مقاله تحلیلی: قاب‌ های بتنی غیر شکل‌ پذیر

زمین‌لرزه نورتریج در ساعات اولیه صبح 17 ژانویه 1994 بیشتر مناطق ایالت لس‌آنجلس را لرزاند. این زمین‌لرزه حدود 60 کشته، بیش از 9000 زخمی و 20 میلیارد دلار خسارت بر جای گذاشت. مقدار این لرزش قابل‌توجه که در منطقه وسیعی احساس شد، در بسیاری از مناطق از مقادیر آیین‌نامه‌ای طراحی فراتر رفت. به لحاظ آماری، بیشترین آسیب به ساکنین ساختمان‌هایی با قاب چوبی وارد آمد، اما بیش از 200 ساختمان بتنی نیز دچار خسارت شدند. زمین‌لرزه نورتریج اولین آزمایش بزرگ ساختمان‌های بتنی قبل از سال 1980 و ساختمان‌های پس از 1980 بود. ساختمان‌های بعد از سال 1980 با استفاده از آیین‌نامه بروز شده بعد از زلزله 1971 سن فرناندو طراحی شده بودند. زمین‌لرزه 1971 سن فرناندو، نقایص آیین‌نامه ساختمان‌ها مخصوصاً ساختمان‌های بتنی آن زمان را به‌خوبی نشان داد. فروریزش مرکز درمانی Olive View و بیمارستان Veterans Administration که بر اثر زمین‌لرزه سن فرناندو، مثال‌های معروفی از خطر ساختمان‌های بتنی غیرشکل‌پذیر (NDC) هستند. بسیاری از ساختمان‌های NDC در زمین‌لرزه نورتریج نیز فروریختند یا آسیب جدی دیدند. از میان آن‌ها می‌توان به ساختمان اداری Kaiser Permanente (شکل 1) و بیمارستان Saint John اشاره کرد. در این مقاله به ضوابط آیین‌نامه‌ای سازه‌های بتنی، عملکرد قاب‌های بتنی شکل ناپذیر در زلزله نورتریج، تغییرات اعمال شده در آیین‌نامه و قوانین مقاوم‌سازی برای سازه‌های بتنی غیرشکل‌پذیر موجود، پرداخته شده است.

تاریخچه آیین‌نامه لرزه‌ای

آیین‌نامه‌های لرزه‌ای ساختمان‌ها پیوسته در حال تحول هستند. این تحول بر پایه اطلاعات جدید به دست آمده از تحقیقات و مشاهده عملکرد ساختمان‌ها حین زلزله انجام می‌شود. زمین‌لرزه بزرگ 1906 سانفرانسیسکو باعث شد لحاظ کردن بار طراحی زمین‌لرزه برای ساختمان‌ها الزامی شود. در جولای 1956 کمیته لرزه‌شناسی SEAOC نخستین ویرایش از کتاب آبی (Blue Book) را منتشر کرد. عنوان این کتاب الزامات پیشنهادی بار طراحی بود. این کتاب، اولین آیین‌نامه‌ای بود که رابطه بین تقاضای لرزه‌ای، پریود ساختمان و شکل‌پذیری سیستم مقاوم جانبی را رسمیت بخشید. بکار گیری ضریب K کوچک‌تر برای مقاومت جانبی ِقاب‌های خمشی نسبت به دیوارهای باربر ارجحیت داده شد. می‌توان بین این ضریب و ضریب R موجود در ASCE 7 رابطه عکس در نظر گرفت.

در همین حین، محققان و دست‌اندرکاران پی به اهمیت رفتار شکل‌پذیر بردند و شروع به آزمایش و تعیین روش‌های کمی در سازه‌های بتنی کردند. در سال 1961 Blume، Newmark و Corning کتاب ساختمان‌های بتن مسلح برای تحرکات لرزه‌ای (Reinforced Concrete Buildings for Earthquake Motions) را منتشر کردند. این کتاب به معرفی روش‌های طراحی و اصول میلگرد گذاری برای اطمینان از رفتار شکل‌پذیر سازه پرداخت که از میان آن‌ها می‌توان به بیشترین درصد فولاد مجاز، استفاده از تنگ‌های بسته در تیرها و ستون‌ها، استفاده از میلگردهای پیوسته در بالا و پایین برای بازگشت تنش اشاره کرد. متأسفانه، مفهوم قاب خمشی شکل‌پذیر تا سال 1967 طول کشید تا راه خود را به آیین‌نامه UBC باز کند. بااین‌حال استفاده از قاب‌های شکل‌پذیر فقط برای ساختمان‌هایی با ارتفاع بیش از 160 فوت الزامی شد. این ضوابط مستلزم خاموت گذاری بافاصله کمتر در تیرها و ستون‌ها و آرماتور ویژه عرضی در مفصل‌ها بود.

