افزودن دیوار برشی
ایجاد یا تقویت سیستم باربر جانبی
افزودن دیوار برشی یکی از روشهای مؤثر برای بهسازی لرزهای و افزایش ظرفیت سیستم باربر جانبی ساختمانهای موجود است. در این روش، دیوار یا دیوارهای جدید در محل مناسب به سازه اضافه میشوند تا بخشی از نیروهای جانبی ناشی از زلزله و سایر بارهای جانبی را تحمل و به فونداسیون منتقل کنند.
برخلاف روشهایی مانند ژاکت بتنی یا FRP که عمدتاً با هدف تقویت یک عضو موجود انجام میشوند، افزودن دیوار برشی یک مداخله در سطح سیستم سازهای است.
بنابراین، محل دیوار، ابعاد و سختی آن، نحوه اتصال به کفها، اتصال به فونداسیون و اثر آن بر توزیع نیرو در کل ساختمان باید همزمان بررسی شود.
چرا دیوار برشی اضافه میشود؟
افزودن دیوار برشی میتواند در شرایطی مورد بررسی قرار گیرد که ساختمان موجود با یکی از مشکلات زیر مواجه باشد:
- کمبود ظرفیت سیستم باربر جانبی
- تغییرمکان جانبی زیاد
- دریفت بیش از حدود قابل قبول
- ضعف یا ناکافیبودن سیستم مقاوم در برابر زلزله
- نامنظمی در توزیع سختی و مقاومت
- نیاز به اصلاح مسیر انتقال نیرو
- تغییر کاربری و افزایش تقاضای سازهای
- آسیبدیدگی یا ضعف اعضای سیستم باربر جانبی
- نیاز به کاهش تقاضای لرزهای وارد بر قابهای موجود
در هر پروژه باید ابتدا مشخص شود که مسئله واقعاً با افزودن دیوار برشی حل میشود یا خیر.
انتخاب محل دیوار برشی
محل قرارگیری دیوار یکی از مهمترین تصمیمهای طراحی است.
دیوار جدید باید تا حد امکان در موقعیتی قرار گیرد که:
- مسیر انتقال نیرو به فونداسیون مشخص باشد.
- اتصال آن به دیافراگم کف امکانپذیر باشد.
- موجب ایجاد نامنظمی شدید در پلان نشود.
- پیچش ساختمان را تشدید نکند.
- با معماری و عملکرد ساختمان سازگار باشد.
- امکان اجرای فونداسیون و اتصال پای دیوار وجود داشته باشد.
- اثر آن بر قابها و اعضای موجود قابل کنترل باشد.
قرار دادن یک دیوار برشی در یک نقطه از ساختمان، بدون بررسی توزیع سختی و مقاومت، میتواند حتی باعث افزایش نامطلوب پیچش و تمرکز نیرو شود.
رفتار دیوار جدید در برابر بار جانبی
دیوار برشی جدید بخشی از نیروی جانبی ساختمان را جذب میکند و از طریق دیافراگمهای کف، نیروی جانبی به دیوار منتقل میشود.
مسیر کلی انتقال نیرو را میتوان بهصورت زیر در نظر گرفت:
بار جانبی ← دیافراگم کف ← اتصال دیافراگم به دیوار ← دیوار برشی ← ناحیه پای دیوار ← فونداسیون ← خاک
هر بخش از این مسیر باید ظرفیت و جزئیات مناسب داشته باشد.
اگر یکی از این اجزا نتواند نیروی موردنظر را منتقل کند، افزایش ظرفیت خود دیوار لزوماً باعث بهبود عملکرد کل ساختمان نخواهد شد.
اتصال دیوار به دالها
یکی از موضوعات مهم در افزودن دیوار برشی، اتصال دیوار جدید به طبقات موجود است.
دیافراگم کف باید بتواند نیروهای جانبی را به دیوار منتقل کند.
بسته به شرایط پروژه، اتصال میتواند با استفاده از موارد زیر تأمین شود:
- کاشت آرماتور
- آرماتورهای رابط
- جزئیات فولادی
- بتنریزی یکپارچه در بخشهای جدید
- انکرها و اتصالات طراحیشده
جزئیات اتصال باید بر اساس نیروی واقعی انتقالیافته از دیافراگم طراحی شود.
اتصال دیوار به فونداسیون
پای دیوار یکی از بحرانیترین بخشهای سیستم جدید است.
دیوار برشی میتواند نیروهای قابلتوجهی شامل:
- نیروی برشی
- نیروی محوری
- لنگر واژگونی
- کشش و فشار در نواحی مرزی
به فونداسیون منتقل کند.
بنابراین در بسیاری از پروژهها، اجرای دیوار جدید بدون تقویت یا توسعه فونداسیون امکانپذیر نیست.
بسته به شرایط، ممکن است نیاز به موارد زیر وجود داشته باشد:
- افزایش ابعاد فونداسیون
- ژاکت بتنی پی
- ایجاد فونداسیون جدید
- تیرهای رابط
- میکروپایل
- شمع
- یا ترکیبی از این روشها
نواحی مرزی دیوار
در اثر خمش ناشی از بار جانبی، دو انتهای دیوار میتوانند تحت نیروهای فشاری و کششی قابلتوجه قرار گیرند.
به همین دلیل، طراحی نواحی مرزی، آرماتورهای طولی و عرضی و نحوه انتقال نیرو به فونداسیون اهمیت زیادی دارد.
در دیوارهای بلند یا تحت تقاضای لرزهای قابلتوجه، رفتار نواحی مرزی باید بهصورت مستقل بررسی شود و نمیتوان دیوار را صرفاً یک صفحه بتنآرمه ساده در نظر گرفت.
دیوارهای دارای بازشو
اگر دیوار جدید دارای در، پنجره یا بازشوهای معماری باشد، مسیر انتقال نیرو تغییر میکند.
در این شرایط، بخشهای بین بازشوها، نواحی اطراف بازشو و در صورت وجود، تیرهای کوپلینگ باید در تحلیل و طراحی لحاظ شوند.
بنابراین ایجاد بازشو پس از طراحی اولیه دیوار بدون بررسی مجدد، میتواند رفتار سیستم را بهطور قابلتوجهی تغییر دهد.
اثر دیوار جدید بر سازه موجود
افزودن دیوار برشی معمولاً باعث تغییر سختی و مقاومت سازه میشود.
این تغییر میتواند موجب:
- کاهش تغییرمکان جانبی در برخی طبقات
- تغییر توزیع نیرو میان قابها و دیوارها
- تغییر نیروهای وارد بر فونداسیون
- تغییر پاسخ پیچشی ساختمان
- افزایش یا کاهش تقاضا در اعضای موجود
به همین دلیل، پس از اضافهکردن دیوار باید رفتار کل سازه دوباره ارزیابی شود.
مراحل کلی اجرا
ارزیابی ساختمان موجود
هندسه ساختمان، سیستم باربر، مصالح، وضعیت اعضا، فونداسیون و مسیر انتقال نیرو بررسی میشود.
تحلیل و تعیین نیاز
ظرفیت و عملکرد ساختمان در برابر بارهای جانبی بررسی و مشخص میشود که چه مقدار مقاومت یا سختی جدید موردنیاز است.
انتخاب محل دیوار
محل دیوار با توجه به رفتار سازه، معماری، مسیر انتقال نیرو و شرایط فونداسیون تعیین میشود.
طراحی دیوار و اتصالات
ابعاد دیوار، آرماتورها، نواحی مرزی، اتصال به دالها و جزئیات پای دیوار طراحی میشوند.
بررسی و آمادهسازی فونداسیون
ظرفیت فونداسیون موجود بررسی شده و در صورت نیاز تقویت یا توسعه پیدا میکند.
آمادهسازی طبقات
محل اتصال دیوار به دالها و اجزای موجود آماده و جزئیات کاشت یا اتصال اجرا میشود.
اجرای آرماتور دیوار
آرماتورهای قائم، افقی، نواحی مرزی و سایر اجزای موردنیاز نصب میشوند.
قالببندی و بتنریزی
قالببندی، بتنریزی، تراکم و عملآوری مطابق مشخصات فنی انجام میشود.
تکمیل اتصالات
اتصال دیوار به دالها، تیرها، فونداسیون و سایر اجزای موردنیاز تکمیل میشود.
ارزیابی نهایی
عملکرد سیستم جدید و اثر آن بر سازه موجود بررسی و کنترل میشود.
