ساخت یک ساختمان با کیفیت مانند تمام محصولات مهندسی دیگر نیازمند رعایت نکات و ملاحظات فراوان و انجام محاسبات دقیق میباشد. با رشد شهرنشینی و بالا رفتن تراکم ساختمانها ساخت ساختمانهای با طول عمر زیاد اهمیت بیشتری پیدا کرده است. گذشته از این که خرابی یک ساختمان مرتفع در یک منطقه با تراکم بالا میتواند آسیبهای مالی و جانی بسیار زیادی را ایجاد کند، ساخت ساختمانی در چنین مکانی نیز کار مشکلتر و پرهزینهای است. بدین واسطه مخصوصا در کشورهای پیشرفته قوانین ساختمانی برای شهرهای پرتراکم، روز به روز سختتر و دقیقتر میشوند تا ساختمانی که احداث میشود بتواند زمان بیشتری را عمر کند و نسبت هزینه به کارایی آن هر چه ممکن است کاهش یابد. در این مقاله به بررسی یکی از نکاتی میپردازیم که برای پایداری سازه مخصوصا در زمان وقوع زلزله یا نیروهای مشابه بسیار حائز اهمیت است. نکتهای که عدم رعایت آن باعث ایجاد خسارتهای مالی و جانی زیادی در سالهای اخیر در شهرهای بزرگتر کشور ما شده است.
درز انقطاع (Separation Joints) چیست؟
ساخت یک ساختمان با کیفیت مانند تمام محصولات مهندسی دیگر نیازمند رعایت نکات و ملاحظات فراوان و انجام محاسبات دقیق میباشد. با رشد شهرنشینی و بالا رفتن تراکم ساختمانها ساخت ساختمانهای با طول عمر زیاد اهمیت بیشتری پیدا کرده است. گذشته از این که خرابی یک ساختمان مرتفع در یک منطقه با تراکم بالا میتواند آسیبهای مالی و جانی بسیار زیادی را ایجاد کند، ساخت ساختمانی در چنین مکانی نیز کار مشکلتر و پرهزینهای است. بدین واسطه مخصوصا در کشورهای پیشرفته قوانین ساختمانی برای شهرهای پرتراکم، روز به روز سختتر و دقیقتر میشوند تا ساختمانی که احداث میشود بتواند زمان بیشتری را عمر کند و نسبت هزینه به کارایی آن هر چه ممکن است کاهش یابد. در این مقاله به بررسی یکی از نکاتی میپردازیم که برای پایداری سازه مخصوصا در زمان وقوع زلزله یا نیروهای مشابه بسیار حائز اهمیت است. نکتهای که عدم رعایت آن باعث ایجاد خسارتهای مالی و جانی زیادی در سالهای اخیر در شهرهای بزرگتر کشور ما شده است.
رفتار هر ساختمان در زمان اعمال نیروهای جانبی مطابق با خصوصیات دینامیکی آن تعیین میشود. به عبارت دیگر ساختمانهای مختلف رفتاری یا حدودی متفاوت با هم در زمان وقوع زلزله دارند. ساختمانها یا سازهها در زمان زلزله یک نوسان رفت و برگشتی پیدا میکنند. چیزی شبیه یک آونگ که به آن نیرویی اعمال شده است و شروع به نوسان کرده است. اما نوسان دو ساختمان مجاور ممکن است با هم هماهنگ نباشند و این مساله باعث میشود در زمان پیدا کردن حرکات جانبی رفت و برگشتی با هم برخورد کنند. به عبارت دیگر زمان تناوب نوسان دو ساختمان یکسان نباشند و در لحظهای دو ساختمان در موقعیت برخورد با یکدیگر قرار گیرند. این برخورد میتواند بسیار مخرب باشد و حتی باعث فروریزش ساختمانی شود.
برای جلوگیری از این مساله در زمان ساخت ساختمانهای مجاور یکدیگر فاصلهای بین دو ساختمان قرار میدهند که به آن درز انقطاع گفته میشود. درز انقطاع باعث میشود که در صورتی که دو ساختمان در کنار یکدیگر نوسان رفت و برگشتی داشته باشند با یکدیگر برخورد نکنند و در نتیجه احتمال سالم ماندن و پایداری آنها افزایش یابد.
