بررسي عملكرد لرزه اي در اجزاء سازه آثار زيانبار ناشي از جرم زياد
عملکرد دیوارها :
آثار زيانبار ناشي از سختي جانبي كاذب ميانقابهاي بنايي متداول
آثار زيانبار ناشي از روشهاي نادرست اجرايي (اتصالات نامناسب اجزاي غيرسازه اي)
طراحي ايمن زلزله با سیستم LBF
زلزله هاي بزرگ و ويرانگر هر از چند گاهي بخشي از كره زمين را به لرزه درآورده و موجب تلفات و خسارات جاني و مالي فراوان مي گردند. تنها طي يك قرن اخير حدود 1000 بار زلزله به صورت مخرب در جهان روي داده و بيش از يك ميليون نفر را به كام مرگ كشانده است. آنچه كه در اين ميان نگران كننده است اين كه حدود 20 درصد زمين لرزه هايي كه طي اين مدت در دنيا رخ داده است به ايران مربوط مي شود و حدود 80 درصد تلفات ناشي از زلزله نيز مربوط به 6 كشور دنيا از جمله ايران است. كشور ايران بر روي كمربند جهاني زلزله آلپ و هيماليا واقع شده است (شكل 1). بررسي ها نشان مي دهد كه بيش از 90 درصد از خاك ايران زلزله خيز است (شكل 2) و اكثر شهرهاي ايران را خطر وقوع زلزله هاي شديد تهديد مي كند. آمارها نشان مي دهند كه به طور متوسط در هر دهه، زلزله اي با قدرت بالاي 7 ريشتر در ايران رخ مي دهد و در سه دهه اخير، افزون بر 130 هزار نفر از هموطنانمان بر اثر زلزله جان خود را از دست داده اند.
وقوع اين حوادث موجب شد كه بازنگريهايي در صنعت ساختمان كشور صورت پذيرد و استفاده از مصالح و ساختارهاي سبك و انعطاف پذير در اجزاي سازه اي و غیر سازه ای ، به عنوان راهكاري موثر در ساخت بناهاي ايمن در برابر زلزله، در دستور كار قرار گيرد.
بر طبق (آيين نامه 2800 زلزله ايران). استفاده از اجزاي غيرسازه اي سنگين و صلب باعث افزايش نيروهاي وارده از زلزله گرديده و تاثير منفي بر رفتار لرزه اي سازه ها دارد، به طوري كه اين آثار مي توانند موجب نابودي كامل ساختمانها شوند.
يكي از ساختارهاي مناسب جهت اجراي اجزاي سازه ای و غيرسازه اي مانند ديوارهاي داخلي و خارجي، نماها و سقفهاي كاذب، سيستمهاي ساخت و ساز خشك (Drywall Systems) مي باشد. ساختار كلي سيستمهاي ساخت و ساز خشك، شامل صفحات روكش دار گچي (و يا صفحات مسلح سيماني) و مقاطع فولادي سبك مي باشد، كه اين صفحات به عنوان پوشش و مقاطع فولادي در اجزای غیر سازه ای به عنوان زيرسازي و در اجزای سازه ای به عنواسیستم باربر سازه عمل مي نمايند. در حال حاضر بيش از 90 درصد ساختمان سازيها در كشورهاي پيشرفته جهان با استفاده از اين ساختارها انجام مي شود. در ابتداء اين فناوري توسط شركتهایی به عنوان اجزای غیر سازه ای به ايران وارد شده و تاكنون پروژه هاي بسياري در سطح كشور با موفقيت اجرا شده است و ما اکنون از این مصالح جهت ساخت سیستمی کاملا سازه ای استفاده نموده ایم.
- آثار زيانبار ناشي از جرم زياد
1 . 1 : اثر كلي بر سازه
اگر معادله پايه در محاسبات مهندسي زلزله سازه ها را قرار دهيم، درمييابيم كه آزاد شدن ناگهاني انرژي پوسته زمين در مرز بين گسلها (زلزله) باعث حركت يا شتاب زمين مي شود كه خود به صورت يك نيروي موثر خارجي به سازه اعمال مي گردد. اين نيروي خارجي سبب تحريك عكس العملهايي در سازه به صورت نيروهاي اينرسي ، نيروهاي ميرايي و نيروهاي سختي مي شود. اما نكته قابل توجه اين است كه جرم مهمترين نقش را در ايجاد نيروهاي زلزله در سازه ها ايفا مي كند. به عبارت ديگر، بدون وجود جرم، حركات ديناميكي سازه وجود نخواهند داشت. هر قدر كه جرم بيشتر باشد نيروي زلزله بزرگتري به سازه وارد مي شود. مسلماً حذف جرم در ابنيه غيرممكن است، ولي مي توان با به كارگيري مصالح نوين، مقدار آنرا به حداقل رساند. بررسيها نشان مي دهد كه ديوارها در سازه های LBF ، 50 ـ 80 % از ديوارهاي بنايي متداول سبكتر هستند.
