چکیده
ایران بر روی کمربند کوهزایی آلپ هیمالیا و لاجرم در خط زلزله خیز جهان قرار گرفته است و نتایج حاصل از مطالعات باستان شناسی، متون تاریخی و آمارهای ثبت شده از زمین لرزه ها در 100 سال اخیر موید این مطلب است.با توجه به این که درصد بالائی از ساختمانهای موجود در اکثر شهرهای و روستاهای کشور در زمانی ساخته شده اند که آئین نامه ها و مقررات زلزله به قوت امروز حاکم و مطرح نبوده است،بیم آن می رود که با یک زمین لرزه نسبتا شدید، مخصوصا در مراکز جمعیتی کشور خسارات کلان به مردم و دولت تحمیل گردد.لذا جهت کاهش و به حداقل رساندن این خسارت مقاوم سازی ساختمان ها و ابنیه موجود بطور جدی در بین مهندسین و متخصصین کشور مطرح شده است.
در این مقاله که به سهم خود قدم کوچکی است برای تقویت ساختمانهای بنائی نمونه ائی از شیوه مقاوم سازی با استفاده از کابل ارائه و مورد بحث قرار گرفته است و به نظر می رسد که استفاده از کابل های فولادی از ابعاد گوناگون اجرائی-فنی – اقتصادی عنصر مناسبی جهت تقویت پاره ای از ساختمان ها و ابنیه مهم می تواند مطرح گردد و همچنین چند نمونه از بناهای تقویت شده توسط کابل ارائه و معرفی شده است.
کلید واژه ها: کابل های فولادی،نیروهای رانشی،کرنش ناپایداری سازه ای،مرمت،تقویت،کلاف کشی،نیروهای کششی،مقاوم سازی بناها.
1-مقدمه
موضوع تقویت، تعمیر و نگهداری ساختمان در سه بخش مستقل قابل بررسی و تعمق است،بخش نخست،ساختمان را به عنوان ثروت های غیر منقول ملی می نگرد که دارای عملکرد مشخصی در جامعه است،بنابراین توجه نمودن بر آن،ضروری و اجتناب ناپذیر خواهد بود.مصداق این تفکر ،کلاف کشی و تقویت ساختمانهای عام المنفعه،دولتی،خصوصی و عمومی ایست که اگر اندکی هم از سال ساخت آنها سپری شده باشد، اما در ردیف بناهای ستادی طبقه بندی و هم اکنون در چرخه ی زندگی و مدیریت جامعه نقش اساسی دارند.
در بخش دوم که بسیار پیچیده تر و حساس تر از بخش نخست است،ساختمان نه تنها از جهت ارزشهای اقتصادی،بلکه از نقطه نظر طرح تمدن های ملی،استمرار پدیده های فرهنگی،تداوم بخشیدن به سنتهای معماری، عنایت به پدیده های جهانگردی،طرح آرمانها و ایده آل های فکری-مذهبی و مسایل متعددی از این قبیل را مورد توجه قرار می دهد.
مصداق این تفکر،آثار و بناهای تاریخی و یادمانهای فرهنگی می تواند باشد که در مقیاس وسیعتر در اقصی نقاط ایران و از دورانهای مختلف،باقی مانده و به عنوان حفظ ارزشهای ملی – مذهبی – فرهنگی، از حساسیت نسبتا زیادی هم برخور دارند-تقویت و تعمیر آنها دارای اهمیت زیادی است.
بخش سوم،قرار گرفتن قسمت اعظمی از کشور بر روی کمربند زمین لرزه ها و تبعات اجتماعی ، سیاسی و اقتصادی ناشی از این پدیده طبیعی را،که بطور متعدد و پیوسته ظهور می نماید مورد لحاظ قرار می دهد. بنابراین مسئله تقویت انواع سازه ها،اعم از بناهای قدیم،جدید و سایر ابنیه فنی بدلایل عدیده،همانند تغییر کاربری در ساختمان،افزایش طبقات، ضعف در اجراء، اشکال در محاسبات،قدمت ساختمانها،و تغییر استانداردها،ضوابط و معیارهای فنی،شایسته انجام تحقیقات نسبتا جامع و استفاده بهینه از ابزارآلات و فناوری جدید است.
