کشور ما در یک منطقه زلزله خیز قرار دارد  و به همین علت معمولا هر ده ساله یکبار دچار زمین لرزه هایی با شدت زیاد می شود . با توجه به اینکه اکثر شهرهای کشور در مناطق زلزله خیز واقع شده اند لذا مقاوم و اصولی بودن سازه های ساخته می شوند از اهمیت بالایی برخوردار است . علاوه بر این تعداد بسیار زیادی از ساخت و سازهایی که در گذشته انجام شده بر اساس  آیین‌نامه‌های طراحی لرزه‌ای قدیمی که دیگر فاقد اعتبارهستند می باشند .این مسائل موجب می شود که ما  نگاهی دقیق‌تر به عملکرد ساختمان‌های طراحی‌شده بر اساس آیین‌نامه‌های رایج کشور داشته باشیم و نگاهی نو نسبت به مقوله مقاوم‌سازی لرزه‌ای سازه‌های موجود بیاندازیم.

با استفاده  از اطلاعاتی که از زلزله های اخیر به دست آمده است  میتوان نتیجه گرفت که  ساختمان‌های بتنی در زلزله دچار آسیب‌های بیشتر و گسترده تری می باشند؛ علت این موضوع را می توان در سنگینی سازه های بتنی و نیاز به دقت زیاد در ساخت سازه های بتنی دانست. بنابراین باید عملکرد ساختمان‌های بتنی طراحی‌شده بر اساس آیین‌نامه‌های آبا و استاندارد ۲۸۰۰ موردبررسی قرارگرفته و مطابق دستورالعمل‌های بهسازی سطح عملکرد ساختمان‌های موجود بررسی گردد. در گزارشات اخیر و تحقیقات انجام شده در رابطه با روش های مختلف مرمت و تقویت سازه‌های بتنی جهت بالا بردن عملکرد لرزه‌ای آن‌ها  روشهایی بیان شده است.  یکی از این روش ها جهت تقویت سازه،اضافه کردن ورق‌هایی بصورت تسمه به اعضا  است . این ورق‌ها می‌توانند شامل  ورق‌های فولادی ، ورقه های FRP و یا HPFRCC باشند. هر کدام از این ورق‌ها بعنوان جزء تقویت کننده اعضای سازه ای محسوب می شود.

در درجه اول بهسازی لرزه ای با هدف افزایش ایمنی سازه های موجود در زمان وقوع زمین لرزه صورت می گیرد و یک کاربرد مؤثر از مهندسی سازه ای می باشد. شاید از خود سوال کنید که که مقاوم سازی لرزه ای به چه معنا است؟ در ادامه به تدریج به تعریف بهسازی لرزه ای و روش های انجام آن در انواع مختلف از سازه ها اشاره خواهیم کرد.

مقاوم سازی لرزه ای و بهسازی لرزه ای چیست؟

انجام اقدامات مقاوم سازی مناسب شامل : کنترل و بررسی سازه موجود مدلسازی سازه با استفاده از ابزارهای تحلیلی و بارگذاری سازه تحت بارهای جانبی زلزله و تهیه نقشه های طرح تقویت و مقاوم سازی سازه ، ساختمان را در برابر بارهای جانبی مخصوصاً زلزله ، مقاوم و تقویت نموده و اینکار را مقاوم سازی لرزه ای و بهسازی سازه می نامند . مهمترین کار این است که قسمت های ضعیف سازه قبل از انجام عملیات بهسازی و تهیه طرح تقویت شناسایی شوند. این کار کمک شایانی در انتخاب روش مقاوم سازی مناسب که باید در تطابق با جنبه های اقتصادی و ایمنی سازه باشد می کند .  ساختمان هایی که در مناطق حساس به لحاظ لرزه خیزی هستند و سرعت و شتاب زمین در اثر زلزله شدید می باشند ، ممکن است در انجام بهسازی لرزه ای نیاز به اقدامات متفاوتی داشته باشند. گزینه مناسب مقاوم سازی برای یک سازه ممکن است برای سازه دیگر با رفتار دینامیکی متفاوت گزینه مناسبی نباشد.

