در طراحی یک ساختمان، مهندس طراح علاوه بر زیبایی ساختمان به نکات و ملاحظات زیادی توجه می‌کند. موارد بسیار زیادی وجود دارند که مهندس محاسب سازه آنها را محاسبه کرده و مهندس معمار بر اساس این محاسبات اقدام به طراحی یک ساختمان می‌کند. میزان آمادگی یک ساختمان در تحمل بارهای جانبی از جمله زلزله موردی است که در طراحی هر ساختمانی مد نظر قرار می‌گیرد. هر ساختمان قبل از این که ساخت آن شروع شود توسط محاسبات و شبیه سازی کامپیوتری در مقابل لرزش‌های ناشی از زلزله ارزیابی می‌گردد. این مساله در کشورها و مناطق زلزله خیر اهمیت بیشتری دارد. بنابراین در این کشورها یا مناطق قوانین و آیین نامه‌های ساختمانی در این مورد معمولا سخت گیرانه‌تر وضع شده‌اند. در پیش بینی و ارزیابی رفتار یک ساختمان در مقابل نیروهای جانبی از جمله زلزله مفهومی به نام تراز پایه اهمیت بسیار دارد. در این مقاله به تشریح این مفهوم در یک ساختمان می‌پردازیم. همچنین طریقه در نظر گرفتن تراز پایه را مختصرا بیان می‌کنیم.
تراز پایه چیست؟
در بخش 3-3-1-2 استاندارد 2800 برای تراز پایه چنین تعریفی آمده است. تراز پایه به ترازی در یک ساختمان اطلاق می‌شود که در هنگام زلزله از آن تراز به پایین اختلاف حرکتی بین ساختمان و زمین وجود نداشته باشد. طبق این تعریف تراز پایه یک ساختمان سطحی است که به لحاظ جابجایی‌های افقی با خود زمین تفاوتی ندارد و آن را می‌توان کاملا مقید به زمین در نظر گرفت. به عبارت دیگر از تراز پایه یک ساختمان به پایین را می‌توان به عنوان یک جسم صلب غیر قابل تغییر شکل فیزیکی در مقابل نیروهای وارده دانست. در این حالت جرم تمامی قسمت‌های زیر تراز پایه در تعیین رفتار لرزه‌ای ساختمان نقشی نخواهند داشت.
ارتفاع تراز پایه در یک ساختمان بر روی مقدار ارتفاع یک ساختمان تاثیر مستقیم دارد. بنابراین ارتفاع ساختمان که فاصله بین تراز پایه تا پشت بام یک ساختمان است بر اساس ارتفاع تراز پایه مشخص می‌گردد. میزان جابجایی افقی یا دریفت افقی ساختمان که در محاسبات آن را با ∆ نشان می‌دهند بستگی به ارتفاع ساختمان دارد. در نتیجه ارتفاع تراز پایه عاملی موثر در مقدار جابجایی افقی یا دریفت ساختمان به حساب می‌آید.
طبق موارد گفته شده با تغییر تراز پایه می‌توان نیروی وارد به ساختمان در زمان زلزله را کاهش داد. به طور کلی هر چه ارتفاع یک ساختمان بلندتر باشد نیروی وارده به واسطه زلزله به آن بیشتر می‌شود. پس کاهش ارتفاع می‌تواند در کم کردن نیروی زلزله موثر باشد. به عنوان یک طراح نمی‌توان طبقه‌ای را از یک ساختمان حذف کرد، اما شاید بتوان تراز پایه یک ساختمان را بالاتر برد تا ارتفاع موثر ساختمان کاهش یابد.
تعیین تراز پایه
برای تعیین تراز پایه آیین نامه استاندارد 2800 در بخش 3-3-1-2 مواردی را بیان کرده است که طبق آنها مهندس محاسب می‌تواند اقدام به تعیین تراز پایه نماید. این موارد به صورت زیر هستند.
- برای ساختمان‌های بدون زیرزمین یا ساختمان‌های دارای زیر زمین که دیوارهای نگهبان آن به سازه متصل نباشند، تراز پایه باید در سطح بالای شالوده در نظر گرفته شود.
