اصول مقاوم سازی ساختمانها

1- مقدمه

بارهای غیر مترقبه یا غیرمعمول شامل بارهایی می‌باشند كه در روش‌های متداول، سازه معمولاً برای آنها طراحی نمی‌گردد. دو گروه عمدة این بارها عبارتند از:

1- بارگذاری ناشی از انفجار

2- بارگذاری ناشی از ضربه و تصادم

انفجار ممكن است در داخل یا خارج ساختمان روی دهد. این انفجارها می‌تواند ناشی از عواملی نظیر موارد ذیل باشد:

1- انفجار بمب

2- انفجار و مشتعل شدن گاز

3- حمل و نقل مواد شیمیایی منفجر شونده یا گاز

4- ملموس ترین نمونه از بار ضربه‌ای، تصادم وسائط نقلیه با سازه می باشد.

در این مقاله ‏‏، عملكرد اجزای ساختمان در برابر بارگذاری ناشی از این قبیل انفجارها و تصادم بررسی می‌شود.

نتایج حاصل از تحقیقات انجام گرفته بر روی نحوة بارگذاری انفجار و بررسی میدانی انجام شده بر روی حجم و میزان خرابی‌های بوجود آمده در حوادث روی داده نشان می‌دهد كه بار ناشی از انفجار و تصادم از یك طبیعت دینامیك برخوردار می‌باشد، اما در هنگام طراحی اغلب آن را بصورت استاتیكی فرض كرده و كنترل ها بر آن مبنا انجام می‌گیرد.

طرحی سقف‌ها، دیواره ها و اتصالات مربوط به نحوی كه مانع فروپاشی و انهدام ساختمان گردد از اهمیت به سزائی برخوردار است. در این مقاله هدف ارائه روشهایی برای ایمن سازی ساختمانهای مسكونی آجری در مقابل انفجار و تصادم است. برای تحقق این هدف مطالعات در چند مرحله انجام می‌گیرد.

نخست سعی می گردد، ساختمانهای بنایی رایج در كشور دسته‌بندی گردد و مشخصات فنی آنها بویژه از دیدگاه انفجار و تصادم، مورد بررسی واقع شود. سپس كوشش خواهد شد تا بر اساس روشهای متداول و استاندارد برای آنالیز و طراحی ساختمانهای آجری، عملكرد آنها در برابر انفجار و تصادم و نقاط ضعف احتمالی در طراحی‌های معمول Kآنها در آنهامورد مطالعه قرار گیرد.

در نهایت ، بر اساس مباحث بعمل آمده، توصیه‌هایی برای بهبود رفتار و مقاوم‌سازی ساختمانهای بنایی عرضه خواهد شد.

2- دسته‌بندی ساختمانهای آجری

ساختمانهای بنایی شامل كلیة ساختمانهایی است كه با مصالح فشاری نظیر آجر، بلوك بتنی، سنگ خشت و امثالهم و ملات بنا گردیده و دیوارهای ضخیم باربر در آنها مسئولیت انتقال وزن سازه و سربارهای موجود را به شالوده دارند. در میان انواع ساختمانهای بنایی،‌ ساختمانهای آجری بویژه در شهرها از فراوانی بیشتری نسبت به سایر انواع برخوردار می‌باشند و لذا تكیة ‌اصلی بحث بر روی این قبیل ساختمانها می‌باشد.

بطور كلی ساختمانهای بنایی به چهار گروه تقسیم می‌گردند.

1- ساختمانهای بنایی غیرمسلح

2- ساختمانهای بنایی نیمه مسلح

3- ساختمانهای بنایی مسلح

4- ساختمانهای بنایی مركب

خصوصیات كلی این چهار نوع ساختمان، به اختصار بشرح زیر می‌باشد:

