اصول مقاوم سازي ساختمانها
اصول مقاوم سازي ساختمانها
1- مقدمه
بارهاي غير مترقبه يا غيرمعمول شامل بارهايي ميباشند كه در روشهاي متداول، سازه معمولاً براي آنها طراحي نميگردد. دو گروه عمدة اين بارها عبارتند از:
1- بارگذاري ناشي از انفجار
2- بارگذاري ناشي از ضربه و تصادم
انفجار ممكن است در داخل يا خارج ساختمان روي دهد. اين انفجارها ميتواند ناشي از عواملي نظير موارد ذيل باشد:
1- انفجار بمب
2- انفجار و مشتعل شدن گاز
3- حمل و نقل مواد شيميايي منفجر شونده يا گاز
4- ملموس ترين نمونه از بار ضربهاي، تصادم وسائط نقليه با سازه مي باشد.
در اين مقاله ، عملكرد اجزاي ساختمان در برابر بارگذاري ناشي از اين قبيل انفجارها و تصادم بررسي ميشود.
نتايج حاصل از تحقيقات انجام گرفته بر روي نحوة بارگذاري انفجار و بررسي ميداني انجام شده بر روي حجم و ميزان خرابيهاي بوجود آمده در حوادث روي داده نشان ميدهد كه بار ناشي از انفجار و تصادم از يك طبيعت ديناميك برخوردار ميباشد، اما در هنگام طراحي اغلب آن را بصورت استاتيكي فرض كرده و كنترل ها بر آن مبنا انجام ميگيرد.
طرحي سقفها، ديواره ها و اتصالات مربوط به نحوي كه مانع فروپاشي و انهدام ساختمان گردد از اهميت به سزائي برخوردار است. در اين مقاله هدف ارائه روشهايي براي ايمن سازي ساختمانهاي مسكوني آجري در مقابل انفجار و تصادم است. براي تحقق اين هدف مطالعات در چند مرحله انجام ميگيرد.
نخست سعي مي گردد، ساختمانهاي بنايي رايج در كشور دستهبندي گردد و مشخصات فني آنها بويژه از ديدگاه انفجار و تصادم، مورد بررسي واقع شود. سپس كوشش خواهد شد تا بر اساس روشهاي متداول و استاندارد براي آناليز و طراحي ساختمانهاي آجري، عملكرد آنها در برابر انفجار و تصادم و نقاط ضعف احتمالي در طراحيهاي معمول Kآنها در آنهامورد مطالعه قرار گيرد.
در نهايت ، بر اساس مباحث بعمل آمده، توصيههايي براي بهبود رفتار و مقاومسازي ساختمانهاي بنايي عرضه خواهد شد.
2- دستهبندي ساختمانهاي آجري
ساختمانهاي بنايي شامل كلية ساختمانهايي است كه با مصالح فشاري نظير آجر، بلوك بتني، سنگ خشت و امثالهم و ملات بنا گرديده و ديوارهاي ضخيم باربر در آنها مسئوليت انتقال وزن سازه و سربارهاي موجود را به شالوده دارند. در ميان انواع ساختمانهاي بنايي، ساختمانهاي آجري بويژه در شهرها از فراواني بيشتري نسبت به ساير انواع برخوردار ميباشند و لذا تكية اصلي بحث بر روي اين قبيل ساختمانها ميباشد.
بطور كلي ساختمانهاي بنايي به چهار گروه تقسيم ميگردند.
1- ساختمانهاي بنايي غيرمسلح
2- ساختمانهاي بنايي نيمه مسلح
3- ساختمانهاي بنايي مسلح
4- ساختمانهاي بنايي مركب
خصوصيات كلي اين چهار نوع ساختمان، به اختصار بشرح زير ميباشد:
1- ساختمانهاي بنايي غير مسلح
اين قبيل ساختمانها قديميترين و متداولترين نوع ساختمان را در كشور تشكيل ميدهند و در اكثر شهرها و روستاها بچشم ميخورند. اين ساختمانها در روستاها با استفاده از مصالح محلي مانند خشت خام يا سنگهاي رودخانهاي و با بكارگيري ملات گل ساخته شده و سقف آنها بصورت گنبدي از خشت خام يا تيرهاي چوبي پوشيده از گل بنا شده است. اما در شهرها اكثراً از آجرهاي فشاري با كيفيت متوسط، و در برخي موارد از بلوكهاي بتني همراه با ملات ماسه سيمان بنا ميگردند، و پوشش سقفها را تير آهن يا تيرچه بلوك، و در ساختمانهاي قديمي تر الوارهاي چوبي، تشكيل مي دهند. در اين ساختمانها، يعني ساختمانهاي بنايي غير مسلح، آنچه بطور عمده مقاومت لازم را در برابر بارهاي جانبي عمود بر صفحه ديوار تأمين مينمايد، ديوارهاي برگشتي موجود است. در تصاوير (1) و (2) نمونه هايي از اين ساختمانها مشاهده ميگردد كه پوشش سقف اولي با استفاده از سيستم تيرآهن و طاق ضربي و ديگري با بكارگيري تيرچههاي پيش ساخته مسلح و بلوكهاي بتني، انجام شده است.
در احداث اين قبيل ساختمانها اكثراً نكات اجرايي بسياري ناديده گرفته ميشود از جمله اين موارد ميتوان به نكات زير اشاره نمود:
1- عدم اجراي ديوارهاي برگشتي در انتهاي ديوارهاي باربر و طول كوتاه آنها در صورت اجرا كه عملكرد مناسبي را از خود نشان نخواهد داد.
2- اتصال نامناسب ديوارهاي باربر با ديوارهاي عمود بر امتداد آنها به نحوي كه مانع عملكرد ديوارهاي مذكور بصورت پشت بند خواهد شد. اين قبيل ديوارها يا بايد بصورت هشتگير و با قفل و بست كافي و بطور همزمان احداث گردند و يا آنكه بوسيله ميل مهارهاي كافي به يكديگر دوخته شوند.
3- عدم اجراي زير سري مناسب براي قرار د ادن سيستم سقف بر روي ديوارهاي باربر كه موجب انتقال و پخش نامناسب بارها از سقف به ديوار و بروز تركهاي برشي در ديوار باربر و در زير نقاط اعمال بار مي گردد. همچنين اين امر باعث عدم پيوستگي كافي مابين سقف و ديوار گرديده و سقف در برابر بارهاي جانبي ميتواند از روي ديوار فرار نمايد. در ضمن همانطور كه در ادامه تشريح خواهد شد، ديوارهاي باربر كناري بدليل عدم اتصال كافي به سقف، بصورت طره عمل نموده و ارتفاع مؤثر آنها در عمل بيش از ارتفاع واقعي ديوار خواهد شد. تصوير(3) نمونة مستندي از فرار ديوار باربر از زير سقف طاق ضربي و عملكرد طرهاي ديوار در زلزلة سال 1369 در شهر منجيل را نمايش مي دهد. قفل و بست ناچيز ديوار برگشتي نتوانسته است مانع فرار ديوار گردد.
2- ساختمانهاي بنايي نيمه مسلح
اين دسته از ساختمانهاي بنايي مشابه گروه قبل ميباشند با اين تفاوت كه جهت بهبود رفتار آنها در برابر بارهاي جانبي و تأمين پيوستگي سقف از عناصري مانند كلاف فوقاني و تحتاني استفاده ميگردد. وجود اين كلافها كه بايد بطور پيوسته دور تا دور ساختمان را فرا گيرد اتصال سقف و ديوارهاي باربر را بهبود ميبخشد و با ايجاد تكيهگاه مناسب براي پانلهاي ديوار، ارتفاع مؤثر ديوار را در حدود ارتفاع واقعي آن قرار ميدهد.
در تصوير (4) نمونه اي از اين قبيل ساختمانها ملاحظه ميگردد. چنانچه مشاهده ميشود در اين ساختمان از كلاف افقي تراز سقف بعنوان زير سري استفاده شده است و تيرآهنهاي سقف طاق ضربي بر روي آن قرار گرفته است. در اين روش اجرايي اگر چه بدليل عدم مهار تيرآهنهاي سقف به تكيهگاههاي جانبي پيوستگي مناسبي در دال سقف ايجاد نميگردد، اما بخاطر وجود كلاف يكپارچة محيطي، ساختمان در برابر بارهاي جانبي استحكام بيشتري نسبت به ساختمانهاي گروه قبل خواهد داشت. ] لازم به ذكر است اين ساختمان پس از زلزلة سال 69 منجيل، سالم برجا مانده است[
3- ساختمانهاي بنايي مسلح
در صورتي كه علاوه بر تعبية كلافهاي افقي در تراز پي و سقف ساختمان بنايي، با بكارگيري كلافهاي قائم در ديوارهاي باربر، كلافهاي مذكور را به يكديگر مرتبط نموده و يا به كمك ميلگردهاي افقي و قائم ديوارهاي برشي تسليح گردند، ساختمان بنايي مسلح ميگردد و بخاطر وجود اين كلاف بندي، سازه قادر به عملكرد خمشي و برشي خواهد بود. بكارگيري شبكه هاي ميلگرددرديوارهاي قائم گرچه مناسبترين رفتار را دربرابربارهاي جانبي درون صفحه اي و عمود بر آن بوجود ميآورد، اما بدليل صعوبت اجرا و هزينههاي نسبتاً بالا، كمتر مورد توجه واقع شدهاند. بهر حال، آنچه بعنوان يك حداقل در ساخت ساختمانهاي بنايي الزام شده است، بكارگيري كلافهاي افقي و قائم متصل به يكديگر است.
