تفاوت بهسازی لرزه ای و مقاوم سازی
در ایالات متحده آمریکا پس از زلزله سال 1906 سانفرانسیسکو و حریق فراگیر ناشی از آن در ساختمانهای چوبی ، ابتدا حریق در مرکز توجه قرار گرفت ولی بتدریج توجه به سمت تامین پایداری ساختمانها در برابر زلزله معطوف شد و درسال 1925 پس از زلزله سانتاباربارا ، برای اولین بار ضوابط و معیارهائی برای تامین پایداری ساختمانها در برابر زلزله در آئین نامه متحدالشکل آمریکا U.B.C. مطرح شدند که رعایت آنها اختیاری بود و حدود 10 سال طول کشید که رعایت این ضوابط از حالت اختیاری خارج و اجباری گردد. این امر در سال 1935 در U.B.C. تصریح شد.
تدوین ضوابط برای تامین ایمنی ساختمانها در برابر زلزله، بتدریج در سایر کشورها هم آغاز گردید و هنوز تلاش برای تدقیق و پالایش این ضوابط، بطور گسترده وجهانی ادامه دارد. در کشور ما نیز پس اززلزله ویرانگر بوئین زهرا در سال 1341، تلاش برای تدوین اولین مدرک آئین نامه ای به منظور تامین ایمنی ساختمانها در برابر زلزله ، به ابتکار و هدایت آقای مهندس علی اکبر معین فر در چارچوب دفتر فنی سازمان برنامه آغاز گردید.
با توجه به اینکه تلاش مهندسان برای طراحی ساختمانها در برابر زلزله وقتی شروع شدکه دهها سال از تدوین ضوابط طراحی و تامین ایمنی ساختمانها در مقابل بارهای قائم می گذشت، بطور طبیعی برای طراحی ساختمانها در برابر زلزله، از همان الگوی تامین ایمنی در مقابل بارهای قائم کمک گرفتند و همانطور که تامین ایمنی در مقابل بارهای قائم و گاه بارهای جانبی باد، با برداشتی « یقین اندیشانه» به «تامین مقاومت» اجزا و عناصر سازه ای مشخص، در محیط ارتجاعی ، در مقابل نیروهای مشخص، محدود می شد، کوشش به عمل آمد که اثر زلزله را هم به صورت نیروئی جانبی در نظر گرفته و بر روی ساختمان اثر بدهند.
در اولین ضوابط مربوط به طراحی ساختمانها در برابر زلزله، با این استدلال که در موقع زلزله ، ساختمان تحت اثر(شتاب زمین) شتاب می گیرد واین شتاب به پدید آمدن نیروی اینرسی می انجامد، در صدی از وزن ساختمان و اشیاء، مواد و بارهای دیگر موجود در آن را به صورت نیروئی افقی برساختمان اثر دادند و تصور حاکم این بود که با تامین «مقاومت» اجزا و عناصر سازه ای در برابر این نیرو در محیط ارتجاعی ، می توان ایمنی در برابر زلزله را تامین کرد و مانع خرابی ساختمان شد.
به این ترتیب « طراحی برای مقاومت در برابر زلزله» شکل گرفت . ولی به دلیل قدرت تخریبی زیاد مشاهده شده در زلزله های شدید ونامشخص بودن سقف آن، در هر تجدید نظر، درصد منظور شده در ضوابط افزایش داده می شد و خیلی زودآشکار گردید که با پذیرش رفتار ارتجاعی اجزا و عناصر سازه ای، ابعاد این اجزا وعناصر بطور غیر متعارف بزرگ می شوند وعملا" امکانات موجود انسان پاسخگوی این راه حل نیست. رسوبات ذهنی آن دوره هنوز هم کاملا" از بین نرفته وهنوز هم عده ای از مهندسان، تامین ایمنی در برابر زلزله را به « تامین مقاومت» تعبیر می کنند.
وقتی مهندسان دریافتند که تامین ایمنی ساختمانها در برابر نیروهای زلزله با همان الگوی تامین ایمنی در برابر بارهای قائم عملی نیست، جستجوی راه حلهای دیگر را در دستور کارشان قراردادند.
