ارزيابي پديده ستون كوتاه و شكست آن در زلزله و روشهاي مقابله با آن

چكيده
پديده ستون كوتاه در طول زلزله‌هاي گذشته خسارات زيادي را متوجه ساختمانها نموده است اين پديده بعلت قرار گرفتن ساختمان در يك سطح شيبدار و ا محدود شدن ستون و ا ديوار با عناصرغيرسازه اي نظير ديوارهاي آجري و بازشوها و ا دراثر اختلاف سختي در يك تراز معين ( بعلت وجودعواملي نظير اختلاف تراز طبقه، پله و تير نيم طبقه ايجاد مي‌گردد در ساختمانها قابهاي باربر توسط ديوارهايي با مصالح بنايي پرمي شوند. اين امر باعث افزايش سختي قاب شده و اگر توزيع سختي بصورت متقارن باشد به بهبود رفتار سازه منج ر مي‌گرد

د اما درعين حال در بعضي از دهانه ها بخصوص در قسمتهاي بيروني ساختمان، بعلت وجود بازشوها ديوارهاي كوتاه درمجاورستونها ايجاد مي‌شون د اين مسأله باعث كوتاه دن طول موثر ستون و افزايش سختي آن مي‌گردد در نتيجه ستون كوتاه به علت سختي بيشتر نيروي زلزله بيشتري را جذب نموده و به خرابي آن منجر مي‌گردد پس نياز به رعايت جزييات اجرايي مناسب جهت مقابله با اين نيروي بزرگ و

مخرب الزامي جلوه مي‌كن د در اين مقاله تأثير وجود ميانقاب كامل و رفتار ستون كوتاه و آثار مخرب آن در زلزله‌هاي گذشته بررسي شده و روشهاي جديد مقابله با پديده ستون كوتاه ارائه گرديده است.
واژه‌هاي كليدي : ستون كوتاه، ميانقاب آجري، افزايش سختي، تحليل خرابي، روشهاي مقابله
مقدمه
در ساختمان ها معمولاً براي اينكه داخل ساختمان را از فضاي بيرون جدا كنند از ديوارهاي با مصالح بنايي استفاده مي‌كنند كه در داخل قاب قرار مي‌گيرند
اگر چه وجود ميانقاب باعث افزايش سختي كل سازه مي‌شود اما اين اثر همواره جنبه مث بت ندارد. اين تغيير در سختي سازه باعث تغييرات قابل ملاحظه اي در رفتار آن مي‌شود. يك حالت نامناسب، وجود ديوارهاي كوتاهي است كه تا قسمتي از ارتفاع طبقه ادامه يافته اند. در اين صورت قسمتي از ستون كه مجاور ديوار است، تقريباً به طور يكپارچه با ديوار عمل ن

موده، ارتفاع مؤثر ستون كاهش و سختي آن بسيار افزايش مي‌يابد. به تناسب اين افزايش سختي، ستون متحمل نيرو‌هاي شديدتري مي‌شود. در اغلب سازه‌هاي بتني ستون ها بعلت ناكارآمدي در شكل پذيري خمش و ضعف مقاومت برش يا خمش در مقاطع بحراني ( عمدتاً ناشي از كمبود ف ولاد عرضي و يا طول وصله فولاد طولي ) آسيب پذيرترين اعضاء بوده اند. تجربه نشان داده است كه يكي از دلايل مهم خرابي سازه‌هاي داراي ميانقاب، پديده ستون كوتاه مي‌باشد. در زلزله‌هاي گذشته در ساختمان‌هاي بتني كه داراي ستون هايي با ارتفاع‌هاي مختلف هستند خسارات وارده به ستون‌هاي كوتاه تر بيشتر از ستون‌هاي بلند تر بوده است.

ستون‌هاي كوتاه بطور وسيعي در ساختمان‌هاي شهري بوجود مي‌آيند. تراز پاركينگ ها، قرارگيري ساختمان در شيب‌هاي تند، ستون‌هاي واقع در نيم طبقه ها و ستون‌هاي حد فاصل پنجره‌هاي بزرگ از جمله مهمترين محل‌هاي تشكيل ستون‌هاي كوتاه هستند. دو نمونه از ساختمان‌هاي با ستون كوتاه شامل ساختمان هايي كه بر روي زمين شيب دار قرار گرفته اند و ساختمان هايي كه داراي نيم طبقه مي‌باشند در شكل ۴ نشان داده شده است.

در شكل ۵ پديده ستون كوتاه در ساختمان‌هاي با اختلاف تراز مشاهده مي‌گردد.

