مقاله تحلیلی : مقاوم سازی و تقویت سازه های تاریخی بنایی: مصالح کاربردی

مقدمه

سازه‌های تاریخی بنایی (MHS = Masonry heritage structures) شامل گستره وسیعی از ساختمان‌ها ازحیث زمانی، از قبل تاریخ تاکنون می‌شوند که به دلیل ارزش آن‌ها در زمینه‌هایی چون باستان‌شناسی، زیبایی‌شناسی، نمادین بودن، اجتماعی، فرهنگی، علمی/ تکنولوژی و اقتصادی گنجینه‌ای ارزشمند از تمدن بشریت محسوب می‌شوند. حفظ و بقای این سازه‌ها ازلحاظ معنوی، احساسی و رفاه اقتصادی بشریت ضروری است. در فرآیند حفاظت از این سازه‌ها دو موضوع قابل‌تأمل و نگران‌کننده وجود دارد: یکی ادامه بقای سازه و دیگری حفظ آن‌ها در مقابل ریزش ناشی از زمین‌لرزه در مناطق زلزله‌خیز و یا دیگر بلایای طبیعی و یا انسانی است، چراکه این سازه‌ها تحت اثرات زیست‌محیطی به مرور زمان فرسوده شده‌اند. فروپاشی و ریزش این سازه‌ها را عمدتاً می‌توان ناشی از نامناسب بودن سیستم سازه‌ای بنایی و تاریخی آن‌ها دانست که نمی‌تواند بارهای افقی را به‌خوبی تحمل کند.

سازه‌های بنایی تاریخی گستره وسیعی از گونه‌های مختلف را در برمی‌گیرد که دلیل آن تفاوت در مصالح، تکنیک‌های ساخت‌وساز، شکل، نوع تقویت و عملکرد آن‌ها است. این عوامل باعث می‌شود تا مطالعات این سازه‌ها از حیث زمان و هزینه دشوار باشد.

علاوه بر این در اسناد و مدارک و منشورهای جهانی و بین‌المللی توصیه‌شده است که از مداخله در سطح گسترده کاسته شود تا تعادل بین حفظ ویژگی‌های برجسته سازه و اقدامات تقویتی حفظ شود.

مشکلاتی که در رابطه با این سازه‌های تاریخی بنایی وجود دارد و همچنین برخی از شکست‌های غیرمنتظره در طی سال‌های گذشته که پس از مقاوم‌سازی رخ می‌دهند، منجر به اتخاذ روش گام‌به‌گام برای مقاوم‌سازی شد که این روش موسوم به تکنیک مشاهده است. در این روش سازگاری میان مصالح قدیمی و مصالح جدید و همچنین تکنیک‌هایی که استفاده می‌شود، بهتر صورت می‌گیرد.

آگاهی جامعه در خصوص حفاظت از سازه‌های تاریخی در سطح جهان افزایش یافته است، به این دلیل که شناخت ارزش‌های مرتبط با تمدن نبوغ بشریت و جنبه اقتصادی که مربوط به گردشگری فرهنگی است، بالاتر رفته است.

ارزش یک سازه و یا منطقه‌ای تاریخی، پس از مقاوم‌سازی افزایش می‌یابد؛ بنابراین، سیاست‌های استراتژیک در جهت حفاظت از ساختمان‌های تاریخی تدوین شده‌اند. این سیاست‌ها عبارت‌اند از: جلوگیری از اقدامات مقاوم‌سازی لرزه‌ای و ایجاد تنظیماتی برای قاب‌ها و ایجاد سیستم مدیریت. پیشرفت‌های فناوری در این زمینه سبب تقویت بازار به‌واسطه مصالح و روش‌های جدید در مقابله با خطرات لرزه‌ای شده است.

سازه‌های تاریخی بنایی

سازه ساختمان‌های تاریخی بنایی از اجزا و مصالح بنایی تشکیل‌شده که بارهای افقی و عمودی را تحمل می‌کنند. در اغلب موارد پیوستگی سازه با فعل‌وانفعالات لرزه‌ای به‌صورت مناسبی نیست. علاوه بر این، سیستم‌های کف و شکل بام‌ها (قوسی، گنبدی و طاق چشمه‌ای) همواره پیوستگی لازم را ندارند.

 این ویژگی‌ها و همچنین شکل بنایی سازه‌ها (یک، دو و یا سه ردیف آجر و یا دیگر مصالح بنایی)، واکنش آن‌ها تحت بارگذاری (یکنواخت و یا دایره‌ای) و نوع شکست در این سازه‌ها را مشخص می‌کند.

انتخاب یک مدل تحلیلی مناسب و قابل‌اعتماد برای مطالعه و ارزیابی ظرفیت لرزه‌ای سازه بنایی مستلزم شناخت کامل ویژگی‌ها و رفتار سازه و همچنین میزان تخریب آن است.

این شناخت از طریق بازدید و بررسی سازه‌های تاریخی بنایی و اندازه‌گیری فاکتورهای غیر مخرب و دیگر ابزارهای تشخیصی برای تجزیه‌وتحلیل در آزمایشگاه حاصل می‌شود. سازه‌های بنایی، ساختمان‌هایی ترکیبی هستند که سه جنبه متفاوت و مجزا را در برمی‌گیرند: نوع مصالح، ملات ساروج و میزان سطح مشترک ملات ساروج. مورد آخر کم اثر ترین عامل بر رفتار یک سازه بنایی تحت تأثیر بارهای افقی است.