در اولین پژوهشها، مشخص گردید که باید فرق ماهوی موجود بین بارهای قائم ونیروهای اینرسی ناشی از زلزله را در بررسی ایمنی ساختمانها در برابر زلزله مد نظر داشت. مقادیربارهای قائم در جریان زلزله تغییری نمی کنند و ثابت اند ولی نیروهای اینرسی تابع شتاب داده شده به ساختمان دراثر زلزله اند و با تغییر مقدار شتاب تغییر می کنند و در واقع نمایانگر انرژی حرکتی القا شده به ساختمان می باشند که باید توسط ساختمان جذب و مستهلک شوند.
با عنایت به اینکه بخشی از این انرژی می تواند با تغییر شکلهای ارتجاعی و بخشی دیگر با تغییر شکلهای فرا ارتجاعی جذب شوند واگر ساختمان قادر به جذب و اتلاف انرژی حرکتی از این طریق نباشد، خرابی آن حتمی خواهد بود، مهندسان کوشش کردند با پذیرش خرابیهای محدود قابل کنترل وبا قبول درهم شکستن موضعی بخشهائی از اجزا وعناصر متشکله سازه ساختمان که خرابی آنها باعث فروپاشی ساختمان نمی شود وپس از زلزله، بسادگی قابل بهسازی اند، نیروهای زلزله را جذب و مستهلک نمایند.
به عبارت دیگرسعی کردند که اگر نمی توانند از بروزخرابی جلوگیری کنند، آن را به جائی منتقل نمایند که آثار زیانبارش کمتر وجبران آنها پس از زلزله آسانتر باشد.به علاوه برای محدود کردن آثار جانبی خرابی، سعی کردند که پدیدار شدن گسیختگی در اجزا و عناصر سازه حالت ترد و ناگهانی نداشته و به صورت تغییر شکلهای فرا ارتجاعی و تشکیل مفصلهای خمیری باشد.
به این ترتیب بتدریج ، اهمیت تغییر شکلهای فرا ارتجاعی برای جذب و اتلاف انرژی القا شده به ساختمان در اثر زلزله ، روشن شد و ابتدا مفهوم « شکل پذیری » در ضوابط طراحی منعکس و سپس «طراحی برای ظرفیت» شکل گرفت.
موضوع محوری « طراحی برای ظرفیت» جذب و اتلاف انرژی حرکتی زلزله به کمک تغییر شکلهای فرا ارتجاعی و تشکیل مفصلهای خمیری در مقاطع و مناطق از پیش تعیین شده سازه می باشد که بطور بدیهی مستلزم آن است که سازه نا معین (هیپرستاتیک) و دارای پیوندهای اضافی مناسب باشد، بطوریکه با از بین رفتن تعدادی از این پیوندها دراثر تغییر شکلهای فرا ارتجاعی ، سازه فرو نریزد.
بموازات این تغییر وتحولات ، اهمیت تغییر مکانهای جانبی نقاط مختلف اجزا و عناصر سازه ای در پایداری سازه ها روشن و محدود کردن این تغییر مکانها به منظورتامین ایمنی در برابر نیروهای زلزله ضرورت یافت، بویژه توجه به این نکته معطوف گردید که گرچه بروز تغییر شکلهای فرا ارتجاعی وتشکیل مفصلهای خمیری کار جذب و اتلاف انرژی حرکتی ناشی از تکانهای شدید زمین را تسهیل می نماید، ولی تغییر مکانهای جانبی سازه نسبت به تغییر مکانهای نظیر رفتار ارتجاعی بیشتر می شوندو این مسئله از لحاظ انطباق با ضوابط و قیود آئین نامه ای مربوط به تغییر مکانهای جانبی باید در طراحی ملحوظ شود.
همچنین بتدریج با توجه به اینکه در همه احوال منظور از طراحی ، تامین و حفظ قابلیت بهره برداری از ساختمان است و سازه فقط بخشی از این قابلیت را فراهم می کندو اجرا و عناصر غیر سازه ای هم در تامین قابلیت
بهره برداری از ساختمان نقش اساسی دارند، بتدریج ضوابط و قیودی، هرچند کمرنگ، در آئین نامه ها وضوابط تایمن ایمنی ساختمانها در برابر زلزله وارد شدند.
3- بهسازی لرزه ای
با آنچه در مورد «بهسازی» و مفهوم لرزه ای گفته شد، اکنون می توان «بهسازی لرزه ای » را بررسی کرد.