رفتار ضعيف ستون‌هاي كوتاه بنا به اين حقيقت است كه در زلزله، يك ستون بلند و يك ستون كوتاه با مقطع عرضي يكسان، با تغيير مكان يكسان Δ حركتي افقي مي‌نمايند.

با اين حال، ستون كوتاه در مقايسه با ستون بلند سخت تر است و نيروي زلزله بيشتري جذب مي‌نمايد، با توجه به رابطه سختي چنانچه طول ستون نصف گردد، سخ تي ستون و در نتيجه جذب نيروي زلزله ۸ برابر مي‌شود. سختي يك ستون به معناي مقاومت در برابر تغيير شكل مي‌باشد. هر چه سختي بيشتر باشد، نيروي بيشتري براي تغيير شكل آن لازم مي‌باشد. اگر يك ستون كوتاه به طور مناسب براي چنين نيروي بزرگي ناميده « اثر ستون كوتاه » طراحي نشود، مي‌تواند خسارت مهمي را در طول زلزله متحمل شود، اين رفتار مي‌شود.[ ۳] با توجه به ابعاد سطح مقطع ستون و بر حسب ارتفاع بخش ستون كوتاه، مكانيزم‌هاي گوناگوني براي شكست آن وجود دارد. اگر ارتفاع ستون كوتاه، بسيار كم باشد ( در مقايسه با ابعاد مقطع ستون )، شكست برشي رخ مي‌دهد كه به ترك‌هاي قطري و يا خردشدگي شديد بتن منجر مي‌گردد

اما اگر ستون باريك باشد و يا ارتفاع ديوار زياد نباشد، شكست ايجاد شده در ستون به صورت خمشي خواهد بود ( تصوير ۸). خردشدگي بتن بر اثر نيرو‌هاي شديد برشي در حضور نيروي فشاري زياد در تصوير ۹ نشان داده شده است. نيروي فشاري به همراه نيروي برشي باعث كمانش ميلگردهاي طولي شده است.

تصوير ۸ : شكست خمشي ستون كوتاه

تصوير ۹ : خردشدگي بتن و ترك‌هاي قطري
نتايج برخي آزمايشات
در يك آزمايش يك قاب با دهانه ۵ متر و ارتفاع ۳ متر را براي سه حالت قاب، قاب مركب و قاب با ديوار كوتاه ( نصف ارتفاع قاب ) مورد بررسي قرار گرفت و ملاحظه شد كه رفتار سازه با ميانقاب كامل با دو حالت ديگر تفاوت زيادي دارد بدينصورت كه جابجايي نسبي طبقه ( % از ارتفاع ) در طول زمان در حالت قاب پركننده بطور هماهنگ و يكسان بوده در حاليكه در دو حالت قاب و ستون كوتاه اين جابجايي بيشتر مي‌باشد

اگر چه جابجايي طبقه براي هر دو حالت قاب بدون ديوار و قاب با ديوار كوتاه، تقريباً يكسان است، ۱/ اما بايد توجه نمود كه مقدار تغيير مكان نسبي در حالت اول ( ستون سه متري ) نصف حالت دوم ( ستون ۵ متري ستون كوتاه ) مي‌باشد. در نتيجه انتظار مي‌رود كه در اين سازه ميزان خرابي در حالت وجود ديوار كوتاه، بيشتر باشد. علاوه بر آن، ملاحظه مي‌شود خرابي سازه اي در حالت ميانقاب كامل، كمتر از دو حالت ديگر مي‌باشد كه نشان دهنده اهميت پديده ستون كوتاه در خرابي سازه‌هاي داراي قاب مركب است.
رفتار ستون كوتاه

عملكرد ستون‌هاي كوتاه به هنگام وقوع زلزله بسيار تأثيرگذار بر پايداري و ناپايداري سازه مي‌باشد. در قسمت‌هاي مختلف ي از ساختمان پديده ستون كوتاه رخ مي‌دهد. زماني كه يك ساختمان بر روي زمين شيب دار قرار دارد ( شكل ۴ الف ) در طول تكان‌هاي زلزله تمام ستون ها داراي تغيير مكان افقي يكساني به همراه دال سقف در يك تراز معين مي‌گردند ( اين عمل ديافراگم كف صلب ناميده مي‌شود. ) اگر ستون‌هاي كوتاه و بلند در يك تراز طبقه بوجود آيند ستون‌هاي كوتاه نيروي زلزله چند ين برابر بيشتري جذب كرده و متحمل خسارت بيشتري در مقايسه با ستون‌هاي بلند مي‌گردند. همچنين پديده ستون كوتاه در ستون هايي كه به تراز نيم طبقه برخورد مي‌نمايند يا دال زير شيرواني كه بين دو سقف اضافه مي‌شود، اتفاق مي‌افتد.

