عملکرد سقف‌های کاذب در رویدادهای لرزه‌ای

سقف‌های کاذب به طور گسترده در ساختمان‌های تجاری به عنوان بخشی از اجزای داخلی و محتوای ساختمان به کار می‌روند. این اجزا در دسته‌بندی «غیرسازه‌ای» یا «عملیاتی و کارکردی» قرار می‌گیرند، زیرا خدمات و کارکردهای مهمی را برای استفاده‌کنندگان ساختمان فراهم می‌کنند. اجزای غیرسازه‌ای معمولاً بخشی از سیستم اصلی مقاوم در برابر نیروهای لرزه‌ای نیستند؛ با این حال، به دلیل آسیب‌پذیری، سهم آن‌ها در جرم، سختی و همچنین تعاملشان با سیستم سازه‌ای اصلی در هنگام زلزله، می‌توانند بر ایمنی و عملکرد لرزه‌ای کل ساختمان اثرگذار باشند.

به طور سنتی، طراحی اجزای غیرسازه‌ای از جمله سقف‌های کاذب، بارهای لرزه‌ای و اثرات متقابل با سازه‌ی نگهدارنده را در نظر نمی‌گیرد. با این وجود، خرابی یا اختلال ناشی از شکست این اجزا می‌تواند بخش قابل توجهی از خسارت اقتصادی کلی یک زلزله را تشکیل دهد. عملکرد سقف‌های کاذب به ویژه در فضاهای حیاتی مانند بیمارستان‌ها و مدارس که به عنوان پناهگاه‌های پس از سانحه مورد استفاده قرار می‌گیرند، می‌تواند نقشی کلیدی در پاسخ اضطراری، تاب‌آوری و فرایند بازگشت به شرایط عادی پس از زلزله داشته باشد.

این مقاله به مرور آخرین وضعیت دانش و تحقیقات درباره عملکرد سقف‌های کاذب در زلزله می‌پردازد. همچنین توسعه تحقیقات آزمایشگاهی و عددی در زمینه رفتار لرزه‌ای سقف‌های کاذب را بررسی می‌کند. افزون بر این، یک پروژه‌ی پژوهشی بین‌المللی مشترک که در حال حاضر میان پژوهشگران کشورهای ژاپن، چین و کانادا در حال اجرا است، معرفی می‌شود. این پروژه بر عملکرد لرزه‌ای سقف‌های کاذب در ساختمان‌های فوق‌بلند تمرکز دارد و شامل آزمایش‌های میز لرزه و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری است که به ارزیابی رفتار و عملکرد سقف‌های کاذب تحت اثر حرکت‌های وارده از طبقات ساختمان‌های بلند می‌پردازد.

هدف نهایی این پژوهش، درک بهتر پاسخ و مکانیزم‌های خرابی سقف‌های کاذب، بهبود طراحی و عملکرد آن‌ها، و در نهایت تدوین یک روش استاندارد طراحی لرزه‌ای برای سقف‌های کاذب در ساختمان‌های بلند است.

مقدمه

سقف‌های کاذب به طور گسترده در ساختمان‌های تجاری به عنوان بخشی از اجزای داخلی و محتوای ساختمان به کار می‌روند. این نوع سقف‌ها در رده‌ی اجزای غیرسازه‌ای یا اجزای عملیاتی و کارکردی قرار می‌گیرند؛ اجزایی که خدمات و کارکردهای مهمی را برای استفاده‌کنندگان ساختمان فراهم می‌کنند.

یک سقف کاذب معمولاً از چهار جزء اصلی تشکیل شده است:

• میله‌های آویز (Hanger Rods)
• تیرهای اصلی (Main Beam)
• تیرهای فرعی یا عرضی (Cross Beam)
• پنل‌ها یا تایل‌های سقف (Ceiling Tiles)

میله‌های آویز از دال بتنی طبقه‌ی بالایی آویزان می‌شوند و وظیفه‌ی نگه‌داری تیرهای اصلی و فرعی را بر عهده دارند. تایل‌های سقف نیز به‌سادگی بر روی تیرها قرار می‌گیرند و به سازه متصل یا ثابت نمی‌شوند.

اگرچه اجزای غیرسازه‌ای مانند سقف‌های کاذب معمولاً به عنوان بخشی از سیستم اصلی مقاوم در برابر نیروهای لرزه‌ای طراحی نمی‌شوند، اما آن‌ها می‌توانند از طریق سهم خود در جرم، سختی، و نحوه‌ی تعاملشان با سیستم سازه‌ای اصلی، بر پاسخ لرزه‌ای ساختمان اثرگذار باشند.

در همین راستا، دانشگاه کارلتون (Carleton University) در همکاری مشترک با ژاپن و چین، آزمایش‌هایی را بر روی سقف‌های کاذب با استفاده از مجموعه‌ای از میزهای لرزه‌ای متحرک در حال اجرا دارد. این آزمایش‌ها امکان مشاهده و بررسی عملکرد لرزه‌ای سیستم سقف کاذب را در شرایط ورودی‌های مختلف لرزه‌ای فراهم می‌آورد.

این مقاله به مرور مسائل مرتبط با طراحی و عملکرد سقف‌های کاذب پرداخته و در عین حال به تشریح مختصر برنامه‌های پروژه‌ی پژوهشی بین‌المللی در حال انجام در این حوزه می‌پردازد.

تجربیات گذشته

در هنگام وقوع زلزله، سازه‌ها در معرض شتاب‌های بسیار بالای زمین قرار می‌گیرند. سازه‌های امروزی بر اساس آیین‌نامه‌ها و استانداردهای روز طراحی می‌شوند تا بتوانند این شرایط را تاب بیاورند. با این حال، در برخی ساختمان‌ها سیستم‌های سازه‌ای و غیرسازه‌ای و همچنین اجزای آن‌ها می‌توانند دچار آسیب‌های جدی شوند.

مطالعه‌ای که در سال 2011 توسط «دهاکل و همکاران» انجام شد، خسارت‌های ناشی از زلزله‌ای با بزرگای 6.2 در شهر «کرایست‌چرچ» نیوزیلند را بررسی کرد. یافته‌های این تحقیق نشان داد که برخی ساختمان‌های بلند که بر اساس آیین‌نامه‌های قدیمی‌تر ساخته شده بودند، هم در بخش‌های سازه‌ای و هم در اجزای غیرسازه‌ای آسیب دیدند. در مقابل، حتی در ساختمان‌های کوتاه‌تر که اجزای سازه‌ای آن‌ها سالم باقی مانده بود، اجزای غیرسازه‌ای مانند سقف‌های کاذب دچار آسیب‌های جدی شدند.