کنترل کیفیت
کنترل کیفیت باید شامل موارد زیر باشد:
- کنترل مقاومت بتن
- کنترل قطر و آرایش آرماتورها
- کنترل نواحی مرزی
- کنترل طول مهاری
- کنترل کاشتها و اتصالات
- کنترل اتصال دیوار به دال
- کنترل اتصال دیوار به فونداسیون
- کنترل قالببندی
- کنترل تراکم بتن
- کنترل عملآوری
- کنترل ابعاد و شاقولی دیوار
- کنترل کیفیت فونداسیون تقویتی
محدودیتها
افزودن دیوار برشی همیشه بهترین گزینه نیست.
محدودیتهای احتمالی شامل:
- اشغال فضای معماری
- تداخل با درها و بازشوها
- نیاز به تخریب بخشهایی از کف
- نیاز احتمالی به تقویت فونداسیون
- افزایش سختی و تغییر توزیع نیرو
- افزایش نیروهای موضعی در دیافراگم
- پیچیدگی اتصال به سازه موجود
- دشواری اجرای عملیات در ساختمان فعال
چه زمانی افزودن دیوار برشی میتواند گزینه مناسبی باشد؟
این روش میتواند زمانی گزینه مناسبی باشد که مشکل اصلی ساختمان در سطح سیستم باربر جانبی باشد و بررسیها نشان دهد که افزایش ظرفیت و سختی از طریق ایجاد یک سیستم دیوار جدید میتواند عملکرد کلی ساختمان را بهبود دهد.
اما انتخاب محل و ابعاد دیوار باید حاصل تحلیل سازه باشد، نه صرفاً محدودیت فضای موجود یا انتخاب یک محل مناسب از نظر معماری.
افزودن مهاربند فلزی
تقویت سیستم باربر جانبی با مهاربندهای فولادی
افزودن مهاربند فلزی یکی از روشهای متداول برای بهسازی لرزهای و افزایش ظرفیت سیستم باربر جانبی ساختمانهای موجود است. در این روش، اعضای فولادی جدید به قاب سازه اضافه میشوند تا بخشی از نیروهای جانبی ناشی از زلزله و سایر بارهای جانبی را از طریق نیروی محوری کششی و فشاری تحمل کنند.
در مقایسه با روشهایی مانند ژاکت بتنی یا FRP که عمدتاً با هدف تقویت اعضای موجود انجام میشوند، افزودن مهاربند فلزی یک تغییر در سیستم باربر جانبی ساختمان محسوب میشود.
بنابراین فقط طراحی خود مهاربند کافی نیست؛ بلکه قاب موجود، اتصالات، تیرها، ستونها، دیافراگم کف و فونداسیون نیز باید برای نیروهای جدید بررسی شوند.
هدف از افزودن مهاربند
مهاربند فلزی میتواند با اهداف مختلفی در بهسازی سازه مورد استفاده قرار گیرد:
- افزایش مقاومت جانبی ساختمان
- کاهش تغییرمکان و دریفت طبقات
- افزایش سختی جانبی
- کاهش تقاضای لرزهای برخی اعضای موجود
- اصلاح ضعف سیستم باربر جانبی
- ایجاد مسیر باربری جانبی جدید
- بهبود عملکرد قابهای موجود در برابر زلزله
- کنترل تغییرشکلهای جانبی در ساختمانهای بلند یا نرم
با این حال، افزایش سختی همیشه به معنی بهبود عملکرد کل سازه نیست. تغییر سختی و مقاومت باید در مقیاس کل ساختمان بررسی شود.
انواع آرایش مهاربند
بسته به سیستم سازهای، هندسه قاب و هدف مقاومسازی، آرایشهای مختلفی از مهاربند قابل استفاده است.
مهاربند قطری
یک عضو مورب در دهانه قاب قرار میگیرد.
این سیستم از نظر اجرایی نسبتاً ساده است، اما ممکن است با درها، پنجرهها و مسیرهای معماری تداخل داشته باشد.
مهاربند ضربدری
دو عضو مورب یک دهانه را بهصورت X تشکیل میدهند.
این آرایش میتواند ظرفیت جانبی مناسبی ایجاد کند، اما در بسیاری از ساختمانها از نظر معماری محدودیت بیشتری دارد.
مهاربند chevron
اعضای مهاربندی از دو طرف به یک نقطه در تیر متصل میشوند.
در این سیستم، رفتار تیر و اتصال محل تقاطع مهاربندها اهمیت ویژهای دارد.
مهاربند K یا آرایشهای مشابه
در برخی سازهها ممکن است از آرایشهای خاصی برای هماهنگی با معماری و هندسه موجود استفاده شود؛ اما انتخاب آن باید با توجه به رفتار لرزهای سیستم انجام شود.
در سازههای موجود، صرفاً امکان اجرای هندسی یک آرایش، دلیل مناسببودن آن نیست.
مکانیزم انتقال نیرو
مسیر کلی انتقال نیرو در یک سیستم مهاربندی را میتوان به شکل زیر در نظر گرفت:
بار جانبی ← دیافراگم کف ← تیر و ستون ← اتصال مهاربند ← مهاربند فولادی ← اتصال پای قاب ← فونداسیون ← خاک
در بعضی آرایشها، نیرو مستقیماً بین مهاربند و تیر و ستون توزیع میشود.
بنابراین ظرفیت واقعی سیستم فقط به مقطع مهاربند وابسته نیست.
مهاربند قوی با اتصال ضعیف، یک سیستم قوی ایجاد نمیکند.
اجزای اصلی سیستم
یک سیستم مهاربندی جدید میتواند شامل اجزای زیر باشد:
- اعضای مهاربندی فولادی
- ورقهای اتصال
- گاستپلیت
- نبشی یا ناودانی و مقاطع فولادی در صورت نیاز
- سختکنندهها
- تیر و ستون موجود یا تقویتشده
- پیچهای پرمقاومت
- جوشهای سازهای
- انکرها و اتصالات به بتن
- اجزای اتصال به فونداسیون
- پوشش ضدخوردگی و در صورت نیاز حفاظت حریق
اتصال مهاربند به سازه موجود
یکی از بحرانیترین قسمتهای این روش، اتصال مهاربند جدید به قاب موجود است.
اتصال باید بتواند نیروی محوری مهاربند را به تیر و ستون منتقل کند.
بسته به شرایط پروژه ممکن است از موارد زیر استفاده شود:
- اتصال پیچی
- اتصال جوشی
- ورقهای اتصال
- گاستپلیت
- انکرهای مکانیکی یا شیمیایی
- ترکیب جوش و پیچ
- جزئیات فولادی تقویتی
نوع اتصال باید بر اساس نیروی واقعی طراحی و رفتار مورد انتظار در زلزله تعیین شود.
بررسی تیر و ستون موجود
افزودن مهاربند باعث میشود نیروهای جدیدی به اعضای موجود وارد شود.
بنابراین باید مشخص شود که:
- تیر موجود ظرفیت نیروهای جدید را دارد؟
- ستون موجود توان تحمل نیروهای اضافی را دارد؟
- اتصال تیر و ستون برای این نیروها مناسب است؟
- آیا نیاز به تقویت موضعی اعضا وجود دارد؟
- آیا انتقال نیروی مهاربند باعث تمرکز تنش میشود؟
- آیا فونداسیون برای نیروهای جدید کافی است؟
در صورت وجود ضعف، ممکن است همزمان نیاز به ژاکت فولادی، ژاکت بتنی، ورق تقویتی یا سایر روشهای موضعی وجود داشته باشد.
اتصال به فونداسیون
یکی از موضوعات مهم در افزودن مهاربند، انتقال نیروهای جدید به فونداسیون است.
مهاربند میتواند نیروهای قابلتوجهی در پای قاب ایجاد کند و در سیستمهای لرزهای، ترکیبی از نیروهای فشاری، کششی و برشی ممکن است به فونداسیون منتقل شود.
بنابراین باید موارد زیر بررسی شوند:
- ظرفیت فونداسیون
- ظرفیت بتن
- ظرفیت انکرها
- کشش و برش اتصال
- واژگونی
- لغزش
- فشار زیر پی
- ظرفیت خاک
- نشست
- ظرفیت اعضای انتقالدهنده نیرو
در صورت ناکافیبودن ظرفیت، ممکن است نیاز به تقویت یا توسعه فونداسیون باشد.
مهاربند و رفتار لرزهای
در مقاومسازی لرزهای، انتخاب نوع مهاربند اهمیت زیادی دارد.
