بررسی مهندسی و سازه ‏ای سیستم‏ های کرتین‏ وال

دوست عزیز و بزرگوارمان مهندس شهرام علیزاده، مدیر عامل شرکت آلوکد که همواره اطلاعات خود را بدون هیچ دریغی در اختیار پنجره ایرانیان و خوانندگان این نشریه قرار می‏ دهند، این بار طی چند شماره این مبحث را از زوایای گوناگون مورد بررسی قرار داده و مسائل فنی آن را برایمان تبیین کرده ‏اند. آنچه در ادامه می‏ خوانید، بخش سوم این مقاله است که موضوع رفتار ساختمان و سازه ‏های کرتین ‏والی حین وقوع زلزله و بحران را مورد بررسی قرار می‏‏ دهد. ضمن سپاس از جناب علیزاده با هم این مقاله را می ‏خوانیم:

برای مشاهده فایل پی دی اف کلیک کنید.

رفتار ساختمان و سازه‏ های کرتین ‏والی حین وقوع زلزله و بحران

 بارهای وارد بر سـاختمان ‏ها به دو دستـه کلـی بارهای ژئـوفیزیکی ناشی از طبیعت و بارهای مصنوعی که به وسیله انسـان به وجود می آیند، تقسـیم می ‏شـوند. نیـروی ‏های ناشـی از وزن خود ساخـتمان که مـتاثر از جاذبـه زمیـن است را بار مرده می ‏نامند که میزان آن در ساختمان ثابت است. به‏ طور کلی از نقطه نظر سازه‏ای انتخاب یک سیستم سازه‏ ای مناسب به سه عامل بستگی دارد:

اول: بارهایی که باید توسط سازه حمل شوند؛

دوم: خواص مصالح ساختمانی؛

سوم: عمل سازه‏ ای که توسط آن نیروی به وجود آمده به وسیله اجزاء ساختمانی به زمین منتقل می ‏شود.

لازم به ذکراسـت اغلب برای پیش‏ بینی شدت بارگذاری از مقادیر تجربی آئین ‏نامه‏ ها استفاده می‏ شود و پیش‏ بینی دقیق شرایط بارگذاری واقعی از طریق تحقیق و آزمایش‏ های تجربی به دست می‏ آید.

ساختمان‏ های اولیه به ‏دلیل وزن بالایی که داشتند، در برابر نیروی باد آسیب پذیر نبودند، اما در برابر زلزله آسیب‏ پذیری بسیاری داشتند، زیرا دیوارهای باربر از مصالح بنایی با عرض و قطر طویل ساخته شده و لنگرهای واژگونی غلبه ‏ناپذیر بودند. اما از زمانی که ساختمان‏ های بلند با دیـوارهای شـیشـه‏ ای (‏کرتـین ‏وال‏) و با فضـای باز داخلـی و سـازه‏ های فولادی سبک ساخـته شدند، به دلیل وزن اندک آنها، این واکنش معکوس گردید.

امروزه در سـاختمان ‏ها برای کاهش وزن مرده ساختمان و ایجاد فضاهای بزرگ‏تر و انعطاف‏پذیری در برابر زلزله از تیرهایی با دهانه‏ های طویل‏، جدا کننده ‏های داخلی غیرفعال متحرک و دیواره ‏های پیرامونی بدون توان حمل بار استفاده می‏ کنند که این موارد از صلبیت کلی سازه و وزن  آن می ‏کاهد؛ به‏ گونه‏ ای که اکنون سختی جانبی یک ساختمان ممکن است تعیین کننده مقاومت آن باشد.

علل وقوع زلزله:

پوسته زمین مرکب از صفحه ‏هایی است که میل به لغزش دارند، این صفحات که به صورت لایه به لایه روی هم قرار دارند پس از لغزش، باعث وقوع زلزله می ‏شوند (نظریه حرکت زمین یا تکتونیک صفحه‏ ای، نظریه ‏ای غالب در خصوص علل وقوع زلزله است). زلزله به طور معمول در ناحیه ‏ای که صفحه سنگی در داخل زمین فرو می ‏رود یا در نقاطی که صفحه ‏ها روی هم می ‏لغزند، رخ می دهد. بدین ترتیب تکان ‏هایی در اثر آزاد شدن ناگهانی انرژی اندوخته شده در پوسته زمین ایجاد می ‏شود.

