سوپرفريم r.c فناوري نوين براي مقابله با زلزله

[EN-EZEL 13,037]

ساختمان مسكوني از نظر اسكلت بايد نه تنها مقاوم در برابر نيروهاي زلزله ساخته شود، بلكه بايد داراي دوام لازم در مدت زمان پيش‌بيني شده براي بهره‌برداري از آن نيز باشد. اگرچه از نظر كاركرد اقتصادي مي‌توان بخش‌هايي از ساختمان را از مصالح سبك بنا نمود، اما اسكلتي كه بتواند كاركرد درست داشته باشد معمولاً وزن قابل ملاحظه‌اي از ساختمان را به خود اختصاص مي‌دهد. با افزايش ارتفاع و به تبع آن نيروهاي حاصل از زلزله مقاطع باربر ساختمان بسيار بزرگ شده و تكان‌هاي ناشي از نيروي زلزله، در طبقات فوقاني شديد مي‌شود (شتاب و تغيير مكان‌هاي بيشتر از حد مجاز). براي اجتناب از اين مسائل، روشي تحت عنوان سوپرفريم R.C براي اسكلت ساختمان، در كشور ژاپن، ابداع شده و به‌ عنوان جديدترين فناوري به ‌مورد اجرا گذاشته شده است. با توجه به امكان انطباق و اجراي اين روش با پتانسيل‌هاي موجود در داخل كشور، روش سوپرفريم به ‌عنوان يك روش اقتصادي و فني جهت اجراي ساختمان برج مسكوني پرديسان تبريز انتخاب شده است.

پيشگفتار

با توجه به قرار گرفتن كشور ما بر روي كمربند زلزلة آلپ – هيماليا، سالانه تعداد قابل ملاحظه‌اي زلزله در آن رخ مي‌دهد. براساس آمار موجود، تقريباً همه ساله، يك زلزله با بزرگي بيش از 6 ريشتر و، در هر چند سال، يك زلزله مخرب بزرگتر از 7 ريشتر، در كشور، رخ مي‌دهد. اين مسأله نشان مي‌دهد كه توجه كردن به پايداري ساختمان، در برابر زلزله، يك ضرورت اصلي است. اگرچه در سال‌هاي اخير بلند مرتبه‌سازي در كشور رونق فراواني يافته است، اما اغلب، روش ساخت به‌ صورت سنتي انجام پذيرفته و تنها با بزرگ كردن ابعاد يك ساختمان سنتي دو يا سه طبقه اقدام به ساخت بنا‌هاي بيست طبقه و يا بلندتر شده است. واضح است كه، با تكيه بر روش‌هاي سنتي، نمي‌توان ساختمان بلندي كه در برابر زلزله‌هاي مخرب مقاوم باشد، ساخت.

حتي اگر كليه ضوابط آيين‌نامه زلزله از نظر طراحي و محاسبات رعايت شده باشد، با اجراي سنتي و دخالت انسان در اجزاي مقاوم كننده ساختمان همانند بتن‌ريزي‌ها و جوشكاري‌ها هرگز نمي‌توان به يك سازه مناسب دست پيدا كرد.

ساختمان حتي اگر در محدوده كوچكي اشكال اجرايي داشته باشد، در زمان وقوع زلزله از آن ناحيه، آسيب‌ديده و خرابي به ساير نقاط سرايت خواهد نمود. فناوري‌هاي نو تلاش مي‌كنند تا دخالت انسان را در حين ساختن به حداقل رسانده و با صنعتي كردن اجرا، يك ساختمان همگن و مطمئن بنا نمايند.

