سازه های فولادی

سازه سقف تکیه دولت تهران، زمان قاجار.
به یک ساختار معماری یا مهندسی ثابت که مجزا از دیگر ساختارها قابل تشخیص باشد یک سازه یا ابنیه فنی می‌گویند. سازه بخشی از حجم است که بارهای وارده را تحمل و به صورت مطمئن به محیط اطراف منتقل می‌سازد و به عبارت دیگر سازه حافظ فرم خارجی اجسام در برابر بارهای وارده‌است. سازه یا ازاد است یعنی اتصال مشخصی با زمین ندارد مانند هواپیما که یک نوع سازه‌است و یا ممکن است غیر ازاد باشد یعنی اتصال مشخصی با زمین ندارد.
سازه ممکن است دائمی باشد مانند ساختمان‌ها، پلها و سدها و دکل‌های برق یا موقتی باشد مانند چادرهای نمایشگاهی، دکل‌های تبلیغاتی و داربست‌های فلزی.
مهندسی ساختمان شاخه ای از مهندسی است که به طور اخص در ارتباط با طراحی و تحمل بارسازه ها است. به عنوان مثال مهندسی ساختمان به صورت عمده درتکمیل و به کار گیری ماشین آلات جهت طراحی سازه ها نظیر پل ها، دیوارها (شامل دیوار حائل)، سد ها، تونل ها و غیره می باشد.

مهندسین سازه لازم است طرح ساختمان ها رابه طریقی انجام دهند که در زمان استفاده ساختمان به خوبی عمل و انجام وظیفه نماید. آنها نباید شکسته و منهدم شوند ، نباید خم، چرخش و لرزش داشته باشند. به علاوه مهندسین ساختمان مسئول به وجود آوردن و ایجاد استفاده موثر و اقتصادی از سرمایه ها و مواد مصالح برای رسیدن به اهداف تعیین شده برای سازه می باشند به صورت مشابه مهندسین سازه کار آموز می تواند طراحی تیرهای سازه و ستون ها و کفهای ساختمان های جدید را انجام دهند شامل محاسبه بار وارده برروی هر عضو و ظرفیت تحمل بار متفاوت در ساختمان «فولاد- چوب- آجر- بتن).

یک مهندس با تجربه میتواند طراحی سازه های مختلف و پیچیده مثل ساختمانهای بلند مرتبه(مثل آسمان خراش) و یا پل را انجام دهد.

بارها در ساختمانها بطور کلی طیقه بندی میشود به بارهای زنده نظیر وزن لوازم و وسائل منزل و مبلمان در ساختمان،نیروهای باد و وزن آب و نیروهای بوجود آمده بر اثر زلزله، و یا بارهای مرده نظیر وزن خود ساختمان.

بصورت مرسوم، مهندسی سازه براحتی و سادگی در جائی که محورهای متناسب و عمود بر هم باشند عمل می نمایند و برای ساده نمودن معادلات و روابط پیچیده بدست آمده با مقادیر کششی مثل تنش و تغییر مکان های اجزاء بدست آمده سازه، مانند طراحی تیر ها استفاد میشود.

این ساده سازی جهت توانائی حل مسائل اساسی می باشد. یک مهندس موفق می بایستی سازه را جهت بارهائی که بر روی ساختمان قرار می گیرد به طریقی طراحی کند که تا زمانی که مقدار بار از بار طراحی ، تجاوز ننموده ساختمان حالت ارتجاعی داشته باشد و وقتی که باربرداشته شودردوباره به حالت اولیه بازگشته و بصورت پایدار باقی بماند.

توسعه و پیشرفت برنامه های کامپیوتری اجازه میدهد بسیاری از محاسبات پیچیده سازه ای با دقت بسیار و سرعت زیاد انجام شود .

یکی از مهمترین مکانیزم های آنالیز های سازه ها روش معادل استاتیکی با قانون حرکت نیوتون که جهت تعیین نیرو های داخلی وارده بر روی اجزاء سازه، استفاده میشود با فرض کلی اینکه مصالح تشکیل دهنده یکنواخت و غیر قابل تغییر شکل میباشد.