مصالح ممکن است قطعات سنگی شکل داده شده و یا قطعه سنگ‌هایی با برش‌های نامنظم و همچنین آجرهای خشتی و بلوک‌های ساخته‌شده از خاک و آجرهای پخته‌شده و یا ترکیبی از این موارد باشند. دوره‌های متوالی استفاده از آجرها را اغلب می‌توان در دیوارهای شهرها به‌عنوان مصالح بنایی سنگی مشاهده کرد. در اسکله‌های بزرگ و یا دیواره‌های برج‌ها، استفاده از مصالح سنگی در ابعاد بزرگ (قلوه‌سنگ/ پاره‌آجر) و یا حتی در ملات به‌عنوان ماده پرکننده رایج بوده است.

ترکیبات ملات به‌طور عمده بر اساس ترکیبات آهکی است که به مشخصات آن در ادامه اشاره می‌شود:

• چگالی / غلظت ویژه ظاهری: 7/1 – 4/1
•  تخلخل بالا: 40% - 20%
• مقاومت کم: 5 – 1 مگا پاسکال
• مدول الاستیسیته کم: 6 – 2 گیگا پاسکال
• تغییر شکل بالا

بزرگ‌ترین بعد ریزدانه‌ها در این ترکیب حدود 4 یا 8 میلی‌متر است. برای اتصال بلوک‌های ساخته‌شده از خاک در معماری بومی اغلب از ملات گِلی استفاده می‌شده است.

ظرفیت مقاومت سازه‌های بنایی به مقاومت اجزای آن و نسبت واحد حجم در واحد جرم طبق استاندارد 6 اروپا (1995) بستگی دارد. در کتاب‌ها و مجلات، معادلاتی مرتبط با ضخامت ملات برای پیش‌بینی و تخمین مقاومت سازه بنایی ارائه شده است. علاوه بر این، مقاومت ملات در درجه اول تحت تأثیر نوع سیستمی است که باعث چسبندگی می‌شود.

به‌غیراز اثرات اجزای ساختمان بنایی بر مقاومت سازه، نوع بنا و مورفولوژی (علم زیبایی‌ای شناسی مربوط به شکل اجسام) آن نقش مهمی در مکانیسم شکست ایفا می‌کنند. برای مثال در دیوارهای بنایی که در سه ردیف هستند، اغلب شاهد این هستیم که ردیف‌ها از هم جدا شده‌اند. علاوه بر این، اگر ملات ضعیف شده باشد شکست برشی و یا کششی به‌سادگی اتفاق می‌افتد.

در جدول شماره یک برخی از ویژگی‌های مشترک اجزا در یک بنای تاریخی ارائه شده است تا بتوان آن‌ها را با مصالح جدید در ساخت‌وساز مقایسه کرد. ساختار ترکیبی آجر و ملات در یک سازه تاریخی در شکل شماره یک نشان داده شده است. 

برای درک رفتار یک سازه بنایی، ویژگی‌هایی چون فشار و تنش – کرنش در سایت با استفاده از روش آزمون غیر مخرب (Nondestructive Test Method = NDT) اندازه‌گیری می‌شود. بیشترین استفاده ازاین‌روش (NDT) در اندازه‌گیری صوتی و اندازه‌گیری دما است.

علاوه بر این، نظارت و بررسی طولانی مدت از طریق ایجاد یک سیستم مناسب برای تخمین تنش‌های موجود ضروری است. همچنین تعیین مشخصات مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی مصالح از طریق روش‌های آزمایشگاهی در آزمایشگاه، این امکان را می‌دهد تا مقاومت باقیمانده و الاستیسیته سازه بنایی ارزیابی شود و همین‌طور پوسیدگی‌ها و درجات تخریب مشخص شود. فرآیند مطالعه جامع سازه‌های تاریخی ضروری است چراکه غیر از ترک، نرم شدن سازه بنایی ممکن است به دلایلی همچون قدمت زیاد سازه و یا حملات شیمیایی (حمله سولفات‌ها) اتفاق بیفتد. این اتفاقات منجر به کاهش قابل‌توجه مقاومت کششی و فشاری در سازه بنایی می‌شود. برای مثال مقاومت یک آجر گِلی (خشت) به‌شدت تحت تأثیر میزان رطوبت است. اثرات تخریب روی ملات و آجر در جدول شماره دو نشان داده شده است.

پس‌ازآن، یک مدل تحلیلی برای سازه‌های بنایی به‌منظور بررسی واکنش سازه در حالات مختلف بارگذاری، تهیه شد. نوع بارهای اعمال‌شده، میزان مقاومت و خاصیت ارتجاعی قطعات سازه بنایی، میزان سفتی و عوامل ایمنی باید به‌صورت قطعی برای تخمین میزان مقاوم‌سازی و اقداماتی در جهت مرمت اثر مشخص شوند. به دلیل این‌که تنظیمات و چهارچوب مناسبی برای قاب‌ها وجود ندارد و همچنین این‌که هر بنای تاریخی به مطالعات ویژه‌ای نیاز دارد، این کار با مسئولیت سنگینی همراه است (Penelis 1996).

