Image

مقاوم سازي ساختمان هاي بتني موجود در کشور ژاپن

 

بسمه تعالی

 

 


 

 

 

 

 

 

 

فهرست مطالب :

چکيده:  

مقدمه  

ـ نگاهي به رفتار ساختمان ها در زلزله ي کوبه     

ـ تشکيل شبکه اي از گروه هاي فّني براي افزايش ظرفيت لرزه اي ساختمان ها   

ـ ارزيابي ظرفيت لرزه اي ساختمان هاي موجود    

استراتژي مقاوم سازي و راه کارهاي آن

پيشينه ي تاريخي   

ـ استراتژي مقاوم سازي 

ـ تکنيک هاي مقاوم سازي 

نتيجه گيري       

منابع و مراجع       

 

 

 

 

چکيده:

کشور عزيزمان ايران، بر روي کمربند جهاني زلزله قرار دارد و هر از گاهي در گوشه و کنار اين مرز و بوم زلزله ايُ رخ مي دهد که باعث قرباني شدن تعدادي از هموطنانمان مي گردد لذا اهميت مقابله با اين پديده ي طبيعي براي همه مشخص است. در اين راستا استفاده از تجارب کشورهايي که شرايطي نظير ما دارند، خالي از بهره نخواهد بود. بنابراين اقدامات اوليه اي که در کشور ژاپن در اين خصوص انجام شده مورد توجه قرار گرفته است

پس از فجايع ناشي از زلزله کوبه، فنون جديد از قبيل جداسازي هاي لرزه اي ـ ميراگرها و FRP جهت مقاوم سازي ساختمان هاي بتني مورد استفاده قرار گرفتند. و روش هايي مانند افزودن ميانقاب ها تقويت قطعات سازه اي موجود توسط جاکت هاي فولادي و نصب بادبندهاي اضافي هم از قبل متداول بودند.

در اين مقاله سعي مي گردد که ضمن ارائه روشهاي مقاوم سازي در کشور ژاپن رفتار ساختمانهاي مقاوم سازي شده نمايش داده شود اين ساختمانها ممکن است قبل و يا بعد از زلزله مقاوم سازي شده باشند

 

واژه هاي کليدي: مقاوم سازي. ژاکت فولادي. ساختمانهاي بتني

 

 

مقدمه

پس از آســيب شــديدي که به ساختمان ها و بر اثر وقوع چند زلزله ي مخرب (مثل زلزله ي ١٩٧٨ کوبه و ١٩٨٩ لوماپريتا) وارد شــد، اهميت بهسازي لرزه اي ســاختمان هاي موجود علي الخصوص ساختمان هايي که در مناطقُ پر جمعيت شهري قرار داشــتند روز به روزنمايان تر مي شــد. از طرفي فشــار رواني ناشــي از اين زمين لرزه ها مردم را ترغيب به مقاوم سازي ساختمان هاي موجود مي نمود.

در دنيا تعداد زيادي از ســاختمان هاي موجود به دلايل مختلف نياز به مقاوم ســازي دارند که از جمله اين دلايل مي توان تغيير در آئين نامه هاي طراحي و آســيب هاي وارده به ســاختمان ها ناشي از زلزله هاي مختلف و همچنين عدم استفاده از آئين نامه هاي رايج در طراحي ســاختمان ها را نام برد. روش هاي متعدد مقاوم ســازي که قبل از وقوع زلزله و يا بعد از آن مورد اســتفاده واقع شــده اند مورد ارزيابي قرار گرفتند که بعضي از اين روش ها مانند ميانقاب ها، بادبندها و جاکت کردن اعضــا باعث افزايش مقاومت جانبي و شــکل پذيري گرديده و روش هايي مانند جداســازي لرزه اي و ميراگرها هم باعث کاهش پاسخ لرزه اي ساختمان ها شده اند.

 

ـ نگاهي به رفتار ساختمان ها در زلزله ي کوبه

نتايج بررسي هاي به عمل آمده روي ساختمان ها بتني به قرار زير گزارش شده است.

١. اکثر ساختمان هايي که بر اساس آئين نامه هاي موجود طراحي و ساخته شده بودند آسيب شديد سازه اي نديده و سطح عملکرد ايمني جاني را به خوبي تأمين کرده بودند.

