نحوه مقاوم سازي ساختمان (آپارتمان و ملک هاي ويلايي)

«مقاوم سازي» در علم مهندسي عمران به مفهوم بالا بردن مقاومت يک سازه ساختمان در برابر نيروهاي وارده است. امروزه از اين اصطلاح بيشتر در مورد نيروي زلزله استفاده مي شود. از ديدگاه علمي، مقاوم سازي واژه کاملاً درستي براي اين منظور نيست.
چرا که منظور از اصطلاح مقاومت سازي» به طور قطع بالا بردن مقاومت در برابر نيروي زلزله نيست بلکه منظور بهبود عملکرد اجزاي سازه ساختمان در برابر نيروي زلزله است. براي همين منظور، سازمان پيشگيري و مديريت بحران تهران به دنبال آن است با تدوين طرح بهسازي لرزه اي نسبي ساختمان هاي پايتخت، به روشي ساده و به دور از محاسبات پيچيده مقاوم سازي ساختمان ها را از طريق آموزش نيروهاي نيمه ماهر و جوشکاران جوان عملي کند. يکي از موضوعات مهم و اساسي در راهبرد کاهش خطرپذيري در برابر زلزله، مقاوم سازي ساختمان هاي موجود با کمترين هزينه با سرعت بالا و به صورت ساده است تا دست کم جان شهروندان در زلزله اي متوسط به بالا حفظ شود و در حقيقت آستانه ريزش ساختمان ها ارتقا يابد. در حال حاضر به واسطه هشدارهايي که درباره زلزله تهران داده مي شود، مسأله مقاوم سازي به طور جدي در حال پيگيري است.
براي ساخت يک سازه و ساختمان معمولي بايد به بسياري از موارد توجه کرد.
از جمله مهم ترين اين موارد مي توان به پي ساختمان و جوشکاري آن اشاره کرد در حالي که پي ساختمان از اصلي ترين موضوعات ساخت و ساز محسوب مي شود و به عنوان مثال براي ساخت پي بايد به ميزان دقيق و حساب شده نسبت آب و سيمان را رعايت کرد اما متأسفانه کارگران ساختماني غيرماهر و آموزش نديده به اين اصول توجه نمي کنند و همچنين در جوشکاري ساختمان بايد از تکنسين هاي جوشکاري که داراي پروانه جوشکاري هستند استفاده کرد، اما اين سهم نيز در کشور ما رعايت نمي شود. از آنجا که گسل هاي اصلي و فرعي بسياري در شمال، غرب، جنوب و شرق تهران وجود دارد و خاک جنوب تهران به دليل وجود سفره هاي زيرزميني بسيار در اين منطقه سست است، بنابراين به هنگام وقوع زلزله سطح آب هاي زيرزميني بالا آمده و بسياري از ساختمان ها واژگون مي شوند و يا در زمين فرو مي روند. چنانچه اين اتفاق رخ دهد، تمام راه هاي ارتباطي قطع مي شود، شبکه هاي آب، برق و گاز آسيب مي بيند و به گفته برخي کارشناسان طبق بررسي ها تهران سه روز متمادي در آتش مي سوزد چرا که در تهران اصول شهرسازي رعايت نشده و ساختمان ها به صورت فشرده ساخته شده است. به همين علت در هنگام وقوع زلزله راهي براي کمک رساني و يا دور شدن از حوادث بعد از آن وجود ندارد. در اين جا است که لزوم مقاوم سازي ساختمان ها در جهت افزايش پايداري سازه هاي مهم در برابر زلزله اهميت خود را نشان مي دهد.