گفتیم «بهسازی» موقعی صورت می گیرد که نارسائی یا کمبودهای در ساختمان وجود داشته باشد وبرخی از موارد بهسازی را نام بردیم.
همچین دیدیم که مفهوم « لرزه ای» به چه مقولاتی مربوط می شود و بویژه دیدیم که آئین نامه ها در مورد سازة ساختمان، از دیدگاه این مفهوم روی چه نکاتی تاکید می ورزند.
حال می توانیم بگوئیم «بهسازی» وقتی مطرح می شود که ساختمانی، بهر علت، آسیب دیده یا احتمال آسیب دیدنش در شرایط مختلف و به صورت عام وجود داشته باشد. اما بهسازی لرزه بطور عمده موقعی مطرح
می شود که کاهش احتمال آسیب پذیری و بروز نارسائیهای کوچک یا بزرگ در ساختمان در اثر زلزله مد نظر باشد.
ذکر این نکته خالی از لطف نیست که گرچه بهسازی به قدمت ساختن و در واقع همزاد آن است، تا چند دهه پیش ، «بهسازی» کار مهندسی محسوب نمی شد و آن را به حرفه مندان رده های پایین ، یعنی معماران (به مفهوم سنتی) و بنایان واگذار می کردند و بطور استثنائی در موارد ویژه و برای ساختمانهای خاص از مهندسان کمک گرفته می شد.
کارمهندسان ساختن فضاهای زیست و کار وارتباطات بود ودر واقع مهندسان کالبد فیزیکی زندگی مدنی را می ساختند و اکنون هم می سازند، ولی با پیچیده تر شدن ساختمانها و بالطبع بغرنج شدن بهسازی آنها، بتدریج حضور مهندسان در این عرصه بیشتر شد ووقتی در حدود ربع قرن پیش شورای اقتصادی سازمان ملل متحد در یک اقدام بی سابقه، کتابی در زمینه بهسازی وبرخی ضوابط حاکم بر آن منتشر کرد، مسئله جایگاهی دیگر یافت. بویژه انتشار این کتاب اهمیتی نمادین از لحاظ نشان دادن جایگاه مهم بهسازی در اقتصاد جهان داشت.
حدود بیست سال پیش، وقتی پیشنهاد کردم که «بهسازی» به عنوان درسی مستقل و واحدی اختیاری، برای اولین بار در دانشکده فنی ارائه شود، شاید برخی از همکاران هم به خاطر داشته باشند که می گفتم « اگر قرن بیستم قرن ساختن است، قرن بیست و یکم قرن بهسازی خواهد بود» و در قرن بیست و یکم، «ساختن» و
« بهسازی» همعنان و رکاب به رکاب حرکت خواهند کرد. ولی اکنون وضع ازاین هم فراتر رفته و بهسازی جلوتر از ساختن و نوسازی حرکت می کند. یکی از علل عمده این مسئله ، این است که مهندسان در نوسازی بطور عمده در چارچوب مقررات و مفاهیم کلاسیک و متداول باید حرکت کنند ولی در بهسازی امکان مطرح کردن افکار نو و راه حلهای غیر متعارف بیشتر است.
یکی از ثمره های بزرگ این نحوة برخورد با مسئله ، «طراحی ساختمانها دربرابر زلزله برمبنای عملکرد» است که اول بار در بهسازی مطرح شد وسپس راه خود را به سمت آئین نامه های ساختن ساختمانهای نوگشود وگسترش یافت.