يكي از روش‌هاي مدرن و مناسب براي كشور ما روش سوپرفريم R.C است كه در سال‌هاي اخير، به خصوص پس از وقوع زلزله مخرب كوبه در كشور ژاپن، ابداع شده و هم اكنون ساختمان‌هاي بلند مسكوني زيادي را با آن روش به مورد اجرا مي‌گذارند. در اين روش ضمن كاهش مقاطع باربر، با پيش‌ساخته نمودن ستون‌ها و همچنين كنترل حركات ساختمان در حين زلزله و جذب انرژي به وسيله ميراگرهاي هيدرومكانيكي، يك ساختمان مطمئن از نظر رفتار در برابر نيروها و بسيار مناسب براي سكونت ساخته مي‌شود.

ساختمان فلزي يا بتن آرمه

در كشور ژاپن ترجيح مي‌دهند كه ساختمان‌هاي مسكوني را با اسكلت بتن آرمه بنا كنند. اسكلت فلزي بيشتر براي اجراي ساختمان‌هاي اداري و تجاري، ايستگاه‌ها و غيره مورد استفاده قرار مي‌گيرد. دليل انتخاب اسكلت بتن آرمه، را براي ساختمان‌هاي مسكوني، مي‌توان به شرح زير بيان نمود:

? ساختمان‌هاي بتن آرمه اغلب ارزان‌تر از ساختمان‌هاي فلزي ساخته مي‌شوند.

? ساختمان‌هاي بتن آرمه در مقابل سوانح آتش‌سوزي و انفجار دوام بيشتري دارند.

? در ساختمان‌هاي بتن آرمه، انتقال صوت بين طبقات (با توجه به اهميت آن به خصوص در كاشانه‌هاي مسكوني) كمتر است.

? با توجه به هماهنگي مناسب بين اجزاي جذب كننده نيروهاي زلزله و اسكلت (با قراردادن ديوار برشي) رفتار ساختمان مناسب‌تر خواهد بود.

توصيه‌هاي طراحي و ساخت

اغلب آيين‌نامه‌هاي زلزله براي ساختن بناهاي مقاوم در برابر زلزله توصيه‌هايي را ارائه مي‌نمايند. ابداع هرنوع فناوري بايد اين توصيه‌ها را در برگيرد :

? پلان ساختمان به شكل ساده و متقارن در دو امتداد عمود بر هم و بدون پيش‌آمدگي و پس‌رفتگي زياد باشد و از ايجاد تغييرات نامتقارن پلان در ارتفاع ساختمان نيز احتراز شود.

? عناصري كه بارهاي قائم را تحمل مي‌نمايند در طبقات مختلف بر روي هم قرار داده شوند

تا انتقال بار اين عناصر به يكديگر با واسطه عناصر افقي صورت نگيرد.

? عناصري كه نيروهاي افقي ناشي از زلزله را تحمل مي‌كنند موكداً طوري طراحي شوند كه

انتقال نيروها به سمت شالوده به طور مستقيم انجام شود و عناصري كه با هم كار مي‌كنند در

يك صفحه قائم قرار داشته باشند.

? براي كاهش نيروهاي پيچشي ناشي از زلزله، مركز جرم هر طبقه بر مركز سختي آن طبقه

منطبق و يا فاصله آنها در هريك از امتدادهاي ساختمان از 5 درصد بعد ساختمان در آن

امتداد كمتر باشد.

? از احداث طره‌هاي بزرگتر از 5/1 متر حتي‌المقدور احتراز شود.

? از ايجاد سوراخ‌هاي بزرگ و مجاور يكديگر در ديافراگم‌هاي كف‌ها خودداري شود.

? با به كار بردن مصالح سازه‌اي با مقاومت زياد و مصالح غيرسازه‌اي سبك، وزن ساختمان به حداقل رسانده شود.

? ساختمان و اجزاي آن به نحوي طراحي گردد كه داراي شكل‌پذيري مناسب باشند.

? ساختمان به نحوي طراحي گردد كه عناصر قائم (ستون‌ها) ديرتر از عناصر افقي (تيرها) دچار خرابي شوند.