1- ساختمانهای بنایی غیر مسلح

این قبیل ساختمانها قدیمی‌ترین و متداولترین نوع ساختمان را در كشور تشكیل می‌دهند و در اكثر شهرها و روستاها بچشم می‌خورند. این ساختمانها در روستاها با استفاده از مصالح محلی مانند خشت خام یا سنگ‌های رودخانه‌ای و با بكارگیری ملات گل ساخته شده و سقف آنها بصورت گنبدی از خشت خام یا تیرهای چوبی پوشیده از گل بنا شده است. اما در شهرها اكثراً از آجرهای فشاری با كیفیت متوسط، و در برخی موارد از بلوك‌های بتنی همراه با ملات ماسه سیمان بنا می‌گردند،‌ و پوشش سقف‌ها را تیر آهن یا تیرچه بلوك، و در ساختمانهای قدیمی تر الوارهای چوبی، تشكیل می دهند. در این ساختمانها، یعنی ساختمانهای بنایی     غیر مسلح، آنچه بطور عمده مقاومت لازم را در برابر بارهای جانبی عمود بر صفحه دیوار تأمین می‌نماید، دیوارهای برگشتی موجود است. در تصاویر (1) و (2) نمونه هایی از این ساختمانها مشاهده می‌گردد كه پوشش سقف اولی با استفاده از سیستم تیرآهن و طاق ضربی و دیگری با بكارگیری تیرچه‌های پیش ساخته مسلح و بلوكهای بتنی،‌ انجام شده است.

در احداث این قبیل ساختمانها اكثراً نكات اجرایی بسیاری نادیده گرفته می‌شود از جمله این موارد می‌توان به نكات زیر اشاره نمود:

1- عدم اجرای دیوارهای برگشتی در انتهای دیوارهای باربر و طول كوتاه آنها در صورت اجرا كه عملكرد مناسبی را از خود نشان نخواهد داد.

2- اتصال نامناسب دیوارهای باربر با دیوارهای عمود بر امتداد آنها به نحوی كه مانع عملكرد دیوارهای مذكور بصورت پشت بند خواهد شد. این قبیل دیوارها یا باید بصورت هشتگیر و با قفل و بست كافی و بطور همزمان احداث گردند و یا آنكه بوسیله میل مهارهای كافی به یكدیگر دوخته شوند.

3- عدم اجرای زیر سری مناسب برای قرار د ادن سیستم سقف بر روی دیوارهای باربر كه موجب انتقال و پخش نامناسب بارها از سقف به دیوار و بروز تركهای برشی در دیوار باربر و در زیر نقاط اعمال بار می‌ گردد. همچنین این امر باعث عدم پیوستگی كافی مابین سقف و دیوار گردیده و سقف در برابر بارهای جانبی می‌تواند از روی دیوار فرار نماید. در ضمن همانطور كه در ادامه تشریح خواهد شد، دیوارهای باربر كناری بدلیل عدم اتصال كافی به سقف، بصورت طره عمل نموده و ارتفاع مؤثر آنها در عمل بیش از ارتفاع واقعی دیوار خواهد شد. تصویر(3) نمونة‌ مستندی از فرار دیوار باربر از زیر سقف طاق ضربی و عملكرد طره‌ای دیوار در زلزلة سال 1369 در شهر منجیل را نمایش می‌ دهد. قفل و بست ناچیز دیوار برگشتی نتوانسته است مانع فرار دیوار گردد.

2- ساختمانهای بنایی نیمه مسلح

این دسته از ساختمانهای بنایی مشابه گروه قبل می‌باشند با این تفاوت كه جهت بهبود رفتار آنها در برابر بارهای جانبی و تأمین پیوستگی سقف از عناصری مانند كلاف فوقانی و تحتانی استفاده می‌گردد. وجود این كلافها كه باید بطور پیوسته دور تا دور ساختمان را فرا گیرد اتصال سقف و دیوارهای باربر را بهبود می‌بخشد و با ایجاد تكیه‌گاه مناسب برای پانلهای دیوار،‌ ارتفاع مؤثر دیوار را در حدود ارتفاع واقعی آن قرار می‌دهد.