لازم به ذكر است كه اين قبيل ساختمانها را نبايد با ساختمانهاي اسكلت فلزي و بتني كه در آنها اسكلت باربر مسئوليت انتقال بارها را بر عهده دارد، و ديوارها بصورت ميانقابهاي پركننده بكار مي روند. اشتباه گرفت.
عملكرد اين ساختمانها، بعلت نحوة متفاوت ساخت آنها، با يكديگر فرق اساسي دارد؛ بطوري كه در ساختمانهاي با اسكلت باربر پس از احداث اسكلت، قابهاي خارجي به وسيله مصالح بنايي پر ميگردد. اما در ساختمانهاي بنايي مسلح، اجراي كلافهاي قائم و يا ستونها غالباً بطور همزمان با اجراي ديوارهاي باربر انجام ميگيرد و پس از اتمام احداث ديوارهاي خارجي كلاف افقي فوقاني، در تراز سقف بر روي ديوارها قرار گرفته و به كلافهاي قائم متصل ميشود. مثالي از اين نحوه اجرا در تصوير (7) مشاهده ميگردد.
اجراي مناسب اين نوع از ساختمانهاي بنايي مي تواند مانع بروز معايبي كه براي ساختمانهاي بنايي غيرمسلح بر شمرده شده، گردد و بر آن اساس يكپارچگي و استحكام كافي براي سازه بنايي فراهم ميآيد.
ايجاد تكيهگاه مناسب براي پانلهاي ديوار و سقف، توزيع و انتقال بارهاي ثقلي و جانبي توسط سقف و ديوارهاي پيوسته، و افزايش پايداري كلي سازه در برابر بارهاي مختلف، مزيتهاي اجراي صحيح ساختمانهاي بنايي مسلح ميباشد.
4- ساختمانهاي بنايي مركب
تركيب يكي از سه سيستم فوق با اسكلت بندي معمولاً فلزي و بندرت بتني كه اكثراً براي افزايش فضاي مفيد ساختمان انجام مي گيرد، ساختمانهاي بنايي مركب را تشكيل مي دهد. هزينة اجرايي اين قبيل ساختمانها كه داراي ديوارهاي خارجي باربر ميباشند به مراتب از سازههاي اسكلت فلزي يا بتني كمتر ميباشد. در فضاي داخلي ساختمانهاي بنايي مركب، براي اجتناب از ديوارهاي حائل حجيم باربر، از ستونهاي فلزي يا بتني استفاده ميگردد و در نتيجه بارهاي ثقلي توسط هر دو سيستم ديوار باربر و اسكلت بندي به شالوده منتقل ميشود. اما تحمل بارهاي جانبي بدليل اتصالات مفصلي تيرها به ستونها، تنها بر ديوارها باربر جانبي محلول ميگردد تا با عملكرد برشي خود مانع بروز خرابي در سازه گردند. اجراي اين قبيل ساختمانها كه حجم وسيعي از ساختمانهاي بنايي موجود در شهرها را در برگرفته و غالباً بصورت يك يا دو طبقه و در سازه قديميتر حتي تا چهار طبقه نيز احداث گرديدهاند، نيازمند رعايت اصول فني مربوط به هر دو سيستم ديوار و اسكلت باربر بوده و تمهيدات كافي جهت ايجاد پيوستگي لازم در اتصالات و يكپارچگي سازه بايد در نظر گرفته شود. تصاوير (5) تا (7) نمونهاي از اين ساختمانها را نمايش ميدهند كه به ترتيب ساختمان بنايي غير مسلح، نيمه مسلح و مسلح با اسكلت فلزي داخلي ساختمان تشكيل شدهاند، كه حالت اخير، مستحكمترين سازه بنايي مركب را ايجاد مينمايد.
وجود سيستم باربر مقاوم و مناسب در ساختمان تا حدودي زيادي از فروپاشي و تخريب كامل ساختمان جلوگيري مي نمايد. بدين ترتيب ساختمانهاي بنايي غير مسلح و نيمه مسلح، در مقايسه با ساير انواع ساختمانها، كمترين مقاومت را در برابر بارهاي غير مترقبه و به خصوص انفجار و تصادم از خود نشان خواهند داد. اگر در اين ساختمانها ديوارهاي برگشتي اجرا نشده و يا به خوبي به ديوارهاي باربر متصل نگردند، ديوارها باربر خارجي كه تنها شامل پوشش سقف ساختمان ميباشد، بصورت دال يك طرفهاي در راستاي ضعيف ديوار، يعني عمود بر درزهاي افقي ديوار، عمل نموده و در صورتي كه بارگذاري ناشي از انفجار بر مقاومت ديوار غلبه نمايد، ديوار و در پي آن سقف سازه فرو ميريزد. همچنين عدم اتصال مناسب سيستم سقف سازه به ديوارهاي باربر اطراف، به خصوص در ساختمانهاي بنايي غيرمسلح كه فاقد كلاف افقي ميباشند، امكان حركت نسبي سقف از روي ديوارها و فروريزي آن را افزايش ميدهد.عدم پيوستگي سقف وديوارها موجب عملكردطرهاي ديوار گرديده و برامكان حركت نسبي سقف و ديوار ميافزايد. اين مسئله در تصوير (8) بطور شماتيك نمايش داده شده است.
سازه هاي بنايي مسلح بشرط اجراي صحيح و مناسب جزئيات اجراي مربوط و حصول پيوستگيهاي مورد نياز در اتصالات، كاملترين نوع سازه بنايي را تشكيل مي دهند. نحوه صحيح اجراي جزئيات مذكر در اكثر مراجع معتبر اجرايي مانند دستورالعملهاي منتشره از سوي سازمان برنامه و بودجه، ذكر شده اند. در اين دسته از سازههاي بنايي وجود كلافهاي افقي و قائم عملكرد سازه را در برابر نيروهاي جانبي درون صفحهاي و عمود بر صفحه به ميزان قابل توجهي بهبود مي بخشند.
كلافهاي افقي پيوستگي مورد نياز را در سيستم سقف فراهم نموده و از فروريزي آن تا حد زيادي ممانعت مي نمايد؛ و اتصال مناسب كلافهاي افقي و قائم به ديوار، عملكرد ديوار را به سمت دال تختي با تكيه گاههاي ساده در چهار طرف متمايل ميكند.
چنانكه ذكر شد ، محصور شدن ديوارهاي باربر در كلافهاي پيرامون آن، نه تنها بر توانايي مقاومت ديوار در بربر بارهاي غيرمترقبهاي ميافزايد بلكه در افزايش توان خمشي و برشي ديوار در مقابله با بارهاي درون صفحه اي به ويژه نيروهاي ناشي از زلزله، مؤثر ميباشد.
ساختمانهاي بنايي مركب، كه آخرين گروه از طبقهبندي انجام گرفته را تشكيل ميدهند. شرايط بسيار متغيري دارند؛ و بر حسب آنكه از تركيب كداميك از سه گروه پيشين سازههاي بنايي، با اسكلت فلزي يا بتني ايجاد شده باشند، در برابر بارهاي غير مترقبه عملكرد خاصي از خود نشان ميدهند. اين نوع از ساختمانها بدليل اتصال نسبتاً مقاوم تيرهاي سقف با ستونهاي داخلي كمتر دچار ريزش سقف در فضاهاي مياني ميگردند.
3- روشهاي مقاوم سازي ساختمانهاي آجري در برابر بارهاي غيرمترقبه
3-1- روشهاي طراحي
همواره ممكن نيست تا آناليز يك سازة معمولي را براي تحمل بارهاي غيرمترقبهاي ماند تصادم وسائط نقليه و يا انفجار بمب و امثالهم انجام دادن، زيرا مكان و حجم بارگذاري ناشي از بروز چنين حوادثي معمولاً غير قابل پيشبيني است، از طرفي در بسياري از موارد طراحي اعضايي كه توان تحمل چنان نيروهايي را داشته باشند پرهزينه و غيراقتصادي خواهد بود. با وجود اين، ناديده گرفتن خطر بارهاي غير مترقبه در طراحي ساختمانها نيز ميتواند به عواقب غيرقابل قبولي بيانجامد.
