بتن مسلح یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی مدرن است. می‌توان گفت بتن “سنگ مصنوعی” است که از اختلاط سیمان، ماسه و سنگدانه‌ها با آب به‌دست می‌آید. بتن تازه را می‌توان تقریباً به هر شکلی قالب‌گیری کرد که یک مزیت ذاتی نسبت به سایر مواد است. بتن پس از اختراع سیمان پرتلند در قرن 19 بسیار محبوب شد. با اینحال، مقاومت کششی محدود آن مانع استفاده گسترده آن در ساخت و ساز ساختمان شد. برای غلبه بر این ضعف، میله‌های فولادی را در بتن تعبیه می‌کنند تا یک ماده مرکب به نام بتن مسلح را تشکیل دهد.
پیشرفت در طراحی و ساخت بتن مسلح مدرن توسط مهندسان اروپایی در اواخر قرن نوزدهم آغاز شد. در حال حاضر، بتن مسلح به‌طور گسترده در طیف گسترده‌ای از کاربردهای مهندسی (مانند ساختمان‌ها، پل‌ها، سدها) استفاده می‌شود. استفاده جهانی از ساخت و ساز با بتن مسلح ناشی از در دسترس بودن گسترده فولاد برای تقویت کردن بتن و همچنین مواد تشکیل‌دهنده بتن است. برخلاف فولاد، تولید بتن نیازی به کارخانه‌های گران قیمت ندارد. با اینحال، ساخت و ساز بتنی به سطح معینی از فناوری، تخصص و مهارت، به‌ویژه در این زمینه در حین ساخت، نیاز دارد. در برخی موارد، خانه‌های تک‌خانواره یا ساختمان‌های مسکونی کوتاه مرتبه بدون هیچ‌گونه کمک مهندسی ساخته می‌شوند.
استفاده گسترده از بتن مسلح در ساخت و ساز، به‌ویژه در کشورهای در حال توسعه، به‌دلیل هزینه نسبتاً پایین آن در مقایسه با سایر مصالح مانند فولاد می‌باشد. هزینه ساخت و ساز با منطقه تغییر می‌کند و به شدت به عملکرد محلی بستگی دارد.
به‌عنوان مثال، یک متر مربع از یک ساختمان مسکونی معمولی ساخته شده با بتن مسلح تقریباً 100 دلار آمریکا در هر مترمربع در هند، 250 دلار آمریکا در هر مترمربع در ترکیه و 500 دلار آمریکا در هر مترمربع در ایتالیا هزینه دارد.
با رشد سریع جمعیت شهری هم در کشورهای در حال توسعه و هم در کشورهای صنعتی، بتن مسلح به ماده انتخابی برای ساخت و سازهای مسکونی تبدیل شده است. متاسفانه در بسیاری از موارد تخصص لازم در طراحی و ساخت وجود ندارد. کاربردهای طراحی از ساختمان‌های تک‌خانواره در کشورهایی مانند الجزایر و کلمبیا تا ساختمان‌های بلند در شیلی، کانادا، ترکیه و چین را شامل می‌شود (شکل 1).
اغلب، در مناطقی با خطر لرزه‌ای بالا، مانند آمریکای لاتین، جنوب اروپا، شمال آفریقا، خاورمیانه و آسیای جنوب شرقی ساخت و ساز با بتن مسلح انجام می‌شود.
شکل 1: ساختمان مسکونی معمولی در ترکیه با قاب بتن مسلح
قاب‌های بتن مسلح (RC) از عناصر افقی (تیرها) و عناصر عمودی (ستون‌ها) تشکیل شده‌اند که توسط اتصالات صلب به‌هم متصل شده‌اند.
این سازه‌ها به‌صورت یکپارچه قالب‌گیری می‌شوند، یعنی تیرها و ستون‌ها در یک عملیات واحد قالب‌گیری می‌شوند تا هماهنگ عمل کنند. قاب‌های RC مقاومت در برابر بارهای ثقلی و جانبی را از طریق خمش در تیرها و ستون‌ها ایجاد می‌کنند (شکل 2).
چندین نوع فرعی از ساخت قاب بتن مسلح وجود دارد:
شکل 2: پلان یک ساختمان معمولی با قاب RC در احمدآباد،هند
به بخشی که در زلزله 2001 بوج، فرو ریخت توجه کنید.
