مروری بر رفتار لرزه‌ای دیوارهای غیرسازه‌ای مسلح

مقدمه

ساختمان سازی در ایران مانند تمامی کشورهای جهان مستلزم استفاده از یک سری مصالح بنایی خاص است که البته این مصالح بسته به موقعیت جغرافیایی و آب و هوا می‌تواند تا حدودی متفاوت باشد. دلیل این امر ویژگی‌های مناسب این نوع مصالح می‌باشد که در طول صدها سال گذشته کارآمدی خود را به اثبات رسانده‌اند. از جمله ویژگی‌های مثبت مصالح بنایی می‌توان به دوام، ظاهر زیبا، خصوصیات صوتی و حرارتی مناسب و … اشاره نمود. در سال های اخیر استفاده کردن از اجزاء پیش‌ساخته بیشتر مرسوم شده‌است، اما به دلایل مختلف هنوز استفاده از مصالح ساختمانی اولویت دارد. گرچه از لحاظ لرزه‌ای استفاده از مصالح دو عیب بزرگ دارد. اول وزن بالا و دوم شکل‌پذیری ضعیف آنها است. مشکل وزن با تولید بلوک‌های توخالی و مشبک تا حدودی رفع شده‌است اما مشکل عدم شکل‌پذیری آنها همچنان به قوت خود باقی است. بدون استفاده از تسلیحات خاص این مصالح ترد و شکننده هستند که آنها را در مقابل لرزه آسیب‌پذیر می‌نمایند. یک عامل مهم دیگر در استحکام دیوارهای غیرسازه‌ای، اتصال آنها به سازه اصلی است. روش های اجرایی فعلی در کشور عمدتا به نحوی هستند که در حین زلزله تغییر مکان‌های جانبی سیستم بابر جانبی به دیوارهای غیرسازه‌ای منتقل‌شده و با توجه به ظرفیت تغییر شکلی اندک، دیوار دچار آسیب شدید داخل صفحه ای شده و این آسیب، دیوار را مستعد فروریزش خارج از صفحه خواهد نمود. در این مقاله به بررسی دیوارهای غیرسازه‌ای مسلح می‌پردازیم.

دیوارهای بنایی مسلح

مسلح نمودن دیوار بنایی می‌تواند به صورت تعبیه میلگردهای بستر خرپایی یا نردبانی به صورت افقی و یا استفاده از میلگردهای آجدار در امتداد قائم یا افقی و یا ترکیبی از این روش‌ها انجام شود. مزیت استفاده از میگردهای بستر در این است که میلگرد در ملات بستر مدفون شده و لازم به ریختن دوغاب نمی‌باشد. همچنین برای استفاده از میلگردهای بستر لازم نیست واحدهای بنایی شکل خاصی داشته‌باشند و حتی در مورد دیوارهای ساخته‌شده با واحدهای بنایی توپر نیز استفاده از این المان امکان پذیر است. در مقابل استفاده از میلگرد معمولی مستلزم استفاده از واحدهای بنایی سوراخ‌دار می‌باشد به‌طوری‌که برای استفاده از میلگردهای آجدار افقی، لازم است واحد بنایی فاقد جان باشد (یا جان آن شکسته‌شده‌باشد). البته در صورتی‌که از دیوارهای دولایه استفاده شود، می‌توان میلگردهای آجدار را مابین لایه‌ها قرار داده و فضای خالی مابین دو لایه را با دوغاب پر نمود. بدیهی است که این کار منجر به افزایش ضخامت دیوار و کاهش سرعت ساخت خواهد شد. شایان ذکر است که المان‌های بنایی را با سایر روش‌ها نظیر استفاده از صفحات پلیمر مسلح (FRP) و شبکه‌ها یا ضخامت فولادی نیز می‌توان مسلح نمود.

همانند سازه‌های بتنی، در سازه‌های بنایی نیز دلیل اصلی استفاده میلگردهای بستر، جبران ضعف مصالح بنایی در تحمل تنش‌های کششی می‌باشد. نکته‌ای که باید در نظر داشت این است‌که اغلب آیین نامه‌ها و دستورالعمل‌ها، در دیوارهای بنایی مسلح از مقاومت کششی مصالح بنایی صرف نظر کرده و فرض می‌کنند تمام کشش توسط المان فولادی تحمل خواهدشد. دلیل این امر این است که سختی و ظرفیت کششی فولاد و مصالح بنایی بسیار متفاوت بوده و مصالح بنایی و فولاد هم زمان نقش بابری را ایفا نمی‌کنند. در نتیجه رفتار المان‌های بنایی مسلح تا حد زیادی مشابه رفتار المان‌های بتن مسلح می‌باشد و با فرض خطی بودن توزیع کرنش در مقطع دیوار می‌توان با یک تحلیل ممان – انحنا ظرفیت خمشی خارج از صفحه (و نیز داخل صفحه) دیوار بنایی مسلح را تخمین زد. در این خصوص کرنش نهایی المان‌های بنایی نیز بسیار مشابه بتن می‌باشد. به عنوان مثال بر اساس آیین نامه ACI 530 کرنش نهایی فشاری برای دیوارهای رسی برابر 0.0035 و برای دیوارهای AAC برابر 0.003 و این مقدار برای دیوارهای ساخته‌شده با واحدهای سیمانی برابر 0.0025 می‌باشد. اهمیت مسلح کردن دیوارهای بنایی به حدی است که اکثر آیین نامه‌ها و دستورالعمل ها لازم می‌دانند که حتی دیوارهای غیرسازه‌ای نیز در مناطق با لرزه خیزی بالا دارای حداقل تسلیحاتی باشند.

