روش‌های مقاوم‌سازی ساختمان‌های غیر مسلح

روش‌های مقاوم‌سازی ساختمان‌های غیر مسلح

در بسیاری از مناطق زلزله خیز جهان از جمله ایران تعداد زیادی از ساختمان‌های بنایی وجود دارد که بسیاری از آن‌ها برای بارهای لرزه‌ای طراحی نشده‌اند. زلزله‌های اخیر نشان داده است که این ساختمان‌ها در برابر بار‌های لرزه‌ای آسیب پذیرند و نیاز به مقاوم سازی دارند. روش‌های متعارف متفاوتی برای مقاوم‌سازی موجود است که هر کدام از این روش‌ها بر پایه افزایش مقاومت و یا شکل پذیری دیوارهای غیر مسلح بنایی استوار است. بر پایه تحقیقات به عمل آمده بیش از ۷۰٪ از سازه‌های موجود در سرتاسر جهان ساختمان‌های بنایی هستند. زلزله‌های قوی و متوسط می‌توانند صدمات و خسارت جبران ناپذیری را بر این گونه سازه‌ها وارد نمایند. که اکثر این خسارات برای سازه‌های غیر مسلح بنایی است. از طرفی با توجه به اینکه خرابی و جایگزینی این ساختمان‌ها به دلایل بسیاری امکان پذیری نیست احتیاج به روش‌های مقاوم‌سازی ساختمان‌های غیر مسلح‌ بیشتر احساس می‌شود.

روش‌های متفاوتی برای مقاوم‌سازی ساختمان‌های غیر مسلح وجود دارد. ولی متاسفانه اطلاعات و آیین نامه‌های طراحی محدودی برای قابل اعتمادی نیز برای به دست آوردن مقاومت لرزه‌ای ساختمان‌های بنایی مقاوم سازی شده‌، موجو‌د نیست.

انواع روش‌های مقاوم‌سازی ساختمان‌های غیر مسلح

مقاوم‌سازی ساختمان‌های غیر مسلح غیر مسلح به منظور مطابقت دادن آن‌ها با آیین نامه‌های امروزی به چندین روش انجام می‌شود‌. این روش‌ها شامل موراد زیر است.

• اصلاحات موضعی (بهبود مقاومت اجزا یا اتصالات)
• حذف کردن یا کاهش بی نظمی‌های سازه‌ای (ساده سازی مسیر بار یا اجبار به گسیختگی شکل پذیر)
• سخت کردن کلی سازه (زمانی که تغییر شکل‌های بسیار زیاد باشد)
• تقویت کلی اعضا سازه (اگر سازه دچار کمبود مقاومت باشد)
• کاهش جرم (ار جرم سازه بیش از حد باشد یا انعطاف پذیری سازه زیاد باشد)
• ایزولاسیون لرزه‌ای (کاهش بارهای لرزه‌ای وارد به سازه)
• افزودن سیستم‌های الحاقی اتلاف انرژی (اضافه کردن میرایی به سازه)

انتخاب بهترین روش برای مقاوم‌سازی ساختمان‌های غیر مسلح هر پروژه به مشخصات ساختمان موجود طرح بستگی دارد. بسته به دلایل ناکار آمدی سازه و همچنین روش مقاوم سازی برای مقاوم سازی و آنالیز ساختمان‌های بنایی غیر مسلح از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود.

۱‌- روش‌های سنتی

مشکلات ناشی از کسری بودجه و هزینه زمان ناشی از بلا استفاده بودن سازه، در اغلب موارد مانع از به کارگیری روش‌های ابتکاری و نو مقاوم سازی از سوی مهندسین می‌شود. در این مودر لازم است تا در کمترین زمان بهترین راه حل اتخاذ شود. این گونه راه حل‌ها که شامل تعمیر نواقص سازه جهت برگرداندن مقاومت سازه به حالن اولیه طراحی و یا تعیمر مسیر بارها به گونه‌ای که باعث بهبود رفتار ساختمان‌های بنایی غیر مسلح شود ممکن است در دراز مدت برای مشکلات ساختمان‌های بنایی غیر مسلح مفید نباشد، ولی با توجه به عوامل ذکر شده به بیان این راه حل‌ها میپردازیم.

