عملکرد لرزه ای ساختمان های بنایی هنگام وقوع زلزله

بیشترین تلفات انسانی و خسارات مالی در زلزله های سالیان اخیر به دلیل تخریب ساختمان هایی بوده است که به شیوه کاملاً سنّتی و بدون در نظر گرفتن علم مهندسی زلزله با استفاده از مصالحی همچون سنگ،آجر،خشت و چوب ساخته شده اند. بیش از %80 تلفات انسانی ناشی از زلزله سال 1369 رودبار و منجیل و حدود %90 از تلفات زلزله سال 1382 شهرستان بم،به دلیل حبس شدن و زیر آوار ماندن مردم زیر حجم عظیمی از خشت و آجر بوده است.اخیراً همین حادثه در شهرستان های ورزقان،هریس،اهر و مناطق روستایی اطراف،موجب تلفات جانی و خسارات اقتصادی فراوانی شده است.یکی از دلایل ساخت چنین خانه هایی فقر اقتصادی و همچنین در دسترس بودن و ارزان بودن مصالحی همچون خشت و سنگ و… می باشد.

زلزله یکی از بلایای طبیعی است که تحت تأثیر آن ساختمان ها و سازه های ساخت دست بشر آسیب می بینند و یا بطور کلّی تخریب می شوند.تجربه نشان داده است که برای ساخت سازه های جدید،در نظر گرفتن مقرّرات لرزه ای مقاوم و پیاده سازی آن ها در هنگام ساخت،یک محدودۀ ایمن در برابر زلزله و کاهش خسارات ناشی از آن ایجاد می کند.

خسارات ناشی از زلزله به پارامترهای زیادی بستگی دارد:

1-ویژگی ها و خصوصیّات ارتعاشات زمین در طول زمان زلزله(شدّت،طول مدّت،فرکانس حرکات زمین)

2-خصوصیّات زمین و خاک منطقه(توپوگرافی،زمین شناسی و شرایط خاک)

3-ویژگی های ساختمانها و کیفیّت ساخت و ساز و کاربری آنها و…

طراحی ساختمان ها باید به گونه ای باشد تا این اطمینان حاصل شود که سازۀ مورد نظر دارای استحکام کافی و انعطاف پذیری بالا در برابر هر نوع زلزله ای می باشد و به عنوان یک ساختمان تخریب ناپذیر و مستحکم پایدار می ماند.فاکتورهای اجتماعی و عوامل دیگر نظیر تراکم جمعیّت،زمان وقوع زلزله و آمادگی جامعه برای رخ دادن چنین رویدادی مهم می باشد.

تا به امروز،اقدامات اندکی برای کاهش اثرات مخرّب زلزله در ایران انجام شده است. اگر چه از این پس می توانیم اقدامات مؤثّری برای کاهش خطرات و در نتیجه کاهش خسارات انجام دهیم.بطور مثال،طراحی و ساخت و یا تقویت ساختمان ها به گونه ای که خسارات زلزله به حداقل برسد و آگاهی از عملکرد زلزله بر روی ساختمان های مختلف نقش مهمی در مواجه شدن با اثرات زلزله دارد.مشاهدۀ عملکرد سازه ای یک ساختمان در هنگام وقوع زلزله به وضوح می تواند جنبه های قوّت و ضعف در طراحی و همچنین ارزیابی کیفیّت مواد و مصالح استفاده شده،تکنیک های ساخت و ساز و انتخاب مکان مناسب برای ساخت سازه را تبیین کند،بنابراین مطالعۀ آسیب ها می تواند گام مهمّی در تکمیل اقدامات تقویتی برای سازه های مختلف بر دارد.در این مقاله سعی بر آنست تا رفتار ساختمان هایی که با مصالح بنّایی و روش های سنّتی ساخته می شوند را در قبال زلزله بررسی کنیم.

تأثیرات زلزله

4 علّت بسیار مهم برای خرابی ها و خسارات در هنگام زلزله وجود دارد که در اینجا به بحث و بررسی 2 مورد اوّل اکتفا می کنیم:

1-زمین لرزه2-گسیختگی زمین3-تسونامی4-آتش سوزی

زمین لرزه

همانطور که در بالا اشاره شد،علّت اصلی افزایش خسارات در هنگام زلزله،ارتعاشات شدید زمین می باشد.هنگامی که زمین شروع به لرزیدن می کند تمام سازه های روی سطح زمین به آن لرزش با درجات مختلف عکس العمل نشان می دهند.شتاب،سرعت و جابجایی ناشی از زمین لرزه می تواند منجر به آسیب یا تخریب کامل ساختمان شود مگر اینکه به گونه ای طراحی،ساخته و یا تقویت شده باشد که در برابر زلزله مقاوم باشد.

