چهار شنبه 2 خرداد 1397
English
نمایندگان گروه مقاوم سازی دریابیگی

مقاوم سازی دریابیگی

مفهوم لرزه ای

مفهوم «لرزه اي»

مفهوم لرزه اي از زماني به فرهنگ و ادبيات مهندسي اضافه گرديد كه مهندسان به تجربه دريافتند كه براي تامين ايمني سازه ها ناگزير بايد اثر تكانهاي شديد زمين را كه به صورت ادواري حادث مي شود در نظر گرفت، در واقع لطمات ناشي از زلزله هاي بزرگ و كوچك و كوشش براي احتراز از اين لطمات ،عامل اصلي تكوين و رشد روشها و مشخص شدن معيارهاي تامين ايمني ساختمانها در برابر زلزله بوده اند و بطور بديهي هرچه مراكز تجمع جمعيت بزرگتر شده اند به دليل افزايش آسيب پذيري بالقوه آنها در برابر زلزله ضرورت تامين ايمني آنها در برابر زلزله محسوستر و تلاش براي يافتن راه حلي به منظور تامين ايمني بيشتر شده است. پيشگامان اين راه دانشمندان كشور ژاپن و در پي آنان دانشمندان ايالات متحده آمريكا بوده اند.  اولين اقدام عملي در اين راه انجام پژوهشهائي در دانشگاه توكيو از سالهاي 1910 براي شناختن رفتار ساختمانها در موقع زلزله و تامين پايداري آنها به ابتكار دكتر ر.سانو بوده است.

در ايالات متحده آمريكا پس از زلزله سال 1906 سانفرانسيسكو و حريق فراگير ناشي از آن در ساختمانهاي چوبي ابتدا حريق در مركز توجه قرار گرفت ولي بتدريج توجه به سمت تامين پايداري ساختمانها در برابر زلزله معطوف شد و در سال 1925 پس از زلزله سانتاباربارا براي اولين بار ضوابط و معيارهائي براي تأمين پايداري ساختمانها در برابر زلزله در آئين نامه متحدالشكل آمريكا مطرح شدند كه رعايت آنها اختياري بوده و حدود 10سال طول كشيد كه رعايت اين ضوابط از حالت اختياري خارج و اجباري گردد.

تدوين ضوابط براي تأمين ايمني ساختمانها در برابر زلزله بتدريج در ساير كشورها نيز آغاز گرديد و هنوز تلاش براي افزايش دقت و پالايش اين ضوابط بطور گسترده و جهاني ادامه دارد. در كشور ما نيز پس از زلزله ويرانگر بوئين زهرا در سال 1341 تلاش براي تدوين اولين مدرك آئين نامه اي به منظور تأمين ايمني ساختمانها در برابر زلزله در چارچوب دفتر فني سازمان برنامه آغاز گرديد.

با توجه به اينكه تلاش مهندسان براي طراحي ساختمانها در برابر زلزله وقتي شروع شد كه دهها سال از تدوين ضوابط طراحي و تأمين ايمني ساختمانها در مقابل بارهاي قائم مي گذشت بطور طبيعي براي طراحي ساختمانها در برابر زلزله از همان الگوي تأمين ايمني در مقابل بارهاي قائم كمك گرفتند و همانطور كه تأمين ايمني در مقابل بارهاي قائم و گاه بارهاي جانبي باد با برداشتي «يقين انديشانه» به «تأمين مقاومت» اجزا و عناصر سازه اي مشخص در محدوده ارتجاعي مصالحدر مقابل نيروهاي مشخص محدود مي شد كوشش به عمل آمد كه اثر زلزله را نيز به صورت نيروئي جانبي در نظر داشته و بر روي ساختمان اثر بدهند.