اما سؤالي که مطرح مي شود اين است که چه ساختمان هايي به مقاوم سازي نياز دارند. چه ساختمان هايي نياز به مقاوم سازي دارند؟ در ابتدا ساختمان ها را به چهار دسته تقسيم مي کنيم. دسته اول ساختمان هاي حياتي هستند که به دليل نوع کاربري و استفاده اي که دارند امکان انتقال تجهيزات را نداشته و از طرفي بايد عملکرد خود را بعد از زلزله نيز حفظ کنند. اين ساختمان ها شامل مراکز درماني، ايستگاه هاي مخابراتي و تلويزيوني، مراکز امنيتي و پالايشگاه ها هستند. دسته دوم را ساختمان هايي تشکيل مي دهند که در حال حاضر شرايط خاصي ندارند اما پس از زلزله به عنوان مراکز خدماتي و کمک رساني مورد نياز هستند و لازم است حتماً سرپا باشند.
برخي از سوله ها، مساجد، مدارس، مراکز مديريت کلان و مراکز مديريت بحران از اين جمله محسوب مي شوند. از سوي ديگر ساختمان هايي که قبل و بعد از زلزله اهميت خاصي ندارند ولي در صورت آسيب جدي تلفات جاني زيادي در پي خواهند داشت مانند مراکز عمومي، استاديوم، برج ها و .... . دسته چهارم نيز ساختمان هاي معمولي هستند که هيچ کدام از موارد فوق را شامل نمي شوند مانند منازل مسکوني، ساختمان هاي اداري و تجاري معمولي.
 اهميت و نياز مقاوم سازي از ديدگاه کلان به ترتيب از دسته اول ساختمان ها آغاز و به دسته چهارم کاهش مي يابد. همچنين مقاوم سازي دسته اول و دوم کاملاً به عهده و وظيفه دولت است. اما دسته سوم بين دولت و کارفرمايان خصوصي مردم مشترک بوده و دسته چهارم کاملاً به عهده مردم است. اما از طرفي مقاوم سازي دسته اول و دوم تقريباً تأثيري مستقيم در کاهش مستقيم تلفات زلزله ندارد و تنها مقاوم سازي دسته سوم و چهارم است که در کاهش مستقيم تلفات زلزله نقش دارند. بديهي است که هزينه و زمان لازم براي مقاوم سازي دسته سوم و چهارم به قدري زياد است که عملاً اين امر را غيرممکن ساخته است. چرا که برخي از ساختمان ها که قديمي هستند و برخي ديگر نوساز که در آن اصول و مقررات مربوطه رعايت نشده است و به اين ترتيب اگر بخواهيم مقاوم سازي را به آنها نيز تعميم دهيم عملاً بايد دوباره کشور را بسازيم.
بنابراين دولت موظف است که مقاوم سازي را معطوف به ساختمان هايي از جمله مراکز درماني، مخابراتي، مدارس و مراکز مديريت بحران کند و مقاوم سازي ساختمان ها و مراکز شخصي را به عهده خود مردم بگذارد و دولت صرفاً مي تواند تسهيلات و قوانين لازم را در اختيار آنها قرار دهد. به هر حال مقاوم سازي در هر دو زمينه چه ساختمان هاي قديمي و بافت فرسوده و چه ساختمان هاي نوساز مطرح است.
در مورد نوسازي ساختمان ها نياز به ضوابط منسجم تري براي کنترل دقيق طراحي، ساخت براساس نقشه هاي اجرايي، جوشکاري صحيح و بتن ريزي قابل اعتماد وجود دارد مخصوصاً حتي پس از محاسبات و طراحي مناسب، ضعف جوشکاري در ساختمان هاي فلزي و ... کم بودن مقاومت بتن در سقف و پي ساختمان هاي فلزي و در کل ساختمان هاي بتني، معضل بزرگي است و هيچ نوع کنترلي بر آنها وجود ندارد. تصور اينکه زلزله مخربي در تهران رخ دهد براي همه مشکل است اما هر چه زمان مي گذرد و بررسي هاي بيشتري در اين باره صورت مي گيرد واقعيات تلخ تري روشن مي شود. مسأله مهم بعدي، قطعات الحاقي و غير بار ساختمان مثل ديوارهاي اطراف و متغيرها، دست انداز بام، بالکن و پنجره و شيشه مخصوصاً نماهاي شيشه اي است که به علت عدم اتصال کافي به سازه ساختمان در اثر وقوع زلزله حتي مواقعي که اسکلت ساختمان مقاوم است، احتمال جدايي و ريزش آنها به داخل و خارج ساختمان وجود دارد و حتي در برخي موارد آوار و شيشه بر سر افرادي که در حال خروج از ساختمان هستند فرو ريخته و باعث جراحات يا فوت آنها شده است.