زمین‌لرزه سان فرناندو این انگیزه را ایجاد کرد که الزامات آیین‌نامه به‌روزرسانی و از رفتار شکل‌پذیر سازه‌های بتنی اطمینان حاصل شود، آیین‌نامه UBC 1976 اولین آیین‌نامه‌ای بود که مانند آیین‌نامه‌های امروزی مقاومت لرزه‌ای ساختمان‌های بتنی را موردتوجه قرار داد.

متداول‌ترین نقایص موجود در ساختمان‌های NDC از این قرار است:

1. خاموت های تیر و ستون بافاصله از هم اجرا شده‌اند که باعث شکست برشی و عدم محصورشدگی هسته می‌شوند.
2. استفاده از خم 90 درجه در خاموت های بسته بجای استفاده از قلاب‌های 135 درجه.
3. فقدان میلگرد گذاری برشی اتصال.
4. کمبود طول همپوشانی و قرار دادن آن‌ها در نواحی تحت تنش خمشی زیاد.
5. ستون ضعیف - تیر قوی.
6. برش پانچ ستون به سقف.
7. نامنظمی‌های موجود در پلان و در ارتفاع که منجر به پیچش یا طبقات نرم و سخت می‌شود.

آسیب‌های وارده به ساختمان‌های با قاب بتنی

آسیب وارده بر ساختمان‌های بتنی قبل از 1980 بر اثر زلزله نورتریج قابل‌توجه بود اما حیرت‌انگیز نبود. به‌طورکلی، ساختمان‌های دارای دیوار برشی قبل از 1980 اهداف عملکردی ایمنی جانی و آستانه فروریزش را رد کرده بودند.

برج Sherman Oaks یک ساختمان 12 طبقه بود که بر اساس آیین‌نامه 1964 لس‌آنجلس طراحی شده بود. این سازه دارای دال مسطح در کف و دیوار برشی بتنی نسبتاً متقارن در محیط ساختمان و اطراف آسانسور بود. آسیب اولیه به دلیل شکست المان مرزی دیوار برشی به وجود آمده بود که علت آن فقدان میلگرد گذاری محصورکننده بود. این ساختمان برچسب زرد گرفت اما تاوَن تعمیر شد، به ترک‌ها اپوکسی تزریق شد و در محل شکست المان‌های مرزی دیوار، تسمه‌های فلزی نصب شد.

ساختمان‌های قبل از سال 1980 به‌طورمعمول وضعیت بدتری نسبت به دیوار برشی‌های متناظر خود داشتند. Holiday Inn در Van Nuys یک سازه بتنی هفت طبقه بود که در سال 1966 ساخته شده بود.

 قاب آن شامل ستون‌های خارجی لچکی دار (column-spandrels) و دال‌های داخلی صاف بود. این سازه کمترین آسیب سازه را در اثر زلزله سان فرناندو دید و با تزریق اپوکسی و تعمیرات سطحی ترمیم شد. همین ساختمان بر اثر واقعه نورتریج برچسب قرمز گرفت و به دلیل ترس از فروریزش نیاز به سازه نگهبان موقت پیدا کرد. عمده آسیب آن بر اثر شکست برشی ستون زیر سقف پنجم به دلیل فقدان خاموت (شکل 2) ایجاد شده بود که منجر به پوسته‌پوسته‌شدن و کمانش میلگردهای طولی گردیده بود. این ساختمان بعداً با استفاده از دیوارهای بتنی بهسازی شد.

برج Champaign یک ساختمان 15 طبقه بتنی در سانتا مونیکا است که آسیب شدیدی به ستون‌های محیطی آن وارد آمد که علت آن جان‌پناه‌های بلند بالکن‌ها بود. این رفتار «ستون کوتاه» نتیجه تقاضای برشی زیادی است که ستون‌هایی با سختی بالا از خود نشان می‌دهند. تیرهای همبند موجود در دیوارهای برشی نیز در جهت قطری آسیب برشی شدیدی دیدند. در کمال تعجب، ستون‌های آسیب دیده هنوز قادر به تحمل بارهای گرانشی بودند.