البته ميتوان بحرانيترين فضاها را كه بيشترين ميزان وقوع حوادث را بخود اختصاص مي دهند، تعيين نمود و مقاوم سازي سازه را حداقل براي آن فضاها انجام داد.
در واقع پس از حادثة انفجار در طبقة هجدهم ساختمان پانلي Ronan Point در سال 1968، در لندن، و فرار يكي از پانلهاي خارجي طبقة مذكور، فروپاشي پنج طبقه بالاي آن كه موجب بروز خرابي پيش رونده تا طبقة همكف ساختمان گرديد، توجه محققان بر طراحي ساختمانهاي مقاوم در برابر چنين بارهاي غيرمترقبهاي معطوف گرديد.
روشهاي مختلف جهت كاهش اثرات مخرب بارهاي غيرمترقبه بصورت زير دستهبندي ميگردند:
1- طراحي براي جلوگيري از وقوع يا محدود ساختن خطر بارهاي غير مترقبه
2- طراحي در برابر بارهاي غير مترقبه به روش غير مستقيم
3- طراحي دربرابربارهاي غيرمترقبه به روش مستقيم يك طراح بسته به ماهيت طرح سازه، اهميت آن واحتمال بروزحوادث غيرمترقبه وهمچنين اطلاعات و آگاهيهاي موجود، مي تواند يكي از اين روشهاي طراحي را كه درذيل تشريح خواهند شد، انتخاب نموده و بكار بندد.
3-2- طراحي براي جلوگيري از وقوع يا محدود ساختن خطر بارهاي غيرمترقبه
مقصود از اين قسم طراحي آن است كه احتمال بروز خرابي در سازه با حذف يا دور نمودن علل و منابع وقوع حادثه به حداقل برسد. بدين معني كه مثلاً با ممانعت از ذخيره مواد قابل انفجار در ساختمان از وقوع انفجارهاي مخرب پيشگيري شود و يا با اتخاذ روشهاي حفاظتي خاص، مانند ايجاد حصار و مانع در مجاورت نقاط حساس ساختمان، از تصادم وسائط نقليه با آن جلوگيري بعمل آيد،
3-3- طراحي در بربر بارهاي غيرمترقبه به روش غيرمستقيم
در روش طراحي غير مستقيم طراح سعي مينمايد با ايجاد حداقل استحكام لازم، پيوستگي و شكل پذيري قابل قبولي براي سازه در مقابل نيروهاي غيرمترقبه فراهم آورد. در واقع درا ين روش، طراحي بطور مستقيم بر پاية بارگذاري انفجاري و تصادمي و حوادث مترتب بر آن انجام نميگيرد و صرفاً تدابيري عملي براي حفظ ايمني و يكپارچي ساختمان اعمال مي گردد. در اين راستا، اقدامات زير جهت سيستم ديوارها، سقف و اتصالات قابل اعمال است.
1- آرايش موقعيت ديوارها بايد به نحوي باشد كه ايمني و اطمينان كافي را براي پايداري كلي سازه فراهم آورد. بدين معني كه با تخريب جزئي در سازه، پايداري كلي سازه محفوظ مانده و سهم بار عضو تخريب شده به ساير اعضاء منتقل گردد و از انتخاب فرمهايي كه در شرايط خرابي غيرمترقبه بحراني شده و منجر به بروز خرابيهاي پيش رونده گردد، اجتناب شود.
2- ميبايست از پيوستگي سيستم سقف اطمينان حاصل آيد. در اين رابطه همانطور كه در تصور (3-3-1) ملاحظه ميگردد اگر دال سقف دو طرفه در جا ريخته شده و بصورت پيوسته بالاي ديوارهاي داخلي قرار گفته و به وسيله ميلگردهاي مهاري به ديوارهاي جانبي متصل گردد، درجه ايمني و پايداري سقف افزايش مييابد. اين چنين سقف هايي در فروريزي ديوارهاي داخلي در اثر بارهاي غيرمترقبه، به راحتي از بين نميروند و تا حدود زيادي از خرابي پيش رونده جلوگيري بعمل ميآورند. قطعات بتن پيش ساخته با دهانههاي دو طرفه بعلت عدم پيوستگي در تكيهگاههاي داخلي در درجه دوم استحكام قرار ميگيرند و در ميان سقفهايي كه بصورت دال يك طرفه اجرا ميشوند به ترتيب اولويت سقفهاي تيرچه بلوك با ميلگردهاي پيوستگي در تكيهگاههاي داخلي، قطعات بتن پيش ساخته يك طرفه به همراه كشهاي طولي و عرضي لازم و سقفهاي طاق ضربي با مهارهاي كافي در تكيهگاهها قرار مي گيرند و ساير سقفهايي كه بدون اجراي كلافهاي افقي در تراز سقف و اجراي اتصالات مناسب بين سقف و كلاف ساخته مي شوند در پايين ترين درجه اطمينان نسبت به پيوستگي و يكپارچگي سقف قرار خواهند گرفت و از كمترين ميزان ايمني در برابر بارهاي غير مترقبه برخوردار خواهند بود. سقفهاي اخير كه بدون ايجاد پيوستگي در تكيهگاههاي داخلي ايجاد ميگردند توان تحمل بارهاي ناشي از فروپاشي تكيه گاههاي مياني را نداشته و موجبات بروز خرابيهاي پيش رونده را فراهم ميآورند. به همين دليل اكثر آييننامههاي اجرايي مانند آييننامه BS5628 انگلستان، اجراي كشهاي سقف كه تمام معيارهاي پيوستگي مورد بحث را رعايت نمايد، الزام مي نمايند. آييننامه 2800 ايران كه تنها مرجع طراحي ساختمانهاي بنايي در ايران ميباشد نيز بكارگيري كلافهاي افقي در تراز سقف و رعايت اصول فني جهت اتصالات سقف و حفظ انسجام آن را توصيه نموده است.
بيشترين حد استحكام و پيوستگي
1- دال دو طرفه در جا ريخته شده
2- قطعات بتن پيش ساخته مركب با دهانة دو طرفه
3- سقفهاي تيرچه بلوك با ميلگردهاي پيوستگي
4- قطعات بتن پيش ساخته با دهانة يكطرفه به همراه كشهاي طولي و عرضي لازم
5- سقفهاي طاق ضربي با مهارهاي كافي
6- قطعات بين پيش ساخته يا انواع ديگر بدون استفاده از كشهاي طولي و عرضي لازم و اتصالات مناسب در تكيه گاهها
كمترين حد استحكام و پيوستگي
3- ديوارهاي ساختمان بنايي بايد استحكام و مقاومت كافي را براي تحمل بارهاي غيرمترقبه عمود بر صفحه داشته باشند. اين ديوارها را به دو صورت مي توان تقويت نمود. اول آنكه به كمك ديوارهاي برگشتي و يا بوسيلة كلافهاي قائم بتني يا ستونهاي فلزي طول مؤثر آنها را كاهش داد و موجب افزايش مقاومت نسبي آنها گرديد.در اكثر آيين نامهها ضوابطي براي حداكثرطول مجازديوارهاي باربر و غير باربر داده شده است.
راه حل دوم، استفاده از ميلگردهاي افقي و قائم پيوستگي در سطح ديوارها ميباشد به نحوي كه ديوارهها به صورت ديوار بنايي مسلح اجرا گردند. اين اقدام عليرغم مزايايي كه در جهت عملكرد خمشي و برشي ديوارها در برابر نيروهاي درون صفحهاي مانند زلزله و عملكرد آن در برابر نيروهاي عمود بر صفحهاي مانند نيروي ناشي از انفجار و تصادم دارد، داري دو اشكال عمده نيز ميباشد. نخست آنكه تعبيه كشها در درون مصالح ديوارهاي بنايي غالباً مشكل و پرهزينه ميباشد و نيازمند جزئيات اجرايي ويژه و افزايش ضخامت ديوارها ميباشد. چنانكه در تصوير (3-3-2) مشاهده ميشود. ديوار بنايي يابايد بصورت دو جداره احداث گردد و يا آنكه مصالح بدور ميلگردهاي قائم محاط گردند و تنها در ساختمانهايي كه با بلوكهاي مجوف بتني احداث ميشوند، اجراي اين جزئيات عملي به نظر ميرسد.