٢. درصد ساختمان هاي بتني که شديداً آسيب ديده يا فرو ريخته اند ٧.٨ درصد گزارش شده اند.

٣. درصد ســاختمان هايي که به علت طبقه ي نرم در همکف آســيب جّدي ديده اند ١٧ درصد و آن هايي که طبقه ي نرم همکف را نداشتند ٧ درصد گزارش شده که خيلي کمتر از ساختمان هاي با طبقه نرم در همکف هستند.

٤. ســاختمان هاي بتن آرمه اي که آســيب ديده بودند قبل از سال ١٩٨١ طراحي و ساخته شده بودند به ويژه آن هايي که مربوط به قبل از ســال ١٩٧١ بودند، چون آئين نامه ي لرزه اي ژاپن مربوط به ســال ١٩٥٠ است که زير ساخت آن شبيه اولين آئين نامه ژاپن مربوط به سال ١٩٢٤ مي باشد.

اين آئين نامه طي سال هاي ١٩٧١ تا ١٩٨١ مورد بازبيني قرار گرفته بود.

در يک نگاه آماري آســيب شــديد يا فروريزي ســاختمان هايي که فاقد طبقه نرم در همکف بودند و قبل از ســال ١٩٧١ طراحي و ســاخته شــده بودند ٨.١ درصد و ساختمان هاي مربوط به سال هاي قبل از ١٩٨١- ٣.٧ درصد و مواردي که بر اســاس آئين نامه هاي جاري طراحي و ساخته شــده اند ١.١ درصد گزارش شده است. و اين نسبت ها براي ساختمان هايي که داراي طبقه نرم در همکف بودند براي قبل از سال ١٩٧١ ـ ١٢.٢ درصد و قبل از سال ١٩٨١ ـ ١١.٧ درصد و براي آئين نامه هاي رايج ٢.٤ درصد گزارش شده اند.

 بنابراين بررســي آســيب پذيري ساختمان هاي باقي مانده که امکان تجربه ي زلزله شديد را در آينده دارند بسيار ضروري به نظر مي رسد. بدين ترتيب مقاوم سازي تعداد زيادي از پروژه ها بعد از زلزله کوبه آغاز گرديد.

 براي اين منظورابتدا براي ارتقاء آئين نامه هاي موجود دولت ژاپن اقدام به انتشاراستانداردي براي مقاوم سازي ساختمانهاي بتني موجود نموده و همچنين با تخصيص بســته هاي تشــويقي خاص از جمله وام هاي کم بهره، معافيت هاي مالياتي و غيره قوانيني جهت الزام مقاوم ســازي ســاختمان هاي با اهميت بالا را وضع نمود. ليکن چون غالب ساختمان ها در سطح خطر زلزله کوبه پاســخگو نبودند اغلب ساختمان ها نياز به مقاوم سازي داشتند از طرفي موارد زير به عنوان موانعي بر سر راه مقاوم سازي بودند.

١. مقاوم سازي لرزه اي براي مالکان ساختمان ها جذابيت کمتري نسبت به از نو ساختن آنها دارد.

٢. از آنجايي که دوره ي بازگشت يک زلزله ي بزرگ طولاني است، انجام مقاوم سازي با ترديد همراه بود.

٣. بهسازي يک ساختمان موجود بسيار پيچيده تر از يک ساختمان نوساز است و براي مهندسين و دست اندرکاران داراي زحمت زياد و دستمزد کمتري است.

به هر تقدير پس از اجماع به عمل آمده پس از زلزله کوبه راه کارهاي زير جهت مقاوم سازي پيش او قرار گرفت:

١. گسترش روش هاي ارزيابي ظرفيت لرزه اي.

٢. توسعه ي روشهاي مقاوم سازي ساختمان هاي موجود.

٣. آموزش مهندسين.

٤. يارانه هــاي دولتــي، وام هاي کم بهره، معافيت هاي مالياتي و نظاير آن، جهت افزايش انگيزه مردم جهت مقاوم ســازي ساختمانهاي موجود.