ژاپن در گذشته شاهد زمین‌لرزه‌های متعددی بوده است، از جمله این زلزله ها می توان به زلزله «توهوکو» که در 11 مارس 2011 رخ داد، رجود کرد. قدرت این زلزله 9 ریشتر بود و همراه با پس‌لرزه‌ها و پیش‌لرزه‌هایی با قدرت بالای 7 ریشتر ادامه داشت و باعث ایجاد یک سونامی ویرانگر شد. این دو رویداد هزاران نفر را مصدوم یا جان باخته برجای داشت و علاوه بر اثرات انسانی، میلیونها دلار خسارت مالی نیز به بار آورد.

برخی از ساختمان‌هایی که بر اساس آیین‌نامه‌های قدیمی طراحی شده بودند، در این زلزله فرو ریختند، درعین حال بسیاری از ساختمان‌هایی که مطابق استانداردهای مدرن هم ساخته شده بودند، دچار آسیب در سیستم‌های دمپینگ و اجزای غیرسازه‌ای خود شدند.

در سال 2016 زلزله دیگری نیز که قابل اشاره و استناد باشد در کشور ژاپن رخ داد؛ زلزله «کوماتسو» با قدرت 7 ریشترکه باعث آسیب‌‎های جانی و تخریب تعدادی از سازه‌ها شد. آنچه که در وقوع این زلزله بسیار مشهود بود، خرابی اجزای غیرسازه‌ای در ساختمان‌ها بود که باعث خسارات اجتماعی و اقتصادی عظیم و افزایش تعداد مصدومان شد و بار زیادی بر ارگان های کمک رسانی ایجاد کرد.

در پی این زلزله، بسیاری از کارخانه‌ها مجبور به تعطیلی شدند تا تعمیرات لازم برای ایمن‌سازی سازه‌ها انجام شود. بیشتر این تعمیرات تنها مربوط به اجزای غیرسازه‌ای آسیب‌دیده بود. به عنوان نمونه، خسارت به یک کارخانه بزرگ سنسور و تأثیر توقف تولید به دلیل تعمیرات، هزینه‌ای معادل تقریباً 1 میلیارد دلار برای مالک کارخانه به همراه داشت. شکل زیر، نمونه‌ای از خرابی اجزای غیرسازه‌ای در همین کارخانه را نشان می‌دهد.

در تاریخ ۳۰ نوامبر ۲۰۱۸، زلزله‌ای با بزرگی ۷.۰ ریشتر منطقه جنوب مرکزی آلاسکا را لرزاند. پس از این زلزله، چندین پس‌لرزه رخ داد که برخی از آن‌ها بزرگی بیش از ۵.۰ ریشتر داشتند. این رویداد لرزه‌ای اخیر بار دیگر اهمیت عملکرد اجزای غیرسازه‌ای را نشان داد. مدارس در منطقه جنوب مرکزی آلاسکا دچار خسارات قابل توجهی شدند که عمدتاً به دلیل خرابی سقف‌های کاذب بود. اگرچه گزارشی از مصدومیت در این حادثه ثبت نشد، بسیاری از مدارس به مدت یک هفته تعطیل شدند. دو مدرسه به نام‌های هانشو و هیوستون به حدی آسیب دیدند که احتمال بازگشایی آن‌ها در سال تحصیلی جاری، و شاید حتی سال آینده، بسیار کم است. تصاویر زیر (شکل های زیر) فرو ریختن سقف‌های کاذب در کلاس‌های درس مدارس راهنمایی هانشو و هیوستون را نشان می‌دهند.

عملکرد ضعیف یا خرابی اجزای غیرسازه‌ای در زلزله‌ها می‌تواند به خسارات اجتماعی و اقتصادی گسترده‌ای منجر شود. اجزای غیرسازه‌ای تقریباً ۶۰ درصد از هزینه‌های ساخت یک ساختمان را تشکیل می‌دهند، که این مقدار بسته به نوع ساختمان متفاوت است (برای مثال، در بیمارستان‌ها، درصد اجزای غیرسازه‌ای بسیار بالاتر است). خرابی این اجزا، بسته به نوع ساختمان، زمان لازم برای بازسازی و بازگشت ساختمان به عملکرد عادی پس از زلزله را افزایش می‌دهد و هزینه‌های اضافی قابل توجهی برای مالک ایجاد می‌کند. در مطالعه‌ای پیشین مشخص شده که سیستم‌های غیرسازه‌ای حدود ۷۸ درصد از کل خسارات سالانه ناشی از زلزله در ایالات متحده را به خود اختصاص می‌دهند. در شکل زیر، هزینه‌های تعمیر ساختمان و اجزای آن پس از زلزله مقایسه شده است. همان‌طور که مشاهده می‌شود، بخش عمده هزینه‌های تعمیر مربوط به اجزای غیرسازه‌ای است.

در هنگام وقوع زلزله، خرابی اجزای غیرسازه‌ای می‌تواند تهدیدی برای سلامت و ایمنی افراد ایجاد کند. در این مقاله، تمرکز بر اجزای غیرسازه‌ای مانند سقف‌های کاذب است که خرابی آن‌ها خطر بیشتری برای جان انسان‌ها به همراه دارد، زیرا این اجزا در بالای سر افراد قرار دارند و در صورت سقوط، خطرناک می‌شوند. اجزای فرو ریخته سقف‌های کاذب همچنین می‌توانند در زمان تخلیه ساختمان، موانعی برای حرکت ایجاد کنند و در برخی موارد، خروجی‌ها را به طور کامل مسدود کنند. خرابی این اجزا همچنین این تصور را در ساکنان ایجاد می‌کند که ساختمان ناامن است و ممکن است فرو بریزد. در نتیجه، غریزه ساکنان به تخلیه سریع ساختمان منجر می‌شود که این امر باعث ازدحام و وحشت در خیابان‌ها می‌گردد و توانایی نیروهای امدادی برای تردد و رسیدگی به شرایط اضطراری را کاهش می‌دهد. ممکن است نتایج بهتری حاصل شود اگر ساکنان احساس کنند که ماندن در داخل ساختمان امن‌تر است. نمونه‌ای از این رفتار در شکل زیر نشان داده شده است؛ این تصویر، وحشت و ازدحام در خیابان‌های مکزیک پس از زلزله‌ای در سال ۲۰۱۷ را به تصویر می‌کشد.

