انتخاب سیستم سازهای مناسب برای مقابله با زلزله، یکی از مهمترین تصمیمات در طراحی ساختمانهاست.
در این مقاله، رفتار لرزهای قابهای فولادی (مهاربندی شده و خمشی) و قابهای بتنی (با شکلپذیری کم، متوسط و زیاد) بر اساس پارامترهای کلیدی چون شکلپذیری، ضریب رفتار (R)، اضافه مقاومت، جذب انرژی، مکانیسم تشکیل مفاصل پلاستیک و الگوی خرابی مقایسه میشود.
همچنین با استناد به زلزلههای سرپل ذهاب (۱۳۹۶)، بم (۱۳۸۲)، و زلزله ۱۹۹۴ نورتریج (آمریکا)، عملکرد واقعی هر سیستم بررسی میگردد. نتیجه نشان میدهد که هیچ سیستمی ذاتاً ایمنتر نیست، اما در شرایط طراحی و اجرای ضعیف، رفتار فولاد معمولاً هشداردهندهتر و رفتار بتنی شکنندهتر و ناگهانیتر است.
1- مقدمه
در زلزله، انرژی جنبشی امواج به سازه وارد میشود. یک سازه خوب باید این انرژی را از طریق تغییرشکلهای غیرخطی (پلاستیک) بدون فروپاشی جذب کند.
به این توانایی شکلپذیری (Ductility) میگویند. آییننامه ۲۸۰۰ ایران (ویرایش چهارم) برای هر سیستم سازهای، ضریب رفتار (R) تعریف میکند که نمایانگر توانایی جذب انرژی و شکلپذیری است.
هرچه R بالاتر باشد، نیروی طراحی کمتری محاسبه میشود، اما نیاز به جزئیات دقیقتر برای تأمین شکلپذیری بیشتر است.
| بتنی | فولادی | ||
| سیستم سازه ای | R | سیستم سازه ای | R |
| قاب بتنی با شکلپذیری ویژه | 7.5 | قاب خمشی فولادی ویژه | ۱۰ |
| قاب بتنی با شکلپذیری متوسط | 5.5 | قاب خمشی فولادی متوسط | 7 |
| قاب بتنی معمولی (شکل پذیری کم | 3.5 | قاب ساده فولادی با مهاربندی هممحور ویژه | 7.5 |
این اعداد نشان میدهند که فولاد در حالت ایدهآل، ضریب رفتار بالاتری دارد، یعنی انتظار میرود شکلپذیری بیشتری از خود نشان دهد. اما در عمل، بسیاری از سازههای بتنی در ایران با شکلپذیری کم یا متوسط طراحی میشوند که ضریب رفتار پایینی دارند و در زلزله شدید آسیبپذیرند.
۲. مبانی رفتار لرزهای
۲.۱. شکلپذیری واقعی در فولاد و بتن
فولاد: منحنی تنش-کرنش فولاد نرم دارای ناحیه تسلیم طویل است. در قاب خمشی فولادی، مفاصل پلاستیک در انتهای تیرها تشکیل میشود و میتوانند تا ۴ تا ۶ درصد کرنش پلاستیک را تحمل کنند. این یعنی تغییرشکلهای بزرگ قبل از گسیختگی.
بتن مسلح: بتن به خودی خود ترد است. شکلپذیری بتن تنها در صورتی حاصل میشود که با خاموتهای بسته با فاصله کم در منطقه بحرانی (مطابق آییننامه)، از کمانش آرماتورها و خردشدن زودهنگام بتن جلوگیری شود. در قاب بتنی با شکلپذیری ویژه، مفاصل پلاستیک در تیرها میتوانند کرنش فشاری بتن تا ۰.۰۰۴ و کرنش کششی آرماتور تا ۰.۰۱ را تحمل کنند که حدود نصف فولاد است.
نتیجه: فولاد ذاتاً شکلپذیرتر است، اما بتن مسلح خوب طراحی شده نیز میتواند شکلپذیری کافی (البته کمتر از فولاد) تأمین کند.
