مقاله مروری بر روش های بهسازی و مقاوم سازی ساختمانهای بلند

بخشی از مقاله

مروری بر روش های بهسازی و مقاوم سازی ساختمانهای بلند
چکیده موج احداث ساختمانهای بلند مرتبه در دنیا، در ابتدای قرن نوزدهم میلادی آغاز گردید و این روند امروزه با شتاب بیشتری ادامه دارد. با توجه به آخرین پیشرفت های حاصل شده در تحلیل، طراحی و ساخت این سازه ها ، بسیاری از ساختمانهای بلند احداث شده در دهه های گذشته نیازمند بازنگری مجدد در سیستم لرزهای خود می باشند. دلایلی از قبیل تغییر کاربری، افزایش طبقات و ... از جمله عوامل مقاوم سازی ساختمان های جدید به حساب می آیند. بررسی روشهای مقاوم سازی ساختمانهای بلند در راستای ارتقای سطح عملکرد لرزه ای آنها در این مقاله به عنوان هدف مطرح می باشد. بدین منظور به معرفی روشهای مختلف مقاوم سازی ساختمانهای بلند همراه با ذکر نمونه های انجام شده در دنیا پرداخته شده و در انتها چشم اندازی از مقاوم - سازی آنها در ایران، و لزوم توجه بیشتر به این مهم در ساختمان های مسکونی و تجاری پرداخته می گردد.
واژه های کلیدی : ساختمان بلند، مقاوم سازی، بهسازی، سطوح عملکرد

1- مقدمه
حس رسیدن به برتری و ابراز قدرت، از ابتدا توجه انسان را به ساخت بناهای بلند معطوف کرده بود. این بناهای ساخته شده در گذشته، به عنوان مظهری از قدرت و عظمت تمدنها شناخته می شدند. در قرن حاضر با گسترش شهرنشینی و بوجود آمدن مسائلی از قبیل افزایش جمعیت، نیاز به اسکان در شهرها ، تقاضای بیش از حد مردم برای سکونت یا کار در محلی خاص، جلوگیری از گسترش افقی شهرها و ...، ساختمانهای بلند را به عنوان یکی از مولفه های جدایی ناپذیر توسعه شهرهای بزرگ، مطرح نموده است. در طی مراحل زمانی با پیشرفتهای حاصل شده در تکنولوژی ساخت و ساز و مواد در دسترس، کارایی و بازدهی سازه های بلند رو به تکامل می باشد. پیشرفت هایی که نقطه آغازین آن را می توان به دو عامل مهم اختراع آسانسور و دستیابی به تکنولوژی ساخت مواد با مقاومت و کارایی بالا وابسته نمود[1]. امروزه تاثیر عواملی از قبیل توسعه صنعت توریسم، تبلیغات تجاری،
اهداف اقتصادی و زورآزمایی های سیاسی در احداث ساختمان های بلند به حدی رسیده است که بعضی شهرها صرفا به واسطه داشتن یک یا چند ساختمان بلند مشهور می شوند. ساختمانهای معروفی همچون برج های دوقلوی پتروناس در کوالالامپور مالزی ،برج سیرز در شیکاگو ، برج تایپه 101 در تایوان وبرج الخلیفه دوبی در امارات متحده عربی ، از همین دسته سازه ها می باشند.
2- تاریخچه احداث ساختمانهای بلند در دنیا و ایران
در سال 1883 میلادی ساختمان 11 طبقه بیمه به عنوان اولین سازه بلند فلزی در شیکاگو آمریکا احداث شد. پس از دو سال فرم قاب های مهار بندی شده بوجود آمد و با ادامه این روند در سال 1931 با اجرای ساختمان 102 طبقه (381 متری ) امپایر استیت " دوران طلایی آسمان خراش سازی به اوج خود رسید. با پایان جنگ جنگ جهانی دوم متخصصين بجای افزایش بیشتر ارتفاع سازه ها به تلاش در معرفی سیستم های جدید سازه ای، مواد با کیفیت و کارایی بهتر و روشهای ساخت و طراحی پیشرفته پرداختند. تا اینکه در سال 1973 با استفاده از سیستم سازه ای قاب های محیطی ، برج های دوقلوی 110 طبقه تجارت جهانی نیویورک با ارتفاع 412 متر و پس از آن در سال 1974 عملیات اجرایی برج سیرز شیکاگو به ارتفاع 442 متر با استفاده از سیستم سازه ای قاب های محیطی دسته شده به پایان رسید و رکورد ساختمان امپایر استیت شکسته شد[2]. پس از آن به تدریج ، سیستم های سازه ای جدید و متفاوت برای ساختمانهای بلند معرفی و بکار گرفته شد که نتیجه آن، امروزه به ساخت آسمان خراش هایی همچون برج دو قلوی پتروناس به ارتفاع 452 متر (1998) ، برج تایپه 101 به ارتفاع 508 متر (2004) و برج خلیفه دوبی به ارتفاع 835 متر که در سال 2010 تکمیل شد ، منجر گردید.
