کشور ایران به عنوان یکی از کشورهای زلزله خیز جهان در طی سالیان گذشته همواره در معرض زلزله های ویران کننده قرار داشته است. شرایط ساختگاه ایران از دیدگاه استعداد وقوع زمین لرزه، ایجاب می کند که موضوع ایمن سازی بناها و مقاوم‌سازی ساختمان ها از هر لحاظ در مقابل آثار زمین لرزه به طور جدی در دستور کار قرار گیرد. همانگونه که در ایجاد بناهای جدید، رعایت استانداردهای طراحی ساختمان ها در برابر زلزله الزامی هست، ایمن سازی ساختمان های موجود و شریانهای حیاتی و ساختمان های با اهمیت، در اولویت برنامه ریزی ها قرار دارد. بر این اساس دولت در سالهای اخیر، با اختصاص ردیف بودجه خاص نسبت به ایمن سازی ساختمان های موجود، گامی اساسی برداشته است. این مهم در مورد شهرهای استان گیلان با توجه به لرزه خیزی منطقه و شرایط اقلیمی اهمیتی مضاعف دارد.
انواع خرابی های سازه های فولادی در زلزله
موارد حساس و تخریب پذیر در سازه های قابی عبارتند از شکست کامل عضو به علت شکل پذیری ناکافی،ستون‌های گوشه تحت فشار شدید، شکست ستون قبل از تیر، شکست تردپیچ ها در برش و کشش، شکست ترد جوش در برش، کمانش عضو بههمراه کمانش پیچشی، کمانش بال و جان، بلندشدگی پی در قابهای بادبند شده، شکست محلی در اعضای اتصال، لغزش پیچ، تغییر شکل زیاد در قابهای بدون بادبندی، شکست اتصالات بین اعضای فولادی و سایر اجزای ساختمان نظیر سقفها، عدم مهار اعضا به جدا کننده های آجری یا بتنی و پیچش شدید در سازه های نامتقارن.
مروری برشیوه های مقاوم‌سازی و بهسازی لرزه ای سازه
خطر جانبی زلزله را می‌توان از راهکارهای مختلفی کاهش داد. می‌توان ساختمان را تخریب یا مقاوم کرد یا طوری اصلاح نمود که نیروهای زلزله وارد بر ساختمان کاهش یابد.
استفاده از دیوار برشی فولادی:
در یک نگاه کلی دیوارهای برشی فولادی از سه جز اصلی تشکیل می شوند: 1- ورقه فولادی 2- دو ستون
مرزی که بصورت عمودی در اطراف ورق فولادی قرار می گیرند.3- دو تیر افقی، که مرزهای بالا و پایین ورق فولادی را تشکیل می دهد. دیوار برشی فولادی، همراه ستون‌های مرزی اطراف خود، عملکردی مشابه یک تیر ورق دارد که در آن تیرها به عنوان سخت کننده، ستون‌ها به عنوان بال و ورق فولادی به عنوان جان تیر ورق عمل می کند.