از اواخر قرن نوزدهم، ثبت امواج حاصل از زلزله در ژاپن و سایر نقاط دنیا آغاز گردید. نحوه انتشار این امواج به‏ گونه‏ ای بود که از یک مرکز واحد منتشر شده‏ اند که به آن کانون زیر مرکز (focus) می ‏گویند. فاصـله نقـطه احساس زلـزله از کانون و از مرکز زلزله به ترتیب فاصله کانونی و فاصله مرکزی نامیده می‏ شود و فاصله بین کانون و مرکز زلزله عمق نامیده می ‏شود. اگر عمق زلزله از 70 کیلومتر کمتر باشد زلزله سطحی رخ می‏ دهد و اگر این عمق بیش از 300 کیلومتر باشد زلزله در عمق روی داده است. زلزله‏ های سطحی دارای محدوده اثر کمتر و البته قدرت تخریب بالاتری هستند و زلزله ‏های عمقی بر عکس زلزله‏ های سطحی می‏ باشند.

انواع امواج زلزله:

1. امواج اولیه: شبیه به امواج دریا بوده و باعث انبساط و انقباض صخره‏ ها می ‏شوند.

2. امواج برشی: در مایعات قابل انتشار نمی ‏باشد. از امواج مخرب بوده و حرکت ‏های افقی و عمودی در پایه ساختمان ایجاد می ‏کند.

3. امواج سطحی: که به امواج لاو (love) معروف هستند.

4. امواج ریلی: سطح زمین را هم در جهت قائم و هم درجهت افقی، در امتداد انتشار امواج مرتعش می‏ کنند.

5. امواج S: مانند امواج لاو بوده و با تغییر مکان قائم هستند.

از آنـجا که فونداسیـون‏ سـاختمان‏، نقطه تماس میان ساختمان و زمین است، حرکت زلزله روی ساختمان به صورت لرزاندن فونداسیون به جلو و عقب اثر می ‏کند. جرم ساختمان در برابر این حرکت مقاومت کرده و در سراسر سازه نیروهای اینرسی ایجاد می ‏کند. البته از نیروهای قائم غالبا صرف نظر می ‏شود و نیروهای افقی در نظر گرفته می ‏شود.

لازم به ذکر است که ساختمان‏ های بلند، مانند پاندول‏ های بلند، پریود ارتعاشی طویل‏ تری دارند و در نتیجه نسبت به ساختمان ‏های کوتاه و سخت تحت تاثیر نیروهای اینرسی کوچک‏تری هستند. (مطالب مطرح شده را به صورت مبسوط می ‏توان درآیین‏نامه ANSI  ایالات متحده بررسی کرد).

افزایش ارتفاع بنا موجب افزایش زمان تناوب T می ‏شود و افزایش پریود سازه موجب کاهش ضـریب C شده و در نتیجه در ساختـمان ‏های بلند از نیروهای جانبی ناشی از زلزله کاسته می ‏شود. همان‏گونه که مطرح گردید با توجه به اینکه امروزه دیوارهای پیرامونی که جهت سبک‏ سازی در بناها کاربرد بیشتری پیدا کرده ‏اند و از طرفی می‏ بایست بار وزن خود و نیروهای جانبی ناشی از باد و زلزله را تحمل کنند، باید از ویژگی‏ های طراحی زیر پیروی کنند.

