رفتار سازه های بنایی در برابر زلزله و نحوه تقویت آنها

واژگان کلیدی: بنایی- گسیختگی- شکل پذیری - تقویت
چکیده
رفتار ساختمان های ساخته شده با مصالح بنایی در مقابله با نیرو های جانبی و چگونگی
تقویت آنها در این مقابله مورد بحث و بررسی قرار گرفته است .علت شکست و گسیختگی این
ساختمانها عمدتاً به دلیل ناکافی بودن شکل پذیری آنها می باشد و خرابی معمولاً به دلیل برش
است انواع دیوارهای آجری و نحوه گسیختگی آنها در این تحقیق مورد بررسی قرار گرفته و
نکاتی که در زمان ساخت دیوارهای آجری غیر مسلح باید رعایت شود بیان گردیده و در خاتمه
روشهایی برای تقویت و تسلیح ساختمانهای بنایی بصورت اجمال بیان شده است.
مقدمه
ساختمان سازی با مصالح بنایی نظیر آجر یا خشت تا آغاز قرن بیستم که مصالح ساختمانی
جدید مانند بتن مسلح و فولاد جای آنها را گرفت، برای ساختمانهای با ارتفاع کم تا متوسط رواج
بسیار داشت. با توجه به اینکه این ساختمانها حتی در زمان وقوع زمین لرزه هایی متوسط
خسارت های فراوان می دیدند لذا نامناسب بودن مصالح بنایی جهت استفاده در ساخت ساختمان
بر همگان آشکار شد. امروزه آیین نامه های ساختمانی بسیاری از کشورها ساخت بنا با مصالح
بنایی را ممنوع کرده اند و یا حداقل تعداد طبقات این چنین ساختمانها را به دو طبقه محدود
نموده اند که در حالت اخیر نیز مسلح نمودن دیوارهای آجری ساختمان با استفاده از تیر یا
ستون های بتنی که درون این دیوارها قرار می گیرد بصورت اکید توصیه شده است. معهذا به
دلایل اقتصادی، سهولت تولید و ساخت، خاصیت عایق بودن خوب و نما سازی همچنان کاربرد
این مصالح در ساخت ساختمان رواج دارد. به دلیل وزن بسیار زیاد و همچنین به علت آنکه
دیوارهای آجری اینگونه ساختمانها در صفحه خود بسیار سخت می باشند لذا نیرویی که در زمان
وقوع زلزله به آنها انتقال م ییابد بسیار بزرگ م یباشد. هنگام اعمال نیروی جانبی به سبب تردی
و شکنندگی مصالح مورد استفاده، سریعاً در دیوارهای این ساختمانها ترک های قطری
(ضربدری) ظاهر شده که نتیجه آن کاهش مقاومت ساختمان و بدنبال آن نابودی کامل بنا نتیجه
خواهد شد. با نگاهی به تاریخچه زلزله های کشور ایران مشخص شده است که خانه های روستایی
5 ریشتر یا بیشتر قرار گرفته اند. بصورت کلی یا عمده / که در معرض زلزله هایی با بزرگی 5
تخریب شده اند.
انواع ساختمانهای آجری
ساختمانهای آجری که با مصالح فشاری و ملات ساخته می شوند را می توان به چهار گروه
تقسیم نمود که عبارتند از ساختمانهای آجی غیر مسلح، نیمه مسلح، مسلح و مرکب.
-1 ساختمانهای آجری مسلح : این نوع ساخ تمانها متداولترین و قدیمی ترین نوع ساختمان را در
کشور ما تشکیل می دهد و خود به دو نوع روستایی و شهری تقسیم می شوند . در ساختمانهای
روستایی دیوارها عموماً از خشت خام و یا سنگهای رودخانه ای و با ملات گل ساخته می شوند و
سقف نیر بصورت گنبدی و یا با استفاده از ت یرهای چوبی و با پوشش گل، بنا می شود . در نوع
شهری، دیوارها معمولاً با آجر فشاری و با ملات ماسه سیمان ساخته شده و سقف نیر طاق
ضربی است.
( -2 ساختمانهای آجری نیمه مسلح : در این ساختمانها که تقریباً مشابه با ساختمانهای نوع ( 1
هستند برای بهبود رفتار ساختمان در م قابل زلزله از کلافهای فوقانی، تحتانی و یا قائم در
دیوارهای آجری استفاده می گردد. کاربرد این عناصر سبب می شود که ساختمان دارای افزایش
نسبی مقاومت و شک لپذیری گردد.