? اعضاي غيرسازه‌اي، به خصوص ديوارهاي داخلي و نماها، طوري اجرا شوند كه حتي‌الامكان مزاحمتي براي حركت اعضاء سازه‌اي در جريان زلزله ايجاد نكنند. در غير اين‌صورت اثر اندركنش اين اعضا با سيستم سازه‌اي بايد در تحليل سازه در نظر گرفته شود.

? اعضاء و قطعات غيرسازه‌اي، به خصوص قطعات نما و شيشه‌ها، آن‌چنان طراحي و اجرا شوند كه در هنگام وقوع زلزله از سازه جدا نشده و با فرو ريختن خود ايجاد خسارات احتمالي جاني و مالي نمايند.

? روش ابداعي سوپرفريم نه تنها توصيه‌هاي مذكور را در نظر مي‌گيرد بلكه با ملحوظ نمودن انواع توصيه‌هاي ايمني ديگر مانند آتش‌سوزي و انفجار و … مسائل جديدي را از ديد اجراي بخش‌هاي تأسيساتي در نظر گرفته دارد تا علاوه بر دسترسي آسان به كليه بخش‌هاي تأسيساتي، هرگونه تعمير و تعويض در آنها بدون ايجاد مزاحمت، براي ساير همسايه‌ها، عملي شده و همه دسترسي‌ها از داخل خود واحدها صورت گيرد.

اجزاي اصلي سازه سوپرفريم R.C

با تشريح اسكلت يك ساختمان اجرا شده، به روش سوپرفريم، مي‌توان به نحوه كاركرد آن پي برد. شكل (1) به طور شماتيك اسكلت و شكل (2) نماي چنين ساختماني را نشان مي‌دهد. همان‌طور كه ملاحظه مي‌شود، بخش‌هاي باربر ساختمان ازشش جزء تشكيل شده است. اين اجزاي را مي‌توان به صورت زير تشريح نمود:

1- سوپروال

سوپروال يا ديوار برشي مركزي هسته اصلي باربر نيروهاي قائم و به خصوص نيروهاي زلزله مي‌باشد كه با مقطع I شكل اجرا مي‌شود. اين ديوار برشي، كه در هسته ساختمان قرار مي‌گيرد، از بخش پايين بر روي فونداسيون قرار گرفته و در بخش بالاي خود به سوپربيم منتهي مي‌شود. ديوار برشي به‌ صورت بتن در جا، اجرا مي‌گردد كه بتن آن در بخش‌هاي پايين بتن با مقاومت بالاست. با در نظر گرفتن شكل‌پذيري ساختمان، مقاومت بتن سوپروال از 60 نيوتن بر ميلي‌مترمربع در بالاي فونداسيون به مرور به مقدار 36 نيوتن بر ميلي‌متر‌مربع در بخش بالايي آن كاهش مي‌يابد. آرايش ميلگرد آن براساس انجام آزمايش‌هايي، بر روي قطعات مدل، طراحي شده است. از نظر اجرايي، سوپروال هميشه دو طبقه جلوتر از اجراي كف‌ها پيش مي‌رود تا وقفه‌اي در كار ايجاد نشود. شبكة ميلگردهاي اين بخش، به دليل سنگيني زياد در سطح زمين ساخته شده و به‌ وسيله جرثقيل برجي در محل خود نصب مي‌شود. جرثقيل برجي بايد حداقل قادر به جابجايي 10 تن بار باشد. شكل (3) مراحل اجراي ديوار برشي را نشان مي‌دهد.

