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 يا محدود شدن ستون و يا ديوار با عناصر غيرسازه‌اي نظير ديوارهاي آجري و بازشوها و يا در اثر اختلاف سختي در يك تراز معين (بعلت وجود عواملي نظير اختلاف تراز از طبقه، پله و تير نيم طبقه) ايجاد مي‌گردد. در ساختمانها قابلهاي باربر توسط ديوارهايي با مصالح بنايي پر مي‌شوند. اين امر باعث افزايش سختي قاب شده و اگر توزيع سختي بصورت متقارن باشد به بهبود رفتار سازه منجر مي‌گردد. اما در عين حال در بعضي از ور ستونها ايجاد مي‌شوند. اين مسأله باعث كوتاه شدن 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 مي‌كند. در اين مقاله با 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

۱- مقدمه
در ساختمان‌ها معمولا 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 مثب

ت ندارد. اين تغيير در سختي سازه باعث تغييرات قابل ملاحظه‌اي در رفتار آن مي‌شود. يك حالت نامناسب، وجود ديوارهاي كوتاهي است كه تا قسمتي از ارتفاع طبقه ادامه يافته‌اند. در اين صورت قسمتي از ستون كه مجاور ديوار است، تقريبا به طور يكپارچه با ديوار عمل نموده، ارتفاع مؤثر ستون كاهش و سختي آن بسيار افزايش مي‌يابد. به تناسب اين افزايش سختي، ستون متحمل نيروهاي شديدتري مي‌شود. ]۱[ در اغلب سازه‌هاي بتني ستون‌ها بعلت ناكارآمدي در شكل‌پذيري خمش و ضعف مقاومت برش يا خمش در مقاطع بحراني (عمدتا ناشي از كمبود فولاد عرضي و يا طول وصله فولاد طولي) آسيب‌پذيرترين اعضاء بوده‌اند. ]۲و۴[ 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 ستون‌هايي با ارتفاع‌هاي مختلف هستند خسارات وارده به ستون‌هاي كوتاه‌تر بيشتر از ستون‌هاي بلندتر بوده است. (شكل ۱و۲و۲و) ]۳[

ستون‌هاي كوتاه بطور وسيعي در ساختمان‌هاي شهري بوجود مي‌آيند. تراز پاركينگ‌ها، قرارگيري ساختمان در شيب‌هاي تند، ستون‌هاي واقع در نيم طبقه‌ها و ستون‌هاي حدفاصل پنجره‌هاي بزرگ از جمله مهمترين محل‌هاي تشكيل ستون‌هاي كوتاه هستند. ]۴[ دو نمونه از ساختمان‌هاي با ستون كوتاه شامل ساختمان‌هايي كه بر روي زمين شيب‌دار قرار گرفته‌اند و ساختمان‌هايي 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 حركتي افقي مي‌نمايند. (شكل ۶)

با اين حال، ستون كوتاه در مقايسه با ستون بلند سخت‌تر است و نيروي زلزله بيشتري جذب مي‌نمايد، با توجه به رابطه سختي چنانچه طول ستون نصف گردد، سختي 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 طراحي نشود، مي‌تواند خسارت مهمي را در طول زلزله

متحمل شود، اين رفتار «اثر ستون كوتاه‌» ناميده 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 (تصوير ۷).

اما اگر ستون باريك باشد و يا ارتفاع ديوار زياد نباشد، شكست ايجاد شده در ستون به صورت خمشي خواهد بود (تصوير ۸). خرد شدگي 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.]۱[

۲- 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، تقريبا يكسان اس

ت، اما بايد توجه نمود كه مقدار تغيير مكان نسبي در حالت اول (ستون سه متري) نصف حالت دوم (ستون ۵/۱ 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 سازه‌اي در حالت ميانقاب كامل، كمتر از دو حالت ديگر مي‌باشد كه نشان‌دهنده اهميت پديده ستون كوتاه در خرابي سازه‌هاي داراي قاب مركب است. ]۱[

 

۳- رفتار ستون كوتاه
عملكرد ستون‌هاي كوتاه به هنگام وقوع زلزله بسيار تاثيرگذار بر پايداري و ناپايداري سازه مي‌باشد. در قسمت‌هاي مختلفي از ساختمان پديده ستون كوتاه رخ مي‌دهد. زماني كه يك ساختمان بر روي زمين شيب‌دار قرار دارد (شكل ۴- الف) در طول تكان‌هاي زلزله تمام ستون‌ها 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 چندين برابر بيشتري جذب كرده و متحمل خسارت بيشتري در مقايسه با ستون‌هاي بلند مي‌گردند. همچنين پديده ستون كوتاه در ستون‌هايي كه به تراز نيم طبقه برخورد مي‌نمايند يا دال زير شيرواني كه بين دو سقف اضافه مي‌شود، اتفاق مي‌افتد.