در اولین کارهای بهسازی که مهندسان به عهده گرفتند، بطور طبیعی تلاشها متوجه تعمیم مقررات تامین ایمنی ساختمانهای نو، بر امر بهسازی ساختمانهای موجود بود ولی تجربیات حاصل نشان دادند که رعایت این مقررات در بهسازی خواه به منظور « اعاده کیفیت» (اعاده وضعیت) ساختمانهای آسیب دیده و خواه به منظور «ارتقای کیفیت» (ارتقای وضعیت) ساختمانهائی که انجام وظیفه یا وظائفی سنگین تر از آنها مورد نظر است ،
دخالت بسیار در وضع موجود ساختمان را ایجاب می کند و به مراتب پرهزینه تراز اعمال مقررات مزبور در ساختمانهای در دست طراحی و ساخت است و امکاناتی قابل ملاحظه می طلبد که فراهم کردن این امکانات اگر غیر ممکن نباشد، اغلب بسیار مشکل است بطوریکه دراغلب موارد پافشاری در کاربرد مقررات نوسازی در امر بهسازی ، کار را به بن بست می کشاند. کوشش برای یافتن راه حل ادامه یافت و مهندسان دست اندرکار بهسازی بتدریج به این نتیجه رسیدند که اگر نمی توان باهزینه ای منطقی و معقول ایمنی ساختمانی را تا حد یک ساختمان
نو بالابرد، دلیلی ندارد که آن را به حال خود رها کنیم. بلکه عقل سلیم و منطق مهندسی حکم می کنند که با تساهل و تسامح واختیار کردن میزان دخالت در وضع ساختمان متناسب با امکانات، هرمیزان ایمنی را که دستیابی به آن درچارچوب منطق وامکانات میسر است، تامین کنیم.
اهمیت این راه حل موقعی بیشتر شد که از سوئی ، برمبنای شناخت بیشتر از پدیدة زلزله، آئین نامه های روز آمد تامین ایمنی ساختمانها در برابر زلزله، محدودیتهائی بیشتر برای طراحی ساختمانها در نظر گرفتند و از سوئی دیگر ، توقع جوامع انسانی برای تامین ایمنی، با سرعت رو به افزایش نهاد و « بهسازی لرزه ای ساختمانهای موجود» در دستور روز قرار گرفت.
زیرا مسئله از دو حال خارج نبود، یا ساختمانها براساس آئین نامه ای معتبر برای زلزله طراحی نشده بودند یا براساس آئین نامه های پیشین طراحی شده بودند که نیروها و محدودیتهائی کمتر نسبت به آئین نامه های جدیداعمال می کردند ولذا در هر دو حال ، ایمنی ساختمانها در برابر نیروهای زلزله مورد تردیدبود و می بایست مورد واکاوی قرار می گرفت و بطور بدیهی، با توجه به حجم زیاد ساختمانها و محدودیت امکانات، تامین ایمنی همه ساختمانهای موجود در حد ساختمانهای نو میسر نبود و چاره ای جز این نبود که به تامین ایمنی نسبی در حد مقدورات اکتفا شود.
وقتی که به این ترتیب بهسازی با تساهل و تسامح برای تامین ایمنی محدود ضرورت یافت ، برای احتراز از اعمال سلیقه های متفاوت و ضابطه مند کردن امر بهسازی با پذیرش ایمنی نسبی، فکر تدوین ضوابطی برای بهسازی ساختمانهای موجود، در مجامع مهندسی پدید آمد.
کار تدوین این ضوابط با تعریف «سطوح عملکرد ساختمان» شامل «سطوح عملکرد سازه ای» و «سطوح عملکرد غیرسازه ای » از یک سو و تعریف سطوح مخاطرات زلزله تهدید کنندة ساختمانها از سوئی دیگر، آغاز شد و بتدریج به تدوین « ضوابط بهسازی لرزه ای ساختمانهای موجود» انجامید.
به این ترتیب، با تجدید نظر در فلسفه بهسازی ، بهسازی از قید آئین نامه های طراحی و ساخت ساختمانهای نو رها گردید.
براساس این ضوابط، «بهسازی لرزه ای» را می توان نوعی « بهینه سازی » در « بهسازی» دانست که شاخصه اصلی آن تامین ایمنی بطور نسبی، متناسب با مقدورات وامکانات ، برای تمام اجزا و عناصر ساختمان، اعم از سازه ای و غیر سازه ای است واین را می توان «جوهر اصلی بهسازی لرزه ای» دانست .
در کشور ما نیز، تقریبا" همزمان با اکثر کشورهای زلزله خیز جهان، این ضوابط توسط «سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور» تدوین و تحت عنوان «دستورالعمل بهسازی ساختمانهای موجود» منتشر گردید و در اختیار دست اندرکاران قرارگرفت .
براساس این دستوالعمل ، وقتی صحبت از بهسازی لرزه ای ساختمانی به میان می آید، مفهومش این است که ساختمان مزبور، کم یا بیش، عملکرد لازم را در برابر زلزله ندارد.