مسأله مهم بعدي، بازسازي ساختمان هاي فرسوده است که ظاهر شکيلي به آن مي دهد و ضعف هاي سازه اي آن را مي پوشاند و اين در حقيقت خواسته يا ناخواسته نوعي تقلب در ساخت و فروش به حساب مي آيد. در حالي که شهرداري هاي مناطق به هيچ وجه نبايد به ساختمان هايي که استحکام واقعي سازه اي ندارند اجازه بازسازي بدهد.
از طرفي مقاوم سازي درباره ساختمان هاي بسيار قديمي که عمدتاً متشکل از ديوار باربر و بعضاً همراه بايک نيم اسکلت فلزي هستند به علت هزينه هاي بالا و مشکلات اجرايي، اگر محال نباشد، به غيرممکن نزديک است. در مورد ساختمان هاي نيمه قديمي و بعضاً جديدتر که به صورت اسکلت بتني اجرا شده به علت پوشش ميلگرد در داخل بتن و عدم دسترسي آسان به آن و عدم وجود مصالحي که به راحتي به بتن متصل شود تشخيص موارد ضعف و همچنين مقاوم سازي آن بسيار مشکل بوده و اجراي ورق و پروفيل هاي فلزي جوشکاري شده روي اسکلت بتني به صورت وصله و پينه راهگشا نخواهد بود.
در ساختمان هاي اسکلت فلزي به علت ماهيت آن، اجراي مقاوم سازي عملي تر است، اما به علت هزينه زياد و تخريب قسمت هاي زيادي از نازک کاري و سفت کاري براي دسترسي به تيرها، ستون ها و اتصالات و همچنين چند واحدي بودن ساختمان ها و عدم حصول توافق هماهنگ ميان مالکان واحدها، معمولاً از اجراي آن اجتناب مي ورزند و در صورت اجرا نيز رسيدن به يک نتيجه ايده آل ممکن نيست. در اين گونه موارد گزينه بهتر، تخريب و نوسازي کامل ساختمان است و وضعيت فونداسيون و مقاومت آن در برابر نيروي زلزله نيز بايد بررسي شود. به هرحال عملکرد لرزه اي سازه ميتواند توسط مقاوم سازي يا ترميم افزايش يابد . که در اين مقوله مهندس راهکاري را بر اساس ارزيابي لرزه اي سازه انتخاب مي کند. بنابراين نيازهاي اساسي ترميم و تحقيقات مختلف روي راهکارهاي مقاوم سازي ميبايست قبل از انتخاب روش روش مقاوم سازي بررسي شود .
در اين مقاله مشخصات راهکارهاي مختلف مورد بحث و بررسي قرار گرفته و همچنين رابطه بين مقاوم سازي و خصوصيات سازه اي شرح داده شده است.علاوه بر آن چند مورد از مطالعات سازه اي که براي مقاوم سازي اعمال شده ، ارايه شده است. راهکارهاي مقاوم سازي لرزه اي : شمار زيادي از راهکارهاي موجود مقاوم سازي لرزه اي بسته به نوع و شرايط مختلف سازه موجود است . بنابراين انتخاب نوع مقاوم سازي روند پيچيده اي دارد و تحت تاثير توام فناوري ، شرايط اقتصادي و اجتماعي قرار دارد .در زير عواملي که روي انتخاب راهکارهاي مقاوم سازي تاثير مي گذارد را بررسي مي کنيم : مقاوم سازي سطح سازه: مقاوم سازي سطح سازه بطور معمول براي افزايش مقاومت جانبي سازه هاي موجود مورد استفاده قرار مي گيرد . از اين قبيل مقاوم سازي ساختمانهاي بتن مسلح مي توان بادبندهاي فولادي ، کابلهاي پيش تنيده ، ديوارهاي پر کننده ، ديوارهاي برشي ، پرکننده ها با مصالح بنايي و جداکننده هاي پايه را نام برد .روشهايي که در زير شرح داده ميشود معمولا براي مقاوم سازي سطح سازه مورد استفاده قرار مي گيرد: اضافه کردن ديوارهاي سازه اي بتن مسلح: اضافه کردن ديوارهاي سازه اي يکي از متداولترين روشهاي مقاوم سازي سطح سازه براي تقويت سازه هاي موجود مي باشد .
