اصول مقاوم سازی ساختمانها

- مقدمه

بارهای غیر مترقبه یا غیرمعمول شامل بارهایی می‌باشند که در روش‌های متداول، سازه معمولاً برای آنها طراحی نمی‌گردد. دو گروه عمدة این بارها عبارتند از:

1- بارگذاری ناشی از انفجار

2- بارگذاری ناشی از ضربه و تصادم

انفجار ممکن است در داخل یا خارج ساختمان روی دهد. این انفجارها می‌تواند ناشی از عواملی نظیر موارد ذیل باشد:

1- انفجار بمب

2- انفجار و مشتعل شدن گاز

3- حمل و نقل مواد شیمیایی منفجر شونده یا گاز

4- ملموس ترین نمونه از بار ضربه‌ای، تصادم وسائط نقلیه با سازه می باشد.

در این مقاله ‏‏، عملکرد اجزای ساختمان در برابر بارگذاری ناشی از این قبیل انفجارها و تصادم بررسی می‌شود.

نتایج حاصل از تحقیقات انجام گرفته بر روی نحوة بارگذاری انفجار و بررسی میدانی انجام شده بر روی حجم و میزان خرابی‌های بوجود آمده در حوادث روی داده نشان می‌دهد که بار ناشی از انفجار و تصادم از یک طبیعت دینامیک برخوردار می‌باشد، اما در هنگام طراحی اغلب آن را بصورت استاتیکی فرض کرده و کنترل ها بر آن مبنا انجام می‌گیرد.

طرحی سقف‌ها، دیواره ها و اتصالات مربوط به نحوی که مانع فروپاشی و انهدام ساختمان گردد از اهمیت به سزائی برخوردار است. در این مقاله هدف ارائه روشهایی برای ایمن سازی ساختمانهای مسکونی آجری در مقابل انفجار و تصادم است. برای تحقق این هدف مطالعات در چند مرحله انجام می‌گیرد.

نخست سعی می گردد، ساختمانهای بنایی رایج در کشور دسته‌بندی گردد و مشخصات فنی آنها بویژه از دیدگاه انفجار و تصادم، مورد بررسی واقع شود. سپس کوشش خواهد شد تا بر اساس روشهای متداول و استاندارد برای آنالیز و طراحی ساختمانهای آجری، عملکرد آنها در برابر انفجار و تصادم و نقاط ضعف احتمالی در طراحی‌های معمول Kآنها در آنهامورد مطالعه قرار گیرد.

در نهایت ، بر اساس مباحث بعمل آمده، توصیه‌هایی برای بهبود رفتار و مقاوم‌سازی ساختمانهای بنایی عرضه خواهد شد.

2- دسته‌بندی ساختمانهای آجری

ساختمانهای بنایی شامل کلیة ساختمانهایی است که با مصالح فشاری نظیر آجر، بلوک بتنی، سنگ خشت و امثالهم و ملات بنا گردیده و دیوارهای ضخیم باربر در آنها مسئولیت انتقال وزن سازه و سربارهای موجود را به شالوده دارند. در میان انواع ساختمانهای بنایی،‌ ساختمانهای آجری بویژه در شهرها از فراوانی بیشتری نسبت به سایر انواع برخوردار می‌باشند و لذا تکیة ‌اصلی بحث بر روی این قبیل ساختمانها می‌باشد.

بطور کلی ساختمانهای بنایی به چهار گروه تقسیم می‌گردند.

1- ساختمانهای بنایی غیرمسلح

2- ساختمانهای بنایی نیمه مسلح

3- ساختمانهای بنایی مسلح

4- ساختمانهای بنایی مرکب

خصوصیات کلی این چهار نوع ساختمان، به اختصار بشرح زیر می‌باشد:

