بررسی آسیب­ ها و ارائه روشهای نوین بهسازی لرزه ای ساختمان های بتن آرمه

“بررسی آسیب­ ها و ارائه روشهای نوین بهسازی لرزه ای ساختمان های بتن آرمه”

مهسا جاویدنیا ؛ کارشناسی ارشد عمران­_سازه

دانشگاه آزاد اسلامی؛ واحد قزوین

چکیده

ساختان های بتن آرمه در کشور ما جزء ساختمان های بسیار متداول می­باشند، اما بعلت عدم طراحی دقیق و بی­توجهی به اصول آئین های مهندسی و عدم استفاده از سیستم سازه پایدار و ساخت و سازهای نا مناسب اکثر ساختمان های بتن آرمه موجود نیمه مقاوم یا غیر مقاوم هستند. چنانچه سازه تحت شرایط نا­مطلوب طراحی، ساخت یا بهره برداری آسیب دیده باشد، سازه موجود ایمنی و شرایط مطلوب برای تحمل بارهای وارده را نخواهد داشت، لذا بهسازی لرزه ای در جهت افزایش ظرفیت باربری سازه ضرورت می­یابد. با توجه به طراحی برخی سازه های بتن آرمه موجود بر اساس آئین نامه های قدیمی و همچنین روند رو به رشد مهندسی سازه و زلزله، در سالهای اخیر ضرورت بهسازی و مقاوم سازی لرزه ای با بهره گیری از مصالح و روشهای نوین بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. هدف اصلی این مقاله معرفی روشهای متداول بهسازی لرزه ای از جمله الیاف FRP، میراگرها، جدا سازهای لرزه ای و اصلاح سیستم باربر جانبی سازه با بهره گیری از تجربیات، مقالات و انتشارات محققین و متخصصین مراکز علمی و فنی از جمله استانداردهای ایالات متحده آمریکا نظیر ATC 40، FEMA 273، FEMA 274، می­باشد.

کلمات کلیدی: بهسازی لرزه ای، مقاوم سازی، FRP، افزایش ظرفیت باربری، میراگر، جداساز لرزه ای.

­

1-مقدمه

با توجه به بررسی زلزله های گذشته و شرایط ساختمانهای کشور، تعداد زیادی از این ساختمانها احتمال خرابی خواهند داشت و چون پیشگیری از وقوع زلزله نا ممکن است، بنابراین لزوم بکارگیری روشهای قابل اعتماد، سریع و ساده جهت مقاوم سازی این ساختمانها ضروری بوده و بر همین اساس تدوین و ارائه روشهای مقاوم سازی قابل استفاده برای ساختمانهای آسیب پذیر، از اهمیت ویژه ای برخوردار است. سازه هایی که نیاز به مقاوم سازی دارند در دو گروه عمده قرار میگیرند: گروه اول ساختمانهایی که قبل از تدوین هرگونه ضوابط لرزه ای و یا پس از تدوین آنها اما بدون رعایت ضوابط، طراحی و ساخته شده اند و بهره برداری از آنها در حال حاضر نیز ادامه دارد، و گروه دوم ساختمانهایی هستند که مطابق ضوابط لرزه ای مشخصی طراحی و اجرا شده اند و اکنون بعلت تغییر آن ضوابط و احیاناً افزایش سطح نیروهای طرح و یا تغییر در ضوابط شکل پذیری نیاز به بهسازی دارند.

انتخاب روش مقاوم سازی بستگی به پارامترهای متعددی از جمله نوع سیستم باربر قائم و جانبی، نوع مصالح، تکنولوژی موجود و

نیروهای کار ماهر دارد.معمولاً چنانچه هزینه مقاوم سازی کمتر از 25 درصد هزینه ساخت مجدد سازه باشد، طرح مقاوم سازی اقتصادی تلقی می شود.

1-1-انواع مهم خسارات ناشی از زلزله:]1[

الف-خسارت به اجزای سازه ای :

ساختمانها بسته به نوع ساختار سازه ای مربوطه، درهنگام وقوع زلزله دچارخسارت می شوند .فاکتورهای مهم در تشخیص و تمایز رفتار ساختمانها در برابر زلزله بیشتر به نوع اسکلت سازه بستگی دارند و لذا می توان انواع خسارت های قابل پیش بینی را برای دو دسته ساختمانهای قابی و بدون قاب مشاهده کرد.

