مقاوم سازی سازه‌های مدفون
سازه‌های مدفون
با توجه به سوابق لرزه خیزی کشور و همچنین نحوه احداث بناها، کشور در سال‌های گذشته و همچنین داشتن پتانسیل بالا در اکثر شهرهای پر جمعیت کشور برای وقوع زلزله، لازم است مسئله مصون سازی جامعه از آثار زلزله به طور جدی مورد توجه قرار گیرد. نابودی سرمایه‌های ملی و انسانی بر اثر زلزله‌های مخرب، لزوم توجه به مقاوم سازی ابنیه و ساختمان‌های موجود را اجتناب ناپذیر می‌کند. در چند دهه اخیر تحقیقات زیادی در زمینه مهندسی زلزله صورت گرفته است.
تأمین ایمنی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود باید درالویت برنامه‌های کلان کشور قرار گیرد. از جمله روش‌هایی که در کشورهای مختلف جهت مقابله با تهدیدات ناشی از موج و قدرت تخریبی زلزله‌ها و انفجارات صورت گرفته، به کارگیری سازه‌های بتنی، سازه‌های مرکب، دیوار‌حائل، حفاظ‌های بتنی، سازه‌های مجازی و موارد مشابه است.
سازه‌هایی که با آئین نامه‌های متداول طراحی شده‌اند از لحاظ تأمین امنیت و سلامت جانی عملکرد خوبی دارند اما میزان خسارت وارد بر این سازه‌ها (بخصوص سازه‌هایی مثل بیمارستان و مراکز درمانی که کارآئی آنها با اهمیت است) بالا بوده و از لحاظ اقتصادی تعمیر و مرمت آنها توجیه ندارد. آئین نامه‌های طراحی کنونی سازه‌ها در برابر زلزله عمدتاً با هدف کاهش تلفات جانی ناشی از زلزله تدوین شده‌اند و تجارب حاصل از زلزله‌های اخیر نیز نشان دهنده کارآمدی آنها در زمینه کاهش تلفات ناشی از زلزله است. ولی زلزله‌های بزرگ سال‌های اخیر نشانگر آن است که میزان خسارت‌های سازهای و غیرسازه‌ای در برخی موارد بسیار شدید بوده و خسارات مالی سنگینی را به دنبال داشته است.
با توجه به تعداد و گستردگی سازه‌های آسیب پذیر در برابر زلزله در سطح کشور بودجه و زمان بسیار زیادی لازم است تا تمامی این سازه‌ها نوسازی و جایگزین شوند. لذا مقاوم سازی سازه‌های موجود با تدابیری که حداقل هزینه و حجم مصالح و زمان را نیاز داشته باشد، تنها و بهترین راه حل جهت جلوگیری از فجایع و مصیبت‌های آتی است.
سازه‌های مدفون مانند نیروگاه سدها که در تونل قرار دارند، به واسطه آن که یکی از عناصر مهم در شریان‌های حیاتی هستند، باید به گونه‌ای طراحی شوند که در مدت زلزله و بعد از آن هم بتوانند عملکرد خود را داشته باشد. بنابراین دستیابی به روش یا روش‌هایی جهت بهسازی لرزه‌ای سازه‌های مدفون که در برابر زلزله به اندازه کافی مقاوم نیستند، می‌تواند بسیار مهم باشد.
اصطلاحات و مفاهیم مختلف
اصطلاحات و مفاهیم مختلف در ارتباط با ارتقاء سطح لرزه‌ای و مقاوم سازی ساختمان‌ها به کار برده میشوند اما تعاریف واحد و کاملاً مشخصی برای آنها ارائه نشده‌اند.
مقاوم سازی
تجدید یا جایگزین کردن عنصری نو در قسمتی از ساختمان موجود جهت بالا بردن ظرفیت سازهای نسبت به ساختمان اصلی به طوری که عملیات انجام شده باعث میشود مقاومت و شکلپذیری ساختمان تقویت شده، نسبت به ساختمان اولیه بالا رود.
ترمیم
تجدید و یا جایگزین کردن قسمتی نو در ساختمان خسارت دیده و یا رو به زوال رفته، جهت بدست آوردن سطح مقاومت و یا شکل پذیری برای ساختمان قبل از خسارت دیدگی.
دوباره مدل کردن
تجدید و یا جایگزین کردن قسمتی نو درساختمان موجود که صاحب ملک بخواهد کاربری آن را عوض کند.