اشكال دوم وجود ميلگردهاي قائم پيوسته، گسترش خرابيهاي بوجود آمده در طبقات ميباشد. بيك (Beak) در يك تحقيق عملي بر روي يك ساختمان 18 طبقة مدل كه با استفاده از پانلهاي بزرگ در مقياس ساخته شده بود، نشان داد كه از جا در رفتن پانل ديوار خارجي در طبقهاي كه انفجار روي مي دهد، در صورت وجود ميلگردهاي پيوستگي قائم ما بين پانل طبقات ميتواند موجب بيرون آمدن پانلهاي طبقات بالا و پايين و بروز خرابي پيش رونده گردد. بدين لحاظ بنظر ميرسد كه بايد استفاده از كشهاي قائم در ديوارهاي ساختمانهاي آجري مسلح با دقت صورت گيرد و تعبيةكشها به گونهاي انجام پذيرد كه امكان پيشرفت خرابي ميسر نگردد يا بعبارت ديگر از بكار بردن كشهاي پيوسته مابين طبقات خودداري نمود و ميلگردهاي قائم موجود در هر طبقه را به دالهاي سقف و كف مهار نمود. اين مسئله در تصوير (3-3-3) نمايش داده شده است. چنانكه مشاهده مي شود، در صورتي كه نيروي ناشي از انفجار يا بارهاي غير مترقبة ديگر منجر به تخريب ديوار گردد، اگر ديوار تنها بر دالهاي سقف و كف مهار شده باشد، با ريزش آن خرابي به طبقات ديگر سرايت ننموده و در همان طبقه متوقف مي گردد. در غير اينصورت ميلگردهاي موجود در ديوار كه به پانلهاي فوقاني و تحتاني متصل ميباشد آنها را نيز به همراه ديوار تخريب شده از مكان خود خارج مينمايد و باعث افزايش خرابيها ميگردد.
4- در محل تلاقي ديوارها و فصل مشترك ديوارها و سقف ميبايست اتصالات مناسب با گيرايي كافي اجرا گردد و حتي الامكان از كلافهاي افقي و قائم كه به خوبي به ديوارها و سقف متصل گرديده باشند، استفاده نمود. بدين ترتيب اتصال مناسب سقف به ديوارهاي باربر جانبي موجب كاهش احتمال فرار سقف از روي ديوار، بهبود نحوة توزيع بارهاي جانبي ما بين ديوارهاي برشي و همچنين تأمين تكيهگاه فوقاني براي دال ديوارها مي گردد.
رعايت موارد فوق براي ايمنسازي ساختمانهاي بنايي كم اهميت و كم ارتفاع كافي به نظر ميرسد، اما در ساختمانهاي با اهميت و مرتفع، به خصوص ساختمانهاي بيش از چهار طبقه، جزئيات اجرايي بيشتر و طراحي دقيقتري جهت حصول ايمني مطلوب نياز ميباشد.
3-4- طراحي در برابر بارهاي غير مترقبه به روش مستقيم
در روش مستقيم سازه مستقيماً براي مقابله با نيروهاي ناشي از حوادث غيرمترقبه طرح ميگردد. اگر چه پيشبيني و تعيين اين نيروها بطور دقيق غير ممكن است، ليكن ميتوان آنها را به كمك روشهاي احتمالاتي و بر پايه آمارهاي بدست آمده براي يك وضعيت متعارف تخمين زد و يا از مقادير آييننامهاي كه بر همين اساس تعيين ميگردند، استفاده نمود. بطور مثال قوانين ساختمانسازي در انلگستان ملزم ميكند كه اجزايي از ساختمان، كه پايداري سازه در حوادث غير مترقبه منوط به آنهاست، ميبايست بتواند فشار 34 را در هر راستا تحمل نمايند. البته ضوابط ديگري در اين زمينه پيشنهاد گرديده است.لازم به ذكر است كه رعايت ضابطه فوق در طراحي سازههاي بنايي غالباً به نتايج غير اقتصادي ميرسد و گاه بدليل افزايش ابعاد اعضاء غير اجرايي نيز مينمايد. بدين سبب آييننامه مذكورروش ديگري را نيزپيشنهاد نموده است كه به سه طريق قابل اعمال است:
1- توزيع مجدد بار: در اين روش پايداري سازه با فرض انهدام اجزاي معيني از سازه، يا بخشهايي از اعضا بررسي مي گردد. اعمال اين روش مستلزم محاسبات و آناليزهاي طولاني و بغرنج و در نظر گرفتن حالات متفاوت خرابي مي باشد. در ضمن روش فوق ميزان خرابي ناشي از حادثه غيرمترقبه را به خوبي نشان نداده و نحوه خرابي به صورت يك حالت حدي تعيين ميگردد.
2- استفاده از كلافهاي افقي: در اين روش كلافهاي افقي سقف بايد حداقل ضوابط آييننامهاي را ارضاء نمايند و وجود يا تأثير كلافهاي قائم در نظر گرفته نميشود و در هر مرحله از محاسبه يك عضو قائم سازه كه در شرايط تحمل فشار 34 در هر راستا صدق ننمايد، حذف ميگردد و سازه براي عدم وقوع خرابي پيش رونده كنترل ميگردد. بديهي است در اين روش بخاطر آنكه از تصور فروپاشي اجزا سقف خودداري ميگردد، شرايط خرابي كمتري نسبت به روش قبل بايد مورد بررسي قرار گيرد و حجم محاسبات كاهش مييابد.
3- استفاده از كلافهاي افقي و قائم: در اين روش علاوه بر استفاده از كلافهاي افقي مطابق بخش قبل، از كلافهاي قائم متمركز يا كشها قائم توزيع شده در ديوار كه حداقلهاي آييننامهاي را رعايت نمايند، استفاده ميگردد. بدين ترتيب در طراحي و آناليز سازه ديگر نيازي به پيشبيني حالتهاي مختلف خرابي با حذف اعضاء مختلف سازهاي نخواهد بود. گر چه اين روش طراحي از حجم عملياتي كمتري نسبت به دو روش قبل برخوردار ميباشد، اما همواره دليل اقتصاديتر بودن سازه طرح گشته نخواهد بود و در برخي از موارد روش دوم كم هزينهتر ميباشد. بحث بيشتر بر روي روشهاي فوقالذكر در مبحث طراحي اجزاي سازهاي انجام خواهد گرفت.
4- شرايط بروز خرابي پيشرونده:انفجار و تصادم مي تواند علاوه بر تخريب مستقيم موضعي در ساختمان، خرابيهاي متعاقبي را بدنبال داشته باشد كه گاه شديدتر از تخريب نخستين است. دربخش (3-3) عنوان شد كه وجود ميلگردهاي پيوسته قائم ما بين ديوار خارجي طبقات ساختمان ميتواند منجر به پيشرفت خرابي از طبقة حادثه به ساير طبقات گردد، همچنين واقعة Ronan Point بعنوان نمونهاي عيني از بروز خرابيهاي پيش رونده معرفي گرديد. بر اين اساس آزمايشهاي گسترده اي جهت شناسايي هر چه بيشتر شرايط بروز اين قبيل خرابيها انجام گرفت و ممانعت از ايجاد چنين خرابيهايي هدف اساسي در طراحي ساختمانها در برابر بارهاي غير مترقبه گرديد. زيرا جلوگيري از پيشرفت خرابي عمليتر و اقتصاديتر از جلوگيري از بروز خرابي ميباشد. در اين زمينه مورتون (Morton) آزمايشهاي وسيعي بر روي پايداري ساختمانهاي بنايي بعمل آورد و سه حالت خاص را براي نحوه قرارگيري ديوارهاي باربر معرفي نمود كه در زمان وقوع خرابي در اثر بارهاي غيرمترقبه معمولاً بحراني گرديده و زمينه ساز خرابيهاي پيش رونده ميگردد. اين حالات عبارتند از:
1- ديوار باربر خارجي بدون اتصال به ديوار برگشتي يا فقط با يك ديوار برگشتي كوچك
2- ديوار باربر داخلي بدون ديوار برگشتي
3- بروز تنشهاي خميدگي موضعي شديد بر ديوارهاي باربر در اثر از جا خارج شدن بخشي از يك ديوار.
همانطور كه ملاحظه ميگردد در حالت نخست فروريزي ديوار باربر خارجي باعث معلق شدن دال كف طبقة بالايي و ريزش ديوارهاي طبقات فوقاني گرديده و خرابي پيش رونده به وقوع مي پيوندد. مشابه اين حالت در تصوير (4-3) مشاهده ميگردد . در ساختمان بنايي غير مسلح مذكور كه داراي سيستم پوشش سقف تيرچه بلوك ميباشد، فروپاشي ديوار باربر خارجي واقع در سمت راست تصوير موجب از بين رفتن تكيهگاه جانبي دال يكطرفه سقف و تعليق آن ميگردد و اگر در محل تكيهگاه داخلي از ميلگردهاي فلزي كافي جهت پيوستگي سقف استفاده شده باشد، سقف بصورت طره عمل نموده و در حد توان در برابر خرابي مقاومت مينمايد. در غير اينصورت سقف معلق ساختمان فرو ميريزد.