به طور كلي، سبك سازي موجب مي شود كه شتاب زلزله كمتر بر ساختمان اثر كند و نيروهاي مخرب ناشي از زلزله كاهش يابند. بررسي موردي يك ساختمان هفت طبقه نشان مي دهد كه استفاده از ديوارهاي سبك در سازه های LBF به جاي ديوارهاي سنگين بنايي، موجب كاهش وزن ساختمان به ميزان %70 و كاهش نيروي زلزله به ميزان %85 شده است. به لحاظ اقتصادي، سبك سازي موجب مي شود كه مخارج تامين ايمني سازه در برابر زلزله كاهش يابد. سبك كردن اجزاي غيرسازه اي علاوه بر اينكه نيروهاي جانبي ناشي از زلزله را كاهش مي دهد، نيروهاي قائم (بار مرده) وارده بر ساختمان را نيز كاهش داده و در نتيجه پي و مقاطع مورد نياز براي تامين ايستايي سازه بسيار بهينه و اقتصادي مي گردند.
1 . 2: اثر موضعي بر اجزاي غيرسازه اي
به كارگيري ديوارهاي سنگين، نه تنها جرم كلي ساختمان را افزايش مي دهد و باعث هدايت نيروهاي بيشتري از زلزله به سازه مي شود، بلكه سبب مي شود كه اين اجزا به خاطر وجود جرمهاي زياد، تحت اثر شتاب زلزله، در امتداد عمود بر صفحه خود دچار ناپايداري و انهدام خارج از صفحه شوند؛ خصوصاً وقتي كه اين اجزا با وجود وزن زياد، به سازه مهار نشده باشند.
اجزاي غير سازه اي بايد خود در مقابل زلزله مقاوم باشند. آزمايشات نشان مي دهد كه ديوارهاي که دارای قابهای فولادی (زیرسازی) میباشند، به خوبي در برابر شتابهايي به بزرگي بيش از g0.5 مقاومت دارند. اين در حالي است كه شتاب مبناي طرح در زلزله خيزترين مناطق ايران حداكثر g35/0 در نظر گرفته مي شود. عوامل مهمي كه باعث پايداري ديوارهاي در سازه LBF شده است، وزن بسيار كم و ساختار تركيبي لايه هاي پوششي با سازه هاي فولادي سبك به كار رفته در آنها مي باشد.
اثر موضعي نيروهاي ناشي از زلزله بر روي اجزاي غيرسازه اي به خصوص ديوارها را بايد جدي گرفت. فروريزي ديوارها همواره خطري مرگبار براي انسانها به حساب مي آيد و آوارهاي به جاي مانده از تخريب زلزله، دسترسي و امداد رساني را به آسيب ديدگان دشوار مي سازد و مسلماً هر چه حجم و گستردگي آوار بيشتر باشد، شانس نجات و زنده ماندن مصدومين نيز كاهش مي يابد. به علاوه، چنانچه ديوارهاي بنايي نقش باربري را در ساختمان داشته باشند، فروريزي آنها موجب نابودي كل بنا خواهد شد.