مسائل مربوط به سازگاری

با توجه به فعالیت‌های پژوهشی آزمایشگاهی و تحلیلی (THomasen 2003)، واضح است که ظرفیت لرزه‌ای سازه بنایی، اصولاً بسیار ناچیز است و نیاز است اقدامات تقویتی در جهت ضد زلزله شدن آن‌ها انجام شود. علاوه بر این، در اغلب موارد مصالح سازه‌های تاریخی بنایی دچار فروپاشی و تحلیل می‌شوند. بنابراین نیاز است تا اقداماتی از قبیل تحکیم و تثبیت مصالح قبل از هرگونه عمل مقاوم‌سازی دیگر انجام شوند.

معضلی که در این راستا با آن روبرو هستیم، این است که میزان مقاوم‌سازی به نحو مناسب در یک بنای تاریخی چقدر باشد تا کاملاً مطابق با استانداردهای لرزه‌ای جدید نباشد. اسنادی که به‌صورت جهانی پذیرفته شده‌اند مانند: Venice Charter 1964 – ICOMOS – Burras Chater 1981,1988 – Narra Document On Authencity 1994 همگی به لزوم حفظ ارزش خصوصیات بنای تاریخی همچون طرح معماری، مصالح و زیبایی آن اشاره می‌کنند. پیشنهادی که در این راستا ارائه می‌شود، این است که در مقاوم‌سازی، سازگاری مصالح و روش‌های ساخت سنتی در این اقدامات رعایت شود.

بسیاری از نمونه‌های نامناسب که بتن در بناهای تاریخی به‌عنوان ماده مرمت کننده استفاده شده است را می‌توان مشاهده کرد.

اثرات مخرب استفاده از مصالح ناسازگار در مرمت آثار تاریخی مرتبط به دلیل خصوصیات فیزیکی متفاوت مصالح قدیمی و مصالح جدید است. مصالح جدید که ممکن است اساس آن‌ها سیمان باشد و یا مصالح پلیمری که مانع نفوذ و یا گسترش رطوبت می‌شوند به این دلیل که تخلخل این مصالح در مقایسه با ملات های قدیمی بسیار کم است.

علاوه بر این، مصالح ذکرشده که برای مرمت به کار می‌روند به دلیل این‌که الاستیسیته متفاوتی نسبت به مصالح قدیمی دارند، درنتیجه تحت بارهای مکانیکی و یا حرارتی تغییر شکل متفاوتی نیز خواهند داشت.

بااین‌حال، در مورد ساختمان‌های تاریخی بنایی که در مناطق زلزله‌خیز قرار دارند، ایمنی ساکنین در اولویت اول قرار دارد. بنابراین روش مقاوم‌سازی که انتخاب می‌شود درعین‌حال که باید تخصصی و مقرون‌به‌صرفه باشد، باید با کمترین دخالت همراه باشد. (Tassios and Mamillan)

همگنی و پیوستگی سازه بنایی قدیمی با مصالحی که برای تعمیر آن استفاده شده اغلب همراه با روش‌های تقویتی و یا حتی بدون آن صورت می‌گیرد. لازم به ذکر است که چگونگی تطابق و سازگاری مصالح جدید و قدیم در شرایط فنی که مرتبط با طراحی است، توضیح داده می‌شود. مهم‌ترین ویژگی و یا معیاری که برای سازگاری به کار می‌رود عبارت‌اند از:

• خصوصیات مرتبط با سطح (رنگ، بافت، زبری)
• ترکیب (نوع عامل چسبندگی، دانه‌بندی)
• میزان مقاومت (کششی، فشاری)
• الاستیسیته (مدول الاستیسیته، تغییر شکل)
• تخلخل (سایز منافذ، مویینگی)
• ضریب انبساط کافی

این معیارها برای طراحی ملات (برای تعمیر سازه تاریخی) در سطح گسترده‌ای در یونان استفاده می‌شده است. این کار از سال 1990 آغاز و تاکنون ادامه دارد. این روش طی این سال‌های طولانی بسیار موفق عمل کرده و خود را به اثبات رسانده است.

نکته‌ای که در رابطه با عملکرد سازه‌های بنایی باید در نظر گرفته شود، این است که مصالحی که برای تعمیر به کار می‌روند، نباید موجب بر هم زدن تعادل طولانی مدت سازه و محیط اطراف آن و همچنین تغییر رفتار آن شوند.

بر اساس تجربیات کاری، به نظر می‌رسد که اتخاذ یک سیستم اتصال ترکیبی و همچنین مواد افزودنی مناسب، این امکان وجود دارد که مشخصات مصالحی که برای تعمیر به کار می‌روند به‌گونه‌ای انتخاب شوند که معیارهای سازگاری حاصل شوند.