-3 ساختمانهای آجری مسلح : با توجه به اینکه کلافهای تحتانی و افقی مانع شکست خمشی
نمی شود لذا در این ساختمانها یک سیستم مقاوم لرزه ای که کاملا ایستا -و قابل محاسبه -باشد
مورد استفاده قرار می گیرد. یک سیستم کاملاً ایستا، سیستمی است که در برابر کلیه حالتهای
اصلی شکست (خمش و برش ) مقاومت کافی را داشته باشد . دیوار برشی نمونه ای از اینگونه
سیستمها می باشد.
-4 ساختمان آجری مرکب : این نوع ساختمانها دارای اسکلت های فلزی یا بتنی، که بین آنها با
مصالح بنایی پر شده است و اصطلاحاً اعضای میانقاب نامیده می شود . هستند. با توجه به این
که در این نوع ساختمانها تمام یا قسمتی از بارهای قائم توسط دیوارهای با مصالح بنایی تحمل
می گردد، لذا براساس آئین نامه 2800 زلزله ایران، این قبیل ساختمانها نیز در ردیف ساختمانهای
با مصالح بنایی قرای می گیرند.
با وجود آنکه ساختمانهای آجری نوع سوم و چهارم تا حدودی در مقابله با زلزله مقاومت از
خود نشان می دهند ولی متأسفانه به علت آنکه اکثر ساختم انهای کوچک بنایی به وسیله افرادی
ساخته می شود که به اصول مهندسی زلزله آگاه نیستند و همچنین به دلیل آنکه بسیاری از
صاحبان ساختمانهای کوچک حاضر نیستند و یا نمی توانند از نظر مالی هزینه های ساخت را
( تأمین کنند لذا در بسیاری از شهرها و روستاهای کشور ما عمده ساخ تمانهای آجری از نوع ( 1
و در مواردی از نوع ( 2) می باشند که در نتیجه هنگام زلزله کاملاً تخریب شده و تلفات انسانی
بسیار بالایی حاصل می گردد.
علت شکست دیوارهای آجری
مقاومت مصالح مورد استفاده در یک ساختمان در برابر زلزله بطور کلی در رابطه با موارد ذیل
:( می باشد ( 1
-1 خاصیت جذب انرژی و تغییر شکل پلاستیک زیاد.
-2 نسبت مقاومت به وزن.
-3 همگن بودن.
-4 مقاومت یکسان (و البته زیاد)، حداقل در دو جهت عمود بر هم.
-5 ایجاد اتصالات با مقاومت کامل (حداقل در حد مقاومت مصالح مورد استفاده).
میزان جذب انرژی توسط مصالح در واقع شکل پذیری یا نرمی آنها را در مقابل با نیروهای
اعمالی نشان می دهد. حال اگر سازه ای بخواهد در برابر نیروهای زلزله بصورت ارتجاعی عمل
کند می بایست نیروهای افقی بسیار بزرگی را تحمل کند و اگر مقاومت آن کمتر از این حد باشد .
ناگزیر وارد ناحیه غیر ارتجاعی خواه د گردید . حال اگر مصالح سازه (با فرض اتصالات مناسب
اعضا) از شکل پذیری کافی برخوردار باشد، سازه می تواند تغییر شکلهای تحمیل شده از سوی
زلزله را تحمل کرده و پایدار بماند و اگر ساختمان فاقد شکل پذیری لازم باشد، در اثر جابجایی و
تغییر شک ل های ناشی از زلزله دچار ترک های عمیق و نهایتاً شکست و گسیختگی کامل خواهد
شد. آجر از مصالحی می باشد که اولاً نسبت مقاومت به وزن اندکی دارد، و ثانیاً تقریباً هیچ نوع
رفتار غیر ارتجاعی و خمیری از خود نشان نمی دهد و به همین دو دلیل مهم است که دیوارهای
آجری در زمان وقوع زلزله بسیار س ریع نابود می گردند. در کنار این دو موضوع، سختی زیاد و
همچنین کیفیت نه چندان مناسب اجرا، از سایر علل عملکرد نامناسب ساختمان های آجری
می باشند. سختی زیاد دیوارهای ساختمانهای بنایی باعث می شود که این ساختمانها زمان تناوب
کوچکی داشته و با توجه به پایین بودن زم ان تناوب زلزله، احتمال پدیده تشدید در این ساختمانها
در هنگام زلزله بسیار بالا است . از موارد اجرای نامناسب ساختمانهای آجری می توان به شاغول
نبودن دیوارها، جذب آب ملات توسط آجر (که پودر شدن ملات را در پی دارد )، روش نامناسب
آجر چینی (که باعث از بین رفتن یکپار چگی دیوار می شود)، بی دقتی در پر کردن فضای بین
آجرها و ترتیب نامناسب درزهای قائم اشاره کرد.