مکانیزم و روش دیگری که قادر است به روش کاملتری و در حالات بیشتری عمل نماید روش اجزاء محدود می باشد که امکان محاسبه نیروهای داخلی در سازه و ساختمان با مصالح مختلف و خواص متفاوت را میدهد.
تحلیل سازه‌ها
تحلیل سازه‌ها یا آنالیز سازه‌ها (Structural analysis) یا تئوری سازه‌ها (Theory of structures) یکی از زیر رشته‌ها و زمینه‌های عمده و مدرن در مهندسی عمران، و مهندسی هوافضا می‌باشد.
روشی برای محاسبه میزان تغییر شکل، نیروهای داخلی و عکس العمل‌های تکیه‌گاهی یک سازه است. اطلاعات مورد نیاز برای این محاسبات مشخصات مقاطع سازه و بارهای وارد بر سازه هستند.
سازه‌ها از دو دیدگاه از لحاظ بار‌گذاری[۱] قابل بحث هستند:
• بارگذاری دینامیکی
• بارگذاری استاتیکی
همچنین عوامل موثر در تحلیل سازه‌ها شرایط تکیه‌گاهی[۲]، اتصالات[۳]، و قیود[۴] آن‌ها می‌باشد
مقدمه
هر ساله بلایای طبیعی همانند زلزله، سیل، طوفان و آتش سوزی قسمتهای مختلفی از جهان را گرفتار میکند. چنین بلایای طبیعی علاوه بر آسیبهای مستقیم جانی و مالی، با برجای گذاشتن مقادیر بسیار زیادی از آوار در محلهای حادثه دیده باعث آلودگی محیط زیست و در برخی موارد سد شدن جریان زندگی در مکانهای حادثه دیده می شوند. کشور ما ایران، یک کشور حادثه خیز میباشد که بسیاری از بلایای طبیعی در آن بوقوع می پیوندد که نادیده گرفتن مسائل مربوط به از بین بردن آثار و زباله های باقیمانده در آن، شرایط زندگی را برای ساکنان دشوار می سازد. بلایای مختلف آوارهای مختلفی برجای می گذارند که محل وقوع حادثه نیز تاثیر بسیاری در نوع مواد پسماند دارد. در مقاله حاضر پس از بررسی انواع بلایای طبیعی و نوع آوار آنها به مسئله آوار زلزله و پاکسازی محل پس از زلزله و دپو کردن مواد زاید پرداخته میشود.
بلایای طبیعی و نوع آوار
آواربرداری و حذف آن از محل حادثه دیده یکی از مهمترین اجزاء در عملیات نجات و بازسازی می باشد. بسیاری از آثار باقیمانده از بلایای طبیعی خطرناک نیستند. خاک، مصالح ساختمانی، زباله های سبز همانند درختان و بوته ها، حجم بسیار زیادی از آوار را تشکیل می دهند که بسیاری از آنها قابل بازیافت می باشند. مواد باقیمانده از طوفانها، زلزله ها، گردبادها، سیل و آتشسوزی در چند زیر مجموعه قابل تقسیم می باشد (جدول ۱).
جدول ۱: طبقه بندی مواد باقیمانده از بلایا
ساختمانهای آسیب دیده رسوبات (ناشی از زمین لغزش) زباله های سبز داراییهاي شخصی خاکستر و چوب سوخته
زلزله دارد دارد دارد دارد دارد
سیل دارد دارد دارد دارد
آتش سوزی دارد دارد دارد
گردباد دارد دارد دارد
طوفانهای دریایی دارد دارد دارد دارد