مصالح و تکنیک‌های بازسازی و تقویت مصالح ساختمان‌های تاریخی بنایی

آگاهی رو به افزایش جامعه در خصوص حفاظت از ساختمان‌های تاریخی، سبب ترویج و گسترش استراتژی‌هایی شد که از مقاوم‌سازی لرزه‌ای جلوگیری می‌کنند. ترک و سایر خسارات وارده به بنا باید در درجه اول به‌منظور تأمین تداوم پایداری پیکره سازه بنایی انجام شود و پس‌ازآن دیگر اقدامات تقویتی انجام می‌شود. با این روش مقاومت ساختمان تاریخی بنایی در مقابل زلزله و همچنین پایداری آن در سطح جهان بهبود یافته است. البته پیش‌نیاز این کار، درک کاملی از رفتار ساختمان تاریخی بنایی است.

یک راه حل دیگر با مفهومی متفاوت برای مقابله با این مشکل، این است که اثرات لرزه‌ای روی سازه تاریخی از طریق استفاده از یک سیستم ایزولاسیون (BIS) همراه با عایقی چسبناک و مکمل در پایین و بالای ساختمان، کاهش یابد (Satio 2006). یک نمونه موفق ازاین‌روش، تالار شهر لس‌آنجلس است که سیستم فوق به‌گونه‌ای عمل می‌کند که ساختمان در زمان جابه‌جایی زمین پایداری خود را حفظ می‌کند و قادر است تا 500 میلی‌متر در جهت افقی جابه‌جا شود (Nabih 1993).

روش‌های مداخلات عملاً به مصالح و تکنیک‌ها اشاره دارند. این روش‌ها به دو دسته تقسیم می‌شوند: 1- روش‌های غیرقابل برگشت که در آن مصالح جدید درون پیکره سازه بنایی قرار می‌گیرند و دیگر قابل جدا شدن نیستند. 2- روش‌های قابل برگشت که در آن مصالح جدید می‌توانند در سطح بارهای محلی و یا نزدیکی آن‌ها فعال باشند و هم‌چنین می‌توانند جایگزین آن‌ها شوند.

۱- مداخلات غیرقابل برگشت

هدف از روش مداخلات غیرقابل برگشت، تحکیم پیکره سازه بنایی به‌خصوص در مواردی است که سازه دچار نرمی به دلیل تخریب شدید شده است. متداول‌ترین مداخلات غیرقابل برگشت عبارت‌اند از:

• تزریق گروت (گروت از آب، سیمان، ماسه و افزودنی‌های متداول دیگری تشکیل‌شده است. از گروت برای پر کردن فضاهای خالی و ترک‌های بزرگ استفاده می‌شود. ازاین‌رو کاربرد آن مشابه ملات است.)
• ملات های روان پرکننده
• بندکشی مجدد به‌صورت عمیق
• بازسازی قطعات بنایی از بین رفته
• پانچ میله‌های فولادی (فولاد ضدزنگ) در خصوص ترک‌ها

البته نقش این مداخلات مقاوم‌سازی است، اما اغلب از تکنیک‌های اضافه‌تری برای افزایش صلبیت دیافراگم و دستیابی به اتصال مناسب عناصر افقی و عمودی در سازه تاریخی بنایی استفاده می‌شود تا ظرفیت لرزه‌ای آن افزایش یابد.

درگذشته، پوشش ستون‌ها با بتن و اضافه کردن تیرهای بتنی در سطح گسترده‌ای استفاده می‌شده است. این روش‌ها را هم‌اکنون به‌عنوان مداخلات تهاجمی شناخته می‌شوند که سبب تغییر در عملکرد و خصوصیات سازه بنایی تاریخی می‌شوند. 

به‌طور مشابهی، از پوشش سطح باسیمان مسلح و یا شاتکریت شبکه‌ای از فولاد به‌طور گسترده‌ای برای مقاوم‌سازی استفاده می‌شده است.

در مداخلات غیرقابل برگشت، یک توافق اساسی بین اصول مرمت و مسائل ایمنی و دوام ساخت‌وساز همیشه مورد سؤال بوده است. همان‌طور که در اسناد نارا (Nara - 1994) اظهار شده است، حفظ اعتبار بناهای تاریخی، مصالح و معماری آن‌ها اهمیت زیادی دارد، به این دلیل که تمام ارزش‌های آثار تاریخی به‌واسطه مصالح آن‌ها به آیندگان منتقل خواهد شد. بااین‌حال، همان‌طور که در مباحث قبلی گفته شد، در مواردی که ساختمان‌های تاریخی مسکونی در مناطق شهری هستند، لازم است که این ساختمان‌ها به‌گونه‌ای حفاظت شوند که ایمنی افراد نیز تأمین شود. درهرصورت حفظ یک بنای تاریخی در مقایسه با تأمین امنیت ساکنین در اولویت دوم قرار دارد.

برای پر کردن ترک‌ها و شکاف‌ها، گروت ها و ملات ها را داخل آن‌ها به روش‌های متفاوتی تزریق می‌کنند، این کار سبب از بین رفتن فاصله ایجادشده بین آجر و ملات می‌شود و هم‌چنین ناهمگنی‌ها و نابرابری‌ها را در بنای تاریخی کاهش می‌دهد.

توصیه‌هایی در خصوص طراحی گروت ها و ملات ها در مجلات یافته شده است (Tomazevic 1992). جنبه‌های متفاوت در طراحی گروت و ملات برای تعمیر و مرمت سازه‌های تاریخی بنایی سبب شده تا اهمیت بالای حفظ بناهای تاریخی و تأمین پایداری آن‌ها، موضوع تحقیقاتی جالبی باشد.