تقویت مهاربندها:
یکی از شیوه های بهسازی و مقاوم‌سازی ساختمان های موجود تقویت المانهای ساز های نظیر تیروستون یا المانهای بادبندی هست. بادبندهای ه ممحور یا برون محور می‌توانند با توجه به معماری سازه، در دهان ههای قابهای فولادی، برای مقاومت جانبی آن سازه اضافه گردیده یا تقویت شوند. از مزایای این روش می‌توان به عدم نیاز به تقویت فونداسیون اشاره کرد علاوه بر آن همانند دیوارهای برشی، باری به سازه اعمال نمی کنند.مقاومت فشاری مهاربند، با تقویت اعضای بادبندی با ورقه‌ای تقویتی با پروفیل که به افزایش سطح مقطع و شعاع زیراسیون بادبندها منجر می شود، افزایش مقاومت اعضای مهاربندی با کاهش طول مهار نشده آن‌ها بهویسله تعبیه مهارهای ثانویه، حذف اعضای مهاربندی با تعبیه اجزای قائم
باربر جانبی جدید و کنترل کمانش از صفحه بادبندها تقویت می شوند. اتصال مهاربند توسط افزایش مقاومت اتصال با طول جوش اضافی و یا در اتصال پیچی با تعداد پیچ اضافی تقویت می شوند. همچنین افزایش مقاومت اتصال با حذف صفحات بادبندی و جایگزینی آن‌ها با ورقه‌ای ضخیمتر و یا ابعاد بیشتر و کاهش نیروهای مهاربندی و اتصالات آن‌ها با تعبیه اجزای قائم باربر جانبی جدید از روشهای دیگر مقاوم‌سازی اتصالات می باشند. مقاومت محوری تیرها و ستون‌های سیستم مهاربندی نیز با افزایش مقاومت محوری به وسیله ورقه‌ای تقویتی که به بال مقطع وصل م یشود و یا جعب های کردن مقطع، اضافه کردن مقاومت محوری با محصور کردن عضو داخل بتن مسلح و کاهش نیرو در تیرها و ستون‌ها با تعبیه اجزای قائم باربر جانبی جدید افزایش می یابد.
سبک سازی و تقویت اعضای سازه ای:
کاهش جرم ساختمان یکی از پارامترهای مهم در تقلیل نیروی جانبی وارد بر سازه هست، لذا استفاده از مصالح سبک اگرچه راهکار مناسبی در مقاومکردن ساختمان های موجود بهشمار می آید. حذف طبقات بالایی ساختمان، تغییر کاربری ساختمان، حذف سقف سنگین و جایگزینی آن با سقف سبک،حذف ضمائم سنگین و استفاده از دیوارهای سبک به‌جای دیوارهای داخلی سنگین در ساختمان از روشهای کاهش وزن ساختمان است.
تقویت مسیر بار و اضافه کردن اجزاء قائم باربر جانبی جدید:
تقویت مسیر بار می‌تواند شامل تقویت دیافراگم، اتصالات، دیوارهای برشی و شالوده باشد. چنانچه مسیر بار در هر یک از نقاط خود دارای نقصی باشد باید تقویت گردد. ضعف عمده پی ساختمان های موجود، مربوط به فشار زیاد خاک زیرپی و بلندشدگی پی در اثر نیروهای زلزله هست.
منظم سازی شکل کلی ساختمان:
در حالت کلی این نقیصه بصورت ناپیوستگی یا فقدان یا عدم تقارن در شکل ساختمان معرفی م یگردد. ناپیوستگی در ارتفاع بر حسب مقاومت، سختی، هندسه، جرم و عدم پیوستگی تعریف می گردد. بی نظمی در ارتفاع می‌تواند به دلیل وجود طبقه ضعیف، طبقه نرم، هندسه و ناهماهنگی ئر توزیع جرم باشد.به غیر از بام، در صورت وجود بی نظمی در توزیع جرم بایستی با استفاده از تحلیل دینامیکی، اعضای مقاوم در برابر با جانبی را کنترل و تقویت نمود. همچنین چنانچه دیوارهای برشی در ارتفاع تاروی سطح شالوده پیوسته نباشد، بی نظمی در ارتفاع ایجاد می گردد. در مورد عدم پیوستگی در امتداد قائم، باید ظرفیت پایه های تکیه گاه دیوار بالایی در برابر بارهای ثقلی و لرزه ای کنترل گردند. همچنین تیر و دیافراگم مرتبط کننده نیز باید برای انتقال بار از عضو ناپیوسته به عضو مقاوم طبقه زیرین کنترل شود. نامنظمی در پلان عموماً منجر به پیچش در طبقه می گردد.چنانچه فاصله بین مراکز طبیعت و جرم طبقه بزرگتر از 20 % بعد ساختمان در هر جهت اصلی ساختمان باشد، ساختمان نامنظم پلان تلقی می گردد. در این حالت برای تقویت اعضاء به یک تحلیل دینامیکی نیاز است تا بدینوسیله توزیع برش طبقه بین عناصر باربر جانبی تعیین شده و ظرفیت موردنیاز هر دیوار ارزیابی گردد. گاهی با استقرار دیوارهای جدید، سازه را در پلان منظم می کنند.