۲.۲. مکانیسم جذب انرژی و الگوی خرابی
در زلزله، ترتیب تشکیل مفاصل پلاستیک (از تیرها به ستونها – اصل "تیر ضعیف، ستون قوی") بسیار مهم است.
قاب خمشی فولادی: در صورت رعایت «تیر ضعیف، ستون قوی»، ابتدا انتهای تیرها وارد ناحیه پلاستیک میشوند. این امر به عنوان فیوز لرزهای عمل میکند و انرژی را به تدریج مستهلک میکند. اگر این ترتیب رعایت نشود، مفاصل پلاستیک در ستونها تشکیل شده و مکانیزم طبقه (Story Mechanism) رخ میدهد که منجر به فروریزش ناگهانی طبقه میشود.
قاب بتنی ویژه: مشابه فولاد، باید مفاصل پلاستیک در تیرها تشکیل شود. اما به دلیل سختی بالای بتن، معمولاً خسارت به صورت ترکخوردگی گسترده و خردشدگی بتن در ناحیه فشاری ظاهر میشود. در صورت عدم وجود خاموت کافی، آرماتورهای طولی کمانش کرده و هسته بتن خرد میشود و عضو ظرفیت خود را ناگهانی از دست میدهد (خرابی شکننده).
۳. بررسی عملکرد در زلزلههای واقعی
۳.۱. زلزله ۱۳۹۶ سرپل ذهاب (Mw=7.3)
در این زلزله، تعداد زیادی ساختمان بتنی با شکلپذیری کم (فقط ستونهای بتنی بدون جزئیات لرزهای) فرو ریختند.
علت اصلی: فاصله زیاد خاموتها و عدم وجود خاموت در اتصال تیر به ستون که منجر به برش شکننده و خردشدگی ناگهانی بتن شد.
در مقابل، برخی ساختمانهای فولادی با مهاربند هممحور که اتصالات جوشی ضعیفی داشتند، در اثر گسیختگی جوش در اتصال تیر به ستون خراب شدند.
اما الگوی خرابی متفاوت بود: در فولاد، قبل از فروپاشی، تغییرشکلهای زیادی دیده میشد (کمانش مهاربندها، خمیدگی تیرها)، در حالی که در بتنی، خرابی اغلب بدون هشدار قبلی رخ داد.
۳.۲. زلزله ۱۹۹۴ نورتریج (آمریکا)
این زلزله نشان داد که قابهای خمشی فولادی قدیمی (قبل از ۱۹۹۰) با اتصالات جوشی از نوع پیشبخشی (Weldment) دچار ترک شکننده در ناحیه جوش شدند و بسیاری از اتصالات گسیخته شد بدون اینکه شکلپذیری از خود نشان دهند. این رویداد منجر به بازنگری کامل جزئیات اتصالات فولادی شد. در مقابل، قابهای بتنی با جزئیات ویژه عملکرد بسیار خوبی داشتند.
۳.۳. زلزله ۱۳۸۲ بم (Mw=6.6)
ساختمانهای سنتی و خشتی اکثراً تخریب شدند. اما در مورد سازههای مدرن، بیشتر ساختمانهای بتنی بدون آییننامه (کلاف بتن مسلح نامنظم) به طور کامل فرو ریختند. سازههای فولادی سبک (سولهها) در اثر کمانش اعضا تخریب شدند ولی فروپاشی کامل کمتر بود. این مشاهدات نشان میدهد که نظارت ضعیف بر اجرا در هر دو سیستم کشنده است.