تعمیر سطوح

تعمیر سطوح از روش‌های متداول مقاوم سازی است. تکنیک‌های متفاوتی برای تعمیر سطوح وجود دارد که مهمترین آنها ملات با تور سیمی و بتن پاشی است. این روش‌های به طور طبعی با پوشش خارجی سطوح بر روی ظاهر معماری و تاریخی بنا تاثر گذارده بوده و از جمله نقاط ضعف این نوع مقاوم سازی است.

بتن پاشی

یکی دیگر از روش‌های موجود برای مقاوم‌سازی ساختمان‌های غیر مسلح پوشش دادن دیوار و یا پایه‌ها با شاتکریت است. روش کار بدین صورت است که پوشش بتن بر روی شبکه آرماتورهای موجود پاشیده می‌شود‌. در این روش اگر طراحی به درستی صورت پذیرد فولادهای استفاده شده برای مسلح سازی ظرفیت بالایی از جذب انرژی را به ساختمان‌های بنایی غیر مسلح اضافه می‌نماید. باید توجه نمود که حداقل آرماتورهای شبکه همان میزان آرماتور افت و حرارت جهت کنترل ترک است. برای اینکه دیوار و بتن پاشیده شده مانند یک جسم مرکب عمل کنند باید اتصالات برشی میان آن دو تعبیه شود. برای پر نمودن سوراخ‌هایی که برای ثابت نگه داشتن اتصالات برشی ایجاد شده نیز می‌توان از اپوکسی یا گروت سیمانی استفاده نمود. ضخامت پوشش بتن‌ پاشیده شده نیز با توجه به میزان لرزه خیزی منطقه‌ متفاوت است که حداقل این مقدار ۶۰ میلیمتر است.

جهت ایجاد چسبندگی لازم میان آجر و پوشش شاتکریت باید ابتدا آجر را به حالت اشباع با سطح خشک در آورد تا آب موجود در شاتکریت را جذب نکرده و سبب ایجاد ترک در بتن پاشیده نشود. و سپس لایه‌ای مانند اپوکسی را بر روی آجر پاشیده و بعد از آن بتن پاشیده شده را بر روی اپوکسی شوت نماییم. اگر بتن پاشی به طریقه بالا صورت پذیرد می‌تواند مقدار بار نهایی ساختمان‌های بنایی غیر مسلح را افزایش دهد. هر چند افزایش مقاومت خمشی و برشی ساختمان‌های بنایی غیر مسلح مقاوم سازی شده به وسیله این روش امری غیر قابل انکار است ولی ترک‌های ایجاد شده در پوشش بتن پاشیده شده در موقعی که شبکه آرماتور به حد تسلیم می‌رسد می‌تواند بر مقاومت‌های مورد انتظار اثر گذار باشد.

تزریق گروت یا اپوکسی

تزریق گروت از جمله راه‌های متداول مقاوم سازی بوده که در این روش برای برگرداندن مقاومت ساختمان‌های بنایی غیر مسلح، ترک‌ها و حفره‌های توخالی که به علت تخریب شیمیایی و فیزیکی سطح یا فعالیت‌های مکانیکی به وجود آمده است توسط گروت یا اپوکسی پر می‌شود. برتری این روش نسبت به روش تعمیر سطوح عدم تخریب سطح و به تبع آن حفظ زیبایی معماری و بافت تاریخی ساختمان‌های بنایی غیر مسلح است. موفقیت این روش به تکنیک تزریق و یکسان بودن مقاومت‌، مدول الاستیسیته و مشخصات حرارتی گروت با مصالح بنایی موجود بستگی دارد.

برای ترک‌های کوچکتر از ۲ میلیمتر از رزین اپوکسی و برای ترک‌های بزرگتر و حفره‌ها می‌توان از گروت‌های سیمانی همراه با مساه استفاده نمود. برای سوراخ‌های بزرگتر از ۰/۸ میلیمتر پیشنهاد شده که از گروت سیمانی که دارای سیمان پرتلند تیپ ۳ همراه با مواد منبسط کننده و نسبت آب به سیمان ۰/۷۵ استفاده شود.

مقاوم‌سازی ساختمان‌های غیر مسلح در برابر بارهای لرزه‌ای زمانی می‌تواند بیشترین اثر را داشته باشد که مقاوم سازی بر اساس مراحل زیر صورت پذیرد.