بهسازی لرزه ای :

بهسازی لرزه ای روش مقاوم سازی سازه اعم از سازه قدیمی یا جدید، آسیب دیده یا آسیب ندیده است که با انجام مطالعات فوق مشخص می شود ساختمان مورد بررسی در مقابل بارهای زلزله مقاومت لازم را داشته یا امکان فروپاشی آن ها در صورت وقوع یک زلزله شدید یا نسبتاً شدید در آینده وجود دارد یا خیر؟ .زلزله شدید یا نسبتاً شدید به زلزله هایی می گویند که معمولا از نزدیک ۶ ریشتر الی ۷ ریشتر باشد .معمولاً سازه های آسیب پذیر در مقابل زمین لرزه با روشهایی مانند ژاکت فولادی، ژاکت بتنی، شبکه ای از فولادهای تقویتی گالوانیزه شده بر روی دیوارهای باربر ، تقویت یا افزایش دیوارهای برشی بتنی، استفاده از ورق هایی از جنس فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP) ، اضافه کردن بادبندهای فولادی و یا روش ها و تکنیک های جدید افزایش میرایی سازه و .... صورت می گیرد.

در واقع بهسازی لرزه ای سازه زمانی صورت می گیرد که کمبود یا نقصی در عملکرد سازه یک ساختمان در برابر مقابله با نیروی زلزله وجود داشته باشد. وقتی ساختمان به هر دلیلی آسیب ببیند یا احتمال آسیب دیدن آن به هنگام وقوع زلزله وجود داشته باشد، موضوع بهسازی لرزه ای سازه مطرح می شود. ولی بهسازی لرزه ای سازه برای زمانی است که احتمال آسیب پذیری و بروز نقص های کوچک یا بزرگ در ساختمان در اثر زلزله مورد نظر باشد. مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای سازه باید توسط افراد متخصص و شرکتهای مهندسین مشاور مقاوم سازی سازه انجام شود.

پس از مقاوم سازی یک سازه ممکن است سختی سازه یک ساختمان به صورت قابل توجهی افزایش پیدا کند. در نتیجه ظرفیت باربری آن نیز نسبت به قبل از بهسازی لرزه ای افزایش می یابد. افزایش سختی سازه بستگی به نوع روش انجام شده در مقاوم سازی دارد. اقدامات رایج در  مقاوم سازی مثل ژاکت های بتنی/ فولادی و دیوارهای برشی جدید به احتمال زیاد سختی سازه را به طور چشم گیری افزایش می دهند، در نتیجه رفتار دینامیکی سازه و تغییر شکل های آن نیز تغییر می کند.

در چنین مواردی بهتر است که تجزیه و تحلیل سازه مقاوم سازی شده مجددا انجام شود. تکنیک های جدید در پوشاندن المان های سازه مانند پوشش های فیبرهای پلیمری تقویت شده (FRP ) ممکن است بهترین راه در مقاوم سازی و افزایش ظرفیت باربری سازه بدون ایجاد تغییر در سختی آن ها باشد.

علاوه بر افزایش سختی سازه، واکنش های عمده سازه در روش های مختلف مقاوم سازی می توانند مسیرهای انتقال بار جدیدی را ایجاد کنند و باعث تمرکز بارها در تراز فونداسیون شود، این اتفاق زمانی می افتد که در سازه هایی با قاب بتنی (RC ) دیوار برشی جدیدی به عنوان بخشی از اقدامات مقاوم سازی، ما بین ستون ها قرار گیرد.

در چنین مواردی فونداسیون ستون های مجاور به احتمال زیاد دچار تنش بیش از اندازه می شوند. انتخاب روش مقاوم سازی مناسب به منظور تحقق هدف بهسازی لرزه ای بهتر است به وسیله تجزیه و تحلیل مجدد ،شامل طراحی دوباره سازه صورت بگیرد که ممکن است انجام آن پس از آشنایی با روش مقاوم سازی ضرورت پیدا کند.

اصول طراحی مقاوم سازی

درباره موضوع  مقاوم سازی مثل ساخت و سازهای جدید اصول طراحی  باید از چند عامل پیروی نماید. به طور مثال به منظور داشتن همه مزایای شکل پذیری بالقوه اعضای RC مقاوم سازی شده، مطلوب است که از بیشتر بودن اثرات خمش نسبت به برش در مقاومت نهایی اطمینان حاصل گردد.

