بخشی از مقاله
تغییر کاربری ساختمانها و بررسی پارامترهای اقتصادی دخیل در خصوص بهسازی یا
جایگزینی آنها
-1 مقدمه
ایران از نقاط لرزهخیز جهان است که هرچند سال یکبار گوشه و کنار آن در معرض لرزشهای شدید زمین قرار میگیرد .[1] اصولاً احداث پروژههای مختلف عمرانی، صنعتی، شهرکسازی و تاسیسات شهری از چنان اهمیتی برخوردار است که اجرای اینگونه طرحها، بدون در نظر گرفتن پژوهشهای لرزهشناسی برای تعییین پارامترهای طراحی مقاوم در برابر زمینلرزه قابل توجیه نمیباشد. از سوی دیگر، شرایط طبیعی ایران و نحوه احداث بناهای کشور ایجاب می کندکه مسئله مصون سازی جامعه از هر لحاظ در مقابل آثار زلزله به طور جدی در دستور کار قرار گیرد. نابودی سرمایه های ملی و انسانی بر اثر زلزله های مخرب لزوم توجه به مقاوم سازی (یا به عبارتی بهسازی) سازه های موجود در برابر زلزله را اجتناب ناپذیر نموده است. بسیاری از ساختمانهای اسکلت فلزی در ایران به علت نامناسب بودن مصالح، کیفیت پایین جوشهای کارگاهی، نداشتن سیستم باربر جانبی مناسب و اجرای نادرست، مقاومت کافی در برابر تکانهای شدید زلزله را ندارند [2] به همین دلیل خطر بروز خسارت مالی و جانی بسیار زیاد است. این در حاالی است که با برنامه ریزی دقیق و کار مهندسی خوب می توان عملکرد ساختمانهای معمولی در مقابل زلزله را به مقدار قابل توجهی بهبود بخشید و این کار با بهسازی و مقاوم سازی ساختمانها امکانپذیر است.
شمار زیادی از سازه های موجود که در مناطق زلزله خیز واقع شده اند، بر اساس آئین نامه های طراحی لرزه ای قدیمی که دیگر اعتباری ندارند، طراحی گردیده اند. علاوه بر این تعدادی از زلزله های اصلی که در طول سالهای اخیر اتفاق افتاده اند، بر اهمیت بهسازی برای کاهش خطر لرزه ای تاکید دارند. مقاوم سازی لرزه ای سازه های موجود یکی از موثرترین روشها برای کاهش خطرات
و جبران نقصان مقاومت ناشی از ضعفهای موجود می باشد. در سالهای اخیر مطالعات گسترده ای در رابطه با راهکارهای مختلف ترمیم
و تقویت سازه های فولادی برای بهبود عملکرد لرزه ای آنها صورت گرفته و مجموع این مطالعات نشان می دهد که با انتخاب روش مناسب بهسازی می توان تا حد زیادی عملکرد لرزه ای ساختمانهای ضعیف موجود را بهبود بخشید. شمار زیادی از راهکارهای موجود مقاوم سازی روند پیچیده ای داشته و تحت تاثیر توام فناوری، شرایط اقتصادی و اجتماعی قرار دارد. مسئله ای که درخصوص مقاوم
1
سازی سازه ها از اهمیت بسزایی برخوردار است، مسئله هزینه های اقتصادی پیش روی یک پروژه می باشد که تصمیم گیری نهایی درخصوص بهسازی یا نوسازی یک سازه را مشخص می سازد .[2]
در این مقاله با مدلسازی تعدادی از سازه های موجود با درجه اهمیت مختلف در بافتهای فرسوده و قدیمی، ابتدا نقاط ضعف این سازه ها شناسایی و مناسبترین روش مقاوم سازی برای آنها اتخاذ گردیده است. سپس به ارزیابی و مقایسه هزینه های مقاوم سازی و نوسازی آنها پرداخته شده و سپس تلاش شده تا با ارائه الگویی به ارزیابی اقتصادی نوسازی و مقاوم سازی پروژه های طراحی شده براساس معیار نسبت منافع به مخارج جهت برآوردهای اقتصادی ساخت سازه های فولادی پرداخته شود و در نهایت، جمع بندی و نتیجه گیری از نتایج تحلیل و طراحی ساختمان ها و مقایسه های انجام شده از نظر اقتصادی ارائه گردد.