بیمارستان Saint John یکی دیگر از ساختمان‌های سانتا مونیکا است که خود از چندین ساختمان تشکیل و بین سال‌های 1942 تا 1966 ساخته شده است. این ساختمان نیز آسیب دید. جناح اصلی و جناح شمالی آن برچسب زرد گرفتند اما جناح شمالی برچسب قرمز گرفت و تخریب شد. سیستم جانبی جناح شمالی شامل دیوارهای بتنی سوراخ‌دار بود. ترک برشی قابل‌توجهی در ستون‌ها و لچکی‌های طبقه دوم رخ داده بود. در این طبقه دیوارهای کمتری نسبت به طبقه بالا وجود داشت که منجر به طبقه نسبتاً نرم شده بود. بعلاوه، ستون‌هایی که در برخی نقاط نسبتاً کوتاه بودند پدیده «ستون کوتاه» ایجاد کرده بودند. ستون‌های بلندتر در طبقه دوم ترک برشی نداشتند.

بیشترین آسیب وارده به ستون‌ها و فروریزش ها، بر اثر طراحی ستون صرفاً بر اساس بارهای گرانشی بود و تطبیق سازه با جابجایی زمین در حین زلزله در نظر گرفته نشده بود.

درنتیجه، خرابی‌های ناشی از برش رخ داد. همچنین چون محصورشدگی مناسب برای میلگرد طولی تأمین نشده بود، ظرفیت تحمل بار گرانشی از بین رفت. به‌طور مشابه، قاب ساختمان‌هایی که در آن‌ها از دال مسطح استفاده شده بود آسیب دید، چراکه این دال‌ها برای مقابله با جابجایی‌های بزرگ طراحی نشده بودند و درنتیجه تقاضای برشی در محل ستون به آن‌ها اعمال شده بود. ساختمانی با دال تخت و قاب خمشی محیطی در منطقه Sherman Oaks یکی از این ساختمان‌هاست. آسیب وارده به دال‌ها، شامل پوسته‌شدن و ترک بتن است که در بالا و پایین محل ستون‌ها و پیرامون کتیبه ستون مشاهده شد. به این ساختمان برچسب قرمز زده شد. تعدادی خرابی مشابه نیز در ساختمان‌های مسکونی با گاراژ بتنی و سازه چوبی در بالا مشاهده شد.

در چند ساختمان و پارکینگ فروریزش ناقص و کامل مشاهده شد که به‌عنوان‌مثال می‌توان به ساختمان اداری Kaiser Permanente (شکل 1) در نورتریج و دو گاراژ در Northridge Fashion Center اشاره کرد. علت فروریزش Kaiser، محصورشدگی کم در ستون‌ها و عدم اتصال کافی دیوار برشی‌های شاتکریت شده (بتن پاشیده شده) به قاب بود. پارکینگ نورتریج سازه‌ای نسبتاً جدید داشت (حدود 1988) که از T های برعکس و دوبل ساخته شده بود. علت شکست، حرکات بزرگ دیاگرام بود که باعث شکست ستون‌های گرانشی فاقد محصورشدگی مناسب گردیده بود. بعلاوه، جابجایی‌های خروج از صفحه بزرگ که در قاب محیطی رخ داده بود باعث شده بود تیر پیش‌ساخته جدا شود. شکست در کلکتورها نیز در دال بالایی عرشه‌های پیش‌تنیده در مجاورت دیوارهای برشی دیده شد.

به‌طورکلی، ساختمان‌های بعد از 1980 و ساختمان‌های مقاوم‌سازی شده به‌جز چند مورد استثنا رفتاری قابل‌انتظار داشتند. یک فروشگاه در Topanga Plaza که اوایل دهه 1960 ساخته شده بود در سال 1989 با استفاده از دیوارهای شاتکریت مقاوم‌سازی شده بود. این دیوارها به دیوارهای موجود با بولت متصل شده بود تا نیروی لرزه‌ای محاسبه شده را انتقال دهد. دیوارهای جدید به‌منظور مقاومت در برابر بار لرزه‌ای به‌موازات دیوارهای موجود طراحی شده بودند. بیشتر آسیب در دیوارهای جدید رخ داد، در دیوارهای موجود لغزش رخ داد که سبب شکست برشی در پایه و انتقال بیشتر نیرو به دیوارهای جدید شد. بعلاوه، بسیاری از ترک‌ها در دیوارهای جدید در جهت صفحات افقی رخ داده بود که احتمالاً به دلیل انقباض دیوارهای شاتکریت و عدم توزیع بار گرانشی روی دیوارهای جدید اتفاق افتاده بود.