- آثار زيانبار ناشي از سختي جانبي كاذب[1] ميانقابهاي بنايي متداول
اثرات مثبت سبك سازي، به عنوان يكي از راهكارهاي مؤثر در افزايش ايمني ساختمانها در برابر زلزله، خوشبختانه در كشور به خوبي شناخته شده است. اما متأسفانه آنچه كه معمولا در تحليل و طراحي سازه ها مدنظر قرار نمي گيرد، اثرات اجزاي غيرسازه اي، به ويژه سختي پركننده هاي ميانقابي، بر رفتار كلي سازه است. در عرف تحليل و طراحي، اثرات متقابل ديوارهاي ميانقابي و اسكلت ساختمان در نظر گرفته نمي شود؛ اما در عمل اين اجزا وجود دارند و اثرات قابل توجهي بر رفتار لرزه اي سازه ها دارند (در اين صورت مدل سازه در هنگام تحليل، با رفتار واقعي سازه مغايرت خواهد داشت). اين اجزا در ناحيه ارتجاعي، سختي جانبي سازه را به مقدار قابل توجهي افزايش مي دهند. بنابراين به علت وجود همين سختي غيرماندگار و كاذب اوليه، بارهاي بزرگ پيش بيني نشده اي در هنگام وقوع زلزله به سازه وارد مي شود كه اجزاي سازه براي مقابله با آنها طراحي نشده و مقاومت كافي در برابر آنها را ندارند و به همين دليل، ساختمان ممكن است ويران شود. از سوي ديگر، از آنجا كه خود ميانقابها جهت مقابله با اين نيروها طراحي نشده اند، مقاومت كافي در برابر بارها و ضربات متوالي را نداشته و تخريب مي شوند.
لذا جهت حل اين معضلات، يا بايد ديوارهاي ميانقابي در مدل سازه به عنوان اجزاي سازه اي در نظر گرفته شوند و محاسبه گردند و اثرات متقابل ميان آنها و سازه ملحوظ گردد؛ يا بايد با تمهيداتي، ديوارهاي ميانقابي را از اسكلت سازه مجزا نمود و يا از ساختارهايي استفاده شود كه داراي انعطاف كافي در برابر حركات زلزله باشند. رعايت اين توصيه ها، به ويژه در اجراي ساختمانهاي مهم و بلند مرتبه، اهميت فراواني دارد (آيين نامه 2800 زلزله ايران). ذيلاً به بررسي برخي آثار ناشي از صليب پركننده هاي ميانقابي، در رفتار لرزه اي ساختمانها مي پردازيم:
2 . 1 : تشديد پاسخ ديناميكي سازه: استفاده از ديوارهاي ميانقابي صلب، باعث افزايش سختي جانبي سازه (در ناحيه ارتجاعي) و كوتاه شدن دوره تناوب طبيعي آن مي شود كه در اين صورت،اثر زلزله ورودي به سيستم تغيير نموده و پاسخ ديناميكي سازه تشديد مي گردد.
2 . 2 : اثر طبقه نرم: اگر پركننده هاي ميانقابي صلب در ارتفاع توزيع غيريكنواختي داشته باشند، اين امر مي تواند باعث تمركز ناخواسته و پيش بيني نشده نيروها در يك تراز (طبقه) خاص شود و با اعمال نيرو و ضربه هاي متوالي موجب ناپايداري و انهدام كلي سازه مي شود. (شكل 1) در ساختمانهاي چند طبقه كه به صورت پيلوتي ساخته مي شوند مشاهده شده است كه در طبقات فوقاني، ديوارهاي ميانقابي مانند بادبندهاي قوي عمل نموده و بخش فوقاني سازه را
سخت مي نمايند، در حالي كه در طبقه زيرين (پيلوت) ديوارهاي كمتري به كار رفته و آن سختي وجود ندارد. در نتيجه در هنگام وقوع زلزله، صلبيت طبقات فوقاني سازه موجب انتقال نيروهاي بيشتري به طبقه نرم تحتاني گرديده و ساختمان عملاً از پايه درو مي شود. (شكل 2)
[1] . واژه سختي كاذب به اين علت در مورد ديوارهاي ميانقابي بنايي بكار مي رود كه در شروع زلزله، سختي جانبي موقت و گذرايي در برابر حركت جانبي سازه از خود نشان مي دهند و سپس با خرد شدن اين ديوارها، سختي مذكور از بين مي رود.
2 . 3 : اثرپيچش: اگر پركننده هاي ميانقابي صلب در پلان توزيع نامتقارني داشته باشند، اين امر باعث ايجاد پيچش ناخواسته و پيش بيني نشده در سازه مي شود. اين عامل خود موجب تغيير توزيع نيروها در اجزاي باربر جانبي مي گردد و عدم بررسي اين موضوع مي تواند باعث ناپايداري و انهدام كلي سازه شود. (شكل 3)
2 . 4 : شكست انفجاري ديوارها: اگر ديوارهاي پركننده به طور صلب به قاب سازه اي متصل شده باشند، ديوار به تبعيت از تغيير شكل قاب، تغيير شكل مي يابد. اگر ديوار تحمل تغيير شكل بيش از حد را نداشته باشد، به صورت انفجاري گسيخته مي گردد (شكل 4). دليل اين امر، سختي بالاي مصالح بنايي سنتي مي باشد كه باعث ورود بيش از حد نيروهاي زلزله به ديوار مي شود. شكل 5 مكانيزم عمومي مقاومت و شكست ديوارهاي ميانقابي را نشان مي دهد.