شکست برشی به دلیل این که تا قبل از وقوع علائم هشدار دهنده ای ندارد یکی از اتفاقات فاجعه بار محسوب می شود. بسیاری از تیرها و ستون های RC موجود در مقاومت برشی دچار کمبود هستند و نیاز به مقاوم سازی دارند. نقص های برشی به چند دلیل از جمله تقویت ناکافی برش، کاهش سطح فولاد به علت خوردگی، افزایش میزان بار، وجود نقص هایی در اصول طراحی در دستورالعمل های قدیمی تر و نقص هایی در ساخت و ساز، رخ می دهند.

تا آنجا که امکان دارد باید اصول طراحی در مورد مقاوم سازی در راستای بهبود برش، خمش، ظرفیت شکل پذیری و محوری اعضای سازه و کل آن باشد. بسیاری از روش های موجود اینگونه به نظر می رسند که سبب افزایش ظرفیت برشی و تغییر شکل اعضای سازه ای می شوند. افزایش ظرفیت خمشی نیز با استفاده از جزئیات مناسب و اصول طراحی درست قابل دستیابی است.

 الیاف FRP چیست و مقاوم سازی با آن چگونه صورت میگیرد؟

لمینیت FRP مخفف عبارت Fiber Reinforced Polimer or Plastic می باشد و به ماده‌ای گفته می‌شود که از فیبر یا الیاف تقویتی و ماتریس و یا رزین از پلیمر تشکیل‌شده است. مزایای FRP: مقاوم بودن در برابر خوردگی، اجرای ساده ورق‌ها، داشتن دوام بالا، سبک‌وزن بودن، توجیه اقتصادی در پروژه‌های بزرگ ،حمل‌ونقل آسان به دلیل سبکی. کاربرد FRP: تقویت لوله‌های بتنی و فولادی، تقویت دودکش‌های بتنی نیروگاه ها ، افزایش ظرفیت باربری و شکل‌پذیری ستون‌ها، تیرها و دال‌ها، تقویت مخازن فولادی و بتنی، تقویت دیوارهای بتنی، تقویت وترمیم  سازه‌های مهم مانند سیلوها و گنبدها ‌.

الیاف FRP از چه موادی تشکیل می شوند :

• الیاف FRP متشکل از فیبر کربن CFRP
• الیاف FRP متشکل از فیبر آرامید AFRP
• الیاف FRP متشکل از فیبر شیشه‌ GFRP 

رفتار ورقه‌های FRP به‌شکل ارتوتروپیک یا شبیه ایزوتروپیک می باشد یعنی مدول الاستیسیته در جهت قرارگیری فیبرها با جهات عمود بر آن متفاوت می باشد. از ورق‌های FRP برای تقویت خمشی، برشی، پیچشی و ترکیب آن‌ها در اعضای باربر سازه چون تیر‌ها ، ستون‌ها و اتصالات، دیوارها و دال‌های بتن آرمه و حتی عناصر غیر باربر استفاده می‌گردد. در عناصر فولادی نیز از  ورق FRP استفاده می شود.

آزمایش‌های غیر مخرب در بهسازی لرزه ای ساختمان:

آزمایش‌های غیرمخرب  به تمامی روش‌های بررسی گفته می‌شود که اجازه می‌دهند ارزیابی مشخصات و خصوصیات فنی و یا نقص در مصالح (فولادی، جوش، بتنی و بنایی) بدون نمونه‌برداری و ایجاد هر گونه اختلال در عملکرد سازه صورت بگیرد. وسایل این نوع آزمایش‌ها عمدتاً قابل حمل می باشد. در ارتباط با آزمایش‌های غیرمخرب باید توجه کنید که کار با دستگاه‌ها و تجهیزات مناسب در هر مورد توسط کارشناسانی با تجربه‌ی کافی در انجام صحیح آزمایش و تفسیر قابل اتکای نتایج انجام بگیرد.