مطالعات تجربی

با توجه به اینکه سقف‌های کاذب به عنوان اجزای غیرسازه‌ای شناخته می‌شوند، آزمایش‌های کافی برای ارزیابی عملکرد لرزه‌ای آن‌ها انجام نشده است. تحقیقات تجربی درباره سیستم سقف‌های کاذب و اجزای آن‌ها از دهه ۱۹۸۰ به کندی آغاز شده است. مطالعاتی در زمینه مکانیزم‌های خرابی این سیستم، تأثیر ابعاد و شرایط مرزی، و ظرفیت اجزای مختلف آن انجام شده است. با این حال، به دلیل ماهیت پیچیده سقف‌های کاذب و تنوع زیاد در طراحی و اجرای این سیستم‌ها، تحقیقات انجام‌شده کافی نبوده است.

در سال ۱۹۸۳، شرکت مهندسین ANCO آزمایشی روی یک میز لرزه (shake table) برای بررسی عملکرد یک سقف کاذب انجام داد. ابعاد این سیستم ۳.۶ متر در ۸.۵ متر بود و از پنل‌های سقفی استاندارد با اندازه ۰.۶ متر در ۱.۲ متر تشکیل شده بود. هدف این آزمایش بررسی تأثیر انواع مهارها در سیستم و همچنین مطالعه تعامل سقف کاذب با تجهیزات روشنایی بود. نتایج این آزمایش نشان داد که کابل‌های مورب (splay wires) و ستون‌های فشاری (compression struts) تأثیری بر پاسخ دینامیکی سقف نداشتند. همچنین نتیجه‌گیری شد که استفاده از کابل‌های ایمنی (safety lines) روشی ساده و عملی برای حمایت از تجهیزات روشنایی معلق است.

در سال ۱۹۸۴، گرنمن و همکاران آزمایش‌هایی روی میز لرزه (Shake Table) انجام دادند تا تأثیر دیوارهای جداکننده متصل به سقف‌های کاذب را بررسی کنند. سیستم مورد آزمایش آن‌ها ابعادی به اندازه ۳.۶ در ۴.۸ متر داشت و از پنل‌های سقفی استاندارد با ابعاد ۰.۶ در ۱.۲ متر تشکیل شده بود. آن‌ها از یک ورودی سینوسی تک‌محوره با شتاب اوج ۲.۲ برابر شتاب گرانش (g) استفاده کردند. سه نوع اصلی خرابی که در این سیستم مشاهده شد عبارت بودند از: جدایی تیرهای عرضی (Cross Tees) از تیرهای اصلی (Main Tees)، آسیب به اتصالات تیرهای اصلی، و کشیدگی سیم‌های مهار مورب (Splay Wires). این سیستم سقفی بر اساس آیین‌نامه‌های موجود در آن زمان ساخته شده بود که اکنون بیش از ۳۰ سال از آن می‌گذرد. همچنین، همان‌طور که در آزمایش‌های بعدی مشاهده شد، خسارات در شرایطی که سیستم تحت تأثیر ورودی‌های لرزه‌ای چندجهته قرار می‌گیرد، شدیدتر است.

در سال ۲۰۰۰، یائو و همکاران، تحلیلی روی میز لرزه (Shake Table) برای سیستمی به ابعاد ۲ متر در ۴ متر انجام دادند. نتایج این آزمایش برای توسعه یک مدل عددی استفاده شد. از نتایج این آزمایش، سه نتیجه‌گیری اصلی به دست آمد. نخست، همان‌طور که در مطالعات قبلی ANCO، در سال ۱۹۸۳ نیز مشاهده شده بود، سیم‌های مهار مورب (SplayWires) عملکرد لرزه‌ای سیستم را بهبود نبخشیدند. دوم، اتصالات مناسب در لبه‌های سیستم می‌توانند ظرفیت تحمل سیستم را در هنگام زلزله افزایش دهند. در نهایت، استفاده از تکیه‌گاه‌های عرضی (Transverse Supports) ظرفیت لرزه‌ای سقف‌های کاذب با ابعاد بزرگ را بهبود بخشید. مشابه مطالعات قبلی، در این آزمایش نیز تنها یک سیستم سقفی کوچک با ورودی لرزه‌ای تک‌محوره بررسی شد.