اگر در ديوارهاي ميانقابي از مصالح و ساختارهاي انعطاف پذير استفاده شود، اثرات فوق الذكر در طراحي قابل صرف نظر كردن خواهند بود. در عمل، پركننده هاي ميانقابي از مصالح سخت مانند بلوكهاي بتني، سفالي و آجر ساخته مي شوند كه اثرات فوق الاشاره در آنها قابل ملاحظه است؛ در صورتي كه دیوارها در سازه LBF كاملاً انعطاف پذير بوده واین دیوارها بخشی از سازه ساختمان را تشکیل داده و کلیه اجزای سازه ای آن در محاسبات مدل میگردد. در اين حالت، کلیه حرکات و نوع رفتار دیوارها به دقت محاسبه شده و عملکرد نامطلوب اجزای غیر سازه ای وجود ندارد.
. آثار زيانبار ناشي از روشهاي نادرست اجرايي ( اتصالات نامناسب اجزاي غيرسازه اي)
يكي از مسائلي كه مي تواند در هنگام وقوع زلزله بسيار خطرآفرين باشد، عدم رعايت اصول اجرايي صحيح مربوط به اتصال ديوارها به سازه و همچنين عدم ايجاد اتصال مناسب در قطعات نما، سقفهاي كاذب و سقفهاي تزئيني معلق مي باشد. همان گونه كه قبلاً اشاره شد،ديوارهاي سنگين تحت اثر شتاب زلزله ممكن است دچار ناپايداري خارج از صفحه شوند. اين پديده به خصوص در محلهايي كه اتصال مناسب ميان ديوار و سازه صورت نگرفته باشد، تشديد مي گردد. در ديوارهاي LBF ، به دليل سبكي وزن از يك سو و ايجاد اتصالات مناسب ميان ديوار و سازه از سوي ديگر، اين پديده رخ نمي دهد و خطر فروريزي ديوارها بر ساكنين و ايجاد آوار برطرف مي گردد.
يكي ديگر از خطرات جدي در هنگام وقوع زلزله، جدا شدن و فرو ريزي قطعات نما است. در ايران معمولا از قطعات سنگ و آجر پلاك در نماها استفاده مي شود كه به صورت دوغابي بر بدنه ديوارهاي خارجي اجرا مي شوند. عدم وجود اتصال مناسب ميان اين قطعات و بدنه ديوارهاي خارجي موجب مي شود كه در هنگام وقوع زلزله، جابجايي و لرزشها تحمل نگشته و نما فرو بريزد. (شكل 6) حتي در صورت استفاده از اندودهاي كم ضخامت در نما (مانند نماهاي سيماني)، ممكن است كل بدنه ديوار خارجي ساختمان دچار گسيختگي انفجاري يا ناپايداري خارج از صفحه گردد، كه در اين صورت نيز خطر فروريزي نما وجود خواهد داشت. يكي از راه هاي حل مشكلات فوق الذكر، استفاده از سيستم ساخت و ساز خشك ديوارهاي خارجي ساختمان مي باشد. اين ساختار متشكل از قابهاي فولادي سازه با رفتار سه بعدی و صفحات مسلح سيماني موسوم به Aquapanel مي باشد. (شكل 7) يكي ديگر از مزاياي اين ساختار، استفاده از عايق پشم معدني مي باشد كه به طور همزمان موجب بهسازي حرارتي و صوتي ساختمان مي شود.