ب-خسارت بر اجزای غیر سازه ای :

دریک ساختمان، به علت تأثیر حرکات زمین ، اجزای مستقر در ساختمان ، چه بخاطر سختی زیاد و چه بخاطر داشتن فرکانس طبیعی نزدیک به فرکانس ساختمان، تحت تأثیر نیروهای هستند بزرگتراز مقداری که اگردر تراز زمین بودند به آنها وارد می شد ولذا دراغلب زلزله ها، اجزای غیر ساختمانی که می تواند دارای ارزشهای اقتصادی قابل توجهی نیز باشند، دچارآسیب دیدگیهای جدی می گردند.

1-2-انواع خسارات ناشی از زلزله در ساختمان های بتن آرمه:]2[

قبل از بررسی مقاوم سازی ساختمانهای بتنی، بی شک شناسایی انواع خسارت در ساختمانهای بتنی امری مهم تلقی میشود. انواع خسارات وارده بر اعضاء این گونه ساختمانها به شرح زیر است :

1- ترکهای مورب در هسته، 2- از بین رفتن پوشش بتن، 3–قطعه ، قطعه شدن هسته مرکزی بتن در اثر ترکهای مورب رفت و برگشتی، 4- در رفتن خاموتها به سمت خارج، 5- کمانش آرماتورهای اصلی

ضمن اینکه شرایط و حالتهای شکست زیر نیز در ساختمانهای آسیب دیده بتنی قابل مشاهده هستند:

الف- در رفتن آرماتورها بخصوص در نواحی تنش های متناوب زیاد

ب- شکست برشی مستقیم در اعضای کوتاه یا عضوهایی که به اطراف متصل میشوند وفقط طول کوتاهی ازآنها بطور موثر آزاد است.

ج- ترکهای برشی در ناحیه اتصال تیرو ستون

د-پاره شدن دالها در لبه های غیرممتد و تقاطع با اعضای قائم سخت

ه- ترک خوردگی مورب در دیوارهای برشی، بخصوص بطور متمرکزدراطراف باز شوها .

2-آشنایی با آئین نامه های مقاوم سازی امریکا و آئین نامه مقاوم سازی لزره ای ایران: ]3[

محدوده عملکرد:

این آئین نامه ها را می توان بر ای همه ساختمانهای متعارف بجز ساختمانهای مربوط به نیروگاه ها و سازه های خاص، بدون توجه به اهمیت، سکونت ، ویژگیهای تاریخی، ابعاد یا سایر ویژگی هایی که مطابق معیارهای مقاومت لرزه ای در توانایی خود برای مقاومت دربرابر اثرات زلزله ناقص هستند ، بکارگرفت.

 

2-1-روند اجرای مقاوم سازی نظام مند برای ساختمانهای بتن آرمه

گام اول – بدست آوردن اطلاعات ساخت، مقاومت مصالح و ارزیابی مقاومت در جا :

برای انجام یک تحلیل لرزه ای کامل و طراحی روش مقاوم سازی ، مراحل زیر به ترتیب اولویت می بایست انجام شوند:

1-جمع آوری نقشه های ساختمانی، مشخصات و مضبوطات مربوط به اصلاحات احتمالی دردورا ن بهره برداری، 2-تعیین عمر ساختمان،  3 –  مقایسه  عمر ساختمان  و اطلاعات  نقشه،  4 –  مشخصات  محلی  مصالح از طریق آزمایش های غیر مخرب پایکار،

5- بدست آوردن مصالح نمونه از اعضای موجود برای انجام کارهای  آزمایشگاهی و مخرب،   6-تعیین خواص مصالح از جمله تنش گسیختگی نهایی ، تنش جاری شدن ، کرنش در هنگام گسیختگی و مشخصات هندسی و استاتیکی مقاطع

گام دوم–  بررسی وضعیت ساختمان موجود  برای تعیین اینکه ساختمان دارای سطح مقاومت  لرزه ای مطلوب می باشد یا خیر :