وجود زیرزمین می‌تواند در تغییر تراز پایه یک ساختمان موثر باشد، البته این زیرزمین باید شرایط خاصی داشته باشد. در صورتی که زیرزمین دارای دیوارهایی باشد که مقاومت بالایی در انتقال نیروهای افقی زمین به باقی ساختمان ندارند، زیرزمین نمی‌تواند تراز پایه ساختمان را تغییر دهد و تراز پایه ساختمان در سطح بالای فونداسیون یا شالوده در نظر گرفته می‌شود. در واقع در این حالت زیرزمین نمی‌تواند مانند یک جسم صلب عمل کند. در این حالت زیرزمین در مقابل نیروهای جانبی جابجایی افقی پیدا می‌کند و این جابجایی افقی بخشی از جابجایی افقی یا دریفت کلی ساختمان به حساب می آید. فونداسیون یک ساختمان پس از گودبرداری توسط آرماتوربندی و بتون ریزی اجرا می‌شود، در نتیجه مانند یک جسم صلب عمل می‌کند. در نتیجه سطح بالایی آن به عنوان تراز پایه در نظر گرفته می‌شود.
اما اگر زیرزمین دارای دیوارهای نگهبان (Retaining Walls) باشد مساله متفاوت خواهد بود. دیوارهای نگهبان، دیوارهایی هستند که می‌توانند به صورت یک سازه نگه دارنده در نظر گرفته شوند و برای پایداری سازه و یا حتی مقابله با ریزش و مهار خاک‌های تپه‌ای یا عوارض طبیعی دیگر در اطراف ساختمان به کار روند. این نوع دیوارهای نگهبان می‌توانند تا حدودی مانند یک جسم صلب عمل کنند و در نتیجه سطح تراز پایه یک ساختمان را بالا ببرند. البته این کار زمانی رخ خواهد داد که این دیوارها شرایطی که در ادامه گفته شده است را دارا باشند.
- برای ساختمان‌های دارای زیرزمینی که دیوارهای نگهبان آن به سازه متصل هستند و فضای بین خاکبرداری و دیوار نگهبان با خاک متراکم پر شده است، تراز پایه می‌تواند در نزدیک‌ترین سقف زیرزمین به زمین طبیعی اطراف در نظر گرفته شود، منوط بر آن که اولا خاک طبیعی موجود در اطراف ساختمان متراکم باشد و ثانیا دیوارهای نگهبان زیرزمین بتن آرمه بوده و آخرین سقف زیرزمین نیز دارای صلبیت کافی باشد. در این راستا می‌توان از صلبیت تیرها و یا مجموعه تیر و دال سقف‌ها برای افزایش صلبیت سقف استفاده نمود.
مورد دومی که در آیین نامه استاندارد 2800 آمده است شرایطی را بیان می‌کند که در صورت برقراری این شرایط وجود زیرزمین باعث تغییر سطح تراز پایه می‌گردد. این شرایط به این صورت هستند. اولا زیرزمین در صورتی می‌تواند باعث بالا بردن سطح تراز پایه شود که مجموعه دیوارهای آن صلبیت کافی را از خود نشان دهند و انتقال دهنده نیروهای زمین بستر به باقی ساختمان باشند، بدون این که خود جابجایی افقی قابل توجهی پیدا کنند. دیوارهای نگهبان باید از بتن آرمه ساخته شوند تا دارای چنین خصوصیتی باشند. دیوارهای غیرسازه‌ای خصوصیت لازم را ندارند. ثانیا باید بین دیوارهای نگهبان و دیواره قسمت گودبردای شده با خاک متراکم پر شده باشد. این خاک متراکم باعث می‌شود که دیوارهای نگهبان آزادی حرکتی نداشته باشند و در