 

ـ تشکيل شبکه اي از گروه هاي فّني براي افزايش ظرفيت لرزه اي ساختمان ها

 اين شبکه متشکل از ٧٦ کميته بود که به شرکت هاي مرتبط به طراحي و ساخت ساختمان ها و دانشگاهيان، مهندسين، معماران و مشاوران وابسته بود.

فعاليت هاي اين کميته ها عبارتند بودند از:

١. مبادله ي اطلاعات مربوط به بهسازي لرزه اي.

٢. برگزاري سمينارها جهت ارتقاء دانش مهندسان.

٣. پشتيباني دولت به گروه هاي مهندسي براي تأسيس مراکز ارتقاي بهسازي لرزه اي و موارد مشابه.

 

ـ ارزيابي ظرفيت لرزه اي ساختمان هاي موجود

 تعيين ظرفيت لرزه اي و توصيه هاي مقاوم ســازي اغلب بعد از ســال ١٩٧٧ استفاده شد. در دستورالعمل ارزيابي، ظرفيت لرزه اي ساختمان ها به وسيله ي انديس لرزه اي IS و بر اساس معادله ي زير محاسبه مي شود.

 

IS = شاخص لرزه اي. Eo= شاخص لرزه اي مبنا. SD = انديس طراحي سازه اي.

T = شاخص زمان.

ضريب مبناي لرزه اي Eo از حاصل ضرب شاخص مقاومت در شاخص شکل پذيري به دست مي آيد.

 

ايده انديس لرزه اي براي سنجش ظرفيت استهلاک انرژي طبقه است در دستورالعمل ارزيابي شاخص مبناي لرزه اي سه تراز را براي تعيين E شامل مي شود.

تراز اول: ســاختمان هايي که تعداد ديوارهاي آن قابل توجه اند و C شــاخص مقاومت بر اســاس سطح مقطع و مقاومت واحد ديوارها و ستون ها محاسبه مي شود.

 تراز دوم: ضريب C بر اساس ديوارها و ستون ها ي مسلح محاسبه مي شود.

تراز سوم: مقاومت نهايي و شکل پذيري تيرها و ستون ها و ديوارها مي بايست به دقت محاسبه شود.

عملکرد لرزه اي ساختمان ها بر اساس دستورالعمل موجود به قرار زير تعيين مي شود:

براي ارزيابي ظرفيت لرزه اي ساختمان ها IS شاخص لرزه اي تخمين زده مي شود.

 اين شاخص با شاخص ISO مقررات مقايسه مي شود اگر IS بزرگتر بود، ساختمان از نظر آئين نامه عملکرد خوبي دارد.

اين ضريب دســتورالعمل بر اساس مطالعه روي ســاختمان هاي بتني که در زلزله هاي قبلي آسيب ديده بودند تعيين شده اســت. در اين مطالعه ثابت شــده که اکثر ســاختمان هايي که دچار آسيب شديد يا متوسط شــده بودند IS آن ها کمتر از

٠.٣اســت و خســارت در ســاختمان هايي که IS آن ها بزرگتر از٠.٦ بود ناچيز بود لذا ٦..= IS به عنوان معيار پذيرش آئين نامه قرار گرفت.

 

استراتژي مقاوم سازي و راه کارهاي آن

پيشينه ي تاريخي

 تحقيقات در خصوص بهســازي لرزه اي ســاختمان هاي موجود بعد از زلزله Oki -Tokachi واندکي پس از ســال ١٩٦٨ شروع شد.

تعداد زيادي از ساختمان هاي کوتاه مرتبه بتني آسيب ديده بودند و در ميان آن ها ساختمان هايي بودند که قبل از زلزله و افزودن ديوار سازه اي مقاوم سازي شده بودند، اين اولين تجربه ژاپني ها در اين خصوص بود.

ژاپني ها مقاوم سازي را بر اساس عملکرد انجام مي دادند ولي مبتني بر يک دستورالعمل تخصصي نبود.

