بخشی از مقاله
بررسی تاثیر فرم معماری بر نحوه آسیب پذیری سازه ای
چکیده :
در این مقاله، چگونگی تاثیر خصوصیات معماری بر رفتار ساختمان در برابر زلزله بیان گردیده است. با توجه به اهمیت ارتباط خصوصیات معماری با سیستم سازه ای در ایفای عملکرد لرزه ای مطلوب ساختمان تعیین رابطه ای بین نوع پیکره بندی (در پلان و ارتفاع سازه) و میزان آسیب احتمالی می تواند نقش عمده ای در انتخاب طرح معماری و سیستم سازه ای سازگار با آن ایفا نماید. با توجه به مطالعه انجام گرفته بر روی آسیب پذیری ساختمان ها با فرم های متفاوت در پلان و ارتفاع و با لحاظ کردن نوع و محل خرابی ها مشخص می شود که هرچه پیکره بندی سازه، ساده تر و متقارن تر باشد در اثر زلزله عملکرد مطلوب تری داشته و در نتیجه آسیب پذیری کمتری خواهد داشت. از طرفی گوشه های تورفته در پلان و همچنین تغییرات ناگهانی سختی در ارتفاع، موجب افزایش رده آسیب پذیری ساختمان می گردند. عواملی از قبیل قرار گرفتن ساختمان در یک سطح شیب دار، محدود شدن ستون و یا دیوار با عناصر غیر سازه ای نظیر دیوارهای آجری و بازشوها و یا اختلاف سختی در یک تراز معین (به علت وجود عواملی نظیر اختلاف تراز طبقه، پله و تیر نیم طبقه) باعث ایجاد پدیده ستون کوتاه می گردند.
ستون کوتاه به علت سختی بیشتر، نیروی زلزله بیشتری جذب نموده و در نتیجه رعایت جزییات اجرایی مناسب جهت مقابله با این نیروی بزرگ ضروری می گردد. ترفند های معماری و سازه ای در نحوه چیدمان عناصر سازه ای و غیر سازه ای می تواند در جلوگیری از وقوع پیچشی و یا به حداقل رساندن آن موثر باشد.
مقدمه
رفتار ساختمان در طول زلزله ها به طور عمده به شکل، اندازه و فرم کلی، همچنین نحوه انتقال نیروهای لرزه ای به زمین بستگی دارد. در مرحله طرح، مهندسین معمار و سازه برای اطمینان از اینکهاز عملکرد نامطلوب اجتناب گردیده و یک پیکره بندی مناسب برای ساختمان انتخاب گردد، باید همکاری تنگاتنگی داشته باشند. به طورکلی، زلزله یک آزمایشگاه مناسب برای آزمایش کردن تئوریها و مفاهیم به منظور طراحی ساختمانها و سیستم های حیاتی از چوب، فولاد، بتن، مصالح بنایی و سایر مصالح می باشد. زلزله های گذشته نشان داده اند که الگوهای خرابی و مدهای شکست، بارها و بارها تکرار شده اند؛ عدم لحاظ کردن رزونانس خاک و سازه، قرارگیری در خاک های ناپایدار و یا روانگرا، ناچیز در نظر گرفتن تغییر مکان های جانبی یا پیچشی، عدم لحاظ کردن منظم بودن و متقارن بودن ساختمان در ارتفاع و پلان طبقه و نیز پیوستگی افقی و قائم جرم به همراه مقاومت و سختی، ضربه زدن ساختمان های مجاور، طراحی چیدمان عناصر غیر سازه ای و کیفیت ساخت علل اصلی ایجاد خرابی ها هستند.
اهمیت فرم معماری
انتخاب شکل و فرم مناسب ساختمان در پلان و ارتفاع می تواند تاثیر بسیار زیادی در بهبود رفتار سازه در زلزله داشته و از آسیب های وارده بکاهد. تمایل به خلق یک سازه مناسب از لحاظ زیبایی و عملکردی، معماران را به سمت طراحی سازه های جالب و مبتکرانه هدایت می کند. بعضی اوقات شکل ساختمان توجه بازدید کننده را جلب می کند و در بعضی مواقع سیستم سازه ای جلب توجه می نماید و در بعضی موارد هر دو - هم فرم و هم سیستم سازه ای در تحسین بر انگیز بودن ساختمان نقش دارند. با این وجود، هر کدام از موارد فوق در عملکرد سازه ای نقش مهمی ایفا می نمایند. بیشتر خسارات سازه ای مشاهده شده در طی زلزله های گذشته در تعیین پیکره بندی های سازه ای مطلوب بسیار مؤثر است.
۱- بی نظمی
در حالت کلی سازه ها به لحاظ فرم به دو دسته سازه های منظم و سازه های نامنظم طبقه بندی می شوند. معمولا اعمال بی نظمی در سازه ها به دلیل نیاز به زیبایی و تنوع، ملزومات معماری - سازه ای و نوع کاربری می باشد. پیامدهای وجود چنین بی نظمی هایی در سازه میتواند باعث پیچیدگی در رفتار سازه ای، تاثیر مضاعف مدهای بالاتر، تمرکز تنش در اعضای باربر اصلی، پیچش و بروز پدیده هایی چون ستون کوتاه، طبقه نرم و طبقه ضعیف شود.