1- ساختمانهای بنایی غیر مسلح

این قبیل ساختمانها قدیمی‌ترین و متداولترین نوع ساختمان را در کشور تشکیل می‌دهند و در اکثر شهرها و روستاها بچشم می‌خورند. این ساختمانها در روستاها با استفاده از مصالح محلی مانند خشت خام یا سنگ‌های رودخانه‌ای و با بکارگیری ملات گل ساخته شده و سقف آنها بصورت گنبدی از خشت خام یا تیرهای چوبی پوشیده از گل بنا شده است. اما در شهرها اکثراً از آجرهای فشاری با کیفیت متوسط، و در برخی موارد از بلوک‌های بتنی همراه با ملات ماسه سیمان بنا می‌گردند،‌ و پوشش سقف‌ها را تیر آهن یا تیرچه بلوک، و در ساختمانهای قدیمی تر الوارهای چوبی، تشکیل می دهند. در این ساختمانها، یعنی ساختمانهای بنایی     غیر مسلح، آنچه بطور عمده مقاومت لازم را در برابر بارهای جانبی عمود بر صفحه دیوار تأمین می‌نماید، دیوارهای برگشتی موجود است. در تصاویر (1) و (2) نمونه هایی از این ساختمانها مشاهده می‌گردد که پوشش سقف اولی با استفاده از سیستم تیرآهن و طاق ضربی و دیگری با بکارگیری تیرچه‌های پیش ساخته مسلح و بلوکهای بتنی،‌ انجام شده است.

در احداث این قبیل ساختمانها اکثراً نکات اجرایی بسیاری نادیده گرفته می‌شود از جمله این موارد می‌توان به نکات زیر اشاره نمود:

1- عدم اجرای دیوارهای برگشتی در انتهای دیوارهای باربر و طول کوتاه آنها در صورت اجرا که عملکرد مناسبی را از خود نشان نخواهد داد.

2- اتصال نامناسب دیوارهای باربر با دیوارهای عمود بر امتداد آنها به نحوی که مانع عملکرد دیوارهای مذکور بصورت پشت بند خواهد شد. این قبیل دیوارها یا باید بصورت هشتگیر و با قفل و بست کافی و بطور همزمان احداث گردند و یا آنکه بوسیله میل مهارهای کافی به یکدیگر دوخته شوند.

3- عدم اجرای زیر سری مناسب برای قرار د ادن سیستم سقف بر روی دیوارهای باربر که موجب انتقال و پخش نامناسب بارها از سقف به دیوار و بروز ترکهای برشی در دیوار باربر و در زیر نقاط اعمال بار می‌ گردد. همچنین این امر باعث عدم پیوستگی کافی مابین سقف و دیوار گردیده و سقف در برابر بارهای جانبی می‌تواند از روی دیوار فرار نماید. در ضمن همانطور که در ادامه تشریح خواهد شد، دیوارهای باربر کناری بدلیل عدم اتصال کافی به سقف، بصورت طره عمل نموده و ارتفاع مؤثر آنها در عمل بیش از ارتفاع واقعی دیوار خواهد شد. تصویر(3) نمونة‌ مستندی از فرار دیوار باربر از زیر سقف طاق ضربی و عملکرد طره‌ای دیوار در زلزلة سال 1369 در شهر منجیل را نمایش می‌ دهد. قفل و بست ناچیز دیوار برگشتی نتوانسته است مانع فرار دیوار گردد.

2- ساختمانهای بنایی نیمه مسلح

این دسته از ساختمانهای بنایی مشابه گروه قبل می‌باشند با این تفاوت که جهت بهبود رفتار آنها در برابر بارهای جانبی و تأمین پیوستگی سقف از عناصری مانند کلاف فوقانی و تحتانی استفاده می‌گردد. وجود این کلافها که باید بطور پیوسته دور تا دور ساختمان را فرا گیرد اتصال سقف و دیوارهای باربر را بهبود می‌بخشد و با ایجاد تکیه‌گاه مناسب برای پانلهای دیوار،‌ ارتفاع مؤثر دیوار را در حدود ارتفاع واقعی آن قرار می‌دهد.