در اولين ضوابط مربوط به طراحي ساختمانها در برابر زلزله با اين استدلال كه در موقع زلزله ساختمان تحت اثر (شتاب زمين) قرار مي گيرد و اين شتاب به پديد آمدن نيروي اينرسي مي انجامد درصدي از وزن ساختمان و بارهاي ديگر موجود در آن را به صورت نيروئي افقي برساختمان اثر دادند و تصور حاكم اين بود كه با تأمين «مقاومت» اجزا و عناصر سازه اي در برابر اين نيرو در محيط ارتجاعي     مي توان ايمني در برابر زلزله را تأمين كرد و مانع خرابي ساختمان شد. به اين ترتيب «طراحي براي مقاومت در برابر زلزله» شكل گرفت. ولي به دليل قدرت تخريبي زياد مشاهده شده در زلزله هاي شديد و نامشخص بودن سقف آن در هر تجديد نظر درصد منظور شده در ضوابط افزايش داده مي شد و خيلي زود آشكار گرديد كه با پذيرش رفتار ارتجاعي اجزا و عناصر سازه اي ابعاد اين اجزا و عناصر بطور غير متعارف بزرگ مي شوند و عملاً امكانات موجود در اكثر موارد پاسخگوي اين راه حل نيست.

لازم به ذكر است وجود سازه اي با مشخصات لازم كه بتواند در برابر شتاب زمين مقاومت كافي در محدوده ارتجاعي داشته باشد مفيد خواهد بود  نكته مهم در اين خصوص آن است كه شكل پذيري مصالح ودر واقع محدوده غير ارتجاعي در صورتي كارآمد خواهد بود كه سازه از حالت فيزيكي اوليه خارج شده وبه محدوده غير بازگشت وارد شود .در اين حالت با توجه به درصد احتمال وقوع زلزله و مسائل اقتصادي به ناچار تنها تأمين ايمني جاني در دستور كار طراحي قرار گرفته و به از دست رفتن حالت فيزيكي اوليه سازه رضايت داده مي شود.

وقتي مهندسان دريافتند كه تأمين ايمني ساختمانها در برابر نيروهاي زلزله با همان الگوي تأمين ايمني در برابر بارهاي قائم عملي نيست ، جستجوي راه حلهاي ديگر را در دستور كارشان قرار دادند. در اولين پژوهشها مشخص گرديد كه بايد تفاوت ماهيت موجود بين بارهاي قائم و نيروهاي اينرسي ناشي از زلزله را در بررسي ايمني ساختمانها در برابر زلزله مدنظر داشت. مقادير بارهاي قائم در جريان زلزله تغييري نمي كنند و ثابت باقي مي مانند ولي نيروهاي اينرسي تابع شتاب اعمالي به ساختمان در اثر زلزله بوده و با تغيير مقدار شتاب تغيير مي كنند و در واقع نمايانگر انرژي حركتي القا شده به ساختمان مي باشند كه بايد توسط ساختمان جذب و مستهلك شود. با عنايت به اينكه بخشي از اين انرژي مي تواند با تغيير شكلهاي ارتجاعي و بخشي ديگر با تغيير شكلهاي فرا ارتجاعي جذب شوند و اگر ساختمان قادر به جذب و اتلاف انرژي حركتي از اين طريق نباشد خرابي آن حتمي خواهد بود؛ مهندسان كوشش كردند كه با پذيرش خرابيهاي محدود قابل كنترل و با قبول درهم شكستن موضعي بخشهائي از اجزا و عناصر متشكله سازه ساختمان كه خرابي آنها باعث فرو پاشي ساختمان نمي شود و پس از زلزله به سادگي قابل بهسازي باشد نيروهاي زلزله را جذب و مستهلك نمايند. به عبارت ديگر سعي كردند كه اگر نمي توان از بروز خرابي جلوگيري كرد آن را به جائي منتقل نمود كه آثار زيانبارش كمتر و جبران آنها پس از زلزله آسانتر باشد. به علاوه براي محدود كردن آثار جانبي خرابي سعي شد كه پديدار شدن گسيختگي در اجزا و عناصر سازه حالت ترد و ناگهاني نداشته و به صورت تغيير شكلهاي فرا ارتجاعي و تشكيل مفصلهاي خميري باشد. به اين ترتيب بتدريج اهميت تغيير شكلهاي فرا ارتجاعي براي جذب و اتلاف القا شده به ساختمان در اثر زلزله روشن شد و ابتدا مفهوم «شكل پذيري» در ضوابط طراحي منعكس و سپس «طراحي براي ظرفيت» شكل گرفت.