انواع گسیختگی دیوارهای آجری
:( موارد ذیل در زمره مهمترین انواع گسیختگی دیوارهای آجری می باشد( 2
-1 بوجود آمدن ترکهای قائم در محل اتصال دیوارها به یکدیگر.
-2 ایجاد ت رک افقی در دیوارهای جانبی ساختمان و در ناحیه بین دو بازشو که در یک راستای
قائم قرار گرفته باشند.
-3 تشکیل ترکهای افقی بین دیوارها و سقف ساختمان.
-4 بوجود آمدن ترک مورد در منطقه بین دو بازشو که در یک تراز افقی ساخته شده باشند.
-5 گسیختگی موضعی در گوشه های دیوارها.
نحوۀ خرابی دیوارهای آجری
دیوارهای آجری در صفحه خود بسیار سخت می باشند و لذا نیرویی که از زلزله به آنها
انتقال می یابد بسیار زیاد می باشد. خرابی دیوارها معمولا با ایجاد ترک آغاز شده و با گسترش و
عریض تر شدن ترک ها، نابودی کامل دیوار که ناشی از خر ابی دیوار در صفحه خود می باشد،
صورت خواهد پذیرفت . ترکها عموماً در نزدیکی بازشوها متمرکز بوده و اغلب از محل ملات ها
ریشه می گیرند. اگر دیواری آجری تحت اثر نیروهای جانبی قرار بگیرد به علت تغییر مکان دیوار
و رفتار شکننده آن، در پای دیوار ترک ایجاد شده و مقاو مت دیوار به مقدار زیادی کاهش پیدا
می کند و در نهایت در مقداری مشخص از تغییر مکان، مقاومت دیوار تقریباً صفر می گردد . حال
اگر نیروی جانبی اعمال شده در این لحظه امکان انتقال به اعضای سازه ای دیگر را نداشته باشد
گسیختگی دیوار بطور ناگهانی رخ خواهد داد. براساس مطالعات تحلیلی و نتایج حاصل از
آزمایشهای گوناگون ، گسیختگی در دیوارهای آجری ب شدت وابسته به انرژی جذب شده توسط
آن در زمان اعمال نیرو بوده و همچنین براساس ملاحظات جذب انرژی، نشان داده شده است که
نیروی لازم برای خرابی یک دیوار بدلیل ناپایداری در صفحه دیوار بسیار زیاد می باشد و لذا
خرابی دیوارها بجای ناپایداری آنها، اغلب بدلیل برش می باشد. اگر نیروهایی که بر دیوار اعمال
می شود در راستای سطح دیوار و در امتداد طول آن باشند، به علت اینرسی زیاد دیوار در امتداد
نیرو، دیوار مقاومت قابل توجهی از خود نشان می دهد . در چنین حالاتی اگر دیوار دچار
گسیختگی گردد، علت آن می تواند به یکی از دلایل زیر و یا ترکیبی از آنها باشد:
-1 تشکیل ترکهای قطری مورب که از محل درزهای ملات گسترش می یابند . این ترکها به دلیل
وجود تنش های کششی در صفحه دیوار و در امتدادهای مایل می باشند.
-2 تشکیل ترکهای افقی در طول ملات به علت لغزش یا گسیختگی برسی افقی در صفحه دیوار.
-3 گسیختگی ناشی از تنش های کششی که در اثر خمش در دیوار بوجود آمده اند.
حال اگر نیروها عمود بر سطح دیوار اعمال شوند، دیوار تحت خمش قرار می گیرد و در آن ترک
تشکیل می گردد. شکل و نحوه تشکیل ترکها در این حالت وابسته به نسبت ارتفاع دیوار به طول
آن می باشد. اگر این نسبت کمتر از یک باشد ترکها حالتی افقی دارند و با افزایش این نسبت،
شکل ها ترکها ابتدا مورب شده و سپس بصورت قائم در دیوار ظاهر خواهند شد.