مقابله با اثر ساختمان های مجاور:
ساختمان ها باید به وسیله درز انقطاع در تراز هر طبقه، حداقل برابر یک صدم ارتفاع آن از روی شالوده، از ساختمان های مجاور جدا شوند. ایجاد این فاصله برای ساختمان های موجود مشکل است. باید دیوار جدیدی در کنار دیوار قدیمی مجاور ساختمان همسایه ایجاد نموده و پس از اطمینان از اینکه قابلیت تحمل بار سقف را داربست دیوار قدیمی برداشته و فاصله ایجاد شده را با مصالح کم مقاومت که به هنگام زلزله در اثر برخورد به آسانی خرد می شوند، پر نمود.
کاهش نیروهای زلزله وارد به ساختمان ها:
از روش های کم کردن نیروهای جانبی وارد به سازه استفاده از جداسازی لرزه ای سازه و اضافه کردن میرایی سازه هست.جداسازی لرزه ای سازه روشی است که در آن با تغییراتی که در پایه ساختمان ایجاد می شود، ارتعاش سازه در حین زلزله کاهش می یابد، یعنی تغییر شکل جانبی و درنتیجه خرابی در سازه به حداقل می رسد. مهمترین و اصلیترین تأثیر جداگرهای لرزه ای افزایش طول پریود سازه و درنتیجه کاهشی نیروی زلزله القاء شده بر سازه ناشی از مداول است. همچنین وجود میرایی در جداگرهای لرزه ای سبب تسهیل در اتلاف انرژی در سازه گردیده ودرنتیجه پاسخ های مربوطه به سازه را کاهش خواهد داد.
معرفی سازه مورد بررسی:
این ساختمان از نوع اسکلت فلزی است.حدود 20 سال از احداث ساختمان می گذرد. ساختمان در هیچ ضلعی دارای همسایگی نمیباشد. این ساختمان جزء ساختمان های با اهمیت زیاد (آموزشی) است. موقعیت ساختمان از نظر پهنه بندی خطر زلزله مطابق آیی ننامه 2800 زلزله ایران، با توجه به اینکه در شهرستان رشت واقع است.و جزء منطقه 2، پهنه با خطر نسبی زیاد بود، و شتاب مبنای طرح آن 0.3 هست.
اطلاعات خاک و شالوده:
با توجه به اینکه هیچگونه نقشه ای از پی های ساختمان موجود نبود، اطلاعت مربوط به پی های ساختمان از قبیل عمق، ابعاد و… در مطالعات شناسایی خاک سازه در نظر گرفته شد. این ساختمان دارای فونداسیون بتن آرمه بصورت نواری هست. ابعاد فونداسیون نواری80×100 سانتی متر، ارتفاع کلیه فونداسیونها 80 سانتی متر و ترازو فونداسیون تا کف همکف برابر 2 متر است.
تیر و پی سازه
اطلاعات مربوط به خاک با آزمایشات ژئوتکنیک صورت گرفته برای نمونه های بدست آمده از گمانه هایی که در محل ساختمان انجام گردید، به دست آمده است. عملیات آزمایشگاهی شامل آزمایش تعیین درصد رطوبت، آزمایش دانه بندی مکانیکی، آزمایش اتربرگ، آزمایش برشی مستقیم، تعیین وزن مخصوص دانه های جامد، آزمایش سه محوری و تک محوری، آزمایش نفوذپذیری، آزمایش تحکیم، آزمایش تعیین میزان مواد شیمیایی در خاک انجام شد. همچنین عملیات صحرایی شامل آزمایش ضربه و نفوذ استاندارد (spt) هست. براساس نتایج آزمایشات مشخص شد که ساختگاه منطقه موردنظر به طور متناوب از رس و لای و لای های ماسه ای و ریزدانه تشکیل شده است. نزدیکترین گسل در فاصله 25 کیلومتر از سایت هست و شیب زمین قابل ملاحظه نیست. نوع خاک منطقه تیپ iv هست.