• قرار دادن وروردی‌های تزریق در سوراخ و آب بندی نمودن سوراخ در اطراف ورودی
• شستن ترک‌ها و حفره ها با آب، تزریق آب از پایین تا بالای دیوار انجام می‌شود تا به این طریق ورودی‌های فعال مشخص شود.
• تزریق گروت با فضار ۰/۲ مگاپاسکال از پایین به بالا بدین صورت که ابتدا پایین ترین سوراخ را پر نموده تا از سوراخ بالایی گروت به بیرون بریزد. پس از آن این عملیات برای سوراخ بالایی انجام می‌شود و تا بالاترین سوراخ ادامه می‌یابد. بعد از پر نمودن ترک‌های بزرگ، ترک‌های کوچک را نیز با اپوکسی پر می‌نماییم.

پر کردن بازشوها

یک روش ساده برای مقاوم‌سازی در صفحه یک دیوار برشی پر کردن بخشی یا تمام پنجره‌ها یا درهای غیر ضروری  است. این عمل از تمرکز تنش که در گوشه‌های بازشوها تولید می‌شود و سبب ایجاد ترک است، جلوگیری می‌نماید و همچنین باعث افزایش سختی جانبی دیوار می‌شود. نکته مهم در پر کردن باز شوها این است که قسمت‌های پر شده با قسمت‌های موجود به شکل در هم تنیده اجرا شود یا نوعی از اتصالات برشی بین آن دو تعبیه شود. این عمل باعث ایجاد عملکرد واحد دیوارهای موجود با بازشوهای پر شده می‌شود.

بزرگ کردن بازشوها

متناوباً بزرگ کردن بازشوها به وسیله حذف کردن بخشی از مصالح بنایی نیز یکی از راه حل‌های پیشنهادی است. در این روش چون شکست برشی دیوار باعث آسیب بیشتر خواهد شد. در بعضی حالات با افزایش نسبت ارتفاع به طول دیوار میتوان شکست برشی را تبدیل به شکست خمشی نمود. این تکینیک برای ا‌فزیش نسبت طول به ‌عرض پایه ها به کار برده‌ و باعث می‌شود تا رفتار آن از حالت برشی به حالنت خمشی تبدیل شود. این عمل شکل گسیختگی را از حالن شکننده به شکل پذیر تغییر می‌دهد.

افزایش بارهای قائم

افزودن بارهای قائم به ساختمان بنایی غیر مسلح معمولاً عملکرد دیوار را تحت بارهای داخل و خارج از صفحه بهبود می‌بخشد. بارهای قائم در کنار هم نگه داشتن ماتریس بنایی کمک می‌کند و همچنین بعد از وقوع ترک سبب تولید نیروهای اصطکاکی بیشتری می‌شود. در این روش مقاوم سازی میتواند به سادگی و با افزودن وزن سازه انجام شو‌د یا با اجرای میله و یا کابل‌های پس تنیده تنش قائم بر روی اجزا دیوار اعمال کرد. البته این روش باید به دقت انجام شود زیرا به مانند نیروهای قائم تنش‌های روی ساختمان‌های بنایی غیر مسلح افزایش می‌یابد و می‌تواند به گسیختگی شکننده ناشی از خرد شدگی منجر شود‌. همچنین طراح باید افت کشش ناشی از خزش و انقباض مصالح بنایی را در محاسبات وارد نماید.

تقویت اتصالات (ارتباط) دیوار – دیافراگم

یک مشکل عمده در رابطه با ساختمان‌های بنایی غیر مسلح ناکافی بودن و یا کاهش یافتن پیوستگی میان دیوار و دیافراگم است. این ارتباط از آنجا که سبب مهار بندی دیوار می‌شود و در مورد دیافراگم صلب دیوارهای موازی را مجبور می‌نماید تا با یکدیگر عمل کنند، معیار مهمی در رفتار کلی ساختمان است.

نوارهای فولادی

افزودن نوارهای فولادی عمودی و قطری به سطح خارجی یک دیوار یا سازه بنایی مقاومت لرزه‌ای و شکل پذیری ساختمان‌های بنایی غیر مسلح را بالا خواهد برد. اگر این نوارهای به درستی به دیوار مهار شوند فولادها می‌توانند به شکل یک خرپا عمل نمایند.