عملکرد ساختمان ، همانطور که دیدیم ، مشتمل بردو مولفه است ، عملکرد سازه ای و عملکرد غیرسازه ای . عملکرد سازه ای بطور بدیهی به سازه ساختمان مربوط می شود و عملکرد غیرسازه ای ،اقلام معماری و تاسیساتی را شامل می گردد.
وقتی می گوئیم سازه یک ساختمان عملکرد لازم ندارد، محتمل است که یکی یا تعدادی از نارسائیهای مشروحه زیررا داشته باشد:
- برخی از اجزای سازه یا کل آن ، « مقاومت»کافی دربرابر نیروهای ناشی اززلزله را نداشته باشند و تلاشها و تنشها در مقاطع مختلف سازه از حد قابل پذیرش فراترروند.
- برخی از اجزای سازه یا کل آن ، فاقد «سختی» مناسب در برابر اثر نیروهای ناشی از زلزله باشند و تغییر مکانهای جانبی سازه از حد قابل پذیرش تجاوز نمایند.
- برخی از اجزای سازه یا کل آن از «شکل پذیری» کافی برخوردار نباشند و نتوانند انرژی منتقله از زلزله به ساختمان را گرفته ، از طریق احراز تغییر شکلهای فرا ارتجاعی در مقاطع واجزای از پیش تعیین شده ، بدون درهم شکستن و فروریختن ساختمان ، تلف نمایند.
وقتی عملکرد غیر سازه ای ساختمانی در برابر زلزله نارسائی داشته باشد، ممکن است در موقع زلزله کاستیهای زیر درآن پدید آیند:
- شبکه برق ساختمان آسیب ببیند و زندگی درداخل ساختمان مختل شود (مثلا" آسانسورها متوقف شوند) یا در اثر اتصالی مدارها و جرقه زدن آنها سبب ایجاد حریق گردد.
- چراغها جداشده ، فروافتاده و گردشکار در داخل ساختمان و راههای خروج اضطراری به دلیل از بین رفتن سیستم تامین روشنائی ، مختل شود.
- در ساختمانهای خاص نظیر بیمارستانها، سیستم تامین و توزیع برق اضطراری آسیب دیده و قادربه انجام وظیفه نباشد.
- شبکه تلفن ، سیستم ارتباطی ومخابراتی، تجهیزات پیام رسانی ، تجهیزات شبکه کامپیوتر ، تجهیزات اعلام حریق و پیشگیری از آن آسیب دیده و کارشان دچار اختلال شود.
- شبکه لوله کشی آب آسیب دیده و آب به داخل فضاها نشت نماید یا حتی لوله ها شکسته و جریان آب قطع گردد.
- لوله کشی فاضلاب آسیب دیده و نشت فاضلاب، بهداشت فضاها را مختل کرده و سلامتی بهره برداران از ساختمان را به مخاطره اندازد.
- لوله کشی گاز آسیب دیده ، گاز به بیرون نشت نماید وخطر انفجار و آتش سوزی درساختمان پدید آید.
- سیستمهای گرمایش ،سرمایش ،تهویه و تعویض هوا و موتورخانه ها آسیب دیده و شرایط نامناسب رفاهی برای زندگی پدیدآورند و سبب پخش شدن موادی نظیر آمونیاک و گازهای هالوژنه شده و بهداشت ساکنان را به مخاطره اندازند.
- تیغه ها و دیوارهای جداگر فروریخته ، باعث لطمات جانی ومالی شده و گردشکارفضاها را برهم زنند.
- سقفهای کاذب فروریخته یا دراثر ضربه زدن به دیوارها و جداگرها وحتی به اجزای سازه ای ، باعث تشدید خرابیهای ناشی اززلزله و افزایش لطمات و تلفات گردند.
- شیشه های درها و پنجره ها شکسته و فضاها غیرقابل استفاده گردند.
- درها و پنجره ها در نتیجه تغییر شکلهای ماندگار ناشی از حرکات زلزله ، بازوبسته نشوند.