بطور کلي تعمير و ترميم ديوار برشي موجود يا پرکننده براي يکي از دهانه هاي قاب استفاده مي شود .علاوه بر آن به منظور کاهش زمان و هزينه از شاتکريت يا پانلهاي پيش ساخته استفاده مي شود .
تحقيقاتي که در زمينه ديوارهاي سازه اي انجام شده است و يافته ها به نسبت تحقيقات دقيق انجام شده گزارش شده است .تحقيقات نشان مي دهد که روند پرکنندگي نقش مهمي در پاسخ پانلها و سازه هاي ديگر ايفا کرده است . روند پرکنندگي با سخت کردن سازه مي تواند برش پايه را افزايش دهد .اثرات واژگوني و برش پايه در محل پر کننده سخت کننده متمرکز شده است .بنابراين در اين محلها فونداسيون ميبايست تقويت شود. JIRSA و KREGER در 1989 ديوارهاي پرکننده يک طبقه را در کاربرد براي چهار نمونه آزمايش کردند.در آزمايش آنها از يک قاب بتن مسلح سه دهانه ، تک طبقه غير شکل پذير تا تکنيکهاي ساختمان سازي در دهه 1950 را مدل کنند. در اين سازه فاصله آرماتورهاي برشي ستون زياد بود و فشردگي وصله ها براي تامين مقاومت کششي نهايي کافي نبود .در آزمايش آنها ابتدا ديوارهاي سه گانه در محل بازشو تغيير يافت .آرماتورهاي طولي در نزديکي ستونهاي موجود براي افزايش پيوستگي فولاددر 4 نمونه اضافه شد.در ابتداي 3آزمايش شکستهاي ناشي از وصله هاي لب به لب ناقص ستونبا وجود ترميم پرکننده هاايجاد شد.
استفاده از بادبندهاي فولادي : اضافه کردن بادبندهاي فولادي براي تقويت کلي و سخت کردن ساختمانهاي موجود مي تواند موثر باشد .بادبندهاي هم مرکز يا برون مرکز مي توانند در دهانه هاي انتخابي يک قاب بتن مسلح براي افزايش مقاومت جانبي سازه استفاده شود.مزيت اين روش آنست که ديگر به تقويت فونداسيون نياز نيست چون بادبندهاي فولادي معمولا بين اعضاي موجود قرار ميگيرند. افزايش بارگذاري روي فونداسيون موجود در محل بادبندها ممکن است پس هنوز بايدفونداسيون مورد ارزيابي قرار گيرد .علاوه بر آن اتصال بين قاب بتنب موجود و اعضاي بادبندي بايد به دقت انجام شود زيرا اتصال در طول مدت زلزله آسيب پذير است.
گزارشات چندبن محقق حاکي از موفقيت استفاده از بادبندها براي ارتقاي رفتار سازه هاي بتن مسلح است .علاوه بر آن استفاده از بادبندهاي فولادي پس کشيده توسط ميراندا و برترو در 1990 به منظور ارتقاي پاسخ ساختمانهاي مدارس کم ارتفاع در مکزيک مورد بررسي قرار گرفته است.
