مقدمه
زلزله به عنوان یکی از مخرب‌ترین پدیده‌های طبیعی، همواره تهدیدی جدی برای ایمنی جانی و مالی انسان‌ها به شمار می‌رود. تجربه زلزله‌های اخیر در ایران و سایر کشورهای لرزه‌خیز نشان داده است که بخش قابل توجهی از تلفات انسانی و خسارات مالی، نه به‌دلیل فرو‌ریزش کامل سازه، بلکه ناشی از تخریب اجزای غیرسازه‌ای نظیر دیوارهای غیرباربر است. این دیوارها اگرچه در انتقال بارهای قائم نقشی ندارند، اما در عملکرد کلی ساختمان، به‌ویژه در هنگام وقوع زلزله، تأثیر قابل‌توجهی بر رفتار لرزه‌ای و پایداری موضعی سازه دارند.
در بسیاری از ساختمان‌ها، دیوارهای غیرباربر بدون اتصال مناسب به اسکلت اصلی اجرا می‌شوند. در نتیجه، در هنگام زلزله دچار ترک‌خوردگی، واژگونی یا ریزش می‌گردند و این امر می‌تواند موجب انسداد مسیرهای خروج اضطراری، آسیب به ساکنان و افزایش تلفات انسانی شود. مطالعات انجام‌شده نشان می‌دهد که بخش قابل ملاحظه‌ای از خسارات جانی در زلزله‌های گذشته، ناشی از همین پدیده بوده است.
یکی از راهکارهای مؤثر برای ارتقای ایمنی این دیوارها، استفاده از سیستم والپست (Wall Post) به منظور مهار جانبی و جلوگیری از ناپایداری دیوار است. وال‌پست‌ها معمولاً به‌صورت قائم یا افقی در محل تقاطع دیوار و ستون یا تیر نصب می‌شوند و با انتقال نیروهای جانبی، از ریزش ناگهانی دیوار جلوگیری می‌کنند. علاوه بر آن، بهره‌گیری از روش‌های نوین مقاوم‌سازی مانند مش الیاف شیشه (GFRP Mesh) نیز در سال‌های اخیر مورد توجه قرار گرفته است. این روش با افزایش چسبندگی و ظرفیت کششی سطحی دیوار، موجب توزیع یکنواخت‌تر تنش‌ها و کاهش احتمال شکست ترد مصالح بنایی می‌گردد.
بنابراین، مقاوم‌سازی دیوارهای غیرباربر با استفاده از ترکیب والپست و مش الیاف شیشه می‌تواند به شکل قابل‌توجهی خطرات ناشی از فرو‌ریزش دیوارها را کاهش داده و در نتیجه، سهم بسزایی در کاهش تلفات انسانی در هنگام زلزله ایفا کند. هدف از این پژوهش، بررسی کمی و کیفی تأثیر به‌کارگیری این روش‌های مقاوم‌سازی بر عملکرد لرزه‌ای دیوارهای غیرباربر و میزان کاهش تلفات ساختمان در سناریوهای مختلف زلزله است.
مرور تحقیقات علمی
دیوارهای غیرباربر، به عنوان اجزای غیرسازه‌ای ساختمان، وظیفه اصلی در انتقال بارهای ثقلی ندارند؛ اما در هنگام زلزله می‌توانند نقش قابل‌توجهی در افزایش یا کاهش صدمات و خسارات ایفا کنند. رفتار لرزه‌ای این دیوارها وابسته به نحوه اتصال آن‌ها به قاب سازه، نوع مصالح مصرفی، و جزئیات اجرایی است. در ساختمان‌های با قاب بتنی یا فولادی، معمولاً این دیوارها به‌صورت پرکننده (infill wall) بین ستون‌ها و تیرها اجرا می‌شوند و در تحلیل‌های سازه‌ای نادیده گرفته می‌شوند، در حالی‌که تحقیقات متعددی نشان داده‌اند که نادیده‌گرفتن اثر آن‌ها می‌تواند منجر به برآورد نادرست از رفتار واقعی سازه شود (Paulay & Priestley, 1992; Fardis, 2009).