۴. جدول مقایسه پارامترهای لرزهای کلیدی (فنی)
مقایسه پارامترهای لرزهای کلیدی
| پارامتر | سازه فولادی (قاب خمشی ویژه) | سازه بتنی (قاب خمشی) |
|---|---|---|
| ضریب رفتار (R) | 10 | 7.5 |
| اضافه مقاومت (Ω) | 1.5 تا 1.3 | 1.2 تا 1.1 |
| نسبت میرایی معادل | 2% تا 3% | 3% تا 3% |
| فرکانس طبیعی (سختی) | پایینتر | بالاتر |
| حساسیت به اثر P-Delta | بیشتر | کمتر |
| رفتار پس از تسلیم | نرمشوندگی | نرمشوندگی |
| حالت حدی فروریزش | کمانش و گسیختگی اتصال | خردشدگی هسته بتن |
۵. نقش خاک و اندرکنش خاک-سازه
یکی از مباحثی که در مقایسههای ساده نادیده گرفته میشود، تأثیر خاک است. بر اساس بند ۳-۴-۲ آییننامه ۲۸۰۰، در خاک نوع IV (خاک نرم با
Vs<150 m/s)، شکلپذیری مورد نیاز سازه به شدت افزایش مییابد. در چنین خاکی، سازههای بتنی با شکلپذیری کم (R=3.5) به هیچ وجه مجاز نیستند، زیرا سختی زیاد و شکنندگی آنها منجر به تشدید ارتعاشات و خرابی زودرس میشود.
در این خاکها، سازه فولادی با مهاربندی قطری یا قاب خمشی ویژه عملکرد بهتری دارد، به شرطی که تغییرمکانهای جانبی توسط جداگرها یا میراگرها کنترل شود.
۶. جمعبندی نهایی و توصیه حرفهای برای مهندسان
پس از بررسی دقیق مبانی و شواهد زلزله، به این نتیجه میرسیم:
1. در شرایط طراحی و اجرای ایدهال (مطابق آییننامه ۲۸۰۰ ویرایش چهارم و مبحث دهم مقررات ملی)، هم قاب فولادی ویژه و هم قاب بتنی ویژه از ایمنی لرزهای بالایی برخوردارند. اما حاشیه ایمنی فولاد در برابر خطای اجرا بیشتر است زیرا ذات شکلپذیر آن، خطاهای جزیی را بهتر تحمل میکند. در مقابل، بتن ویژه نیاز به دقت فوقالعاده در خاموتگذاری و ویبراتور زدن دارد.
2. در پروژههای معمول در ایران که نظارت قوی وجود ندارد، ساختمانهای فولادی معمولاً خرابی هشداردهندهتری دارند (خمیدگی، کمانش، ترک جوش) که فرصت تخلیه میدهد. ساختمانهای بتنی ضعیف اغلب بدون هشدار فرومیریزند. به همین دلیل، بسیاری از مهندسان زلزله در ایران معتقدند که برای ساختمانهای مسکونی با نظارت ضعیف، فولاد ارجحیت دارد.
3. برای سازههای بسیار بلند (بالای ۱۰ طبقه) و در خاک نرم، سیستم فولادی با مهاربندهای قطری یا سیستم دوگانه (قاب خمشی+مهاربند) عملکرد لرزهای بهتری دارد، زیرا نسبت وزن به مقاومت آن کمتر است و نیروی زلزله ورودی کاهش مییابد.
4. برای سازههای کوتاه (تا ۴ طبقه) با دهانههای منظم در خاک سخت، سیستم بتنی با شکلپذیری متوسط (R=5.5) از نظر اقتصادی به صرفه است، اما باید حتماً از خاموتهای لرزهای در انتهای تیرها و ستونها (با فاصله حداکثر d/4) استفاده شود.
توصیه نهایی: به هیچ وجه به سیستم سازهای به صورت انتزاعی رأی ندهید. ایمنی زلزله در طراحی دقیق توسط مهندس ماهر، تأمین مصالح استاندارد، و نظارت مستمر کارگاه نهفته است. یک قاب خمشی فولادی با اتصالات جوشی نامرغوب از یک قاب بتنی بدون خاموت هم خطرناکتر است. همیشه خواستار کنترل کیفی جوش و بتن و آزمایشهای غیرمخرب باشید.
***منابع پیشنهادی برای مطالعه بیشتر
· آییننامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله (استاندارد ۲۸۰۰)، ویرایش چهارم، ۱۳۹۴.
· مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (طرح و اجرای ساختمانهای فولادی و بتنی)، ۱۳۹۹.
· FEMA P-750 (2015) – NEHRP Recommended Seismic Provisions.· Priestley, M.J.N. (1996) – Displacement-Based Seismic Assessment of Reinforced Concrete Buildings.
· گزارش سازمان مدیریت بحران کشور از زلزله سرپل ذهاب (۱۳۹۶).
