به کار‌گیری فناوری‌های نوین سازه‌ای برای کاهش خطرات زلزله

به کار‌گیری فناوری‌های نوین سازه‌ای برای کاهش خطرات زلزله

مسعود شهبازی نیا مدیر تحقیق و توسعه شرکت ساختمانی باستان پل (BastanPol.com)

“زلزله، خوی زمین است نه خشم آن،برای در امان ماندن از آسیب،تدبیر باید “

چند ماهای است زلزله های پی‌درپی در نقاط مختلف کشورمان،آرامش را از ساکنان ایران گرفته است،لرزه‌ها و پس‌لرزه‌های متعدد،خرابی سازه‌ها و اجزای غیر سازه‌ای،مرگ و مصدومیت هم‌وطنان، دلهره و اضطراب کودکان و بانوان،ترس و واهمه از مرگ ناگهانی و گذران زندگی در پارک‌ها و خودروها مناظر آشنای این روز و شب‌ها در مناطق زلزله‌زده است.

زلزله های متعدد پدیده جدید و ناشناخته‌ای نیستند،در شرق آسیا به صورت روزانه و هفتگی زمین‌لرزه اتفاق می‌افتد به صورتی که این پدیده به جزئی از زندگی مردم تبدیل شده است و گویی مردم با زلزله آشتی کرده اند و آن را پذیرفته اند. در زمان زلزله خیالشان آسوده است که سکونت گاه‌هایشان و رویشان آوار نمی‌شوند، با اطمینان خاطر آرامش خود را حفظ می کنند تا لرزش ها تمام شود و سپس به زندگی عادی خود ادامه می‌دهند.

این دستاورد نتیجه تلاش مهندسان و محققان و توجه مسئولان آن کشورها به موضوع ساخت و ساز است در حالی که متاسفانه در ایران ساختمان‌ها با فناوری‌های قدیمی و منسوخ ساخته می‌شوند و این موضوع عامل بسیاری از آسیب ها و مرگ و میرها بوده و کیفیت و عملکرد ساختمان ها به قدری نازل است که با زلزله های کمتر از شش ریشتر نیز تخریب می شوند.

اوضاع از آنجا وخیم‌تر می شود که نه تنها خانه‌های مسکونی آسیب می بینند بلکه حیاتی ترین سازه‌ها مانند بیمارستان ها ،پادگان‌ها،سازمان ها و ادارات که بایست مامن شهروندان در مواقع بحرانی باشند نیز تخریب شده و از حیز انتفاع خارج می شوند. تنها راه گذر از وضعیت فعلی و مواجهه موفق با تهدید زلزله به کارگیری فناوری های روز دنیا و مواد و مصالح در تراز جهانی است.

گروه مهندسین مشاور باستان پل از شرکت های پیشرو در زمینه ارائه فناوری های نوین ساختمانی و طراحی سازه‌های مقاوم در برابر زلزله است که با سابقه‌ای بیست ساله در زمینه طراحی،نظارت و اجرای ساختمان ها هدف خود را ارتقای کیفیت ساختمان و تولید ساختمان های مقاوم در برابر تهدید های طبیعی مانند زلزله تعیین نموده است . از حوزه های اصلی گروه مهندسی باستان پل طراحی ساختمان های مقاوم در برابر زلزله با به کارگیری جداسازهای لرزه ای است.

این شرکت با همکاری شرکت های معتبر تولید کننده جداگرهای لرزه‌ای، برای کاهش اثرات ناشی از زلزله بر سازه،راهبردهای فنی و مدیریتی متعددی ارائه میکند.

