مروری بر رفتار لرزه‌ای دیوارهای غیرسازه‌ای غیر مسلح

استفاده از مصالح بنایی در بسیاری از کشورها، از جمله ایران، کاربرد فراوانی در ساخت‌و‌ساز داشته و به طور گسترده در دیوارهای غیرسازه‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. 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. اگرچه در سال‌های اخیر تا حدی دیوارهای غیرسازه‌ای پیش‌ساخته و پانلی نیز در کشور مورد استفاده قرار گرفته‌اند، لیکن به دلایل مختلف همچنان استفاده از مصالح بنایی، متداول‌ترین روش برای ساخت دیوارهای غیرسازه‌ای است. با این وجود، مصالح بنایی از منظر لرزه‌ای دو ضعف مهم دارند: وزن بالا و شکل‌پذیری پایین. اگرچه با تولید آجرهای مجوف و نیز بلوک‌های سبک مشکل وزن تا حدی برطرف شده‌است، لیکن مشکل عدم شکل‌پذیری همچنان به قوت خود باقی مانده است و بدون استفاده از تسلیحات، مصالح بنایی موجود همچنان ترد و شکننده هستند.

عامل مؤثر دیگر در رفتار لرزه‌ای نامناسب دیوارهای بنایی، اتصال نامناسب آن‌ها به سازه اصلی می‌باشد. روش های‌اجرایی فعلی در کشور عمدتا به نحوی هستند که در حین زلزله تغییر مکان‌های جانبی سیستم بابر جانبی به دیوارهای غیرسازه‌ای منتقل شده و با توجه به ظرفیت تغییر شکلی اندک، دیوار دچار آسیب شدید داخل صفحه‌ای شده و این آسیب، دیوار را مستعد فروریزش خارج از صفحه خواهد نمود. نمونه‌های فراوانی از چنین تخریب‌هایی در زلزله‌های گذشته مشاهده شده‌است. بر اساس تجربیات گذشته لازم است که رفتار دیوارهای غیرسازه‌ای بررسی شده و ملاحظاتی در طراحی آن‌ها صورت گیرد.

المان‌های بنایی

عناصر تشکیل دهنده

به طور کلی المان‌های بنایی از دو بخش واحد بنایی و ملات تشکیل می‌شوند. واحد بنایی می‌تواند به صورت آجر یا بلوک و از جنس خشت (رس خشک‌شده در دمای پایین)، سفال (رس پخته‌شده در دمای بالا)، بتن یا شیشه باشد. ملات نیز می‌تواند از اجزای گوناگونی ساخته‌شده‌باشد که در این میان استفاده از سیمان، آهک و ماسه در ساخت ملات متداول است. بسته به مقاومت مورد نیاز، المان بنایی نیز می‌تواند شامل دوغاب و یا آرماتور باشد. دوغاب بتنی ریزدانه و روان است که داخل حفره‌های واحدهای بنایی را پر کرده و انسجام واحدهای بنایی را بهبود می‌بخشد. آرماتور می‌تواند به صورت افقی یا قائم و محصور در دوغاب یا ملات مابین واحدهای بنایی قرار داده‌شود.

مشخصات مکانیکی

مقاومت فشاری

میزان مقاومت مجموعه واحد بنایی و ملات در مقابل فشار بر روی آن را مقاومت فشاری می‌گویند. این مقاومت به مقاومت فشاری واحد بنایی، مقاومت فشاری ملات و نیز ضخامت ملات بستگی دارد. به جز بلوک‌های AAC، مقاومت فشاری واحد بنایی بیش‌تر از مقاومت فشاری ملات بوده، لذا مقاومت فشاری کل توسط مقاومت فشاری ملات کنترل می‌شود. البته به واسطه چسبندگی موجود مابین ملات و واحد بنایی، ملات در جهت جانبی تحت محصورشدگی قرار داشته و مقاومت آن در مقایسه با حالت بدون محصورشدگی بیشتر خواهد‌بود. مقاومت فشاری المان‌های بنایی بسته به نوع ملات و واحد بنایی معمولا بین 2 تا 30 مگاپاسکال می‌باشد. مقاومت فشاری المان‌های بنایی ساخته‌شده از واحدهای رسی یا سیمانی، معمولا در محدوده 10 تا 20 مگاپاسکال هستند. لازم به توضیح است که برای المان‌های بنایی دو نوع مقاومت فشاری می‌توان تعریف نمود. مقاومت فشاری بر اساس سطح مقطع کل و مقاومت فشاری بر اساس سطح مقطع مؤثر. در این مقاله اعداد بیان‌شده بر اساس مقاومت فشاری بر مبنای سطح مقطع مؤثر می‌باشد.