صرفاً افزایش مقاومت کافی نیست؛ بلکه باید مکانیزم خرابی و شکلپذیری سیستم نیز مورد توجه قرار گیرد.
بسته به سیستم طراحی، رفتار اعضای مهاربندی میتواند شامل:
- کشش
- فشار
- کمانش
- تسلیم
- چرخههای رفت و برگشتی ناشی از زلزله
بنابراین جزئیات اتصال و انتخاب مقطع باید بهگونهای باشد که رفتار مورد انتظار سیستم در تحلیل و طراحی با رفتار واقعی در زمان زلزله تا حد امکان منطبق باشد.
اثر مهاربند بر سختی ساختمان
یکی از مهمترین اثرات افزودن مهاربند، تغییر سختی جانبی ساختمان است.
افزایش سختی میتواند موجب کاهش دریفت شود، اما همزمان ممکن است توزیع نیرو بین اجزای موجود و جدید را تغییر دهد.
بنابراین پس از افزودن مهاربند باید موارد زیر دوباره بررسی شوند:
- دریفت طبقات
- توزیع نیرو بین قابها
- پیچش ساختمان
- نیروهای تیرها و ستونها
- نیروهای دیافراگم
- نیروهای فونداسیون
- نامنظمیهای سازهای
مراحل کلی اجرای مهاربند فلزی
ارزیابی سازه موجود
سیستم سازهای، ابعاد اعضا، اتصالات، مصالح، آسیبها و وضعیت فونداسیون بررسی میشود.
تحلیل و تعیین نیاز مقاومسازی
مشخص میشود که مشکل ساختمان کمبود مقاومت، سختی، شکلپذیری یا ترکیبی از این موارد است.
انتخاب دهانههای مناسب
محل مهاربندها بر اساس رفتار سازه، معماری، مسیر انتقال نیرو و وضعیت فونداسیون تعیین میشود.
طراحی سیستم
نوع مهاربند، مقطع، اتصالات، گاستپلیت و جزئیات اتصال به سازه موجود طراحی میشوند.
تقویت اعضای موجود در صورت نیاز
در صورت ناکافیبودن ظرفیت تیر، ستون یا اتصال، تقویت موضعی انجام میشود.
آمادهسازی محل اتصال
سطوح، محل نصب صفحات، انکرها و اجزای فولادی برای اجرای اتصال آماده میشوند.
ساخت و نصب مهاربند
اعضای فولادی ساخته، کنترل ابعادی و سپس در محل پروژه نصب میشوند.
اجرای اتصالات
جوش، پیچ، گاستپلیت، انکر و سایر اتصالات مطابق نقشههای اجرایی اجرا میشوند.
کنترل کیفیت
کیفیت فولاد، ابعاد، جوشها، پیچها، انکرها، شاقولی و موقعیت اعضا کنترل میشود.
حفاظت نهایی
پوشش ضدخوردگی و در صورت نیاز حفاظت حریق اجرا میشود.
ارزیابی نهایی
اثر سیستم جدید بر عملکرد کل سازه بررسی و با اهداف طراحی مقایسه میشود.
کنترل کیفیت
کنترل کیفیت باید حداقل شامل موارد زیر باشد:
- کنترل مشخصات فولاد
- کنترل ابعاد و ضخامت مقاطع
- کنترل موقعیت اعضا
- کنترل گاستپلیتها
- کنترل پیچهای سازهای
- کنترل کیفیت جوش
- کنترل انکرها
- کنترل اتصالات به بتن
- کنترل شاقولی و هممحوری
- کنترل پوشش ضدخوردگی
- کنترل حفاظت حریق در صورت نیاز
- کنترل اتصال سیستم جدید به سازه موجود
در اتصالات جوشی و پیچی، بازرسی باید متناسب با اهمیت اتصال و مشخصات فنی پروژه تعیین شود.
مزایای افزودن مهاربند فلزی
- افزایش مقاومت جانبی
- افزایش سختی جانبی
- کاهش دریفت در بسیاری از شرایط
- وزن نسبتاً کمتر نسبت به برخی روشهای بتنی
- امکان اجرای سریعتر در برخی پروژهها
- قابلیت پیشساختگی بخش قابلتوجهی از اجزا
- امکان ایجاد سیستم باربر جانبی جدید
- قابلیت ترکیب با سایر روشهای مقاومسازی
محدودیتها
- ایجاد تداخل با معماری
- اشغال دهانهها
- محدودیت در محل در و پنجره
- نیاز به طراحی دقیق اتصالات
- ایجاد نیروهای جدید در تیر و ستون
- احتمال نیاز به تقویت فونداسیون
- مسائل خوردگی
- نیاز احتمالی به حفاظت حریق
- حساسیت به کیفیت اجرای جوش و پیچ
- تغییر سختی و توزیع نیرو در کل ساختمان
چه زمانی افزودن مهاربند فلزی گزینه مناسبی است؟
این روش زمانی میتواند گزینه مناسبی باشد که بررسی سازه نشان دهد ایجاد یک سیستم باربر جانبی جدید یا تقویت سیستم موجود میتواند عملکرد ساختمان را بهبود دهد و امکان ایجاد مسیر مناسب برای انتقال نیرو از سقفها تا فونداسیون وجود داشته باشد.
انتخاب نوع مهاربند، محل قرارگیری و جزئیات اتصال باید حاصل تحلیل و طراحی باشد؛ نه صرفاً بر اساس سهولت ساخت یا موجودبودن یک مقطع فولادی.
نصب انواع میراگر
کنترل پاسخ لرزهای و استهلاک انرژی
میراگرها از جمله سیستمهای پیشرفته مورد استفاده در بهسازی لرزهای ساختمانهای موجود هستند. برخلاف بسیاری از روشهای متداول مقاومسازی که با افزایش ظرفیت یا سختی اعضای سازهای عمل میکنند، میراگرها با اتلاف بخشی از انرژی واردشده به سازه در اثر زلزله، پاسخ لرزهای ساختمان را کنترل میکنند.
در یک سیستم مجهز به میراگر، هدف این نیست که تمام انرژی زلزله توسط اعضای اصلی سازه تحمل شود؛ بلکه بخشی از انرژی از طریق المانهای میراگر جذب و مستهلک میشود تا تقاضای لرزهای وارد بر اعضای اصلی کاهش یابد.
بنابراین نصب میراگر باید بهعنوان یک سیستم مهندسیشده برای کنترل پاسخ سازه دیده شود، نه صرفاً نصب یک تجهیز در دهانه قاب.
مکانیزم عملکرد میراگر
در هنگام وقوع زلزله، سازه دچار تغییرشکل و حرکت نسبی طبقات میشود.
میراگر در مسیر این تغییرشکل قرار میگیرد و با ایجاد نیروی مقاوم، بخشی از انرژی حرکت را مستهلک میکند.
مسیر کلی عملکرد را میتوان بهصورت زیر در نظر گرفت:
زلزله ← حرکت سازه ← تغییرمکان نسبی طبقات ← فعالشدن میراگر ← استهلاک انرژی ← کاهش پاسخ سازه
عملکرد واقعی میراگر به عواملی مانند عوامل زیر وابسته است:
- نوع میراگر
- سرعت تغییرشکل
- مقدار تغییرمکان
- چرخههای بارگذاری
- محل نصب
- سختی سیستم
- مشخصات قاب
- نوع اتصال
انواع اصلی میراگرها
میراگرها بر اساس مکانیزم استهلاک انرژی به چند گروه اصلی تقسیم میشوند.
1.میراگرهای ویسکوز
در این سیستم، انرژی از طریق حرکت سیال در داخل یک تجهیز و ایجاد مقاومت وابسته به سرعت مستهلک میشود.
نیروی میراگر تابعی از سرعت تغییرمکان است و به همین دلیل رفتار آن با میراگرهای اصطکاکی یا تسلیمشونده متفاوت است.
کاربرد
میراگرهای ویسکوز میتوانند برای موارد زیر مورد استفاده قرار گیرند:
- کاهش پاسخ لرزهای
- کنترل دریفت
- کاهش شتاب
- کاهش نیروهای وارد بر اعضای اصلی
نکته مهم :طراحی این سیستم فقط به انتخاب ظرفیت میراگر محدود نیست؛ سرعت، کورس حرکتی، محل نصب و مشخصات اتصال باید همزمان بررسی شوند.
۲. میراگرهای ویسکوالاستیک
این سیستمها از مواد ویسکوالاستیک برای اتلاف انرژی استفاده میکنند.