در زلزله‌های بزرگ نظیر زلزله بم (۱۳۸۲) و کرمانشاه (۱۳۹۶)، بخش زیادی از تلفات انسانی ناشی از تخریب و سقوط دیوارهای غیرباربر بوده است. این مشاهدات تجربی موجب توجه بیشتر محققان و آیین‌نامه‌ها به ضرورت مهار جانبی این دیوارها شده است. آیین‌نامه ۲۸۰۰ ایران نیز در ویرایش‌های اخیر خود الزاماتی را برای مهار دیوارهای غیرباربر با استفاده از وال‌پست‌های قائم و افقی مطرح کرده است تا از بروز پدیده‌های خطرناکی مانند واژگونی یا پرتاب قطعات بنایی جلوگیری شود. مطالعات عددی و آزمایشگاهی (مانند تحقیقات نصیری و همکاران، ۱۳۹۸؛ جعفری و علوی، ۱۴۰۰) نشان داده‌اند که استفاده از والپست باعث کاهش قابل‌توجه تغییرشکل‌های جانبی و افزایش پایداری دیوارها در برابر نیروهای لرزه‌ای می‌شود.
در سال‌های اخیر، با پیشرفت فناوری‌های نوین در مقاوم‌سازی، استفاده از الیاف پلیمری تقویت‌شده (FRP) و به‌ویژه مش الیاف شیشه (GFRP Mesh) به عنوان روشی سبک و مقاوم در برابر خوردگی برای افزایش مقاومت دیوارهای بنایی مطرح شده است. مطالعات مختلف (Aldea et al., 2001; Triantafillou, 2006) نشان می‌دهند که تقویت سطحی دیوار با مش الیاف شیشه، منجر به افزایش ظرفیت برشی، کنترل گسترش ترک‌ها، و بهبود رفتار پس‌گسیختگی دیوار می‌شود. پژوهش‌های داخلی نیز (مثلاً احمدی و همکاران، ۱۴۰۱) نشان داده‌اند که ترکیب مش GFRP با سیستم والپست می‌تواند رفتار هم‌افزایانه‌ای ایجاد کرده و احتمال ریزش دیوار در اثر زلزله را به حداقل برساند.
به‌طور کلی، مرور تحقیقات گذشته حاکی از آن است که ضعف اصلی دیوارهای غیرباربر در برابر زلزله، ناشی از ناپیوستگی مناسب با اسکلت اصلی و رفتار ترد مصالح بنایی است. روش‌های نوین مقاوم‌سازی مانند والپست و مش الیاف شیشه با ایجاد قیود مکانیکی و افزایش ظرفیت کششی سطحی، این نقاط ضعف را تا حد زیادی برطرف می‌سازند. با این حال، هنوز در زمینه ارزیابی کمی میزان کاهش تلفات ناشی از مقاوم‌سازی دیوارهای غیرباربر مطالعات محدودی انجام شده است. از این‌رو، پژوهش حاضر با هدف بررسی تأثیر این روش‌ها بر کاهش آسیب‌ها و تلفات انسانی در ساختمان‌های متعارف کشور، گامی در جهت ارتقای ایمنی لرزه‌ای و بهبود دستورالعمل‌های اجرایی برمی‌دارد.
روش تحقیق
به منظور بررسی تأثیر مقاوم‌سازی دیوارهای غیرباربر در کاهش خسارات و تلفات ناشی از زلزله، در پژوهش‌های انجام شده یک مطالعه تجربی در مقیاس آزمایشگاهی طراحی و اجرا شده است. هدف اصلی از این آزمایش‌ها، مقایسه عملکرد لرزه‌ای دیوارهای غیرباربر در سه وضعیت مختلف است:
- دیوار معمولی بدون مقاوم‌سازی
- دیوار مقاوم‌شده با وال‌پست‌های قائم و افقی
- دیوار مقاوم‌شده با ترکیب والپست و مش الیاف شیشه (GFRP Mesh)
مصالح و نمونه‌های آزمایشی
نمونه‌های آزمایشی شامل پانل‌های بنایی به ابعاد تقریبی (۲.۴ * ۲.۴) متر ساخته‌شده از آجر سفالی و ملات ماسه‌سیمان ۱:۴ بودند. برای گروه‌های مقاوم‌سازی‌شده، در دو طرف دیوار وال‌پست‌های فولادی از نوع ناودانی سبک (U100) در فواصل حدود ۳ متر تعبیه گردیدند. در نمونه سوم، علاوه بر والپست، از مش الیاف شیشه با چشمه ۱۰×۱۰ میلی‌متر به همراه پوشش نازک ملات پلیمری برای اتصال به سطح دیوار استفاده شد. هدف از این کار افزایش ظرفیت کششی سطحی و جلوگیری از گسترش ترک‌های مورب بود.