در اکثر موارد ساختار خاصی که برای ملات / گروت در آثار تاریخی ارائه شده است، خصوصیات و آسیب‌شناسی ملات در آن لحاظ شده است. مخلوط گروت آماده و یا ملات معمولاً استفاده نمی‌شوند به این دلیل که اغلب آن‌ها با احتیاجات خاص موردنظر منطبق نیستند.

مسئول برنامه‌ریزی روش‌ها و نحوه طراحی مهندسی است که سیستم اتصال را انتخاب خواهد کرد. این سیستم ممکن است ترکیبی از آهک و پوزالان (گونه‌ای خاکستر آتش‌فشانی ریزدانه است که در ساخت بتن کاربرد دارد و مواد تشکیل‌دهنده آن عبارت است از مواد سیلیسی یا سیلیسی- آلومینیومی)، با مقدار کمی سیمان، سیلیکا و مواد افزودنی باشد تا بتوان مقاومت را افزایش داد، ثبات سازه را تأمین کرد و نهایتاً موجب تغییراتی در تغییر شکل سازه می‌شود. آهک هیدرولیکی1، اغلب به‌عنوان جایگزینی برای عامل چسباننده استفاده می‌شود. یک سری از آزمایش‌ها برای اطمینان حاصل کردن از کیفیت آن توصیه می‌شود (Toumbakari 2002).

گروت ها

تکنیک پایدارسازی سازه از طریق تزریق گروت، اولین چیزی است که به‌خوبی در مهندسی بتن و ژئوتکنیک شناخته شده است. پس‌ازآن، این تکنیک برای همگن‌سازی پیکره بنای تاریخی نیز تعمیم داده شد. از دهه 1970 به بعد، تزریق گروت در بسیاری از ساختمان‌های تاریخی و سازه‌های ماندگار انجام شده است. مهارها و یا سپرهایی که درون گروت قرار داده می‌شوند، اغلب زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند که میل مهارهایی را داخل سازه بنایی قرار می‌دهند تا مقاومت کششی در ساختمان را افزایش دهند. در فاصله سال‌های 2000- 1990، تعدادی از فعالیت‌های تحقیقاتی و پایان‌نامه‌های مقطع دکتری (Miltiadou 1990- Valluzzi 2000- Toumbakari 2002) سبب شدند تا تغییراتی در سیر تکاملی مرتبط با مصالح و بهبود تکنیک‌ها و کیفیت عملکرد گروت ها صورت بگیرد.

گروت ها دوغاب‌هایی هستند که یک سیستم اتصال طبیعی را شکل می‌دهند که ممکن است همراه با و یا بدون افزودنی باشند، نسبت آب به عامل چسباننده/ اتصال معمولاً در حدود 0/1 است تا این دوغاب کارایی مناسبی داشته باشد. گروت ها را باید زمانی که احتیاج است آماده کرد تا خصوصیات روان بودن و مقاومت و نفوذپذیری آن حفظ شود. علاوه بر این، پس از این‌که گروت سخت شد، باید سیستم اتصال در سازه بنایی تاریخی و همچنین مقاومت مکانیکی آن را افزایش داد.

برای حفظ اصول سازگاری در طراحی گروت برای سازه‌های تاریخی بنایی، به انتخاب عوامل اتصال معدنی با مقاومت نسبتاً کم مثل سیستم اتصال مبتنی بر آهک که از اجزای تشکیل‌دهنده ملات در اغلب بناهای تاریخی است، اشاره دارد. یک استثنا وجود دارد و آن بلوک‌هایی از جنس خاک هستند که در آن‌ها خاک عامل چسبندگی اصلی است، بنابراین، مخلوط ملات ها و گروت ها باید مبتنی بر خاک باشد.

اولین باری که تزریق گروت در مورد سازه‌های تاریخی بنایی انجام شد، سیمان پرتلند را به‌عنوان عامل چسبندگی/ اتصال به کار می‌بردند، اما پس‌ازآن به‌تدریج سیمان به‌وسیله آهک رقیق‌تر شد و در مواردی آهک هیدرولیک جایگزین آن شد. سومین حالت که جایگزین سیمان شد، استفاده از ترکیب آهک، پوزالان و سیمان به‌عنوان سیستم اتصال به همراه برخی از مواد افزودنی بود.

بعضی از محققان بر اساس فعالیت‌های تجربی خود توصیه می‌کنند (Toumbakari 2002) که اگر سیستم اتصال حاوی 30 در صد سیمان پرتلند باشد، می‌توان شاهد آن بود که تزریق گروت مقاومت را به‌طور قابل‌توجهی بهبود بخشد.

یک نمونه از کاربرد سیستم اتصال ترکیبی را می‌توان در کلیسای Acheiropoietos در دوره بیزانس (قرن 7 پس از میلاد) مشاهده کرد. تزریق گروت در این بنا در دهه 1990 با عناصری که در زیر به آن‌ها اشاره می‌شود، انجام شد. انتخاب سیستم اتصال بر اساس مطالعات تجربی در خصوص مصالح و ترکیب ملات صورت گرفت.