بنابراین تأثیر لرزش زمین روی سازه ها یک قاعدۀ کلّی و مهم در ساخت و طراحی لرزه ای ساختمان ها می باشد.بر این اساس در هنگام طراحی باید پریود ارتعاشی سازۀ مورد نظر،از پریود ارتعاشی زلزله احتمالی بیشتر در نظر گرفته شود. تعیین بارهای طراحی لرزه ای به دلیل ماهیّت تصادفی و طبیعی بودن حرکات زلزله بسیار دشوار است. با این حال می توان از تجربیّات زلزله های بزرگ گذشته،شیوه ای معقول و محتاطانه برای طراحی یک ساختمان ایمن در نظر بگیریم.

گسیختگی زمین

زلزله باعث ایجاد گسیختگی زمین در اشکال مختلف می شود. شکست زمین در طول ناحیه گسل،زمین لغزش،نشست و روانگرایی خاک از جمله تأثیرات این پدیده می باشد.شکست زمین در طول گسل ممکن است به یک ناحیه بسیار کوچک محدود شود یا اینکه تا هزاران کیلومتر امتداد یابد.جابجایی زمین در امتداد گسل می تواند افقی یا عمودی یا ترکیبی از هر دو مورد باشد که به سانتی متر یا متر قابل اندازه گیری است.

بدیهی است که اگر ساختمانی در امتداد شکست گسل قرار گیرد به شدّت تخریب می شود در حالیکه زمین لغزه بطور کلی می تواند سازه را نابود کند. ساختمان های بنّایی به شدّت در برابر کوچکترین لرزش یا گسیختگی زمین آسیب پذیر هستند.

تأثیر زمین لرزه روی سازه ها

نیروهای اینرسی

یک ساختمان بر روی زمین قرار دارد.هنگامیکه پایه یا فنداسیون آن شروع به حرکت می کند،سازۀ مستقر بر روی زمین تمایل به لرزش و ارتعاش به شیوه ای بسیار نامنظّم دارد که این ارتعاشات به دلیل اینرسی جرم و تودۀ ساختمان می باشد.

هنگامیکه حرکت ناگهانی زمین پایه یک ساختمان را به سمت چپ حرکت می دهد،ساختمان بر اساس یک رابطۀ نسبی با پایۀ ساختمان به سمت راست حرکت می کند .دلیل اینکه ساختمان به سمت راست حرکت می کند به دلیل وجود یک نیروی غیر قابل مشاهده به نام نیروی اینرسی می باشد. حقیقتاً هیچ گونه نیروی فشاری وجود ندارد، امّا به دلیل وزن خود سازه، ساختمان در برابر هر گونه حرکتی مقاومت می کند و هر قسمت از ساختمان نیروی اینرسی ثابتی ندارد.  فرآیند موجود در هنگام زلزله بسیار پیچیده تر از مواردی است که در بالا توضیح داده شد به این دلیل که حرکات زمین هنگام وقوع زلزله بطور هم زمان در 2 جهت عمودی و افقی شکل می گیرد.

بار لرزه ای

بطور کامل از بارهای مرده،زنده، برف، باد و بارهای تأثیرگذار متفاوت است.عملکرد حرکت افقی زمین شبیه به تأثیر نیروی افقی اعمالی بر روی ساختمان است، از این رو می توان از اصطلاح «بار لرزه ای» یا «بار جانبی» استفاده کرد.

هنگامیکه فنداسیون یک ساختمان بطور بسیار پیچیده ای حرکت می کند،نیروهای اینرسی در سراسر جرم ساختمان و تمامی اجزاء آن ایجاد می شوند.این نیروهای موجود در المان های ساختمان هستند که موجب حرکت سازه یا حفظ آن در قبال تخریب و صدمه می شوند.همچنین تأثیر بار عمودی اضافی به دلیل وجود سقف ها،تیرها،ستون ها و پیش آمدگی(بالکن) در ساختمان می باشد که این ارتعاشات عمودی ممکن است،سبب آسیب سازه ای شوند.در لحظات خاصّی این بار مؤثّر افزایش و سپس کاهش می یابد که این نشان دهندۀ برگشت پذیر بودن و الاستیک بودن این نیروها می باشد.

بارهای زلزله ماهیّت دینامیکی دارند و بطور دقیق قابل پیش بینی نمی باشند و در زلزله های مختلف، رفتار و ویژگی های مختلفی از خود نشان می دهند.