شناخت آوار زلزله

زلزله ایجاد کننده امواج لرزه ای بوده و باعث جابجائی زمین در طول گسلها می گردد. این امواج لرزه ای عامل ویرانی ساختمانها و پلها در منطقه ای محدود و آسیب رسیدن به ساختمانها و سایر سازه های دورتر می باشند. آسیبهای جانبی ناشی از آتشسوزی، انفجار و آبگرفتگی های محدود ناشی از شکستگی لوله های آب میتواند افزایش دهنده مقادیر نخاله بوجود آمده باشد. آوار زلزله شامل مصالح ساختمانی، وسایل شخصی افراد و رسوبات ناشی از زمین لغزش می باشد. برای مثال جمع آوری و مدیریت بقایای بجامانده از زلزله نورتریچ (ژانویه ۱۹۹۴) در شهر لوس آنجلس تا مدتها ادامه یافت و مقدار آوار و نخاله در پایان ماه جولای ۱۹۹۵ به ۳ میلیون تن رسید. در طی ۳ ماه عملیات نخاله برداری، مقامات شهر تصمیم به تلاش در جهت بازیافت نخاله ها در جهت صرفه جویی در ظرفیت باقیمانده دپو ها گرفتند. بسیاری از زباله ها مربوط به آوارهای ساختمانی بود که قابل بازیافت توسط شرکتهای محلی بودند. ساختمانهای مختلف انواع مختلفی از آوار را به وجود می آورند که بصورت مختصر در زیر به بررسی آنها می پردازیم:

ساختمانهای چوبی و بنایی غیر مسلح:

اینگونه ساختمانها معمولا از سایر سازه ها کوچکتر بوده و مصدومان در این ساختمانها اغلب با استفاده از ابزار دستی قابل نجات و رهایی هستند. قطعات چوبی و دیوارهای بنایی قابل خرد شدن به قطعات کوچکتر و قابل حمل می باشد. لذا در اینگونه آواربرداری نیازی به ماشین آلات سنگین نیست و افراد تیم نجات با استفاده از ابزار دستی خود می توانند به نجات افراد در زیر آوار مانده بپردازند.

ساختمانهای بتنی:

یک مد خرابی معمول در سازه های بتنی بهنگام زلزله، فروافتادن دال کف، تقریبا بدون شکست، بر روی کف زیرین خود میباشد. در این نوع خرابی که تحت عنوان “پن کیک” از آن یاد میشود، دالهای کف فروافتاده از دسترسی و رهایی مصدومان جلوگیری می کند و لذا مشکلات زیادی را بخصوص درصورتی که موقعیت و وضعیت قربانی نامعلوم باشد ایجاد می نماید. دال بتنی هر طبقه به ابعاد ۳۰ متر در ۳۰ متر و به ضخامت ۱۰ سانتیمتر وزنی بالغ بر ۲۵۰ تن دارد که از ظرفیت جرثقیلهای معمول فراتر است. لذا باید این دالهای بتنی به قطعات کوچکتر بریده شوند تا قابل حمل و جابجائی بوسیله جرثقیلهای عادی شوند.

سازه های فولادی:

ساختمانهای فولادی یک طبقه معمولا دارای مقاطع فولادی کوچکی هستند که با استفاده از اره های دستی و یا برقی قابل نفوذ می باشد. حتی در ساختمانهای سنگین صنعتی نیز از این روش می توان برای بریدن قطعات سنگین به تکه های قابل حمل استفاده نمود. جک و یا کیسه های هوا نیز برای ایجاد فضای دسترسی به مصدومان قابل استفاده می باشد. سازه های چند طبقه فولادی در داشتن دالهای بتنی به عنوان اعضای سقف مانند سازه های بتنی می باشد. قسمت زیادی از آوار سنگین در ساختمانهای فولادی بدلیل تفاوت در سختی بین قابهای فولادی و دیوارهای آجری، با ریزش دیوارها حاصل می گردد. پنلهای پیش ساخته بتنی معمولا سخت ترین نوع آوار را ایجاد می کنند چرا که معمولا به هنگام افتادن تکه تکه نشده و بصورت قطعات بزرگی باقی می ماند.