زمان زلزله با حرکت زمین حرکت کنند و حرکت نسبی آنها نسبت به زمین بستر ساختمان صفر باشد، گویی که این دیوارها جزوی از زمین بستر هستند. گاهی به جای خاک متراکم از بتن لاغر استفاده می‌کنند. بتن لاغر بتونی است که در آن درصد مقدار سیمان از بتن‌هایی که در مصارف سازه‌ای به کار می‌رود کمتر است. به طور معمول در هر مترمکعب بتن سازه‌ای چیزی بین 300 تا 450 کیلوگرم سیمان به کار می‌رود. در بتن لاغر در هر مترمکعب این مقدار حدود 100 تا 150 کیلوگرم سیمان می‌باشد. ثالثا دیوارهای نگهبان زیرزمین باید به سازه اصلی متصل باشند. ساختمان‌هایی وجود دارند که در عین این که دیوارهای زیرزمین آنها از بتن آرمه ساخته شده است صرفا به عنوان محافظی در مقابل فشار خاک اطراف بستر ساختمان ساخته شده‌اند. این نوع دیوارها به سازه اصلی متصل نشده‌اند. در نتیجه نمی‌توانند باعث بالا رفتن سطح تراز پایه ساختمان باشند.معمولا به این نوع دیوارهای نگهبان دیوارهای نگهبان مستقل می گویند. رابعا آخرین سقف زیرزمین یا به عبارت دیگر نزدیک‌ترین سقف زیرزمین به سطح زمین باید داری صلبیت باشد. البته این مورد معمولا برقرار است اما طبق گفته آیین نامه از صلبیت تیرها و یا مجموعه تیر و دال سقف‌ها نیز برای افزایش این صلبیت می‌توان بهره برد.
نکات اجرایی تعیین تراز پایه
زمانی که تراز پایه از روی فونداسیون ساختمان در نظر گرفته شود، در صورتی که ساختمان دارای زیرزمین باشد (چیزی که در بسیاری از ساختمان‌های امروزی وجود دارد) وزن دیوارهای نگهبان جزو وزن لرزه‌ای سازه به حساب خواهند آمد. در این صورت طراحی لرزه‌ای ساختمان بسیار پیچیده‌تر خواهد شد. چرا که ساختمان بالای سطح تراز پایه از دو نوع ساختار تشکیل شده است و در نتیجه دو نوع رفتار در مقابل نیروهای جانبی زلزله خواهد داشت. به این دلیل و دلایل بسیار دیگر به طور کلی طراحان تلاش می‌کنند که سطح تراز پایه ساختمان را بالا ببرند. چون در این حالت در انجام طراحی ساختمان مزیت‌های فراوانی حاصل می‌شود. با این وجود همیشه این کار قابل انجام نیست و یا انجام آن نیاز به پرداختن به نکات بسیاری دارد. در این قسمت چند مورد که در تعیین تراز پایه نیاز به ملاحظه دقیق دارد را بررسی می‌کنیم.
موقعیت طبقات نسبت به سطح بستر زمین سازه
در مواردی ممکن است که سطح سقف زیرزمین با سطح زمین طبیعی فاصله داشته باشد در این حالت بسته به شرایط، مکان تراز پایه تعیین می‌شود. در زیر به چند حالت اشاره می‌کنیم.در مواردی ممکن است که سطح سقف زیرزمین با سطح زمین طبیعی فاصله داشته باشد در این حالت بسته به شرایط، مکان تراز پایه تعیین می‌شود. در زیر به چند حالت اشاره می‌کنیم.در مواردی ممکن است که سطح سقف زیرزمین با سطح زمین طبیعی فاصله داشته باشد در این حالت بسته به شرایط، مکان تراز پایه تعیین می‌شود. در زیر به چند حالت اشاره می‌کنیم.
