استحکام بخشی و تقویت سازه ها یکی از قدم های اساسی برای کاهش خسارات است . به عنوان مثال برای کاهش خسارات ناشی از زلزله که بخشی جداناپذیری از حوادث طبیعی است ، به برنامه ریزی های بنیادی نیاز است.تجربه ثابت کرده است که حتی زلزله های کم شدت نیز تاثیرات مخربی بر سازه های تاریخی دارد. مقاوم سازی شامل یهسازی لرزه ای ساختمان های موجود ، و ایمن شدن تحت نیرو های احتمالی زلزله های آینده می باشد .رفتار لرزه ای ساختمان های موجود تحت تاثیر عدم کفایت سازه اصلی ، افت مقاومت مصالح قدیمی و فرسوده شدن المان های باربر در طول مدت عمر ساختمان می باشد.نوسازی کامل این ساختمان ها اکثرا به لحاظ مسائل مالی غیر ممکن می باشد . بنابر این بهسازی ساختمان های صدمه دیده و ندیده یک نیاز مبرم است .بهسازی لرزه ای شامل تقویت سازه می باشد و مقاوم سازی و بهسازی سازه بدون تجزیه ، تحلیل و محاسبات مهندسی و انجام آزمایشات متعدد امکان پذیز نمی باشد.
نیاز یا عدم نیاز به بهسازی
ساختمان هایی که با توجه به درجه ی اهمیت آنها براساس آخرین ویرایش استاندارد ۲۸۰۰ ایران طراحـی لـرزه ای و اجـرا شـده باشند، نیازی به ارزیابی و بهسازی لرزهای براساس این دستورالعمل ندارند مگر آنکه درجـهی اهمیـت فعلـی آنهـا بـیش از میـزان مفروض در طراحی اولیهی آن ها بوده و یا سطح خطر مدنظر با سطح خطر موجود در طراحی اولیه با اسـتاندارد ۲۸۰۰ ایـران متفـاوت باشد. ساختمانهایی که برطبق شرایط فوق قرار است مشمول این دستور العمل نباشند باید دارای کلیـهی اطلاعـات سـاختمانی لازم (اعم از دفترچه ی محاسبات، نقشه های اجرایی و …) باشند.
راهکار های بهسازی
راهکارهای زیر را میتوان به صورت منفرد یا در ترکیب با یکدیگر برای بهسازی ساختمان بهکار گرفت:
-۱ اصلاح موضعی اجزای سازه که دارای عملکرد نامناسبی در زلزله هستند؛
-۲ حذف یا کاهش بی نظمی در ساختمان موجود؛
-۳ تامین سختی جانبی لازم برای کل سازه؛
-۴ تامین مقاومت لازم برای کل سازه؛
-۵ کاهش جرم ساختمان؛
-۶ بهکارگیری سیستمهای جداساز لرزهای؛
-۷ بهکارگیری سیستمهای غیرفعال اتلاف انرژی؛
-۸ تغییر کاربری ساختمان
روش های مختلفی برای تقویت و بهسازی لرزه ای ساختمانها وجود دارد که با توجه وضعیت ساختمان نسبت به اقدام نمود.این روش ها عبارت اند از:
۱) افزایش ظرفیت سازه
- افزایش سختی سازه
- افزایش مقاومت سازه
۲) کاهش نیاز لرزه ای:
- افزایش شکل پذیری
- کاهش جرم
- کاهش نامنظمی
- استفاده از شیوه های نوین دمپر و سیستم های جداساز لرزه ای
بهسازی لرزه ای به معنای بهبود بخشیدن به وضعیت لرزه ای ساختمان های موجود می باشد به گونه ای که هدف اصلی در بهسازی برابر ساختن ظرفیت ساختمان با نیاز لرزه ای است. این امر با افزایش ظرفیت سازه که همراه با افزایش سختی(بادبند و دیوار برشی و…) و مقاومت سازه(ژاکت بتنی و فولادی وFRP و…) است که به آن مقاوم سازی می گوییم؛ و یا کاهش نیاز لرزه ای مانند افزایش شکل پذیری، کاهش جرم و کاهش نامنظمی، استفاده از دمپر، جداساز و… میسر می باشد.
همانطور که می دانیم به مقاومت سازه در برابر تغییر مکان سختی سازه ای می گویند.
انواع سختی ها:
- سختی محوری:سختی محوری میله ای به طول L وسطح مقطع A ومدول یانگ E
- سختی خمشی : این سختی تنها تغییر مکانهای ناشی از خمش را در نظر می گیرد.