در تصویر (4) نمونه ای از این قبیل ساختمانها ملاحظه می‌گردد. چنانچه مشاهده می‌شود در این ساختمان از کلاف افقی تراز سقف بعنوان زیر سری استفاده شده است و تیرآهن‌های سقف طاق ضربی بر روی آن قرار گرفته است. در این روش اجرایی اگر چه بدلیل عدم مهار تیرآهن‌های سقف به تکیه‌گاه‌های جانبی پیوستگی مناسبی در دال سقف ایجاد نمی‌گردد، اما بخاطر وجود کلاف یکپارچة محیطی، ساختمان در برابر بارهای جانبی استحکام بیشتری نسبت به ساختمانهای گروه قبل خواهد داشت. ] لازم به ذکر است این ساختمان پس از زلزلة سال 69 منجیل،‌ سالم برجا مانده است[

3- ساختمانهای بنایی مسلح

در صورتی که علاوه بر تعبیة کلافهای افقی در تراز پی و سقف ساختمان بنایی، با بکارگیری کلافهای قائم در  دیوارهای باربر، کلافهای مذکور را به یکدیگر مرتبط نموده و یا به کمک میلگردهای افقی و قائم دیوارهای برشی تسلیح گردند، ساختمان بنایی مسلح می‌گردد و بخاطر وجود این کلاف بندی،‌ سازه قادر به عملکرد خمشی و برشی خواهد بود. بکارگیری شبکه های میلگرددردیوارهای قائم گرچه مناسب‌ترین رفتار را دربرابربارهای جانبی درون صفحه ای  و عمود بر آن بوجود می‌آورد،‌ اما بدلیل صعوبت اجرا و هزینه‌های نسبتاً بالا،‌ کمتر مورد توجه واقع شده‌اند. بهر حال، آنچه بعنوان یک حداقل در ساخت ساختمانهای بنایی الزام شده است،‌ بکارگیری کلافهای افقی و قائم متصل به یکدیگر است.

لازم به ذکر است که این قبیل ساختمانها را نباید با ساختمانهای اسکلت فلزی و بتنی که در آنها اسکلت باربر مسئولیت انتقال بارها را بر عهده دارد،‌ و دیوارها بصورت میانقابهای پرکننده بکار می‌ روند. اشتباه گرفت.

عملکرد این ساختمانها، بعلت نحوة متفاوت ساخت آنها،‌ با یکدیگر فرق اساسی دارد؛ بطوری که در ساختمانهای با اسکلت باربر پس از احداث اسکلت، قابهای خارجی به وسیله مصالح بنایی پر می‌گردد. اما در ساختمانهای بنایی مسلح، اجرای کلافهای قائم و یا ستونها غالباً بطور همزمان با اجرای دیوارهای باربر انجام می‌گیرد و پس از اتمام احداث دیوارهای خارجی کلاف افقی فوقانی، در تراز سقف بر روی دیوارها قرار گرفته و به کلافهای قائم متصل می‌شود. مثالی از این نحوه اجرا در تصویر  (7) مشاهده می‌گردد.

اجرای مناسب این نوع از ساختمانهای بنایی می تواند مانع بروز معایبی که برای ساختمانهای بنایی غیرمسلح بر شمرده شده، گردد و بر آن اساس یکپارچگی و استحکام کافی برای سازه بنایی فراهم می‌آید.

ایجاد تکیه‌گاه مناسب برای پانلهای دیوار و سقف،‌ توزیع و انتقال بارهای ثقلی و جانبی توسط سقف و دیوارهای پیوسته، و افزایش پایداری کلی سازه در برابر بارهای مختلف، مزیت‌های اجرای صحیح ساختمانهای بنایی مسلح می‌باشد.

4- ساختمانهای بنایی مرکب

ترکیب یکی از سه سیستم فوق با اسکلت بندی معمولاً فلزی و بندرت بتنی که اکثراً برای افزایش فضای مفید ساختمان انجام می‌ گیرد، ساختمانهای بنایی مرکب را تشکیل می دهد. هزینة اجرایی این قبیل ساختمانها که دارای دیوارهای خارجی باربر می‌باشند به مراتب از سازه‌های اسکلت فلزی یا بتنی کمتر می‌‌باشد. در فضای داخلی ساختمانهای بنایی مرکب، برای اجتناب از دیوارهای حائل حجیم باربر، از ستونهای فلزی یا بتنی استفاده می‌گردد و در نتیجه بارهای ثقلی توسط هر دو سیستم دیوار باربر و اسکلت بندی به شالوده منتقل می‌شود. اما تحمل بارهای جانبی بدلیل اتصالات مفصلی تیرها به ستونها،‌ تنها بر دیوارها باربر جانبی محلول می‌گردد تا با عملکرد برشی خود مانع بروز خرابی در سازه گردند. اجرای این قبیل ساختمانها که حجم وسیعی از ساختمانهای بنایی موجود در شهرها را در برگرفته و غالباً بصورت یک یا دو طبقه و در سازه قدیمی‌تر حتی تا چهار طبقه نیز احداث گردیده‌اند، نیازمند رعایت اصول فنی مربوط به هر دو سیستم دیوار و اسکلت باربر بوده و تمهیدات کافی جهت ایجاد پیوستگی لازم در اتصالات و یکپارچگی سازه باید در نظر گرفته شود. تصاویر (5) تا (7) نمونه‌ای از این ساختمانها را نمایش می‌دهند که به ترتیب ساختمان بنایی غیر مسلح، نیمه مسلح و مسلح با اسکلت فلزی داخلی ساختمان تشکیل شده‌اند، که حالت اخیر،‌ مستحکمترین سازه بنایی مرکب را ایجاد می‌نماید.