در یک سازه قاب خمشی اگر سقف زیرزمین با فاصله قابل توجه بالاتر از سطح زمین طبیعی باشد
در یک سازه قاب خمشی اتصال بین تیرها و ستون‌ها به صورت گیردار می‌باشد. اتصال گیردار به این معنی است که توسط این نوع اتصال، تیر می تواند به ستون هم نیروی برشی و هم لنگر وارد کند. اتصال گیردار تیر و ستون را مقید می‌کند که در هر حال محل اتصال و همچنین زاویه 90 درجه اتصال خود را حفظ کنند. در نتیجه سازه‌های با قاب سازه‌ای توانایی زیادی در تحمل بارهای جانبی از خود نشان می‌دهند. در این نوع سازه‌ها در صورتی که شرایط زیر فراهم باشد می‌توان تراز پایه را در سطح سقف زیرزمین در نظر گرفت.
- دیوار نگهبان در کل ارتفاع زیرزمین به صورت بتن آرمه اجرا شده باشد، حتی قسمتی که در بالای سطح زمین طبیعی است.
- در اطراف دیوارهای نگهبان بین فضای دیوار و دیواره خاکی گودبرداری از خاک متراکم یا بتن لاغر استفاده شده باشد.
- دیوار نگهبان با سقف زیرزمین، تیرها و ستون ها اتصال یکپارچه داشته باشند.
در صورتی که موارد فوق برقرار نباشد برای اطمینان، بهتر است تراز پایه روی سطح فونداسیون ساختمان در نظر گرفته شود. توجه شود ایجاد خاک متراکم یا بتن لاغر در اطراف دیوارهای نگهبان در تمامی وجوه ممکن است کار ساده‌ای نباشد. این مساله درگیر در نظر گرفتن ملاحظات فراوان است. به طور مثال اگر زمین ساختمان از دو یا چند طرف مشرف به ساختمان‌های دیگر باشد. همچنین اگر همسایه ای تصمیم به تخریب و دوباره سازی ساختمان خود که در مجاورت ساختمان است بگیرد، تراکم لازم برای فضای بین دیوار نگهبان و سطح زمین طبیعی ممکن است دچار مشکل شود. از آن گذشته ممکن است در جهات مختلف اشراف زمین ساختمان به سازه‌های مختلف و یا شرایط متغیر دیگر باشد که در این صورت بالا بردن سطح تراز پایه را بسیار مشکل می‌کند. در این حالت بهتر است که تراز پایه بر روی فونداسیون ساختمان در نظر گرفته شود.
در یک سازه دیوار برشی اگر سقف زیرزمین با فاصله قابل توجه بالاتر از سطح زمین طبیعی باشد
در قسمت های مختلف یک سازه دیوار برشی از دیوارهای برشی استفاده شده است. دیوارهای برشی دیوارهایی هستند که علاوه بر توانایی تحمل بارهای عمودی، مقاومت بالایی در تحمل بارهای جانبی از خود نشان می‌دهند. این دیوارها به صورت هوشمندانه‌ای در قسمت‌های مختلف یک سازه به کار می‌روند تا بتوانند استحکام کلی ساختمان را در مقابل بارهای جانبی افزایش دهند. دیوارهای برشی خود انواع مختلف دارند که می‌توان از آن جمله به دیوارهای برشی بتن آرمه، دیوارهای برشی فولادی و دیوارهای برشی مصالح بنایی اشاره کرد. دیوارهای برشی به نسبت قاب‌های خمشی سختی بالاتری دارند و در نتیجه در این حالت تعیین تراز پایه به صورت متفاوت تعیین می‌گردد. در یکی از آیین نامه‌های ساختمانی کشور آمریکا آمده است که در صورتی می‌توان تراز پایه را از فونداسیون یک ساختمان بالاتر آورد که قسمت های پایینی تراز پایه در نظر گرفته شده دارای سختی حداقل 10 برابر قسمت‌های بالاتر از تراز پایه باشد. در ساختمان‌هایی که از دیوارهای برشی استفاده می‌کنند ممکن است سازه بالای تراز پایه سختی بالایی داشته باشد و در نتیجه قسمت زیر تراز پایه بالای فونداسیون نتواند شرط سختی بیش از 10 برابر را تامین کند. در نتیجه در این حالت تراز پایه ساختمان را در همان روی فونداسیون در نظر می‌گیرند.