منطقه دارای استعداد روانگرایی زیاد هست. با توجه به اطلاعات داده شده در گزارش ژئوتکنیک و مشخصات لایه های خاک در ترازهای مختلف دیده می شود که در کل ارتفاع کمانه ها، خاک از جنس رس با مقدار کمی سیلت و ماسه هست که احتمال وقوع روانگرایی در این نوع خاکها وجود ندارد. با توجه به اینکه در زمان بررسی سازه حدود 20 سال از زمان احداث ساختمان میگذشت، درنتیجه نشستهای کوتاه مدت بهطور کامل و نشستهای دراز مدت انجام شده است. مشکل خاصی از قبیل ترک، خیز زیاد و… در سازه ایجاد نشده، با این حال در تحلیل پی سازه، نشتهایی در هنگام زلزله کنترل می شود. فرسایش خاک و خطر زمین لغزش سازه را تهدید نمی‌کند. روانگرایی ندارد، ولی براساس نتایج و گزارش آزمایشات ژئوتکنیک اثرات ناشی از نشست ناهمگون باید در محاسبات در نظر گرفته شود و در بررسی رفتار سازه کنترل گردد.
اطلاعات مربوط به سازه:
اسکلت ساختمان فولادی است. از پی های ساختمان هر کدام دو مورد آزمایش مغزه گیری از بتن به عمل آمد. جهت ارزیابی بهتر و دقیقتر مقاومت بتن. علاوه بر مغزه گیری از چکش اسمیت نیز استفاده شد.
برای ارزیابی دقیقتر رفتار ساختمان از نرم افزارهای9.14 Etabs و Safe 8.08 بهره گرفته شد. در مدل سازی اعضای اصلی شامل تیرها، ستون‌ها وپی های سازه مدل سازی شد و دیوارها به دلیل اینکه فاقد ویژگی های لازم در باربری جانبی بودند، در گروه اعضای غیراصلی قرار گرفته و در مدل سازی آورده نشداند. براساس سونداژهای انجام گرفته، معلوم شد که سیستم ساختمان سالن ورزشی تربیت معلم در هر دو جهت بصورت نیمه صلب عمل میکند و فاقد مهاربند مناسب است.
اتصال تیر به ستون و وجود چند مهار در سازه
ستون‌های ساختمان از مقاطع مرکب متشکل از دو پروفیل شکل و ورقه‌ای تقویتی است. در بازدیدها مشخص شد که بعضی از ستون‌ها دچار تغییر I شکلهایی بصورتهای انصراف از محور قائم، کمانش، تابیدگی حول محور طولی (پیچش) شده است. اگرچه این موارد فقط در برخی از ستون‌ها دیده شد و مقدار آن ناچیز است، اما در کلیه حالتها این تغییر شکلها می‌تواند تنشهای اضافی به سازه تحمیل کند. تیرهای اصلی ساختمان پروفیل یا خرپا هستند، ارتفاع تیرها حدوداً 50 سانتی متر و تیرچه ها به قسمت فوقانی تیرها متصل هستند.
سیستم بتنی سازه (سقف طبقات ساختمان) تیرچه بلوک و پوشش نهایی سقف بهصورت شیروانی است که با پروفیل فولادی اجرا شده است، سقف به گونه ای اجرا شده که دارای تیرچه هایی به فواصل 50 سانتی متر است. وزن سقفها روی تیرهای اصلی منتقل می شود و ضخامت سقف 35 سانتی متر است. این اعضا نیروی جانبی را به اسکلت منتقل می کنند و از اعضای اصلی به حساب می آیند. نحوه اتصال تیرچه به تیرهای اصلی بهگونه ای است که تیرچه ها به قسمت فوقانی تیرها متصل اند.