پیشنهاد‌های بعد از زمین‌لرزه 

در پی وقوع زلزله، تحقیقات و مطالعات قابل‌توجهی توسط مهندسین سازه انجام شد که منجر به توصیه‌های متعددی برای بهبود عملکرد ساختمان‌های بتنی گردید. UBC هر سه سال منتشر می‌شد و معمولاً تغییرات موقتی در آن ایجاد می‌شد، در UBC 1996 چندین تغییر که مستقیماً با مشاهدات زلزله نورتریج در ارتباط بودند، ایجاد شد.

1. ضریب کاهش مقاومت برای آرماتورهای لبه دیافراگم و کلکتورها در دال‌های بالایی روی اعضای بتنی پیش‌ساخته از 0.7 به 0.6 کاهش یافت.
2. حداقل ضخامت دال بالایی که روی المان‌های سقف و کف پیش‌تنیده قرار داشت از 2.5 اینچ به 3 اینچ یا 6 برابر قطر بزرگ‌ترین میلگرد دال افزایش یافت.
3. رعایت الزامات میلگردهای عرضی و حدود فواصل برای آرماتور لبه و کلکتورها در نواحی همپوشانی و لنگرگاه الزامی شد.
4. تعریف تیرهای همبند ارائه شد که شامل تمام تیرهای متصل به دیوار بدون در نظر گرفتن نسبت دهانه به عمق می‌شود. بعلاوه، یک حد مقاومت برشی معادل 10√f’c افزوده شد مشروط به اینکه میلگردهای طولی توسط میلگردهای عرضی محصور شده باشند.
5. اجازه استفاده از مقادیر کوچک‌تر از آرماتورها در اعضای فشاری با مقطع عرضی بزرگ‌تر از مقدار لازم، برای بارگذاری در مناطق لرزه‌ای 3 و 4 حذف گردید.
6. الزامات سخت‌گیرانه‌تری برای اعضایی از قاب که جزئی از سیستم جانبی نیستند اعمال گردید. فواصل خاموت ها برای اعضایی که لنگر و برش آن‌ها از مقاومت خمشی و برشی طراحی عضو افزایش نمی‌یافت کمتر شد. به‌علاوه، زمانی که بار محوری در آن اعضا از 30 درصد مقاومت محوری طراحی بیشتر شود، آن اعضا باید بر اساس قوانین اعضای قاب جانبی میلگرد گذاری شوند.

وضعیت فعلی

استانداردهای امروزی مانند ASCE 7، حداقل بارهای طراحی برای ساختمان‌ها و سایر سازه‌ها، ACI318 و الزامات آیین‌نامه‌ای ساختمان‌ها برای سازه‌های بتنی شامل الزاماتی برای طراحی سازه‌های بتنی جهت مقاومت در برابر زلزله هستند. اطلاعات ارائه شده نشان‌دهنده دانش گسترده‌ای است که از مشاهدات انجام شده بعد از زلزله‌ها و تحقیقات تئوری و آزمایشگاهی دانشگاه‌ها به دست آمده است. بااین‌حال هنوز هم هزاران ساختمان NDC پیش از 1980 در مناطقی با خطر لرزه‌ای بالا در آمریکا و خارج از آن وجود دارد. کمسیون ایمنی لرزه‌ای کالیفرنیا تخمین زده که 40000 از این ساختمان‌ها در کالیفرنیا وجود دارد. کمیته ساختمان‌های موجود SEAONC با همکاری EpiCenter به‌تازگی فهرستی بر اساس نقشه‌های Sanborn برای شهر سانفرانسیسکو تکمیل کرده است. طبق این فهرست 3400 ساختمان بتنی ساخته شده پیش از سال 1980 وجود دارد که تخمین Concrete Coalition را نیز تائید می‌کند. خطر این ساختمان‌ها به‌طور دقیق اندازه‌گیری نشده و با توجه به متغیر بودن شکل ساختمان‌ها، نوع سیستم‌ها و فقدان نقشه‌ها این کار مشکل است. در حال حاضر علم طراحی و مقاوم‌سازی ساختمان‌های بتنی وجود دارد. خوشبختانه، این دسته از ساختمان‌های NDC از لحاظ اقتصادی قابلیت بهسازی پیش از زلزله‌های بعدی را دارند.

 منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

 اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.