پس از وقوع زلزله، بدلیل گرفتار شدن بسیاری از افراد در زیر آوار، نیاز به جابجایی سریع آوار به منظور کمک رسانی به افراد مانده در زیر آوار می باشد، از سوی دیگر پس از پایان عملیات جستجو و نجات مرحله پاکسازی و آماده سازی محل حادثه دیده برای ادامه فعالیتهای انسانی آغاز می گردد. بدلیل متفاوت بودن ماهیت این دو نوع آوار بردای مدیریت این بخشها نیز نیاز به مهارتهای مختلفی دارد و از دو منظر می توان آواربرداری پس از زلزله را مورد بررسی قرار داد: آواربرداری کوتاه مدت (امدادی) و آواربرداری بلند مدت (پاکسازی).

شکل ۱: نمونه ای از خرابی ساختمان بصورت پن کیک در زلزله ۱۹۹۹ ایزمیت

شکل ۲: آوار بصورت “پن کیک” – زلزله ۱۹۹۹ ایزمیت

آوار برداری کوتاه مدت
آنچه که در آوار برداری کوتاه مدت از اهمیت بسزایی برخوردار می باشد سرعت عمل و دقت در آوار برداری است. سرعت مقوله مهم در عملیات جستجو و نجات است چرا که با توجه به جدول ۲، از ۲۴ ساعت اولیه پس از زلزله به عنوان زمان طلایی در نجات یاد می شود.
جدول ۲: احتمال زنده ماندن به نسبت زمان زیر آوار ماندن [۱]
زمان زیر آوار ماندن درصد زنده ماندن
۳۰ دقیقه ۹۹٫۳ %
یک روز ۸۱ %
دو روز ۵۳٫۷ %
سه روز ۳۶٫۷ %
چهار روز ۱۹ %
پنج روز ۷٫۴ %

بحث آواربرداری کوتاه مدت، از زیر مجموعه های مدیریت بحران بشمار می رود و نیاز به تخصص و آشنایی کافی به انواع آوار، نحوه امداد رسانی و جستجو دارد. آنچه امر آوار برداری را مشکل می کند، وجود آوار سنگین و مواد حجیم است که به سادگی قابل جابجایی بوسیله اعضای تیم نجات بدون استفاده از ابزار مکانیکی نمی باشد. برای مثال یک نمونه از آوار سنگین ممکن است یک دال بتنی به ابعاد ۳ متر در ۳ متر و ضخامت ۱۵ سانتیمتر با وزن تقریبی ۳ الی ۴ تن می باشد. حجم و وزن زیاد باعث میشود که بدون استفاده از ماشین آلات امکان نجات وجود نداشته باشد. دالهای سقف و کف، قطعات بزرگ بتن مسلح و قطعات بتن پیش ساخته بعنوان آوار سنگین بشمار می روند.

آوار برداری بلند مدت

در آواربرداری بلندمدت که مربوط به مرحله پاک سازی محل حادثه دیده می باشد، ماشین آلات سنگین از اهمیت ویژه ای برخوردار می باشند. در این مرحله شرایط بحران برطرف گردیده و باید در مسئله پاکسازی به بازدهی و بهره وری توجه خاصی شود. برای شهرهای بزرگ جهان مانند ونکوئر از هم اکنون برای مرحله پاکسازی برنامه مدونی آماده گردیده و تمهیدات ویژه ای برای مرحله بازیافت ضایعات حاصل از زلزله تهیه گردیده است. برای مثال با جداسازی و آسیاب کردن آوار ساختمانی می توان مصالح مورد نیاز برای زیرسازی جاده ها را تهیه نمود[۴]. بدلیل اهمیت آواربرداری بلندمدت و مرحله پاکسازی، در مقاله ای جداگانه به این موضوع پرداخته خواهد شد.