آزمایش‌های مخرب‌ در بهسازی لرزه ای ساختمان:

آزمایش‌های مخرب با نمونه‌برداری از اعضا و یا اجزای سازه و انجام آزمایش در آزمایشگاه انجام می شود. نمونه‌برداری باید با پیش بینی تمهیدات لازم برای جلوگیری از بروز هر گونه ناپایداری در سازه از نقاطی باشد که تحت کمترین تنش قرار دارند و آن نقاط بعد از نمونه برداری سریعاً قابل ترمیم باشند.

با توجه به مشکلات اجرایی، خطرات احتمالی، زمان و هزینه‌ی انجام آزمایش‌های مخرب از یکسو و امکانات موجود برای انجام آزمایش‌های غیر مخرب از سوی دیگر، باید سعی شود تا حتی المقدور با انجام آزمایش‌های غیر مخرب و با استفاده از اسناد و مدارک مربوط، تعداد آزمایش‌های مخرب به حداقل ممکن تقلیل یابد.

بهسازی لرزه ای با مقاوم سازی چه تفاوتی دارد؟

هدف در بهسازی  لرزه ای این است که بتوان از راههای اصولی ظرفیت سازه را با نیاز لرزه ایش برابر نمود. در بعضی موارد هم ظرفیت سازه را افرایش می دهیم تا با نیاز لرزه ای آن برابر شود. در واقع به این افزایش ظرفیت سازه مقاوم سازی گفته می شود.

مقاوم سازی می تواند با افزایش سختی ( افزودن مهاربند ، دیواربرشی و … ) و یا افرایش مقاومت (ژاکت بتنی و فولادی و … ) صورت بگیرد. در بعضی موارد هم می توان به جای آن که ظرفیت سازه را افزایش بدهیم تا به نیاز لرزه ای برآوره شود، نیاز لرزه ای را کاهش دهیم تا به ظرفیت سازه برسد.

هدف بهسازی  و مقاوم سازی لرزه ای:

از مهمترین اهداف بهسازی و مقاوم سازی لرزه ای میتوان به موارد زیر اشاره کرد؛

• در برابر زلزله های خفیف بدون هیچ آسیب دیدگی مقاومت دارد.
• ایجاد مقاومت در برابر زلزله های متوسط بدون اینکه به سازه ها آسیب وارد کند ،اما احتمال برخی خسارت های غیر سازه ای وجود دارد.
• ایجاد استحکام در برابر زلزله های شدیدی که در محل سازه قبلا رخ داده یا قابلیت وقوع دارد، بدون فروریزی، ولی احتمال برخی خسارت های سازه ای و غیر سازه ای وجود دارد.

راه های کاهش نیاز لرزه ای سازه :

• کاهش جرم
• کاهش نامنظمی
• افزایش شکل پذیری
• استفاده از تکنولوژی های نوین طرح لرزه ای مانند استفاده از جداسازی لرزه ای ، میراگرها و …

در نتیجه مقاوم سازی یکی از راه های بهسازی لرزه ای سازه می باشد.

مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله با جداسازی لرزه ای

برای بهسازی ساختمان در برابر بارهای لرزه ای  دو رویکرد وجود دارد یکی ساخت ساختمان های بسیار مقاوم که در آن اعضا در مقابل بارهای لرزه ای مقاومت می کنند، و در رویکرد دوم با استفاده از جدا ساز از ورود نیروهای لرزه ای (مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله با جداسازی لرزه ای) به اعضا جلوگیری می شود.

در روش جداسازی لرزه ای ، سازه بر روی تکیه گاه هایی که قابلیت تغییرشکل جانبی زیادی دارند قرار می گیرد.در صورت وقوع زلزله ، عمده تغییرشکلها در تکیه گاه رخ داده و سازه مانند جسمی صلب با تغییرشکل های کوچکی ارتعاش میکند.نصب جداگر باعث افزایش زمان تناوب و میرایی سازه میگردد و بدین ترتیب به جای تقویت ظرفیت باربری سازه نیاز لرزه ای کاهش می یابد.