مارسي و گل در 1996 روي يک سازه ساختماني دال ستون که با مقياس يک سوم ، دو دهانه ، دو طبقه قاب بتن مسلح ساخته شده بود آزمايش کردند .آنها اين آزمايش را در 2 مرحله با بادبندهاي فولادي برون محور و هم محور آزمايش کردند و آنها را با قاب بتني اصلي مقايسه کردند .شکل 9 قاب نمونه مهاربندي نشده را نشان ميدهد .شکل10 با مقايسه منحنيهاي هيسترزيس قاب مقاوم سازي نشده و مقاوم سازي شده نشان دهنده افزايش مقاومت ، سختي و استهلاک انرژي ناشي از مقاوم سازي است.اين آزمايش براي هر دو نمونه مقاوم سازي شده درست بود .مخصوصا نتايج بعد از اتصال بتن و بادبند نشان داد که قاب رفتاري بسيار شکل پذير دارد. به طوريکه در 15 چرخه بارگذاري بدون شکست باقي ماند. جداسازي لرزه اي : اخيرا ، شمار زيادي از محققان روي جداسازي لرزه اي بعنوان روشي براي مقاوم سازي تحقيقاتي انجام داده اند. هدف اين نوع از مقاوم سازي ، جدا کردن سازه از زمين در طول حرکت زمين هنگام وقوع زلزله است .محل قرارگيري بين روبنا و فونداسيون آن است .بدليل خصوصيات عالي استهلاک انرژي اين روش بهترين براي ساختمان با ارتفاع کم و بار زياد است. استهلاک انرژي اضافي متداولترين روش براي زياد کردن استهلاک انرژي يک سازه شامل قرار دادن ميراگرهاي اصطکاکي ، ويسکوالاستيک و هيسترزيس بعنوان مولفه هاي مهاربندي قابها مي باشد .تعدادي از محققان مطالعاتي بر روي استهلاک انرژي اضافي داشته اند .از طرف ديگر FEMA 356 در مورد بعضي جنبه هاي منفي اين روش صحبت مي کند. هنگاميکه تغيير مکانهاي جانبي در اثر استفاده از استهلاک انرژي اضافي کاهش پيدا مي کنند نيروها در سازه افزايش مي يابد. مقاوم سازي سطح عضو: مقاوم سازي سطح عضو مي تواند با استراتژي موثرتري نسبت به مقاوم سازي سطح سازه انجام شود .زيرا اعضايي که نياز به افزايش عملکرد لرزه اي آنها در سازه وجود دارد انتخاب شده و مقاوم سازي ميشوند . مقاوم سازي سطح عضو شامل اضافه کردن بتن ، فولاد يا الياف پليمري مرکب براي استفاده در ستونها و اتصالات بتن مسلح مي باشد.مخصوصا در سازه هاي دال تخت اگر دال براي اثرات ترکيبي بارهاي جانبي و ثقلي طراحي نشده باشد شکست ناشي از برش پانچ اتفاق مي افتد.پس مقاوم سازي محلي کارايي بسيار مهمي در اتصالات ستون به دال دارد .اخيرا تحقيقاتي در رابطه با مقاوم سازي سطح عضو در آمريکا در مورد ستونها ، اتصالات تير به ستون و اتصالات دال به ستون انجام شده است. زره پوش کردن ستون: مقاوم سازي ستون امري حياتي براي عملکرد لرزه اي سازه محسوب مي شود .براي جلوگيري از سازوکار طبقه در طول زلزله ، ستون ها نبايد ضعيفترين اعضاي يک سازه ساختماني باشند .پاسخ ستون در يک سازه ساختماني توسط ترکيب نيروي محوري ، خمشي و برشي کنترل ميشود .بنابراين زره پوش کردن ستون مي تواند براي افزايش مقاومت برشي و خمشي ستون استفاده شود تا ستون آسيب نبيند .اخيرا تحقيقاتي با تکيه بر کاربرد کامپوزيتها انجام شده است .