محافظت ساختمانها در مقابل زلزله همواره یکی از دغدغههای اصلی در زمینه طراحی ساختمانها در دنیا بودهاست. در بعضی مناطق زلزلهخیر این امر اهمیت بیشتری دارد تا آنجا که قوانین خاصی برای مقاومسازی ساختمانها در مقابل زلزله وضع شدهاست که سازندگان ملزم به اجرای آنها هستند. گسترش زندگی شهری در دنیا باعث بالا رفتن تراکم جمعیت در کلان شهرها خطر آسیبهای جانی و مالی فراوان را در هنگام وقوع زلزله ایجاد کردهاست. مهندسین و محققان حوزه عمران همواره در تلاش هستند راههای عملی و قابل اجرا برای پیشگیری از این آسیبها را ارائه دهند. در این مقاله پنچ اقدام مهم و قابل اجرا در زمان طراحی سازه ساختمان را بیان میکنیم که تأثیر شگرفی در حفظ تمامیت سازه در زمان زلزله ایجاد میکند. اکثر این اقدامات با ایجاد تطابق و بومیسازی با شرایط ساختوساز ایران در کشور ما نیز به کار میروند.
در ابتدا باید به این نکته اشاره کرد که در عمل هیچ ساختمان کاملاً ضدزلزلهای قابل ساخت نیست و اگر هم در مواردی آن هم با ملاحظاتی قابل ساخت باشد توجیه فنی و منطقی نخواهد داشت. هدف نهایی مقاومسازی سازهها در مقابل زلزله جلوگیری از فروریزش آنها و به حداقل رساندن آسیبهای مالی و جانی است. در این حالت افراد ساکن در ساختمان امکان تخلیه ساختمان را بعد از وقوع زلزله به صورت ایمن را دارند. این شرایط مانند وقوع یک حادثه رانندگی در یک اتومبیل استاندارد و ایمن است. با وجودی که ممکن است اتومبیل آسیب زیادی دیدهباشد سرنشینان پس از حادثه میتوانند به سلامت از اتومبیل خارج شوند. حال که تصور صحیحی درباره مقاومسازی ساختمان در مقابل زلزله پیدا کردیم به معرفی پنج روش متداول که مهندسان عمران برای انجام این مهم در طراحی ساختمان به کار میگیرند میپردازیم.
1) استفاده از قابهای خمشی (Moment Frames)
به صورت ذاتی اتصالهای معمولی بین تیرها و ستونها در ساختمانها اتصالات به قدر کافی قدرتمند نیستند. شاید این اتصالات در یک ساختمانی که هیچ موقع دچار زلزله نمیشود تا سالها هیچ مشکلی را ایجاد نکنند اما مطمئناً توانایی تحمل نیروهای جانبی واردشده به ساختمان در زمان زلزله را ندارند. برای تقویت این اتصالات مهندسان از قابهای خمشی استفاده میکنند. این قابهای خمشی در واقع اتصالاتی هستند که به شکل مستحکمی به تیر و ستون جوشکاری یا پیچ و مهره میشوند. این اتصالات در مقابل تغییر زاویه بین تیر و ستون شدیداً مخالفت میکنند و استحکام سازه را در مقابل نیروهای جانبی حاصل از زلزله و تنها بادهای شدید بسیار بالا میبرند. شایان ذکر است که قابهای خمشی بیشتر در اسکلتهای فولادی به کار میرود و استفاده آنها در اسکلتهای بتنی محدودتر است. استفاده از قابهای خمشی دارای مزایا و معایبی هستند.
در ابتدا باید به این نکته اشاره کرد که در عمل هیچ ساختمان کاملاً ضدزلزلهای قابل ساخت نیست و اگر هم در مواردی آن هم با ملاحظاتی قابل ساخت باشد توجیه فنی و منطقی نخواهد داشت. هدف نهایی مقاومسازی سازهها در مقابل زلزله جلوگیری از فروریزش آنها و به حداقل رساندن آسیبهای مالی و جانی است. در این حالت افراد ساکن در ساختمان امکان تخلیه ساختمان را بعد از وقوع زلزله به صورت ایمن را دارند. این شرایط مانند وقوع یک حادثه رانندگی در یک اتومبیل استاندارد و ایمن است. با وجودی که ممکن است اتومبیل آسیب زیادی دیدهباشد سرنشینان پس از حادثه میتوانند به سلامت از اتومبیل خارج شوند. حال که تصور صحیحی درباره مقاومسازی ساختمان در مقابل زلزله پیدا کردیم به معرفی پنج روش متداول که مهندسان عمران برای انجام این مهم در طراحی ساختمان به کار میگیرند میپردازیم.
موارد زیر را میتوان مهمترین مزایای این روش دانست:
الف) استحکام بسیار خوبی برای سازه در مقابل نیروهای جانبی ایجاد میکنند.
ب) اجرای قابهای خمشی تنها در گوشهها و زاویهها انجام میشود و نیاز سازه را به استفاده از دیوار یا ستون اضافه برای مقاومسازی ساختمان را برطرف میکنند. این مسئله به مهندسان معمار اجازه میدهد که خانههایی با فضای بازتر و پر نورتری را طراحی نمایند. به طور کلی استفاده از قابهای خمشی ایجادکننده گزینههای بیشتری در طراحی داخلی و خارجی برای معماران هستند.
پ) قابهای خمشی به واسطه سختی زیادی که در اتصالات ایجاد میکنند در نیروهای جانبی، مخصوصاً نیروهای جانبی شدید میتوانند باعث ایجاد نوسان و لرزش و حتی تغییر شکل دادن ستونها یا تیرها شوند. این مسأله خود میتواند باعث عاملی برای فروریزش دیوارهای غیرسازهای باشد.