اضافه کردن مهاربند

یک روش بدیهی برای بهبود رفتار ساختمان، متصل نمودن اعضای مهار بند فولادی شامل ضفحات و پروفیل‌های فولادی است برای زیاد کردن سختی ساختمان‌های بنایی غیر مسلح است. در این حالت سیستم‌های فولادی به طور مستقیم به دیوار یا دیافراگم سازه بنایی اضافه می‌شوند. در نظر گرفتن سختی نسبی سازه غیر مسلح از طرفی و از طرف دیگر مهاربند‌های فولادی در محاسبات فاکتور مهمی است که باید به آن توجه نمود. این روش در مواردی که ساختمان دارای انحراف زیادی باشد قابل استفاده است. همچنین فولادهای اضافه شده شکل پذیری ساختمان را افزایش می‌دهند‌. برطبق مطالعات انجام شده مهاربندهای افقی و عمودی مقاومت در صفجه را به میزان ۴/۵ برابر افزایش می‌دهد.

افزودن هسته‌های مرکزی

یک هسته تثبیت شده به وسیله گروت می‌تواند به یک دیوار ساختمان‌های بنایی غیر مسلح اضافه شود تا رفتار آن را به یک دیوار مسلح تغییر دهد. گروت باید پیوستگی کافی را میان عناصر تقویتی و مصالح بنایی موجود ایجاد کند تا بتواند نیروی زلزله را منتقل کند. مشخصات مقاومتی و مدول گروت باید با مصالح بنایی موجود سازگار باشد. فولادهای اضافه شده به مقدار زیادی شکل پذیری دیوارهای برشی را اضافه می‌نماید.

‌۲- روش فیبرهای مسلح کننده پلیمری (FRP)

فیبرهای مسلح کننده پلیمری به سرعت تبدیل به یکی از مواد متعارف در پروژه‌های مهندسی عمران مقاوم سازی شده‌اند. نسبت بالای مقاومت و سختی به وزن مواد ‌FRP‌ آن‌ها را برای مصارف سازه‌ای ایده آل ساخته است. این مواد به خصوص برای مقاوم سازی لرزه‌ای کرابرد دارند زیرا به اعضای اضافه شدن مقدار ناچیزی زیادی به مقاومت و سختی سازه افزوده می‌شود. در تعدادی از مطالعات اخیر رفتار المان‌های سازه‌ای ساختمان‌های بنایی غیر مسلح مقاوم سازی شده توسط (FRP) آزمایش شده است تا رفتار خارج و داخل از صفحه آن‌ها مورد بررسی قرار گیرد.

پوشش کامل دیوار یا نوار با الگوی X

ساده‌ترین روش مقاوم‌سازی ساختمان‌های غیر مسلح به وسیله (FRP) که توس محققین بسیاری مورد بررسی قرار گرفته است ‌پوشاندن تمام المان‌های دیوار توسط یک یا چند لایه از مواد (FRP) است. مطالعات نشان داده که این روش می‌تواند بر روی یک یا هر دو سطح دیوار بدون هیچ گونه تاثیر خارج از صفحه انجام گیرد. همچنین این امکان وجود دارد تا با استفاده از نوارهای (FRP) در الگوی X شکل به تاثیرات مشابهی دست یافت. هر دو این سیستم‌ها مقاومت و سختی داخل صفحه را بالا می‌برند. و همچنین رفتار خارج از صفحه را بهبود می‌بخشند. ورق‌های (FRP) که به وسیله یک پوشش اپوکسی به دیوار متصل می‌شوند مواد بنایی را به یکدیگر متصل می‌نمایند. و به پخش تدریجی ترک کمک می‌کند. در مورد اینکه پوشش (FRP) مقاومت و سختی را افزایش دهد شکی وجود ندارد.

در یک سازه بنایی ساختمان‌های بنایی غیر مسلح عادی، اتلاف انرژی از طریق تکان و لغزش در طول ترک‌های اولیه انجام می‌گیرد. پوشش (FRP) از این رفتار جلوگیری می‌کند و رها شدن اتصالات (FRP) مهمترین وسیله این اتلاف انرژی است. این رفتار می‌تواند منجر به گسیختگی شکننده تر از حالت عادی شود.