2-نیروهای رانشی
یکی از پدیده های مهمی که سازه ها را تحت تاثیر قرارداده و آن را از حیز انتفاع ساقط می سازد، نیروهای رانشی است. این نیروها عمدتا و بسته به شدت و ضعف آنها سازه را در جهت افق به کرانش،نهایتا به گسیختگی وامی دارد و عوامل عمده تولیده کننده رانش در سازه ها عبارتنداز:
- بارهای متمرکز وارد به سازه ها و اندامهای باربر
- فرم معماری همانند گنبدها،قوسها و ایوان ها
- تحلیل رفتن مقاومت مصالح و اجزاء تشکیل دهنده سازه ها
- انقباض و انبساط لایه های رسی واقع در زیر شالوده ها
- نشست تکیه گاهی و ایجاد جابجایی در فونداسیون
به وجودآمدن نیروهای رانشی ممکن است منجر به خرابیهای زیر شود:
- ناپایداری کلی سازه
- ایجاد تغییر شکل در سازه
- ایجاد ترکهای افقی،عمودی و مورب
- جدا و دو پوسته شدن عناصر و اجزای آمودی(نازک کاری) در بنا
- کمانه کردن ستون ها و عناصر تزئیناتی
- ناشوقل شدن عناصر سازه ها و اندامهای معماری
- گسیختگی و تخریب شدن کلی بنا
بنابرآنچه که بیان گردید چنین استباطی می شود که نیروهای رانشی یکی از عوامل مخرب در بناها و سازه هاست و جلوگیری از گسترش این نیروها قبل از ایجاد بحران در ساختمان،از نظر مرمتی و تقویت سازه می تواند موثر باشد.
3- روش های تقویت:
برای تقویت سازه ها روشهای گوناگونی توسط مرمت گران و مهندسان ابداع و به مرحله ی اجراء گذاشته شده اند که روش های معمول عبارتند از:
- کلاف کشی با استفاده از تیرهای فولای
- کلاف کشی با استفاده از بتون مسلح
- کلاف کشی با استفاده از ستون های فولادی مرکب
- کاهش فشار از طریق سبک سازی سازه ها
- کلاف کشی با استفاده از دوخت و دوزهای موضعی
- ایجاد نیروهای عکس العمل و فرعی در مقابل نیروهای رانشی
- کلاف کشی با استفاده از تسمه های فولادی
- تقویت با استفاده از کابل های فولادی
4- استفاده از کابل های فولادی
از آنجایی که کابل های فولادی با داشتن مشخصات فنی می توانند در تحمل نیروهای کششی در سازه نقش موثری ایفا نمایند و نسبت به روش های مزبور از مزایائی برخوردار است، در این مقاله مورد توجه قرار گرفته است که ذیلا برخی از مزیت های استفاده از کابل در مرمت و مقاوم سازی سازه ها نسبت به روش های دیگر ذکر می گردد:
- کم حجم بودن سطح تخریبی در اجرای کابل در مقایسه با گسترده بودن سطح تخریب در اجرای تیرهای فولادی و بتن مسلح
- بالا بودن مقاومت کششی کابل در مقایسه با تیرهای فولادی و بتن مسلح
- مخفی و غیر قابل رویت شدن کابل های فولادی استفاده شده در ساختمان نسبت به دیده شدن عناصر فولادی و بتنی که منجر به تغییر نمای معماری می گردد.
- سهولت اجرای کابل های فولادی نسبت به تیرهای فولادی و بتنی
- سبک و کم حجم بودن کابل در مقایسه با تیرهای فولادی و بتنی که موجب افزایش بار مرده ی ساختمان می شود.