ترکیب ملاتی که در کلیسای Acheiropoietos مورد استفاده قرار گرفت به این ترتیب است:

• آهک هیدراته: 40 در صد
• سیمان سفید: 30 در صد
• پوزالان: 15 درصد
• ذرات آجر: 15 درصد

گروت های رزین اپوکسی که به‌طور گسترده‌ای برای پر کردن ترک‌ها در اعضای بتنی به کار می‌روند، برای تزریق در گروت های سازه‌های تاریخی بنایی مناسب نیستند به این دلیل که ماهیت متفاوت مصالح مصنوعی سبب می‌شود رطوبت به داخل سازه بنایی تاریخی نفوذ کند که این امر سبب وارد شدن خسارت به ساختمان‌های بنایی قدیمی می‌شود. ترکیب ایده آل برای گروت باید به نحوی باشد که ازلحاظ شیمیایی و فیزیکی با ساختار ملاتی که در سازه بنایی تاریخی به کار رفته سازگار باشد.

استفاده از مواد افزودنی در مقادیر کم منجر به اصلاح و تغییر گروت ها به نحوی می‌شود که خواص مطلوب آن‌ها تقویت شود. باید اشاره کرد که ترکیباتی که اساس آن‌ها آهک است سیالیت خود را برای مدت زمان طولانی‌تری نسبت به ترکیباتی که اساس آن‌ها سیمان است، حفظ می‌کنند.

 این مزیتی قابل‌توجه در این زمینه کاری به‌خصوص در فصل تابستان و آب‌وهوای مدیترانه‌ای به شمار می‌رود. بعضی از خصوصیات گروت هایی که مبتنی بر آهک هستند در دو حالت تازه و سخت شده در جدول شماره سه نشان داده شده است. (Papayianni and Pachta 2012)

در این متن، پیشنهاد‌هایی برای انتخاب مواد اولیه و روش‌های آزمایش عملکرد گروت و همچنین اثرات آن پس از سخت شدن ارائه شده است. به بعضی از آن‌ها در زیر اشاره می‌شود:

• پودر آهک هیدرولیک باید واکنش‌پذیر باشد. واکنش‌پذیری آن را می‌توان با اندازه‌گیری کلسیم هیدروکسید در آن بررسی کرد. به‌غیراز هیدروکسید آهک، از آهک هیدرولیک نیز به دلیل داشتن مزایایی چون سخت شدن در محیط مرطوب، تسهیل شدن کارهای میدانی، استفاده می‌شود. بااین‌حال تفاوت این دو مورد مربوط به مقاومت و ساختار آن‌ها است.
• پوزالان طبیعی اگر به نحو مناسبی آسیاب شده باشد، در ترکیب فعال عمل می‌کند و همچنین مقاومت اولیه آن به‌اندازه مقاومت بلندمدت آن قابل‌قبول است.
• بزرگ‌ترین اندازه شن و ماسه که انتخاب می‌شود باید به‌گونه‌ای باشد که عاری از هرگونه نمک محلول و یا نمک آلی باشد. از ذرات سنگ و خرده آجر نیز به‌عنوان خاکه استفاده می‌شود.
• مقدار نمک در هر یک از اجزای تشکیل‌دهنده گروت باید حداقل میزان ممکن باشد به‌طور مثال، شوره‌هایی از جنس سولفات اغلب به دلیل وجود سولفات در پودر آجر مشاهده می‌شوند. رقیق‌کننده‌هایی که برای تنظیم غلظت ملات به کار می‌روند نیز از این قاعده مستثنا نیستند و باید عاری از سولفات باشند.
• در مواردی که نیاز است سیمان به ترکیب اضافه شود لازم است که قلیایی بودن و سولفات در سیمان بسیار کم باشد.

میزان روانی و سیالیت معمولاً با آزمایش مخروط مارش (Marsh cone) بررسی می‌شود (ASTM C939-87)، درحالی‌که خاصیت نفوذپذیری با استفاده از روش آزمایشی ستون ماسه بررسی می‌شود (NORM NFP 18–891, 1986, EN 1771).

برای این‌که ثبات حجم بررسی شود از روش آزمون مبتنی بر استاندارد DIN 4227 Teil 5 استفاده می‌شود. علاوه بر این، ممکن است آزمایش‌های خاص دیگری مثل قدرت نگه‌داری آب و انقباض در حالت خشک که مبتنی بر ASTM C1506 و ASTM C474 هستند، مورد استفاده قرار بگیرد.

ترک‌ها، حفره‌ها و دیگر ناپیوستگی‌ها در داخل سازه به‌وسیله روش‌های غیر مخرب شناسایی شده‌اند.

ملات های جاری شونده

در مواردی که ترک‌ها بسیار باز هستند (10-2 سانتی‌متر)، بهتر است از یک ملات جاری شونده به‌جای دوغاب استفاده شود، به این دلیل که بزرگ‌ترین بعد دانه‌بندی در ماسه‌ها و شن‌ها 8-0 میلی‌متر است و سبب می‌شود تا ثبات سازه باعث جمع شدن ترک شود. اگر لازم باشد، میلگردهای فولادی ضدزنگ اغلب به‌صورت عرضی داخل ترک‌ها قرار می‌گیرند تا بخش‌های جداگانه سازه بنایی مشاهده شود. عامل چسبندگی در ترکیب جاری شونده ممکن است شامل پودر آهک هیدراته، پوزالان و خاکه‌هایی مثل پودر سنگ‌آهک باشد که به‌وسیله رقیق‌کننده و تغییر ویسکوزیته اضافه می‌شوند. ترکیب ملات جاری شونده باید مبتنی بر تجزیه‌وتحلیل ملات های قدیمی سازه باشد. این ترکیب همچنین باید به لحاظ مناسب بودن میزان روان بودن آن، یک ساعت پس از ساخت ملات مورد آزمایش قرار بگیرد.