استفاده از ماشین آلات در آوار برداری کوتاه مدت

نقش ماشین آلات در آواربرداری پس از زلزله با توجه به نوع آوارهای ایجاد شده تعیین می شود و برای انواع مختلف آوار ابزار متفاوتی مورد استفاده قرار می گیرد. البته باید توجه نمود که در مرحله امداد رسانی (آواربرداری کوتاه مدت) با وجود اهمیت مقوله سرعت، معمولا استفاده از ماشین آلات سنگین بدلایل زیر توصیه نمی شود:
۱٫ عدم دقت کافی

۲٫ امکان آسیب رسیدن به افرادی که زیر آوار مانده اند بدلیل سنگینی ماشین آلات
۳٫ عدم امکان شنیده شدن صدای قربانیان زیر آوار به دلیل صدای ناشی از کارکرد ماشین آلات
با وجود مشکلات فوق استفاده از ماشین آلات در برخی موارد امری ضروری است، مخصوصا در زلزله های شهری که بیشتر ساختمانها بصورت بتنی و فولادی بوده و بدلیل ایجاد آوارهای سنگین نیاز به ماشین آلات برای جابجائی آوار سنگین وجود دارد. جرثقیل بهترین وسیله در آواربرداری های شهری است و در مرحله بعد بیل مکانیکی برای انجام خاکبرداریهای محدود مورد استفاده قرار می گیرد این درحالی است که استفاده از لودر در آوار برداری بهیچ عنوان توصیه نمی شود. با وجود این

اغلب توصیه می شود که تا پنج روز بعد از وقوع زلزله از انتقال ماشین آلات سنگین به محل حادثه دیده جلوگیری شود و در صورتی که نیاز به کارکرد ماشین آلات غیر قابل انکار باشد، باید بهنگام کارکرد ماشین آلات از زمانهای سکوت ( بمنظور شنیدن صدای احتمالی قربانیان ) استفاده شود.
ابزار جدیدی که در عملیات امداد و نجات استفاده میشود جکهای دستی و کیسه های هوا برای ایجاد فضای لازم بمنظور خارج کردن افراد حبس شده در زیر آوار است.
در ضمن بهنگام عملیات جستجو و نجات باید به این نکته توجه نمود که آوار یک توده سه بعدی است و از هر شش وجه آن میتوان وارد عمل شد. بطور سنتی در کشور ما خاکبرداری از بالا و جوانب مرسوم بوده و از توجه به ابعاد دیگر مانند نقب زدن از پایین غفلت میشود (شکل ۳).

شکل ۳: دسترسی به زیر آوار از طریق حفر نقب
ایران، یک کشور زلزله خیز بوده و هر از چندی شاهد حوادث ناگواری در گوشه و کنار کشور هستیم. ولی آنچه که باید بدان توجه نمود این است که تا بحال در کشور ما زلزله شهری بوقوع نپیوسته و تقریبا تمام زلزله های کشور در مناطق روستایی و یا با بافت قدیمی بوده اند ( زلزله های طبس، آوج، بم … ) این بدان معنی است که ما تابحال با آواربرداری ساختمانهای بنایی مواجه بوده ایم ولی آنچه که مشهود است آواربرداری شهری تفاوت چشم گیری با آواربرداری های بعمل آمده در کشور دارد.

 

در یک زلزله شهری نمیتوان یک دال بتنی مسلح را با لودر جابجا کرد و یا نمیتوان تلی از تیرآهن را با آن بلند نمود و مصدومان احتمالی را از زیر آوار نجات داد. در آواربرداریهای شهری جرثقیلها نقش اصلی را در آواربرداری بر عهده دارند. از سوی دیگر همواره شاهد بوده ایم که بلافاصله بعد از زلزله آمار لودرهای ارسال شده به مناطق زلزله زده در صدر اخبار می باشد درحالی که لودر مرگبارترین وسیله در عملیات امداد و نجات بشمار می رود. آواربرداری یک عملیات کاملا مهندسی بوده و نیاز به تجربه و دید علمی دارد لذا از هم اکنون باید در تربیت افراد متخصص در امر آوار برداری علمی اقدامات عملی صورت بگیرد.