موضوع محوري «طراحي براي ظرفيت»، جذب و اتلاف انرژي حركتي زلزله به كمك تغيير شكلهاي فرا ارتجاعي و تشكيل مفصلهاي خميري در مقاطع و مناطق از پيش تعيين شده سازه مي باشد كه بطور بديهي مستلزم آن است كه سازه نامعين (هيپرستاتيك) و داراي پيوندهاي اضافي مناسب باشد بطوريكه با از بين رفتن تعدادي از اين پيوندها در اثر تغيير شكلهاي فرا ارتجاعي سازه فرو نريزد.

بموازات اين تغيير و تحولات اهميت تغيير مكانهاي جانبي نقاط مختلف، اجزاء و عناصر سازه اي در پايداري سازه ها روشن و محدود كردن اين تغيير مكانها به منظور تأمين ايمني در برابر نيروهاي زلزله ضرورت يافت بويژه توجه به اين نكته معطوف گرديد كه گرچه بروز تغيير شكلهاي فرا ارتجاعي و تشكيل مفصلهاي خميري كار جذب و اتلاف انرژي حركتي ناشي از تكانهاي شديد زمين را تسهيل   مي نمايد ولي تغيير مكانهاي جانبي سازه نسبت به تغيير مكانهاي نظير رفتار ارتجاعي بيشتر مي شوند و اين مسئله از لحاظ انطباق با ضوابط و قيود آئين نامه اي مربوط به تغيير مكانهاي جانبي بايد در طراحي ملحوظ شود. همچنين بتدريج با توجه به اينكه در همه احوال منظور از طراحي تامين و حفظ قابليت بهره برداري از ساختمان است و سازه فقط بخشي از اين قابليت را فراهم مي كند و اجزا و عناصر غير سازه اي هم در تامين قابليت بهره برداري از ساختمان نقش اساسي دارند بتدريج ضوابط و قيودي هر چند كمرنگ در آئين نامه ها و ضوابط تأمين ايمني ساختمانها در برابر زلزله وارد شدند.

همانطور كه ذكر شد «بهسازي» موقعي صورت مي گيرد كه نارسائي يا كمبودهايي در ساختمان وجود داشته باشد و برخي از موارد بهسازي نام برده شد. همچنين ديديم كه مفهوم «لرزه اي» به چه مقولاتي مربوط مي شود. و مشاهد گرديد كه آئين نامه ها در مورد سازه ساختمان از ديدگاه اين مفهوم چه نوع رويكردي را نشان مي دهند.

حال مي توان گفت «بهسازي» وقتي مطرح مي شود كه ساختماني به هر علت آسيب ديده يا احتمال آسيب ديدنش در شرايط مختلف و به صورت عام وجود داشته باشد. اما بهسازي لرزه اي بطور عمده موقعي مطرح مي شود كه كاهش احتمال آسيب پذيري و بروز نارسائيهاي كوچك يا بزرگ در ساختمان در اثر زلزله مدنظر باشد.