بنابراين مطالعات آزمايشــگاهي آن ها روي بررسي رفتار لرزه اي ساختمان هاي مقاوم سازي شده متمرکز گرديد و در سال ١٩٧٧ و در قالب آئين نامه طراحي و مقاوم ســازي ســاختمان هاي بتني (توسط دولت ژاپن) منتشر گرديد. اين آئين نامه در سال ١٩٩٠ مورد بازبيني قرار گرفت.

 

ـ استراتژي مقاوم سازي

اهداف مقاوم سازي عبارتند از: باز يافتن عملکرد اصلي سازه و ارتقاء آن همچنين کاهش پاسخ لرزه اي سازه.

با انجام تعميرات و يا جايگزيني مصالح مناســب امکان باز يافتن عملکرد اصلي ســازه وجود دارد و جهت ارتقاء ســطح عملکرد ساختمان راههاي زير وجود دارد.

 ـ با افزايش سختي سازه مي توان جلوي تغيير شکل هاي بزرگ را گرفت.

ـ با ايجاد تغييرات در پيکربندي ســاختمان مي توان نواقصي مانند نامنظمي در توزيع ســختي يا مقاومت را گرفت و اين مهم باعث کاهش خرابي در پيچش هاي بزرگ در يک قسمت خاص از ساختمان مي شود.

ـ با الحاق ميراگرها مي توان ميرايي ســازه را افزايش داد که اينکار باعث اســتهلاک بيشتر انرژي و کاهش پاسخ لرزه اي سازه مي شود.

ـ استفاده از جداسازهاي لرزه اي باعث کاهش پاسخ سازه به تحريک زمين مي گردد و با افزايش زمان تناوب سازه، جرم مؤثر ساختمان کاهش مي يابد.

 

ـ تکنيک هاي مقاوم سازي

 بســياري از روش هاي مقاوم سازي که در ســاختمان هاي موجود استفاده شدند اهداف زير را دنبال مي کنند.

١. افزايش مقاومت. ٢. افزايش شکل پذيري. ٣. ترکيب مناسبي از اين دو مورد.

 عملکرد مورد نياز به وســيله مقاومت و شکل پذيري ارزيابي مي شود. در ساختمان هاي کوتاه و متوســط افزايش مقاومت محتمل ترين گزينه جهت افزايش عملکرد است حتي اگر شــکل پذيري لازم هم موجود باشــد مقاومت لازم بايد وجود داشــته باشد تا تغيير شکل ها در ناحيه غير خطي کنترل شود.

 روش هاي مقاوم سازي به طور خلاصه در شکل (٢) نشان داده شده اند.

جهت افزايش مقاومت قاب هاي موجود المان هايي به آن ها اضافه شده اند و يا به منظور افزايش ظرفيت خمشــي و يا بهبود شکل پذيري ساختمان هاي موجود اجزاي قاب ها با الحاق مصالح جديد مسلح شده اند.

 

 

Fig. 1. Seismic strengthening, seismic isolation and energy dissipation

Fig. 2. Typical frame strengthening techniques

 

 

المان هايــي که بــه منظور افزايش مقاومت ســاختمان هاي موجود به کار گرفته شــده اند عبارتند از ميانقاب ها، بادبندها، ديوارهاي دو طرف ستون ها، پشــت بندها و نيز افزايش قاب هاي پيراموني و ميانقاب ها و ديوارهــاي کناري داخل قاب هــا و قطعات پيش تنيده بين قاب ها و يا بين ستون ها نصب مي شــوند. امکان استفاده از ديوارهاي فولادي به عنوان ميانقاب در قاب هاي موجود وجود دارد.

 زماني که نياز به مقاومت جانبي بالا داشــته باشيم بايد ديوار يکپارچه عمل کند و بدين منظور بين قاب ها و ميانقاب ها بايد اتصال مناســبي برقرار باشد.

 بــراي ايجاد يکپارچگي اگر بازشــوهايي هم در ديوارهاي جانبي قرار داشته باشند بايد با بتنُ پر گردد يک ديوار سازه اي موجود ممکن است به وســيله جايگزيني يک ديوار بتني تقويت شود جزئيات اتصالات در سازه هاي موجود بتني در شکل ٣ نمايش داده شده است.