رفتار آنها میتواند تابعی از موارد زیر باشد:
- تغییرمکان
- سرعت
- دما
- فرکانس بارگذاری
به همین دلیل شرایط محیطی و دامنه عملکرد تجهیز در طراحی اهمیت دارد
استفاده از جداساز لرزه ای
کاهش انتقال اثر زلزله از زمین به سازه
جداسازی لرزهای یکی از روشهای پیشرفته بهسازی لرزهای است که با ایجاد یک لایه یا سیستم جداساز با سختی و مشخصات دینامیکی کنترلشده بین سازه و تکیهگاه آن، رفتار ساختمان در برابر حرکت زمین را تغییر میدهد.
در سازه معمولی، حرکت زمین مستقیماً از طریق فونداسیون به سازه منتقل میشود. در سیستم جداسازی لرزهای، جداسازها در مسیر انتقال نیرو قرار میگیرند و با ایجاد انعطافپذیری و در بسیاری از سیستمها همراه با استهلاک انرژی، پاسخ سازه فوقانی را کنترل میکنند.
بنابراین هدف اصلی جداسازی لرزهای، کاهش تقاضای لرزهای وارد بر سازه فوقانی است؛ نه صرفاً افزایش ظرفیت اعضای موجود.
مکانیزم عملکرد جداساز
در هنگام زلزله، زمین حرکت میکند و فونداسیون نیز همراه با آن حرکت خواهد کرد.
جداساز باعث میشود حرکت نسبی عمده در محل مشخصی از سیستم اتفاق بیفتد و در نتیجه پاسخ سازه فوقانی کنترل شود.
بهصورت ساده:
حرکت زمین ← فونداسیون ← سیستم جداساز ← سازه فوقانی
در سیستم طراحیشده، جداساز میتواند:
- دوره تناوب مؤثر سیستم را افزایش دهد.
- انتقال نیرو به سازه فوقانی را کاهش دهد.
- بخشی از انرژی زلزله را مستهلک کند.
- شتاب و نیروهای وارد بر برخی اجزای سازه را کاهش دهد.
میزان این اثر کاملاً به مشخصات دینامیکی ساختمان و سیستم جداساز وابسته است.
انواع اصلی جداسازهای لرزهای
سیستمهای جداساز را میتوان بر اساس مکانیزم عملکرد به چند گروه اصلی تقسیم کرد.
۱. جداسازهای الاستومری
این جداسازها از لایههای الاستومری و صفحات تقویتی تشکیل میشوند و امکان تغییرشکل افقی کنترلشده را فراهم میکنند.
از انواع شناختهشده این گروه میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- جداساز لاستیکی لایهای
- جداساز لاستیکی با هسته سربی
در این سیستمها ترکیبی از انعطافپذیری افقی و ظرفیت قائم موردنیاز سازه تأمین میشود.
۲. جداساز لاستیکی با هسته سربی
در این نوع، هسته سربی در داخل جداساز قرار میگیرد و علاوه بر تأمین ویژگیهای موردنیاز سیستم، در فرآیند اتلاف انرژی نیز نقش دارد.
در نتیجه سیستم همزمان میتواند:
- تغییرشکل افقی ایجاد کند.
- سختی قائم مناسبی داشته باشد.
- بخشی از انرژی زلزله را مستهلک کند.
۳. جداسازهای اصطکاکی
در این سیستم، حرکت نسبی کنترلشده از طریق لغزش روی یک سطح مشخص اتفاق میافتد.
از نمونههای این خانواده میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- جداسازهای لغزشی
- سیستمهای پاندولی اصطکاکی
رفتار سیستم به عواملی وابسته است، مانند:
- نیروی اصطکاک
- شعاع انحنا در سیستمهای پاندولی
- بار قائم
- تغییرمکان طراحی
- شرایط سطح تماس
سیستمهای پاندولی اصطکاکی
در سیستم پاندولی اصطکاکی، حرکت نسبی روی یک سطح کروی انجام میشود.
این حرکت باعث ایجاد یک رفتار بازگرداننده در سیستم میشود و مشخصات دینامیکی جداساز را میتوان بر اساس ویژگیهای هندسی و اصطکاکی سیستم تعیین کرد.
این سیستمها برای پروژههایی که کنترل دقیق رفتار لرزهای اهمیت دارد، میتوانند مورد بررسی قرار گیرند.
اجزای اصلی سیستم جداسازی
یک سیستم جداسازی لرزهای معمولاً فقط شامل خود جداساز نیست.
اجزای مهم میتوانند شامل موارد زیر باشند:
- جداسازهای لرزهای
- صفحات اتصال
- صفحات نشیمن
- عناصر انتقالدهنده بار
- تکیهگاهها
- سیستمهای محدودکننده حرکت در صورت نیاز
- میراگرهای مکمل در صورت نیاز
- اتصالات سازهای
- جزئیات پیرامونی و درز جداسازی
بنابراین باید کل سیستم جداسازی و اجزای مرتبط با آن طراحی و کنترل شوند.
جداسازی لرزهای در ساختمان موجود
اجرای جداساز در یک ساختمان جدید نسبتاً سادهتر از اضافهکردن آن به ساختمان موجود است.
در ساختمان موجود، جداسازی به معنی ایجاد یک ناپیوستگی کنترلشده در مسیر انتقال نیرو است و همین موضوع اجرای آن را بسیار پیچیده میکند.
برای اجرای جداساز در ساختمان موجود باید بتوان:
- بارهای قائم ساختمان را موقتاً یا بهصورت کنترلشده منتقل کرد.
- بخشی از مسیر انتقال نیرو را اصلاح کرد.
- جداساز را در محل مناسب نصب کرد.
- بار را بهصورت کنترلشده روی سیستم جدید منتقل کرد.
- مسیر نیروهای جانبی را مجدداً تعریف کرد.
- تأسیسات و اجزای معماری متصل به ساختمان را برای حرکت نسبی آماده کرد.
به همین دلیل، این روش نیازمند طراحی و اجرای بسیار دقیق است.
محل قرارگیری جداساز
جداسازها معمولاً در تراز مشخصی در پایین سازه فوقانی قرار میگیرند.
این محل ممکن است بسته به ساختمان انتخاب شود:
- روی فونداسیون
- در تراز زیرزمین
- در تراز خاصی از سازه
انتخاب تراز جداسازی باید با توجه به موارد زیر انجام شود:
- مسیر باربری قائم
- مسیر باربری جانبی
- معماری
- تأسیسات
- دسترسی اجرایی
- امکان ایجاد حرکت نسبی
اهمیت درز جداسازی
یکی از مهمترین الزامات سیستم جداسازی، فراهمکردن فضای کافی برای تغییرمکان نسبی سازه است.
اگر ساختمان پس از نصب جداساز نتواند آزادانه تغییرمکان طراحیشده را انجام دهد، عملکرد سیستم مختل خواهد شد.
بنابراین باید مواردی بررسی شود، مانند:
- دیوارهای پیرامونی
- نما
- رمپ
- پله
- آسانسور
- لولهکشی
- کابلها
- کانالهای تأسیساتی
- ورودیها
- اتصالات بین ساختمان و اجزای مجاور
در واقع، درز جداسازی بخشی از سیستم لرزهای است، نه یک جزئیات معماری فرعی.
مسیر بار قائم
جداساز باید بارهای قائم ساختمان را با اطمینان منتقل کند.
بنابراین لازم است موارد زیر بررسی شوند:
- بارهای مرده
- بارهای زنده
- بارهای ترکیبی
- تغییرات بار در طول زلزله
- ظرفیت قائم جداساز
- تغییرشکل قائم
- پایداری جداساز
هرگونه اختلال در مسیر انتقال بار قائم میتواند پیامدهای جدی داشته باشد.
رفتار جانبی و تغییرمکان
یکی از ویژگیهای اصلی سیستم جداسازی، ایجاد تغییرمکان نسبی در محل جداساز است.
بنابراین طراحی باید ظرفیت سیستم را برای تغییرمکانهای مورد انتظار بررسی کند.
پارامترهای مهم شامل:
- تغییرمکان طراحی
- تغییرمکان حداکثر
- سختی مؤثر
- میرایی مؤثر
- نیروی جانبی
- پایداری
- بازگشتپذیری سیستم
ترکیب جداساز با میراگر
در برخی پروژهها، جداساز بهتنهایی پاسخ موردنظر را تأمین نمیکند.
در این شرایط ممکن است سیستم جداسازی با تجهیزات دیگری مانند میراگر ترکیب شود.