در سال ۲۰۰۶، سه مطالعه انجام شد؛ دو مطالعه در دانشگاه بوفالو (ایالات متحده) و یک مطالعه در ژاپن. بادیو-آلماراز و همکاران آزمایش‌هایی روی میز لرزه برای مجموعه‌های سقف کاذب در دانشگاه بوفالو انجام دادند. این آزمایش‌ها به بررسی انواع پیکربندی‌های لبه‌ای و پنل‌های سقفی پرداختند. نتایج نشان داد که اتصالات بین اجزای سیستم نسبت به خود اجزا انعطاف‌پذیرتر هستند، که این ویژگی باعث جدا شدن پنل‌ها از جای خود می‌شود. هنگامی که گیره‌های نگهدارنده (Hold Down Clips)  برای جلوگیری از جابه‌جایی پنل‌ها به سیستم اضافه شدند، احتمال خرابی در اجزای شبکه‌ای (Grid Members)  افزایش یافت. نتیجه‌گیری دیگر این بود که اندازه پنل‌ها تأثیر زیادی بر تعداد پنل‌های جدا شده داشت. مطالعه دیگر در دانشگاه بوفالو توسط لاوان و همکاران انجام شد. هدف این آزمایش‌ها، آماده‌سازی چارچوب آزمایشی و بررسی مکانیزم‌های رایج خرابی سیستم سقف کاذب و تأثیر آن‌ها بر سازه بود. نتایج نشان داد که در یک سیستم سقفی به ابعاد ۴.۹ متر در ۴.۹ متر، فرکانس اصلی عمودی چارچوب آزمایشی از ۷.۵ هرتز (قبل از نصب سقف) به حدود ۵.۵ هرتز کاهش یافت. با این حال، سقف کاذب تأثیر ناچیزی بر فرکانس اصلی در جهت افقی چارچوب داشت. در این آزمایش‌ها، پنل‌ها تنها در نزدیکی مرکز سیستم جدا شدند، که این نتیجه با خسارات مشاهده‌شده در زلزله‌های گذشته (که عمدتاً در لبه‌های سقف رخ داده بودند) سازگار نبود. به گفته پژوهشگران، این تفاوت می‌تواند به دلیل بزرگ‌تر بودن سیستم‌های سقفی در شرایط واقعی باشد. همچنین، نیاز به بررسی بیشتر انعطاف‌پذیری عمودی سقف و انتخاب مقدار z/h = ۱ وجود دارد. متغیر z/h نسبت ارتفاع جزء به ارتفاع سقف را نشان می‌دهد. از آنجا که سیستم به سقف متصل است، مقدار z/h=1 در نظر گرفته شد، اما این مقدار ممکن است به دلیل موقعیت شرایط مرزی سقف کاذب، نیروهای ورودی را به درستی نشان ندهد. این عوامل ممکن است باعث تشدید قابل توجه شتاب‌های عمودی در سقف چارچوب آزمایشی شده باشند. هر دو آزمایش با ورودی‌های لرزه‌ای چند جهته و حداکثر شتاب طیفی ۳ برابر شتاب گرانش (g) انجام شدند. ماسکی و همکاران آزمایش‌هایی روی میز لرزه برای سقف‌های کاذب ژاپنی انجام دادند. نمونه آزمایشی ابعادی به اندازه ۴.۵ متر در ۴.۵ متر داشت و این پژوهش با هدف مقایسه طراحی متداول سقف‌های کاذب با یک طراحی پیشنهادی جدید انجام شد. تفاوت‌هایی در اجزای مورد استفاده در سقف‌های کاذب ژاپن در مقایسه با سقف‌های کانادا وجود دارد؛ یکی از این تفاوت‌ها استفاده از زاویه‌های فولادی (Steel Angle) به عنوان مهار جانبی به جای ستون‌های فشاری (Compression Post)  و سیم‌های مهار مورب (Splay Wires) رایج در کانادا است. یافته‌های این مطالعه نشان داد که طراحی پیشنهادی عملکرد بسیار بهتری نسبت به طراحی متداول دارد.

در سال ۲۰۱۰، پاگانوتی و همکاران در دانشگاه کانتربری تحقیقی تجربی انجام دادند تا منحنی‌های شکنندگی (Fragility Curves) برای اجزای سیستم سقف کاذب تهیه کنند. در این مطالعات، اجزای شبکه‌ای (Grid Members) تحت بارهای فشاری و کششی آزمایش شدند. منحنی‌های شکنندگی بر اساس بارهای منجر به خرابی به دست آمدند. این نتایج برای ایجاد یک مدل ساده به منظور تولید منحنی شکنندگی کل سیستم استفاده شد.

در سال ۲۰۱۱، داکال و همکاران مطالعه‌ای را منتشر کردند که به بررسی خسارات وارد شده به سقف‌های کاذب در زلزله کرایست‌چرچ ۲۰۱۱ پرداخته بود. یافته‌های اصلی این تحقیق نشان داد که ساختمان‌های بلند که بر اساس آیین‌نامه‌های جدید طراحی نشده بودند، دچار خسارات سازه‌ای و غیرسازه‌ای شدند. با این حال، حتی در ساختمان‌های کوتاه‌قد که سیستم‌های سازه‌ای آن‌ها سالم باقی مانده بود، سیستم‌های غیرسازه‌ای به شدت آسیب دیدند. بیشتر سقف‌های کاذب نصب‌شده معمولاً از گیره‌های نگهدارنده پنل (Panel Hold Downs) استفاده نمی‌کنند، به همین دلیل مشاهده شد که شتاب‌های عمودی بیش از ۱.۰ برابر شتاب گرانش (g) باعث بلند شدن پنل‌ها از تکیه‌گاه‌هایشان و احتمالاً جابه‌جایی آن‌ها می‌شود. با این حال، مشخص شد که شتاب‌های افقی خسارات بیشتری نسبت به شتاب‌های عمودی ایجاد می‌کنند. سه مکانیزم اصلی خرابی در سیستم‌های سقف کاذب مشاهده شد. یکی از حالت‌های خرابی، جدایی اجزا از زاویه‌های لبه‌ای (Perimeter Angles) بود که به دلیل ظرفیت ناکافی پرچ‌ها (Rivets) رخ داد. این حالت باعث ایجاد خسارت در لبه‌های سقف شد، در حالی که گاهی بخش مرکزی سقف سالم باقی می‌ماند. نوع دوم خرابی شایع به دلیل نیروهای اضافی ناشی از حرکت تجهیزات خدماتی سقف (Ceiling Services) به وجود آمد.

تجهیزات خدماتی شامل سیستم‌های گرمایش، تهویه و سرمایش (HVAC) و آب‌پاش‌های اطفای حریق (Sprinklers) هستند. مشکل سیستم‌های HVAC این است که گاهی به دلیل چیدمان سیستم، سقف کاذب باید مستقیماً از کانال‌های تهویه آویزان شود، که این کانال‌ها با سایر بخش‌های سقف به صورت هماهنگ حرکت نمی‌کنند. سرهای آب‌پاش معمولاً از میان پنل‌های سقفی عبور داده می‌شوند و مشاهده شد که در صورت وجود شکاف ناکافی بین آب‌پاش و پنل، آب‌پاش‌های صلب نیروی اضافی به پنل‌های در حال حرکت وارد می‌کنند. در نهایت، نتایج مشاهده‌شده پس از زلزله نشان داد که خرابی‌های رایج در اجزای شبکه‌ای سقف کاذب مشابه خرابی‌های مشاهده‌شده در مطالعات تجربی قبلی بود. این خرابی‌ها شامل جدایی تیرهای عرضی (Cross-Tee) از تیرهای اصلی (Main-Tee)، خرابی اتصالات تیرهای اصلی (Main-Tee Splices) و کمانش اجزای تیرهای اصلی بود. این پژوهش نتیجه گرفت که سقف‌های کاذب در صورت خرابی یک جزء، پدیده‌ای به نام «اثر دومینو» ایجاد می‌کنند. این اثر به این معناست که پس از خرابی یک جزء شبکه‌ای، خسارت به صورت پیش‌رونده گسترش می‌یابد و ممکن است به فروپاشی کل سیستم منجر شود. این موضوع برای درک عملکرد کلی سقف کاذب در تحقیقات گذشته و کنونی اهمیت دارد. آزمایش‌ها ممکن است تنها خرابی یک جزء را نشان دهند، زیرا نصب در آزمایشگاه‌ها بهینه‌تر از شرایط واقعی است. از منظر ویژگی‌های عملکرد سیستمی، خرابی یک جزء می‌تواند نشانه‌ای از این باشد که کل سیستم سقف کاذب در ساختمان‌های امروزی، به‌ویژه در زلزله‌هایی با مدت زمان نسبتاً طولانی در ساختمان‌های بسیار بلند، در برابر فروپاشی آسیب‌پذیر است.