در اولين كارهاي بهسازي كه مهندسان به عهده گرفتند بطور طبيعي تلاشها متوجه تعميم مقررات تامين ايمني ساختمانهاي نو بر امر بهسازي ساختمانهاي موجود بود ولي اين تجربيات حاصل نشان دادند كه رعايت اين مقررات سنتي در بهسازي خواه به منظور «اعاده كيفيت» ساختمانهاي آسيب ديده و  خواه به منظور «ارتقاي كيفيت» ساختمانهائي كه انجام وظيفه يا وظائفي سنگين تر از آنها مورد نظر بوده يا با تغيير آيين نامه ها نسبت به آيين نامه هاي جديد ضعيف مي باشند دخالت بسيار در وضع موجود ساختمان را ايجاب مي كند و به مراتب پرهزينه تر از اعمال مقررات مزبور در ساختمانهاي در دست طراحي و ساخت است و امكاناتي قابل ملاحظه مي طلبد كه فراهم كردن اين امكانات اگر غير ممكن نباشد اغلب بسيار مشكل است بطوريكه در اغلب موارد پافشاري در كاربرد مقررات  سنتي نوسازي در امر بهسازي كار را به بن بست مي كشاند.در اين زمينه كوشش براي يافتن راه حل ادامه يافت و مهندسان دست اندركار بهسازي بتدريج به اين نتيجه رسيدند كه اگر نمي توان با هزينه اي منطقي و معقول ايمني ساختماني را تا حد يك ساختمان نو بالا برد دليل ندارد كه آن را به حال خود رها كرد. بلكه عقل سليم و منطق مهندسي حكم مي كنند كه با  اختيار كردن حداقل ميزان دخالت در وضع ساختمان متناسب با امكانات و اقتصاد هر ميزان ايمني را كه دستيابي به آن در چارچوب منطق و امكانات ميسر است تامين كنيم. اهميت اين راه حل موقعي بيشتر شد كه از سوئي برمبناي شناخت بيشتر از پديده زلزله آئين نامه هاي روز آمد تأمين ايمني ساختمانها در برابر زلزله محدوديتهائي بيشتر براي طراحي ساختمانها در نظر گرفتند و از سوئي ديگر توقع جوامع انساني براي تأمين ايمني با سرعت رو به افزايش نهاد و «بهسازي لرزه اي ساختمانهاي موجود» در دستور كار روز قرار گرفت. زيرا مسئله از دو حال خارج نِيست يا ساختمانها براساس آئين نامه  اي معتبر براي زلزله طراحي نشده بودند ويا براساس آئين نامه هاي پيشين طراحي شده بودند كه نيروها و محدويتهائي كمتر نسبت به آئين نامه هاي جديد اعمال مي كردند و لذا در هر دو حال ايمني ساختمانها در برابر نيروهاي زلزله مورد ترديد بود و مي بايست مورد بررسي قرار مي گرفت و بطوري بديهي با توجه به حجم زياد ساختمانها و محدوديت امكانات، تأمين ايمني همه ساختمانهاي موجود درحد ساختمانهاي نو ميسر نبوده و چاره اي جز اين نبود كه به تأمين ايمني نسبي در حد مقدورات اكتفا شود. وقتي كه به اين ترتيب بهسازي براي تأمين ايمني محدود ضرورت يافت براي احتراز از اعمال سليقه هاي متفاوت و ضابطه مندكردن امر بهسازي با پذيرش ايمني نسبي فكر تدوين ضوابطي براي بهسازي ساختمانهاي موجود در مجامع مهندسي پديد آمد.

كار تدوين اين ضوابط با تعريف «سطوح عملكرد ساختمان» شامل «سطوح عملكرد سازه اي»‌ و «سطوح عملكرد غير سازه اي»‌ از يك سو و تعريف سطوح مخاطرات زلزله تهديد كننده ساختمانها از سوئي ديگر آغاز شد و بتدريج به تدوين «ضوابط بهسازي لرزه اي ساختمانهاي موجود» انجاميد. به اين ترتيب با تجديد نظر در فلسفه بهسازي ، بهسازي از قيد آئين نامه هاي طراحي و ساخت ساختمانهاي نو رها گرديد.

براساس اين ضوابط «بهسازي لرزه اي» را مي توان  نوعي«بهينه سازي» در «بهسازي» دانست كه شاخصه اصلي آن تامين ايمني بطور نسبي متناسب با مقدورات و امكانات براي تمام اجزا و عناصر ساختمان اعم از سازه اي و غير سازه اي استبراساس اين دستورالعمل وقتي صحبت از بهسازي لرزه اي ساختاري به ميان مي آيد مفهومش اين است كه ساختمان مزبور كمابيش عملكرد لازم را در برابر زلزله ندارد.