طراحی و نحوه اجرای ساختمان های آجری غیر مسلح
استفاده از دیوارهای آجری غیرمسلح فقط در کشورهایی که لرزه خیزی پائ ینی دارند به
رسمیت شناخته شده است . محاسبه نیروی نهایی که این دیوارها می توانند تحمل کنند با استفاده
از روشهای انرژی معمولاً صورت می پذیر. استفاده از ساختمانهای اجرای غیر مسلح در مناطق
زلزله خیز توصیه نمی گردد. در صورت ساخت این چنین ساختمانها در مناطق زلزله خیر رعایت
:( نکات ذیل به صورت اکید توصیه می گردد ( 3
-1 ملات مورد استفاده و آجرها با یکدیگر سازگاری داشته باشند، بطورمثال دیواری که از
خشت های خام و ملات گل ساخته می شود از دیوار ساخته شده با سنگ و ملات گل قویتر
می باشد. ملات مناسب برای دیوارهای آجری، ملات ساخته شده با یک حجم سیمان، یک حجم
آهک و شش حجم ماسه است.
-2 ضخامت حداقل دیوارهای ساخته شده با خشت خام و آجر بترتیب 40 و 30 سانتیمتر و
حداکثر نسبت ارتفاع آنها یا طول بدون اتکایشان به ضخامت بترتیب 10 و 20 می باشد.
-3 عرض کل بازشوها دردیوارهای خارجی از یک سوم طول کل دیوار بیشتر نباشد و مجموع
سطح بازشوها در هر دیوار خارجی نباید از یک سوم سطح نمای دیوار بیشتر گردد.
-4 فاصله بین بازشوها بیش از 75 سانتیمتر بوده و فاصله بین یک بازشو در یک دیوار با دیوار
عمود بر آن و یا از گوشه ساختمان نباید از 75 سانتیمتر کمتر باشد.
-5 فاصله بین بازشو در یک دیوار داخلی و دیوار مجاور آن باید از سه برابر ضخامت دیوار
داخلی بیشتر باشد.
-6 از نقطه نظر فرم و شکل هندسی، مناسب است که ساختمانها مخروطی شکل یا استوانه ای، و
باسقف های گنبدی باشند.
-7 دیوارهای خشتی و گلی با استفاده از حائل های ذو زنقه ای باید تقویت شوند . حداقل عرض این
حائلها در پایین 50 سانتیمتر و در بالا 20 سانتیمتر و طول آنها در پای دیوار حداقل برابر با
نصف ارتفاع دیوار باشد.
روشهای جلوگیری از گسیختگی دیوارهای آجری
با مسلح کردن دیوارهای آجری با می لگرد می توان از حالتهای اصلی شک ست آنها که بصورت
خمشی یا برشی می باشد جلوگیری کرد . برای ممانعت از شکست خمشی دیوارهای برشی از
میلگردهای قائم استفاده می شود. این میلگردها در کلاف زیرین دیوار مهار شده و در داخل
شکافی در دیوار قرار گرفته و سپس این شکاف با ملات پر می شود. براساس ضوابط آیین نا مه
2800 زلزله ایران حداقل بعد شکاف در دیوار باید مساوی با، یا بزرگتر از 6 برابر قطر میلگرد
مورد استفاده باشد . به منظور مهار شکست برشی از میلکردهای افقی استفاده گردد . در این نوع
شکست بخشی از دیوار بصورت افقی روی بخش دیگر دیوار حرکتی افقی خواهد داشت ( 4). با
استفاده از میلگردهای افقی، از این نوع حرکت ممانعت به عمل می آید و میلگردها در معرض
نیروی کش شی قرار می گیرند. روشی دیگر به منظور جلوگیری از شکست برشی استفاده از
کلافهای افقی است که در میانه دیوار قرار داده می شوند. این کلافها تحت اثر ممان های خمشی
واقع شده و به منظور جلوگیری از شکست دیوار در برابر ممان های خمشی، بایستی مقاومت
کافی داشته باشند. قطر معمول میلگردهای افقی 10 یا 12 میلیمتر است.
مقاوم سازی دیوارهای آجری موجود
مقاوم سازی در کل، موضوعی پیچیده می باشد و در بعضی از حالات بسیار مشکل است
حتی هزینه آن بیشتر از هزینه تخریب و دوباره سازی ساختمان باشد . ولی به این نکته مهم باید
توجه داشت که تقویت ساختمانهای آجری می تواند سبب گردد که بجای گسیختگی کلی، ساختمان
حداکثر دچار خرابی موضعی شده و لذا از میزان تلفات جانی به شدت کاسته گردد . از نکات مهم
در مقاوم سازی آ ن است که فقط دیوارهای باربر محیطی را نباید در نظر گرفت و تقویت نمود،
بلکه ساختمان به گونه ای باید مقاوم سازی شود که در زمان بروز زلزله، هیچ بخشی از آن
تخریب نگردد . به بیان دیگر تقویت یک ساختمان بنایی باید بصورت همه جانبه در نظر گرفته
شود.