از این موارد باز هم می توان یافت ، به عبارت دیگر موارد کاستیهای ناشی از نقص عملکرد سازه ای ، بویژه نقص عملکرد غیرسازه ای به موارد فوق محدود نمی شوند و طبعا" در « بهسازی لرزه ای» بایدبه همه این کاستیها اندیشید و آنها را رفع کرد و توجه داشت که نه با تامین عملکرد سازه ای ساختمان به تنهائی و نه تنها با تامین عملکرد غیره سازه ای ساختمان، عملکرد مورد انتظار ساختمان تامین نمی شود.
به عنوان مثال ساختمان بیمارستانی را درنظر بگیرید که سازه آن همه جانبه بهسازی شده بطوریکه در مقابل زلزله خدشه ای به عملکرد آن وارد نیامده است ولی تمام شبکه های آن شامل شبکه آب ، فاضلاب ، برق، گازآسیب دیده ، شیشه های درها و پنجره ها شکسته اند. آیا چنین بیمارستانی می تواند عملکرد مورد انتظار را در موقع زلزله و پس از زلزله داشته باشد؟
با توجه به آنچه گذشت می توان نتیجه گرفت که « مقاوم سازی» جزئی از یک کل به نام « بهسازی لرزه ای» است واطلاق نام جزءبه کل و کاربرد واژه « مقاوم سازی » به جای « بهسازی لرزه ای» گمراه کننده است و این شبهه را ایجاد می کند که همانند یک قرن پیش، هنوز تنها به مقاومت می اندیشیم و می خواهیم سازه و اجزای سازه ای ساختمان موجودی را چنان تقویت کنیم که دربرابر زلزله مقاومت نمایند.
این کاراگر غیرممکن نباشد، بسیار مشکل ، پرهزینه و زمان براست ، در حالیکه « بهسازی لرزه ای »جامع نگر و فراگیر است و همه اجزا و عناصر ساختمان، اعم از سازه ای و غیر سازه ای را شامل می شود و می تواند به درجات مختلف صورت گیرد و با رعایت موازین بهسازی لرزه ای، متناسب با امکانات می توان ایمنی راکم یا زیاداختیار نمود و زمان و هزینه لازم برای بهسازی را کاهش یا افزایش داد. به عبارت دیگر، فرق « مقاوم سازی» با « بهسازی لرزه ای» ، فرق موجود بین یک « جزء» محدود و غیر قابل انعطاف با یک «کل» فراگیرو انعطاف پذیر است.
با توجه به تعددساختمانهای موجود در سطح کشور و اینکه بطور طبیعی آئین نامه های جدید طراحی ساختمانها در برابر زلزله ، که ملحوظ داشتن نیروهای بیشتری رادرطراحی ساختمانها طلب می کنند،
نمی توانسته اند درطرح واجرای آنها رعایت شوند، حجم عملیات لازم برای «مقاوم سازی » ساختمانهای مزبور زیادو هزینه های مربوطه بقدری گزاف خواهند بودکه عملا" قابل تامین نیستند و صحبت از «مقاوم سازی » آنها ، تعلیق کار به محال است .
ولی می توان براحتی از ایمن سازی فنی وبهسازی لرزه ای صحبت کردزیرا « ایمنی » مقوله ای نسبی است و می توان حتی بدون هزینه یا با هزینه ای ناچیز، از بخشی از لطمات و خسارات جانی و مالی ناشی از زلزله جلوگیری کرد. به عنوان مثال می توان با انتقال بارهای سنگین (مثل بایگانی و آرشیو) از طبقات بالای ساختمان یک اداره به طبقات پائین یا به زیرزمین ، میزان ایمنی دربرابرزلزله را افزود.
یا با بستن قفسه ها، یخچال و غیره به دیوار، آسیب پذیری آنها را کاهش داد. بدیهی است که هرچه امکانات بیشتر باشند، میزان ایمنی را بیشتر می توان افزود و میزان ایمنی را متناسب با عملکرد مورد انتظار از ساختمان ، زیاد یا کم اختیار کرد.
برای حسن ختام یادآوری می شود که وقتی سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور، بابررسی جوانب امر، نام جامع و مانع « بهسازی لرزه ای » را برای تامین ایمنی ساختمانهای موجوددربرابر زلزله اختیار کرده است ، اصلح آن است که این نام را بپذیریم و با کاربردواژه های نارسا، ایجاد اغتشاش فکری نکنیم .