در ایران نیز سال 1328 شمسی (1950 میلادی) را می توان آغاز حرکت به سمت بلند مرتبه سازی دانست. ساخت اولین ساختمان بلند ایران در شهر تهران در حالی تحقق پیدا نمود که به لحاظ شرایط محیطی شهر تهران، لزوم چنین بناهایی حتی تا دهه ها پس از تاریخ مذکور احساس نمی شد. در این سال اولین ساختمان دو طبقه که در آن آسانسوری نیز تعبیه گردیده بود، احداث شد. ساختمان مذکور دارای اسکلت فلزی و سقف بتن آرمه می باشد که اتصالات اسکلت آن توسط بتن تقویت صورت گرفته بود. پس از گذشت یک دهه در سالهای اولیه دهه چهل ساخت بناهای بلند در تهران اوج گرفت . ساخت این بناها با احداث ساختمان 16 طبقه پلاسکو ( 1341 ه ش ) و ساختمان 13 طبقه آلومینیوم ( 1343 ه ش ) با کاربری تجاری شروع شد و سپس این حرکت با احداث ساختمان شرکت ملی نفت ایران ، بانک کار و ... ادامه یافت. از دیگر ساختمانهایی که ساخت آن از سال 1339 هجری شمسی شروع شد ساختمان هتل استقلال ( هیلتون سابق ) بود. پس از آن و در دهه 50 ساخت برج های مسکونی رونق یافت. اولین ساختمان بلند مسکونی بلند مرتبه در تهران با عنوان مجموعه مسکونی سامان یک در سال 1350 هجری شمسی آماده تحویل گردید.[3] سال های اولیه دهه 50 با توجه به درآمدهای حاصل از افزایش قیمت جهانی نفت و تزریق دلارهای نفتی به پیکره اقتصادی کشور و مانورهای سیاسی دولت مبنی بر ایجاد تمدن بزرگ باعث ایجاد رونق در ساخت ساختمانهای بلند با کاربردهای تجاری ، اداری ، مسکونی گردید. که این ساخت و ساز ها به مرور در شهر هایی از قبیل تبریز، شیراز و مشهد آغاز گردید. مجموعه هایی مانند اکباتان و آپادانا و ساختمانهای مسکونی بلند مرتبه اسکان ، آ- اس - پ ، پارک پرنس و دوما از دیگر قبیل این ساختمان ها در آن دوره بودند. با وقوع انقلاب اسلامی بلند مرتبه سازی تقریبا به مدت 10 سال متوقف شد و در این سال ها ساخت و ساز این نوع ساختمانها به تکمیل مجموعه های مسکونی نیمه تمام محدود ماند. در سال های پایانی دهه 60 موج جدید بلند مرتبه سازی در پی افزایش قیمت زمین ، در تهران و کم کم سایر شهرهای ایران را در بر گرفت. تا حدی که در دهه اخیر شاهد ساخت برج مخابراتی میلاد با ارتفاع 435 متر و برج مسکونی تهران با ارتفاع 162 متر به عنوان بلند ترین ساختمانهای موجود در ایران ، بوده ایم.
3- بررسی نیاز به مقاوم سازی ساختمان های بلند
با بررسی تاریخچه ساختمانهای بلند و مقایسه نحوه احداث سازه های بلند در ابتدای قرن نوزدهم با روند بوجود آمده در عصر حاضر، در می یابیم که امروزه تحولات و پیشرفت های بسیار وسیعی در روش های تحلیل وطراحی سیستم های لرزه ای ساختمانهای بلند به وجود آمده است. این پیشرفت ها همچنین به صورت محسوسی در زمینه کیفیت مصالح بکار رفته نظير بوجود آمدن فولادهای پرمقاومت و بتن های با عملکرد بالا قابل مشاهده میباشد. در نقطه آغازی احداث ساختمانهای بلند، ضعف علم مهندسی جهت انجام آنالیز و تحلیل های دقیق از سازه و عدم دسترسی به رایانه ها جهت انجام محاسبات و وارد شدن خطای انسانی در انجام محاسبات (با فرض توانایی انجام تحلیل دستی یک ساختمان بلند)، بطور مشهودی نمایان بود. مسائلی از قبیل خلاء وجود آیین نامه - های طراحی برای ساختمانهای بلند و شناخت کم مهندسین نسبت به نیروهای جانبی باد و زلزله و تاثیرات آن بر عملکرد سازه، باعث بروز ضعف جامعه مهندسی آن زمان در طراحی و تحلیل صحیح این ساختمانها گردید. امروزه تفاوت های اساسی میان رفتار لرزه ای سازه های کوتاه و بلند برای ما مشخص گردیده است. تفاوتهایی نظير اثر بحرانی تر خمش ثانویه در ساختمانهای بلند، بزرگی زمان تناوب ساختمانهای بلند نسبت ساختمان - های کوتاه که نشان دهنده نمود بیشتر مسئله تغییر مکان جانبی طبقه بام در ساختمان های بلند می باشد. و دیگر اینکه مود غالب در تغییر شکل سازه های کوتاه، مرد اول سازه می باشد، اما در سازه های بلند اثر مودهای بالاتر در رفتار سازه قابل توجه است.