بهسازی
شامل مقاوم سازی، ترمیم و دوباره مدل کردن میشود.
توان بخشی
تجدید و یا جایگزین کردن قسمتی نو در ساختمان خسارت دیده جهت دستیابی به همان سطح بهره برداری که ساختمان قبل از خسارت دارا بوده است.
بازسازی
بازسازی ساختمان‌ها در یک منطقه مشخص اکثرا جهت بناهای تاریخی بکار می‌رود که شامل ترمیم و مقاوم سازی میشود. به منظور بهبود رفتار لرزه‌ای ساختمان‌ها در برابر نیروهای زلزله لازم است ظرفیت لرزه‌ای ساختمان موجود و ظرفیت لرزه‌ای مورد نیاز برای تقویت تخمین زده شود و چگونگی رسیدن به ظرفیت مورد نیازمشخص شود.
هدف از مقاوم سازی ابنیه زیر زمینی
یکی از اساسی‌ترین کارکردهای مقاوم سازی در ساختمان‌های ایمن حفاظت از آن ساختمان در برابر بارهای احتمالی است. مواردی چون شدت آسیب پذیری، هزینه مالی و مقدار عملیات مورد نیاز شاخصه‌های اصلی در مقاوم سازی ابنیه بخصوص ابنیه زیر زمینی است، جهت دستیابی به این شاخصه‌ها، می‌توان هر کدام را به شرح زیر بسط داد.
آسیب پذیری
آسیب پذیری عبارت است از مقدار آسیب پذیری سازه در برابر زلزله و اهمیت آن سازه. به عنوان مثال هرچه ساختمانی مهمتر یا آسیب پذیرتر باشد، نیاز به ایمن سازی مؤثر تر،بیشتر احساس میشود.
هزینه مالی
صرف هزینه مالی تا جایی معقول و بهینه است که ارزش هزینه صرف شده برای حراست ساختمان با توجه به تجهیزات موجود در آن و کارکرد آن ساختمان در مواقع مختلف برابر باشد.
مقدار عملیات مورد نیاز
در بعضی مواقع هزینه از اهمیت کمتری برخوردار بوده و امکان انجام مقاوم سازی به دلایلی نظیر زمانبری زیاد و عدم وجود امکانات غیر ممکن است. لذا با توجه به قابل اجراشدن مقاوم سازی، طرح تهیه شود.
روش‌های متداول مقاوم سازی سازه‌های مدفون
طرح‌های مختلفی برای مقاوم سازی سازه‌های مدفون در مقابله با زلزله وجود دارد. البته هر یک دارای خصوصیات و روش‌های خاص خود هستند. ولی یکی از مشکلات این طرح‌ها، هزینه‌های سنگین آنها است. که اغلب با افزایش عمق همراه است. از آنجایی که امواج زلزله بخش و کاهش انرژی است. لذا افزایش عمق، تا حدودی ایمنی را افزایش می‌دهد. در مقابل استفاده از این راه، باعث کاهش بهره برداری سازه در شرایط بهره برداری و افزایش هزینه ساخت میشود. از سوی دیگر لایههای مختلف زمین، بخشی از امواج زلزله را که به فرکانس طبیعی لایه نزدیکتر است تقویت می‌کند و عدم توجه به این مطلب در هنگام طراحی، خسارت‌های جبران‌ناپذیری را به همراه دارد. به دلایل اقتصادی عموماً تدابیرفوق الذکر در سازه‌های مدفون، به طور کامل لحاظ نمی‌شود.
اثر موج در خاک
خواص امواج زلزله با عبور از محیط‌های مختلف دگرگون میشود. فرکانس‌های بالا به سرعت میرا شده و فرکانس‌های پایین تا مسافت‌های دورتر پایدار می‌مانند. از سوی دیگر لایههای مختلف زمین بخش‌هایی از طیف فرکانس را که به فرکانس طبیعی لایه نزدیکتر است تقویت می‌کنند. در صورتی که لایه‌هایی در زمین وجود داشته باشند که فرکانس آنها از طیف اصلی فرکانس لرزه، دورتر باشد موج تقویت نشده و مستهلک میشود. لذا جنس خاک پی نقش مهمی بر مستهلک نمودن موج و انرژی و در ضمن پایداری سازه در اثر نیروهای استاتیکی و دینامیکی دارد.