در روشهای مرسوم طراحی طراحی، به دلیل تغییر شکل‌های غیر خطی در اعضای سازه ای و غیر سازه ای امکان بروز خرابی و وقوع آسیب وجود دارد و سازه پس از زلزله های شدید به دلیل تخریب اتصالات و تغییر شکل‌های ماندگار، عملا غیر قابل استفاده خواهد بود. با پیشرفت دانش فنی و تجربه زلزله های شدید، تغییرانی در آیین نامه‌های طراحی  سازه ها به وجود آمده و ضمن تغییر در فلسفه طراحی سازه‌ها،فناوری هایی همچون جداسازی لرزه‌ای به کار گرفته شده است. با استفاده از این روش میزان آسیب های لرزه ای به اجزای سازه‌ای به کمترین حد ممکن کاهش می یابد. در این روش، سازه از تکیه گاه‌های خود جدا شده و بر روی تکیه گاه هایی که قابلیت تغییر شکل جانبی زیادی دارند، قرار می گیرد. در صورت وقوع زلزله، عمده تغییر شکل‌ها در تکیه گاه رخ داده و سازه با تغییر شکل‌های کوچکی ارتعاش می‌کند. استفاده از این فناوری سبب بهبود رفتار سازه‌ها شده و رفتار سازه در حین زمین لرزه های بزرگ، عمدتا در محدوده ارتجاعی باقی می ماند در این سیستم به جای مقابله با زلزله در ساختمان ها، سازه را با زلزله همراه می کنیم. یعنی در مواقعی که زلزله به وقوع می پیوندد، سازه ما به جای اینکه مثل یک جسم صلب با نیروهای زلزله مقابله کند، در ارتعاشات با زلزله همراه می شود. نیروهای زلزله را جذب می کند و سازه میرا می شود.

استفاده از جداگرهای لرزه‌ای در سال های اخیر در موراد بسیاری مورد استفاده قرار گرفته شده است. مطابق نتایج آزمایشگاهی، سازه‌های مجهز به این فناوری پاسخ لرزه‌ای کمتری نسبت به سازه‌های معمول خواهند داشت و سازه می تواند عملکرد بسیار بهتری داشته و پس از زلزله بدون وقفه به خدمت رسانی خود ادامه دهد. شرکت مهندسین مشاور باستان پل در پروژه‌های متعددی به ارائه خدمات طراحی بر اساس جدا گرهای لرزه‌ای پرداخته است و امید دارد با بهره گیری از دانش فنی روز دنیا و افزایش آگاهی عمومی بتواند همگام با کشورهای پیشرفته دنیا، ساختمان های ایمن و با دوام برای هم‌وطنانمان طراحی و اجرا کند.

مهاربند کمانش تاب (BRB)

مهاربند کمانش تاب (BRB)

سازه‌های واقع در مناطق لرزه‌خیز نیازمند سیستمی در جهت مقاومت دربرابر بارهای جانبی زلزله هستند. این سیستم باید علاوه بر مقاومت و سختی کافی، اقتصادی نیز باشد و بتواند در تحریکات شدید رفتار غیر ارتجاعی زیاد به جهت جذب و مستهلک کردن انرژی از خود نشان دهد. از نظر تاریخی، مهاربندها از پایان قرن ۱۹ تاکنون برای پایداری جانبی اکثر ساختمانهای بلند دنیا مورد استفاده بوده‌اند. به عنوان مثال مجسمه آزادی که در سال ۱۸۸۳ در نیویورک ساخته شد، یکی از سازه‌های مهاربندی شده بزرگ است. در سه دهه بعد از آن تعداد زیادی ساختمان بلند با قاب فولادی مهاربندی شده در شیکاگو و نیویورک ساخته شد. ساختمان ۷۵ طبقه وولورد به ارتفاع ۲۴۱ متر که در سال ۱۹۱۳ تکمیل گردید رکورددار ساختمانهای بلند در آن زمان بود.

از سیستم‌های باربر جانبی رایج و موثر مقاوم در برابر نیروی جانبی، می‌توان قاب‌های مهاربندی جانبی را نام برد. استفاده از قاب‌های مهاربندی شده به اوایل قرن بیستم میلادی باز می‌گردد. سختی، مقاومت و اقتصادی بودن قاب‌های مهاربندی شده باعث شده که این سیستم‌ها یکی از رایج‌ترین سیستم‌های باربر جانبی در ساختمان‌های فولادی در مناطق با خطر لرزه‌خیزی بالا باشند.

طراحی سیستم‌های مهاربندی در محدوده ارتجاعی غیر اقتصادی است. بنابراین این سیستم‌ها در ناحیه تغییر شکل‌های غیرارتجاعی طراحی می‌شوند. طراحی سیستم به نحوی است که مهاربند در نیروهای فشاری بزرگ، کمانش غیرارتجاعی کند و در نیروهای کششی بزرگ تسلیم شود.