در سال ۲۰۱۲، رینهورن و همکاران آزمایش‌هایی روی میز لرزه برای یک سقف کاذب با مساحت بزرگ به ابعاد ۶.۱ متر در ۱۶.۳ متر انجام دادند. هدف این پژوهش، شناسایی مکانیزم‌های خرابی و بررسی تأثیرات سیستم‌های مختلف بود. نتایج این آزمایش نشان داد که سیستم‌های سقف کاذب در برابر ورودی‌های لرزه‌ای سه‌جهته (Three-Directional Inputs)  نسبت به ورودی‌های تک‌جهته یا دوجهته آسیب‌پذیرتر هستند. همچنین، وزن و اندازه سیستم به طور مستقیم بر احتمال خرابی آن تأثیر می‌گذارد. در نهایت، استفاده از مهارهای جانبی (Lateral Restraints) عملکرد لرزه‌ای را بهبود بخشید، همان‌طور که در آزمایش‌های یائو و همکاران [یائو، ۲۰۰۰] نیز نشان داده شده بود. در مطالعه دیگری در سال ۲۰۱۲، سروشيان و همکاران ورودی‌های لرزه‌ای دوجهته و سه‌جهته را بر یک چارچوب فولادی پنج‌طبقه با پیکربندی‌های پایه‌جدا (Base-Isolated) و پایه‌ثابت (Base-Fixed) اعمال کردند. این پژوهش با هدف بررسی بیشتر عملکرد لرزه‌ای سیستم‌های آب‌پاش (Sprinkler Systems) انجام شد، اما سقف‌های کاذب نیز در این آزمایش مورد توجه قرار گرفتند. نتایج این آزمایش مشابه نتایج آزمایش‌های قبلی بود و نشان داد که مهارهای جانبی عملکرد لرزه‌ای را بهبود نبخشیدند و سرهای آب‌پاش خسارات قابل توجهی به پنل‌های سقفی وارد کردند.

در سال ۲۰۱۶، سروشيان و همکاران در نیوزلند آزمایش‌های استاتیکی روی اجزای سقف کاذب انجام دادند. این آزمایش‌ها روی اجزای شبکه‌ای (Grid Members) و اتصالات آن‌ها متمرکز بود. منحنی‌های شکنندگی (Fragility Curves) حاصل از این آزمایش‌ها نشان داد که در هر دو حالت فشاری و کششی، اتصالات تیرهای عرضی (Cross-Tee Connections) ضعیف‌ترین بخش سیستم سقف کاذب هستند. همچنین مشخص شد که به جز اتصالات شکاف‌دار (Splices)، سایر اجزا در حالت فشاری نسبت به حالت کششی ضعیف‌تر بودند. نتیجه‌گیری این آزمایش این بود که اتصالات پیش از رسیدن اجزای اصلی به ظرفیت طراحی خود خراب می‌شوند، که این امر باعث خرابی سیستم پیش از رسیدن به بارهای طراحی‌شده اجزا می‌گردد. یکی از محدودیت‌های ذکرشده در این مطالعه این بود که آیین‌نامه استاندارد در نیوزلند هیچ استاندارد خاصی برای آزمایش‌های فشاری نداشت و روش‌هایی برای آزمایش اتصالات ارائه نشده بود. همچنین در چین، وانگ و همکاران مطالعه‌ای برای بازسازی خسارات مشاهده‌شده در زلزله لوشان با استفاده از آزمایش روی میز لرزه انجام دادند. این آزمایش شامل یک چارچوب بتنی مسلح تک‌طبقه با یک سقف کاذب به ابعاد ۳.۱ متر در ۳.۷ متر بود. ورودی به میز لرزه، یک رکورد حرکت زمین سه‌بعدی از زلزله ونچوان ۲۰۰۸ با شتاب اوج افقی ۱.۱۰ برابر شتاب گرانش (g) بود. این آزمایش‌ها خسارات مشابهی با آنچه در زلزله لوشان مشاهده شده بود تولید کردند، اما برخی تفاوت‌ها با مطالعات قبلی روی میز لرزه وجود داشت که منجر به منحنی‌های شکنندگی پایین‌تر شد. دلیل این تفاوت‌ها، مقیاس نمونه آزمایش و تفاوت قابل توجه طیف سقف اندازه‌گیری‌شده با طیف سقف مورد نیاز مطابق استاندارد AC156  بود.

مدل های عددی

مدل‌های عددی بسیار کمی برای سیستم‌های سقف کاذب توسعه یافته‌اند، به دلایل مختلفی از جمله دشواری در مدل‌سازی اجزای جداگانه و بازنمایی دقیق فروپاشی کامل سیستم.