در انتها لازم است به معضل ساخت سقفهاي كاذب و سقفهاي تزئيني معلق با استفاده از رابيتس و گچكاري سنتي اشاره نماييم. اين ساختار از يك سو سنگين بوده و از سوي ديگر معمولا در اجراي اتصالات و مهارهاي شبكه نگهدارنده معلق توجه كافي صورت نمي گيرد. در نتيجه در هنگام وقوع زلزله، شبكه نگهدارنده در محل اتصالات از بدنه اصلي ساختمان جدا شده و كل ساختار فرو مي ريزد يا تكانهاي ناشي از زلزله موجب مي شود كه سقف كاذب به ديوارهاي مجاور خود ضربه وارد نمايد و آنها را تخريب كند. با استفاده از سيستمهاي سقفهاي كاذب در سازه LBF ، خطرات فوق الذكر مرتفع مي گردد. این سقف ها سبك بوده و داراي اتصالات و مهارهاي استاندارد و مستحكم مي باشند. آزمايشات نشان مي دهد كه سقفهاي كاذب با این نوع زیر سازی فولادی به خوبي در برابر شتابهايي به بزرگي g5/0 از خود مقاومت و پايداري نشان مي دهند.
- بررسي عملكرد لرزهاي ديوارها در سازه LBF
در بررسي نتايج مطالعات لرزهاي بر روي ديوارهاي LBF كه در شكل زير مورد مطالعه قرار گرفته و مشخص مي گردد كه ديوارها در سازه های LBF داراي مزاياي زير مي باشند:
ـ وزن بسيار كم در مقايسه با ديوارهاي بنايي
ـ پايداري موضعي و استحكام در برابر نيروهاي زلزله
ـ رفتار ايدهآل با توجه به انعطافپذيري و جزئيات اجرايي مناسب جهت تشکیل سازه با عملکرد سه بعد
ـ عدم شكست انفجاري و عدم ايجاد آوار
مطابق با نمودار زير مشخص مي شود كه ديوارهاي LBF ، %50 ـ %80 از ديوارهاي معمولي سبكتر هستند. ديوارهاي بنايي غيرباربري كه در ساختمانها استفاده مي شود، حداقل بين 65 – 265 كيلوگرم بر مترمربع وزن دارند؛ در صورتي كه مي توانيم همان بهره را از ديوارهاي LBF بگيريم كه فقط 40 كيلوگرم بر مترمربع وزن دارند ( 25 ـ 225 كيلوگرم اختلاف در وزن واحد سطح ديوار، رقم بسيار بزرگ و قابل توجهي است).
- بررسي عملكرد لرزهاي سقفهاي معلق كناف در سازه LBF
سقفهاي كاذب كناف سبك بوده و داراي اتصالات و مهارهاي استاندارد و مستحكم مي باشند (شكل 12). آزمايشات نشان مي دهد كه سقفهاي كاذب كناف که در سازه های LBF جهت پوشش داخلی سقفها اجرا میگردند، به خوبي در برابر شتابهايي به بزرگي g 5/0 از خود مقاومت و پايداري نشان مي دهند. (جدول 4)
- 4. بررسي عملكرد ديوارهاي کناف در سازه های LBF به عنوان ديوار برشي
با به كارگيري اتصالات مناسب، ديوارهاي کناف در سازه های LBF عملكرد مناسبي به عنوان ديوار برشي از خود نشان مي دهند. به كمك اين نوع ديوارها مي توان در مقابل بارهاي جانبي نظير باد و زلزله به نحو مؤثري مقابله كرد و از اين ساختارها در بازسازي بناها و يا احداث ساختمانهاي جديد استفاده نمود.
نتايج آزمايشات براي ديوارهاي با زيرسازي چوبی در جدول 5 نشان داده شده است. در اين جدول ظرفيت باربري جانبي ديوار بر اساس تركيبات مختلف اعم از تعداد لايه هاي پوششي، فاصله ستونک ها ، فاصله اتصالات، نوع پوشش و ارتفاع ديوار نشان داده شده است. همچنين نتايج آزمايشگاهي براي ديوارهاي با زيرسازي فولادي در جدول 6 نشان داده شده است.
در جدول 7 ظرفيت برشي ديوارهاي كناف در سازه های LBF با ديوارهاي بنايي مقايسه شده است. در اين جدول ملاحظه مي گردد كه مقاومت برشي ديوارهاي كناف با ديوارهاي بنايي قابل مقايسه است. اين در حالي است كه وزن ديوارهاي برشي كناف به مراتب از ديوارهاي بنايي كمتر است.
كاربرد اصلي ديوارهاي برشي كناف در سازه هاي فولادي سبك موسوم به
LBF (Light box Framing) مي باشد. در اين سيستم سازهاي، از مقاطع فولادي قوطی شکل سبك با اتصالات جوشی استفاده مي شود. اين سيستم سازه اي توسط گروه صنعتي LBF ایران توليد و عرضه مي گردد.