1- سختی برای تحلیل ، 2-  انتخاب یک روش  تحلیلی مناسب با  توجه به محدودیت های  بکارگیری هر یک بر اساس نسبت های

تقاضا- ظرفیت، 3- انجام روش تحلیلی مناسب و تعیین نیروهای داخلی

گام سوم – انتخاب هدف مقاوم سازی با توجه به سطوح بهره برداری و شدت زلزله

گام چهارم–  انتخاب تکنیک مقاوم سازی

گام پنجم– انجام تحلیل مجدد و مقایسه نتایج با معیارهای پذیرش مربوطه تا قبول روش

گام ششم–  تهیه اسناد و مدارک و نقشه های لازم

 

2-2-طبقه بندی روشهای مقاوم سازی: ]4[

الف-روشهای افزایش استقامت سازه

ب-روشهای کاهش تحریک زلزله

 

الف–روشهای افزایش استقامت سازه

افزایش استقامت سازه خود شامل موارد زیر می باشد:

1)افزایش مقاومت

2)افزایش سختی

3)افزایش ظرفیت تغییر شکل و بهبود رفتار پسماند

برای افزایش مقاومت سازه در حالت  کلی می توان  اجزایی را به سازه اضافه  کرد که باعث  افزایش مقاومت می گردند  مانند دیوار

برشی، بادبند،  و میانقاب به سازه، و یا  مقاومت  اجزای موجود را افزایش داد مانند روکش کردن ستونها، گیردار کردن اتصالات، و …

برای افزایش سختی می توان از اجزایی همچون بادبند، دیوار برشی و میانقاب استفاده کرد . باید توجه داشت که افزایش سختی تاثیر زیادی در کاهش تغییر شکل ایجاد شده در زلزله دارد . انواع تکنیکهای ارائه شده برای پوشاندن اتصالات بتنی با ژاکتهای فلزی و الیافی، بادبندهای ضد کمانش، اتصالات اصطکاکی، استفاده ازسیمانهای مخصوص در ناحیه گره ستونهای بتنی،  و …از این جمله اند.

ب) روشهای کاهش تحریک زلزله

روشهای کاهش تحریک زلزله سعی دارند از شدت تحریک وارد شده به سازه بکاهند . این روشها خود به دو دسته تقسیم میشوند:

1) روشهای کاهش تحریک ورودی

2) روشهای کاهش پاسخ

روش عمومی برای کاهش تحریک ورودی به سازه استفاده از عایقهای ارتعاشی است . برای این منظور انواع سیستمهای جداسازی

ارتعاشی سازه تدوین شده است که از آن میان می توان به عایقهای لاستیکی و عایقهای لغزشی اشاره نمود. برای کاهش پاسخ سازه در زلزله نیز تکنیکهای متعددی ابداع شده است که می توان به انواع میراگرها و تکنیکهای کنترل فعال و غیر فعال اشاره کرد.

 

3-پلیمر الیافی ]5[

تحقیقات گسترده ای در خصوص  استفاده از مواد مرکب  شامل الیاف  کربن،  شیشه و آرامید توسط  چسب مخصوص به عضو مورد

نظر به عنوان  روکش ترمیم و تقویت ، انجام گرفته است. اولین تحقیقات انجام شده در این زمینه از اوایل دهه 1980 در سوئیس آغاز