عوامل مؤثّر در تخریب ساختمان ها با مصالح بنّایی

استفاده از آجر بنّایی بی کیفیّت

مصالح ساختمانی که در ساخت دیوارهای باربر استفاده می شوند، می بایست از سنگ طبیعی، آجر سخت و مقاوم، بلوک بتنی و آجرهایی با سوراخ های عمودی باشند که ماکزیمم نسبت تخلخل را بر اساس آیین نامه ها جوابگو باشند. حداقل مقاومت فشاری مصالح بنّایی نباید از 5 (نیوتون بر میلیمتر مربع) کمتر باشد و مقاومت فشاری سنگ های طبیعی مورد استفاده در پی ها حداقل باید  10 (نیوتون بر میلیمتر مربع) باشد. با وجود این شرایط دو نوع مصالح بنّایی غیر باربر وجود دارد که علی رغم عدم اجازه در استفاده از آنها،معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند.(آجرهای سوراخ دار سفالی با سوراخ های بزرگ مستطیل شکل و یا آجرهای سوراخ دار دایره ای)

ساختمان هایی با بلوک های خشتی و آجرهای سوراخ دار در بعضی مواقع بعنوان ساختمان بنّایی مطرح می شوند، در صورتیکه به دلیل نسبت تخلخل این آجرها و بلوک های خشتی که از حد مجاز بیشتر می باشد، نباید این مدل از ساختمان ها را در دسته سازه های بنّایی طبقه بندی کرد. استفاده از آن ها در دیوارهای باربر، روی کوچکترین تغییر شکل و تغییرات جزئی در عکس العمل رفتار لرزه ای تأثیر مستقیم دارد. خسارات سنگین و خرابی های مشاهده شده در مناطق لرزه خیز به استفاده از آجرهای سوراخ دار به جای استفاده از آجرهای توپر ارتباط دارد.

استفاده از ملات ضعیف و سست

ملات مورد استفاده در دیوار های باربر می بایست با اضافه کردن ملات آهک با سیمان(سیمان،آهک،ماسه با نسبت حجمی 1:2:9) و یا ملات سیمان(سیمان،ماسه با نسبت حجمی 1:4).امّا عموماً مشاهده می شود که کیفیّت ملات مورد استفاده همانند قوانین آیین نامه ها نمی باشد. بویژه سازه هایی با مصالح گِل و سنگ به دلیل کیفیّت پایین ملات گِل و چفت و بست کم سنگ ها و ملات باعث تخریب کامل ساختمان و یا خسارات شدید در زلزله هایی با شدّت کم می شود.

بسیاری از انسان ها،جان خود را زیر خروارها آوار این ساختمان ها از دست می دهند. بنابراین این سازه ها نباید در مناطق لرزه خیز ساخته شوند یا اینکه المان های چوبی باید به اندازۀ کافی در این سیستم جایگزین شوند تا از تخریب کلی جلوگیری شود.

بی نظمی پلان در جهت عمودی

دیوارهای باربر یک ساختمان بنّایی باید در پلان تا جایی که ممکن است، منظّم و قرینه نسبت به دو محور اصلی قرار گیرند. همچنین ممکن است که از انواع مختلفی از مصالح(سنگ،آجر،خشت)در طبقات مختلف یک ساختمان بنّایی استفاده شود. در اینگونه موارد صلبیّت جانبی هر طبقه با دیگر طبقه ها بسیار متفاوت است. شرایط بحرانی تر اینست که یک طبقۀ بتن مسلّح بر روی یک طبقه با مصالح بنّایی باشد یا بر عکس. تفاوت در سختی و وزن این طبقات خطر شکست و تخریب ساختمان را افزایش می دهد.

ضعف دیوارهای باربر

بر اساس آیین نامه ها نسبت طول کلی دیوارهای باربر بنّایی در جهت قائم در پلان(بجز پنجره و درهای بازشو)به مساحت کف(بجز بالکن ها)نباید کمتر از I0.25 باشد.در جائیکه I ضریب اهمیّت سازه در بازه ای بین 1.5-1 در تغییر است. طول کلی دیوارهای باربر،مهم ترین فاکتور در ایجاد خسارت در ساختمانهای بنّایی در هنگام وقوع زلزله است.خمش و برش بیش از اندازه ممکن است باعث گسیختگی صفحه ای شود که بستگی به نسبت المان های غیر مسلّح سازه های بنّایی دارد. بسیاری از ساختمان های بنّایی با صدمات قابل توجّهی در دیوارها به شکل ترک های x شکل مواجه می شوند، اگر چه این ترک ها به ندرت باعث فرو ریختن کامل ساختمان می شود، امّا هنگانیکه یک ترک x شکل در هنگام زلزله ایجاد شود، بخش مثلّثی شکل ترک های x میتواند مقدّمه ای برای بی ثباتی و تخریب باشد.