استهلاک موج
افزایش ضریب استهلاک موجب کاهش نیروهای زلزله در زمین میشود.
ضریب استهلاک در مصالح خاکی متفاوت است و می‌تواند بین ۱۰ تا ۲۰ متغیر باشد که ناشی از عوامل مختلفی است.
- رفتار پسماند
- اصطکاک ناشی بین ۲ سطح سازه و خاک
- لزجت داخلی ذرات – اصطکاک – تخلخل بین ذرات ومقاومت خارجی آب در ذرات خاک
در خاک‌های دانه‌ای استهلاک ناشی از اصطکاک، از عوامل دیگر مهمتر است. این مطلب هم قابل ذکر است که عبور موج در محیط متخلخل همراه با توزیع انرژی است.
بار گذاری زلزله بر سازه
روش‌های مقاوم سازی در برابر انفجار، نسبت به زلزله، کم خرج‌تر و امکان پذیرتر است اغلب از ارتعاشات انفجاری جهت بررسی خواص زمین لرزه‌ای سازه‌های مختلف بهره گیری میشود. رفتار یک ماده منفجره بر یک سازه، عموماً با کمک ۲ عنصر مهم مطالعه میشود.
- اندازه قدرت انفجار، که با TNT سنجیده میشود.
- فاصله منبع انفجار تا هدف
فشار امواج حاصل از انفجار پس از گذشت از بازه زمانی انفجار به صورت تصاعدی کاهش می‌یابد. طبق آزمایشات انجام شده، این فشار مثبت حتی می‌تواند به فشار منفی تبدیل شود که در این صورت تشدید خرابی را به همراه خواهد داشت. زیرا در اثر این فشارهای منفی سازه، در معرض نیروهایی در جهت مخالف قرار می‌گیرد. با رخ دادن انفجار، (با قدرت معین بر حسب TNT)، در سطح زمین یا نزدیک به آن، حداکثر فشار حاصله از این انفجار کروی به صورت تابعی از فاصله نسبت به منبع گسترش دهنده نزول می‌کند. وقتی که موج زلزله یا انفجار به سازه می‌رسد، سازه در معرض فشار بازتاب و نتایج بارگذاری، که ممکن است بسیار پیچیده باشد، قرار می‌گیرد. هر چند که این بارگذاری بسیار پیچیده است ولی باز هم موج انفجار بر اساس بارگذاری قابل محاسبه است. موج زلزله که قبل از برخورد به صورت فشاری بوده، پس از برخورد و انعکاس تبدیل به موج کششی میشود. بیشترین آسیب به ساختمان در اثر این موج کشش است.
اثر موج زلزله بر بتن
امواج زلزله در قسمت‌های مختلف دیواره سازه منتشر شده و پس از رسیده به سطوح آزاد دیواره‌ها منعکس و پراکنده میشوند. این امواج که قبل از برخورد به صورت فشاری بودند، پس از برخورد و انعکاس تبدیل به موج کششی میشوند. انعکاس موج تنش در بدنه سازه‌های بتن آرمه باعث به وجود آمدن پدیده‌ای به نام قلوه کنشدگی میشود که به عنوان یکی از عوامل مخرب سازه‌های امن ساخته شده از بتن به شمار می‌رود. برای مقابله با این پدیده چند روش مورد استفاده قرار می‌گیرند.
راهکار پیشنهادی برای سازهای مدفون در برابر زلزله
در هنگام ارائه راهکارهای جدید برای مقاوم سازی زلزله‌ای و یا انفجاری سازه، باید موارد متعددی در نظر گرفت که اهمیت آن سازه در جای نخست قرار دارد. یکی از سازه‌های بسیار مهم در هر کشور مراکز زیر زمینی نظامی و یا غیر نظامی است که اصطلاحاً به آن سازه‌های امن گفته میشود. هر چند هزینه مصرفی در جهت مقاوم سازی این سازه ها ممکن است بسیار زیاد باشد، ولی با توجه به کاهش خسارت‌های مالی و جانی که در صورت بروز حادثه رخ می‌دهد، قابل توجیه است.
لذا با توجه به مطالب بالا به کار بردن روش‌های نوین مقاوم سازی جهت ایمنی و کم هزینه شدن مقاوم سازی سازه‌های امن ضرورت دارد. برای مقاوم سازی این گونه سازه‌ها، نیازمند به راهکارهای بهینه است.