شد و نتایج آن در سال  1991 در تقویت  پلهای  بتن آرمه(1) بکار رفت. از مزایای الیاف کربن می توان به مقاومت بسیار بالای کششی، وزن بسیارناچیز، استحکام بالای خستگی و شکل پذیری بسیار مناسب اشاره نمود و از معایب این الیاف می توان به ترد بودن در شکست، هدایت الکتریکی و قیمت بالا اشاره نمود. الیاف شیشه به علت قیمت مناسب، رایج ترین الیاف مورد استفاده در صنعت است. از مزایای این الیاف می توان به وزن بسیار ناچیز، استحکام کششی نسبتاً بالا، شکل پذیری مناسب، سادگی اجرا، عایق بودن حرارت و الکتریسیته اشاره نمود. الیاف آرامید باخصوصیاتی همچون نقطه ذوب بالا، مقاومت حرارتی عالی و مقاومت بالا در مقابل حلال های آلی شناخته شده اند. البته به علت مخارج بالای سرمایه گذاری اولیه ، تولید و استفاده از این الیاف محدود است. جزء مهم دیگر در استفاده از الیاف، رزین است که برای چسباندن استفاده می شود . رزین های اپوکسی خواص بسیار خوبی داشته وعملکرد مناسبی از خود نشان داده اند. از مهمترین خواص رزین ها می توان به سختی و مقاومت بالا، مقاومت حرارتی مناسب،چسبندگی عالی به بسیاری از مواد مانند فلزات، چوب، بتن، سرامیک و غیره، مقاومت شیمیایی خوب به ویژه در محیط های قلیایی و … اشاره نمود.

 

(1)استفاده از پلیمر الیافی برای تقویت ستونها و تیرها

 

در شکل سمت راست الیاف در زیر تیر برای تقویت خمشی و در نزدیکی تکیه گاه برای تقویت برشی بکار رفته اند

 

3-1-تقویت اجزای بتنی با پلیمر الیافی

الیاف کربن به چند شکل در مقاوم سازی استفاده میشوند:

1) برای افزایش مقاومت خمشی(2)

2) برای افزایش مقاومت برشی(3)

3) برای افزایش محصور شدگی

(2و3)استفاده از پلیمر الیافی برای تقویت خمشی و برشی تیر، تقویت برشی و عرضی میانقاب،تقویت ستون بتنی

 

4- عایقهای لرزه ای]6[

می دانیم  که  تحریک ارتعاشی  زلزله معمولا از ناحیه پی به سازه  اثر می کند.  از این رو اگر بتوان پی را از سازه جدا ساخت، عملا

تحریک زلزله بی اثر می شود. بطور کلی عایقهای ارتعاشی(4) به دو دسته تقسیم می شوند:

1) عایقهای لاستیکی          2)عایقهای لغزشی

1) عایقهای لاستیکی معمولاً به صورت لایه های لاستیکی جداشده با صفحات فولادی و با یک هسته سربی ساخته می شوند. وجود هسته سربی باعث افزایش میرایی است. معمولاً هر عایق لاستیکی دارای ظرفیت معینی برای تحمل جابجایی جانبی است. سختی برشی عایق از عواملی است که توسط طراح تعیین و به فروشنده سفارش داده می شود و کالا بر اساس آن تهیه می گردد. سختی مورد نظر از طریق تحلیل دینامیکی  سازه تعیین میگردد و بستگی به نوع  سازه و زلزله و  میزان کاهش مورد نظر برای نیروهای زلزله دارد.

(4)عایقهای لاستیکی

2) عایقهای لغزشی به دو گروه ساده و برگشت پذیر تقسیم می­شوند. در عایقهای ساده سطح تکیه گاه تخت است و پس از انجام لغزش عاملی برای برگرداندن سازه به وضع اولیه تدارک دیده نشده است اما عایق های برگشت پذیر دارای سطح مقعر یا شیبدار میباشند. وجود تقعر و شیب عاملی برای بازگرداندن سازه به وضع اولیه میباشد. تکیه گاه های لغزشی معمولا از فولاد ساخته می­شود. تفاوت عمده عایقهای لغزشی با لاستیکی در این است که عایقهای لغزشی بطور کامل مانع از انتقال تحریک زلزله به سازه میگردند اما درعوض باید برای سازه امکان تحمل جابجایی بیشتری در محل جداشدگی از پی تدارک گردد.