سیستم سقف طبقات
تیرهای اصلی ساختمان از جنس پروفیل و یا خرپا
سقف سرویسهای بهداشتی دارای سقف کاذب است. دیوارها به دلیل عدم مقاومت کافی مصالح میانقاب (آجر سفالی) و وجود ضعف در ساخت میانقابها، بازشوهای بزرگ و آسیب های موجود در آن‌ها نم یتوانند به عنوان سیستم باربر جانبی در نظر گرفته شوند و در گروه اعضای غیرساز های هستند.علاوه بر وجود بازشوها در میانقاب ها، اکثر آن‌ها دارای ترکهای افقی در ارتفاع دیوار و یا در محل اتصال دیوار و سقف و ترکهایی در گوشه های بازشو هستند. برخی از دیوارها دارای ترک افقی در ارتفاع دیوار و یا در محل اتصال دیوار و سقف و ترکهایی در گوشه های بازشو هستند. برخی از دیوارها دارای ترکهای قائم در کنار ستون‌ها می باشند که ناشی از جداشدگی و ستون بهدلیل تفاوت در جنس مصالح یا ناشی از اعمال بار به سازه هست.
دیوارهای غیرسازه ای
سیستم گرمایش ساختمان از نوع شوفاژ هست. نحوه مهار سیستم تأسیسات نامناسب بوده و احتمال آسیب پذیری هنگام زلزله وجود دارد.در تأسیسات برقی نیز سیم کشی برق این ساختمان در اکثر نقاط بهصورت روکار و بدون روکش محافظ انجام گرفته است هست.
در ورودی و پنجره ها وچارچوب کلیه دربهای ساختمان فلزی است و درهای داخلی ساختمان چوبی است.سازه فاقد پارتیشن بندی است و کلیه تقسیم بندهای انجام شده در ساختمان توسط دیوار چینی با آجر انجام گرفته است که وضع ثابت و مشخصی دارند. در لوله کشی گاز در محل اتصال کنتورها به دیوار و وضعیت مهار آن و محل قرارگیری علمک مناسب نبوده و می‌تواند خطرآفرین باشد.بام فاقد دست انداز است و سازه فاقد کمد و قفسه هست.
سیستم مقاوم لرزه ای ساختمان و تحلیل لرزه ای
سیستم سازه در جهت x صلب و در جهت y بصورت نیمه صلب است و فاقد مهاربند است. قاب سازه با توجه به اتصالات پایدار است ولی با توجه به سختی کم اتصالات و تغییر شکلهای زیاد ایجاد شده، تغییر شکل نهایی سازه زیاد میشود.سازه دارای بازشوهای بزرگ در میاناب‌های خارجی و وضعیت نامناسب میاناب‌های داخلی و همچنین مقاومت پایین مصالح تشکیل دهنده است، عملاً رفتار مرکب سازه (شامل قاب ساده فلزی به همراه میانقابها) نیز ناممکن است.سازه بهدلیل نداشتن سیستم باربر جانبی، تحت اثر بارهای جانبی ناشی از زلزله، ظرفیت لازم در برابر نیروهای و تغییرشکلهای ایجاد شده را ندارد و آسی بپذیر است.اتصالات سازه(اتصال تیر-ستون) مفصلی است و به دلیل نوع سیستم بکار رفته برای تیرها، رفتار و عملکرد قاب خمشی برای سازه غیرممکن است. و نمی‌توان انتظار مناسب لرزه ای داشت. سازه همچنین فاقد سیستم باربر جانبی است.ساختمان نامتقارن است و در ارتفاع و پلان نامنظم است (شکل هندسی پلان نامنظم و توزیع جرم در ارتفاع ساختمان یکنواخت نیست) درنتیجه تحت اثر بارهای جانبی،
تحت پیچش قابل ملاحظه ای قرار خواهد گرفت.تنها اعضای مقاوم در برابر بارهای جانبی، عملکرد تیرهای خرپایی است که با توجه به وضعیت نامناسب میانقابها، توان قابل ملاحظه ای در باربری لرزه ای نخواهند داشت.سازه در طبقه دوم فاقد دیافراگم و در طبقه اول بخش زیادی از سقف باز و فاقد دیافراگم است. سازه همچنین فاقد سیستم مقاوم در برابر زلزله است. مساله سقوط اجزای سست، انفجار و… وجود ندارد.