- سختی برشی: این سختی شامل تغییر مکان های ناشی از برش می باشد. این سختی برای سازه های با تغییر شکل برشی قابل ملاحظه هستند. مانند دیوار برشی
۱) استفاده از سیستم دیوار برشی در ساخت ساختمان غیر مرتفع جهت بهسازی لرزه ای ساختمان:
دیوارهای برشی در دو انتهای مخالف یک ساختمان ساخته می شوند تا سختی ساختمان را در یک جهت خاص افزایش دهند. دیوارهای برشی به طور خاصی در ساختمان های غیر مربعی مورد استفاده قرار می گیرند تا سختی ساختمان را در جهتی که وزش باد غالب است افزایش دهند. بخش های داخلی ساختمان در این حالت خالی از دیوار برشی است. دیوارهای برشی در مورد سختی پیجشی فقط می توانند حداقل هایی را تامین نمایند.
افزایش ظرفیت سازه همراه با افزایش مقاومت سازه در ارتفاع جهت بهسازی لرزه ای ساختمان :
بالا بردن مقاومت ساختمان در برابر نیروهای وارده اعم از ثقلی و جانبی را مقاوم سازی می گویند.
تاکنون روش های مختلفی جهت مقاوم سازی ساختمان ابداع شده است که با توجه به نیاز های روز افزون جامعه و پیشرفت فناوری و تکنولوژی روش ها و مصالح جدید جهت مقاوم سازی ساختمان بکار گرفته شود و جایگزین روش های سنتی نظیر ژاکت فولادی، ژاکت بتنی، کابل های پس کشیدگی، بادبندها، دیوار برشی، استفاده از صفحات فولادی، تزریق گروت و اپوکسی در ترک هایی با عرض کمتر از ۳ میلی متر، یکمپارچه کردن سقف با استفاده از شبکه فلزی، یکپارچه کردن دیوار با استفاده از نبشی و شبکه ی فلزی و… گردد. امروزه روش های نوینی نظیر جهت مقاوم سازی ساختمان با FRP، صفحات جداساز، استفاده از میراگرها و … جایگزین دیگر روش های سنتی در صنعت مقاوم سازی شده اند.
افزایش مقاومت سازه با استفاده از روش نوین FRP در ارتفاع جهت بهسازی لرزه ای ساختمان :
بهسازی لرزه ای ساختمان با روش FRP بسیار مورد استقبال مهندسین قرار گرفته است. مصالح FRP از ترکیب الیاف و رزین ساخته می شوند، در بهسازی لرزه ای ساختمان با روش FRP از رزین (رزین اپوکسی) برای ایجاد لایه یکپارچه، چسبیدن سیستم FRP به سطح بتن زیرین و ایجاد پوشش به منظور محافظت مصالح استفاده می شود. بهسازی لرزه ای ساختمان با روش FRP مانند دیگر روش های سنتی دارای افزایش ابعاد المان، افزایش وزن سازه، صعوبت اجرا، آسیب رسانی به دیگر اعضای سازه ای، توقف کاربری حین بهسازی لرزه ساختمان و دیگر معایب روش های پیشین نمی باشد. استفاده از FRP به دلیل وزن پایین، سرعت اجرای بالا، مقاومت بالا و عدم ایجاد محدودیت معماری به خصوص در ساختمان های بتنی بسیار مورد توجه می باشد. بهسازی لرزه ای ساختمان با روش FRP علاوه بر مقاوم سازی المان های ساختمان موجب محافظت سازه در برابر عوامل خورنده ی شیمیایی می شود. الیاف FRP مقاومت کششی بسیار بالایی نسبت به ورقه های فولادی دارند. استفاده از FRP موجب افزایش مقاومت خمشی، مقاومت برشی، مقاومت فشاری المان می گردد. همچنین مقاومت در برابر خوردگی و افزایش دوام و عمر سازه، افزایش شکل پذیری و کنترل عرض ترک از دیگر مزایای استفاده از FRP می باشد. از FRP جهت بهسازی لرزه ای انواع المان های ساختمان نظیر تیر، ستون، دیوار، فونداسیون، دال و … می توان به کار برد.