در این حالت:
جداساز ← کاهش انتقال و تغییر مشخصات دینامیکی
و
میراگر ← استهلاک انرژی
را بر عهده خواهد داشت.
این ترکیب باید بهعنوان یک سیستم واحد تحلیل و طراحی شود.
تأثیر جداسازی بر سازه فوقانی
پس از جداسازی، پاسخ دینامیکی سازه تغییر میکند.
ممکن است:
- شتاب سازه فوقانی کاهش یابد.
- نیروهای لرزهای کاهش پیدا کنند.
- تقاضای اعضای سازهای کاهش یابد.
- تغییرمکان در تراز جداسازی افزایش پیدا کند.
- نیاز به کنترل دقیق اجزای غیرسازهای ایجاد شود.
بنابراین نباید صرفاً کاهش نیرو را معیار موفقیت سیستم دانست؛ تغییرمکان جداساز و تمام اجزای متصل به ساختمان نیز باید کنترل شوند.
مراحل کلی مقاومسازی ساختمان موجود با جداساز
ارزیابی ساختمان
سیستم سازهای، فونداسیون، اعضا، آسیبها و وضعیت کلی ساختمان بررسی میشود.
ارزیابی امکانپذیری جداسازی
مشخص میشود که آیا ساختمان از نظر هندسی، سازهای و اجرایی قابلیت جداسازی دارد یا خیر.
انتخاب تراز جداسازی
محل مناسب قرارگیری سیستم جداساز تعیین میشود.
تحلیل دینامیکی
رفتار ساختمان قبل و بعد از جداسازی بررسی میشود.
انتخاب نوع جداساز
نوع و مشخصات جداساز بر اساس نیاز پروژه تعیین میشود.
طراحی مسیر بار قائم
جزئیات انتقال بار ساختمان به جداساز و از جداساز به فونداسیون طراحی میشود.
طراحی مسیر بار جانبی
اتصالات و اجزایی که نیروهای جانبی را منتقل میکنند طراحی میشوند.
طراحی عملیات باربرداری موقت
در ساختمان موجود، نحوه انتقال موقت بار برای نصب جداساز باید بهصورت مرحلهای و کنترلشده طراحی شود.
نصب جداسازها
جداسازها، صفحات اتصال و اجزای مرتبط نصب میشوند.
انتقال کنترلشده بار
بار سازه به سیستم جدید منتقل میشود.
آزادسازی مسیر حرکت
اجزای معماری و تأسیسات که مانع حرکت نسبی هستند اصلاح میشوند.
کنترل و ارزیابی
موقعیت، عملکرد و جزئیات سیستم کنترل و مستندسازی میشود.
کنترل کیفیت
کنترل کیفیت سیستم جداسازی باید شامل مواردی باشد، مانند:
- کنترل مشخصات جداساز
- کنترل ظرفیت قائم
- کنترل سختی مؤثر
- کنترل مشخصات میرایی
- کنترل ابعاد
- کنترل صفحات اتصال
- کنترل پیچها و اتصالات
- کنترل موقعیت نصب
- کنترل تراز بودن جداساز
- کنترل تغییرشکل اولیه
- کنترل مسیر انتقال بار
- کنترل درز جداسازی
- کنترل اجزای تأسیساتی متصل
- کنترل عملکرد پس از نصب
در پروژههای حساس، مستندسازی دقیق مشخصات، آزمونها و سوابق نصب اهمیت ویژهای دارد.
مزایای جداسازی لرزهای
- کاهش تقاضای لرزهای سازه فوقانی
- امکان کاهش نیروهای وارد بر اعضای موجود
- کاهش شتاب طبقات در شرایط مناسب
- حفاظت بهتر از تجهیزات و اجزای غیرسازهای در برخی کاربردها
- قابلیت ترکیب با سیستمهای اتلاف انرژی
- مناسب برای برخی ساختمانهای با اهمیت بالا
محدودیتها
جداسازی لرزهای یکی از پیچیدهترین روشهای بهسازی است و محدودیتهای مهمی دارد:
- پیچیدگی اجرای جداساز در ساختمان موجود
- نیاز به کنترل و انتقال بار در حین اجرا
- هزینه اولیه بالا در برخی پروژهها
- نیاز به فضای کافی برای تغییر
افزودن قاب فولادی و اعضا باربر جدید
اصلاح سیستم باربر سازه با ایجاد مسیر انتقال نیروی جدید
افزودن قاب فولادی و اعضای باربر جدید یکی از روشهای سیستممحور مقاومسازی سازه است. در این روش بهجای آنکه تمام تقاضای جدید به اعضای موجود تحمیل شود، با ایجاد اعضای سازهای جدید، بخشی از بارهای ثقلی یا جانبی به مسیر باربری جدید منتقل میشود.
این روش میتواند شامل موارد زیر باشد:
- قاب خمشی فولادی
- قاب ساده یا مهاربندیشده
- ستون فولادی جدید
- تیر فولادی جدید
- تیر انتقالی
- قاب پیرامونی
- اعضای باربر مستقل
- قابهای فولادی داخلی یا خارجی
هدف اصلی، اصلاح مسیر انتقال نیرو و توزیع مجدد تقاضا در سیستم سازهای است.
تفاوت با تقویت مستقیم اعضا
در روشهایی مانند FRP، ژاکت بتنی یا ژاکت فولادی، عضو موجود تقویت میشود.
اما در این روش:
عضو جدید ← مسیر باربری جدید ← کاهش یا بازتوزیع تقاضا در اعضای موجود
ایجاد میشود.
بنابراین این روش بیشتر در گروه تغییر و بهسازی سیستم سازهای قرار میگیرد.
اهداف اصلی
افزودن قاب یا اعضای باربر جدید میتواند برای اهداف زیر استفاده شود:
- افزایش ظرفیت جانبی ساختمان
- کاهش تغییرمکان جانبی
- کاهش تقاضای اعضای موجود
- اصلاح نامنظمی سازه
- کاهش اثر پیچش
- ایجاد مسیر باربری جدید
- کاهش تمرکز نیرو در برخی اعضا
- تقویت طبقات ضعیف
- اصلاح طبقه نرم
- ایجاد سیستم باربر جانبی جدید
- افزایش ظرفیت باربری ثقلی
- اصلاح مسیر انتقال بارهای جدید
انواع سیستمهای قابل استفاده
بسته به نیاز پروژه، میتوان از سیستمهای مختلفی استفاده کرد.
قاب خمشی فولادی
در این سیستم تیر و ستون فولادی از طریق اتصالات خمشی، نیروهای جانبی را تحمل میکنند.
قاب مهاربندیشده
قاب میتواند با مهاربندهای:
- قطری
- ضربدری
- V شکل
- V معکوس
- سایر آرایشهای مناسب
تکمیل شود.
قاب فولادی پیرامونی
در برخی پروژهها میتوان قاب جدید را در پیرامون سازه ایجاد کرد.
اعضای باربر داخلی
در صورت امکان معماری، اعضای فولادی جدید میتوانند در داخل ساختمان اضافه شوند.
ستون یا تیر جدید
گاهی مسئله محدود به یک مسیر باربری مشخص است و افزودن یک عضو جدید میتواند راهکار مناسبتری نسبت به تقویت گسترده اعضای موجود باشد.
مسیر انتقال نیرو
یکی از مهمترین موضوعات در این روش، مشخصکردن مسیر نیرو است.
برای بار جانبی، مسیر کلی میتواند به شکل زیر باشد:
زلزله ← دیافراگم کف ← اتصال به قاب جدید ← تیر و ستون/مهاربند ← پایه قاب ← فونداسیون ← خاک
برای بار ثقلی:
بار طبقات ← دال ← تیر ← ستون/عضو جدید ← فونداسیون ← خاک
اگر هر بخش از این مسیر ظرفیت کافی نداشته باشد، افزودن قاب جدید بهتنهایی راهکار کامل محسوب نمیشود.
انتخاب محل قاب جدید
محل قرارگیری قاب یکی از مهمترین تصمیمات طراحی است.
باید موارد زیر بررسی شوند:
- مرکز جرم
- مرکز سختی
- توزیع سختی
- توزیع مقاومت
- پیچش
- تغییرمکان طبقات
- مسیر انتقال نیرو
- معماری
- بازشوها
- راهروها
- پارکینگ
- تأسیسات
- وضعیت فونداسیون
قرار دادن یک قاب بسیار سخت در یک سمت ساختمان ممکن است بهجای حل مسئله، پیچش سازه را افزایش دهد.
بنابراین محل قاب نباید صرفاً بر اساس فضای خالی معماری انتخاب شود.