5- میراگرها و سیستمهای کنترل

طیف گسترده  میراگرها از جمله ابزارهای لرزه ای  هستند که برای کاهش  اثر تحریک زلزله بکار می روند . از دیر باز افزایش میرایی

به عنوان عاملی برای کاهش پاسخ دینامیکی سازه به خوبی مورد توجه قرار داشته است. برای کاهش پاسخ سازه در زلزله، علاوه بر

میرایی طبیعی سازه می توان از ابزارهایی مصنوعی استفاده کرد که میراگر خوانده می شوند. میراگرها انواع مختلفی دارند:

1- میراگر روغنی  ، 2-میراگر اصطکاکی ، 3-میراگر هیسترزیس  ، 4-میراگر موزون

و سیستمهای کنترل به دو گروه فعال و غیرفعال تقسیم میشوند. نمونه کنترلهای فعال عبارتند از:

1)بادبندهای فعال    2)جرمهای متحرک

و نمونه کنترلهای غیر فعال(5) عبارتند از:

1)کابلهای سفت شونده   2)بادبندهای اصطکاکی    3)ابزارهای متکی به فلزهای حافظه دار

اساس کار کلیه ابزارهای میراگر اصطکاکی و روغنی بر آن است که از حرکت ارتعاشی ناشی از زلزله انرژی کسب کنند. درمیراگرهای اصطکاکی جابجایی، و در میراگرهای روغنی سرعت تبدیل به انرژی می شود. نحوه تعبیه این ابزارها برای جذب جابجایی یا سرعت ناشی از زلزله بسیار متنوع است.

(5)میراگرها و ادوات لرزه ای

برای مقابله با تحریک زلزله می توان جرمهایی را در طبقات مختلف سازه و بویژه بام قرارد داد تا در هنگام زلزله بوسیله محرکهای روغنی یا موتورهای الکتریکی دوار به حرکت در آیند. این ادوات توسط رایانه قوی به نحوی کنترل می شوند که در هرلحظه نیروی تولید شده توسط این ادوات به مقدار مناسب و در جهت مخالف نیروی اینرسی ناشی از زلزله عمل می­کند. رایانه مزبور با گرفتن بازخور از نقاط مختلف سازه و تحلیل دینامیکی سازه، در مدت بسیار کوتاهی میتواند نیروی لازم برای مقابله با زلزله را محاسبه و به

ادوات مزبور فرمان دهد. این روش را کنترل فعال می­نامند.

 

 

6- جرم موزون

از  جمله روشهای  کنترل  غیرفعال  استفاده از دستگاه جرم موزون است . اساس این  روش  بر استفاده از خاصیت  تشدید سازه های

هم فرکانس می باشد. معمولا دستگاه مورد نظر را در نقطه ای که دارای بیشترین دامنه  در مد مورد نظر است قرار می دهند و با تنظیم سختی فنر، فرکانس آن را با فرکانس مد مورد نظر هماهنگ می کنند.(6) معمولا این تنظمیها برای مد اول که بیشترین تأثیر را در پاسخ لرزه ای دارد انجام می دهند. بدین ترتیب، در هنگام زلزله با شروع پاسخ مد اول، جرم مزبور به حالت تشدید در آمده و نوسان زیادی در خلاف جهت  سازه اصلی انجام  می دهد و حرکت آن را کند می نماید. همچنین به دلیل این نوسان شدید، انرژی قابل ملاحظه ای

دردستگاه مزبور میرا می گردد. شکل زیر تأثیر نصب دستگاه جرم موزون را در کاهش پاسخ دینامیکی سازه نشان می­دهد.

(6)جرم موزون موجب کاهش چشمگیری در طیف پاسخ سازه شده است

7- پوشش بتنی 

پوشش بتنی رفتار لرزه ای ستونهای بتنی و دیوارهای آجری (7)را بطور چشمگیری ارتقا می­دهد. تاثیرات مهم پوشش بتنی عبارتند از:

1)افزایش مقاومت برشی ستون و دیوار

2)افزایش مقاومت محوری ستون

3)افزایش مقاومت خمشی ستون

4)افزایش مقاومت عرضی(عمود بر صفحه) دیوار

5)افزایش شکل پذیری ستون و دیوار

برای مقاوم سازی دیوارهای بنایی، باید در فواصل مناسب با ایجاد حفرهایی در دیوار و کاشت میلگرد در آن زمینه را برای اتصال پوشش بتنی با دیوار آماده نمود. سطح دیوار قبلا باید کاملا اندود زدایی شده باشد و سپس با نصب شبکه میلگرد بر سطح دیوار و پاشیدن بتن کار دنبال می گردد. شکل زیر کاربرد پوشش بتنی برای تقویت ستون بتنی و دیوار آجری را نشان می­دهد.