2- ستون‌هاي اتصالي

در طرح سوپرفريم، در هريك از نماهاي ساختمان دو ستون اتصالي و جمعاً به تعداد هشت عدد، اجرا مي‌گردد. اين ستون‌ها كه بزرگ‌ترين مقطع (ستون) را در ساختمان دارند (مقطع 1/1 * 1/1 متر) به‌ دليل قرار گرفتن در نماي ساختمان، فضاي داخلي را اشغال نمي‌كنند. وظيفه اصلي اين ستون‌ها، انتقال نيروي زلزله از بالاي ساختمان بر روي پي مي‌باشد. اين ستون‌ها به صورت پيش‌ساخته در سطح كارگاه ساخته مي‌شوند. با توجه به اهميت آنها در محافظت ساختمان از تصادم اشياي خارجي در حين بهره‌برداري و با عنايت به كاركرد آنها، كنترل كاملاً دقيقي بر روي قطعات پيش‌ساخته انجام مي‌شود و اگر بتن ستوني مناسب نبوده باشد آن ستون از رده خارج مي‌شود. مقاومت بتن در اين ستون‌ها نيز به‌ صورت هماهنگ با سوپروال از 60 تا 36 نيوتن بر ميلي‌مترمربع متغير است. در شكل (4) ستون‌هاي پيش‌ساخته دپو شده در محل كارگاه نشان داده شده است.

3- لوازم جذب انرژي (ميراگرها)

يك ساختمان بلند بايد در مقابل تكان‌هاي شديد ناشي از زمين‌لرزه رفتار كاملاً پيش‌بيني شده‌اي را داشته باشد. قراردادن لوازم جذب انرژي اگرچه از حدود 30 سال پيش در دنيا رواج پيدا كرده است، اما گذاشتن نوع خاصي از آنها در بالاي ساختمان، تنها در تكنيك سوپرفريم استفاده مي‌شود. لوازم جذب انرژي كه همانند يك كمك فنر بسيار بزرگ عمل مي‌كنند رفتار ساختمان را كنترل كرده و سطح تنش‌ها را به ميزان قابل ملاحظه‌اي كاهش مي‌دهند. در ساختمان سوپرفريم با ارتفاع 33 طبقه تعداد 32 عدد از آنها كه چهار عدد بر روي هر ستون اتصالي قرار مي‌گيرد نصب خواهد شد. بنابراين در هنگام وقوع زلزله، نيروهاي حاصل از زلزله بر ديافراگم‌هاي هر طبقه اثر كرده و نيروها به سوپروال منتقل مي‌شود. سوپروال با جذب نيروها تغيير مكان‌ها را به بالاترين نقطه ساختمان منتقل مي‌كند. تغيير مكان‌ها به چهار عدد سوپربيم كه در بالاي سوپروال قرار مي‌گيرند منتقل شده و از طريق آنها به لوازم جذب انرژي انتقال مي‌يابند. اين لوازم هم به صورت فشاري و هم كششي عمل كرده و نيروهاي زلزله را پس از كاهش دادن بر روي ستون‌هاي اتصالي منتقل مي‌كنند و همان‌طور كه ذكر شد، نيروها سپس از طريق ستون‌هاي اتصالي به صورت قائم بر روي پي منتقل مي‌شوند. در شكل (5) تصوير ميراگرهاي نصب شده برروي ساختمان مشاهده مي‌گردد.

4- سوپربيم

در بالاترين بخش اسكلت ساختمان چهار عدد تير با مقطع بزرگ (00/1 * 00/4 متر) بر بالاي سوپروال قرار مي‌گيرند كه تغيير مكان‌هاي آنرا به لوازم جذب انرژي منتقل مي‌نمايند. اين تيرها كاركرد بسيار حساسي را در هنگام وقوع زلزله و يا برخورد يك شيء خارجي به ساختمان از خود نشان مي‌دهند. تصوير سوپربيم از منظره پايين آن در شكل (6) ارائه شده است.

5- ستون‌هاي ساده

ساختمان با سوپرفريم، فري پلان (Free Plan) نيز ناميده مي‌شود واين بدان معنا است كه به دليل مسطح بودن كف‌ها و عدم وجود ستون‌هاي مياني زياد (تنها يك ستون مياني در يك كاشانه 235 مترمربع وجود دارد) مي‌توان هر نوع پلان دلخواه را در هر طبقه پياده نمود. درحقيقت نه تنها تكنيك سوپرفريم، از منظر سازه‌اي، آخرين دستاورد به شمار مي‌رود بلكه اين تكنيك، از نظر معماري، نيز به آخرين دستاوردها متكي است يعني " ما بايد خودمان را با سليقه استفاده‌كنندگان تطبيق دهيم ".