علاوه بر دلیل فوق وجود درز انقطاع سود دیگری نیز دارد. وجود درز انقطاع باعث میشود در صورتی که ساختمان بعد از گذشت زمان نشست پیدا کند و کمی از حالت قائم انحراف پیدا کند بار خود را روی ساختمان مجاور خود نیندازد. ایجاد بار جانبی بر روی ساختمان مجاور، هم خود ساختمان و هم ساختمان مجاور را در مقابل نیروهای جانبی آسیبپذیر مینماید.
محاسبه مقدار درز انقطاع
یکی از آیین نامههای ساختمانی در ایران استاندارد 2800 است که به بیان نکات لازم در طراحی لرزهای و اجرای اجزای غیرسازهای معماری میپردازد. در این آیین نامه در بخش 1-4 لزوم در نظر گرفتن درز انقطاع بیان شده است. طبق چیزی که در این بخش آیین نامه ذکر شده، برای ساختمانهایی که به لحاظ اهمیت در دستهبندی اهمیت خیلی زیاد و زیاد قرار نمیگیرند و حداکثر هشت طبقه دارند درز انقطاع برابر پنچ هزارم ارتفاع ساختمان در نظر گرفته میشود. برای ساختمانهای بیش از هشت طبقه و ساختمانهایی که دارای اهمیت زیاد و خیلی زیاد هستند مقدار درز انقطاع به صورتی دیگر محاسبه میشود. در این ساختمانها به منظور بالا بردن ایمنی ساختمان درز انقطاع بیشتر در نظر گرفته میشود. ارتفاعی که برای محاسبه درز انقطاع یک ساختمان مورد استفاده قرار میگیرد از روی تراز پایه تا بام ساختمان در نظر گرفته میشود. خرپشته بالای ساختمان در محاسبات ارتفاع ساختمان در نظر گرفته نمیشود. تراز پایه در بیشتر ساختمانهای معمولی از روی فونداسیون ساختمان به حساب میآید اما به طور کلی در نظر گرفتن تراز یک ساختمان نیاز به در نظر گرفتن ملاحظات دیگری نیز دارد که در ادامه بیان خواهد شد.
باید توجه گردد که در ساختمانهای مجاور درز انقطاع هر ساختمان تا لبه مساحت زمینی که ساختمان بر روی آن ساخته میشود در نظر گرفته شود نه تا دیوار ساخته شده ساختمانی که در کنار قرار دارد. به عبارت دیگر در مرز زمین دو ساختمان هر کدام از این ساختمانها باید درز انقطاع خود را مطابق با ویژگی خود رعایت کنند. در زیر تصویری قرار دارد که نشان دهنده این مطلب است. مقدارهای X1 و X2 درزهای انقطاع دو ساختمان هستند که بین دیوار جانبی ساختمان و مرز دو زمین دو ساختمان قرار دارند. هر کدام از این درزهای انقطاع وابسته به ارتفاع ساختمان مربوطه تعیین شدهاند.
برای ساختمانهایی که بیش از هشت طبقه دارند و یا دارای اهمیت زیاد یا خیلی زیاد هستند، در آیین نامه استاندارد 2800 در بند 3-5-6 روش محاسبه درز انقطاع بیان شده است. در این بند گفته شده است که در این ساختمانها درز انقطاع هر طبقه باید با محاسبه تغییر مکان غیرخطی طرح در هر طبقه با در نظر گرفتن اثر P-∆ صورت گیرد. پس از محاسبه این تغییر مکان برای هر دو ساختمان مجاور مقدار درز انقطاع با جذر گیری از مجموع مربعات این تغییر مکانها به دست میآید.
اما در عمل وقتی که ساختمانی میخواهد احداث شود اطلاعات ساختمان مجاور آن در دست مهندس طراح ساختمان نمیباشد. در این حالت آیین نامه 2800 این طور بیان میکند که در صورت نبودن اطلاعات ساختمان مجاور فاصله هر طبقه تا مرز زمین مجاور را باید حداقل 70 درصد تغییر مکان غیرخطی طرح در آن طبقه در نظر بگیریم.