اگر در دیوارهای نگهبان زیرزمین بازشو وجود داشته باشد
به دلایل مختلف ممکن است که در دیوارهای نگهبان زیرزمین یک ساختمان نیاز به ایجاد بازشو باشد. این بازشو ممکن است به عنوان محل نصب تهویه پارکینگ یا محل خروج گازهای تولیدی در موتورخانه و یا برای تامین روشنایی طبیعی باشد. این بازشوها به هر دلیلی که ایجاد شوند باعث کاهش سختی و مقاومت دیوارهای نگهبان زیرزمین می‌شوند. حال ممکن است دو حالت پیش بیاید. حالت اول این است که بازشوها مساحت کوچکی دارند و تاثیر آنها در کاهش سختی دیوار نگهبان جزئی است، به طوری که سختی دیوارهای نگهبان زیرزمین همچنان بیش از 10 برابر سختی قسمت‌های بالایی ساختمان است. در حالت دوم بازشوها مساحت قابل توجهی دارند و در نتیجه کاهش سختی دیوارهای نگهبان باعث شده است که سختی آنها کمتر از 10 برابر سختی قسمت‌های بالایی ساختمان باشد. در حالت اول تراز پایه را می‌توان در پایین‌ترین قسمت سطح بازشوهای ایجاد شده در دیوارهای نگهبان در نظر گرفت. به عبارت دیگر در این حالت سطح تراز پایه از روی فونداسیون بالاتر آمده و در پایین ترین سطح بازشوهای ایجاد شده قرار می گیرد. اما در حالت دوم شرط احتیاط این است که تراز پایه ساختمان را همان سطح بالای فونداسیون ساختمان در نظر گرفت. لازم به ذکر است که در مورد ساختمان‌هایی که از سیستم دیوارهای برشی بهره می‌برند به واسطه سختی بالای سازه دیوار برشی، در این حالت نیز شرط سختی 10 برابری دیوارهای نگهبان زیرزمین نسبت به قسمت‌های بالای تراز پایه ساختمان برقرار نمی‌باشد. در نتیجه در این حالت نیز تراز پایه ساختمان را باید سطح بالای فونداسیون ساختمان در نظر بگیریم.
اگر در قسمت‌های مختلف فونداسیون ساختمان اختلاف سطح وجود داشته باشد
در صورتی که در یک ساختمان تنها در قسمتی از ساختمان زیرزمین وجود داشته باشد، تعیین تراز پایه کار ساده‌ای نخواهد بود. به عبارت دیگر در این حالت فونداسیون ساختمان در یک سطح واحد قرار نگرفته است. در این حالت به طور کلی و عمومی نمی‌توان روشی را ارائه داد و در هر ساختمان با توجه به شرایط خاص خود، مهندس طراح باید تصمیم گیری نماید. عواملی مانند میزان سطحی از ساختمان که دارای زیرزمین است، جنس و نوع دیوارهای نگهبان زیرزمین و نوع مواد به کار رفته دورتادور دیوارهای نگهبان، فاکتورهای مهمی هستند که در این تصمیم گیری مورد توجه مهندس طراح قرار می گیرند. با این وجود روش معمولی که بعضی از مهندسین محاسب به پیش می‌گیرند بدین صورت است که ابتدا تراز پایه را در سقف زیرزمینی که نزدیک به سطح زمین طبیعی است در نظر می‌گیرند. با این فرض تحلیل‌های لازم را انجام می‌دهند. سپس تراز پایه را در پایین‌ترین سطح تحتانی زیرزمین در نظر می‌گیرند و با این فرض دوباره تحلیل‌های لازم را صورت می‌دهند. پس از انجام این تحلیل‌ها بر اساس بیشترین نیروی برشی که ممکن است به سازه وارد شود طراحی نهایی سازه را به پایان می‌رسانند.