 

(7)پوشش بتنی دیوار آجری و ستون بتنی

 

8- میانقاب بتنی

وجود دیوار آجری در داخل قاب فولادی  یا بتنی عملاً  از جابجایی قاب در صفحه خود جلوگیری کرده و در نتیجه  بخشی از نیروی جانبی وارد به قاب به میانقاب منتقل می گردد . مشاهدات، تجربیات گذشته و تحقیقات گسترده نظری و آزمایشگاهی نشان داده است

که مقاومت و سختی این قابها به مراتب بیش از قاب لخت(بدون میانقاب) است. گزارش جامع]6[  از تحقیقاتی که ازسالهای 1948 تا 1990 در این زمینه صورت گرفته مؤید این واقعیت است که اندرکنش قاب و میان قاب تأثیر غیر قابل اغماضی بررفتار سازه دارد. به طور کلی می توان گفت که اندرکنش قاب با میانقاب موجب افزایش سختی و مقاومت از یکسو و افزایش نرمی(شکل پذیری) میانقاب از سوی دیگر می شود و در نتیجه خواص  لرزه ای را به طور چشمگیری  بهبود می بخشد و طراحان می توانند  از میانقاب به عنوان  جزء لرزه بر استفاده کنند. میانقابها را میتوان به سه دسته تقسیم کرد:

1)میانقاب بنایی غیرمسلح

2)میانقاب بتنی

3)میانقاب مرکب

میانقاب بتنی معمولا مقاومت بسیار زیادتری ا ز میانقاب بنایی دارد اما رفتار آن بسیار ترد و شکننده است. تحقیقات اخیر نشان داده است که با افزودن پوشش سیمانی یا بتنی بر روی میانقاب بنایی، و یا ایجاد یک لایه بتنی در درون آن می توان میانقاب چند لایه یا مرکب ایجاد نمود که خواص بسیار جالبی دارد و درواقع ترکیبی از قدرت میانقاب بتنی و شکل پذیری میانقاب بنایی می باشد. با توجه به خواص عالی میانقاب مرکب در سالهای اخیر استفاده وسیعی از آن در طرحهای مقاوم سازی نموده است.

 

9- نتیجه گیری

هنگامیکه با توجه به نتایج حاصله تمام یا بخشی از المانهای سازه ضعیف ارزیابی شدند راهکارهای مختلفی برای مقاوم سازی از قبیل: استفاده از میراگرها و جداسازهای لرزه ای، استفاده از میانقاب یا ایجاد دیوار برشی، استفاده از الیاف مسلح FRP و… وجود دارد. وظیفه اصلی طراحان در این زمینه شناخت بهترین روش از نظر عملکردی و اقتصادی و طراحی نوع و میزان مقاوم سازی و نظارت بر اجرای دقیق آن می باشد. بی شک با انجام چنین کارهایی رسیدن به سطح عملکرد مطلوب و خسارتهای مالی و جانی کمتر به آسانی قابل دستیابی خواهد بود.

10- منابع

1- فلاحی- ک-” آئین نامه مقاوم سازی لرزه ای ساختمانهای فولادی”- پایان نامه کارشناسی ارشد مهندسی سازه – 1379

2- وحید زاده- ع- ر- “مقاوم سازی لرزه ای ساختمان های بتن آرمه”- سمینار کارشناسی ارشد مهندسی سازه- 1378

3- فلاحی- ک- “مقاوم سازی لرزه ای ساختمان های فولادی”- سمینار کارشناسی ارشد مهندسی سازه- 1378

4- مقدم- ح- ” مهندسی زلزله، انتشارات مرکز تحقیقات راه و ترابری”- 1375

5- ISI Canada, 2001, Strengthening reinforced concrete structures with externally-bonded fiber reinforced polymers, ISIS Canada Corporation, Manual No. 4, September

5- مقدم- ح-” مهندسی زلزله، مبانی و کاربرد انتشارات فراهنگ”-فروردین 1381

6-نشریه شماره 390- ” دستورالعمل بهسازی لرزه ای سازه ها”