مقاومت خمشی

مقاومت خمشی یک المان بنایی میزان مقاومت آن در مقابل خم شدن و انحنا پیدا کردن است. این مقاومت برای یک المان بنایی غیرمسلح توسط پارامتری به نام مدول گسیختگی المان بنایی کنترل می‌شود که این المان خود مستقیما به مقاومت چسبندگی ملات به واحد بنایی وابسته است. شایان‌ذکر است که مقاومت چسبندگی ملات به واحد بنایی از مقاومت چسبندگی خود ملات و خود واحد بنایی کمتر بوده و وابستگی شدیدی به نوع ساخت دیوار دارد. به عنوان مثال ملاتی که بتواند آب خود را حفظ کند و نیز واحدهای بنایی که جذب آب کم‌تری داشته‌باشند، منجر به ایجاد چسبندگی بهتری می‌شوند. برای این منظور استفاده از آهک در ملات توصیه می‌شود چرا که آهک موجب می‌شود ملات حالت خمیری پیدا کرده و آب خود را به سادگی از دست ندهد. همچنین در مورد واحدهای بنایی رسی (خشتی یا سفالی) بهتر است قبل از اجرای دیوار واحد بنایی رطوبت کافی داشته‌باشد تا از میزان مکش آب آن کاسته‌شود. بر اساس تحقیقات انجام‌شده بسته به نوع ملات، نوع واحد بنایی، وجود یا عدم وجود دوغاب، جهت خمش و نیز چینش واحدهای بنایی، مدول گسیختگی المان‌های بنایی می‌تواند بین 0.2 تا 2 مگاپاسکال باشد.

مقاومت برشی

مقاومت برشی مقاومتی است که المان بنایی در مقابل چرخانده‌شدن واحدهای بنایی روی هم یا روی ملات از خود نشان می‌دهند. مقاومت برشی المان‌های بنایی به طور کلی به دو قسمت تشکیل می‌گردد. قسمت اول ناشی از چسبندگی ملات به واحد بنایی و قسمت دوم ناشی از اصطکاک مابین واحد بنایی و ملات می‌باشد. البته در صورتی که نیروی محوری فشاری مابین واحدبنایی و ملات بالا باشد، ممکن است شکست برشی در خود واحد بنایی رخ دهد که در این صورت برش به مجذور مقاومت فشاری المان بنایی وابسته خواهد‌بود. در صورت عدم وجود نیروی محوری، مقاومت برشی المان‌های بنایی معمولا بین 0.2 تا 0.6 مگاپاسکال می‌باشد.

دیوارهای بنایی غیرمسلح

رفتار دیوارهای بنایی غیرمسلح در دو امتداد داخل صفحه و خارج صفحه قابل بررسی است. اگرچه در اغلب موارد در حین زلزله دیوارهای بنایی در هر دو جهت داخل و خارج از صفحه عمل می‌کنند، لیکن تقسیم‌بندی عملکرد آن‌ها در دو امتداد مجزا منجر به درک بهتری از رفتار آن‌ها خواهدشد.

رفتار خارج از صفحه

بسیاری از دیوارهای بنایی غیرمسلح در زلزله‌ها و آزمایشات لرزه‌ای گذشته دچار فروریزش خارج از صفحه شده‌اند. منظور از امتداد خارج از صفحه جهت عمود بر صفحه دیوار است. این رفتار زمانی پیش می‌آید که به دیوار نیرویی عمود بر آن و نه در راستای دیوار وارد شود. مقاومت خمشی خارج از صفحه دیوارهای بنایی غیرمسلح به عوامل زیادی وابسته‌است که از آن جمله می‌توان به موارد زیر اشاره داشت.

میزان بار محوری موجود روی دیوار

به طور معمول با افزایش بار محوری دیوارهای غیرمسلح، ظرفیت خمشی خارج از صفحه دیوار افزایش خواهدیافت. به‌همین‌منظور است که در برخی موارد از دیوارهای بنایی پیش‌تنیده استفاده می‌شود.

نوع ملات

نوع و طرح اختلاط ملات مصرفی تاثیر زیادی در میزان چسبندگی ملات به واحد بنایی دارد. همان‌طور که گفته‌شد مدول گسیختگی و متعاقبا ظرفیت خمشی دیوارهای بنایی غیرمسلح مستقیما به نوع ملات ارتباط دارد.