عملكرد ساختمان همانطور كه ديديم مشتمل بر دو مولفه است عملكرد سازه اي و عملكرد غيرسازه اي. عملكرد سازه اي بطور بديهي به سازه ساختمان مربوط مي شود و عملكرد غير سازه اي اقلام معماري و تاسيساتي را شامل مي گردد.

وقتي گفته مي شود كه سازه يك ساختمان عملكرد لازم ندارد محتمل است كه يكي يا تعدادي از نارسائيهاي مشروحه زير را داشته باشد:

  • برخي از اجزاي سازه يا كل آن مقاومت كافي در برابر نيروهاي ناشي از زلزله را نداشته باشند و تلاشها و تنشها در مقاطع مختلف سازه از حد قابل پذيرش فراتر روند.
  • برخي از اجزاي سازه يا كل آن فاقد «سختي» مناسب در برابر اثر نيروي ناشي از زلزله     مي باشند.

·         برخي از اجزاي سازه يا كل آن از «شكل پذيري» كافي برخوردار نباشند و نتوانند انرژي منتقله از زلزله به ساختمان را گرفته از طريق احراز تغيير شكلهاي فرا ارتجاعي در مقاطع و اجزاي از پيش تعيين شده بدون درهم شكستن و فرو ريختن ساختمان تلف نمايند.

با توجه به آنچه گذشت مي توان نتيجه گرفت كه «مقاوم سازی» جزئي از يك كل به نام «بهسازي لرزه اي» است و اطلاق نام جزء به كل و كاربرد واژه «مقاوم سازی» به جاي «بهسازي لرزه اي» گمراه كننده است و اين شبهه را ايجاد مي كند كه همانند يك قرن پيش هنوز تنها به مقاومت مي انديشيديم و مي خواهيم سازه و اجزاي سازه اي ساختمان موجودي را چنان تقويت كنيم كه در برابر زلزله مقاومت نمايند. اين كار اگر غير ممكن نباشد بسيار مشكل، پرهزينه و زمان براست. در حاليكه بهسازي لرزه اي جامع نگر و فراگير است و همه اجزا و عناصر ساختمان اعم از سازه اي و غير سازه اي را شامل مي شود و مي تواند به درجات مختلف صورت گيرد و با رعايت موازين بهسازي لرزه اي متناسب با امكانات موجود مي توان ايمني را كم يا زياد اختيار نمود و زمان و هزينه لازم براي بهسازي را كاهش يا افزايش داد. به عبارت ديگر فرق «مقاوم سازی» با «بهسازي لرزه اي» فرق موجود بين يك «جزء» محدود و غير قابل انعطاف با يك «كل» فراگير و انعطاف پذير است.

با توجه به تعدد ساختمانهاي موجود در سطح كشور و اينكه بطور طبيعي آئين نامه هاي جديد طراحي ساختمانها در برابر زلزله كه ملحوظ داشتن نيروهاي بيشتري را در طراحي ساختمانها طلب مي كنند نمي توانسته اند در طرح و اجراي آنها رعايت شوند. حجم عمليات لازم براي «مقاوم سازی» ساختمانهاي مزبور با روش هاي سنتي زياد و هزينه هاي مربوط بقدري گزاف خواهند بود كه عملاً قابل تأمين نيستند و  صحبت از «مقاوم سازی» آنها تعليق كار به محال است.با توجه به مطالب ذكر شده مقاوم سازی سازه هاي بتني با كامپوزيت FRP به عنوان جزيي از بهسازي لرزه اي اجزاي سازه هاي بتني كه داراي كمترين دخالت ممكن در وضعيت موجود ساختمان مي باشد به عنوان روش برتر معرفی می گردد.