(شكل ۴- ب) ]۴و۵[
يك موقعيت 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 ديوارها رفتاري به صورت ستون كوتاه از خود نشان مي‌دهند. در بسياري از موارد، ساير ستون‌ها 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. (شكل ۱۰) ]۳و۵[

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 شكل در يك ستون مجاور با ديوارهايي 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. ]۵[

۴- اساس طراحي سازه‌هاي بتن مسلح در برابر زلزله و مقايسه آن با رفتار ستون كوتاه:
طبق ضوابط طراحي:
۱- انعطاف‌پذيري و قابليت جذب انرژي و شكل‌پذيري در نظر گرفته شود.
۲- تير بايد قبل از ستون به حالت تسليم برسد.
۳- شكست خمشي قبل از شكست برشي اتفاق بيافتد.
۴- اتصالات از اعضاء اتصال‌دهنده خود بايد قويتر باشند.
۵- 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 بر ستون‌هاي لاغر تحت بارگذاري جانبي ايجاد مفصل خمشي است اما در ستون‌هاي كوتاه به برش نهايي خواهد رسيد قبل از اينكه مفصل خمشي در آن بوجود آيد. در واقع ظرفيت خمشي عضو بطور قابل ملاحظه‌اي از ظرفيت برشي بيشتر مي‌شود و شكست از نوع برشي خواهد بود و در قاب‌هاي با 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 شكل‌پذير مي‌شكند و در واقع تخريب بسيار ترد و سريع مي‌باشد. ملاحظه مي‌شود كه تناقضات زيادي بين اصول طراحي و رفتار ستون كوتاه وجود دارد. ]۲و۴و۶[

 

۵- راه حل
بازشوها علاوه بر اينكه مي‌توانند بدليل عملكرد جداي از سازه به هنگام وقوع زلزله مشكل‌ساز شوند در بسياري از اقوات 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 طرح سازه‌اي لحاظ گردد. (جزئيات اجرايي ويژه) در ستون‌هايي كه قسمتي از آن با ديوار بتني پوشيده شده است در تمام قسمت آزاد ستون بايد آرماتورگذاري ويژه اجرا شود ]۳و۴و۶[ آرماتورگذاري محصوركننده خاص (مثلا تنگ‌هاي بسته با فواصل نزديك) بايد در ستون كوتاه در بالا و پايين به صورت قائم با يك فاصله معين (شكل ۱۴) باشد.

همچنين مي‌توان ستون را از ديوار كوتاه جدا كرد و فاصله بين آنها را با مصالح نرم كه براحتي خرد مي‌شوند پر كرده و تمهيداتي نيز براي جلوگيري از شكست خارج از صفحه ديوار انديشيد. (شكل ۱۵)

در سازه‌هاي موجود با ستون‌هاي كوتاه، براي جلوگيري از خسارت در زلزله‌هاي آتي راه‌حل‌هاي ترميمي مختلفي را مي‌توان بكار گرفت. ]۱و۳و۴[ جايي كه ديوارهايي با ارتفاع ناقص وجود دارند، ساده‌ترين راه حل پر كردن محل بازشوها با ساخت ديوار با ارتفاع كامل مي‌باشد. با چنين اقداماتي پديده ستون كوتاه از بين مي‌رود. چنانچه اين راه حل امكان‌پذير نباشد، ستون كوتاه ايجاد شده بايد با استفاده از يكي از تكنيك‌هاي ترميم لرزه‌اي مناسب مقاوم گردد. راه حل ترميمي بايد توسط يك مهندس سازه توانمند و با سابقه طراحي گردد. ]۳[

۶- نتيجه‌گيري
در اين مقاله اثر وجود ميانقاب و پديده ستون كوتاه بررسي شد. با توجه به نتايج عددي حاصل مي‌توان گفت وجود ميانقاب كامل باعث بهبود رفتار لرزه‌اي سازه شده است. اگر چه اين مطلب همواره صادق نيست، اما در اغلب موارد وجود ميانقاب رفتار ساختمان را در مقابله زلزله بهبود مي‌بخشد. همچنين تحليل خرابي نشان مي‌دهد كه وجود ديوار كوتاه بين دو ستون باعث شكست برشي شديد و زود هنگام سازه مي‌گردد. با توجه به مطالب ذكر شده، سازه از لحاظ طرح افقي و قائم بايد گونه‌اي باشد كه تا حد امكان از ايجاد ستون كوتاه اجتناب گردد اما در صورت اجتناب‌ناپذير بودن بايد روش‌هاي سازه‌اي مناسب با نيروي زلزله مقابله نمود.

۷- منابع
]۱[ تابش پور، محمدرضا، “ارزيابي محاسباتي شكست ستون كوتاه در هنگام زلزله‌”، پژوهشگاه زلزله‌شناسي و مهندس زلزله، بهار ۸۴٫
]۲[ توكلي ، علي، “بررسي و ارزيابي موردي ساختمان‌هاي بتني د رمنطقه مازندران”، دانشگاه علوم و فنون.
]۳[ خيرالدين، علي، “آثار مخرب پديده ستون كوتاه”، عمران و معماري، شماره ۱۲٫
]۴[ رهايي، عليرضا – وثوقي‌فر، حميدرضا، “مطالعات لازم براي تعيين شاخص خرابي (DI) ابنيه مختلف به هنگام زلزله”، مجله دانش، شماره ۱۳٫

[۵] murthy C.V.R, Minimising short column effect in buildings Indian Institute of technology, kanpur.
]6[ طاحوني، شاپور، “طراحي سازه‌هاي بتن مسلح”، چاپ هشتم.
]۷[ آيين نامه طراحي ساختمان‌ها در برابر زلزله (۲۸۰۰)
]۸[ لطف الهي، محمدعلي – گلگ ون، حميدرضا، “بكارگيري المان محدود در بررسي اثر بازشو روي دالهاي بتن آرمه”، فصلنامه عمران، شماره ۱
a