مقاوم‌سازی سازه‌ها در برابر زلزله

مقاوم‌سازی ساختمان در علم مهندسی عمران به مفهوم بالا بردن مقاومت یک سازه (ساختمان) در برابر نیروهای وارده است. امروزه از این اصطلاح بیشتر در مورد نیروی زلزله استفاده می‌شود. از دیدگاه علمی، مقاوم‌سازی واژه کاملا درستی برای این منظور نیست. چرا که منظور از اصطلاح «مقاومت‌سازی» به‌طور قطع بالا بردن مقاومت در برابر نیروی زلزله نیست بلکه منظور بهبود عملکرد اجزای سازه (ساختمان) در برابر نیروی زلزله است. به همین دلیل اصطلاح «بهسازی» و در حالت خاص برای نیروی زلزله، «بهسازی لرزه‌ای» اصطلاح درست‌تری است.
سازه‌های مهندسی به ناچار و همواره در برابر بارگذاری‌های دینامیکی طبیعی مانند: طوفان و بادهای شدید (با سرعت‌های بالاتر از ۱۰۰ کیلومتر در ساعت که گاه تا ۲۵۰ کیلومتر در ساعت نیز افزایش یافته‌اند :طوفان‌هاو گردبادهای قرن اخیر در آمریکا موسوم به کاترینا، تورنادو و غیره یا مولد سونامیها در ژاپن و فیلیپین) یا زلزله و ارتعاشات زمین (بخصوص زلزله‌های اخیر در کشور ما) یا در برابر بارگذاری مصنوعی تولید شده از سایر سیستم‌های ایجاد شده توسط بشر مانند ارتعاشات و ضربه‌های شدید صوتی وانفجاری ناشی از عبور این سیستم‌ها وبرخورد با سازه قرار دارند. اگر چه سازه‌هایی که توسط ما طراحی شده و می‌شوند همواره مجبور به تحمل بارگذاری‌های مرده وزنده مصالح وافراد هستند اما توسط طراح سازه قابل محاسبه وکنترول هستند وهمواره در دستور کار محاسبات اجباری و لازم سازه قرار دارند. اما بارهای دینامیکی طبیعت در واقع "بارگذاری تحمیلی طبیعی و مصنوعی "است که طراح سازه مجبور به محاسبات مصالح لازم وچگونگی و موقعیت آن‌ها جهت مقاوم‌سازی سازه باید اقدام جدی نماید. در اغلب کشورهای جهان وبخصوص آسیا و از جمله کشور ما صفحه زمین ساخت و بستر ایران به دو علت زیر وضعیت خطرناک و حساسی از نظر اثرگذاری تخریبی نیروی زلزله دارد:
صفحه زمین ساخت ایران از طرف صفحه زمین ساخت شبه جزیره عربستان سعودی تحت فشار مستمر قرار دارد. صفحه مذکور در هرسال چند سانتیمتر بزیر صفحه زمین ساخت ایران رفته و در اثر نیروهای فشاری وتراکم سیستماتیک تنشهای خمشی وبرشی وپیچشی -سر انحام در بخشی از صفحه مقاومت مجاز لایه‌های بستر تکتونیک باتمام رسیده و از حد خود خارج شده و بعبارت فنی صفحه وارد مرحله تغیر شکل پلاستک وخمیری شده و با با عملکرد تنش برشی حاصله بخش عظیمی از بافت ولایه به صورت لغزش صفحه‌ای یا حالت گسل (معادل Fault) بریده وروی لایه دیگر رانش افقی یا عمودی می‌کند. انرژی ازاد شده از این فرایند که گاه دهها برابر انرژی بمب اتمی هیروشیما (در ۱۹۴۵) قدرت تخریب دارد به صورت امواج زلزله موسوم به Pو S از کانون زلزله به سطح پوسته "زمین ساخت" رسیده و به صورت نیروهای برشی موسوم به :برش پایه-سازه‌های ساخته شده روی این پوسته را به صورت برش قیچی -نوسانی در کل ارتفاع سازه در می‌نوردند. در واقع این امواج افقی:S هستند که با ارتعاشات بزرگ خود تخریبات اصلی را در سازه‌ها بوجود می‌اورند. ارتعاشات کوچکتر وکم اثرتر مربوط به امواج عمودی:p است. این حرکات نوسانی سازه به "مد ارتعاشی" موسوم است واگر سازه بتواند در برابر این نوسانات در مدت تناوب (پریود نوسانات یا پریود فرکانس‌های ارتعاش) که در زلزله‌های ایران اغلب: بطور متوسط ۲۵ تا ۳۰ ثانیه ادامه دارد (شدت وبزرگی زلزله اصلی قبل از پروسه پس لرزه‌ها) مقاومت کند می‌توان امید وار بود که ساکنان آن فرصت فرار ونجات را خواهند یافت.
در ایران
کشور ایران روی کمربند زلزله شرقی-غربی آلپاید(Alpide) قرار دارد. از طرفی تقریبا از زیر تمامی استانهای کشور گسل‌های خطرناک وفعال عبور می‌کند. وجود این دو مورد بسیار مهم بار مسئولیت مهندسان(چه مهندسان محاسب و چه مجری وناظر و پیمانکاران) را حساس و سنگین نموده‌است. به‌طوری‌که اکنون قوانین قضایی خاصی تدوین یافته‌است که سازمان‌های نظام مهندسی و شهرداری‌ها را موظف به بازرسی و بررسی نقشه‌ها و محاسبات فنی وعملکرد نظارتی واجرایی مهندسان در رابطه :"با الزام مقاوم کردن سازه‌ها در برابر زلزله"نموده است*. روش مقاوم‌سازی در حال حاضر به صورت زیر است:
الف -برای سازه‌های فلزی با اضافه کردن سخت‌کننده‌ها به صلبیت و در واقع بالابردن اینرسی اتصالات سازه می‌افزایند.