-2 ملاحظات مقاوم سازی سازه ها
به طور کلی ملاحظاتی که در انتخاب روش مقاوم سازی تاثیر گذارند، عبارتند از:
· ملاحظات هزینه: هزینه یکی از ملاحظات بسیار مهم است و اغلب ممکن است تنها پارامتر موثر در انتخاب روش مقاوم سازی باشد. هزینه های بررسی روی روشهای مقاوم سازی و هزینه های اجرایی این روشها باید به طور دقیق مورد ارزیابی قرار گیرند.
· ملاحظات کارآیی: بیشتر ساختمانها برای یک یا چند منظور (کارآیی) بکار میروند. ازینرو شرط کارآیی برای استفاده بیشتر و بهتر از ساختمان در پلان و طرح اصلاحات سازه ای برای یک ساختمان موجود ضروری است. باید دقت شود که اصلاحات بطور جدی در کارآیی ساختمان آسیب وارد نکند.
· ملاحظات زیبایی یا ظاهری طرح: ممکن است در بعضی موارد، حفظ زیبایی موجود ارتباط مهمی در انتخاب یک روش مقاوم سازی داشته باشد. برای مثال ساختمانهای تاریخی روشهای مقاوم سازی ویژهای نیاز دارند تا شکلهای سازهای و غیر سازه-ای تاریخی را حفظ نمایند. ساختمانهای دیگر شاید نماهای با اهمیت معماری داشته باشند که نیاز به محافظت دارند. هزینه ها باید برای انجام روش مورد نظر به شکل مناسبی انجام شود و صاحب ساختمان میتواند یک تصمیم آگاهانه با توجه به حفظ زیبایی ساختمان بگیرد .[3]
· حوزه زلزله: مقاوم سازی لرزه ای برای ساختمانهای قدیمی که قبل از تنظیم آیین نامههای لرزه ای یا بدون مقررات جدی ساخته شدهاند لازم میباشد. به هرحال این ساختمانها در خلال این مدت تحت بارهای قائم و نیروهای باد و زلزله آزمایش شده-اند. بدیهی است که این ساختمانهای موجود قدیمی اگر در مناطق لرزه ای پائین، در مقایسه با ساختمانهای مشابه در مناطق لرزه ای بالاتر واقع شوند، به مقدار کم و یا به عبارتی هیچ نیازی به مقاوم سازی ندارند. این ساختمانهای موجود در مناطق لرزهای پایین که نقصهایی دارند ( برای تحمل نیروی جانبی) باید تقویت شوند .[4]
· تاریخ احداث بنا: تاریخ احداث ساختمان نشان دهنده تکنیکهای ساختمان سازی آن روز و عمر مصالح بکار گرفته شده می-باشد .[5]
2
-3 اقدامات متداول تعمیر و تقویت سازه ها عبارتند از [6]
به طور کلی مقاوم سازی ساختمانها براساس دو روش کلی (1) افزایش مقاومت سازه و (2) افزایش شکل پذیری آن انجام پذیر است. در روش اول با نصب و اجرای دیوارهای برشی و یا مهاربندی ها مقاومت سازه افزایش می یابد، لیکن در روش دوم با پیش بینی تکنیک های جدید از شکست سربع المانهای اصلی ساختمان تحت بارگذاری زلزله جلوگیری می شود. علاوه بر این از جمله اقدامات متداول تعمیر و تقویت سازه ها می توان به موارد زیر اشاره نمود:
-1 خارج نمودن اعضای خسارت دیده و جایگزینی آن توسط اعضای جدید، -2 ضخیم نمودن و بزرگ سازی و مقاوم نمودن اعضاء، -3 اضافه نمودن المانهای مقاوم از جمله مهاربندهای برون محوری فولادی، دیوار برشی و یا ستونهای جدید به سازه، -4 تبدیل اتصالات مفصلی به اتصالات خمشی و پاسخگویی به اثرات فزاینده آن بر روی اعضای فشاری، -5 کاهش جرم بوسیله حذف طبقات فوقانی، -6 بررسی خصوصیات دینامیکی سازه تقویت شده
-4 تحلیل و طراحی ساختمانهای مورد مطالعه و مقاوم سازی آنها