جدا از مسائل ذکر شده، می توان ضعف هایی ناشی از پایین بودن کیفیت مصالح مورد استفاده در سازه این ساختمان ها به دلیل ضعف در سیستم های ذوب آهن، تولید سیمان و سنگدانه، خلاء مواردی چون تکنیک های پیشرفته جوشکاری و افزودنی های موثر در رفتار بتن و چه بسا عدم دسترسی جامعه مهندسی به روش های نوین اجرایی در گذشته را به عنوان موارد موثر در کاهش کیفیت ساختمانهای بلند آن زمان برشمرد. چه بسا که با فرض چشم پوشی از مشکلات مذکور، از اثر افزایش عمر سازه و بروز مسائلی نظیر خوردگی، خزش، افت مقاومت و ... در گذر زمان چند ده ساله عمر ساختمانهای بلند ساخته شده در دهه های گذشته نمی توان گذر کرد. بدین ترتیب ضرورت تخریب ، بازسازی و یا مقاومسازی این ساختمانها امری اجتناب ناپذیر جلوه می کند مقاوم - سازی و بهسازی ساختمانهای بلند را می توان از جمله مسائل مهم در امر مقاوم سازی سازه ها به شمار آورد. مخصوصا با رویکرد پیش آمده کنونی در روند رو به رشد احداث این گونه سازه ها، ممکن است در آینده ، همین ساختمان ها احتیاج به مقاوم سازی پیدا کنند در دنیا نمونه های بسیاری از مقاوم سازی ساختمانهای بلند انجام شده که در بخش های بعد به نمونه هایی از آن پرداخته می شود.
4- چه ساختمان هایی نیاز به مقاوم سازی دارند؟
در ابتدا ساختمانها را به چهار دسته تقسیم می کنیم. دسته اول ساختمانهای حیاتی هستند که به دلیل نوع کاربری و استفاده ای که دارند امکان انتقال تجهیزات را نداشته و از طرفی باید عملکرد خود را بعد از زلزله نیز حفظ کنند مانند مراکز درمانی، ایستگاه های مخابراتی و تلویزیونی و ... . دسته دوم را ساختمان هایی تشکیل می دهند که پس از زلزله به عنوان مراکز خدماتی و کمک رسانی موردنیاز هستند و لازم است حتما سرپا باشند. برخی از سولهها، مساجد و مدارس از این جمله محسوب می شوند. دسته سوم ساختمان هایی هستند که در صورت وقوع زلزله تلفات جانی زیادی در پی خواهد داشت مانند مراکز عمومی، استادیوم و برج ها. دسته چهارم نیز منازل مسکونی، ساختمان های اداری و تجاری معمولی می باشند. اهمیت و نیاز مقاوم سازی از دیدگاه کلان به ترتیب از دسته اول ساختمان ها آغاز و به دسته چهارم کاهش می یابد. همچنین مقاوم سازی دسته اول و دوم کاملا به عهده و وظیفه دولت است اما دسته سوم بین دولت و کارفرمایان خصوصی (مردم) مشترک بوده و دسته چهارم کاملا به عهده مردم است. اما از طرفی مقاوم سازی دسته اول و دوم تاثیری مستقیم در کاهش تلفات زلزله ندارد و مقاوم سازی دسته سوم و چهارم است که در کاهش مستقیم تلفات زلزله نقش دارند. بدیهی است که کل هزینه و زمان لازم برای مقاوم سازی دسته سوم و چهارم بسیار زیاد می باشد. بنابراین دولت صرفا میتواند با در اختیار گذاشتن تسهیلات و قوانین لازم ، مردم را جهت انجام مقاوم سازی ترغیب نماید.
5-مختصری از سیستم لرزه بر ساختمانهای بلند و چگونگی بهسازی آنها
از جمله تفاوت های ساختمانهای بلند با ساختمان های کوتاه که موجب اختلاف روش های مقاوم سازی و بهسازی این سازه ها نسبت به ساختمان های دیگر می شود، تمایز های موجود در سیستم های لرزه ای به کار رفته در آنها می باشد.