ترکیب و خواص مکانیکی ملات روان شونده در جدول 4 و شکل 2 نشان داده شده است.

ملات بازسازی تیغه‌ها

بازسازی اتصالات در یک ساختمان بنایی به‌وسیله ملات، یکی از معمول‌ترین اقدامات مداخلاتی است که در پروژه‌های بازسازی انجام می‌شود. قبل از طراحی ترکیب ملات، لازم است یک تجزیه‌وتحلیل سیستماتیک انجام شود تا الزامات پروژه به نحو مناسب و سازگاری در نظر گرفته شود و یک تصمیم‌گیری در رابطه با مقاومت و دوام موردنیاز گرفته شود. در نوع سیستم اتصال سنتی انتخاب‌شده مانند آهک- پوزالان امکان دارد در صد کمی از خرده آجر، سیمان و یا مواد افزودنی دیگر به آن اضافه شود تا سازگاری و دوام موردنیاز پروژه حاصل شود. به‌غیراز عاملی که سبب چسبندگی می‌شود، درشت‌دانه‌ها اغلب و به‌خصوص در ملات های ضخیم نیز به کار می‌روند. بعضی از این نمونه‌های ملات هایی که در مداخلات استفاده شده‌اند، در جدول 5 نشان داده شده است.

۲- مداخلات برگشت‌پذیر

به‌طورکلی، این روش به‌عنوان روشی شناخته می‌شود که گستردگی مداخلات، اثرات احتمالی و مقاومت آن در برابر شرایط محیطی کم است. در بسیاری از این نوع مداخلات، مصالح به‌صورت صنعتی و استاندارد تولید می‌شوند و به لحاظ تجاری با یکی اسم تجاری شناخته می‌شوند. این مصالح اغلب طی فرآیندهای خاصی استفاده می‌شوند. مشکلاتی که در این زمینه وجود دارد بیش از آن‌که به تکنیک‌ها مرتبط باشند مربوط به مصالح هستند.

یک ارزیابی تحلیلی از چگونگی واکنش سازه بنایی تاریخی نسبت به زلزله لازم است که انجام شود، چراکه موقعیت و میزان بازسازی باید قبل از هرگونه اقدام در مداخلات برگشت‌پذیر شناسایی شود. ازآنجایی‌که پیشرفت تکنولوژی در این زمینه بسیار است، فهرست طولانی از این نوع مداخلات را می‌توان تهیه کرد که ما در زیر به برخی از آن‌ها اشاره خواهیم کرد:

کابل‌های فولادی (ضدزنگ) پیش‌تنیده به‌عنوان راه‌حلی در بسیاری از موارد در طول دهه‌های آخر قرن گذشته پیشنهاد می‌شد. (شکل 3: Ignatakis و Stylianidis 1989)

میلگردهای فولادی ضدزنگ یا نوارهای متصل به اتصالات به همراه ملات های تعمیر گر مبتنی بر آهک برای بازسازی بناهای تاریخی به کار می‌روند. میلگردها و نوارها ممکن است از جنس پلیمر فیبر کربنی تقویت‌شده (FRP) نیز ساخته‌شده باشد که با ملاتی مبتنی بر آهک پوشانده می‌شوند. (Modena and Valluzzi 2003)

اتصال فیبر تقویت‌شده به همراه پلیمر یا هر مصالح دیگر با پایه سیمانی (FRP,FRG) پیشرفت‌های زیادی در زمینه مصالح و تکنیک‌های مهارسازی FRP و FRG حاصل‌شده که به لحاظ عملکرد بهتر و مقرون‌به‌صرفه هستند، اما هنوز هم انجام این مداخلات نیازمند اقدامات ویژه و هزینه بسیار در کار است. تنوع صفحات فیبری تقویت‌شده پیشرفته (FRP) و شبکه‌های پلیمری (FRG) برای اتصال به سطح عناصر در سازه بنایی بسیار بالا است. کاربرد این روش بازسازی به‌طور چشمگیری افزایش یافته و همواره رو به تکامل است.