تغییر مکان جانبی غیرخطی هر طبقه میزان جابجایی است که هر طبقه در زمان وقوع زلزله از خود نشان میدهد. از آن جایی که تغییر مکان جانبی ساختمان در بالاترین طبقه بیشترین است برای محاسبه درز انقطاع مناسب باید تغییر مکان جانبی طبقه آخر را در نظر بگیریم. در آیین نامه 2800 در بند 3-5-1 میزان تغییر مکان جانبی نسبی طبقات نیز آمده است. در این بند تغییر مکان نسبی جانبی غیرخطی طبقه (∆M) برابر حاصلضرب ضریب بزرگنمایی (Cd) و تغییر مکان جانبی نسبی طبقه تحت اثر زلزله طرح (∆eu) بیان شده است (∆M = Cd . ∆eu). مقدار ضریب بزرگنمایی طبق جدول 3-4 که در آیین نامه داده شده است در نظر گرفته میشود. این ضریب بسته به نوع سازه مقدار میگیرد. از طریق این جدول میتوان مقدار مناسب این ضریب را برای ساختمان مورد طراحی در نظر گرفت. مقدار تغییر مکان جانبی طبقه تحت اثر زلزله توسط نرم افزار و شبیه سازی کامپیوتری به دست میآید. در این رابطه باید تغییر مکان جانبی طبقه تحت اثر زلزله را بر اساس طراحی انجام شده ساختمان به دست آورده و پس از آن مقدار تغییر مکان جانبی غیرخطی را به دست آوریم. سپس 70 درصد مقدار به دست آمده را به عنوان درز انقطاع در نظر بگیریم.
مشکلی که در این حالت وجود دارد این است که مهندس معمار برای شروع به طراحی معماری خود نیاز به در نظر گرفتن مقدار درز انقطاع دارد تا بداند طراحی معماری خود را باید در چه مساحتی انجام دهد. اما توسط این رابطه داده شده در آیین نامه مقدار مناسب درز انقطاع تنها پس از طراحی کامل سازه و محاسبه مقدار تغییر مکان جانبی طبقه تحت اثر زلزله (∆eu) توسط شبیه سازی نرم افزاری به دست میآید. به همین خاطر در عمل برای تعیین مقدار درز انقطاع در این حالت روشهای دیگری به کار میرود.
برای تعیین درز انقطاع یک راه این است که درز انقطاع را حداکثر مقدار ممکن در نظر بگیریم. طبق گفته استاندارد 2800 حداکثر مقدار تغییر مکان جانبی غیرخطی دو صدم ارتفاع ساختمان خواهد بود. بنابراین یک راه این است که همین مقدار را برای محاسبه درز انقطاع به کار ببریم. مشکلی که این روش دارد این است که حداکثر گرفتن درز انقطاع میتواند باعث از دست دادن مساحت زیادی از زمین ساختمان برای طراحی شود. راه دیگری نیز وجود دارد که بعضی از طراحان از آن استفاده میکنند. در این روش مقدار درز انقطاع را همان مقدار پنج هزارم ارتفاع ساختمان در نظر میگیرند. اما در طی طراحی سازه همواره تلاش میکنند طراحی به گونه باشد که مقدار تغییر مکان جانبی طبقه تحت اثر زلزله که با شبیه سازی کامپیوتری توسط نرم افزار به دست میآید از مقدار در نظر گرفته شده بیشتر نشود. این که کدام یک از این روشها مناسبتر است بسیار بستگی به نوع و مشخصات ساختمان و متراژ طراحی آن دارد.
طبقه بندی ساختمانها به لحاظ اهمیت
در آیین نامه 2800 قسمت 1-6 ساختمانها به لحاظ اهمیت دستهبندی شدهاند. در ادامه این تقسیم بندی مختصرا بیان میشود.
ساختمانهای ضروری یا با اهمیت خیلی زیاد
به طور کلی ساختمانهای ضروری یا با اهمیت خیلی زیاد شامل دو نوع ساختمان میشوند. اولین دسته ساختمانهایی هستند که باید پس از وقوع زلزله همچنان به کار خود ادامه دهند و بتوان از آنها بهره برداری کرد. این ساختمانها ساختمانهایی هستند که در صورتی که نتوان از آنها استفاده کرد خود این مساله نیز منجر به افزایش تلفات و خسارت میگردد. ساختمانهایی مانند بیمارستانها، درمانگاهها، مراکز آتش نشانی، مراکز و تاسیسات آب رسانی، نیروگاههای برق و … از این جمله ساختمانها هستند. دسته دوم از این ساختمان ساختمانها یا تاسیساتی هستند که در صورت آسیب جدی باعث آلودگی طولانی مدت محیط زیست و ایجاد خطر برای موجودات زنده میشوند. کارخانههای تولید مواد شیمیایی، نیروگاههای هستهای یا مراکز تحقیقات هستهای و … از جمله این ساختمانها هستند. به دلیل اهمیت بالایی که این نوع ساختمانها دارند تمامی مواردی که باید برای ایمنی ساختمان رعایت شوند در این ساختمانها جدیتر و با دقت بیشتری انجام میگردد. به همین خاطر درز انقطاع مورد نیاز برای این ساختمانها به گونه دیگری محاسبه میگردد.