قابهای اضافهشده میبایست نسبت به مرکز جرم ساختمان بهصورت متقارن جایگذاری شوند.
اتصال قاب جدید به سازه موجود
قاب جدید زمانی میتواند در رفتار سازه مشارکت کند که نیروهای لازم بین سازه موجود و قاب جدید منتقل شوند.
اتصالات ممکن است شامل موارد زیر باشند:
- صفحات فولادی
- پیچهای پرمقاومت
- جوش
- انکر
- کاشت میلگرد
- تیرهای رابط
- اتصالات دیافراگمی
- سختکنندهها
ظرفیت اتصال باید متناسب با نیروی طراحی بررسی شود.
اتصال به دیافراگم
در مقاومسازی لرزهای، کف ساختمان نقش مهمی در انتقال نیروهای جانبی دارد.
اگر قاب جدید ایجاد شود ولی اتصال مناسبی بین دیافراگم و قاب وجود نداشته باشد، نیروهای لرزهای مورد انتظار به قاب منتقل نمیشوند.
بنابراین باید بررسی شود:
دال ← دیافراگم ← اتصال ← قاب جدید
ظرفیت کافی دارد یا خیر.
در صورت نیاز، ممکن است خود دال نیز به تقویت نیاز داشته باشد.
اتصال قاب جدید به فونداسیون
این بخش یکی از بحرانیترین قسمتهای روش است.
قاب جدید میتواند نیروهای قابلتوجهی را به پایه منتقل کند، از جمله:
- نیروی محوری
- برش
- لنگر واژگونی
- نیروهای کششی و فشاری
بنابراین فونداسیون موجود باید برای نیروهای جدید بررسی شود.
ممکن است نیاز باشد از موارد زیر استفاده کرد:
- بزرگکردن فونداسیون
- ژاکت فونداسیون
- فونداسیون جدید
- کلاف رابط
- شمع
- میکروپایل
تقویت طبقه نرم
یکی از کاربردهای مهم افزودن قاب جدید، اصلاح طبقهای است که نسبت به طبقات دیگر سختی یا مقاومت جانبی کمتری دارد.
در این حالت، قاب جدید میتواند:
- سختی طبقه را افزایش دهد
- تغییرمکان طبقه را کاهش دهد
- مسیر انتقال نیرو را اصلاح کند
اما نباید صرفاً یک طبقه تقویت شود و رفتار کل ساختمان نادیده گرفته شود.
تغییر ناگهانی سختی در ارتفاع میتواند توزیع نیرو را تغییر دهد.
اصلاح نامنظمی پیچشی
در برخی ساختمانها، توزیع نامناسب عناصر مقاوم جانبی باعث ایجاد پیچش میشود.
افزودن قاب جدید میتواند برای اصلاح توزیع سختی و مقاومت مورد استفاده قرار گیرد.
اما محل و مشخصات قاب باید بر اساس تحلیل سهبعدی و رفتار کل ساختمان تعیین شود.
افزودن قاب فولادی خارجی
در برخی پروژهها، امکان اجرای قاب جدید در نمای خارجی وجود دارد.
مزیت احتمالی این روش:
- کاهش تخریب داخلی
- دسترسی بهتر در برخی پروژهها
- امکان اجرای مستقلتر
- کاهش اختلال در عملکرد ساختمان
اما باید موارد زیر بررسی شوند:
- اتصال قاب به ساختمان
- انتقال نیرو از دیافراگم
- فونداسیون
- نما
- خوردگی
- حریق
- معماری
- تغییرات حرارتی
- آببندی و جزئیات پوسته ساختمان
افزودن ستون فولادی جدید
گاهی مشکل اصلی کمبود ظرفیت یک مسیر باربری است.
در این حالت میتوان ستون جدید اضافه کرد.
اما ستون جدید فقط زمانی در باربری مؤثر خواهد بود که:
بار بتواند به آن منتقل شود.
اگر ستون جدید بدون جزئیات مناسب در زیر تیر یا دال قرار گیرد، الزاماً سهم قابلتوجهی از بار را دریافت نمیکند.
در برخی پروژهها برای فعالشدن عضو جدید، نیاز به:
- جکگذاری
- باربرداری کنترلشده
- انتقال تدریجی بار
- جزئیات اتصال ویژه
وجود دارد.
افزودن تیر فولادی جدید
تیرهای جدید میتوانند برای موارد زیر استفاده شوند:
- انتقال بار
- کاهش دهانه مؤثر
- تقویت مسیر باربری
- ایجاد تکیهگاه جدید
- اصلاح بارگذاری
- اصلاح خیز
در این حالت نیز باید مشخص شود تیر جدید چگونه وارد مدار باربری میشود.
تغییر رفتار سازه
یکی از ویژگیهای مهم این روش این است که ممکن است رفتار کل سازه تغییر کند.
برای مثال، افزودن یک قاب مهاربندیشده میتواند:
- سختی جانبی را افزایش دهد؛
- تغییرمکان طبقات را کاهش دهد؛
- سهم قابهای موجود را کاهش دهد؛
- توزیع نیرو را تغییر دهد؛
- نیروهای جدیدی به فونداسیون وارد کند.
بنابراین تحلیل سازه باید بعد از اضافهکردن سیستم جدید تکرار شود.
اثر بر اعضای موجود
نباید تصور کرد که افزودن قاب جدید همیشه نیروهای اعضای موجود را کاهش میدهد.
بسته به موقعیت و سختی قاب جدید، ممکن است بعضی اعضای موجود:
- نیروی محوری بیشتری دریافت کنند
- برش بیشتری دریافت کنند
- لنگر بیشتری دریافت کنند
- یا تحت تغییرشکلهای سازگاری قرار گیرند
بنابراین بازتحلیل کامل سازه ضروری است.
اجرای قاب جدید
ترتیب کلی اجرا میتواند شامل موارد زیر باشد:
برداشت وضع موجود
هندسه، مصالح، اتصالات، آسیبها و وضعیت فونداسیون بررسی میشود.
تحلیل سازه
رفتار سازه موجود و کمبودهای آن مشخص میشود.
انتخاب سیستم جدید
نوع قاب، محل قرارگیری و نحوه اتصال تعیین میشود.
طراحی مسیر انتقال نیرو
دیافراگم، اتصالها، اعضای جدید و فونداسیون بررسی میشوند.
آمادهسازی
محل نصب و اتصالات آماده میشوند.
ساخت و نصب
قطعات فولادی ساخته و نصب میشوند.
اجرای اتصالات
پیچ، جوش، انکر و سایر جزئیات اجرا میشوند.
اتصال به دیافراگم
مسیر انتقال نیروی جانبی تکمیل میشود.
اتصال به فونداسیون
پایه قاب و فونداسیون برای انتقال نیرو تکمیل میشوند.
کنترل و ارزیابی
هندسه، اتصالات، تغییرمکانها و عملکرد سیستم کنترل میشوند.
کنترل کیفیت
کنترل کیفیت شامل مواردی است، مانند:
- مشخصات فولاد
- ابعاد قطعات
- کیفیت جوش
- پیچهای پرمقاومت
- صفحات اتصال
- انکرها
- هممحوری ستونها
- شاقولی قاب
- اتصالات دیافراگم
- اتصالات پایه
- پوشش ضدخوردگی
- حفاظت حریق
مزایا
- اصلاح سیستم سازهای بدون تقویت تکتک اعضا
- ایجاد مسیر باربری جدید
- کاهش تقاضا در برخی اعضای موجود
- امکان افزایش سختی جانبی
- امکان اصلاح طبقه نرم
- امکان اصلاح توزیع سختی
- قابلیت استفاده از قابهای فولادی پیشساخته
- امکان اجرای قاب خارجی در برخی پروژهها
محدودیتها
- نیاز به تحلیل کامل سازه
- احتمال افزایش نیرو در برخی اعضا
- نیاز احتمالی به تقویت فونداسیون
- نیاز به اتصال مناسب به دیافراگم
- محدودیت معماری
- افزایش وزن
- نیاز به حفاظت خوردگی و حریق
- پیچیدگی اتصالات
- احتمال تغییر مسیر نیرو در سازه
چه زمانی این روش انتخاب مناسبی است؟
افزودن قاب فولادی یا اعضای باربر جدید میتواند گزینه مناسبی باشد زمانی که:
- ضعف سازه ماهیت سیستماتیک دارد
- تعداد زیادی از اعضای موجود نیازمند تقویت هستند
- ایجاد یک مسیر باربری جدید اقتصادیتر از تقویت گسترده اعضاست
- طبقه نرم یا ضعف موضعی در ارتفاع ساختمان وجود دارد
- تغییرمکان جانبی زیاد است
- امکان ایجاد قاب جدید در معماری وجود دارد
- فونداسیون و مسیر انتقال نیرو قابلیت اصلاح دارند
اصل کلیدی
وقتی یک عضو جدید به سازه اضافه میشود، فقط ظرفیت سازه را تغییر نمیدهیم؛ مسیر انتقال نیرو و رفتار کل سیستم را تغییر میدهیم.