شکل ۴: آوار برداری با استفاده از بیل مکانیکی در زلزله ۱۹۹۹ ایزمیت

مقاوم‌سازي سازه‌هاي بتن آرمه اجرا شده توسط مواد كامپوزيت
سازه‌هاي بتن آرمه تحت عوامل محيطي و جوي بسيار دشوار قرار دارند. اين عوامل باعث كاهش خصوصيات مكانيكي و فيزيكي بتن و فولاد شده و نهايتاً باعث كاهش ظرفيت باربري سازه خواهد شد. اين كاهش ظرفيت باربري در زلزله‌هاي نسبتاً شديد باعث تخريب سازه خواهد شد. مشابه اتفاقي كه در زلزله‌هاي اخير لوس‌آنجلس، سانفرانسيسكو و كوبه به وجود آمده است. از مهمترين بيماري‌هاي سازه‌هاي بتن آرمه كه اثرات جبران ناپذيري روي سازه مي‌گذارند مي‌توان از خوردگي فولاد پديده كربناتاسيون بتن و پديده الكالي رآكسيون نام برد.

مقام سازي سازه‌هاي بتن آرمه با توجه به افزايش قيمت اجراي سازه‌هاي نوين امروزه اهميت زيادي پيدا كرده است. مقام سازي براي كاهش صدمات سازه، محافظت كردن سازه در مقابل نفوذ پذيري براي محدود كردن خوردگي، جبران اتلاف سختي و افزايش مقاومت و نهايتاً جهت اصلاح كيفيت و افزايش دوام سازه مي‌باشد.

روش‌هاي گوناگوني براي افزايش مقاومت و كارآئي سازه و يا قسمتي از آن در رابطه با رفتار خمشي، برشي و يا فشاري وجود دارد كه از اين روش‌ها مي‌توان پيش تنيدگي خارجي، اتصال ورقه‌هاي فولادي و يا روش بتن پاشيده را نام برد. با توجه به مشكلاتي كه اين روش‌ها به خاطر محدوديت و يا مسائل اقتصادي دارند روش جديدي از مقاوم سازي با استفاده از مواد كامپوزيت كه از تركيب الياف كربن و ماتريسي اپوكسي تشكيل شده مورد توجه مهندسي سازه قرار گرفته است. در روش مقاوم‌ سازي درجا، سازه‌هاي بتن آرمه از فرمي از اين مواد به صورت پارچه‌هاي انعطاف‌پذير استفاده مي‌شود. كه به روش پليمريزاسيون به سازه بتني متصل مي‌گردد.

در اين روش جهت تقويت تيرها، ستون‌ها، دال‌ها در مقابل بارهاي خارجي و تصحيح رفتار مكانيكي آنها از اتصال ورقه‌هاي كامپوزيت كربن/ اپوكسي استفاده مي‌شود. پروسه اتصال تقريباً پيچيده‌ بوده و با استفاده از تركيب فشار خلاء و افزايش درجه حرارت تا ۱۲۵ درجه سانتيگراد امكان‌پذير خواهد بود. قبل از انجام اين روش سطح بتن با استفاده از سندبلاست زبري لازم را به دست مي‌آورد.

روش اتصال با استفاده از پليمريزاسيون در جاي پارچه‌هاي كربن بيش آغشته شده به رزين اپوكسي خواهد بود. در اين پروسه كه نسبت به سطح عمل شده حدوداً ۸ ساعت زمان لازم دارد. درجه حرارت تا ۱۲۵ درجه سانتيگراد افزايش يافته و درجه حرارت توسط ترموكوپل به مدت ۵/۱ ساعت كنترل مي‌شود و فشار خلاء در مدت زمان پليمريزاسيون با استفاده از پمپ خلاء به مجموعه اعمال مي‌گردد. اين روش داراي سرعت نسبتاً زياد بوده و به عنوان يك روش موثر براي مقاوم‌ سازي سازه‌ها در نقاط با شرايط محيطي دشوار و براي سازه‌ها با اشكال پيچيده هندسي مي‌باشند.

از اثرات مستقيم مقاوم سازي ستون‌ها و تيرهاي خمشي بهبود رفتار مكانيكي مي‌باشند. نتايج آزمايشگاهي بيانگر افزايش ظرفيت برشي و جذب انرژي در ستون‌ها و افزايش مقاومت خمشي در تيرها مي‌باشد. اين افزايش گاهي اوقات به بيش از ۱۰۰% مي‌رسد.