اگر دیوار نگهبان از بلوک آجر فشاری ساخته شده باشد
چیزی که در ساختمان‌های چند طبقه امروزی بسیار دیده می‌شود استفاده از آجر فشاری در دیوارهای پیرامونی زیرزمین است. سازندگان بسیاری در ساختمان خود یک زیرزمین با ارتفاع حدود 3 یا 3.5 متر اجرا کرده و دیوارهای پیرامونی آن را با آجر فشاری می‌سازند. مشخصا دیوار ساخته شده با این نوع بلوک بنایی در مقایسه با بلوک‌های سفالی استحکام بیشتری دارد، البته به قیمت وزن و سنگینی بسیار بیشتر. در این موارد طبق گفته استاندارد 2800 این نوع دیوار نمی‌تواند باعث بالا آمدن تراز پایه شود و باید تراز پایه از روی فونداسیون ساختمان در نظر گرفته شود.
نقش تراز پایه در محاسبات طراحی یک ساختمان
در بند 3-2 آیین نامه استاندارد 2800 روش‌های مختلف برای تحلیل اثر زلزله بر ساختمان‌های مختلف آمده است. این روش‌ها به دو دسته روش‌های خطی و روش‌های غیرخطی تقسیم می‌شوند. روش‌های خطی خود شامل روش‌های تحلیل استاتیکی معادل، تحلیل دینامیکی طیفی و تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی است. روش‌های غیرخطی شامل تحلیل استاتیکی غیرخطی و تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی است. در این قسمت استاندارد 2800 و همچنین در پیوست دوم آن شرایط لازم برای هر ساختمان که در آن بتوان نوعی از این روش‌های تحلیل را برای آنها اعمال کرد آمده است.
با دنبال کردن محاسبات در هر کدام از این تحلیل‌ها طبق روابط آمده در آیین نامه مشاهده می‌شود که ارتفاع سازه که خود وابسته به مکان تراز پایه در ساختمان است در مقادیر به دست آمده موثر است. در تحلیل استاتیکی مشاهده می‌شود استفاده از زیرزمین با دیوارهای نگهبان مطابق شرایط آمده در بخش 3-3-1-2 استاندارد 2800، و در نتیجه بالا آوردن تراز پایه، طبق روابط مربوطه، باعث بالا رفتن نیروی وارد به ساختمان در زمان زلزله می‌شود که برای ما مطلوب نیست. اما از سوی دیگر بالا آوردن تراز پایه باعث می‌شود که در این حالت وزن دیوارهای نگهبان زیرزمین که معمولا عدد بزرگی است جزو وزن موثر لرزه‌ای ساختمان در نظر گرفته نشود. این کاهش وزن موثر لرزه‌ای ساختمان در کاهش مقدار برش پایه ساختمان اثر بزرگتری دارد و در نهایت باعث می‌شود ساختمان در مقابل زلزله عملکرد بهتری داشته باشد. در تحلیل دینامیکی نیز ارتفاع ساختمان که وابسته به محل تراز پایه آن است، در محاسبه زمان تناوب اصلی ساختمان و تعیین ضریب بازتاب نقش دارد. علاوه بر تحلیل‌های استاتیکی و دینامیکی در محاسبه درز انقطاع محل تراز پایه بسیار مهم است. طبق روش‌های ارائه شده در آیین نامه استاندارد 2800 برای محاسبه درز انقطاع، محاسبه آن وابسته به ارتفاع ساختمان و در نتیجه محل تراز پایه آن است.
در نهایت طبق مطالب گفته شده مشخص است که محل تراز پایه یک ساختمان در انجام طراحی و محاسبات و تحلیل‌های یک ساختمان نقش مهمی دارد. اگر یک ساختمان به شکل مشخصی دارای خصوصیات ذکر شده در استاندارد 2800 باشد تعیین تراز پایه در آن مشخص است اما در مواردی که این خصوصیات دقیقا به آن شکل نیست قضاوت در مورد تعیین تراز پایه بر عهده مهندس محاسب می‌باشد. در این حالت مهندس محاسب بر اساس محاسبات و ضمنا تجربه کاری خود باید مکان تراز پایه را به گونه‌ای در نظر بگیرد که ملاحظات آیین نامه‌ای را ارضا نماید.