در تصویر (4) نمونه ای از این قبیل ساختمانها ملاحظه می‌گردد. چنانچه مشاهده می‌شود در این ساختمان از كلاف افقی تراز سقف بعنوان زیر سری استفاده شده است و تیرآهن‌های سقف طاق ضربی بر روی آن قرار گرفته است. در این روش اجرایی اگر چه بدلیل عدم مهار تیرآهن‌های سقف به تكیه‌گاه‌های جانبی پیوستگی مناسبی در دال سقف ایجاد نمی‌گردد، اما بخاطر وجود كلاف یكپارچة محیطی، ساختمان در برابر بارهای جانبی استحكام بیشتری نسبت به ساختمانهای گروه قبل خواهد داشت. ] لازم به ذكر است این ساختمان پس از زلزلة سال 69 منجیل،‌ سالم برجا مانده است[

3- ساختمانهای بنایی مسلح

در صورتی كه علاوه بر تعبیة كلافهای افقی در تراز پی و سقف ساختمان بنایی، با بكارگیری كلافهای قائم در  دیوارهای باربر، كلافهای مذكور را به یكدیگر مرتبط نموده و یا به كمك میلگردهای افقی و قائم دیوارهای برشی تسلیح گردند، ساختمان بنایی مسلح می‌گردد و بخاطر وجود این كلاف بندی،‌ سازه قادر به عملكرد خمشی و برشی خواهد بود. بكارگیری شبكه های میلگرددردیوارهای قائم گرچه مناسب‌ترین رفتار را دربرابربارهای جانبی درون صفحه ای  و عمود بر آن بوجود می‌آورد،‌ اما بدلیل صعوبت اجرا و هزینه‌های نسبتاً بالا،‌ كمتر مورد توجه واقع شده‌اند. بهر حال، آنچه بعنوان یك حداقل در ساخت ساختمانهای بنایی الزام شده است،‌ بكارگیری كلافهای افقی و قائم متصل به یكدیگر است.

لازم به ذكر است كه این قبیل ساختمانها را نباید با ساختمانهای اسكلت فلزی و بتنی كه در آنها اسكلت باربر مسئولیت انتقال بارها را بر عهده دارد،‌ و دیوارها بصورت میانقابهای پركننده بكار می‌ روند. اشتباه گرفت.

عملكرد این ساختمانها، بعلت نحوة متفاوت ساخت آنها،‌ با یكدیگر فرق اساسی دارد؛ بطوری كه در ساختمانهای با اسكلت باربر پس از احداث اسكلت، قابهای خارجی به وسیله مصالح بنایی پر می‌گردد. اما در ساختمانهای بنایی مسلح، اجرای كلافهای قائم و یا ستونها غالباً بطور همزمان با اجرای دیوارهای باربر انجام می‌گیرد و پس از اتمام احداث دیوارهای خارجی كلاف افقی فوقانی، در تراز سقف بر روی دیوارها قرار گرفته و به كلافهای قائم متصل می‌شود. مثالی از این نحوه اجرا در تصویر  (7) مشاهده می‌گردد.

اجرای مناسب این نوع از ساختمانهای بنایی می تواند مانع بروز معایبی كه برای ساختمانهای بنایی غیرمسلح بر شمرده شده، گردد و بر آن اساس یكپارچگی و استحكام كافی برای سازه بنایی فراهم می‌آید.

ایجاد تكیه‌گاه مناسب برای پانلهای دیوار و سقف،‌ توزیع و انتقال بارهای ثقلی و جانبی توسط سقف و دیوارهای پیوسته، و افزایش پایداری كلی سازه در برابر بارهای مختلف، مزیت‌های اجرای صحیح ساختمانهای بنایی مسلح می‌باشد.