از سال ۲۰۱۲، سروشيان و همکاران یک مدل عددی با استفاده از نرم‌افزار SAP2000 ایجاد کردند. این مدل از عناصر الاستیک برای بازنمایی تیرهای اصلی (Main-Tees) و تیرهای عرضی (Cross-Tees) استفاده کرد. پنل‌های سقفی به صورت یک شکل X با جرم متمرکز انتقالی-چرخشی در مرکز مدل‌سازی شدند. سیم‌های آویز (Hanger Wires) و سیم‌های مهار مورب (Sway Wires) با استفاده از یک اتصال قلاب‌مانند (Hook-Link) با سختی مشخص برای مقاومت صرفاً در برابر بارهای کششی مدل شدند. ستون‌های فشاری (Compression Posts) به صورت قاب‌های کانالی با سطح مقطع اندازه‌گیری‌شده بازنمایی شدند. اتصالات شکاف‌دار (Splices) با استفاده از لینک‌های خطی (Linear Links) مدل‌سازی شدند. شکاف‌های موجود در پنل‌ها روی تیرها و شرایط مرزی آزاد با استفاده از یک لینک جداکننده اصطکاکی افقی T/C (Tension/Compression Friction Isolator Link) بازنمایی شدند. پس از ایجاد مدل، پژوهشگران یک تحلیل حساسیت انجام دادند تا مقادیر اصطکاک، وزن پنل‌ها و فرکانس عرشه نگهدارنده (Supporting Deck) را اصلاح کنند. این مدل توانست منحنی‌های شکنندگی (Fragility Curves) تولید کند تا عملکرد لرزه‌ای کل سیستم سقف کاذب را نشان دهد. محدودیت‌های این مدل شامل حذف ویژگی‌های غیرخطی اجزای سقف بود. محدودیت دیگر ذکرشده در این مطالعه، ناتوانی در مدل‌سازی فروپاشی پیش‌رونده (Progressive Collapse) سیستم بود.

در سال ۲۰۱۲، رینهورن و همکاران یک مدل عددی برای تأیید نتایج تجربی خود ایجاد کردند. سقف کاذب به صورت یک سیستم ساده‌شده تک‌جهته (Unidirectional) مدل‌سازی شد. این مدل به صورت چندین پاندول متوالی (Series Pendulums)  با فنرهایی که اتصالات شکاف‌دار (Splices) و پرچ‌های پاپ (Pop Rivets) را بازنمایی می‌کردند، ساخته شد. پژوهشگران به امکان استفاده از فنرهای قفل‌لغزشی (Slip-Lock Springs) برای بازنمایی اتصالات اشاره کردند. این کار می‌توانست با استفاده از یک فنر هیسترتیک (Hysteretic Spring) به صورت سری با یک «مدل نیشگون گاوسی» (Gaussian Pinching Model) انجام شود. با این حال، پژوهشگران ویژگی‌های غیرخطی را در نظر نگرفتند و بنابراین از این روش استفاده نکردند.

در سال ۲۰۱۵، سروشيان و همکاران آزمایش‌هایی را برای ارزیابی رفتار غیرخطی محوری اتصالات انجام دادند تا یک مدل عددی دقیق برای بازنمایی این رفتار ایجاد کنند. اتصالات در آزمایش‌های تک‌جهته (Monotonic) و چرخه‌ای معکوس (Reverse Cyclic) مورد بررسی قرار گرفتند تا منحنی‌های شکنندگی (Fragility Curves) تولید شوند و نتایج عددی تأیید شوند. تمامی پانزده قفل تیرهای عرضی (Cross-Tee Latches) آزمایش شدند و مکانیزم‌های مختلف خرابی در اتصالات در این مطالعه ثبت شد. پژوهشگران به محدودیت‌های این آزمایش اشاره کردند که ممکن است بر نتایج تأثیر گذاشته باشند. این محدودیت‌ها شامل نبود پنل‌های سقفی، شرایط مرزی، و تراز اجزا بودند. نرم‌افزار OpenSees برای مدل‌سازی رفتار هیسترتیک (Hysteretic Behavior) اتصالات استفاده شد. این کار با اختصاص یک ماده تک‌محوره به نام «Pinching4» به یک عنصر با طول صفر (Zero-Length Element) انجام گرفت. یک تحلیل حساسیت برای تعیین تمامی ۳۹ پارامتر انجام شد. این تحلیل محدود به حفظ حداکثر انرژی تجمعی هیسترتیک در محدوده ۱۰ درصد نتایج تجربی بود. در طول مطالعه مشخص شد که ۲۳ پارامتر مستقل بودند و می‌توانستند به صورت مقدار ثابت در نظر گرفته شوند. برای ساده‌سازی افزودن این عنصر به مدل‌های سیستمی آینده، یک مدل عمومی (Generic Model) تولید شد تا از در نظر گرفتن تمام اختلافات کوچک در هر آزمایش اجتناب شود.

جیانگ و همکاران (۲۰۱۵) و سروشيان و همکاران (۲۰۱۶) روش‌های مستقیم طیف-به-طیف (Spectra-to-Spectra) را برای تخمین پاسخ اجزای غیرسازه‌ای در سازه‌های نیروگاه‌های هسته‌ای توسعه دادند. این روش‌ها بسیار پیچیده هستند، بنابراین کاسای و همکاران (۲۰۱۶) یک روش ساده‌شده کارآمدتر برای پیش‌بینی حداکثر پاسخ اجزای غیرسازه‌ای بر اساس ورودی تحریک لرزش سازه‌های ساختمانی ارائه کردند. این مدل هم محتوای فرکانسی (Frequency Content) و هم مدت زمان حرکت زمین (Ground Motion Duration) را در نظر می‌گیرد. این روش نیازی به تحلیل تاریخچه زمانی (Time-History Analysis) ندارد و تنها به اشکال مُد (Mode Shapes)، فرکانس‌های مُد (Modal Frequencies)، نسبت‌های میرایی (Damping Ratios) و طیف پاسخ زمین (Ground Response Spectra) وابسته است.