مواد کامپوزیت پلیمری (FRP )
این مواد بطور کلی ترکیبی از دو ماده الیاف و رزین هستند که در آن الیاف عامل ایجاد مقاومت و رزین عامل ایجاد پیوستگی و یکپارچگی الیاف و همچنین عامل توزیع و انتقال یکنواخت بار به الیاف است. وظیفه محافظت از الیاف و اتصال آنها به سطح و انتقال نیرو از سازه به الیاف نیز بر عهده رزین بوده در حالی که وقتی الیاف با رزین مورد استفاده قرار می‌گیرند، مقاومت کششی آن به ۲ الی ۳ برابر مقاومت کششی فولاد کاهش می‌یابد. این مواد تنوع بسیار زیادی دارند ولی در زیر چند مورد از آنها اشاره میشود.
- مواد کامپوزیت پلیمری با الیاف کربن (CFRP)
- مواد کامپوزیت پلیمری با الیاف آرامید (AFRP)
- مواد کامپوزیت پلیمری با الیاف شیشه (GFRP) رایج ترین نوع است ولی در برابر مواد قلیایی آسیب پذیر است. (E-Glass)
- الیاف شیشه مقاوم در برابر قلیایی ها AR-Glass
دلایل استفاده از این گونه مواد
- قابلیت افزایش مقاومت در جهت دلخواه
- مقاوم در برابر خوردگی و فرسودگی
- وزن بسیار کم (برای تقویت دیوار برشی، وزن دیوار اضافه نخواهد شد و در نتیجه نیازی به تقویت پی نیست)
- مقاوم در برابر بارهای متناوب، دینامیکی و تکراری (استفاده در پل‌ها به دلیل خستگی ناپذیر بودن)
- افزایش رفتار شکل پذیر سازه
- سرعت به کارگیری و نصب بالا
- رفتار تقریباً یکسان از لحاظ انبساط و انقباض با بتن
- قابلیت حمل آسان
- صرفه اقتصادی (علیرغم بالاتر بودن قیمت واحد خود مواد کامپوزیت نسبت به مصالح دیگر، به دلایل زیر استفاده از این مواد در مقاوم سازی به صرفه است)
- وزن کم و عدم نیاز به تقویت پی‌ها
- ضخامت تمام شده کم و عدم کاهش زیر بنای مفید ساختمان
- سرعت نصب بالا و عدم نیاز به ماشین آلات سنگین و پر صدا
- مقاوم در برابر خوردگی و عدم وجود هزینه نگهداری
میراگر اصطکاکی
این میراگر بعنوان قسمتی از سیستم مهاربند جانبی، شامل صفحات فولادی است که به یکدیگر بولت شده و عموماً در قسمت وسط مهارربند X شکل قرار می‌گیرد. سیستمی نظیر این میراگرها وجود دارد که می‌توان آن را به وسیله اتصالاتی در محل اتصال تیر – ستون تعبیه نمود. این میراگرها انرژی زلزله را بواسطه لغزش صفحات فولادی بر روی یکدیگر به انرژی گرمایی تبدیل می‌نماید.
در چند مرحله انرژی موج زلزله جذب میشود، به صورتی که حداقل انرژی موج به بتن نهایی می‌رسد، سپس توسط نوع جدیدی از بتن و همین طور با طرز قرار گرفتن خاص آرماتورها و استفاده از میراگرها و اثر زلزله را خنثی می‌کند و آسیب‌ها را به حداقل می‌رساند. همانطور که گفته شد می‌توان این روش را به چند مرحله تقسیم کرد.
مرحله اول ( جذب انرژی)
در این مرحله ابتدا، موج زلزله را به طور نسبی بوسیله لایههای مصنوعی خاک مستهلک نموده، به طوری که انرژی ناشی از موج لرزه‌ای صرف جابجایی این لایه‌ها میشود. برای این منظور و همینطور افزایش رفتار میرایی در لایههای زمین، از مصالح ارتجاعی مقاوم (PVC متراکم) در خاک‌هایی که تخلخل بالا دارند استفاده میشود. سپس از میکرو شمع استفاده میشود.