وجود سیستم باربر مقاوم و مناسب در ساختمان تا حدودی زیادی از فروپاشی و تخریب کامل ساختمان جلوگیری می‌ نماید. بدین ترتیب ساختمانهای بنایی غیر مسلح و نیمه مسلح، در مقایسه با سایر انواع ساختمانها، کمترین مقاومت را در برابر بارهای غیر مترقبه و به خصوص انفجار و تصادم از خود نشان خواهند داد. اگر در این ساختمانها دیوارهای برگشتی اجرا نشده و یا به خوبی به دیوارهای باربر متصل نگردند، دیوارها باربر خارجی که تنها شامل پوشش سقف ساختمان می‌باشد، بصورت دال یک طرفه‌ای در راستای ضعیف دیوار،‌ یعنی عمود بر درزهای افقی دیوار، عمل نموده و در صورتی که بارگذاری ناشی از انفجار بر مقاومت دیوار غلبه نماید،‌ دیوار و در پی آن سقف سازه فرو می‌ریزد. همچنین عدم اتصال مناسب سیستم سقف سازه به دیوارهای باربر اطراف،‌ به خصوص در ساختمانهای بنایی غیرمسلح که فاقد کلاف افقی می‌باشند،‌ امکان حرکت نسبی سقف از روی دیوارها و فروریزی آن‌‌ را افزایش می‌دهد.عدم پیوستگی سقف ودیوارها موجب عملکردطره‌ای دیوار گردیده و برامکان حرکت نسبی سقف و دیوار می‌افزاید. این مسئله در تصویر (8) بطور شماتیک نمایش داده شده است.

سازه های بنایی مسلح بشرط اجرای صحیح و مناسب جزئیات اجرای مربوط و حصول پیوستگی‌های مورد نیاز در اتصالات،‌ کاملترین نوع سازه بنایی را تشکیل می دهند. نحوه صحیح اجرای جزئیات مذکر در اکثر مراجع معتبر اجرایی مانند دستورالعملهای منتشره از سوی سازمان برنامه و بودجه، ذکر شده اند. در این دسته از سازه‌های بنایی وجود کلافهای افقی و قائم عملکرد سازه را در برابر نیروهای جانبی درون صفحه‌ای و عمود بر صفحه به میزان قابل توجهی بهبود می‌ بخشند.

کلافهای افقی پیوستگی مورد نیاز را در سیستم سقف فراهم نموده و از فروریزی آن تا حد زیادی ممانعت می نماید؛ و اتصال مناسب کلافهای افقی و قائم به دیوار،‌ عملکرد دیوار را به سمت دال تختی با تکیه گاه‌های ساده در چهار طرف متمایل می‌کند.

چنانکه ذکر شد ، محصور شدن دیوارهای باربر در کلافهای پیرامون آن، نه تنها بر توانایی مقاومت دیوار در بربر بارهای غیرمترقبه‌ای می‌افزاید بلکه در افزایش توان خمشی و برشی دیوار در مقابله با بارهای درون صفحه ای به ویژه نیروهای ناشی از زلزله، مؤثر می‌باشد.