رایج‌ترین نوع قاب RC با دیواره‌های میانقاب بنایی است (شکل 3). این ساخت و ساز هنوز هم در بسیاری از نقاط جهان به‌ویژه در کشورهای در حال توسعه به‌طور گسترده انجام می‌شود. این ساخت و ساز تقریباً 75٪ از سهم ساختمان‌سازی در ترکیه، حدود 60٪ در کلمبیا و بیش از 30٪ در یونان را شامل می‌شود. قاب‌های RC با دیواره‌های میانقاب بتنی که به‌عنوان سیستم‌های دوگانه نیز شناخته می‌شوند، در مناطق زلزله‌خیز بسیار رایج هستند.
الزامات و مقررات مربوط به طراحی و جزئیات ساختمان‌های قاب RC در مناطق لرزه‌ای در اوایل دهه 1970 به‌طور قابل‌توجهی تغییر کرد. الزامات اولیه بر مقاومت متمرکز بودند – یعنی بر تامین مقاومت کافی در اعضای سازه برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی لرزه‌ای متمرکز هستند.
با اینحال، بر اساس شواهد تحقیقاتی و درس‌های آموخته شده از زلزله اوایل دهه 1970، الزامات و مقررات بیشتر بر تناسب و جزئیات تیرها، ستون‌ها و اتصالات با هدف دستیابی به مقدار معینی از شکل‌پذیری علاوه بر مقاومت مورد نیاز متمرکز شده است.
شکل‌پذیری یکی از ویژگی‌های کلیدی مورد نیاز برای رفتار لرزه‌ای مطلوب سازه‌های ساختمانی است. می‌توان آن را به‌عنوان توانایی یک ماده برای کشش (تغییر شکل) قابل‌توجه قبل از شکست تعریف کرد. فولاد (و برخی فلزات دیگر) رفتار انعطاف‌پذیری از خود نشان می‌دهند. به‌عنوان مثال، یک گیره کاغذ فلزی را می‌توان بدون شکستن به جلو و عقب خم کرد. با اینحال، مواد دیگر شکننده هستند (برعکس شکل‌پذیری). یک تکه گچ به‌محض اینکه بخواهیم آن را خم کنیم می‌شکند. در بتن مسلح، بتن مانند گچ عمل می‌کند، در حالی که آرماتورهای فولادی مانند یک گیره کاغذ عمل می‌کنند. بنابراین آرماتورهای فولادی نقش کلیدی در تضمین رفتار شکل‌پذیر سازه‌های بتن مسلح (آرمه) در زلزله دارند.
مقاله مرتبط: مقاومت در برابر خوردگی در سازه های بتنی مسلحمهندسان زلزله زمان قابل‌توجهی را برای تلاش صرف می‌کنند تا اطمینان حاصل کنند که میزان و توزیع آرماتورهای فولادی برای یک طراحی خاص کافی است یا خیر. آن قسمت از طراحی لرزه‌ای را جزئیات لرزه‌ای یا گاهی هنر دیتیل‌سازی می‌نامند. اصول و قواعد جزئیات لرزه‌ای سازه‌های بتن آرمه در طول زمان پدیدار شده‌اند و عمدتاً در مقررات لرزه‌ای قوانین ساختمان منعکس می‌شود. بنابراین، قاب‌های بتنی انعطاف‌ناپذیر (شکل‌ناپذیر) قبل از سال 1970، اگرچه اغلب برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی طراحی می‌شدند، امّا مقررات جزئیات لرزه‌ای انعطاف‌پذیر مدرن را در بر نداشتند.
در نتیجه، نقص‌های اصلی لرزه‌ای ساخت قاب بتنی قبل از دهه 1970 شامل:
شکل 3: ساخت قاب RC با میانقاب‌های بلوک سفالی بنایی در الجزایر
شکل 4: مشخصات و جزئیات ساخت و ساز با قاب RC انعطاف‌ناپذیر (شکل‌ناپذیر) در تایوان
عملکرد ساخت قاب RC در برابر زلزله به خوبی مستند شده است.
الگوهای آسیب و گسیختگی در قاب‌های بتن آرمه در طول زلزله 1971 سن فرناندو (کالیفرنیا) به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است.
چندین زمین‌لرزه مخرب در دهه‌های گذشته از جمله زلزله 1999 آتن (یونان)، زمین‌لرزه‌های 1999 ازمیت و دوزچه (ترکیه)، زمین‌لرزه چی‌چی (تایوان) 1999، زلزله 2001 بوج (هند) و زلزله 2003 بومردس (الجزایر) خسارت قابل‌توجهی به ساختمان‌هایی ساخته شده با قاب RC وارد کرده است.