نوع روشی که برای مقاوم سازی مورد استفاده قرار می گیرد وابسته به فاکتورهای مختلف
بوده و اجرای آن نیز می بایستی توجیه اقتصادی داشته باشد . از جمله این فاکتورها سن
ساختمان مورد نظر بوده و اینکه آیا پس از گذشت زمان، مشخصات مهندسی مصالح تغییر
(کاهش) یافته است یا خیر؟ آیا در نحوه کاربری ساختمان تغییراتی صورت پذیرفته است؟ آیا پس
از ساخت ساختمان، اندازه بازشوها تغییر یافته یا بازشوهای جدیدی ایجاد شده اند؟ و در نهایت
آنکه تسلط و تجربه نقشی کلیدی در انتخاب نوع روش تقویت دارد . در کلیه روشهای مقاوم
سازی ساختمانها، افزایش مقاومت دیوارهای جانبی هدف اولیه می باشد زیرا این دیوارها عموماً
در برابر بارهای ثقلی از خود مقاومت نشان می دهند و در برابر بارهای جانبی به علت عدم داشتن
خاصیت شکل پذیری مناسب، مقاومت چندانی ندارند.
انواع روشهای مقاوم سازی
:( از جمله روشهای مقاوم سازی می توان بصورت اجمال به موارد ذیل اشاره کرد ( 5
-1 روکش بتن مسلح بصورت یک طرفه یا دو طرفه، در این روش شبکه هایی از آرماتور در یک
طرف یا دو طرف دیوار آجری قرار داده می شود. و روی آنها یک لایه بتنی به ضخامت حدود 4
سانتیمتر پاشیده می گردد.
-2 روکش بتنی همراه با تعبیه ستونهای باری ک بتنی در داخل دیوار، در این روش جهت ایجاد
2 متر / ستون در داخل دیوار . شیارهای قائمی به ابعاد تقریبی 10 سانتیمتر و به فواصل حدود 5
ایجاد می گردد که درون آنها میلگردهایی به قطر حدود 10 میلیمتر قرار داده می شود.
-3 هسته مرکزی . در این روش در مرکز دیوارها حفر ه هایی به قطر حدود 10 سانتیمتر و به
فواصل حدود 100 الی 150 سانتیمتر ایجاد می گردد، درون این حفره ها آرماتور قرار داده شده و
سپس حفره ها با نوعی دوغاب بتنی که دارای خاصیت انقباضی کم باشد پر می گردند.
-4 مهار بندی با استفاده از بادبندی قطری . در این روش با اس تفاده از پروفیل ها یا میلگردهای
فولادی در دیوارها بادبندهای قطری نصب می گردد.
-5 مهار بندی فولادی با استفاده از نوارهای فولادی . در این روش در دو طرف شیارهایی قطری
ایجاد کرده و درون آنها نوارهای فولادی قرار داده می شود. این نوارها در دو طرف دیوار توسط
پیچ هایی به یکدیگر متصل می گردند.
-6 مهاربندی دیوار با استفاده از الیاف پلیمری . در این روش در داخل دیوار بصورت افقی یا قائم
الیاف پلیمری قرار داده می شود.
باید توجه داشت که در کلیه روشهای فوق به منظور جلوگیری از پدیده لغزش یا واژگونی دیوار،
اتصال دیوار به پی نیز باید تقویت گردد. در صورت تسلیح و تقویت دیوارهای آجری
ساختمانهای ساخته شده با مصالح بنایی با هر یک از روشهای فوق، مقاومت دیوار در مقابله با
نیروهای جانبی حدود 3 الی 5برابر افزایش می یابد.
منابع
1- National Workshop ,”Earthquake Resistant Masonry
Construction’U.S.Department of Commerce ,1997.
2- Applied Technology Council(ATC),’Evaluating the Seismis Resistance of Existing Buildings’,ATC14,1994.
3- Hendry ,A.W.,Sinha,B.P.,Davis,S.R.,’Load Bearing Brickwork Design’,P-H,1995.
4- David,K.,’Earthquake Design Practice for Building ‘,Thomas Telford Limited , 1998.
5- Priestley ,M.J.N.,’Seismic Design of Masonry Structures to the New Zealand
Standard NZS 4230p,Bull.N.Z.Soc.Earthquake Engng,No.2,pp.191-205,1995.

علیرضا ربانی فر