ب -برای سازه‌های فلزی علاوه بر بالا بردن سختی وصلبیت اتصالات از سیستم‌های بادبندی :بصور:X-V-واز این قبیل در دیوارهای میانقابها (نقاط تجمع "لنگرهای زلزله ناشی از برش پایه وارده اصلی به تراز پایه سازه")که در محاسبات دقیق سازه‌ای مشخص می‌شوند-استفاده می‌کنند. وظیفه اصلی این مهاربندها یا بادبندها جذب انرژی اصلی بردارهای زلزله است تا نیروی کمتری به اعضای اصلی سازه وارد شود. عملکرد واهمیت این تقویت‌ها (اعضای غیر اصلی یا فرعی سازه) در مدهای ارتعاشی و نوسانات سازه اشکار می‌گردد. بررسی عکسها وفیلم‌های گروههای اعزامی علمی وفنی-مهندسی دانشگاه‌ها-رسانه‌ها-مراکز تحقیقاتی از چگونگی "نقاط اسیب پذیر وپاشنه اشیل سازه‌ها در برابر ضربات مولفه‌های نیروی برش پایه افقی زلزله"بخوبی پرده بر می‌دارد. در عکسها وتصاویر بوضوح دیده می‌شوند:دیوارهای بین ستون‌ها یا تیغه‌های جداکننده (در اصطلاح فنی : میان قابها:Partition) که فاقد بادبندی هستند تحت اثر تلاش برش بصورت:X یاv خرد شده وبداخل یا خارج پرتاب شده‌اند. نقطه ضعف بعدی اتصالات ضعیف وناقص یا جوشکاری غیر فنی هستند. با باد بندگذاری و صلبیت بخشیدن به اتصالات به‌طوری‌که فوقا اشاره گردید می‌توان این نقاط ضعف را هنگام محاسبه مدل‌سازی و با تقویت عای یاد شده این آسیب‌پذیری‌ها را به حداقل رساند.
ج -در سازه‌های بتن مسلح، صلبیت واستحکام اتصالات به علت کلاف شدن تیرهای اصلی و ستون‌ها در هم-بشرط اجرای فنی ودرست- در مقایسه با سازه‌های فلزی از مطلوبیت و در صدگیر داری بیشتری بعلت صلبیت بالاتر برخوردارند. اما نقطه ضعف دبگر یعنی تیغه‌های میان قاب به قوت خود باقی است. راهکارهایی که ایین نامه‌ها ی بین‌المللی ارائه داده‌اند و مفید بودن آن‌ها در زلزله‌های اخیر به اثبات رسیده‌اند عبارتند از :
مدل کردن سیستم سه بعدی سازه وبار گداری طیف زلزله بر آن در فضای مجازی برنامه‌های نرم‌افزاری وشناسایی مرکز تحمع مولفه‌های تنش یرشی زلزله و سپس:طراحی سیستم دیوار برشی بتنی در نقاط اشاره شده به منظور جذب انرزی زلزله -این دیوار در ایین نامه‌های مهندسی سازه به دیوار برشی موسوم است.
برای تقویت میان‌قاب‌ها اگر از اجر و ملات استفاده شود (سیستم سنتی) در هر چند ردیف بر اساس ایین نامه ۲۸۰۰ ایران از میل گردگذاری استفاده می‌کنند. امروزه دیوارهای پیش‌ساخته به صورت پانلی و دارای شبکه تسلیح داخلی که با فوم تزریقی پر شده‌اند وبسیار سبک هستند استفاده می‌گردد.
مدل‌سازی اطلاعات ساختمان و مقاوم‌سازی سازه‌ها
ابزار مدل‌سازی اطلاعات ساختمان با داشتن خصوصیات دقیق از مصالح و خصوصیات هریک از آن‌ها و ابزارهای تحلیل در موارد گوناگونی از قبیل انرژی تحلیل مقاومت و پایداری و … امروزه مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین یکی ازجذابیت‌های استفاده از BIM، مفهوم قابلیت پاسخگویی آن به پروژه «از مرحله گهواره تا گور» است که شامل عملیات بهره‌برداری و نگهداری، پس از پایان پروژه می‌باشد. از آنجایی که مدل BIM در حین ساخت، بطور مداوم به روز می‌گردد، بنابراین مدل تحویل داده شده به مهندس مسئول بهره‌برداری و نگهداری تجهیزات، همان نقشه‌های As Built نهایی خواهند بود. علاوه بر آن، تمام اطلاعات مربوط به محصولات، مصالح و سیستم‌های نصب شده در پروژه، بطور مستقیم به دفترچه راهنمای استفاده از آنها، که مورد استفاده مسئول آن قرار می‌گیرد، مرتبط می‌گردد.این جذابیت مدل‌سازی اطلاعات ساختمان باعث شده که استفاده از آن در تعمیر ونگهداری ساختمان حتی در ساختمان‌های موجود که فاقد مدل هستند با انجام اسکن لیزری از ساختمان به خصوص درمورد ساختمان‌های تاریخی و میراث فرهنگی مورد توجه قرارگرفته‌است که ازجمله این موارد میتوان به استفاده از آن در تالار بریسبان استرالیااشاره نمود.