چند مورد زیر عیبهای استفاده از قابهای خمشی میباشند:
الف) قابهای خمشی معمولاً باعث پیچیده شدن طراحی میشوند. تحلیل سازهای که با قابهای خمشی طراحی شدهاست وقتگیرتر از یک سازه معمولی است. ضمناً اجرای سازه استفاده کننده از قابهای خمشی نیز مشکلتر و نیاز به دقت بیشتر دارد.
ب) یکی از مهمترین عیبهای استفاده از قابهای خمشی هزینه بالای آن است. در این روش نیاز به استفاده از اتصالات اضافی زیادی است که باعث بالا رفتن هزینه تمامشده ساختمان میشود.
2) استفاده از قابهای مهاربند (Braced Frames)
موارد زیر مزایای دیگر این روش هستند:
الف) استفاده از قابهای مهاربند در مقایسه با روشهای دیگر محافظت ساختمان در مقابل زلزله به نسبت اقتصادیتر هستند. این قابها به نسبت نیاز به مواد اولیه کمتری دارند و چون نیاز ساختمان را به استفاده از ادوات دیگر برطرف میکنند در هزینه تمامشده ساختمان نقش مثبتی را بازی میکنند.
ب) قابهای مهاربند باعث میشوند که سازه برای افزایش استحکام نیاز به ستون یا دیوارهای داخلی کمتری داشتهباشد. این مسأله باعث میشود معماران گزینههای بیشتری در طراحی داخلی ساختمان داشتهباشند.
پ) قابهای مهاربند امکان نصب سریع را دارند. از آنجایی که این قطعات از قبل ساختهشدهاند و تنها نیاز به اتصال به نقاط مربوطه طبق طراحی سازه است میتوانند نقش مهمی در تسریع روند پیشرفت پروژه را داشتهباشند.
از معایب این روش میتوان به موارد زیر اشارهکرد:
الف) محل قرارگیری قابهای مهاربند عموما در دیوارهای خارجی است. این مسأله باعث میشود که محدودیتهایی را در طراحی معماری خارجی بنا ایجاد شود. استفاده از پنجرههای بزرگ و فراوان در ساختمانهای استفاده کننده از این قابها کمتر امکانپذیر خواهد بود.
ب) ایجاد پیچیدگی در طراحی سازه یکی دیگر از عیبهای این روش است. طراحی سازه استفادهکننده از این قابها باید به همراه محاسبات کافی و در نظر گرفتن تمامی ملاحظات لازم انجام شود که خود این مسأله زمان و انرژی لازم برای طراحی را افزایش میدهد. معمولاً دستیابی به طراحی بهینه در استفاده از این روش ساده نیست و نیاز به تحلیلهای فراوان دارد.
3) استفاده از دیوارهای برشی (Shear Walls)
دیوارهای برشی از بیرون معمولاً شبیه دیوارهای معمولی هستند اما این دیوارها در ساختمان به گونهای طراحی میشوند که بتوانند نیروهای جانبی وارد به ساختمان را تحمّل کنند. استفاده از این دیوارها علیالخصوص در ساختمانهای بتنی و چوبی ابزار بسیار مناسبی برای مقاومسازی به شمار میروند. این دیوارها انواع مختلفی دارند و با مواد اولیه مختلفی قابل ساخت هستند. بسته به نوع ساختمان و ویژگیهای آن دیوار برشی مناسب توسط طراحان انتخاب میشود.
از مزایای این دیوارها میتوان به موارد زیر اشارهکرد:
الف) بالا بردن مقاومت باربری ساختمان علاوه بر بالا بردن مقاومت ساختمان در مقابل نیروهای جانبی یکی از مزیتهای بسیار خوب این دیوارها است. اثر باربری این دیوارها میتواند باعث کاهش مقطع ستونها یا دیوارهای دیگر در یک ساختمان شود.
ب) استفاده از این دیوارها مخصوصاً در ساختمانهای مرتفع میتواند ساختمان را در استفاده از قابهای خمشی و مهاربند بینیاز کند. این مسأله میتواند نقش بسیار مؤثری هم در کاهش وزن سازه و هم در کاهش هزینه داشتهباشد.
از معایب دیوارهای برشی میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
الف) این دیوارها میتوانند گزینههای طراحی معماری را محدود کنند. وجود این دیوارها که برای ایجاد استحکام ساختمان حیاتی است در داخل فضای ساختمان میتوانند باعث بستهشدن فضا گردند. ضمناً از آنجایی که این دیوارها نمیتوانند فضای باز در خود داشتهباشند میتوانند محدودیتهایی برای طراحی خارجی ساختمان نیز ایجاد کنند. البته در اکثر مواقع طراحی میتواند به گونهای انجام شود که این اثر محدودکننده به کمترین حد خود برسد. مثلاً در بعضی از ساختمانها دیوارهای برشی را به عنوان دیوارهای دور محفظه آسانسور قرار میدهند.
ب) نیاز به طراحی دقیق یکی دیگر از عیب های این دیوارها هستند. مکانهای قرارگیری این دیوارها به گونهای که بتوانند استحکام لازم را برای یک ساختمان ایجاد کنند بسیار مهم هستند. عملکرد مناسب دیوارهای برشی بسیار وابسته به انتقال صحیح بار به فونداسیون ساختمان است. در نتیجه سازه باید به لحاظ انتقال بار و همچنین بهترین مکان قرارگیری دیوارهای برشی مورد تحلیل قرار گیرد.