ساختمانهای بنایی مرکب،‌ که آخرین گروه از طبقه‌بندی انجام گرفته را تشکیل می‌دهند. شرایط بسیار متغیری دارند؛ و بر حسب آنکه از ترکیب کدامیک از سه گروه پیشین سازه‌های بنایی، با اسکلت فلزی یا بتنی ایجاد شده باشند،‌ در برابر بارهای غیر مترقبه عملکرد خاصی از خود نشان می‌دهند. این نوع از ساختمانها بدلیل اتصال نسبتاً مقاوم تیرهای سقف با ستونهای داخلی کمتر دچار ریزش سقف در فضاهای میانی می‌گردند.

3- روشهای مقاوم سازی ساختمانهای آجری در برابر بارهای غیرمترقبه

3-1- روشهای طراحی

همواره ممکن نیست تا آنالیز یک سازة‌ معمولی را برای تحمل بارهای غیرمترقبه‌ای ماند تصادم وسائط نقلیه و یا انفجار بمب و امثالهم انجام دادن، زیرا مکان و حجم بارگذاری ناشی از بروز چنین حوادثی معمولاً غیر قابل پیش‌بینی است، از طرفی در بسیاری از موارد طراحی اعضایی که توان تحمل چنان نیروهایی را داشته باشند پرهزینه و غیراقتصادی خواهد بود. با وجود این، نادیده گرفتن خطر بارهای غیر مترقبه در طراحی ساختمانها نیز می‌تواند به عواقب غیرقابل قبولی بیانجامد.

البته می‌توان بحرانی‌ترین فضاها را که بیشترین میزان وقوع حوادث را بخود اختصاص می دهند، تعیین نمود و مقاوم سازی سازه را حداقل برای آن فضاها انجام داد.

در واقع پس از حادثة انفجار در طبقة هجدهم ساختمان پانلی Ronan Point در سال 1968، در لندن، و فرار یکی از پانلهای خارجی طبقة مذکور، فروپاشی پنج طبقه بالای آن که موجب بروز خرابی پیش رونده تا طبقة همکف ساختمان گردید، توجه محققان بر طراحی ساختمانهای مقاوم در برابر چنین بارهای غیرمترقبه‌ای معطوف گردید.

روشهای مختلف جهت کاهش اثرات مخرب بارهای غیرمترقبه بصورت زیر دسته‌بندی می‌گردند:

1- طراحی برای جلوگیری  از وقوع یا محدود ساختن خطر بارهای غیر مترقبه

2- طراحی در برابر بارهای غیر مترقبه به روش غیر مستقیم

3- طراحی دربرابربارهای غیرمترقبه به روش مستقیم یک طراح بسته به ماهیت طرح سازه،‌ اهمیت آن واحتمال بروزحوادث غیرمترقبه وهمچنین اطلاعات و آگاهی‌های موجود، می‌ تواند یکی از این روشهای طراحی را که درذیل تشریح خواهند شد، انتخاب نموده و بکار بندد.

3-2- طراحی برای جلوگیری از وقوع یا محدود ساختن خطر بارهای غیرمترقبه

مقصود از این قسم طراحی آن است که احتمال بروز خرابی در سازه با حذف یا دور نمودن علل و منابع وقوع حادثه به حداقل برسد. بدین معنی که مثلاً با ممانعت از ذخیره مواد قابل انفجار در ساختمان از وقوع انفجارهای مخرب پیشگیری شود و یا با اتخاذ روشهای حفاظتی خاص،‌ مانند ایجاد حصار و مانع در مجاورت نقاط حساس ساختمان،‌ از تصادم وسائط نقلیه با آن جلوگیری بعمل آید،

3-3- طراحی در بربر بارهای غیرمترقبه به روش غیرمستقیم

در روش طراحی غیر مستقیم طراح سعی می‌نماید با ایجاد حداقل استحکام لازم، پیوستگی و شکل پذیری قابل قبولی برای سازه در مقابل نیروهای غیرمترقبه فراهم آورد. در واقع درا ین روش،‌ طراحی بطور مستقیم بر پایة بارگذاری انفجاری و تصادمی و حوادث مترتب بر آن انجام نمی‌گیرد و صرفاً تدابیری عملی برای حفظ ایمنی و یکپارچی ساختمان اعمال می گردد. در این راستا،‌ اقدامات زیر جهت سیستم دیوارها، سقف و اتصالات قابل اعمال است...