بعد از ارزیابی کلی رفتار ساختمان مشخص شد تعداد زیادی از اعضا سطح عملکرد مورد انتظار تحت زلزله را تأمین نمی کنند. با انجام تحلیل خطی و بررسی اجزاء سازه تحت معیارهای پذیرش مشاهده شد که در 30 % ستون‌ها و 70 % تیرها سطح عملکرد ایمنی تأمین نم یگردد.پی ساختمان تحت ترکیب بارهای مختلف در بعضی قسمتها جوابگوی بالابرنده نبوده و آرماتورهای پی از آرماتورهای موردنیاز کمتر بوده و نیاز به تقویت دارد.با توجه به موارد
فوق ساختمان به دلیل نداشتن سیستم مقاوم جانبی و کمبود سختی جانبی و عدم ظرفیت لازم برای تحمل تغییر شکلهای وارده و ضعف در المانهای سازه ای آسیب پذیر هست.اجزای غیرسازه ای مثل سفت کاری دیوارهای خارجی و داخلی، معیارهای پذیرش را ارضا کرده و در هنگام زلزله دچار آسیب نخواهند شد و چون دیوارها از اطراف به تیرها و ستون‌ها مهار شده اند، قادر به تحمل نیرو هستند و عملکرد این اعضا در سطح ایمنی جانی مطلوب هست.سازه بهدلیل سختی کم و نداشتن باربر جانبی مناسب در اثر زلزله دچار آسیب پذیری شدید ارزیابی شده و نیاز به مقاوم‌سازی دارد.
مراحل مقاوم سازی سازه
نتیجه گیری و پیشنهادات بهسازی و انجام عملیات
با توجه به محاسبات و ارزیا بی های انجام شده، علیرغم آسیب پذیری شدید ساختمان، ظرفیت لازم برای مقاوم‌سازی از لحاظ اقتصادی و فنی موجود میباشد، پیشنهادات برای مقاوم‌سازی و بهسازی اسکلت شامل:
- تعبیه مهاربندهای مناسب در هر دو راستا و ایجاد قاب ساده مهاربندی شده بطوریکه کلیه نیروی جانبی به مهاربندی ساختمان منتقل شود
- تعبیه دیوار برشی در هر دو راستا در مکانهای مناسب،
- تعبیه میاناب‌های مناسب در هر دو راستا
- بهسازی عمومی هست
تقویت ستون‌هایی که دارای ظرفیت کافی در طرح بهسازی نیستند، به صورت‌های زیر:
- افزودن ستون‌ها در نقاط مناسب
- افزودن ورقه‌ای تقویتی به ستون‌های ضعیف
- استفاده از پروفیل‌های جدید در کنار ستون‌های قدیمی و اتصال آن‌ها به یکدیگر
- تقویت نیروهایی که ممکن است با توجه به اتخاذ هر یک از طرح‌های بهسازی دارای ظرفیت کافی نباشد که بدین منظور می‌توان از ورق تقویتی استفاده کرد و در تیرهایی که شرایط عدم لاغری را ارضا نمی‌کند از مهار جانبی و کاهش طول مهاری استفاده می‌کنیم.
- ایجاد دیوارهای سبک‌تر به‌جای دیوارهای سنگین موجود و درنتیجه کاهش نیروی زلزله
- اصلاح اتصالات میاناب‌های موجود و جداسازی کامل آن‌ها از اسکلت سازه