این زمین‌لرزه‌ها الگوهای زیر را از آسیب‌ها و خرابی‌ها در ساخت وساز با قاب RC نشان داده است:
شکل 5: شکست برشی ستون بتن مسلح در زلزله 2001 بوج – هند
شکل 6: مکانیسم طبقه نرم
شکل 7: فروریختن ساختمان به‌دلیل مکانیسم طبقه نرم در زلزله بومردس 2003
در برخی موارد، عملکرد لرزه‌ای ساختمان‌های ساخته شده با قاب RC بسیار ضعیف بوده است، حتی زمانی که در معرض زمین لرزه‌هایی که از نظر شدت، زیر سطح طراحی تعیین شده توسط الزامات و مقررات مقرر قرار می‌گیرند. یکی از دلایل اساسی این مشکل، عدم وجود مکانیزم موثر برای اجرای الزامات و مقررات در برخی کشورها است. این نقص در نظارت دولتی به عوامل متعددی، مانند فقدان کنترل و نظارت فنی، مشکلات در چارچوب قانونی، حق‌الزحمه پایین مهندسی، و شیوه‌های نادرست ساخت و ساز منطقه‌ای، مرتبط است. هنگامی که یک یا چند عامل از این قبیل در حین ساخت وجود داشته باشد، سازه ساخته شده با بسیاری از جنبه‌های طراحی مطابقت نخواهد داشت. در نتیجه، مقاومت لرزه‌ای آن ناکافی می‌شود و در نتیجه زمانی که تحت بارهای کمتر از سطوح تعیین‌شده در الزامات، قرار می‌گیرد آسیب یا شکست غیرقابل پیش‌بینی ایجاد می‌شود.
نقص‌های کلیدی شناسایی شده در ساخت و ساز با قاب RC شامل موارد زیر است:
با تجربیات بسیار زیاد و داده‌های موجود در مورد عملکرد سازه‌های قاب RC در برابر زلزله، نقص‌های آنها به‌خوبی شناخته شده است و در برخی موارد با دقت معقولی قابل شناسایی است. روش‌های ارزیابی لرزه‌ای در حال‌حاضر به خوبی محرز شده است. در بسیاری از مناطق با خطر لرزه‌ای بالا، سازه‌های بتن مسلح موجود در حال ارزیابی و در صورت نامناسب بودن و عدم داشتن مقاومت لازم، مقاومسازی می‌شوند. حجم وسیعی از تحقیقات به‌سمت توسعه تکنیک‌های مقاومسازی لرزه‌ای قابل اجرا در سازه‌های قاب RC هدایت شده است.
مقاومت در برابر زلزله در سازه‌های قاب RC را می‌توان با یکی از روش‌های زیر افزایش داد:
نصب دیوارهای میانقاب بتن مسلح جدید (شکل 9) همراه با ژاکت‌بندی (غلاف‌بندی) ستون‌ها برای افزایش مقاومت سازه موجود، متداول‌ترین اقدام بهسازی می‌باشد. این دیوارهای جدید به گونه‌ای تقویت شده‌اند که هماهنگ با سازه موجود عمل کنند. با اینحال، جزئیات دقیق و انتخاب مواد مورد نیاز است تا اطمینان حاصل شود که اتصال بین سازه جدید و موجود تحت بارهای زلزله موثر خواهد بود.
شکل 8: پوشش اعضای قاب RC با ژاکت‌های بتنی
شکل 9: تصویر تقویت لرزه ای با افزودن دیوارهای پرکننده RC
یک روش جایگزین که اخیراً برای قاب‌های RC با دیوارهای پرکننده بنایی تقویت‌نشده ایجاد شده است، استفاده از پلیمرهای تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP) است، که بر روی دیوارهای پرکننده بنایی تقویت‌نشده موجود (شکل 10) برای افزایش ظرفیت بار جانبی کلی اعمال می‌شود. اگرچه هزینه آن بیشتر است، امّا این روش در مقایسه با نصب دیوارهای بتنی جدید آسان و سریع‌تر است.
شکل 10: مقاومسازی قاب RC پر شده با آجر با CFRP
M.Gh.
نویسنده مقاله: احمد یاکوت، دانشگاه فنی خاورمیانه، ترکیه