کاهش نیاز لرزه ای سازه جهت بهسازی لرزه ای ساختمان:
کاهش نیاز لرزه ای همراه با کاهش جرم سازه جهت بهسازی لرزه ای ساختمان
در ساختمان هایی که دچار ضعف در سختی جانبی و ظرفیت باربری می باشند از راهکار ها ی مفید برای بهسازی لرزه ای ساختمان کاهش جرم سازه است. با کاهش جرم میزان تغییر شکل و نیروی داخلی ناشی از زلزله کاهش می یابد. می توان با سبک سازی سقف، جایگزینی دیوارهای سبک به جای دیوارهای سنگین، استفاده از بتن های سبک سازه ای، استفاده از یونولیت ها در سقف، بلوکهای سبک به جای آجر، کم کردن طبقات اقدام کرد. تغییر کاربری سازه، خراب کردن طبقات فوقانی، تغییر مصالح استفاده شده در نمای ساختمان، انتقال انبار های سنگین به نقاط دور و … می تواند از دیگر روش های کاهش جرم ساختمان باشد.
کاهش نیاز لرزه ای همراه با کاهش نامنظمی سازه جهت بهسازی لرزه ای ساختمان :
بطور کلی نامنظمی در ساختمان باعث ایجاد پدیده های خاص مانند پیچش در ساختمان ها می شود که نسبت به ساختمان های منظم، عملکرد ویژه ای دارند و بسته به نوع نامنظمی، نوع تحلیل می تواند تغییر یافته و روند تحلیل و طراحی سازه را دشوارتر نماید، بنابراین یک سازه زمانی عملکرد مطلوب تری خواهد داشت که تا حد ممکن نظم را در سازه ایجاد کرده باشیم. برخی از علل ایجاد نامنظمی در ساختمان عبارتند از: تغییر کاربری یک طبقه از سازه (مثلا تغییر کاربری مسکونی به اداری)، قرار گرفتن تاسیسات سنگین در طبقات فوقانی، استفاده از بازشو در طبقات میانی، استفاده از بام به عنوان محل قرارگیری اجرام سنگین می باشد.
نامنظمی در ارتفاع:
نامنظمی هندسی:
برای قوی تر کردن طبقات پایینی افزایش تعداد دهانه های مهاربندی روشی نامناسب می باشد به گونه ای که این امر باعث ایجاد نامنظمی در ارتفاع می شود. بر طبق آیین نامه ۲۸۰۰ اگر ابعاد افقی سیستم باربر جانبی در هر طبقه بیش از %۱۳۰ آن در طبقات مجاور (بالا و پایین) باشد ساختمان نامنظمی هندسی در ارتفاع خواهد داشت.
نامنظمی جرمی:
طبق آیین نامه ۲۸۰۰ اگر جرم هر طبقه بیش از %۵۰ با جرم طبقات مجاور ( بالا و پایین ) اختلاف داشته باشد، ساختمان نامنظمی جرمی دارد. منظور از جرم، جرم لرزه ای موثر بوده و در این کنترل طبقات بام و خرپشته مستثنی می باشند.
نامنظمی قطع سیستم باربر جانبی:
اگر اجزای باربر در یک قاب از یک دهانه به دهانه دیگر انتقال یابد بطوری که جابجایی ایجاد شده بیشتر از یک دهانه باشد باعث نامنظمی در ارتفاع می شود.
نامنظمی در سختی جانبی:
اگر در یک دهانه در دیوار برشی بازشویی ایجاد شود و یا یک مهاربند از مهاربندهای موجود حذف شود باعث می شود. سختی آن طبقه کاهش چشمگیری نسبت به طبقات بالای خود داشته باشد و این مورد می تواند یکی از دلایل ایجاد نامنظمی در ارتفاع سازه باشد. طبق آیین نامه ۲۸۰۰ اگر سختی جانبی هر طبقه کمتر از %۷۰ سختی طبقه روی خود و یا کمتر از %۸۰ متوسط سختی های جانبی سه طبقه روی خود باشد آن طبقه باعث ایجاد نامنظمی در ارتفاع شده و کل ساختمان در ارتفاع نامنظم می شود. برای محاسبه سختی یک طبقه می توان نیروی جانبی F را به سقف آن طبقه وارد کرده و نیرویی به همان اندازه و در خلاف جهت طبقه پایینی اعمال نموده و سختی را بصورت نسبت نیرو به تغییر مکان نسبی در طبقه تعریف کرد.
نامنظمی در مقاومت جانبی:
طبق آیین نامه ۲۸۰۰ اگر مقاومت جانبی طبقه از %۸۰ مقاومت جانبی طبقه روی خود کمتر باشد آن طبقه باعث ایجاد نامنظمی در ارتفاع شده و کل ساختمان در ارتفاع نامنظم می شود.