4- ساختمانهای بنایی مركب

تركیب یكی از سه سیستم فوق با اسكلت بندی معمولاً فلزی و بندرت بتنی كه اكثراً برای افزایش فضای مفید ساختمان انجام می‌ گیرد، ساختمانهای بنایی مركب را تشكیل می دهد. هزینة اجرایی این قبیل ساختمانها كه دارای دیوارهای خارجی باربر می‌باشند به مراتب از سازه‌های اسكلت فلزی یا بتنی كمتر می‌‌باشد. در فضای داخلی ساختمانهای بنایی مركب، برای اجتناب از دیوارهای حائل حجیم باربر، از ستونهای فلزی یا بتنی استفاده می‌گردد و در نتیجه بارهای ثقلی توسط هر دو سیستم دیوار باربر و اسكلت بندی به شالوده منتقل می‌شود. اما تحمل بارهای جانبی بدلیل اتصالات مفصلی تیرها به ستونها،‌ تنها بر دیوارها باربر جانبی محلول می‌گردد تا با عملكرد برشی خود مانع بروز خرابی در سازه گردند. اجرای این قبیل ساختمانها كه حجم وسیعی از ساختمانهای بنایی موجود در شهرها را در برگرفته و غالباً بصورت یك یا دو طبقه و در سازه قدیمی‌تر حتی تا چهار طبقه نیز احداث گردیده‌اند، نیازمند رعایت اصول فنی مربوط به هر دو سیستم دیوار و اسكلت باربر بوده و تمهیدات كافی جهت ایجاد پیوستگی لازم در اتصالات و یكپارچگی سازه باید در نظر گرفته شود. تصاویر (5) تا (7) نمونه‌ای از این ساختمانها را نمایش می‌دهند كه به ترتیب ساختمان بنایی غیر مسلح، نیمه مسلح و مسلح با اسكلت فلزی داخلی ساختمان تشكیل شده‌اند، كه حالت اخیر،‌ مستحكمترین سازه بنایی مركب را ایجاد می‌نماید.

وجود سیستم باربر مقاوم و مناسب در ساختمان تا حدودی زیادی از فروپاشی و تخریب كامل ساختمان جلوگیری می‌ نماید. بدین ترتیب ساختمانهای بنایی غیر مسلح و نیمه مسلح، در مقایسه با سایر انواع ساختمانها، كمترین مقاومت را در برابر بارهای غیر مترقبه و به خصوص انفجار و تصادم از خود نشان خواهند داد. اگر در این ساختمانها دیوارهای برگشتی اجرا نشده و یا به خوبی به دیوارهای باربر متصل نگردند، دیوارها باربر خارجی كه تنها شامل پوشش سقف ساختمان می‌باشد، بصورت دال یك طرفه‌ای در راستای ضعیف دیوار،‌ یعنی عمود بر درزهای افقی دیوار، عمل نموده و در صورتی كه بارگذاری ناشی از انفجار بر مقاومت دیوار غلبه نماید،‌ دیوار و در پی آن سقف سازه فرو می‌ریزد. همچنین عدم اتصال مناسب سیستم سقف سازه به دیوارهای باربر اطراف،‌ به خصوص در ساختمانهای بنایی غیرمسلح كه فاقد كلاف افقی می‌باشند،‌ امكان حركت نسبی سقف از روی دیوارها و فروریزی آن‌‌ را افزایش می‌دهد.عدم پیوستگی سقف ودیوارها موجب عملكردطره‌ای دیوار گردیده و برامكان حركت نسبی سقف و دیوار می‌افزاید. این مسئله در تصویر (8) بطور شماتیك نمایش داده شده است.

سازه های بنایی مسلح بشرط اجرای صحیح و مناسب جزئیات اجرای مربوط و حصول پیوستگی‌های مورد نیاز در اتصالات،‌ كاملترین نوع سازه بنایی را تشكیل می دهند. نحوه صحیح اجرای جزئیات مذكر در اكثر مراجع معتبر اجرایی مانند دستورالعملهای منتشره از سوی سازمان برنامه و بودجه، ذكر شده اند. در این دسته از سازه‌های بنایی وجود كلافهای افقی و قائم عملكرد سازه را در برابر نیروهای جانبی درون صفحه‌ای و عمود بر صفحه به میزان قابل توجهی بهبود می‌ بخشند.

كلافهای افقی پیوستگی مورد نیاز را در سیستم سقف فراهم نموده و از فروریزی آن تا حد زیادی ممانعت می نماید؛ و اتصال مناسب كلافهای افقی و قائم به دیوار،‌ عملكرد دیوار را به سمت دال تختی با تكیه گاه‌های ساده در چهار طرف متمایل می‌كند.

چنانكه ذكر شد ، محصور شدن دیوارهای باربر در كلافهای پیرامون آن، نه تنها بر توانایی مقاومت دیوار در بربر بارهای غیرمترقبه‌ای می‌افزاید بلكه در افزایش توان خمشی و برشی دیوار در مقابله با بارهای درون صفحه ای به ویژه نیروهای ناشی از زلزله، مؤثر می‌باشد.