ساختمانهای با اهمیت زیاد
به طور کلی ساختمانهای با اهمیت زیاد نیز ساختمانهایی هستند که در صورت آسیب دیدن میتوانند باعث تلفات و خسارات زیادی شوند. با این وجود این نوع ساختمانها به لحاظ کاربری با ساختمانهای دسته با اهمیت خیلی زیاد متفاوتند. ساختمانهای با اهمیت زیاد خود شامل سه دسته هستند. دسته اول ساختمانهایی هستند که دربرگیرنده افراد بسیاری هستند. مدارس، مساجد، استادیومهای ورزشی، پایانههای مسافربری، سالنهای سینما و تئاتر، پاساژها و مراکز خرید از این نوع ساختمانها هستند. دسته دوم ساختمانهایی هستند که سرمایهها و ثروتهای ملی در آنها محافظت میشوند. موزهها، کتابخانههای ملی و مراکز نگهداری اشیا با ارزش تاریخی و فرهنگی از این نوع ساختمانها هستند. دسته آخر ساختمانهایی هستند که خرابی یا خسارت شدید به آنها منجر به انتشار آلودگی یا ایجاد آتش سوزی میشوند. پالایشگاهها، تاسیسات و مراکز گازرسانی و انبارهای ذخیره سازی سوخت و مواد قابل اشتعال از این دسته هستند. محافظت از این نوع ساختمانها نیز نسبت به ساختمانهای با اهمیت متوسط و کم ضرورت بیشتری دارد. در نتیجه درز انقطاع برای این ساختمانها نیز به شکل متفاوتی محاسبه میشود.
ساختمانهای با اهمیت متوسط
ساختمانهای معمولی که بیشتر حجم ساختمانهای ساخته شده در یک شهر را شامل میشود در این دسته قرار میگیرند. ساختمانهای مسکونی، اداری و تجاری معمولی، پارکینگهای چند طبقه، انبارها و ساختمانهای صنعتی شامل مواد غیر مضر در این دسته قرار میگیرند.
ساختمانهای با اهمیت متوسط
ساختمانهایی که در این دسته قرار میگیرند ساختمانهایی هستند که در زمان آسیب دیدگی امکان ایجاد تلفات جانی در آنها بسیار کم است. ضمنا خسارت مالی ناشی از خرابی این ساختمانها نیز قابل توجه نمیباشد. ساختمانهایی مانند انبارهای کشاورزی، سالنهای نگهداری دام و ساختمانهای ذخیره سازی تجهیزات فرسوده از این ساختمانها هستند.
تراز پایه یک ساختمان چیست؟
در محاسبه ارتفاع یک ساختمان نیاز است که بدانیم تراز پایه یک ساختمان چیست. به همین دلیل به صورت مختصر تراز پایه یک ساختمان را تعریف میکنیم. همواره قسمتی از یک ساختمان در داخل زمینی که ساختمان بر روی آن ساخته میشود قرار میگیرد. به طور کلی تراز پایه یک ساختمان از قسمتی از ساختمان در نظر گرفته میشود که در زمان حرکت زمین در اثر زلزله آن قسمت ساختمان به پایین عینا حرکتی مشابه زمین داشته باشد، به گونهای که گویا قسمتی از بستر زمین زیر ساختمان است. به عبارت دیگر تراز پایه مرز بین پایه ثابت ساختمان و قسمتی از ساختمان که در اثر زلزله تغییر شکل پیدا میکند میباشد. ساختمانهای معمولی دارای فونداسیونی در بستر زمین زیر خود هستند. ساختمانهایی نیز ساخته میشوند که دارای طبقات پارکینگ یا طبقات منفی هستند. برای ساختمانهایی که دارای پارکینگ طبقه منفی نیستند تراز پایه از بالای فونداسیون ساختمان در نظر گرفته میشود. در ساختمانهایی که دارای زیرزمینی هستند که دیوارهای حائل دورتادور آنها به سازه اصلی متصل است و فضای بین خاک برداری و دیوار حائل با خاک متراکم پر شده است تراز پایه میتواند مکان سقف زیرزمینی که به زمین همکف در نظر گرفته شود. در این حالت علاوه بر این که نیاز است خاکی که در فضای بین دیوار حائل و خاک اطراف بستر ساختمان قرار گرفته است از نوع متراکم باشد، دیوار حائل نیز باید از بتن آرمه ساخته شده باشد و دارای صلبیت کافی باشد. وجود دیوار حائل بتن آرمه میتواند تراز پایه را در یک ساختمان جابجا کند. توجه شود در نهایت تراز پایه یک ساختمان توسط مهندس طراح سازه تعیین میگردد.
