار دارند. علاوه بر اين موارد، ضوابط آيين نامه UBC صرفا به منظور طراحي ساختمانهاي جديد بوده و ضوابطي براي مقاوم سازي ساختمانهاي موجود بااستفاده از جداگرها ارائه نمي دهد. [١] و [٢]
امروزه طراحي براي ارتقاي لرزه اي ساختمان هاي موجود، بيش از پيش تحت تاثير گزارش هاي FEMA و به خصوص ٢٧٣-FEMA و ٢٧٤-FEMA , ٣٥٦-FEMA بوده که به جز چند مورد استثناء، بسيار شبيه ٩٧ -UBC مي باشند.
٦. معرفي سازه هاي مورد مطالعه در اين مقاله بيشتر تمرکز بر روي سازه هايي مي باشد که از آنها در بعضي از تقسيم بندي ها به عنوان ساختمان هاي اسکلت بنايي نام برده مي شود. به طور کلي اينگونه ساختمان ها به دو دسته تقسيم مي شوند:
١- ساختمان هاي اسکلت بنايي معمولي: که در آنها اکثر نيروهاي وارد بر ساختمان توسط ديوارهاي باربر تحمل مي گردد.
٢- ساختمان هاي اسکلت بنايي مرکب : در اينگونه ساختمانها علاوه بر ديوارهاي باربر موجود، در ساخت بنا سازه فلزي و يا بتني به صورت
ترکيبي با ديوارهاي باربر وجود دارد و بارهاي وارد بر ساختمان توسط هر دو يعني هم ديوار باربر و هم سازه فلزي و يا بتني مهار مي گردد
به دليل اينکه در زمان ساخت اکثر اين بناها در گذشته ، يا آيين نامه هاي جامعي در رابطه با مهار نيروهاي جانبي وجود نداشته و يا اينکه محاسبات دقيقي در اين رابطه صورت نگرفته است ، لذا اغلب اين سازه ها در برابر زلزله ضعيف عمل کرده و دچار مشکل خواهند شد. مهمترين عوامل آسيب پذيري اينگونه ساختمان ها، وزن زياد، مقاومت کم مصالح در برابر کشش وبرش ، ترد بودن مصالح ، فقدان به هم پيوستگي کامل اجزاي ساختمان وضعف اتصالات ، کيفيت ضعيف اجراي ساختمان و بالاخره از دست رفتن مقاومت با گذشت زمان مي باشد. [١٠]
اکثر ساختمان هايي که در ادامه به آنها اشاره خواهد شد داراي خصوصيات فوق بوده وبايد در تمام موارد به اين نکته توجه داشت که در مقاوم سازي با استفاده از جداگرها، سازه بايد حداقل داراي يک سري از عوامل وشرايط لازم براي تامين ايستايي و ادامه حيات خود باشد.
٧. شرايط کاربرد جداسازهاي لرزه اي
اولين موضوع در بررسي تناسب جداسازي براي يک پروژه ، خود سازه است . با توجه به شرايطي که هر سازه مي تواند داشته باشد، طرح مقاوم سازي آن سازه مشخص مي شود. با درنظر گرفتن نوع عملکرد جداسازها بيشترين تاثير اين سيستم در ساختمان هاي با ارتفاع کم تا متوسط که پريود طبيعي ارتعاش پاييني خواهند داشت ، مي باشد. همچنين به دليل اينکه اغلب سيستم هاي جداکننده تحت کشش عملکرد خوبي ندارند روش نصب بايد به گونه اي باشد که در صورت ايجاد کشش ، اين کشش وارد تکيه گاه نشود که اين مشکل با دقت در جزئيات اتصال قابل برطرف شدن مي باشد. در بسياري از موارد از جمله ساختمان هاي قديمي به دليل ظرفيت بسيارکم روسازه ، روش جداسازي پايه به تنهايي جوابگوي نيازهاي لرزه اي سازه نبوده و بايد تقويت روسازه نيز حتما مورد توجه قرار گيرد.
مطلب دوم جهت بررسي امکان جداسازي يک سازه ، شرايط خاک وزمين شناسي منطقه موردنظر مي باشد. عموما هرچه خاک سخت تر باشد جداسازي پايه موثرتر خواهد بود. اگر خاک زير سازه خيلي نرم باشد ممکن است امواج با فرکانس بالا حذف شوند و خاک حرکاتي با پريود زياد ايجاد نمايد. حال طولاني کردن پريود يک سازه سخت بر روي چنين خاکي به جاي کاهش حرکات زمين مي تواند موجب تشديد آن نيز گردد.
مطلب سوم در بررسي کاربرد جدا سازها، محدوديت هاي اعمال شده از طرف ساختمان هاي مجاور و همچنين بررسي امکان حفر خندق و نصب ايزولاتورها در اطراف ساختمان مي باشد. اساس مفهوم جداسازي لرزه اي نياز به مبادله اي بين نيروهاي کاهش يافته و جابجايي هاي افزايش يافته دارد. براساس نوع جداساز و طراحي صورت گرفته معمولا در سيستم هاي جداکننده عملي، بايد فضاي مناسبي براي جابجايي هاي پايه درنظر گرفت .
علاوه بر اين اگر عمل نصب ايزولاتورها از خارج ساختمان صورت مي گيرد بايد فضاي مربوط به حفر خندق و عمليات پايدارسازي ديوارهاي آن را نيز مد نظر داشت .
٨. مزاياي روش جداسازي پايه در رابطه با مقاوم سازي آثار تاريخي
يکي از ويژگي هاي منحصر به فرد هر بنا که مي تواند آنرا در زمره آثار شاخص قرار دهد سبک به کار رفته در معماري آن مي باشد، لذا در مرمت وبهسازي يک اثر باارزش بايد تلاش گردد که حداقل تغييرات در کيفيت و کميت آن بنا ايجاد گردد. با اين وجود اکثر روش هاي سنتي مقاوم سازي مستلزم شکافتن ديوارها، اضافه کردن المانهاي الحاقي و تفکيک فضاهاي داخلي و .... مي باشند که در مقايسه ي روش جداسازي پايه اي با اينگونه روش ها، جداسازي پايه مداخله کمتري درمعماري بنا خواهد داشت . همچنين چون سيستم جداسازي از انتقال يافتن ميزان زيادي از نيروها و جا به جاييهاي به وجود آمده در اثر زلزله ، به سازه جلوگيري مي کند لذا نياز لرزه اي روسازه به طور چشمگيري کاهش پيدا خواهد کرد.
از طرف ديگر امروزه در بسياري ازموارد از بناهاي قديمي به عنوان موزه نيز استفاده مي شود و اين در حالي است که به دليل وزن زياد اين ساختمان ها، شتاب به وجود آمده در بنا به هنگام زلزله زياد مي باشد که اين مسئله بيشترين تاثير را در تخريب تجهيزات و اشياء داخل ساختمان خواهد داشت ، لذا جداسازي لرزه اي با کاهش قابل ملاحظه در شتاب کف ها، امکان محافظت بيشتر و عايق بندي لرزه اي کمتر کلکسيون هاي داخل بنا را مي تواند به نحوه موثري فراهم آورد.