نامنظمی در پلان:
نامنظمی هندسی:
در صورت وجود فرورفتگی(یا پس رفتگی)در ساختمان اگر اندازه آن در یکی از گوشه های ساختمان در دو جهت بطور همزمان از %۲۰ طول پلان در آن امتداد بیشتر باشد ساختمان نامنظمی هندسی دارد. وجود فرورفتگی و یا بیرون زدگی بیش از حد در پلان ساختمان می تواند باعث آسیب پذیر شدن آن در هنگام زلزله شود (به دلیل حرکت ناهماهنگ ابعاد فرورفتگی). در اعضای طره ای مثل بالکن که فاقد ستون گذاری است در بحث کنترل نامنظمی فرض می کنیم که بالکن وجود ندارد و پلان از نظر هندسی منظم است. در کف های ذوزنقه ای کنترل نامنظمی هندسی صورت نمی گیرد زیرا فرورفتگی بصورت مجزا نبوده و عملکرد سازه هماهنگ است. سازه هایی که دارای نورگیر هستند نامنظمی هندسی ندارند زیرا بازشو فرورفتگی محسوب نمی شود و دو پلان یکپارچه هستند که از نظر هندسی منظم می باشند.
نامنظمی پیچشی:
اگر حداکثر تغییر مکان نسبی در یک انتهای ساختمان از %۲۰ متوسط تغییر مکان نسبی در دو انتهای ساختمان بزرگتر باشد باعث نامنظمی پیچشی می شود. منظور از تغییر مکان نسبی در یک طبقه تغییر مکان یک طبقه نسبت به طبقه زیرین خود می باشد. نامنظمی پیچشی تنها در مواردی که دیافراگم کف ها صلب و یا نیمه صلب است کاربرد دارد. برای محاسبه نامنظمی پیچشی برای زلزله در جهت X از تغییر مکان های جانبی نسبی در راستای X استفاده می کنیم و در جهت Y از تغییر مکان های جانبی در راستای Y استفاده می کنیم. اگر در یکی از جهات X و Y سازه نامنظم پیچشی باشد در مجموع سازه نامنظم پیچشی به شمار می آید.
نامنظمی در دیافراگم:
در استاندارد های لرزه ای به سقف ساختمان دیافراگم گفته شده می شود و به ۳ دسته صلب، نیمه صلب و انعطاف پذیر تقسیم می شود. نقش دیافراگم توزیع نیرو های جانبی وارد بر ساختمان بین اجزای باربر جانبی سازه می باشد. عواملی مانند زیاد بودن مساحت بازشوها و تغییرات زیاد در سختی دیافراگم باعث نامنظمی در پلان ساختمان می شود. نامنظمی در دیافراگم طبق آیین نامه ۲۸۰۰ به دو صورت زیر کنترل می شود:
۱ . اگر مجموع سطح باز شوها در یک طبقه بیش از %۵۰ مساحت کل دیافراگم باشد باعث نامنظمی پلان خواهد شد.
۲ . اگر تغییر ناگهانی در سختی دیافراگم هر طبقه بیشتر از %۵۰ سختی دیافراگم در طبقات مجاور باشد سازه در پلان نامنظم خواهد بود.
در بسیاری از پروژه های معمول اغلب داکت های تاسیساتی از قبل مشخص نبوده و ممکن است در هنگام ساخت اضافه و کم یا بزرگ و کوچک شود به همین علت برای بدست آوردن مساحت باز شوها، مساحت داکت های تاسیساتی را حدود ( %۱- %۵ ) مساحت پلان ساختمان در نظر می گیرند. اگر در پلان فرورفتگی داشته باشیم چون فرورفتگی جزئی از دیافراگم کف نمی باشد بایستی مساحت آن را از مساحت کل دیافراگم کم کنیم.
نامنظمی خارج از صفحه:
در مسیر انتقال بار های جانبی اگر مسیر را از یک صفحه به صفحه دیگر تغییر دهیم از نظر آیین نامه نامناسب بوده و سبب ایجاد نامنظمی می شود.