6- ديافراگم‌ها

كليه كف‌سازي‌ها به صورت دال ديافراگمي اجرا شده و تنها يك تير مياني از تقاطع دال‌ها در دو تراز مختلف و با اختلاف 30 سانتي‌متر شكل مي‌گيرد. اين كف‌ها به صورت كاملا مشخص نيروهاي زلزلة طبقات را به هسته مركزي (سوپروال) منتقل مي‌نمايند.اين نوع كف‌ها ارجحيت زيادي دارد، به طوري‌كه عدم وجود تيرهاي با ارتفاع زياد انعطاف در پلان را زياد مي‌كند و در نتيجه سقف‌ها مزاحمتي براي اجراي تأسيسات ايجاد نكرده و ساختمان را براي شرايط (Free Plan)مهيا مي‌سازد. در طراحي سقف‌ها كه به صورت دال اجرا مي‌شوند دو سطح با اختلاف 30 سانتي‌متر در نظر گرفته شده است. بخش‌هاي داخلي كه سرويس‌ها و آشپزخانه و غيره بر روي آن قرار مي‌گيرند 30 سانتي‌متر پايين‌تر از كف اتاق‌ها و ساير قسمت‌ها اجرا مي‌گردند. از اين بخش كليه خطوط لوله آب و فاضلاب و گاز واحدها عبور داده مي‌شود كه با اجراي كف كاذب در مواقع اضطراري مي‌توان از داخل هر واحد به لوله‌ها دسترسي پيدا كرد.

كليه خطوط برق، تلفن و تهويه مطبوع در زير سقف‌ها به آن متصل مي‌شوند و يك سقف كاذب كم وزن روي آنها را مي‌پوشاند. در شكل (7) مراحل بتن‌ريزي ديافراگم‌ها قابل مشاهده است.

ساير موارد فني

موارد فني متعددي در ساختمان شده است. به طوركلي نه تنها ستون‌ها بلكه ديوارهاي نما به همراه اجزاي نماسازي آنها به صورت پيش‌ساخته اجرا مي‌شوند. ستون‌ها كه به طور عمده براي حمل نيروهاي قائم عمل مي‌كنند در كنار كارگاه به صورت خوابيده اجرا مي‌شوند تا در زمان مقرر به وسيله جرثقيل در جاي خود نصب گردند. ديوار برشي با استفاده از قالب لغزنده اجرا مي‌شود. معمولاً با تعبيه مناسب به صورت قائم و با قرار دادن يك آسانسور ساده مي‌توان در كنار كارگاه ميلگردها را با ارتفاع 12 متر آماده نموده و سپس به وسيله جرثقيل برجي آنرا به بخش‌هاي لازم منتقل نمود.

كليه ارتباطات قائم ساختمان از نظر مسير خطوط اصلي، راه پله‌ها و آسانسورها در جوار ديوار برشي ساخته مي‌شوند.

معمولاً مي‌توان در زمان اجراي طبقه هشتم، طبقه همكف را از نظر تأسيسات و نازك كاري به اتمام رساند. اجزاي جدا كننده به صورت ديوارهاي گچي پوسته‌اي پيش‌ساخته (دراي وال) نصب مي‌شوند. بر روي كف‌ها يك لاية سه‌لايي به ضخامت حدود 20 ميلي‌متر نصب شده و كف‌پوش‌ها بر روي آن اجرا مي‌گردند.

قالب‌بندي سقف‌ها به دليل يكنواخت بودن آنها به صورت قالب‌هاي سبك فلزي بوده كه سريعاً قابل باز و بسته كردن هستند.

 

دكتر علي كمك پناه

عضو هيأت علمي دانشگاه تربيت مدرس