- مقرون به صرفه بودن عملیات اجرایی تقویت سازه با کابل های فولادی نسبت به هزینه های نسبتا زیاد روش های دیگر
- قابلیت و سهولت اجرای کابل در هر نوع سازه مخصوصا سازه های بزرگ و محدود بودن استفاده از تیرهای فولادی و بتن آرمه در سازه های حجیم و طویل
- حداقل بودن زمان مورد نیاز برای اجرای کابل های فولادی در مقایسه با روش های دیگر.
5-نمونه های اجرا شده
به منظور بهره مندی از مزایای مذکور،در سالهای اخیر ساختمانهای متعددی در مقیاس های مختلف با استفاده از کابلهای فولادی مقاوم سازی شده اند که عبارتنداز:
- بنای تاریخی مسجد جامع زنجان
- بنای تاریخی رختشویخانه زنجان
- قسمتی از بازار قدیمی زنجان
- پژوهشکده علوم انسانی(حکمت و فلسفه)
که ذیلا نحوه و روش های تقویت در موارد(1) و(2) تشریح می گردد.
الف- مقاوم سازی بنای تاریخی مسجد جامع زنجان
مسجد و مدرسه ای است موسوم به مسجد جامع زنجان و از مستحدثات دوران قاجار است و این مجموعه تاریخی همانند سایر بناهای دوران قاجار از نظر مصالح استفاده شده ضعیف بوده است. این بنا در اثر بالا آمدن سطح آبهای زیرزمینی که خود معلول گرفتگی فاضلاب های منطقه ای است بطور ناهماهنگ فرونشسته و در اثر همین فرآیند،ایوان جنوبی مشرف به شبستان گنبددار را تحت تاثیر قرار داده و خرابی هائی به شرح زیر در اندامهای سازنده این بنا قابل مشاهده است.
- ایوان 5 سانتیمتر فرونشسته و 7 سانتیمتربه طرف بیرون (صحن مسجد) رانده شده و حدود 10 سانتیمتر از حالت شاقولی خارج شده است.حرکت مزبور باعث جابجایی اجزاء تزئیناتی و دو پوسته شدن قسمتی از تزئینات ایوان را فراهم ساخته بود.(شکل 2)
- در شبستان زیر گنبد در جهت شرقی به غربی شکاف های عمودی به عرض 6 سانتیمتر و به عمق مقطع دیوار،باز گردیده و ترکهای مزبور تا بالای گنبد سرایت نموده، به طوری که افتادگی کاشی کاری را موجب شده است.
- جرزهای طرفین ایوان 10 سانتیمتر به طرف خارج رانده شده و در نتیجه عرقچین(خوانچه پوش) ایوان شکسته شده و تزئینات آمودی (کاشی کاری) گسیخته است.
مشخصات بنا شامل:عمق ایوان 7 متر عرض آن 9 متر و شبستان دارای پلان مربع به طول 7 متر و ارتفاع گنبد 28 متر،با عنایت بر آنچه بیان گردید معلوم می شود که عناصر سازه ایی گنبد، ایوان و شبستان حداقل در سه جهت رانش نموده و این پدیده تعادل و ایستایی را به شدت مورد تهدید قرار داده بود.
از آنجایی که قسمت اعظمی از سطوح ایوان را تزئینات آمودی پرکار و کتیبه های زیبا پوشانیده بود و از طرف دیگر داشتن ابعاد نسبتا زیاد (حدود 20 متر طول و 12 متر عرض) مشکلاتی عدیده ای بر اجرای کلاف کشی های معمولی مترتب می گردید، بنابراین، ضمن انجام مطالعات لازم، گزینه کلاف کشی با استفاده از کابل های فولادی انتخاب و جزئیات کار طراحی و به مرحله ی اجرا در آمد.