حالت دوم خرابي پيشرونده زماني بروز مينمايد كه ريزش ديوار باربر داخلي كه فاقد ديوارهاي برگشتي تقويت كننده ميباشد، موجب اعمال بار طبقات ديگر بر دال سقف طبقه حادثه گردد. در اين صورت اگر دال مذكور تاب تحمل بارهاي وارده را نداشته باشد، فرو ريخته و بدنبال آن خرابي به طرف فوقاني نيز سرايت ميكند. بطور مثال در همان ساختمان تصوير (4-2) اگر ديوار باربر داخلي واقع در سمت چپ تصوير كه با ديوار برگشتي بسيار كوچكي تقويت گرديده است دچار حادثه شده و در اثر بار غيرمترقبه انفجار فرو ريزد، دال يك طرفه دو دهانه به دال يك طرفه يك دهانه طويلي تبديل مي گردد كه بايد توان تحمل بار سقف را داشته باشد. البته بدليل آنكه اين ساختمان در يك طبقه احداث گرديده است، احتمال خرابي كمتر خواهد بود. در نهايت حالت سوم زماني روي ميدهد كه در اثر فرار ديوار خارجي دال سقف بصورت دال با تكيهگاه آزاد يا طره عمل نموده و بار ديوارهاي طبقات بالا بصورت متمركز بر لبة آن وارد گردد. اين امر موجب بروز تنشهاي شديد موضعي در بالاي ديوارهاي نگهدارندة دال سقف گرديده و مصالح سقف و ديوار ميبايست توانايي تحمل نيروهاي متمركز ايجاد شده را داشته باشند تا ساختمان بتواند بصورت يك سازه جديد عمل نموده و با توزيع مجدد بارها پايدار باقي بماند. اين وضعيت در تصوير (4-3) به وضوح نمايش داده شده است. در ساختمان تصوير (4-2) نيز اگر دال سقف دو طرفه اجرا گردد و يا آنكه ميلگردهاي حرارتي عمود بر تيرچهها در بتن سقف، توان باربري را در راستاي عمود بر جهت تيرچهها ايجاد نموده باشد، با فروپاشي ديوار باربر خارجي سمت راست تصوير، شرايطي مطابق آنچه ذكر شد براي ديوار مياني و ديوار برگشتي انتهايي ايجاد ميگردد و دال سقف با دو تكيهگاه آزاد مجاور هم بايد بتواند پايدار باقي بماند . در غير اينصورت مطابق آنچه در حالت نخست ذكر شد، دال سقف بصورت كنسولي وارد عمل شده و غالباً به دليل طول زياد آن و عدم همكاري ديوار برگشتي انتهايي، فرو ميريزد.
بنابراين، اولين روش براي اجتناب از بروز اينگونه شرايط بحراني كه ميتواند منجر به پيشرفت خرابي گردد، تغيير فرم و آرايش ديوارها و بكارگيري ديوارهاي برگشتي مناسب در راستاي عمود بر ديوارهاي باربر است تا چنين وضعيتهاي خاصي ايجاد نگردد. اما در زماني كه بدلايل خاص معماري نتوان از حالات فوقالذكر پرهيز نمود، بايد سازه را براي وضعيت پس از خرابي كنترل نموده و تمهيدات لازم را جهت جلوگيري از پيشرفت خرابي اعمال نمود.
در اين زمينه ميتوان از روشهاي تحليل و طراحي مختلفي مانند تحليل به روش گسيختگي خطي، تحليل به روش خطوط شكست و طراحي به روش ضرايب اطمينان جزئي استفاده كرد. توضيح روشهاي فوق در بخشهاي بعدي انجام خواهد گرفت.
5- طراحي اجزاي سازهاي مقاوم
5-1- طراحي ابعاد بازشوها
يكي از راههاي كاهش خرابي هاي احتمالي بكارگيري بازشوهاي نسبتاً بزرگ در ساختمان ميباشد. در اين زمينه چند سؤال مطرح ميگردد.
اول آنكه افزايش ابعاد بازشوها تا چه اندازه در كاهش فشار ناشي از انفجار مؤثر است؟ و در آن صورت آيا نيازي به تقويت اجزاي سازهاي ساختمان ميباشد يا خير؟
از طرف ديگر در برخي از فضاهاي ساختمان مانند زيرزمينها، موتورخانهها و همچنين سرويسهاي بهداشتي و گاه در بعضي از اتاقها محدوديتهايي براي ابعاد بازشوها وجود دارد. لذا دستيابي به حداقل ابعادي براي بازشوها ضروري به نظر ميرسد. البته اين ميزان حداقل بستگي به تخمين توان تقريب اجزاي ساختمان در برابر نيروهاي غيرمترقبه خواهد داشت.
براي مطالعة اثر بازشوها بر اساس روش بارگذاري TNO اقدام نموده و تأثير بازشوها بررسي ميگردد.
5-2- طراحي دال سقف
يكي از اساسيترين راههاي تقويت سازه در برابر خطر بارهاي غير مترقبه اطمينان از يكپارچگي سيستم سقف و تأمين اتصال كافي آن به ديوارهاي باربر ميباشد. اين يكپارچگي و استحكام در دالهاي بتن در جا ريخته و سقفهاي تيرچه بلوك، كه به صورت دال يك طرفه عمل مينمايند تا حد زيادي به چشم مي خورد اگر اتصال اين سقف ها به ديوارهاي جانبي به خوبي انجام گيرد، سقف سازه بنايي تا حدود زيادي ميتواند در برابر بارهاي غيرمترقبه مقاومت نموده و پايدار بر جا بماند و در نتيجه پايداري كلي سازه نيز تقويت مي شود . اما سقفهاي طاق ضربي، كه جزو رايجترين سقفهاي اجرا شده در كشور ميباشند، نسبت به سيستم فوق داراي نقاطي ضعفي ميباشد. مهمترين ضعف اين قبيل سقفها، عملكرد نامناسب آنها در برابر بارهاي رو به بالاي ناشي از انفجار ميباشد. زيرا طاق قوسي ساخته شده از آجر و ملات گچ و خاك هيچگونه مقاومتي را در برابر نيروهاي وارده از داخل قوس نداشته و تنها عامل مقاومت آنها، وزن سقف و اندودهاي قرار گرفته بر روي قوس طاق ضربي است.
مسئله ديگر عدم پيوستگي سقف در جهت عمود بر تير آهنهاي سقف ميباشد، استفاده از مهارهاي عمود بر تيرآهنهاي سقف طاق ضربي، گر چه در دستورالعملهاي ساختمانسازي عنوان گرديده است، اما در عمل كمتر به چشم ميخورند. در ضمن فقدان كلافهاي افقي در محل قرارگيري تيرآهنها بر روي ديوار باربر يا اجراي زير سري مناسب با اتصال و درگيري كافي با تير سقف، عواملي هستند كه بر ناپيوستگي اين نوع از سيستمهاي سقف مي افزايند. جهت افزايش يكپارچگي سقفهاي طاق ضربي راه حلهاي زير را پيشنهاد نموده است
1- قرار دادن ميلگردهاي نمرة 8 يا 10 در راستاي عمود بر جهت تيرريزي به فاصله حداكثر يك متر و در صورت امكان بتنريزي بري روي سقف به ضخامت حداقل 5سانتيمتر روي تيرها كه با توجه به سنگيني مصالح سقف استفاده از بتن سبك مناسبتر خواهد بود.
2- اتصال يك جفت ميلگرد نمرة 8 بطور ضربدري بر روي تيرريزي سقف و اندود سقف با بتن يا ساير مصالح مرسوم، كه در صورت استفاده از مصالح رايج نياز به حفاظت از ميلگردها با پوشش ضد زنگ خواهد بود. بكارگيري ميلگردهاي فوق، بخصوص اگر در فواصل كمتري اجرا گردند، تا حد زيادي بر مقاومت سقف در برابر نيروهاي رو به بالا ميافزايد.
3- در صورتي كه تيرهاي روي ديوارهاي باربر به تيرآهن حمال يا كلاف افقي بتني مهار نشده باشد، تيرها به وسيلة سه ميلگرد نمرة 18 به يكديگر متصل گرديده و روي آنها تا ارتفاع حداقل 25 سانتيمتر از زير تيرآهن بتن ريزي شود تا حداقل خصوصيات كلاف افقي را بدست آورد.