در این بخش به مدلسازی 6 ساختمان فلزی که از قبل وجود داشته و بنا به دلایلی دچار ضعف سازه ای بوده و نیاز به تقویت و بهسازی دارند، پرداخته شده است. این ساختمان ها با درجه اهمیت متفاوت (متوسط، زیاد و خیلی زیاد) در نقاط مختلف با پهنه بندی متفاوت خطر زلزله انتخاب شده اند. این سازه ها که در بافت فرسوده شهری قرار دارند، به دلیل عدم رعایت نکات آیین نامه ای جدید و همچنین به علت تغییر کاربری و تغییرات ضوابط (افزایش ضریب برش پایه، افزایش بارهای زنده و ...) از ثبات لرزه ای کافی برخوردار نبوده و پس از مدلسازی آنها مشخص گردید که هر کدام از این سازه ها دارای ضعف های مختلفی در اعضای سازه ای خود می باشند. در مرحله بعد با شناسایی دقیق اعضای ضعیف (ستون، تیر، بادبند و...) ساختمانها، مناسبترین و اقتصادیترین روش جهت مقاوم سازی آنها انتخاب شده و پس از مقاوم سازی، کلیه کنترل های آیین نامه ای بر روی آنها مورد بررسی قرار گرفته است تا سازه هیچگونه نقصی نداشته باشد. در ادامه پس از انجام تحلیل و طراحی های انجام شده، به صورت جداگانه هزینه تخریب و مقاوم سازی قسمتهای ضعیف سازه انجام شده و هزینه نهایی این فرآیند با در نظر گرفتن زمان تاخیر مربوط به مقاوم سازی و اعمال ضرایب مربوطه طبق فهرست بها ارزیابی شده است. همچنین هزینه نوسازی هر کدام از ساختمانها به صورت شروع مجدد ساخت سازه از خاکبرداری تا اتمام نهایی سازه محاسبه گردیده و در انتها برای هر سازه فولادی مقایسه اقتصادی بر اساس هزینه های مصرفی و زمان مقاوم سازی و نوسازی صورت گرفته است. کلیه محاسبات با استفاده از نرم افزار ETABS و با استفاده از تحلیل طیفی استاتیکی و براساس استاندارد 2800 انجام شده و به علت حجم و تعداد زیاد محاسبات و تصاویر مربوط به 6 ساختمان، تنها نتایج جزئی مدلسازی ها ارائه شده است.
-1-4 سازه های فولادی 3 طبقه
ساختمانهای 3 طبقه فولادی مورد بررسی در این تحقیق براساس ساختمانهای واقعی موجود در دو منطقه با خطر لرزه خیزی زیاد و خیلی زیاد و خاک نوع II در نظر گرفته شده و طراحی شده اند. اطلاعات مربوط به مشخصات هر ساختمان شامل نوع کاربری،
3
نوع سیستم سازه ای و ... و اطلاعات طراحی آنها در جداول (1) و (2) ارائه شده است. سیستم باربرثقلی تمام ساختمانها سقف تیرچه فولادی جان باز با بلوک سفالی (کرومیت) می باشد. در جدول (1) ضعف سازه ای مربوط به هر یک از ساختمانهای 3 طبقه مذکور به طور دقیق بیان گردیده و علاوه بر این در شکل (1) نمای سه بعدی این ساختمانها بعد از تحلیل و طراحی و کنترل دریفت سازه ای در آنها نشان داده شده است. همانگونه که در این شکل مشاهده می شود قسمتهای ضعیف مربوط به هر سازه به رنگ قرمز نشان داده شده است. طبق شکل مقدار دریفت در این ساختمانها از حد مجاز تجاوز کرده و این موضوع نشان از ضعیف بودن سازه ها و سیستم باربر جانبی آنها در مقابل زلزله دارد؛ از اینرو نیاز است مقاطع تیر و ستون و بادبندهایی که ضعیف تشخیص داده می شوند جایگزین و مقاوم تر گردند. لازم به ذکر است که با تقسیم اختلاف مرکز جرم و مرکز سختی بر بعد ساختمان در آن جهت، درصد خروج از مرکزیت در سازه ها چک شده و میزان پیچش در طبقات مختلف این سازه ها مورد سنجش قرار گرفته است و با توجه به کمتر بودن مقدار آن از 5 درصد در هر دو جهت، نیازی به کنترل پیچش در این سازه ها نبوده است.