کمبود المان های عمودی محدود کننده

المان های عمودی محدود کننده می بایست در کناره ها و انتهای دیوارهای باربر و در 2 سمت درها و بازشوها قرار گیرد. محدود نکردن 2 سمت دیوارهای باربر باعث ایجاد ترک های عمودی در دیوارهای باربر می شود، در جائیکه دیوار همانند لولا به نوسان می افتد. شکست در گوشه ها به دلیل نبود اتّصال کافی بین دیوارها و کف می باشد. به این ترتیب برای همۀ ساختمان های بنّایی این اتّصال نقش حیاتی را در کاهش خسارات ایفا می کند.

وجودکنسول و بالکن های نا مناسب

اگر مؤلّفۀ عمودی شتاب زمین بزرگ و وزن کنسول زیاد باشد،وزن کنسول می تواند پارامتر بسیار مهمّی در رفتار لرزه ای باشد.ابعاد کنسول و همچنین میزان پیش آمدگی آن در ساخت یک ساختمان بناّیی باید بطور کامل مورد توجّه قرار گیرد. میزان پیش آمدگی کنسول باید در برابر لنگری که در هنگام زلزله به آن قسمت از ساختمان وارد می شود مقاومت کند.در شکل زیر بالکن به شکل بسیار ضعیفی به بازشوها متّصل است و کمبود المان های افقی و عمودی مشاهده می شود و به دلیل وزن بالای کنسول و عدم مهار آن توسط المان های مقاوم،بار وزن کنسول به صورت متمرکر به پایین اعمال شده و باعث فرو ریختن آن روی طبقۀ همکف شده است.

نتیجه:

استفاده از خشت خام بعنوان آجر،اصلی ترین و مهم ترین دلیل فرو ریختن ساختمان های بنّایی می باشد. بنابراین استفاده از خشت و خاک رس در دیوارهای بنّایی به دلیل میزان پوکی و تخلخل و ضعیف بودن آن ها در برابر ارتعاشات مجاز نمی باشد. هزاران باب از منازل مسکونی که با این شیوه ساخته شده در مناطق لرزه خیز وجود دارد. برچیدن و تخریب کلیه این ساختمان ها از لحاظ اقتصادی به صرفه نمی باشد، بلکه روش های مؤثّر تقویت لرزه ای باید کاربردی شود و روی اینگونه ساختمان ها اجرا شود. همچنین سازه های بنّایی ساخته شده با گل و سنگ نیز به دلیل ملات ضعیف گل و سطح تماس ناکافی بین گل و سنگ، با کوچکترین زلزله ها خسارات فراوانی می بینند.در پایان می بایست از رفتار سازه های بنّایی در زلزله های گذشته، درس عبرت بگیریم و با مقاوم سازی این ساختمان ها و یا جلوگیری از ساخت ساختمان های بنّایی ضعیف،خسارات اقتصادی و تلفات انسانی را به حداقل برسانیم.

این مقاله به همت میثاق نعمتی صیقلان،سوگل حشمتی،رحمت مدندوست تهیه شده است.  

مراجع:

1.Boen, Teddy, Detailer’s Manual for Small Buildings in Earthquake Areas, January, 1978.

2.Schultz, A. E.Performance of Masonry Structures During Extreme Lateral Loading Events. Masonry in theAmericas, ACI Publication SP-147, American Concrete Institute, Detroit, pp.21-55. 1994.

3.Tomazevic, M. “Earthquake-Resistant Design of Masonry Buildings”. Imperial College Press,     London, U.K.1999.

4.Nesheli, K.NStructural Damage to Buildings Due to Bam Earthquake of December 26, 2003, Iran.ICUS/INCEDE Newsletter, International Center for Urban Safety Engineering, Institute of Industrial Science, the University of Tokyo, Vol.3, No.4.2004.

5.Casabonne, C.Masonry in the Seismic Areas of the Americas, Recent Investigation and      Development. Progress in Structural Engineering and Materials, John Wiley &Sons Ltd., Volume 2, pp.319-327.2000.

6- آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله (استاندارد 2800)، ویرایش سوم، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، وزارت مسکن و شهرسازی، 1384

سوالات متداول