همانگونه که در شکل (1) نشان داده شده است، جهت ایجاد مقاومت لرزه ای سازه های بلند، از سیستم هایی نظیر
مهار بازویی و خرپای کمربندی ، سیستم قاب لوله و یا سیستم های جدید کنترل ارتعاش نظير جرم میراگر متوازن و سایر میراگر های انرژی استفاده می گردد که بهسازی هر کدام از این سیستم ها به تناسب مشکلات هر سیستم متفاوت میباشد. به عنوان مثال برای سازه های با سیستم مهار بازویی و خرپای کمربندی، به دلیل انتقال بار هسته برشی بوسیله مهاهای بازویی به ستونهای پیرامونی نیروی زیادی به این ستونها وارد می گردد. برای مستهلک کردن این نیرو و بهبود عملکرد هسته، مهار بازویی و ستونهای پیرامونی می توان جهت بهسازی از میراگر هایی که در شکل (2) نشان داده شده است استفاده نمود[4].

شکل (2) روش مقاومسازی سیستم سازه ای مهاربازویی
برای ساختمانهای بلند با سیستم قاب لوله تنها نیز ، پس از مشخص گردیدن مشکلات لنگی برشی در برابر نیروی جانبی برای این سازه های بسیاری به فکر مرتفع کردن این مشکل با روشهای مختلف پرداختند . سیستم مهار بازویی و خرپای کمربندی ، به عنوان عنصری در جهت بهبود رفتار رفتار سازه های با سیستم قاب لوله ای پیشنهاد شده است. همچنین با اضافه کردن مهاربندهای عظیم سرتاسری پیرامون سازه، پدیده لنگی برشی که دارای بیشترین شدت در تراز پایه می باشد، کاهش چشمگیری خواهد داشت. البته همانگونه که یکسری از روشهای مقاوم سازی لرزه ای که در این بخش به آن اشاره گردید، در سازه های کوتاه قابل استفاده نمی باشد برعکس این قضیه نیز در مواردی می تواند صادق باشد. سیستم جدا ساز لرزه ای، راهکار مناسبی برای کاهش اثرات زلزله روی سازه موجود می باشد. با به کارگیری جداساز های لرزه ای میتوان انتقال انرژی موجود در حرکت ارتعاشی زمین را به ساختمان محدود نمود. در این روش هنگام وقوع زلزله تغییر شکل های ساختمان در تکیه گاههایی که قابلیت تغییر شکل زیادی دارند متمرکز شده و سازه مانند جسم صلب با تغییر شکل های کوچک ارتعاش می کند. نصب سیستم های جداساز لرزه ای منجر به افزایش اساسی در زمان تناوب اصلی سازه و کاهش نیرو های وارد بر سازه می شود. روش جداسازی برای ساختمان های کوتاه و متوسط نسبتا صلب ، به دلیل پایین بودن زمان تناوب آنها موثر بوده و برای ساختمان های بلند و نرم ، به دلیل بالا بودن زمان تناوب آن ها کارایی کمتری دارد[5].
6- نمونه هایی از ساختمان های بلند مقاوم سازی شده در دنیا
در دنیا ، مقاوم سازی ساختمان های بلند با توجه به قدمت این ساختمان ها و تکثر آن ها در کشورهایی نظیر ، آمریکا ، کانادا، ژاپن ، چین و ... از دهه های پیش آغاز گردیده و همچنان ادامه دارد. در این قسمت به ذکر نمونه هایی از مقاومسازی و بهسازی ساختمانهای بلند می پردازیم:
6-1- مقاوم سازی ساختمان ایتون در مونترال کانادا
ساختمان 12 طبقه ایتون در سال 1925 در شهر مونترال کانادا ساخته شد. سازه موجود فاقد مقاومت جانبی کافی در برابر بارهای جانبی زلزله مطابق با آیین نامه های لرزه ای بوده و در سال 2000 تصمیم به انجام عملیات مقاوم سازی این ساختمان گرفته شد. به دلیل موثر و اقتصادی بودن میراگرهای اصطکاکی الحاقی در مهاربند های فلزی تصمیم بر این گرفته شد که از این روش جهت بهسازی استفاده گردد. در کل سازه این ساختمان 161 میراگر اصطکاکی نصب شده است که بصورت بادبند های قطری و شورون می باشند . این روش مقاومسازی باعث کاهش تغییر مکان نسبی ساختمان و همچنین کاهش نیروی برشی پایه ساختمان می گردد. میزان نیرویی که این میراگر ها می توانند در طبقه اول مستهلک کنند 700 کیلو نیوتن، برای 5 طبقه بعدی 600 کیلو نیوتن و طبقات بالایی 300 کیلو نیوتن می باشد[6].