در ساختمان 3 طبقه شماره 1 با تشخیص قسمتهای ضعیف سازه ای در نهایت تصمیم به مقاوم سازی آن با تقویت ستونها گرفته شده است و حدود 35 درصد ستونها و تعدادی از تیرها با ورقهای تقویتی، مقاوم گردیده اند.
در ساختمان 3 طبقه شماره ،2با توجه به اینکه این سازه قبلاً کاربری مسکونی داشته و سپس با تغییر کاربری به عنوان مرکز آموزشی-فرهنگی موردستفاده قرار گرفته است، اما این تغییر کاربری و افزایش ضریب اهمیت سازه در آن اعمال نشده، نتیجتاً با اعمال ضوابط براساس آیین نامه، سیستم این سازه ضعیف تشخیص داده شد و با توجه به مفصلی بودن اتصالات و بادبندی بودن سیستم باربر جانبی آن، عمده تقویتها در این ساختمان مربوط به تیرها بوده است. به منظور مقاوم سازی سازه مذکور و به دلیل ضعیف بودن بسیاری از تیرها در آن، تصمیم به مقاوم سازی سازه با تقویت تیرها گرفته شد و بر این اساس حدود 25 درصد از تیرها و تعدادی از بادبندها تقویت شده و پس از اجرای مقاوم سازی مقدار دریفت آن برای مقاومت در برابر زلزله کمتر از حد مجاز تشخیص داده شد.
در ساختمان 3 طبقه شماره ،3با توجه به اینکه سازه قبلاً دارای کاربری مسکونی بوده و سپس با تغییر کاربری به عنوان مرکز خدمات درمانی مشغول به فعالیت بوده است، لذا این تغییر کاربری و افزایش ضریب اهمیت سازه در آن اعمال نشده و سیستم باربر جانبی این سازه در مقابل زلزله دارای مقاومت کافی نمی باشد. علاوه بر این در این سازه عمده تقویتها مربوط به بادبندها تشخیص داده شده و به همین منظور این سازه در دو جهتی که بادبندها قرار داشتند، حدود 40 درصد از بادبندها تعویض و تقویت گردیده و همچنین تعدادی از ستونهای متصل به بادبندها نیز در طبقه اول با ورقهای تقویتی مهار شده اند.
-2-4 سازه های فولادی 7 طبقه
ساختمانهای 7 طبقه فولادی مورد بررسی در این تحقیق براساس ساختمانهای واقعی موجود در سه منطقه با خطر لرزه خیزی و نوع خاک متفاوت طراحی شده اند. همچون ساختمانهای سه طبقه، اطلاعات اولیه و طراحی این ساختمانها در جداول (3) و (4) ارائه شده است.
در سازه 7 طبقه شماره 1، بار ثقلی سازه بر روی تیرهای حمال در جهت x قرار گرفته و سیستم قاب خمشی در جهت دیگر قرار دارد. ارتفاع خالص طبقات و همکف برابر 2,9m در نظر گرفته شده است. سازه 7 طبقه شماره 2، از اضلاع غربی، شرقی و شمالی به همسایه محدود بوده و در ضلع شمالی دارای نورگیر 12m می باشد. ارتفاع کف تا کف طبقات فوفانی این ساختمان برابر 3,2m،
4
ارتفاع پارکینگ 2,5m و زیرزمین آن برابر 2,8m می باشد. در ساختمان 7 طبقه شماره 3، ارتفاع طبقات 3m و همکف برابر 2,7m می باشد. دیوارهای پیرامونی این ساختمانها از نوع دو جداره به ضخامت 23cm به همراه سنگ نما و یا اندود سیمان در یک طرف و اندود گچ و خاک در طرف دیگر می باشد. سقف طبقات مختلف این ساختمانها از نوع تیرچه بلوک و به ضخامت 30cm انتخاب شده است. در جدول (3) ضعف سازه ای مربوط به هر یک از این ساختمانها ارائه شده و بعلاوه در شکل (2) قسمتهای ضعیف مربوط به هر سازه با رنگ قرمز نشان داده شده است.