به عبارت ساده تر به جای آنکه نیروی زلزله وارد سازه شده و تمهیداتی برای مقابله با آن در نظر گرفته شود از ورود نیروی زلزله به سازه جلوگیری شده و نیروی زلزله در تراز جداساز میرا میشود.تدوین و انتشار دستورالعمل ها و ضوابط طراحی و اجرای جداساز لرزه ای در ایران نشان میدهد تصمیم گیری و هدف گذاری بر استفاده از این تکنولوژی در کشور عزیزمان وجود دارد و در حال حاضر نیز سازه هایی با جداساز لرزه ای در کشور طراحی و اجرا گردیده است.

منظور از جداسازی لرزه ای چیست؟

جداسازی لرزه ای یکی از روش های کنترل ارتعاشات لرزه ای با جدا سازی سازه از زمین در ساختمان ها و پلها میباشد. در این روش بر خلاف روشهای مرسوم در مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای، که موجب افزایش مقاومت سازه میشود، تمرکز بر روی کاهش پاسخ لرزه ای، و نیرو و شتاب ورودی زلزله به سازه است.از این رو ساز و کارهایی به منظور استهلاک انرژی در سامانه جداسازی تعبیه می گردد تا ضمن محدود نمودن تغییر مکان، شتاب سازه نیز کاهش یابد.

بنابراین لازم است یک سامانه جداسازی دارای قابلیتهای زیر باشد:

۱- بتواند نیروهای قائم ناشی از وزن و پاسخ زلزله در زمان زلزله را تحمل کند؛
۲- در جهت افقی انعطاف پذیری لازم را تامین نماید؛
۳- قابلیت جذب انرژی داشته باشد.

این قابلیتها می تواند به طور همزمان در یک وسیله تامین شود یا به کمک چند وسیله آن ها را برای سامانه جداسازی فراهم آورد. علاوه بر این طراح ممکن است برای محدود نمودن تغییر مکان جداسازها، در سامانه جداسازی لرزه ای، ضربه گیرهایی نیز پیش بینی نماید.

دو گروه اصلی از جداساز های لرزه ای که برای کنترل نیروی منتقل شده به روسازه در ساختمان ها استفاده می شوند:

۱- استفاده از جداساز های لاستیکی برای افزایش دوره تناوب طبیعی سازه
۲- استفاده از جداساز های اصطکاکی و کنترل حداکثر نیروی منتقل شده به سازه و استهلاک انرژی در محل جداساز
جداسازها باید مقاومت لازم برای تحمل وزن سازه روی خود را داشته باشند.

انواع جداساز های لرزه ای

به طور کلی جداسازهای لرزه ای را می توان به دو دسته ی جداسازهای لاستیکی و جداسازهای اصطکاکی تقسیم بندی کرد.

جداسازهای زیر از جداسازهای لاستیکی به شمار میروند:

– جداسازهای لاستیکی با ورقه های فولادی(و میرایی کم)؛
– جداسازهای لاستیکی با میرایی زیاد؛
– جداسازهای لاستیکی با هسته ی سربی.
از جداسازهای اصطکاکی به طور عمده جداسازهای زیر در صنعت تولید می شوند:
– جداسازهای اصطکاکی؛
– جداساز های الاستیک اصطکاکی؛
– جداساز های اصطکاکی پاندولی.
برای استفاده ی همزمان از قابلیت های جداساز های لاستیکی و اصطکاکی، این دو سامانه در موارد زیر با هم ترکیب شده اند:
– ترکیب سری جداسازهای اصطکاکی و لاستیکی؛
– ترکیب موازی جداسازهای اصطکاکی و لاستیکی.

مزایای جداسازی لرزه ای عبارتست از:

– حفظ کاربری سازه در حین و پس از زلزله و تأمین سطح عملکرد بی وقفه (IO)
-کاهش نیروی زلزله وارد شده به سازه تا بیش از ۶۰%
-رساندن خسارات سازه ای و غیر سازه ای به صفر
-کاستن از حجم مصالح مورد نیاز برای ساخت و ساز تا بیش از ۲۰%
-کاهش ضرورت استفاده از سیستم های باربر جانبی چون مهاربند یا دیوار برشی
-قابلیت استفاده در سازه های موجود و سازه های در حال ساخت .