تجهیزات و دستگاه بارگذاری
آزمایش‌ها در دستگاه شبیه‌ساز بارگذاری چرخه‌ای جانبی (cyclic lateral loading frame) انجام شد تا رفتار دیوارها تحت نیروهای شبه‌لرزه‌ای بررسی گردد. بارگذاری به‌صورت کنترل تغییر مکان در دو جهت رفت و برگشتی و با نرخ شبه‌استاتیکی انجام شد. کرنش‌سنج‌ها، حسگرهای جابجایی (LVDT) و دوربین‌های ثبت تصویر دیجیتال برای اندازه‌گیری تغییرشکل‌ها و الگوهای ترک‌خوردگی به کار گرفته شدند.
معیارهای ارزیابی
برای تحلیل نتایج، شاخص‌های زیر مورد بررسی قرار گرفتند:
- بار نهایی شکست (Ultimate Load)
- تغییر مکان جانبی نهایی و شکل‌پذیری
- الگوی ترک‌ها و نوع گسیختگی
- ظرفیت جذب انرژی
- درصد کاهش احتمال ریزش دیوار و سقوط اجزا
به منظور مقایسه کمی نتایج، مقادیر تغییر مکان نسبی و کرنش‌ها برای هر نمونه نرمال‌سازی شدند و نسبت به وضعیت بدون مقاوم‌سازی مورد ارزیابی قرار گرفتند.
تحلیل داده‌ها
داده‌های به‌دست‌آمده از حسگرها و فیلم‌برداری دیجیتال مورد تحلیل قرار گرفتند تا منحنی‌های نیرو–تغییرمکان (Force–Displacement) برای هر نمونه استخراج شود. نتایج اولیه نشان داد که استفاده از والپست به تنهایی باعث افزایش ۳۵ تا ۵۰ درصدی ظرفیت نهایی دیوار می‌شود، در حالی‌که ترکیب والپست و مش الیاف شیشه منجر به افزایش بیش از ۷۰ درصدی ظرفیت و بهبود چشمگیر رفتار پس‌گسیختگی گردیده است. همچنین، الگوی ترک‌ها در دیوارهای مجهز به مش GFRP گسترده‌تر ولی کم‌عمق‌تر بوده که نشان‌دهنده رفتار شکل‌پذیرتر سیستم مقاوم‌سازی است.
نتایج
مقایسه رفتار کلی نمونه‌ها
نتایج آزمایش‌های بارگذاری چرخه‌ای نشان داد که دیوارهای غیرباربر بدون مقاوم‌سازی، پس از رسیدن به تغییرمکان جانبی حدود ۰٫۴٪ ارتفاع دیوار، دچار ترک‌های قطری شدید و گسیختگی ناگهانی شدند. در این حالت، رفتار دیوار ترد و فاقد هرگونه شکل‌پذیری بود و ریزش ناگهانی اجزا می‌توانست منجر به خطر جدی برای ساکنان ساختمان شود.
در نمونه‌های مقاوم‌شده با والپست، ترک‌های قطری در مراحل اولیه کنترل‌شده‌تر ظاهر شدند و گسیختگی کلی با تأخیر قابل‌ملاحظه‌ای رخ داد. وال‌پست‌ها با محدودکردن تغییرشکل جانبی دیوار و انتقال بخشی از نیروی برشی به قاب اصلی، پایداری جانبی سیستم را افزایش دادند. افزایش ظرفیت نهایی در این گروه حدود ۴۵٪ نسبت به دیوار معمولی ثبت شد و رفتار شکست از حالت ترد به حالت نیمه‌شکل‌پذیر تغییر یافت.
در نمونه سوم، که ترکیب والپست و مش الیاف شیشه (GFRP Mesh) استفاده شد، عملکرد لرزه‌ای به‌مراتب بهتر بود. ترک‌ها در سطح وسیع‌تری پخش شدند اما عمق و شدت آن‌ها کمتر بود. منحنی نیرو–تغییرمکان حاصل از این نمونه، رفتار پایدارتر و ظرفیت جذب انرژی بسیار بالاتری را نشان داد. به‌طور میانگین، ظرفیت باربری نهایی این دیوارها حدود ۷۵٪ بیشتر از دیوارهای معمولی و شکل‌پذیری نهایی حدود دو برابر نمونه‌های بدون مقاوم‌سازی بود.