نمونه اتصال تيپ شــکل (a) ٣ جهت اتصال ميانقاب ها به ديوارهاي کناري مورد اســتفاده قرار مي گيرند شــکل (c) ٣ نمونه اتصالي است که در آن ميله مهارها به وســيله ي چســب در بدنه موجود نصب شده است.

                 

 

Fig. 3. Connections in frame strengthening

Fig. 4 Behavior of stregthened frames with steel systems.

 

شکل (d) ٣ اتصالي است که در آن المان هاي فولادي به وسيله يُ پرکردن ملات به قطعات بتني متصل شــده اند ضمن اينکه اين قطعات مي توانند مانند شــکل (b) ٣ به صورت مستقيم و باپيچ و رول پلاک به قاب ها متصل شوند.

سيستم با بندها و پانل هاي فولادي در قاب هاي محيطي توسط ياماتو مــورد مطالعه قرار گرفته که در شــکل ٤ منحنــي رفتاري آن نمايش داده شده است.

جهت برقراري اتصال بين ميانقاب ها و ســتون ها فولادي بدين ترتيب عمل مي شــود که روي ســتون ها گل ميخ هايي نصب مي شود و بعد مهارهايي هم با چسب به ميانقابها چسبانده مي شودو بعد فضاي بين اين دو بتن ريزي مي شــود بنابراين علي رغم اينکه با هم اتصال ندارند با هم درگير مي شوند اين نوع اتصال رو اداري زيادي را جهت اتصال قاب هاي فولادي به قاب يا ميانقاب هاي موجود دارا مي باشد.

ظرفيت خمشــي قاب ممکن است به وسيله ي پوشش بتني يا فولادي افزايش داده شوند که در شکل ٥ نشان داده شده است.

 

 

Fig. 5. Jacketing to increase flexural capacity

 

 

و ايــن افزايش به شــرطي صورت مي گيرد که طــول عضو از نظر جانبي مقاوم ســازي شوند. مقاوم شــدن جانبي براي رسيدن به رفتار شکل پذير مهم است اتصال تير به ستون هم نياز به محصور شدن توسط المان هاي فولادي دارند هر چند که اجراي آن آسان نمي باشد.

همانطور که در شــکل ٨ و ٧ نشان داده شده شکل پذيري ستون مي تواند با اجراي ژاکت افزايش داده شود.

زماني که قصد داريم فقط شــکل پذيري يک ستون را با استفاده از ژاکت فلزي يا بتني افزايش دهيم بايد يک فاصله در ابتدا و انتهاي ســتون قرار گيرد که اين افزايش ظرفيت خمشي باعث ايجاد سختي برشي نشود.

 

نتيجه گيري

ـ رفتار ميانقاب ها شــبيه ديوارهاي يکپارچه هستند و مقاومت آن ها کمي کمتر از ديوارهاي يکپارچه هستند.

 ـ بلوک هاي بتني باعث افزايش مقاومت قاب اصلي مي شوند.

ـ بادبندهاي کششي اگر شکل پذيري مناسبي داشته باشند مفيد هستند.

ـ بادبندهاي فشاري و ديوارهاي فولادي به دليل جاري شدن اتصالات و يا ستون هاي مرزي نمي توانند وارد مرحله غير خطي شوند.

ـ بادبندهاي X و V باعث افزايش مقاومت و شکل پذيري مي شوند.

ـ شــکل ٩ نمودار بار تغيير شــکل سيســتم هاي مختلف مورد استفاده در مقاوم سازي به تصوير کشيده شده است.

 

 

Fig. 7. Column jacketing

Fig. 9. Typical load – displacement relationships of strengthened frames with various techniques

Fig: 8. Jacketing to increase column shear capacity

 

 

منابع و مراجع

Japanese Seismic Rehabilitation Of Concrete Buildings Afer Te Hyogoken - Nanbu Earthquake. [1]

 Okada T. Promotion of seismic retroft of buildings. In: Lecture [2]

Seminar on Seismology and Earthquake

.1998 Engineering. IISEE Building Research Institute, May

Sugano S. State-of-the-art in techniques for seismic rehabilitation [3]

12th IISEE Seminar of existing buildings. In: Lecture Note for

on Seismology and Earthquake Engineering. IISEE Building

.1998 Research Institute, May