آئيننامه طرح ساختمانها در برابر زلزله (استاندارد 2800 ايران) كه تنها مرجع قانون ساخت ساختمانهاي بنايي است محدوديت هاي مشابهاي را براي حفظ انسجام سقفهاي پيشنهاد مي نمايد. مثلاً ميتوان از تيرهاي حمالي كه به كلاف روي ديوار مهار گرديده باشند، استفاده نمود. بدين ترتيب كه تيرآهنهاي سقف را در داخل كلاف بتن آرمه مهار نمود و يا آنها را به صفحات فلزي كه روي كلاف افقي بتن آرمه قرار داشته و در داخل كلاف مهار شدهاند متصل گردانيد. در اين زمينه حتي اگر كلافهاي افقي اجرا نشده باشند، حداقل مي توان طول مهار تيرآهن در ديوار را مشابه آنچه در تصوير (5-2-3) آمده است افزايش داد. آئين نامه 2800 ايران حداكثر مساحت تحت پوشش ميلگردهاي ضربدري بكار رفته در طاقهاي ضربي را 25 متر مربع توصيه نموده است، به طوري كه طول مستطيل ضربدري بيش از 5/1 برابر عرض آن نبوده و حداقل سطح مقطع ميلگرد بكار رفته در ضربدري 10 ميلي متر باشد. رعايت اين نكات اجرايي انسجام و يكپارچگي نسبتاً مناسبي را در سقفهاي طاق ضربي به وجود خواهد آورد، با اين حال چنانكه پيش از اين ذكر شد، استفاده از اين سيستم اجراي سقف براي پوشش سقف موتورخانه زيرزمينها توصيه نمي شود و بكارگيري سيستمهاي ديگري مانند سقف تيرچه و بلوك براي زمينها مناسبتر خواهد بود.
با فرض آنكه اجراي مناسب سيستم سقف سازه از فروپاشي آن در زمان وقوع انفجارها جلوگيري نموده و در پي انفجارها تنها ديوارهاي باربر داخلي ويران گردند، طراحي دال سقف براي اين قبيل حالتهاي حدي لازم خواهد بود و سيستم سقف بايد بتواند در چنين وضعيتهاي مقاومت نموده و از پيشرفت خرابيها ممانعت بعمل آورد. بديهي است بدليل آنكه احتمال وقوع انفجارها و حوادث غير مترقبة مشابه نسبتاً كم بوده و نيروهاي ناشي از آنها غالباً زياد ميباشد، در روشهاي مبتني بر ضرايب اطمينان جزئي، جهت حصول يك طرح اقتصادي و مقرون به صرفه ميتوان براي كنترل شرايط بحراني، از ميزان ضرايب اطمينان كاست يا بر ميزان تنشهاي مجاز افزود.
بطور مثال آئيننامه BS 5628 انگلستان ضرايب اطمينان جزئي متفاوتي را براي طراحي دال سقف در زمان بارگزاري معمولي و بارهاي غيرمترقبه پيشنهاد نموده است و بر اساس آنها شرايط زير بايد ارضاء گردد.
(5-2-1) * بار مشخصه= بار طرح مقاومت طرح = مقاومت مشخصه
كه در آن ضريب اطمينان جزئي براي بارها و ضريب اطمينان جزئي براي مصالح و بشرح زير ميباشد:
براي بارهاي مرده و زنده ) ) 1.4 يا 0.9 = بار مرده طرح
(5-2-2) 1.6= بار زنده طرح
براي بارهاي غيرمترقبه: 1.5 يا 0.95 = بار مرده طرح
(5-2-3) (براي بار زنده دائمي) 1.05 يا 0.35 = بار زنده طرح
براي كنترلهاي عادي و مخصوص زمان ساخت مصالح در شرايط كنترل مخصوص توليد به ترتيب برابر 1/3 و 5/2 و براي كنترلهاي عادي و مخصوص زمان ساخت مصالح در شرايط كنترل عادي توليد به ترتيب برابر 5/3 و 8/2 ميباشد كه در شرايط بارهاي غيرمترقبه جهت كاهش حاشية اطمينان، مقدار آنها نصف ميگردد.
5-3- طراحي ديوارهاي باربر
عوامل اصلي كه بطور عمده بر مقاومت ديوارها در برابر نيروهاي جانبي عمود بر صفحه مؤثرند عبارتند از:
1- مقاومت خمشي ديوار كه به مصالح سازه اي و ابعاد هندسي آن بستگي دارد.
2- ايجاد كنش قوسي در ديوار محصور ما بين كلافهاي افقي و قائم يا ديوارهاي برگشتي
3- تأثير مثبت سربار
4- تسليح ديوار
نيروهاي عمود بر صفحة ناشي از انفجار موجب ايجاد لنگر خمشي در ديوار ميگردد، كه بر حسب مقدار تكيهگاهاي جانبي ديوار و طول و ارتفاع ديوار، خمش در يك يا دو جهت صورت خواهد گرفت؛ و پس از رسيدن آن به مقاومت خمشي ديوار، تركهاي خمشي ايجاد مي شود. چنانكه در تصوير (5-3-1) ملاحظه ميگردد، خمش ديوار با افزايش طول آن همراه است. در صورتي كه ديوار به وسيلة قاب محصور گردد، از اين تغيير مكان ممانعت بعمل آمده، و در نتيجه نيروهاي عكسالعملي از سوي قاب به ديوار ميافزايد. مشابه اين اثر را نيروهاي سربار در ديوار ايجاد مينمايند و مقاومت ديوار را در مقابل نيروهاي عرضي زياد ميكند.تأثيرعوامل فوق محدود بوده و طراح توانايي چنداني در تقويت آنها ندارد و تنها ميتواند سعي در بهبود شرايط مذكور نمايد. از طرفي با خرد شدن قسمتهايي از مصالح ديوار، به خصوص در مجاورت كلافها، عملاً تأثير مثبت كنش قوسي و سربار موجود از بين ميرود. بدين جهت مطمئن ترين روش تقويت ديوار توسط تسليح آن ميباشد. اين تسليح ميتواند بوسيلة ميلگردهاي افقي و قائم انجام گيرد. نحوة تعبية ميلگردهاي قائم در تصوير (3-3-2) ارائه گرديد و مشكلات اجرايي آن عنوان شد.
ضوابط طراحي اين ميلگردها، با ميلگردها افقي فرق چنداني نداشته و تنها براي لنگر خرابي ديوار در راستاي موازي درزهاي افقي ديوار بايد طرح گردند. نحوة تعبية ميلگردهاي افقي نيز در تصوير (5-3-2) ملاحظه ميگردد. اجراي اين نوع تسليح بعلت نحوه اجراي ديوارها آسانتر از حالت قبلي بوده و تنها محدوديت موجود در ميزان قطر ميلگردهاست كه با افزايش آنها ضخامت ملات افزايش يافته و از ظرفيت باربري ديوار كاسته مي شود وجود ميلگردهاي افقي، علاوه بر افزايش مقاومت خمشي ديوار، موجب مي شود تا حتي زماني كه ديوار د ر اثر نيروهاي عرضي تسليم گرديد و شكسته شد، قطعات ديوار به ميلگردها چسبيده و فرو نريزد، و بدين وسيله از پيامدهاي مخرب ناشي از ريزش آوار و صدمات مالي و جاني احتمالي، تا حد زيادي جلوگيري گردد. براي تخمين نيروي وارد بر ديوار و تعيين تسليح مورد نياز آن در ابتدا بايد طول و ارتفاع مؤثر ديوار را تعيين نمود. در اين زمينه آييننامه BS 5628 پيشنهاد مي نمايد كه در ديوارهاي باربر خارجي فاقد تكيهگاه جانبي، تمام طول ديوار، و در ديوارهاي خارجي داري تكيهگاه جانبي، فاصله ما بين دو پشت بند، بعنوان طول مؤثر در نظر گرفته شود و فاصلة بين كف تا سقف طبقه، ارتفاع مؤثر ديوار فرض گردد. طول مؤثر ديوار در ديوارهاي داخلي حداكثر معادل 25/2 برابر ارتفاع مؤثر ديوار است. از طرفي آنچه بعنوان تكيهگاه جانبي قابل قبول ميتواند باشد، بايد حداقل ضوابط لازم را به شرح زير دارا باشد:
1- ديوار برگشتي يا ديوار متقاطع: حداقل طول ديوار برگشتي، كه در آن بازشو وجود نداشته باشد، بايد برابر نصف ارتفاع مؤثر طبقه بوده و جرم حجمي ديوار بيش از 340 باشد. همچنين اتصال آن با ديوار باربر بتواند در هر متر ارتفاع ديوار نيروي كششي برابر كوچكترين مقدار KN60 و KN ( 4+20) را تحمل نمايد، كه در آن بيانگر تعداد طبقات ساختمان است و با توجه به آنكه در ايران تعداد طبقات ساختمانهاي معمولي حداكثر به چهار طبقه محدود ميگردد، مقدار فوق برابر KN36 خواهد شد.
2- ستون يا پايه: طول پايه نبايد از يك متر تجاوز كند، همچنين بايد در هر متر از ارتفاع خود بتواند كوچكترين مقدار KN 90 و KN( 6+30) را تحمل كند، اين مقدار براي يك ساختمان چهار طبقه برابر KN 54 خواهد بود. در عمل بجاي پايه ميتوان از ستون فلزي يا بتني استفاده نمود، ستون مذكر بايستي علاوه بر بارهاي وارده در اثر ريزش ديوار بتواند بمانند يك تير ساده در مقابل نيروهاي جانبي مقاومت كند.