تکنیک‌های اتصال صفحات تقویتی

آغاز به‌کارگیری روش مداخلات در سطح کم از دهه 1990 بود. این روش سیستم فیبری و یک سیستم ماتریسی اتصال را در شکل‌های مختلف در برمی‌گیرد. از نمونه‌های این مورد می‌توان به میله‌های پالترود، ورق‌ها و یا شبکه‌ها اشاره کرد. شناخته‌شده‌ترین فیبرها عبارت‌اند از: فولاد، کربن، آرامید، شیشه و شیشه‌های مقاوم در برابر قلیا، بازالت و بیوکامپوزیت¬ها (کتان، کنف) مبتنی بر لیگنین، یا بیوپلیمرهای بازیافتی، سلولز و پکتین. به برخی از خصوصیات فیبرها در جدول 6 اشاره شده است. صفحات پلیمری تقویت‌شده با الیاف کربن (CFRP) و صفحات پلیمری تقویت‌شده با الیاف فولادی (SFRP) در سطح گسترده‌ای در مقاوم‌سازی سازه‌ها به کار می‌روند (شکل 5). فیبرها را به سه دسته می‌توان تقسیم کرد:

• مدول الاستیسیته بالا، مثل فولاد و کربن باکیفیت‌های مختلف
• مدول الاستیسیته متوسط، مثل آرامید، بازالت و شیشه
• مدول الاستیسیته پایین، مثل کتان و کنف

خصوصیات مواد رزین اپوکسی عبارت است از:

• چگالی: 1/1 – 1/7
• مدول الاستیسیته: 0/5 – 2 گیگا پاسکال
• مقاومت خمشی: 9 – 30 مگا پاسکال
• کرنش نهایی: 0/5 – 5 در صد

روش استفاده از FRP به‌صورت زیر است:

• بررسی ظرفیت اتصال زیر لایه‌های سازه بنایی
• تسطیح سطح به‌منظور ایجاد اتصال مقبول که برای انتقال تنش به‌خصوص در مواردی که لنگر قوی وجود ندارد، ضروری است.
• قرار دادن ورق‌های FRP  روی سطح خشک با کیفیت مناسب که به‌عنوان عامل چسبندگی به کار می‌روند.
• اطمینان حاصل کردن از مناسب بودن میزان لنگر
• استفاده از رنگ‌های مناسب برای حفاظت در برابر اشعه UV

جزئیات بیشتر در (ACI 440 2R-08, 2008) وجود دارد.

زمانی که در یک سازه بنایی دیوارها و یا قوس‌ها و گنبدها موردبازسازی قرار می‌گیرند، خصوصیات لازم در رابطه با FRP عبارت‌اند از:

• مقاومت کششی نهایی: 6 – 5 مگا پاسکال
• افزایش طول نهایی: 62/1 در صد
• تنش کششی در منطقه انتقال: 2/1 مگا پاسکال
• مدول کششی الاستیسیته: 37/0 گیگا پاسکال

مزایایی که برای FRP در نظر گرفته می‌شود عبارت‌اند از:

• وزن کم و یا مقاومت بالا نسبت به وزن
• نصب و به‌کارگیری نسبتاً آسان با بازده کاری بالا
• حداقل تغییرات در بُعد اجزای سازه بنایی
• مقاومت در برابر خوردگی، حمله شیمیایی و اثرات محیطی

بااین‌حال، معایبی نیز برای شبکه‌های پلیمری عنوان شده است که عبارت‌اند از:

• مقاومت کم در برابر آتش
• تخریب پلیمر توسط اشعه UV
• نیاز به تجهیزات خاص، نیروی کاری متخصص
• نیاز به خشک بودن سطح
• نیاز به پایین بودن درجه حرارت

ناسازگاری رزین‌ها با سازه بنایی سبب بروز اثراتی در سطح اتصالات FRP می‌شود.

به برخی از نمونه‌های برجسته بنای تاریخی با  FRP اشاره می‌شود. برخی از آن‌ها عبارت‌اند از: مقاوم‌سازی کلیسای سان ویتال در پارمای ایتالیا، بازسازی صومعه سنت آندریاس، کوه آتوس (شکل 6 و 7)

از فناوری‌های جالب‌توجهی که در روش مداخلات برگشت‌پذیر خارجی وجود دارد، می‌توان به دستگاه‌های SMA اشاره کرد که از سازه در برابر زلزله محافظت می‌کنند. مواد اصلی در سیستم SMA آلیاژهای نیکل و تیتانیوم هستند. هزینه بالا، نصب و راه‌اندازی دشوار، جوشکاری نامناسب ازجمله معایبی است که برای این سیستم بیان شده است.

یک نمونه از کاربرد سیستم SMA در کلیسای جورجیو در ترگانیو ایتالیا برای اولین بار صورت گرفت و پس‌ازآن در کلیسای آسیسی در سنت فرانسیسکو اجرا شده است.

شکل هفت. استفاده از  CFRP در مقاوم‌سازی گنبد Andreas

خلاصه

سازه‌های بنایی تاریخی به‌صورت ذاتی در تحمل بارهای افقی و همچنین مقاومت در برابر زلزله ضعیف عمل می‌کنند. بااین‌حال، اصول حفاظت از سازه‌ها باید به‌گونه‌ای باشد که ایمنی پایداری سازه در کنار هم در نظر گرفته شوند. پایداری یک سازه مسکونی باید طبق استانداردهای جدید و مقررات طراحی ضد لرزه‌ای انجام شود.

قبل از هرگونه اقدام بازسازی باید سازه بنایی مورد تجزیه‌وتحلیل و همچنین آزمایش‌هایی صورت بگیرد.

در بازسازی دو روش وجود دارد: 1- روش برگشت‌پذیر 2- روش غیرقابل برگشت

منبع

ترجمه شده توسط تیم مترجمین ۸۰۸

اگر دوست دارید به تیم مترجمین ۸۰۸ 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.