نکات اجرایی درز انقطاع
در زمان در نظر گرفتن و محاسبه درز انقطاع نیاز است به نکاتی توجه شود. در زیر برخی از این نکات را بیان میکنیم.
- – درز انقطاع تنها در وجهی از ساختمان قرار میگیرد که در مجاورت آن ساختمانی وجود دارد. گرفتن درز انقطاع در وجوهی که در مجاورت ساختمانی موجود نیست تنها باعث میشود که مساحت مفید زمین خود را از دست بدهیم. به طور مثال اگر در یک زمین که وجهی 25 متری دارد درز انقطاعی 15 سانتی متری در دو وجه به اشتباه در نظر بگیریم حاصل آن از دست دادن 3.75 مترمربع در هر سمت یا به عبارت دیگر 7.5 مترمربع از مساحت زمین ساختمان است که به هیچ وجه چیز مطلوبی نمیباشد.
- – فاصله درز انقطاع دو ساختمان میتواند با مصالح کم مقاومت پر شود. این مصالح باید به گونهای باشد که در هنگام وقوع زلزله در اثر نزدیکی دو ساختمان به سادگی خرد شوند و انتقال دهنده نیروی یک ساختمان به ساختمان دیگر نباشند. ضمنا در صورت امکان باید از مصالحی استفاده کرد که بعدا در هنگام بازسازی قابل جایگزینی باشند. به موادی که برای این منظور استفاده میشود در بازار معمولا فیلر (Filler) میگویند. این مواد پرکننده معمولا حاوی الیاف گیاهی، ترکیبات آسفالتی، چوب پنبه و … هستند. ضمنا مواد به کار رفته به عنوان پرکننده باید در مقابل تغییرات آب و هوایی مقاومت خوبی داشته باشند. در غیر این صورت ممکن است در گذر زمان ظاهر نامناسبی برای ساختمان ایجاد کنند.
- – باید توجه شود که در زمان وقوع زلزله قسمتهای بالایی یک ساختمان جابجایی بیشتری دارند. بنابراین میتوان گفت درز انقطاع در طبقات مختلف متفاوت است. اما در ساختمانهای تا هشت طبق معمولا درز انقطاع به گونهای است که در حرکت حتی آخرین طبقه نیز برخوردی بین ساختمان و ساختمان مجاور صورت نمیگیرد. البته مهندس طراح سازه با محاسبات دقیق میتواند ساختمان را به گونهای طراحی کند که میزان درز انقطاع در طبقات مختلف آن متفاوت باشد. در این حالت درز انقطاع طبقات پایین کمتر و هر چه به طبقه بالاتری میرویم درز انقطاع افزایش پیدا میکند. این عمل باعث میشود که در طبقات پایین بتوان از مساحت بیشتری برای طراحی ساختمان خود استفاده کرد. بعضی مهندسان طراح سازه این کار را با کاهش ضخامت ستون در طبقات بالا انجام میدهند. میدانیم که هر چه به طبقه بالاتری میرویم ضخامت ستون میتواند کاهش یابد و از این کاهش میتوان برای افزایش درز انقطاع استفاده کرد. به طور کلی افزایش درز انقطاع با افزایش طبقه در ساختمان مرتفع را میتوان در ساختمانهای مرتفع مخروطی شکل مشاهده کرد.