در ساختمان 7 طبقه شماره 1 به علت ضعیف بودن تعدادی از بادبندها و تیرها، سازه از مقاومت کافی برخوردار نبوده و پس از بررسی های انجام شده، تصمیم به مقاوم سازی آن با تقویت بادبنها و تیرها گرفته شد. برای این منظور ظرفیت خمشی ناکافی تیر یا ستون در قابهای لنگرگیر، با افزودن صفحات پوششی یا مقاطع فولادی دیگر به بالها تقویت گردید. برای کاهش تغییر مکان جانبی نیز با افزایش ظرفیت و سختی قاب لنگرگیر موجود با صفحات پوششی جعبه ای استفاده شد. ظرفیت فشاری ناقص مهارها نیز با افزایش ظرفیت آنها از طریق افزودن اعضاء جدید (افزایش مساحت و کاهش شعاع ژیراسیون مهارها) تامین گردید. در آخر ظرفیت نامناسب بارهای محوری ستونها نیز یا تیرهای سیستم مهاربندی و با افزایش صفحات پوششی به بالهای عضو تامین شده است.
در ساختمان 7 طبقه شماره 2 به علت ضعیف بودن تعدادی از بادبندها، تیرها و ستونها، سازه در برابر بارهای جانبی از مقاومت کافی برخوردار نبوده و پس از بررسی های انجام شده تصمیم به مقاوم سازی آن با استفاده از تقویت بادبنها، تیرها و ستونها گرفته شد. به همین منظور، ظرفیتهای خمشی ناکافی تیرها یا ستون و قابهای لنگرگیر بوسیله افزودن صفحات پوششی یا مقاطع فولادی دیگر به بالها تقویت شده و برای کاهش تغییر مکان جانبی نیز از افزایش ظرفیت و سختی قاب لنگرگیر موجود با صفحات پوششی جعبه ای استفاده شده است.
در ساختمان 7 طبقه شماره 3 به علت ضعف تیرها و ستونها و پس از بررسی های انجام شده، تصمیم به مقاوم سازی سازه با تقویت تیرها و ستونها در آن گرفته شد. در این ساختمان نیز به منظور مقاوم سازی از راهکارهای ارائه شده در دو ساختمان قبلی بهره گرفته شد.
ارزیابی و مقایسه هزینه های مقاوم سازی و نوسازی ساختمانهای فولادی مورد مطالعه
با توجه به هدف اساسی این پژوهش که بررسی و ارزیابی اقتصادی بین دو روش مقاوم سازی و نوسازی سازه های فولادی موجود با ضعف لرزه ای (طبق استاندارد (2800 می باشد، پس از طراحی و ارائه راهکار مقام سازی تعدادی سازه فولادی 3 و 7 طبقه، در این قسمت به مقایسه اقتصادی این دو راهکار پرداخته شده است. به همین منظور ابتدا متره و برآورد یا به اصطلاح هزینه تخریب و مقاوم سازی سازه اولیه (ضعیف) صورت گرفته و با توجه به اینکه مقاطعی از سقف و دیوارها به علت مقاوم سازی تخریب شده و مجددا بازسازی می شوند، میزان هزینه های مقاوم سازی بر اساس جداول متره برای هر ساختمان ارائه شده است. در مرحله بعد متره و برآورد همان سازه با فرض نوسازی آن صورت پذیرفته است. نتایج مقایسه های اقتصادی دو روش مذکور در ساختمانهای مختلف به صورت نسبت درصدی در جدول (5) ارائه شده است. لازم به ذکر است که به علت نوسان و تغییرات بهای اقلام در فهرست بهای سال جدید، از فهرست بهای دو سال پیش استفاده شده است.