مسلح کردن باز شوها

یک گزینه دیگر در برابر پوشش کامل دیوارها توسط (FRP) قرار دادن نوارهای (FRP) در طول محیط بازشوهای پنجره‌ها و همچنین ومتناوباً به شکل عمودی در طول دیوار است. این روش برای بهبود رفتار خارج از صفحه تست شده است و نشان داده شد که مقاومت و شکل پذیری را تا ۵ برابر برای این مورد بهبود می‌بخشد. هدف از این نوع مقاوم سازی این است که نوارهای از تمرکز تنش در گوشه‌های پنجره که باعث تولید ترک است جلوگیری کند و همچنین رفتار دیوار را از یک المان میان دو تکیه گاه جانبی به چند المان میان تکیه گاهی قائم تغییر می‌دهد. مهار ساختن و نصب درست نو‌ارهای (FRP) معیار مهمی در دستیابی به چنین رفتاری است. باز شوهای مسلح کننده همچنین با تبدیل رفتار المان های پایه‌ها به تیرهای مسلح قایم رفتار داخل صفحه دیوار برشی را بهبود می‌بخشد.

مسلح کردن باز شوها

اگر چه مقاوم‌سازی‌های انجام شده توسط فولاد، بتن و (FRP) در روش‌های بالا از نظر سازه‌ای قابل قبول است و می‌توانند ظرفیت‌های ساختمان‌های بنایی غیر مسلح را به سطح آیین نامه‌ها برسانند ولی عیب مشترک آن‌ها در تغییر دادن شدید نمای ساختمان است. این نقص روش‌های پوشش (FRP)‌، مهاربندی فولادی و بتن پاشی را به طور کامل برای سازه‌های تاریخی که باید ظاهر بنایی آن ها حفظ شود غیر قابل استفاده می‌نماید. برای مقابله با چنین مشکلی‌، یک روش مخفی مقاوم سازی با (FRP) ارائه شد تا به رفتار المان‌های ساختمان‌های بنایی غیر مسلح در خارج از صفحه کمک کند. این تکینیک شامل جا دادن کابل‌های نازک فیبر کربن (CFCC) به شکل افقی از بندهای پایین و به شکل قائم از میان بند و آجرها است. این روش مستلزم شیارهایی در محل بندها و سوراخ کردن میان واحدهای آجر در مواقع مورد نیاز‌، قرار دادن اپوکسی در شیارها‌، قرار دادن (CFCC) و بند کشی مجدد دیوارهای بنایی است. این روش مسلح سازی به وسیله‌‌ (FRP) رادر نزدیک سطح نامرئی می‌سازد.

۳- ایزولاسیون پی

یک روش گران ولی مقاوم‌سازی ساختمان‌های غیر مسلح ایزوله ساختن پایه‌های ساختمان است. اجرای این روش برای ساختمان‌های بنایی غیر مسلح مشکل است و شامل قرار دادن تکیه گاه در پایه‌های ساختمان است تا از ورود شتاب زلزله به ساختمان در حین تحریک جلوگیری شود. این نوع از ایزولاسازی برای مقاوم سازی بسیاری از سازه‌های بنایی قدیمی و تاریخی در دنیا مورد استفاده قرار گرفته است. این بدان معنی است که روش‌های مقاوم سازی نباید هیچ گونه تغییری در نمای داخلی و خارجی ساختمان ایجاد نمی‌کند. در مواردی که بود‌جه زیادی برای پروژه‌های تعیین می‌شود و یا نیروهای زلزله بزرگ هستند‌، ایزوله سازی پایه تنها روش منطقی مقاوم سازی است.

در مقابل قرار دادن ‌پایه‌ها، یک تکینیک ایزوله سازی متفاوت برای ساختمان‌های بنایی غیر مسلح وجود دارد. مطالعات نشان داده‌ که قرار دادن یک لایه از ملات نرم میان فونداسیون و اساس دیوارهای برشی می‌تواند نیروهای دیوار را به مقدار قابل توجهی کاهش دهد. به علاوه میله‌های فولادی برای تامین سختی اولیه و جذب انرژی در طول بارگذاری میان فونداسیون و دیوار برشی قرار داده می‌شود تا سختی کافی را برای سیستم تامین کند. این سیستم زمانی کارایی دارد که تغییرات در مشخصات ملات زیاد نباشد.