آیین نامه های طراحی کنونی در یک کشور نمونه (کانادا)

در حال حاضر، استانداردهای طراحی کانادا برای اجزای غیرسازه‌ای بسیار محدود است، زیرا پژوهش‌های کافی در این زمینه انجام نشده است. نیوزلند نیز رویکرد طراحی مشابهی با آیین‌نامه ملی ساختمان کانادا (NBCC 2015) دارد. با این حال، همان‌طور که در مطالعه پورعلی و همکاران ذکر شده، آیین‌نامه طراحی نیوزلند عمدتاً بر طراحی برای حالت‌های حدی بهره‌برداری (Serviceability Limit States) تمرکز دارد. استانداردهای دیگری مانند FEMA،CISCA  و ASTM C635  نیز وجود دارند که به طور خاص برای طراحی و نصب سقف‌های کاذب استفاده می‌شوند. تولیدکنندگان سقف‌های کاذب استانداردهای طراحی و نصب خود را ارائه می‌دهند که حداقل الزامات آیین‌نامه را برآورده می‌کنند. معادلات طراحی NBCC 2015 ۱۹ برای اجزای غیرسازه‌ای در زیر خلاصه شده‌اند. سیستم‌های سقف کاذب بر اساس بارهای طراحی لرزه‌ای محاسبه‌شده با استفاده از معادله (۱) طراحی می‌شوند:

در این معادله، Sp ضریب پاسخ جزء است. این ضریب برای در نظر گرفتن برخی از اثرات دینامیکی که سقف کاذب در طول زلزله تجربه می‌کند، بر اساس ویژگی‌های دینامیکی طبیعی آن محاسبه می‌شود. این ضریب با استفاده از معادله (۲) محاسبه می‌شود:

در این معادله، Sp ضریب پاسخ جزء است. این ضریب برای در نظر گرفتن برخی از اثرات دینامیکی که سقف کاذب در طول زلزله تجربه می‌کند، بر اساس ویژگی‌های دینامیکی طبیعی آن محاسبه می‌شود. این ضریب با استفاده از معادله (۲) محاسبه می‌شود:

این معادله تقویت شتاب پایه (Base Acceleration) را به شتاب در نقطه‌ای که جزء به سازه متصل است، در نظر می‌گیرد. در نهایت، Rp میزان اتلاف انرژی در اتصال جزء به سازه را محاسبه می‌کند. علاوه بر این معادلات برای تعیین نیروی طراحی لرزه‌ای، آیین‌نامه‌های دیگری نیز برای جلوگیری از برخورد بین سازه و اجزای آویزان وجود دارد. آیین‌نامه ساختمانی کانادا بیان می‌کند که اگر اجزا بتوانند تا زاویه ۴۵ درجه نوسان کنند بدون اینکه با سازه برخورد کنند، می‌توانند به صورت یک سیستم پاندولی طراحی شوند؛ در غیر این صورت، می‌توان از مهارهای ضد نوسان (Sway Braces)  استفاده کرد که برای تحمل بارهای مورد نیاز جهت محدود کردن حرکت نوسانی اجزا طراحی می‌شوند.

اگرچه این معادلات ساده‌شده تخمینی از بار وارد بر سیستم سقف کاذب ارائه می‌دهند، اما بسیاری از شرایط رایج را در نظر نمی‌گیرند، از جمله تأثیر اندازه کلی سیستم، چیدمان نقاط اتصال، شرایط مرزی مختلف، یا تغییر سختی ناشی از جابه‌جایی کاشی‌های سقفی (Ceiling Tiles)

توضیحات

آیین‌نامه ملی ساختمان کانادا (NBCC 2015): مجموعه‌ای از قوانین و استانداردهای طراحی است که در کانادا برای ساخت‌وساز ایمن در برابر زلزله استفاده می‌شود. این آیین‌نامه برای اجزای غیرسازه‌ای مثل سقف‌های کاذب هنوز کامل نیست، چون پژوهش‌های کافی انجام نشده است.

حالت‌های حدی بهره‌برداری (Serviceability Limit States): به شرایطی اشاره دارد که ساختمان باید بتواند بدون آسیب جدی به اجزای غیرسازه‌ای (مثل سقف کاذب) به کار خود ادامه دهد، حتی اگر زلزله‌ای رخ دهد. تمرکز نیوزلند بیشتر روی این جنبه است.

استانداردهای FEMA، CISCA، ASTM C635: این‌ها استانداردهای بین‌المللی یا صنعتی هستند که راهنمایی‌های خاصی برای طراحی و نصب سقف‌های کاذب ارائه می‌دهند تا در زلزله مقاوم‌تر باشند.

معادله (۱): Vp = 0.3 × Ie × Fa × Sa(0.2) × Sp × Wp: این معادله نیروی لرزه‌ای (Vp) را که سقف کاذب باید تحمل کند محاسبه می‌کند.
Ie: ضریب اهمیت ساختمان است (مثلاً بیمارستان‌ها اهمیت بیشتری دارند).
Fa: ضریب شتاب منطقه‌ای است که به شدت زلزله در منطقه بستگی دارد.
Sa(0.2): شتاب طیفی برای دوره تناوب ۰.۲ ثانیه است که نشان‌دهنده شدت لرزش زلزله است.
Sp: ضریب پاسخ جزء است که در معادله دوم توضیح داده شده.
Wp: وزن سقف کاذب است.

معادله (۲): Sp = Cp × Ar × Ax / Rp: این معادله ضریب پاسخ جزء (Sp) را محاسبه می‌کند.
Cp: ریسک خرابی جزء را نشان می‌دهد. برای سقف کاذب، این مقدار ۱.۰ است، یعنی ریسک معمولی.
Ar: تقویت دینامیکی است که به تفاوت سرعت لرزش سقف کاذب و ساختمان بستگی دارد.
Ax: از معادله (۳) به دست می‌آید و شتاب در ارتفاع نصب سقف را محاسبه می‌کند.
Rp: نشان‌دهنده میزان کاهش انرژی در اتصالات است (مثلاً اینکه اتصالات چقدر می‌توانند لرزش را جذب کنند).
محدودیت 0.7 ≤ Sp ≤ 4: یعنی مقدار Sp نمی‌تواند خیلی کم یا خیلی زیاد باشد.

معادله (۳): Ax = (1 + 2hx/hn): این معادله نشان می‌دهد که شتاب زلزله در ارتفاع بالاتر (مثلاً جایی که سقف کاذب نصب شده) بیشتر از شتاب در پایه ساختمان است.
hx: ارتفاع محل نصب جزء (مثل سقف کاذب).
hn: ارتفاع کل ساختمان.

سیستم پاندولی: اگر سقف کاذب بتواند مثل آونگ (با زاویه حداکثر ۴۵ درجه) حرکت کند بدون برخورد به دیوارها یا سازه، می‌توان آن را به این شکل طراحی کرد. اگر این امکان نباشد، از مهارهای ضد نوسان (مثل زاویه‌های فلزی یا تکیه‌گاه‌ها) استفاده می‌شود.