بنابراین این روش باید با نگاه سیستم سازهای طراحی و اجرا شود، نه صرفاً با نگاه عضو.
استفاده از سیستم های ترکیبی و هیبریدی
تعریف و جایگاه روش
سیستم ترکیبی مقاومسازی به رویکردی گفته میشود که در آن دو یا چند روش مقاومسازی، بهصورت هدفمند و بر اساس تحلیل مهندسی، برای بهبود عملکرد یک عضو یا کل سازه با یکدیگر ترکیب میشوند.
هدف از ترکیب روشها، صرفاً افزایش تعداد اجزای تقویتی نیست؛ بلکه استفاده از قابلیتهای مکمل آنها برای رفع محدودیتهایی است که ممکن است با اجرای یک روش منفرد برطرف نشوند.
برای مثال، یک روش ممکن است ظرفیت خمشی تیر را افزایش دهد، درحالیکه روش دیگری برای بهبود محصورشدگی ستون، اصلاح اتصال یا کاهش تغییرمکان جانبی سیستم انتخاب شود. در این شرایط، هر روش باید نقش مشخصی در عملکرد نهایی داشته باشد و نحوه تعامل اجزا از نظر مقاومت، سختی، شکلپذیری، انتقال نیرو و توالی اجرا بررسی شود.
اصل اساسی: ترکیب چند روش، بهخودیخود موجب عملکرد بهتر نمیشود. اگر سازگاری مکانیکی، توزیع نیرو و توالی اجرای سیستم بهدرستی طراحی نشود، ترکیب روشها میتواند به تمرکز تنش، انتقال نامطلوب نیرو یا ایجاد حالت شکست جدید منجر شود.
اهداف استفاده از سیستمهای ترکیبی
سیستمهای ترکیبی ممکن است برای دستیابی به یک یا چند هدف زیر انتخاب شوند:
- افزایش همزمان ظرفیت باربری و سختی سازه.
- بهبود مقاومت و شکلپذیری در نواحی مختلف سیستم.
- رفع ضعفهایی که با یک روش منفرد قابل اصلاح نیستند.
- کاهش تغییرمکان جانبی همراه با کنترل تقاضای نیرو در اعضا.
- تقویت اعضای آسیبدیده و اصلاح سیستم باربر جانبی بهصورت همزمان.
- ایجاد مسیر انتقال نیرو میان اجزای جدید و سازه موجود.
- کاهش محدودیتهای معماری یا اجرایی از طریق انتخاب ترکیبی از روشهای موضعی و سیستمی.
- بهبود عملکرد سازه در برابر مجموعهای از مسائل مانند ضعف اعضا، ضعف اتصالات و نامناسب بودن مسیر انتقال نیرو.
دستهبندی سیستمهای ترکیبی
ترکیب روشها را میتوان بر اساس هدف، مقیاس مداخله و نوع مکانیزم عملکرد دستهبندی کرد.
| نوع ترکیب | نمونه روشها | هدف اصلی | ملاحظات کلیدی |
|---|---|---|---|
| ترکیب روشهای مقاومسازی یک عضو | ژاکت بتنی و FRP | افزایش ظرفیت عضو و بهبود برخی ویژگیهای رفتاری | توالی اجرا، پیوستگی، مهار و سازگاری تغییرشکل |
| ترکیب تقویت عضو و اتصال | تقویت تیر یا ستون همراه با تقویت گره | جلوگیری از باقی ماندن ضعف در ناحیه اتصال | بررسی سلسلهمراتب مقاومت و شکلپذیری |
| ترکیب روش موضعی و سیستمی | FRP یا ژاکت اعضا همراه با مهاربند یا دیوار برشی جدید | اصلاح ظرفیت اعضا و رفتار کلی سازه | بازتوزیع نیرو و کنترل فونداسیون |
| ترکیب تقویت و کنترل پاسخ | تقویت اعضا همراه با میراگر | تأمین ظرفیت اعضا و کاهش تقاضای لرزهای | تحلیل دینامیکی و طراحی اتصالات |
| ترکیب مقاومسازی و اصلاح پی | افزودن دیوار برشی یا قاب جدید همراه با تقویت فونداسیون | تأمین مسیر انتقال نیرو تا زمین | اندرکنش سازه و خاک و توالی انتقال بار |
| ترکیب روشهای ترمیم و مقاومسازی | ترمیم بتن و آرماتور همراه با FRP یا ژاکت | اصلاح آسیب اولیه و ارتقای عملکرد عضو | رفع علت آسیب پیش از اجرای تقویت |
| ترکیب روشهای تقویت پی | افزایش ابعاد فونداسیون همراه با شمع یا ریزشمع | افزایش ظرفیت و اصلاح مسیر انتقال بار | سختی نسبی، توزیع بار و رفتار گروهی |
| ترکیب سیستمهای کنترلی | جداساز لرزهای همراه با میراگرهای مکمل | کنترل پاسخ لرزهای در محدوده عملکرد طراحی | جابهجایی جداسازی، نیروهای انتقالی و سازگاری دینامیکی |
این ترکیبها نمونههایی از گزینههای قابل بررسی هستند، نه نسخههای عمومی و مناسب برای همه سازهها.
نمونههای کاربردی در مقاومسازی سازه
ژاکت بتنی همراه با FRP
در این ترکیب، ابتدا آسیب بتن و وضعیت آرماتورها ارزیابی و اصلاح میشود. سپس، بر اساس هدف طراحی، افزایش مقطع با ژاکت بتنی و استفاده از FRP برای بخشهایی از عملکرد عضو بررسی میشود.
کاربرد احتمالی:
- اصلاح ظرفیت خمشی یا برشی عضو.
- بهبود محصورشدگی در نواحی واجد شرایط.
- رفع بخشی از محدودیتهای روش منفرد.
موارد ضروری:
- طراحی انتقال نیرو بین بتن موجود و جدید.
- بررسی مهار و خاتمه FRP.
- کنترل اثر افزایش ابعاد و وزن.
- ارزیابی سختی و نیروهای منتقلشده به اعضای مجاور.
ژاکت فولادی همراه با تقویت اتصال
در این روش، عضو با اجزای فولادی تقویت میشود و اتصالات مرتبط نیز بهصورت مستقل طراحی و اصلاح میشوند.
این ترکیب زمانی قابل بررسی است که افزایش ظرفیت عضو بدون اصلاح اتصال، موجب ایجاد ضعف در مسیر انتقال نیرو شود.
نکات اصلی:
- طراحی اتصال اجزای تقویتی به عضو موجود.
- کنترل جوش، پیچ، مهار و اجزای مجاور.
- بررسی خوردگی و حفاظت در برابر حریق، حسب نیاز.
- اطمینان از انتقال نیرو در ناحیه اتصال و انتهای تقویت.
تقویت اعضا همراه با افزودن دیوار برشی یا مهاربند
در برخی سازهها، ضعف صرفاً به ظرفیت اعضای منفرد محدود نیست و سیستم باربر جانبی نیز به اصلاح نیاز دارد.
در این شرایط، ممکن است افزودن دیوار برشی یا مهاربند با تقویت موضعی تیرها، ستونها، اتصالات یا دیافراگم همراه شود.
تحلیل باید مشخص کند:
- سیستم جدید چه سهمی از نیروهای جانبی را جذب میکند.
- نیروهای منتقلشده به اعضای موجود چگونه تغییر میکنند.
- آیا دیافراگم و کلکتورها توان انتقال نیرو را دارند.
- آیا فونداسیون برای نیروهای جدید کافی است.
- آیا تغییر سختی موجب پیچش یا تمرکز تقاضا در بخش دیگری از سازه میشود.
تقویت اعضا همراه با نصب میراگر
در این رویکرد، تقویت موضعی برای رفع ضعفهای ظرفیت یا جزئیات سازهای انجام میشود و میراگرها با هدف کنترل پاسخ و اتلاف انرژی به سیستم افزوده میشوند.