ساختمانهای بنایی مركب،‌ كه آخرین گروه از طبقه‌بندی انجام گرفته را تشكیل می‌دهند. شرایط بسیار متغیری دارند؛ و بر حسب آنكه از تركیب كدامیك از سه گروه پیشین سازه‌های بنایی، با اسكلت فلزی یا بتنی ایجاد شده باشند،‌ در برابر بارهای غیر مترقبه عملكرد خاصی از خود نشان می‌دهند. این نوع از ساختمانها بدلیل اتصال نسبتاً مقاوم تیرهای سقف با ستونهای داخلی كمتر دچار ریزش سقف در فضاهای میانی می‌گردند.

3- روشهای مقاوم سازی ساختمانهای آجری در برابر بارهای غیرمترقبه

3-1- روشهای طراحی

همواره ممكن نیست تا آنالیز یك سازة‌ معمولی را برای تحمل بارهای غیرمترقبه‌ای ماند تصادم وسائط نقلیه و یا انفجار بمب و امثالهم انجام دادن، زیرا مكان و حجم بارگذاری ناشی از بروز چنین حوادثی معمولاً غیر قابل پیش‌بینی است، از طرفی در بسیاری از موارد طراحی اعضایی كه توان تحمل چنان نیروهایی را داشته باشند پرهزینه و غیراقتصادی خواهد بود. با وجود این، نادیده گرفتن خطر بارهای غیر مترقبه در طراحی ساختمانها نیز می‌تواند به عواقب غیرقابل قبولی بیانجامد.

البته می‌توان بحرانی‌ترین فضاها را كه بیشترین میزان وقوع حوادث را بخود اختصاص می دهند، تعیین نمود و مقاوم سازی سازه را حداقل برای آن فضاها انجام داد.

در واقع پس از حادثة انفجار در طبقة هجدهم ساختمان پانلی Ronan Point در سال 1968، در لندن، و فرار یكی از پانلهای خارجی طبقة مذكور، فروپاشی پنج طبقه بالای آن كه موجب بروز خرابی پیش رونده تا طبقة همكف ساختمان گردید، توجه محققان بر طراحی ساختمانهای مقاوم در برابر چنین بارهای غیرمترقبه‌ای معطوف گردید.

روشهای مختلف جهت كاهش اثرات مخرب بارهای غیرمترقبه بصورت زیر دسته‌بندی می‌گردند:

1- طراحی برای جلوگیری  از وقوع یا محدود ساختن خطر بارهای غیر مترقبه

2- طراحی در برابر بارهای غیر مترقبه به روش غیر مستقیم

3- طراحی دربرابربارهای غیرمترقبه به روش مستقیم یك طراح بسته به ماهیت طرح سازه،‌ اهمیت آن واحتمال بروزحوادث غیرمترقبه وهمچنین اطلاعات و آگاهی‌های موجود، می‌ تواند یكی از این روشهای طراحی را كه درذیل تشریح خواهند شد، انتخاب نموده و بكار بندد.

3-2- طراحی برای جلوگیری از وقوع یا محدود ساختن خطر بارهای غیرمترقبه

مقصود از این قسم طراحی آن است كه احتمال بروز خرابی در سازه با حذف یا دور نمودن علل و منابع وقوع حادثه به حداقل برسد. بدین معنی كه مثلاً با ممانعت از ذخیره مواد قابل انفجار در ساختمان از وقوع انفجارهای مخرب پیشگیری شود و یا با اتخاذ روشهای حفاظتی خاص،‌ مانند ایجاد حصار و مانع در مجاورت نقاط حساس ساختمان،‌ از تصادم وسائط نقلیه با آن جلوگیری بعمل آید،

3-3- طراحی در بربر بارهای غیرمترقبه به روش غیرمستقیم

در روش طراحی غیر مستقیم طراح سعی می‌نماید با ایجاد حداقل استحكام لازم، پیوستگی و شكل پذیری قابل قبولی برای سازه در مقابل نیروهای غیرمترقبه فراهم آورد. در واقع درا ین روش،‌ طراحی بطور مستقیم بر پایة بارگذاری انفجاری و تصادمی و حوادث مترتب بر آن انجام نمی‌گیرد و صرفاً تدابیری عملی برای حفظ ایمنی و یكپارچی ساختمان اعمال می گردد. در این راستا،‌ اقدامات زیر جهت سیستم دیوارها، سقف و اتصالات قابل اعمال است.