تحلیل الگوی ترک‌خوردگی و گسیختگی
در دیوارهای بدون مقاوم‌سازی، ترک‌ها از گوشه‌های بازشوها (مانند در و پنجره) شروع شده و با زاویه‌ای حدود ۴۵ درجه تا مرکز دیوار گسترش یافتند. در مرحله نهایی، شکست در محل تقاطع دیوار و قاب رخ داد و قطعات بزرگ بنایی از دیوار جدا شدند.
در نمونه‌های مجهز به والپست، ترک‌ها عمدتاً در نواحی میانی دیوار تشکیل شدند و با وجود ایجاد شبکه‌ای از ترک‌های ریز، انسجام کلی دیوار تا پایان آزمایش حفظ شد. اضافه‌کردن مش الیاف شیشه باعث شد ترک‌های سطحی به‌صورت یکنواخت‌تری توزیع شده و انرژی شکست در سطح گسترده‌تری پخش شود؛ در نتیجه، احتمال جداشدن قطعات و سقوط ناگهانی کاهش یافت.
ظرفیت جذب انرژی و رفتار هیسترزیس
تحلیل نمودارهای نیرو–تغییرمکان چرخه‌ای (هیسترزیس) نشان داد که دیوارهای مقاوم‌سازی‌شده دارای حلقه‌های پُرتر و پایدارتر هستند که بیانگر جذب انرژی بالاتر در طی زلزله است. مقایسه انرژی جذب‌شده تا لحظه گسیختگی نشان داد:
- دیوار معمولی: ۱۰۰٪ (مبنای مقایسه)
- دیوار با والپست: ۱۵۵٪ انرژی جذب‌شده
- دیوار با والپست + مش GFRP : ۲۴۵٪ انرژی جذب‌شده
این افزایش قابل‌توجه در ظرفیت انرژی به معنی کاهش شدت آسیب و احتمال فرو‌ریزش است.
اثر مقاوم‌سازی بر کاهش خطرات انسانی
بر اساس تحلیل رفتار دیوارها و نتایج به‌دست‌آمده، می‌توان نتیجه گرفت که مقاوم‌سازی با والپست به تنهایی قادر است تا حدود ۴۰٪ از احتمال ریزش دیوارها در زلزله متوسط را کاهش دهد. در حالی‌که به‌کارگیری مش الیاف شیشه در کنار والپست، علاوه بر افزایش ظرفیت مکانیکی، باعث بهبود چسبندگی ملات و جلوگیری از سقوط اجزا می‌شود. این ترکیب می‌تواند احتمال ریزش دیوار و در نتیجه خطر آسیب به ساکنان را تا بیش از ۶۵٪ کاهش دهد.
بنابراین، اجرای سیستم‌های ترکیبی مقاوم‌سازی نه‌تنها موجب ارتقای ایمنی سازه در برابر زلزله می‌شود، بلکه با حفظ انسجام اجزای غیرسازه‌ای، نقش مهمی در کاهش تلفات انسانی و اقتصادی ایفا می‌کند.
نتیجه‌گیری
نتایج این پژوهش‌ها نشان می‌دهد که دیوارهای غیرباربر، علیرغم نقش ظاهراً فرعی در سازه، تأثیر بسزایی در ایمنی کلی ساختمان و میزان تلفات انسانی در هنگام زلزله دارند. تخریب یا ریزش این دیوارها می‌تواند مسیرهای خروج اضطراری را مسدود کرده و خطر جراحت یا مرگ ساکنان را به‌طور چشمگیری افزایش دهد. بر اساس نتایج آزمایشگاهی، مقاوم‌سازی این دیوارها با استفاده از روش‌های مناسب می‌تواند به‌طور مؤثری رفتار لرزه‌ای سازه را بهبود بخشد.
مهم‌ترین یافته‌های این تحقیقات به شرح زیر است:
- استفاده از والپست به‌عنوان عضو مهاربند جانبی موجب افزایش میانگین حدود ۴۵٪ در ظرفیت باربری نهایی دیوار و تأخیر در گسیختگی ترد می‌شود. این سیستم با محدودکردن تغییرشکل جانبی، از واژگونی و پرتاب اجزای بنایی جلوگیری می‌کند.