میراگر جایگزین خودکار مقاومسازی اعضای آسیبپذیر نیست. اعضا، اتصالات و مسیرهای انتقال نیرو باید برای تقاضاهای حاصل از تحلیل سیستم ترکیبی بررسی شوند.
اصلاح پی همراه با تقویت روسازه
اگر افزودن دیوار برشی، مهاربند یا قاب جدید موجب افزایش نیروهای منتقلشده به فونداسیون شود، ممکن است اصلاح پی نیز بخشی از راهکار باشد.
گزینهها میتوانند شامل افزایش ابعاد فونداسیون، اتصال فونداسیونهای مجاور، استفاده از شمع یا ریزشمع و سایر راهکارهای ژئوتکنیکی متناسب با شرایط پروژه باشند.
در این حالت، طراحی روسازه و پی نباید بهصورت دو مسئله مستقل انجام شود؛ زیرا عملکرد نهایی به سازگاری آنها و رفتار خاک وابسته است.
اصول تحلیل و طراحی سیستم ترکیبی
۱. تعریف نقش هر روش
پیش از انتخاب سیستم ترکیبی، باید مشخص شود هر جزء چه مسئلهای را حل میکند. برای نمونه، یک روش ممکن است برای افزایش ظرفیت، روش دیگر برای اصلاح شکلپذیری و جزء سوم برای انتقال نیرو به فونداسیون به کار رود.
اگر نقش یک جزء در عملکرد نهایی مشخص نباشد، ضرورت استفاده از آن باید دوباره ارزیابی شود.
۲. تحلیل سازگاری سختی و تغییرشکل
روشهای مختلف ممکن است سختی، ظرفیت و رفتار غیرخطی متفاوتی داشته باشند. در نتیجه، نحوه توزیع نیرو میان آنها به رفتار واقعی سیستم وابسته است.
باید موارد زیر بررسی شوند:
- سختی نسبی اعضا و اجزای تقویتی.
- سازگاری تغییرشکل میان اجزای جدید و موجود.
- احتمال تمرکز تنش در انتهای تقویت یا محل اتصال.
- اثر ترکخوردگی، لغزش، تسلیم یا افت سختی.
- تغییرات رفتار سیستم در طول مراحل اجرا و بهرهبرداری.
۳. کنترل مسیر انتقال نیرو
مسیر انتقال نیرو باید از محل ورود بار تا اعضای باربر، اتصالات، فونداسیون و خاک پیوسته و قابل اتکا باشد.
تقویت موضعی یک عضو بدون کنترل اجزای رابط میتواند باعث شود جزء تقویتشده نیروهای بیشتری جذب کند، اما اتصال یا فونداسیون توان انتقال آن نیروها را نداشته باشد.
۴. کنترل توالی اجرا
در بسیاری از سیستمهای ترکیبی، نتیجه نهایی به ترتیب اجرای روشها وابسته است.
برای مثال، اگر یک عضو تحت بار تقویت شود، ممکن است اجزای جدید سهم محدودی از بارهای موجود را جذب کنند؛ مگر اینکه طرح اجرا شامل باربرداری، جکگذاری یا انتقال کنترلشده بار باشد.
بنابراین، وضعیت بارگذاری در هر مرحله، زمان فعالشدن اجزای جدید و محدودیتهای بهرهبرداری باید در طراحی و روش اجرایی لحاظ شوند.
۵. بررسی عملکرد کل سازه
ارزیابی نباید فقط به ظرفیت اعضای تقویتشده محدود شود. در مقاومسازی لرزهای، رفتار کلی سازه، تغییرمکان جانبی، پیچش، توزیع تقاضا، شکلپذیری، دیافراگم و فونداسیون باید در محدوده موردنیاز بررسی شوند.
مراحل اجرایی سیستمهای ترکیبی
مرحله اول: شناخت شرایط موجود
- جمعآوری نقشهها و اطلاعات ساخت.
- برداشت هندسه و وضعیت آسیب.
- بررسی اعضا، اتصالات، پی و شرایط خاک، متناسب با مسئله.
- شناسایی محدودیتهای معماری، بهرهبرداری و دسترسی.
مرحله دوم: تشخیص مسئله و تعیین اهداف
- تعیین سازوکارهای اصلی ضعف.
- تفکیک مشکلات عضو، اتصال، سیستم باربر و فونداسیون.
- تعیین معیارهای عملکرد و سطح ریسک.
- مشخصکردن اولویتهای اجرایی و محدودیتهای پروژه.
مرحله سوم: توسعه گزینههای مقاومسازی
- تعریف روشهای منفرد قابل استفاده.
- شناسایی محدودیتهای هر روش.
- تدوین ترکیبهای قابل بررسی.
- تعیین نقش هر جزء و ارتباط آن با اجزای دیگر.
مرحله چهارم: تحلیل و طراحی
- تحلیل سازه در شرایط موجود و شرایط تقویتشده.
- بررسی بازتوزیع نیرو و سازگاری تغییرشکل.
- طراحی اعضا، اتصالات، دیافراگم و فونداسیون مرتبط.
- بررسی مراحل ساخت و انتقال بار.
- تدوین مشخصات فنی و معیارهای کنترل کیفیت.
مرحله پنجم: برنامهریزی و اجرای مرحلهای
- تعیین توالی عملیات و نقاط توقف کنترلی.
- اجرای تعمیرات اولیه و آمادهسازی بستر.
- اجرای اجزای تقویتی مطابق توالی مصوب.
- کنترل اتصالات و مسیرهای انتقال نیرو پیش از پوشاندن آنها.
- ثبت انحرافات و اعمال اصلاحات تأییدشده.
مرحله ششم: کنترل کیفیت و ارزیابی عملکرد
- انجام بازرسیها و آزمونهای متناسب با هر روش.
- بررسی تطابق اجرا با نقشهها و مشخصات فنی.
- ارزیابی شرایط نهایی اعضا و اتصالات.
- پایش رفتار سازه در صورت نیاز.
- مقایسه رفتار مشاهدهشده با معیارهای عملکرد طراحی.
کنترل کیفیت و مدارک موردنیاز
برای مدیریت سیستم ترکیبی، کنترل کیفیت باید برای هر جزء و همچنین برای ارتباط میان اجزا تعریف شود.
مدارک اصلی عبارتاند از:
- گزارش ارزیابی و تشخیص اولیه.
- گزارش تحلیل گزینهها و دلایل انتخاب راهکار.
- محاسبات و نقشههای اجرایی هر جزء.
- نقشه مسیرهای انتقال نیرو و جزئیات اتصالات.
- برنامه توالی اجرا و انتقال بار.
- مشخصات مصالح و سوابق تأیید آنها.
- گزارش بازرسی و آزمونهای هر روش.
- ثبت عدم انطباقها و اقدامات اصلاحی.
- مستندات ارزیابی نهایی و برنامه پایش، در صورت نیاز.
محدودیتها و خطاهای رایج
- ترکیب روشها بدون تعریف روشن از نقش هرکدام.
- انتخاب چند روش صرفاً برای افزایش ظاهری سطح مقاومسازی.
- نادیدهگرفتن تغییر توزیع نیرو پس از افزودن اجزای جدید.
- تقویت اعضا بدون کنترل اتصالات، دیافراگم و فونداسیون.
- عدم توجه به توالی اجرا و وضعیت بارگذاری در زمان نصب.
- فرض اینکه افزایش ظرفیت موضعی الزاماً به بهبود رفتار کل سازه منجر میشود.
- افزایش غیرضروری هزینه و پیچیدگی اجرایی بدون مقایسه گزینههای جایگزین.
- نبود معیارهای مشخص برای پذیرش هر جزء و عملکرد نهایی سیستم.
مراجع فنی قابل بررسی
مراجع مورد استفاده به نوع سازه و روشهای ترکیبشده بستگی دارند. از جمله:
- ACI 562 — ارزیابی، تعمیر و مقاومسازی سازههای بتنی موجود.
- ACI 318 — الزامات طراحی سازههای بتنآرمه.
- ACI 440.2R — راهنمای طراحی و اجرای تقویت خارجی بتن با FRP.
- AISC 360 — طراحی سازههای فولادی.
- AISC 341 — الزامات لرزهای سازههای فولادی.
- ASCE/SEI 41 — ارزیابی لرزهای و مقاومسازی ساختمانهای موجود.
- استانداردها و ضوابط مرتبط با میراگرها، جداسازهای لرزهای، مهارها و بهسازی ژئوتکنیکی، متناسب با راهکار منتخب.