1- آرایش موقعیت دیوارها باید به نحوی باشد كه ایمنی و اطمینان كافی را برای پایداری كلی سازه فراهم آورد. بدین معنی كه با تخریب جزئی در سازه، پایداری كلی سازه محفوظ مانده و سهم بار عضو تخریب شده به سایر اعضاء منتقل گردد و از انتخاب فرمهایی كه در شرایط خرابی غیرمترقبه بحرانی شده و منجر به   بروز خرابی‌های پیش رونده گردد، اجتناب شود.

2- می‌بایست از پیوستگی سیستم سقف اطمینان حاصل آید. در این رابطه همانطور كه در تصور (3-3-1) ملاحظه می‌گردد اگر دال سقف دو طرفه در جا ریخته شده و بصورت پیوسته بالای دیوارهای داخلی قرار گفته و به وسیله میلگردهای مهاری به دیوارهای جانبی متصل گردد، درجه ایمنی و پایداری سقف افزایش می‌یابد. این چنین سقف هایی در فروریزی دیوارهای داخلی در اثر بارهای غیرمترقبه، به راحتی از بین نمی‌روند و تا حدود زیادی از خرابی پیش رونده جلوگیری بعمل می‌آورند. قطعات بتن پیش ساخته با دهانه‌های دو طرفه بعلت عدم پیوستگی در تكیه‌گاههای داخلی در درجه دوم استحكام قرار می‌گیرند و در میان سقف‌هایی كه بصورت دال یك طرفه اجرا می‌شوند به ترتیب اولویت سقف‌های تیرچه بلوك با میلگردهای پیوستگی در تكیه‌گاه‌های داخلی، قطعات بتن پیش ساخته یك طرفه به همراه كش‌های طولی و عرضی لازم و سقفهای طاق ضربی با مهارهای كافی در‌ تكیه‌گاه‌ها قرار     می‌ گیرند و سایر سقف‌هایی كه بدون اجرای كلافهای افقی در تراز سقف و اجرای اتصالات مناسب بین سقف و كلاف ساخته می شوند در پایین ترین درجه اطمینان نسبت به پیوستگی و یكپارچگی سقف قرار خواهند گرفت و از كمترین میزان ایمنی در برابر بارهای غیر مترقبه برخوردار خواهند بود. سقف‌های اخیر كه بدون ایجاد پیوستگی در تكیه‌گاه‌های داخلی ایجاد می‌گردند توان تحمل بارهای ناشی از فروپاشی تكیه گاه‌های میانی را نداشته و موجبات بروز خرابی‌های پیش رونده را فراهم می‌آورند. به همین دلیل اكثر آیین‌نامه‌های اجرایی مانند آیین‌نامه BS5628 انگلستان، اجرای كش‌های سقف كه تمام معیارهای پیوستگی مورد بحث را رعایت نماید،‌ الزام می‌ نمایند. آیین‌نامه  2800 ایران كه تنها مرجع طراحی ساختمانهای بنایی در ایران می‌باشد نیز بكارگیری كلافهای افقی در تراز سقف و رعایت اصول فنی جهت اتصالات سقف و حفظ انسجام آن را توصیه نموده است.

1- دال دو طرفه در جا ریخته شده

2- قطعات بتن پیش ساخته مركب با دهانة دو طرفه

3- سقف‌های تیرچه‌ بلوك با میلگردهای پیوستگی

4- قطعات بتن پیش ساخته با دهانة یكطرفه به همراه كش‌های طولی و عرضی لازم

5- سقف‌های طاق ضربی با مهارهای كافی

6- قطعات بین پیش ساخته یا انواع دیگر بدون استفاده از كش‌های طولی و عرضی لازم و اتصالات مناسب در تكیه گاهها