ایده مهاربندهای کمانش تاب اولین بار در ژاپن در سال ۱۹۷۱ مطرح شد. او برای جلوگیری از کمانش عضو فولادی پیشنهاد کرد که این عضو می‌تواند مابین پانلهای بتنی تحت فشار قرار گیرد. این سیستم مهاربندی پس از زلزله نرثریج در آمریکا مورد استقبال و پذیرش واقع شد و در فاصله‌ی نسبتا کمی در آیین‌نامه‌های آمریکا معرفی و ضوابطی برای آن ارائه شد.

در مهاربندهای کمانش تاب هدف مقابله با آثار نامطلوب ناشی از کمانش مهاربند فشاری است.

این طرح چند سال بعد توسط یک تیم تحقیقاتی ژاپنی، اصلاح گردید و منجر شد به آنچه امروزه به عنوان مهاربند کمانش‌تاب می‌شناسیم. طی این تحقیق رفتار نوعی مهاربند متشکل از هسته فولادی محصور شده در داخل حفاظ فولادی که از ملات پر شده است مورد بررسی و آزمایش قرار گرفت. ایده اصلی این طرح جداسازی تحمل بار فشاری توسط هسته مرکزی و جلوگیری از کمانش این هسته توسط حفاظ فولادی بود. رفتار هسته فولادی در داخل حفاظ کاملا به سختی نسبی هسته و حفاظ فولادی وابسته است.

نوع دیگری از مهاربندهای کمانش تاب، مهاربندهای کمانش تاب تمام فولاد است. در این مهاربندها هسته داخلی بین مکانیزم کمانش تاب ساخته شده تمام فولاد محصور شده بنابراین از هزینه‌ی ملات جلوگیری می شود. زمان ساخت کوتاه‌تر شده و می توان بعد از زلزله به منظور بازرسی به راحتی جدا کرد.

اجزای تشکیل دهنده‌ی مهاربند کمانش‌تاب به شرح زیر می‌باشد :

بخش تسلیم شونده مهار شده : این بخش فولادی می تواند دارای مقطع مستطیلی یا صلیبی باشد. این بخش به منظور تسلیم شدن در هنگام بارهای سیکلی طراحی می‌شود. فولاد نرم که شکل‌پذیری بالایی دارد در این بخش مطلوب است.
بخش تسلیم نشدنی مهار شده : این بخش که از طریق ملات اینکسینگ محصور شده است، معمولا ادامه بخش تسلیم شونده مهار شده است اما برای اطمینان از رفتار ارتجاعی مساحتش زیاد است.
بخش تسلیم نشدنی مهار نشده : این بخش معمولا ادامه بخش تسلیم نشدنی مهار شده است که به منظور اتصال مهاربند به قاب مورد استفاده قرار می گیرد.
عامل جداکننده و ماده منبسط شونده : ماده خنثی مثل لاستیک که می‌تواند انتقال نیروی برشی بین فولاد محصور شده و ملات مورد استفاده را حذف کند و یا به حداقل برساند.
مکانیزم کمانش‌تاب : این مکانیزم از ملات یا فولاد محصور کننده مثل یک مقطع تو خالی تشکیل شده است.

شکل 1: اجزای تشکیل دهنده یک مهاربند مقید در برابر کمانش

شکل 2: اشکال مختلف مقطع یک مهاربند مقید در برابر کمانششکل 3: ایده‌ی یک نوع مهاربند BRB

مزایای مهاربندهای کمانش‌تاب

برخی از مزایای مهاربندهای کمانش‌تاب عبارتند از:

  • هم در کشش و هم در فشار بدون کمانش جاری می‌شوند، درنتیجه توانایی جذب انرژی بالا رفته و طی زلزله‌های شدید آسیب کمتری به میانقاب‌ها و اجزای غیرسازه‌ای وارد می‌شود.
  • امکان تعویض آسان مهاربند آسیب‌دیده پس از یک زلزله‌ی بزرگ وجود دارد.
  • بسیار انعطاف‌پذیرند، چون امکان تنظیم مقاومت و سختی آن‌ها به آسانی امکان‌پذیر است.
  • امکان تنظیم ابعاد مهاربند به منظور یکسان نمودن نیاز و ظرفیت لرزه‌ای وجود دارد در نتیجه احتمال تمرکز خسارت در یک طبقه کاهش می‌یابد.
  • در هزینه‌های اجرای اسکلت صرفه‌جویی می‌شود.
  • در مقایسه با قاب‌های خمشی سختی جانبی الاستیک بالاتری دارند و ضوابط تغییر مکان نسبی در آئین‌نامه‌‌های لرزه‌ای را به راحتی ارضاء می‌کنند.
  • مدل کردن رفتار چرخه‌ای این مهاربندها به منظور تحلیل غیرخطی آسان است.
  • مقاومت مهاربند در فشار بیشتر از کشش است، چون نیروی محوری در فشار از هسته به مکانیسم جلوگیری از کمانش انتقال می‌یابد.