بويژه مصالح الياف پليمري مرکب براي مقاوم سازي ستون استفاده مي شود. اگر زره پوش ها بطور موثر ستون را محصور کنند از شکست ستون در ناحيه مفصل پلاستيک جلوگيري مي شود. مقاوم سازي اتصالات دال به ستون: در اتصالات دال به ستون شکست برش پانچ ناشي از انتقال لنگرهاي نامتعادل بحراني ترين نوع از آسيب سازه اي است . مقاوم سازي اتصالات دال به ستون به منظور جلوگيري از شکستهاي ناشي از برش سودمند است و تحقيقات زيادي در رابطه با مقاوم سازي اتصالات دال به ستون انجام شده که شامل اضافه کردن بتن به سرستون يا صفحات فولادي به دو قسمت دال است که مي تواند از شکست هاي ناشي از برش پانچ جلوگيري کند .هر دو راه حل نشان دهنده افزايش مقاومت دور تا دور سطح برش پانچ ميباشد .جزييات اين روش در شکل12 نشان داده شده است. ساخت خانه هاي متحرک يکي از متدهاي پيشرفته در امر مقاوم سازي در برابر زلزله است از اين روش در ساخت ساختمان ها، آپارتمان ها، کارخانه ها و ساختمانهاي مراکز تجاري استفاده مي شود. اين روش بسيار کم خرج است و در مناطقي که از نظر مقاومت در مقابل زلزله از سطح پاييني برخوردارند و در نواحي زلزله خيز سراسر جهان واقع شده اند بسيار مناسب و مقرون به صرفه مي باشد بدين ترتيب تمامي اصول ساختمان سازي به سمت ساختمان سازي مکانيکي متحول مي شود. اين ساختمان ها در برابر تمامي بلاياي طبيعي از قبيل سيل، آتشفشان، رانش زمين و همچنين در مقابل زلزله هاي خطرناک و مهيب و حملات تروريستي هم مقاوم مي باشد. اين طريقه مقاوم سازي که شيوه مهندسي ساختماني "هاپکن" نام دارد نوعي مهندسي مکانيکي است که مديريت و ابداع و سنجش تکنيکي آن را فردي به نام هاپکن به انجام رسانيده است. وي تا کنون چندين مورد از ماشين آلات مکانيکي را طراحي کرده و در اين زمينه چند ابداع نوين داشته است. وي طي مطالعاتش در دانشگاه فني ومهندسي هلند انيشه ساخت سيستم ساختمان ساري خانه هاي متحرک به فکرش خطور کرد. چندين سال بعد وي ايده اش را در اين خصوص تکميل کرد. ديوار هاي اين خانه از بتون درست شده است و بوسيله ميله هاي فلزي کششي عمودي کاملا فشرده مي شوند. بدين ترتيب بدليل استفاده از مواد جامد فشرده و سنگين نيرو وارده به اجزاي پاييني ساختمان بسيار افزايش مي يابد. الببه بايد گفت که ديوارهاي هر طبقه بصورت کنترل شده ايي به آن فشار وارد مي شود و ميزان فشار وارده در تمامي طبقات يکسان است. علاوه بر يک ميله عمود در هر طبقه از 3 ميله افقي هم استفاده مي شود. در اين ساختمان ها از مصالحي استفاده مي شود که کار گذاردن آنها به آساني صورت مي گيرد که به موجب آن ديوار هاي ساختمان با بکار بردن ميله هاي کششي محکم و مقاوم مي شوند. از دو گونه مصالح در ساختن ساختمان ها استفاده کرد: بلوک هاي سيماني که در بسياري از ساختمان ها در سراسر دنيا از آن استفاده مي شود. با اندازه هاي lxwxh=400x200x200 mm, که در هر يک از آنها دو سوراخ وجود دارد. اين نوع بسيار ارزان قيمت است و در آن فقط از ميزان کمي ملات(گل و آهک) استفاده مي شود. پس از اينکه مصالح ساختماني تهيه شد، کار ساخت آن شروع مي شود. اين ساختمان مي تواند طوري ساخته شود که در آن اصلا از ملات استفاده نشود. ديوار ها فقط از طريق همان ميله هاي کششي به اندازه کافي محکم و مقاوم مي شوند. بدين ترتيب سوار کردن ديوارها بر روي ساختمان، تغيير شکل ظاهري آنها و جابجا کردن آنها بسيار آسان مي شود.