براساس این طرح و در مرحله ی نخست سه فونداسیون در ضلع جنوبی و دو فونداسیون در ضلع شرقی و غربی اجراء شد. جان دیوارها در محل فونداسیون ها به عرض 25cm و به عمق (ضخامت) 22cm شکافته شده و در هریک ازآنها ستونی متشکل از 2INP.18 قرار گرفته و به صفحه فونداسیون متصل و به حالت کشش قرار گرفتند. با انجام این عمل کلیه حرکتهای افقی در عناصر گسیخته در جهت شمالی جنوبی سلب و ایستایی بنا در این جهت تامین گردید. کلاف مزبور در جهت شرقی به غربی انجام و بنا از هر چهار طرف به همدیگر دوخته و کلیه ی نیروهای رانشی خنثی و تعادل بنا اعاده گردید.
با اجرای این کلاف ها هیچگونه الحاقات جدید و نوظهوری در بنا مشاهده نمی شود.شایان ذکر است که هزینه های اجرایی این روش نسبت به کلاف کشی با استفاده از تیرهای فولادی نزدیک 1 به 3 و زمان اجرای آن 1 به 4 تقلیل یافته است.
ب- مقاوم سازی بنای تاریخی رختشویخانه
بنای رختشویخانه به مثابه ی یکی از زیباترین مونمانهای تاریخی – فرهنگی در منطقه و از مستحدثات اوایل پهلوی می باشد.
بنای رختشویخانه (شکل 5) شامل سالنی به طول 78 متر و به عرض 13 متر و ارتفاع نزدیک به 5/5 متر قابل اندازه گیری است. جرزهای بنا از شالوده ها تارقوم پاطاق ها از لاشه سنگ و در طاق ها و تویزه ها ازآجرهای ختایی استفاده شده است شکل هندسی و پائین بودن رقوم شالوده ها و بالاآمدن سطح آبهای زیرزمینی موجب شده است که قسمت اعظمی از جرز و شرقی این بناء حدود چهار سانتیمتر از هر طرف به خارج رانده شود. تامین ایستایی بنا از طریق اجرای کلاف محرز شد و با توجه به پهنای نسبتا زیاد بنا(20/13متر)استفاده از کابل های فولادی منطقی ترین روش به نظر رسید.بر این اساس طراحی تقویت بنای مزبور آغاز و به مرحله ی اجراء درآمد.براساس طراحی مذکور در رقوم 00/0± در پشت کلیه تویزه ها و در دوطرف آنها فونداسیون ها تعبیه و ستون های فولادی متشکل از 2INP14 در آنها نصب گردید. ستون های مقابل هم با نصب کابل های فولادی با تمهیداتی به همدیگر متصل و بدین سان نیروهای فعال رانش خنثی شده اند.
6- نحوه انتقال نیروهای رانشی در سیستم سازه ای
وضعیت اعمال نیروهای رانشی به سیستم تقویت متشکل از کابل – ستون در سه حالت قابل بررسی است. 1) تمام نیروهای رانشی به ستونهای سمت راست اعمال گردد.(شکل1-ب) 3) نیروهای رانشی همزمان به هر دو طرف به طور مساوی اعمال گردد.(شکل1-ج)
نیروهای رانشی در کابل ها ایجاد نیروهای کششی نموده و انتقال نیرو نهایتا بصورت نیروهای برشی و خمشی از طریق ستون ها به فونداسیون ها منتقل میگردند.
7- نتیجه گیری
بنا برآنچه که بیان گردید، استفاده از کابل های فولادی ، در تقویت و کلاف کشی انواع سازه ها اعم از قدیم، جدید و سازه های بتنی،فولادی، آجری و چوبی یکی از روش های موثر و مفید می تواند مطرح شود که در مقایسه با سایر روش های ممکن از نظر معماری ، اقتصادی، سهولت اجرا و زمان اجرا نسبت به آنها ارجحیت دارد.