معایب مهاربند کمانش تاب (BRB):

با وجود تمام مزایای مهاربندهای BRB، معایبی نیز وجود دارد که در ادامه به آن‌ها اشاره شده است:

  • پارامترهای مورد نیاز طراحی BRB های ساخته‌شده توسط شرکت‌های مختلف، متفاوت است.
  • آیین‌نامه برای تشخیص میزان خسارت وارده بر این مهاربندها، انجام آزمایشاتی را ضروری می‌داند.
  • هنوز معیاری برای تشخیص میزان خسارت وارده بر این مهاربندها و تشخیص نیاز به تعویض آنها از سوی مراجع رسمی معرفی نشده است.
  • در زمین‌لرزه‌های بزرگ تغییر شکل‌های ماندگار بزرگی در سیستم ممکن است ایجاد شود، زیرا فاقد مکانیزم بازگرداننده است.
  • مشکلات زیاد اجرایی ناشی از بتن‌ریزی در محل و همچنین سنگینی مهاربند وجود دارد.
  • امکان بازرسی هسته‌ی مهاربند پس از زمین‌لرزه‌های شدید وجود ندارد.
  • سختی غیرالاستیک BRB ها نسبتاً کم بوده و در هر چرخه نسبت به چرخه‌ی پیش کاهش می‌یابد.

طراحی بر اساس عملکرد

طراحی بر اساس عملکرد

منظور از طراحی بر اساس عملکرد، روش طراحی لرزه‌ای، رویکرد کلی در چگونگی اثر دادن زلزله در طراحی سازه‌ها است. این بخش سعی دارد تا نشان دهد که این رویکرد به مرور زمان دقت و جامعیت بیشتری پیدا کرده است.

روش‌های مبتنی بر نیرو

روش‌های طراحی سنتی ساختمان‌ها در برابر زلزله از قدیم بطور معمول بین مهندسین عمران رواج داشته است. هدف از ایجاد این روش‌ها، طراحی سازه‌ها در برابر زلزله به شکلی ساده و بدون نیاز به انجام محاسبات پیچیده مهندسی بوده است. در مقایسه با روش‌های جدیدی که از چند دهه قبل در مهندسی زلزله مطرح شد، این روش‌ها را می‌توان روش‌های مبتنی بر نیرو نامید؛ زیرا در آن‌ها نیروی مشخصی به عنوان نماینده اثر زلزله توأم با بارهای ثقلی به سازه اعمال می‌شود.

در ایران نیز اولین آئین نامه زلزله در سال ۱۳۱۱ شمسی در پی زلزله بوئین زهرا انتشار یافت.

ویرایش اول، دوم، سوم، و چهارم استاندارد ۲۸۰۰ ایران نیز به ترتیب در سالهای ۱۳۶۷، ۱۳۷۸، ۱۳۸۳، و ۱۳۹۴ شمسی تصویب و ابلاغ شد.

چهارچوب کلی این روش بر اساس محاسبه یک تقاضای نیرویی مشخص با مقدار معین و طراحی اعضای سازه با قابلیت تحمل آن نیرو بنا شده است. در زیر برخی خصوصیات این دیدگاه در طراحی لرزه‌ای بطور اجمالی اشاره شده است:

  • در آئین ‌نامه‌های مبتنی بر روش فوق، ایمنی جان سکنه به وسیله تضمین فرو نریختن و وارد نشدن خسارات عمده به سازه‌ها در برابر سطح خاصی از زلزله بیمه شده است.
  • در این روش، اگرچه رفتار غیرخطی سازه معتبر شناخته شده و از آن در طراحی استفاده می-شود؛ اما این رفتار با شبیه‌سازی یک رفتار خطی معادل غیر واقعی جایگزین می‌شود. این کار به نوعی در نظر گرفتن رفتار غیرخطی به شکل ضمنی و غیر مستقیم است.
  • عملکرد سازه در این روش‌ها در حین و پس از زلزله طرح بطور کیفی و کلی تعریف شده و از بیان جزئیات رفتار مورد انتظار سازه و اجزای آن چشمپوشی شده است.
  • یکی از رویکردهای اصلی در این روش، استفاده از یک ضریب رفتار (R) برای کاهش تقاضای لرزه-ای وارد بر سازه است. با بکار بردن این ایده که متضمن لحاظ نمودن ظرفیت شکل‌پذیری سازه در تحمل بار است، نیروهای مورد استفاده در تحلیل، ماهیتی انتزاعی و غیرحقیقی به خود می‌گیرد که گاهی از آن به شبه نیرو تعبیر می‌شود.
  • در این آیین‌نامه‌ها برای در نظر گرفتن انتظارات بیشتری که از رفتار برخی ساختمان‌ها نظیر بیمارستان‌ها در هنگام وقوع زلزله می‌رود از یک ضریب اهمیت (I) استفاده می‌شود. این ضریب باعث افزایش نیروی طراحی برای این دسته از ساختمان‌ها می‌شود.
  • در آیین نامه ۲۸۰۰ علاوه بر ضوابط نیرویی ضوابطی برای کنترل سختی سازه از طریق کنترل تغییر مکان‌های سازه نیز ارائه شده است.

نسل اول روشهای مبتنی بر عملکرد

آنطور که اشاره شد، روش‌های طراحی لرزه‌ای معمول با ساده سازی یک رفتار پیچیده دارای جزئیات فراوان، امکان وارد کردن سازه به قلمرو غیرخطی را برای عموم مهندسین حتی بدون انجام تحلیل‌های پیچیده و استفاده از ابزارهای محاسباتی پیشرفته فراهم می‌کردند.

از حدود دهه ۸۰ میلادی روش‌های مبتنی بر عملکرد در مهندسی زلزله راه یافت. روش‌های مبتنی بر عملکرد با شناسایی سطوح متفاوت از زلزله، توجه خود را به عملکرد سازه در زمان زلزله و پس از آن معطوف می‌دارد.

هدف کلی در این روش‌ها کاهش آسیب‌های وارده به اعضای سازه‌ای و غیرسازه‌ای از طریق تقسیم‌بندی سطوح مختلف برای عملکرد اجزای سازه تحت سطوح متفاوت از زلزله ورودی است.

در این روش‌ها رسیدن به یک رفتار مطلوب از سازه، به عنوان عملکرد مورد انتظار مطرح شده است. به عنوان مثال بر اساس یکی از عملکردهای مفروض، انتظار می‌رود که سازه در مواجهه با سطح خاصی از زلزله طوری رفتار کند که با جلوگیری از فروریزش کلی، جان ساکنین حفظ شود. چنین عملکردهایی در قالب سطوح عملکردی زیر توصیف می‌شود:

  • عدم فروریزش در زلزله‌های بزرگ خیلی نادر
  • تأمین ایمنی در زلزله‌های بزرگ نادر
  • پذیرش خسارت محدود و قابل تعمیر در زلزله‌های متوسط
  • بدون خسارت در زلزله‌های کوچک و متناوب

این سطوح عملکردی به طور مستقیم با ورود اجزای سازه به قلمروی غیرخطی مرتبط است. هر اندازه که این ورود بیشتر باشد، سازه خسارت بیشتری را متحمل شده و عملکرد نامطلوبتری از خود نشان خواهد داد (شکل ۱).

شکل 1: ورود سازه به قلمروی غیرخطی متناظر با پذیرش سطوح بالاتری از خسارت

سطح عملکردیتوصیف وضعیت خسارت
۱- قابلیت استفاده بی وقفهخسارات سازه­ای ناچیز، کارایی سیستم­های اصلی، خرابی­های جرئی در کل سازه
۲- ایمنی جانیوقوع خسارت محتمل سازه­ای، عدم فروریزش، وجود سطح کمینه برای خطر سقوط، خروج اضطراری مناسب
۳- آستانه فروریزشخسارات سازه­ای شدید، فروریزش ابتدایی، احتمال خطر سقوط، دسترسی محدود

روش‌های عملکردی در قیاس با روش‌های سنتی، امکانات بیشتری در اختیار طراحان قرار داده و با افزایش پارامترهای دخیل در طراحی و رصد دقیقتر رفتار سازه، به دیدگاه طراح وسعت بیشتری می‌بخشد.