از جمله مزیت های دیوارهای بنایی مسلح می توان به موارد زیر اشاره داشت:

• وابستگی کم مقاومت دیوار به نوع ملات به خصوص در رفتارهای کنترل شونده توسط خمش
• عدم وابستگی به چینش واحدهای بنایی به طوری که استفاده از پیوند ممتد و غیرممتد تاثیر چندانی در مقاومت داخل و خارج صفحه نخواهد داشت. با این حال حتی در دیوارهای مسلح نیز استفاده از پیوند ممتد توصیه می‌شود.
• بهبود قابل توجه در شکل‌پذیری و قابلیت جذب انرژی دیوار
• کاهش ترک‌های ناشی از جمع شدگی و تغییر شکل‌های حرارتی

رفتار خارج از صفحه

اگرچه معمولا مسلح کردن دیوارهای بنایی در دیوارهای برشی به منظور بهبود عملکرد داخل صفحه دیوار انجام می‌شود، اما این کار موجب بهبود رفتار خارج از صفحه دیوار نیز خواهد شد. طی پژوهشی رفتار خارج صفحه دیوارهای ساخته‌شده از بلوک‌های توخالی سفالی و مسلح‌شده با آرماتورهای قائم و افقی بررسی شده‌است. رفتار خارج از صفحه المان‌های بنایی مسلح از شکل‌پذیری خوبی برخوردار می‌باشد. به علاوه هیچ شکست تردی در آزمایشات گزارش نشده‌است.

در تست‌های میز لرزه، اثر میلگردهای بستر خرپا شکل در عملکرد میانقاب‌های بنایی مورد بررسی قرار گرفته‌است. مشخص شده است که عدم استفاده از میلگردهای بستر منجر به فروریزش خارج از صفحه میانقاب‌ها و تشکیل طبقه نرم می‌شود که نتیجه آن فروریزش کامل سازه است. اما در صورت استفاه از میلگردهای بستر، میانقاب ها در جهت خارج از صفحه ناپایدار نشده و کل سازه نیز (اگرچه آسیب‌دیده است) دچار فروریزش نشده‌است. حتی با وجود اینکه دیوارهای مسلح از دو لایه تشکیل شده بوده اند (ضخامت دو برابر)، اما عملکرد آن ها نسبت به دیوارهای مسلح تک لایه ضعیف‌تر بوده‌است.

شایان ذکر است که در دیوارهای بنایی غیرمسلح بروز ترک به معنای گسیختگی دیوار می‌باشد. حال آنکه در دیوارهای بنایی مسلح چنین نبوده و نه تنها بروز ترک مجاز می‌باشد، بلکه اساسا کلیه تحلیل ها بر اساس مقطع ترک‌خروده دیوار انجام می‌شود. همچنین دیوارهای مسلح از انسجام بهتری در جین زلزله برخوردار می‌باشند.

در پژوهشی رفتار خارج از صفحه یک پانل آجر رسی غیرمسلح با رفتار مشابه مسلح شده با پلیمر مسلح (FRP) مقایسه شده است. اگرچه دیوارهای بنایی نیز می تواند با استفاده از پلیمر مسلح تقویت شوند، لیکن این روش قدری پر هزینه بوده و معمولا در بهسازی دیوارها کاربرد دارد. به علاوه لازم است در خصوص عملکرد دراز مدت و نیز مقاومت پلیمر مسلح در برابر آتش سوزی نیز تمهیدات خاصی اتخاذ گردد.

رفتار داخل صفحه

در خصوص رفتار داخل صفحه دیوارهای بنایی مسلح تحقیقات بسیاری صورت گرفته است که خلاصه آنها را می توان در دستورالعمل FEMA 307 ملاحظه نمود. همانند دیوارهای بتنی، در دیوارهای بنایی نیز شکل پذیری و قابلیت جذب انرژی به مکانیزم خرابی دیوار وابسته بوده، به طوری که دیوارهای با مکانیزم خرابی خمشی (کنترل شونده توسط خمش) نسبت به دیوارهای با مکانیزم خرابی برشی (کنترل شونده توسط برش) از رفتار مناسب تری برخوردار می باشند.

تحقیق دیگری در مورد رفتار درون صفحه دیوارهای بنایی ساخته‌شده از بلوک سیمانی و مسلح‌شده توسط میلگردهای بستر خرپایی انجام شده‌است. در این مطالعه میلگردهای بستر نه تنها در امتداد افقی در بند بستر قرار داده‌شده‌اند، بلکه در امتداد قائم نیز مابین بلوک‌ها (بند کله) و نیز در داخل حفره بلوک‌ها از تسلیحات خرپایی شکل استفاده‌شده‌است. نتیجه به این صورت به دست آمد که نه تنها شکل پذیری دیوار افزایش یافته، بلکه ظرفیت جانبی (مقاومت) دیوار نیز افزایش قابل توجهی داشته‌است.