پروژه تحقیقاتی کنونی

دانشگاه کارلتون با همکاری دانشگاه تونگجی و مؤسسه فناوری توکیو در پروژه تحقیقاتی مشترک بین‌المللی مهندسی زلزله (ILEE) مشارکت دارد. این برنامه تحقیقاتی توسط پروفسور کازوهیکو کاسای از مؤسسه فناوری توکیو به عنوان محقق اصلی (PI) و پروفسور هوآنجون جیانگ از دانشگاه تونگجی به عنوان محقق همکار (Co-PI) رهبری می‌شود. دانشگاه تونگجی از دو میز لرزه ۳۰ تنی برای آزمایش سیستم‌های سقف کاذب در مقیاس واقعی استفاده خواهد کرد. این آزمایش‌ها شرایط مرزی مختلف را بررسی کرده و تأثیر گیره‌های لرزه‌ای (Seismic Clips) و میراگرها (Dampeners) را ارزیابی می‌کنند. این آزمایش‌ها از رکوردهای حرکت زمین زلزله‌های توهوکو ۲۰۱۱ (ژاپن) و ونچوان ۲۰۰۸ (چین) استفاده خواهند کرد. ورودی‌ها برای ساختمان‌هایی با ۱۰ تا ۱۰۰ طبقه طراحی شده‌اند و احتمال فراتر رفتن (Probability of Exceedance) آن‌ها در بازه‌های ۵۰، ۱۰ و ۲ درصد در ۵۰ سال در نظر گرفته شده است. مؤسسه فناوری توکیو از تحلیل المان محدود دقیق موتویویی (Motoyui, ۲۰۱۴ و ۲۰۱۷) برای شبیه‌سازی پاسخ‌های تاریخچه زمانی (Time-History Responses) سقف‌های کاذب استفاده خواهد کرد.

دانشگاه کارلتون از چندین میز لرزه متحرک برای آزمایش سیستم‌های سقف کاذب استفاده می‌کند. این آزمایش‌ها نتایج تکمیلی برای آزمایش‌های میز لرزه در مقیاس بزرگ در دانشگاه تونگجی فراهم می‌کنند. استفاده از میزهای لرزه متحرک به کارلتون امکان می‌دهد عملکرد اجزای غیرسازه‌ای را در چیدمان‌های مختلف با دیوارهای جداکننده (Partitions) و ورودی‌های تحریک متفاوت (Input Excitations) بر اساس مکان‌های اتصال بررسی کند. این آزمایش‌ها به ما امکان می‌دهند تعیین کنیم آیا استانداردهای طراحی کنونی در همه شرایط مناسب هستند یا خیر، و آیا آیین‌نامه نیاز به در نظر گرفتن اثرات ورودی‌های تحریک چندگانه، شرایط مرزی مختلف و پیکربندی‌های متنوع تکیه‌گاه‌ها دارد یا خیر.

نتیجه‌گیری

در پایان، پژوهش‌هایی برای آزمایش اجزای جداگانه سقف‌های کاذب و ایجاد مدل‌های عددی انجام شده است. با این حال، این پژوهش‌ها کافی نبوده‌اند، زیرا شرایط متعددی مانند تکیه‌گاه‌ها، شرایط مرزی، اندازه و چیدمان سقف کاذب متفاوت هستند. برای بهبود استانداردهای طراحی، لازم است همه این عوامل هم در آزمایشگاه و هم به صورت عددی بررسی و آزمایش شوند. پژوهش‌های پیشین به نتایج زیر منجر شده‌اند:

• سیم‌های مهار مورب (Sway Wires)، ستون‌های فشاری (Compression Posts) و مهارهای جانبی (Lateral Restraints) عملکرد لرزه‌ای سیستم سقف کاذب را بهبود نمی‌بخشند.
• همه اجزا، به جز اتصالات شکاف‌دار تیرهای اصلی (Main-Tee Splices)، در حالت فشاری نسبت به حالت کششی ضعیف‌تر هستند. اتصال تیرهای عرضی (Cross-Tee Connection) ضعیف‌ترین بخش سیستم سقف کاذب است.
• مکانیزم‌های رایج خرابی شامل جدایی اتصال تیرهای عرضی، خرابی اتصالات شکاف‌دار تیرهای اصلی و جدایی اجزا از زاویه‌های لبه‌ای (Perimeter Angles) به دلیل خرابی پرچ‌ها (Rivets) است.
• اتصالات اجزا پیش از رسیدن خود اجزا به مقاومت طراحی‌شده‌شان خراب می‌شوند.
• خرابی اجزای شبکه‌ای (Grid Components) به احتمال زیاد به خرابی پیش‌رونده (Progressive Failure) کل سیستم سقف کاذب منجر می‌شود.
• سقف‌های سنگین‌تر و بزرگ‌تر در برابر خرابی سیستم آسیب‌پذیرتر هستند. استفاده از گیره‌های نگهدارنده پنل (Panel Hold-Down Clips) باعث می‌شود سیستم در اجزای شبکه‌ای خراب شود، نه از طریق جابه‌جایی پنل‌ها.
• مدل‌های عددی برای شبیه‌سازی رفتار کل سیستم توسعه داده شده‌اند، اما این مدل‌ها رفتار غیرخطی را در نظر نگرفته‌اند و نتوانسته‌اند خرابی پیش‌رونده سقف را بازنمایی کنند. این مشکل به دلیل تغییر سختی سیستم در اثر خرابی اجزا یا تکیه‌گاه‌های مرزی است.
• اتصالات اجزا می‌توانند با استفاده از یک فنر هیسترتیک عمومی (Generic Hysteresis Spring) مدل‌سازی شوند، اما این تنها یک جزء از سیستم است و آزمایش‌ها با نبود پنل‌های سقفی، تفاوت در تراز اجزا و شرایط مرزی محدود بوده‌اند.

با وجود پیشرفت‌های کنونی در پژوهش‌های مربوط به سیستم‌های سقف کاذب، این سیستم‌ها همچنان در زلزله‌ها، مانند زلزله آلاسکا در سال ۲۰۱۸، دچار خرابی می‌شوند. هدف این برنامه تحقیقاتی مشترک، بررسی عملکرد لرزه‌ای سقف‌های کاذب از طریق آزمایش‌های آزمایشگاهی و مدل‌سازی عددی است. این پژوهش امیدوار است به بهبود آیین‌نامه‌ها و استانداردهای طراحی برای سقف‌های کاذب منجر شود.