۲- نسبت اندازه ساختمان ها در ساختمان های بلند با نسبت ارتفاع به بعد زیاد (شکل ۱- الف)، طبقات در طول لرزه های زمین دارای حرکت افقی زیادی خواهند بود. در ساختمان های کوتاه و طویل (شکل ۱- ب) خسارت در طول زلزله زیاد می باشد و در ساختمان های دارای پلان وسیع مانند انبارها (شکل ۱- ج) ممکن است نیروهای لرزه ای از حد تحمل ستونها و دیوارها تجاوز نمایند.
۳- طرح افقی ساختمان ها ساختمان های دارای هندسه ساده در پلان ( شکل ۲- الف) طی زلزله های قوی عموما عملکرد مناسبی داشته اند. به طورکلی نامنظمی در پلان به علت گوشه های تو رفته مانند پلان هایی به شکل u، v و + ( شکل ۲- ب)، عدم پیوستگی در دیافراگم، توزیع ناهمگون جرم و نیرو در پلان و تغییرات در مقاومت و سختی باعث خسارات قابل توجهی در سازه ها می گردد. در برخی مواقع، با تغییر نسبتا نا محسوسی در فرم ساختمان می توان از اثرات نامناسب چنین نامنظمی هایی دوری نمود. به عنوان نمونه می توان ساختمان های دارای گوشه های تورفته در پلان را با جدا کردن ساختمان به دو بخش منظم، مجزا نمود؛ مثلا، یک پلان L شکل می تواند ( با استفاده از درز در محل اتصال ) به دو بخش منظم مستطیل شکل بدون تغییر قابل ملاحظه ای در فرم کلی ساختمان، تبدیل گردد ( شکل ۲- ج ). حتی در یک ساختمان با پلان ساده نیز چنانچه ستونها و دیوارها در پلان به طرز مناسبی توزیع نشده باشند، در طول زلزله پیچش رخ می دهد.
۴- طرح قائم ساختمان ها نیروهای لرزه ای در تراز طبقات مختلف ساختمان باید در کوتاهترین مسیر به زمین منتقل گردد. هرگونه انحراف یا ناپیوستگی در مسیر انتقال نیرو باعث عملکرد ضعیف سازه می گردد. ساختمان ها با پس نشستگی های قائم ( مثل هتل هایی که طبقات آنها نسبت به طبقه همکف کمی وسیع تر می باشند) باعث بوجود آمدن یک جهش ناگهانی نیروهای لرزه ای در تراز ناپیوستگی می شود ( شکل ۳- الف). در ساختمان هایی که در یک طبقه خاص دارای ستونها و دیوارهای کمتر و یا دارای طبقه بلند نامعمولی هستند (شکل ۳- ب) خرابی جزئی یا کلی از همان طبقه مزبور شروع می گردد. بسیاری از ساختمان هایی که در طبقه همکف دارای بازشو هستند ( به عنوان مثال پارکینگ ها) در اثر زلزله های مختلف به شدت دچار خرابی شده اند. ساختمان هایی که بر روی زمین های شیبدار بنا می گردند در طول شیب، دارای ستونهایی با ارتفاع نابرابر می گردند که باعث بروز پدیده های نامطلوبی مانند پیچش و ستون کوتاه می گردد ( شکل ۳- ج ). ساختمان هایی که ستونهای آنها تا فونداسیون ادامه نمی یابند دارای ناپیوستگی در مسیر انتقال بار می باشند. ( شکل ۳-د) در ساختمان هایی که دیوار برشی آنها تا فونداسیون ادامه پیدا نکرده و در ترازهای بالایی قطع شده اند در طی زلزله دارای استعداد خرابی زیادی می باشند ( شکل ۳- ه). در ساختمان هایی که از دو سیستم سازه ای متفاوت در ارتفاع به منظور مقابله با بارهای جانبی (سازههای ترکیبی) استفاده شده است، وجود عناصر باربر به صورت ترکیبی از بتن و فولاد در ارتفاع، باعث نامنظمی می گردد.
۵- تاثیر مجاورت ساختمان ها زمانی که دو ساختمان بسیار نزدیک به یکدیگر هستند، در طی لرزه های قوی به یکدیگر ضربه وارد می کنند. با افزایش ارتفاع ساختمان، این برخورد مشکل بزرگتر و حاد تری ایجاد می کند. زمانیکه طبقات دو ساختمان در یک تراز نیستند ( شکل ۴) بام ساختمان کوتاه تر به ستون ساختمان بلند تر در آن تراز ضربه وارد می نماید که این پدیده، بسیار خطرناک است.
آسیب پذیری ساختمانهای نامنظم
در جداول ۱ و ۲ ساختمانهای نامنظم در پلان و ارتفاع بر حسب نوع و میزان خسارت بوجود آمده در آنها با توجه به نوع نامنظمی و رده آسیب پذیری آنها مورد طبقه بندی قرار گرفته اند. سازه ای که دارای کمترین آسیب پذیری است با رده ۱ و سازه با بیشترین آسیب پذیری با رده ۱۰ ارزش گذاری شده اند.