يك موقع يت خاص ديگر براي رخ دادن پديده ستون كوتاه در يك ساختمان وجود دارد. چنانچه ديواري ( بنايي يا بتن آرمه ) با ارتفاع ناقص به منظور ايجاد بازشو در ارتفاع باقيمانده در نظر گرفته شود، ستون‌هاي مجاور به علت وجود اين ديوار ها رفتاري به صورت ستون كوتاه از خود نشان مي‌دهند. در بسياري از موارد، ساير ستون ها در همان طبقه به علت عدم وجود ديوار‌هاي متصل به آنها داراي ارتفاع كامل مي‌باشند، زماني كه دال كف در طول زلزله تغيير مكان افقي مي‌دهد، انتهاي بالاي ستون‌هاي كامل دچار همان تغيير مكان مي‌شوند.

با اين حال، ديوار‌هاي سخت حركت افقي بخش پائيني ستون كوتاه را محدود مي‌كنند و ستون در ارتفاع كوتاه خود در مجاورت پنجره ( بازشو ) تغيير شكل كامل مي‌دهد. از طرف ديگر، ستون‌هاي كامل در كل ارتفاع تغيير شكل مي‌دهد. از آنجايي كه ارتفاع مؤثري كه يك ستون كوتاه آزادانه مي‌تواند خم شود كوچك است، نيروي زلزله بيشتري در مقايسه با ستون كامل جذب مي‌نمايد. در نتيجه ستون كوتاه خسارت بيشتري متحمل مي‌شود. شكل ۱۱ ترك خوردگي X در يك ستون مجاور با ديوار هايي با ارتفاع ناقص را نشان مي‌دهد. در شكل ۱۲ نيز پديده ستون كوتاه در ديوار آجري به علت محدود شدن توسط ديوار‌هاي با ارتفاع ناقص مشاهده مي‌گردد

 

اساس طراحي سازه‌هاي بتن مسلح در برابر زلزله و مقايسه آن با رفتار ستون كوتاه
طبق ضوابط طراحي
• انعطاف پذيري و قابليت جذب انرژي و شكل پذيري در نظر گرفته شود
• تير بايد قبل از ستون به حالت تسليم برسد.
• شكست خمشي قبل از شكست برشي اتفاق بيافتد.
• اتصالات از اعضاء اتصال دهنده خود بايد قويتر باشند.

• از شكست برشي در ستون و تيرها و يا لغزش ميلگردهاي مهاري يا شكست پانل اتصالات كمانش ميلگرد فشاري و… جلوگيري شود
در حاليكه رفتار حاكم ب ر ستون‌هاي لاغر تحت بارگذاري جانبي ايجاد مفصل خمشي است اما در ستون‌هاي كوتاه به برش نهاي ي خواهد رسيد قبل از اينكه مفصل خمشي در آن بوجود آيد در واقع ظرفيت خمشي عضو بطور قابل ملاحظه اي از ظرفيت برشي بيشتر مي‌شود و شكست از ن وع برشي خواهد بود و در قاب‌هاي ب ا تير قوي و ستون ضعيف تحت بارگذاري جانبي شكست و تسليم قاب با ستون شروع مي‌شود و اگر ستون‌هاي ضعيف كوتاه باشند سازه در مد غير شكل پذير مي‌شكند و در واقع تخريب بسيار ت رد و سريع مي‌باشد. ملاحظه مي‌شود كه تناقضات زيادي بين اصول طراحي و رفتار ستون كوتاه وجود دارد.

راه حل
بازشو ها علاوه بر اينكه مي‌توانند بدليل عملكرد جداي از سازه به هنگام وقوع زلزله مشكل ساز شوند در بسياري از اوقات موجب تشكيل ستون كوتاه يا طبقه نرم مي‌شوند. بنابراين در ساختمان‌هاي جديد از پديده ستون كوتاه تا حد امكان در طول فاز طرح معماري بايد اجتناب گردد. زماني كه نتوان از ايجاد ستون كوتاه جلوگيري كرد اين پديده بايد در طراحي سازه اي لحاظ گردد ( جزئيات اجرايي ويژه ) در ستون هايي كه قسمتي از آن با ديوار بتني پوشيده شده است در تمام قسمت آزاد ستون بايد آرماتورگذاري ويژه اجرا شود. آرماتورگذاري محصور كننده خاص ( مثلاً تنگ‌هاي بسته با فواصل نزديك ) بايد در ستون كوتاه در بالا و پايين به صورت قائم با يك فاصه معين ( شكل ۱۴ ) باشد.