3- ديوار غير باربر داخلي: حداقل جرم حجمي ديوار داخلي بايد 150 بوده و اتصال آن به ديوار باربر در هر متر از ارتفاع ديوار بتواند نيروي كششي برابر كوچكترين مقدار KN 30 KN,( 2+10) را تحمل كند (KN 18 براي يك ساختمان چهار طبقه). ديوار داخلي مذكور بايد بر ديوارهاي باربر خارجي عمود بوده و فضاي اصلي را به دو قسمت تقسيم نمايد. اين عمل ميتواند بوسيلة يك ديوار شكسته نيز انجام گيرد.
شرايطي كه در بالا عنوان گرديد در تصوير (5-3-3) بطور شماتيك نمايش داده شده است. بر اين اساس ابعاد ديواري كه تحت تأثير بار غيرمترقبه ناشي از انفجار قرار ميگيرد، تعيين مي شود. حال اگر اتصالات ديوار و تكيهگاههاي جانبي براي تحمل بارگذاري انفجار كافي باشد، مطابق تصوير (5-3-4) بخشي از ديوار كه با خطوط شكست 45 درجه نشان داده شده است، تحت تأثير بار انفجار فرو خواهد ريخت و لذا ديوار براي آن سطح بارگير بايد تسليح گردد، اين تسليح در يك راستا يا هر دو راستا ميتواند انجام ميشود. اما اگر بدليل ناتواني اتصالات در تحمل نيروهاي انفجار، تمام سطح ديوار در معرض خطر فروپاشي قرار گيرد، سطح بارگير برابر كل سطح ديوار خواهد بود و بدليل آنكه خمش ديوار در سطح عمود بر درزهاي افقي ديوار انجام خواهد گرفت، تسليح ديوار در صورتي مؤثر ميباشد كه توسط ميلگردهاي قائم صورت گيرد. بدين ترتيب مشاهده مي شود، تأمين اتصالات كافي در محل تلاقي ديوار و تكيه گاههاي جانبي، نه تنها از سطح بارگذاري ميكاهد بلكه شرايط تسليح ديوار را نيز سهلتر مينمايد.
دركتاب طرح لرزه اي ساختمانهاي آجري انتشارات علمي دانشگاه صنعتي شريف براي محاسبه ظرفيت خمشي مقطع تقويت شده رابطه زير پيشنهاد مينمايد:
(5-3-1)
كه در آن ضريب كاهش است و بعلت نحوه اجراي سازههاي بنايي برابر 7/0 در نظر گرفته ميشود. سطح ميلگردهاي تسليح، و تنش گسيختي فولاد تسيلح و t ضخامت ديوار ميباشد و كليه واحدها يا يكديگر بايد متناسب باشد.
با توجه به آنچه ذكر شد، سطح بارگير، نيروي برشي وارد بر تسمهها و سطح مقطع ميلگرد لازم جهت تقويت و تسليح ديواري به طول a و ارتفاع مؤثر h ، مطابق تصوير (5-3-5) براي تحمل بار ناشي از انفجار بشرح زير محاسبه ميگردد:
سطح بارگير برابر است با:
و نيروي برشي وارد بر اتصال جانبي در هر متر ارتفاع ديوار برابر ميگردد با:
(5-3-2)
كه در آن W بار ناشي از انفجار بر واحد سطح ديوار مي باشد. اگر تنش برشي مجاز ميلگردها برابر Fy6/0 در نظر گرفته شود و تنش تسليم ميلگردها 40 فرض گردد، سطح مقطع مورد نياز ميلگردهاي اتصال يا تسمههاي فولادي معادل در هر متر ارتفاع ديوار برابر خواهد شد با:
(5-3-3)
رابطه اخير در نمودار (5-3-6) براي مقادير مختلف طول و ارتفاع ديوار باربر ترسيم شده است. همانطور كه در اين نمودار مشاهده ميگردد، افزايش ارتفاع ديوار بدليل كاهش سطح بارگير در گوشهها (برخلاف افزايش طول ديوار)، باعث كاهش سطح مقطع فولاد مورد نياز براي اتصال ديوار به تكيههاي جانبي ميگردد.
براي محاسبة ميلگردهاي خمشي مورد نياز با تقريب ساده اي نيروي وارد بر واحد طول ديوار برابر مي گردد با:
و حداكثر لنگر خمشي ناشي از انفجار برابر ميشود با:
(5-3-4)
و با احتباس حداقل Cm20 ضخامت براي ديوار باربر ظرفيت خمشي ديوار برابر ميگرد با:
از (5-3-1)
و براي بدست آوردن حداقل سطح ميلگردها بايد:
(5-3-5)
كه As سطح ميلگردهاي افقي مورد نياز بوده و بهتر است در مياني ديوار متمركز گردد. رابطة فوق بر اساس مقادير مختلف طول و ارتفاع ديوار باربري به ضخامت Cm20 در نمودار (5-3-7) ترسيم گرديده است.
چنانكه ملاحظه ميگردد با افزايش طول ديوار، بشدت بر ميزان آرماتور مورد نياز افزوده ميگردد، در نتيجه، حداكثر طول بهينه براي ديوار در حدود m4 ميباشد. لازم به ذكر است كه حداكثر طول مجاز ديوار باربر بين دو پشت بند در آيين نامه 2800 ايران، 30 برابر ضخامت ديوار ميباشد كه براي يك ديوار 20 سانتي برابر 6 متر ميگردد.
5-4- طراحي كلافهاي افقي و قائم
پس از طراحي دال سقف و ديوارهاي سازه بنايي، حفظ انسجام و يكپارچگي سيستم سقف و اتصال مناسب آن به ديوارهاي جانبي و پيشبني تمهيداتي جهت افزايش استحكام سازه ضروري ميباشد. وجود كلافهاي افقي نحوه پخش بارهاي قائم و جانبي سقف را در بين ديوارهاي باربر بهبود بخشيده و تكيه گاه مناسبي براي پانل ديوارها ايجاد مي سازد.
كلافهاي قائم نيز در انتقال نيروهاي جانبي به شالوده سازه و عملكرد بهينة ديوارهاي برشي نقش عمدهاي را ايفا نموده و در صورت فروپاشي ديوار باربر در اثر بارهاي غير مترقبهاي مانند انفجار مسئوليت آنها را بر عهده ميگيرند.
كلافهاي افقي را ميتوان به چهار گروه تقسيم نمود:
1- كلافهاي محيطي
2- كلافهاي داخلي
3- كلافهاي اتصال ستون خارجي
4- كلافهاي ديوار خارجي
كلافهاي محيطي در محدودة سقف يا كف يا در ديوارهاي محيطي اجرا گرديده و دورادور ساختمان را فرا ميگيرد. كلافهاي داخلي در داخلي سقف و در هر دو راستاي هم جهت و عمود بر جهت دهانة باربر دال سقف اجرا ميگردند و در انتها در كلافهاي محيطي مهار ميشوند. جهت اتصال ستونها و ديوارهايي كه در كناره هاي ساختمان قرار دارند نيز از كلافهاي اتصال ستون و ديوار خارجي استفاده ميگردد. اين كلافها براي ستونهاي واقع در گوشههاي ساختمان بايد در هر دو جهت اجرا گردند و در اتصال ديوارهاي خارجي به سقف مي توان كلافهاي اتصال را در طول ديوار توزيع نمود. در جدول (5-4-1) ضوابطي را كه آئين نامه BS 5628 براي طراحي اين كلافها تعيين نموده است، مشاهده مي گردد. چنانكه ملاحظه ميشود، كلافهاي محيطي براي نيروي كششي Ft يا به عبارتي كوچكترين مقدار KN60 و KN ( 4+20) طرح مي گردند كه نيروي فوقالذكر براي يك ساختمان بنايي دو طبقه ( حداكثر تعداد طبقات مجاز بر اساس آئين نامه 2800 ايران) برابرKN 28 ميشود كه با در نظر گرفتن تنش تسليم 40 براي ميلگردهاي مصرفي، سطح مصرفي، سطح مقطع مورد نياز در حدود 17/1 ميباشد. بعنوان مثال ميتوان از يك عدد ميلگرد نمرة14 يا چهار عدد ميلگرد نمرة8 استفاده نمود. از طرفي اين مقدار براي كلافهاي ستون خارجي حداكثر به 3/2 خواهد رسيد.