- افزودن مش الیاف شیشه (GFRP Mesh) به همراه والپست، موجب افزایش ظرفیت جذب انرژی و شکل‌پذیری دیوار تا بیش از دو برابر وضعیت بدون مقاوم‌سازی گردید.
- ترکیب والپست و مش الیاف شیشه، مؤثرترین روش مقاوم‌سازی در این تحقیقات شناخته شده است، به‌طوری‌که توانست احتمال ریزش و سقوط دیوار را تا حدود ۶۵٪ کاهش دهد.
- رفتار ترک‌خوردگی در دیوارهای مقاوم‌سازی‌شده از حالت متمرکز و خطرناک به الگوی پخش‌شده و کنترل‌شده تغییر یافت که این امر مستقیماً با کاهش خطرات انسانی مرتبط است.
به‌طور کلی، نتایج به‌دست‌آمده بیانگر آن است که اجرای روش‌های ساده ولی مهندسی‌شده نظیر سیستم والپست و پوشش سطحی با مش الیاف شیشه می‌تواند گامی مؤثر در جهت ارتقای ایمنی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود و جدید باشد.
پیشنهادها
- در ساختمان‌های موجود، به‌ویژه بناهای آموزشی، درمانی و عمومی، مقاوم‌سازی دیوارهای غیرباربر با استفاده از وال‌پست‌های قائم و افقی باید در اولویت قرار گیرد.
- استفاده از مش الیاف شیشه در ترکیب با ملات‌های پلیمری سبک می‌تواند جایگزین اقتصادی و مقاومی برای روش‌های سنگین‌تر نظیر شاتکریت باشد.
- در مراحل طراحی ساختمان‌های جدید، اتصال مناسب دیوارهای غیرباربر به اسکلت باید از ابتدا در نقشه‌های اجرایی لحاظ شود تا از نیاز به مقاوم‌سازی بعدی جلوگیری گردد.
- آیین‌نامه ۲۸۰۰ ایران و سایر دستورالعمل‌های ملی می‌توانند با افزودن بندهای ویژه برای استفاده از مش‌های FRP و وال‌پست‌های ترکیبی، ایمنی اجزای غیرسازه‌ای را بهبود بخشند.
منابع
- مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی(۱۴۰۰) آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله (استاندارد ۲۸۰۰ ایران)، ویرایش پنجم. تهران: وزارت راه و شهرسازی.
- نصیری، م.، و همکاران(۱۳۹۸) بررسی اثر استفاده از والپست در عملکرد لرزه‌ای دیوارهای غیرباربر. مجله مهندسی عمران ایران، ۱۷(۴)، ۲۳۵–۲۴۶.
- جعفری، م.، و علوی، س(۱۴۰۰) تحلیل عددی تأثیر مهاربندی دیوارهای بنایی با والپست بر رفتار لرزه‌ای قاب‌های بتنی. نشریه مهندسی سازه و زلزله، ۲۵(۳)، ۱۱۰–۱۲۲.
- احمدی، ر.، کریمی، س.، و موسوی، ع(۱۴۰۱) مقایسه عملکرد لرزه‌ای دیوارهای بنایی مقاوم‌سازی‌شده با مش الیاف شیشه و الیاف کربن. همایش ملی مقاوم‌سازی و بازسازی پس از بحران، دانشگاه تهران.
- Paulay, T., & Priestley, M. J. N. (1992). Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings. John Wiley & Sons, New York.
- Fardis, M. N. (2009). Seismic Design, Assessment and Retrofitting of Concrete Buildings. Springer, Dordrecht.
- Aldea, C., Ghandehari, M., Shah, S. P., & Karr, A. (2001). Effect of fiber reinforcement on cracking behavior of cement-based materials subjected to cyclic loading. Cement and Concrete Research, 31(4), 593–599.
- Triantafillou, T. C. (2006). Strengthening of masonry structures using epoxy-bonded FRP laminates. Journal of Composites for Construction, 10(6), 451–460.
- FEMA 356 (2000). Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings. Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C.
- ASCE 41-17 (2017). Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings. American Society of Civil Engineers, Reston, VA.