در انتهای این مرحله، از نوعی محیط ژله‌ای (یا پلاسما) استفاده می‌کنیم تا بار وارده در سطح وسیع‌تری پخش شده و نتیجتاً بار زلزله و یا انفجار به طور مستقیم نمی‌تواند دیواره بتنی را تخریب نماید. دراین صورت اثرات مخرب ایجاد شده بر روی سازه به حداقل می‌رسد. مقدار بار بحرانی در هنگام وقوع زلزله در زمان بسیار کوتاه اتفاق می‌افتد. لذا می‌توان با کاهش این اثر بخشی در بازه زمانی مورد نظر و گسترش آن در بازه زمانی بزرگتر، قدرت و شدت بار وارده را کاهش داده و به تبع آن مقدار تخریب را کاهش دهیم.
مرحله دوم
در این مرحله ترکیبی از مصالح FRP با بتن جدید (این نوع بتن در مرکز تحقیقات مهندسی جهاد آذربایجان شرقی طراحی شده که اثر ویران بخش زلزله بر بتن که در بخش اثر زلزله بر بتن ذکر شد به حداقل می‌رساند) اثر زلزله را به حداقل ممکن می‌رساند.
مرحله سوم
در این مرحله با استفاده از میراگرهای اصطکاکی و روش آرماتوربندی پیوسته، حداقل فاصله بین آرماتورها اثر زلزله را خنثی می‌کند. برای احتیاط می‌توان از شمع‌ها که به صورت مایل به سنگ بستر سخت وصل هستند استفاده کرد. عملکرد شمع‌های مایل به گونه‌ای ست که باعث افزایش مقاومت دیواره‌های قائم و تحکیم دیواره بتنی میشوند و لذا از ریزش دیواره به داخل و آسیب دیدن تجهیزات جلوگیری می نمایند. از طرفی با توجه به کنترل توده خاک و تثبیت آن، باعث افزایش مقاومت خاک در اطراف سازه میشوند. بدین صورت انرژی دینامیکی را مستهلک می‌کنند. لذا استفاده از این روش در مقاوم سازی سازه‌های مختلف بسیار مناسب است. نکته قابل ذکر این است که به نظر می‌آید این روش خیلی پر هزینه است.
سپر دفاعی تحتانی
سپر دفاعی تحتانی باعث افزایش کارائی گالری در تحمل موج و بار وارده ناشی از انفجار و زلزله میشود. بکارگیری سپر تحتانی از سازه در برابر واژگونی و همچنین در برابر افت‌های موضعی ناشی از اعمال بار و در نهایت از آسیب دیدیگی سازه از قسمت پائین جلوگیری به عمل می‌آورد.
شمع‌های مایل (ریز شمع)
عملکرد شمع‌های مایل به گونه است که با دو کارکرد باعث مقاوم سازی دیواره‌های قائم و تحکیم دیواره بتنی میشوند و لذا از ریزش دیواره به داخل و آسیب دیدن تجهیزات جلوگیری می‌نمایند و باعث افزایش مقاومت خاک در اطراف سازه میشوند، چون به خوبی باعث تثبیت خاک میشود.
با توجه به مطالب گفته شده به کارگیری روش‌های یاد شده ضمن افزایش باربری سازه، از بروز خسارات به تجهیزات داخل آن جلوگیری کرده و امکان استفاده از سازه امن را بعد از زلزله و یا انفجار فراهم می‌سازد.
- امواج زلزله هنگام عبور از لایههای مختلف زمین در حال انعکاس، شکسته و جذب میشوند.
- سازه‌های مقاوم شده انفجاری عموماً در مقابل زلزله نیز باربری مناسبی دارند.
- جهت توزیع و جذب موج در زمین، ژئومبین به صورت لایههای بسیار نازک با ضخامت طراحی در لایههای خاک استفاده میشود.
- با توجه به مشابه بودن بارگذاری زلزله و انفجار بهتر است در سازه‌های مختلف این دو مقاوم سازی بصورت همزمان صورت پذیرد.
منبع : عمران سافت
این کلمات به صورت پیش‌فرض زیر مطلب نمایش داده خواهند شد.
- مقاوم سازی در گیلان
- مقاوم سازی در مازندران
- مقاوم سازی با الیاف Frp
- مقاوم سازی و کاشت بولت در مازندران
- مقاوم سازی سازه فولادی
- مقاوم سازی در لاهیجان
- مقاوم سازی سازه بتنی در مازندران
- مقاوم سازی سازه بتنی