چیدمان واحدها

بهترین ظرفیت خمشی هنگامی به دست می‌آید که دیوار به صورت پیوند ممتد (Running Bond) اجرا شده‌باشد. اگرچه مقاومت خمشی قائم (ترک‌ها موازی بند بستر) در پیوند ممتد و غیرممتد تفاوت چندانی ندارند، لیکن در مقاومت خمش افقی (ترک‌ها عمود بر بند بستر) استفاده از پیوند ممتد موجب افزایش چشمگیر مقاومت خمشی خواهدشد.

وجود ملات کله (قائم)

به ملات موجود مابین دو واحد بنایی مجاور یکدیگر در یک ردیف ملات کله (Head Joint) گفته می‌شود. تحقیقات انجام‌شده نشان‌داده‌است که وجود ملات کله می‌تواند منجر به افزایش مقاومت و سختی خارج از صفحه دیوار گردد.

شرایط مرزی دیوار

منظور از شرایط مرزی وجود یا عدم وجود اتصال دیوار و همچنین کیفیت اتصال دیوار در لبه‌های دور تا دور خود به سازه اصلی است. بسته به شرایط مرزی دیوار، خمش خارج از صفحه می‌تواند منجر به ایجاد تنش‌های کششی قائم (عمود بر ملات بستر) و یا تنش‌های کششی افقی (موازی ملات بستر) شود. اگر دهانه دیوار به صورت قائم باشد، تنش‌های کششی عمود بر ملات بستر خواهند بود. مطالعات انجام‌شده نشان‌داده‌اند که به طور کلی اگر تنش‌های کششی در امتداد موازی ملات بستر باشند، مقاومت خمشی دیوار بیش از حالتی است که تنش‌های کششی عمود بر ملات بستر هستند. به‌علاوه در صورتی که شرایط تکیه‌گاهی دیوار به صورت گیردار باشد، میزان تنش‌های کششی وارده کاهش یافته و مقاومت خمشی دیوار افزایش پیدا می‌کند.

ابعاد واحد بنایی

بر اساس تست‌های صورت‌گرفته مشاهده‌شده‌است که مقاومت خمشی خارج از صفحه دیوار حساسیت زیادی به هندسه واحدهای بنایی دارد. به طور کلی هر چه نسبت ارتفاع به کوچک‌ترین بعد واحد بنایی بیشتر باشد، مقاومت خمشی موازی ملات بستر افزایش و مقاومت خمشی عمود بر ملات بستر کاهش می‌یابد.

پر کردن واحدهای بنایی با دوغاب

پر کردن بلوک های بنایی توخالی با دوغاب می تواند مقاومت خمشی خارج از صفحه دیوار را تا سه برابر افزایش دهد.

رفتار خارج از صفحه

اگرچه رفتار داخل صفحه اغلب در مورد دیوارهای برشی (دیواری است که از قطعات مهاری (قطعات برشی) ساخته شده و وظیفهٔ خنثی کردن اثر بارهای جانبی وارد شده بر سازه را بر عهده دارد. دیوار برشی برای مقابله با بارهای جانبی متداولی همچون بار باد و بار زلزله طراحی می‌شود) مطرح می باشد، اما مروری بر رفتار دیوارهای برشی بنایی در این بخش به رسیدن به درکی بهتر از رفتار دیوارهای بنایی کمک می کند. بسیاری از محققین، آیین نامه ها و مهندسین بر رفتار لرزه ای نامناسب دیوارهای بنایی غیرمسلح در امتداد داخل صفحه تاکید دارند. مروری بر رفتار این دیوارها در زلزله های گذشته و نیز آزمایشات گوناگون موید این امر است که دیوارهای بنایی غیرمسلح دارای رفتاری غیرشکل پذیر و دارای زوال مقاومت و سختی هستند. عواملی که در رفتار داخل صفحه دیوارهای بنایی غیرمسلح مؤثرند عبارتند از:

ملات کله قائم

همانند رفتار خارج از صفحه دیوار، رفتار داخل صفحه دیوار نیز تا حد زیادی متاثر از وجود یا عدم وجود ملات کله می باشد. بر اساس آزمایشات انجام شده وجود ملات کله می تواند منجر به افزایش قابل توجه سختی و مقاومت داخل صفحه دیوارهای غیرمسلح شود. اگرچه ملات کله می تواند ظرفیت تغییر شکل دیوار را کاهش دهد که این امر در مورد رفتار خارج از صفحه نیز صادق است.