نامنظمی سیستم های غیر موازی:
یکی دیگر از انواع نامنظمی در ساختمان ، نامنظمی سیستم های غیر موازی است. در پلان زیر به دلیل مایل بودن قاب خمشی مایل در هر دو راستای X و Y سختی داشته و سهمی از نیروی زلزله خواهد داشت که این اتفاق از نظر مهندسی ایده آل نبوده و نامنظمی به حساب می آید یعنی اگر اجزای قائم سیستم باربر جانبی به موازات محور های متعامد اصلی ساختمان نباشد سازه در پلان نامنظم محسوب می شود.
کاهش نیاز لرزه ای همراه با استفاده از سیستم های نوین جداساز لرزه ای و میراگرها جهت بهسازی لرزه ای ساختمان :
امروزه جهت بهسازی لرزه ای ساختمان ها از روش های نوین مانند سیستم جداساز لرزه ای و سیستم میراگر ها مورد استفاده فراوان قرار گرفته است.
جداساز ها:
جداساز های لرزه ای برای ایجاد انعطاف در پایه ساختمان ها در صفحه ی افقی نصب می شوند. علاوه بر جداساز ها از اجزای میران(حرکت کننده) برای محدود کردن دامنه حرکت ناشی از نیروی زلزله استفاده می گردد. نصب ساختمان ها بر روی یک سیستم جداساز لرزه ای باعث جلوگیری از انتقال قسمت زیادی از حرکت افقی زمین به ساختمان می شود(اثر زلزله را تا ۸۰ درصد کاهش میدهد) که این عمل منجر به کاهش شدید شتاب های طبقات و تغییرمکان های بین طبقه ای می شود.
میراگر ها:
میراگر ها اتلاف کننده انرژی لرزه ای به ساختمان ها می باشند. در نتیجه استفاده از میراگر ها سبب می شود که نیروی زلزله به ساختمان وارد نشود. از محاسن این سیستم می توان کاهش تغییر مان طبقات، کاهش شتاب طبقات، کاهش هزینه ساخت سازه و … را نام برد.
یکی از روش های موثر در بهسازی لرزه ای سازه ها میراگر سیستم لرزه ای در سازه ها و ساختمان ها می باشد که در هنگام وقوع زلزله عمل می کند و در تحمل بارهای استاتیکی نقشی ندارند، مقاوم سازی با میراگر یا دمپر بر پایه ی افزایش ضریب میرایی ساختمان بنا شده است، به طور کلی سازه ها عموما ۵% میرایی بحرانی را تامین می کنند اما با استفاده از میراگرهای لرزه ای در کنار المان های باربر جانبی یا اتصالات سازه ای می توان میرایی سازه را تا بیش از ۵۰ درصد افزایش داد. همچنین تاثیر میرایی با کاهش دامنه نوسان و پاسخ ساختمان نسبت به نیروهای وارده می باشد. استفاده از میراگر باعث کاهش جابه جایی کلی سازه، شتاب پاسخ و تغییر مکان جانبی طبقات داخلی می شود و در نتیجه کاهش خسارات سازه ای و غیر سازه ای را در پی خواهد داشت، هدف اصلی میراگر جلوگیری از انتقال مستقیم نیروی زلزله از پی به سازه است. سیستم های جاذب یا به اصطلاح مستهلک کننده انرژی سبب جذب انرژی حاصل از حرکات نیرومند زمین می شود و به سازه اجازه نمی دهد که وارد ناحیه غیرخطی گردد. این عمل باعث مقاومت سازه ها در برابر زلزله های شدید می شود و احتمال فرو ریزش سازه در برابر این زلزله ها به شدت کاهش می یابد. میراگرها راحتی می توان بصورت ترکیبی با سایر روش های مقاوم سازی نظیر جداساز لرزه ای در ساختمان بکار برد.
بکارگیری سیستم های اتلاف انرژی برای کنترل و کاهش تغییر شکل ساختمان یکی از راهکارهای کاهش نیاز سازه و بهسازی آن می باشد. در ساختمان هایی که دارای سختی جانبی کافی نیستند با تعبیهی اجزای جاذب انرژی در سازه می توان تغییر شکل های ساختمان را محدود ساخت. برای این منظور اجزای خاصی طراحی و ساخته شده اند که با ایجاد اصطکاک یا تغییر شکل های خمیری و یا استفاده از خاصیت ویسکوزیته در سیالات، بخشی از انرژی سازه را جذب و مستهلک می کنند و به این ترتیب تغییر شکل های سازه محدود می شود. البته در بکارگیری این سیستمها در بعضی موارد به دلیل افزایش سختی سازه، نیروهای جانبی نیز افزایش می یابند.