با توجه به ضوابط عنوان شده در آئين نامه ساختماني ايران در برابر زلزله كه حداقل كلافهاي افقي را متشكل از 4 ميلگرد به قطر 12 ميلي متر توصيه نموده است (معادل 52/4)، آنچه براي كلافهاي محيطي و كلافهاي ستون خارجي لازم خواهد بود، غالباً برآورده ميگردد و تنها مواردي كه بايد كنترل گردند، تعبيه كلافهاي داخلي و كلافهاي ديواره خارجي مناسب ميباشد.
همانطور كه قبلاً عنوان شد، در سقف هاي طاق ضربي اكثراً مهاري در جهت عمود بر راستاي تيرريزي مشاهده نميشود و در سقفهاي تيرچه و بلوك نيز آنچه بعنوان ميلگرد حرارتي در هر دو راستا استفاده ميگردد، معمولاً ميلگرد به قطر 6 ميلي متر و با فواصل 30 سانتي متر است كه كمتر از 80 درصد سطح مقطع مذكور را تأمين نموده ( 93/0 در هر متر طول) و كافي به نظر نميرسد. در ضمن چنانكه ذكر خواهد شد، حداكثر فاصلة مجاز كلافهاي قائم برابر 5 متر ميباشد. در نتيجة كلافهاي افقي ديوارهاي خارجي در يك ساختمان با ارتفاع مفيد 3 متر براي طبقات، بايد جهت مقابله با نيروي كششي يا به عبارتي KN 84 طرح گردند كه سطح مقطع ميلگردهاي مورد نياز آن در حدود 51/3 و كمتر از مقدار توصيه شده توسط آئيننامه 2800 ميباشد. مقدار اخير را با مدلسازي سادهاي ميتوان محاسبه نمود. اگر طول ديوار باربر 5 متر و ارتفاع آن 3 متر فرض گردد، در اين صورت هر يك از كلافهاي افـقي عمود بر راستاي ديوار، بايد نيروي كششي زير را براي بار انفجاري تحمل نمايند:
كه مقدار آن را با توجه به غير مترقبه بودن بارگذاري انفجار، ميتوان 25 درصد كاهش داد (يا به عبارتي تنشهاي مجاز را 33 درصد افزايش داد) بنابراين نتيجه ميگردد:
(5-4-1)
بطور مثال براي بدست ميآيد:
كه با مقدار بدست آمده از روابط پيشنهادي آئين نامه انگلستان همخواني دارد.
در تصوير (5-4-1) نمونهاي از اجراي كلاف محيطي در يك ساختمان مسكوني نمايش داده شده است. در اين ساختمان كه بر اساس دستورالعمل آئيننامه 2800 ايران احداث نگرديده، از يك ميلگرد آجدار جهت كلاف محيطي استفاده شده است كه گرچه سطح مقطع آن ممكن است بر اثر آنچه عنوان شد براي مقابله با نيروهاي انفجار كافي باشد، اما بدليل اجراي نامناسب آن و پوشيده نشدن ميلگرد توسط بتن مورد نياز، عملكرد مناسبي از كلاف فوق انتظار نميرود.
علاوه بر تسليح سقف سازه و اجراي كلافهاي افقي روش ديگري براي افزايش استحكام كل سازه بكار ميرود كه در انتقال نيروهاي جانبي به شالودة سازه بسيار مؤثر ميباشد. اين روش كه در آئيننامه زلزله ايران براي ساختماهاي بنايي دو طبقه و همچنين ساختمانهاي يك طبقه با اهميت زياد توصيه گرديده است و بر اساس آئين نامه BS 5628 بعنوان آخرين راه حل مقاوم سازي سازه در مقابل بارهاي غير مترقبه پيشنهاد شده است ، بكارگيري كلافهاي قائم ستوني يا ديواري ميباشد. كلافهاي قائم اگر به خوبي طرح و اجرا شده باشند، در صورت بزور خرابي در ديوارهاي باربر، مسئوليت آنها را بر عهده گرفته و با انتقال نيروهاي ثقلي به شالوده از گسترش خرابي جلوگيري بعمل ميآورند. اين كلافها همانطور كه پيشتر ذكر شد بايست بطور پيوسته از فونداسيون تا سقف ساختمان ادامه يافته و در هر دو انتها و در سطح هر طبقه مهار گردند و جهت ممانعت از بروز خرابي هاي پيش رونده در هر طبقه بطور مستقل اجرا شوند. براساس آئين نامه BS 5628 كلافهاي قائم بايد براي بزرگترين مقدار نيروهاي كششي زير طرح گردد.
(5-4-2)
(5-4-3) KN/m در هر متر طول ديوار
(5-4-4)
كه در آن A سطح مقطع افقي ديوار باربر بر حسب ميلي متر مربع است. حداكثر فاصلة كلافهاي قائم برابر 5 متر و حداكثر فاصلة آن از طرف مهار نشدة ديوار برابر 5/2 متر ميتواند باشد.
همچنين حداكثر نسبت ارتفاع به ضخامت براي ديوارهاي نازك آجري 25 و براي ساير انواع ديوارها 20 ميباشد. نيروي كششي بدست آمده از روابط فوق همواره از نيروي طراحي كلافهاي افقي بيشتر خواهد شد و بدين ترتيب سطح مقطع فولاد تسليح كلافهاي قائم از كلافهاي افقي بيشتر خواهد بود. اين وضعيت در طراحي كلافهاي افقي و قائم براي مقابله با نيروهاي جانبي زلزله نيز پيش ميآيد.
رابطة (5-4-2) را با مدلسازي سادهاي براي ديوار ميتوان بدست آورد. بدين منظور چنانكه مطابق تصوير (5-4-2) نيروي جانبي وارد بر ديواري به ارتفاع h با پارامتر S و نيروي كششي كلافها قائم براي ديواري به ضخامت t با پارامتر T نشان داده شود. حداكثر ممان وارد بر ديوار در اثر نيروي جانبي زلزله برابر خواهد بود با:
(5-4-5)
لنگر فوق موجب چرخش ديوار حول راستاي AB ميگردد كه جهت ايجاد تعادل بايد توسط لنگر ناشي از نيروهاي كششي كلافهاي قائم خنثي گردد:
(5-4-6)
(5-4-7)
كه در رابطه فوق مقدار پارامتر S براي بار جانبي W برابر است با:
(5-4-8)
و با جايگذاري آن در رابطه (5-4-7) بدست ميآيد:
(5-4-9)
كه در آن A سطح مقطع افقي ديوار باربر ميباشد. رابطه فوق در شرايطي كه W بر حسب و A بر حسب متر مربع باشد مقدار T را بر حسب KN خواهد داد و اگر مانند رابطه (5-4-2) پارامتر A بر حسب ميلي متر وارد گردد و مقدار T بر حسب نيوتن مورد نظر باشد، سمت راست معادله در ضرب خواهد شد كه رابطهاي مشابه رابطة (5-5-2) را بدست خواهد داد كه در صورت انتخاب فشار جانبي 34=W ، رابطة مذكور نتيجه خواهد شد:
(5-4-10)
بنابراين نيروي كششي طراحي كلافهاي قائم براي هر ميزان فشار مبنا انفجار، قابل محاسبه خواهد بود. لازم به ذكر است كه روابط فوق در شرايطي بدست آمد كه ديوار بار بر به تنهايي و يا با تسليح انجام گرفته در آن، در مقابل بارگذاري ناشي از انفجار W مقاومت نمايد و اتصال آن به كلافهاي قائم كناري در حد مطلوب باشد. بديهي است در غير اين صورت بعلت فروپاشي ديوار، نيروي كششي ايجاد شده در كلافهاي قائم به مقدار محاسبه شده در رابطه (5-5-10) نخواهد رسيد.
رابطة (5-4-3) حداقلي را براي مقدار نيروي طراحي كلافهاي قائم بدست ميدهد و انتخاب مقدار عددي آن ميتواند جنبة محاسباتي و يا تجربي داشته باشد. انتخاب مقدار حداقل، با توجه به نتايجي كه در بخشهاي قبل بدست آمد و محدوديتهاي عنوان شده براي ابعاد ديوار باربر قابل نتيجه ميباشد. چنانكه پيشتر ذكر شد، حداقل مقداري كه براي حداكثر فشار ناشي از انفجار ميتوان در نظر گرفت در حدود 8 تا 15 ميباشد. در ضمن حداكثر نسبت ارتفاع به ضخامت ديوار باربر معمولي برابر 20 و حداكثر طول ديوار 5 متر ميباشد. بنابراين حداقل نيروي طراحي كلافهاي قائم به ازاي هر متر طول ديوار و بر اساس رابطه (5-4-9) و با فرض مقدار متوسط 12 براي فشار انفجار برابر ميگردد با:
(5-4-11)
بدين ترتيب حتي اگر طراحي كلافهاي قائم بر اساس فشار مبنا انفجاري به جز 34 نيز انجام گيرد، انتخاب حداقل نيروي طراحي در حدود 100 مناسب به نظر ميرسد.