هر سـازه‏ ای بایـد در برابر عمل واژگونی ایجاد شده به وسیله باد یا زلزله (هر کـدام که تاثیر بیشتری دارد) مقاومـت کند. این بارگذاری بر اساس پوشش برش‏ های حداکثر می ‏باشد. تمام قسمت ‏های سازه باید به ‏گونه ‏ای طراحی شوند که در موقع مقاومت در برابر نیروهای افقی، به صورت یکپارچه و واحد عمل کنند و از آنجا که ارتعاشات زلزله باعث تغییر جهت سریع تنش‏ ها در اعضاء سازه می‏ شود، سازه باید قادر به تحمل آثار ناشی از خستگی باشد. در اثر انقـباض، خـزش و آثار حرارتی، در حجـم مصالح تغییراتی ایجاد می‏ شود. زمانی که از واکنش طبیعی و آزاد اعضاء سازه جلوگیری به ‏عمل آید، در آنها نیرو و تنش ایجاد می‏ شود. لذا طراحی این اعضاء برای این تنش ‏ها نیز می ‏بایست لحاظ گردد.

تقـریبـا پـس از جنـگ جهـانی دوم طراحـی‏ های جـدید برای زیبـایی ساخـتمان ‏ها توسعـه یافـته و جهت کاهش وزن و هزینه‏ های ساختمان، نماهای اکسپوز (کرتین‏ وال) رونق بیشتری پیدا کرد. اما ساختـمان‏ های بلند صلبیت کمتری دارند و در اثر حرکات و بارهای ایجادشده در نتیجه تغییرات درجه حرارت، به ‏شدت آسیب‏ پذیر هستند. اختلاف درجه حرارت نیز در این نوع سازه ‏ها در داخـل بنـا و خـارج بنـا موجب حرکـت قائم در قسـمت خارجی ساختمان می‏ شود. البته عکس‏ العمل سازه در مقابل حرکت ناشی از درجه حرارت متناسب با تعداد طبقات ساختمان می ‏باشد.

درسازه‏ های قاب صلب بر اثر هر تغییر مکان قائم در پروفیل‏ های عمودی در محل اتصال سازه به نمای اصلی ساختمان صدمه وارد می‏ گردد. این حـرکت تفـاضـلی جمـع ‏شـونده است و همـواره مقـدار آن در دهانه خارجی بالاترین طبقه، حداکثر است. به هنگام رخ دادن این حـرکت، سازه‏ های پنجره ‏ای و دیوارهای خارجی و دیوارهای جداکننده داخلی، نسبت به عمل بار و جدایی مصالح آسیب ‏پذیر نشان داده ‏اند. همان‏گونه که مطرح گردید سـازه ‏های کرتـین ‏وال در صورتی‏که مطابق ضوابط و استانداردهای لازم اجرا شوند، در برابر حرکات جانبی (افقی) و حرکات عمودی از مقاومت لازم برخـوردار هـستـند و به‏ صورت مـستقـل به سـازه اصلی متـصل شـده و نیــروهای ناشی از زلـزله و باد و ... را تحمل می ‏کنند.

یعنی در اجرای سازه ‏های کرتین ‏وال امکان حرکات افقی و عمودی به همـراه مفاصـل پیچ ومهره‏ ای می‏ بایست تامین گردد تا رفتار سـازه‏ ای مطابق پیش‏ بینی‏ ها و محاسبات را تجربه کنیم.

در تصاویر زیر نمونه سازه کرتین‏ وال به روش Stick در پروژه‏ ای با سازه اسکلت فلزی به صورت اکسپوز در تمامی جهات دیده می ‏شود. این پروژه در تهران واقع شده، و توسط شرکت آلوکد به انجام رسیده است.

البته امروزه ملاحظات ناشی از انفجار و آتش ‏سوزی نیز از اهمیتی ویژه برخوردار شده‏ اند. به ساختمـان ‏ها، امروزه از جهـت آسیـب‏ پذیری به دلیل اهمیت بالایی که برای تعداد سکنه، ارزش اقتصادی و غیره دارند، باید توجـه بیشـتری شود. احـتمال انفـجار ناشـی از گـاز یا مـواد منفجره همواره وجود دارد. در اثر انفجار فشار بسیار زیادی در منطقه منفجر شده ایجاد می شود و بارهای بزرگـی به عـناصر ساختـمان وارد می ‏گردد که به ترکیدن و به خارج پرتاب شدن نماهای شیشه ‏ای، پنجره ‏ها و دیوارها منجر می ‏شود. این فشار داخلی باید به صورت موضعی کنترل شود و نباید باعث فروریختگی کل سازه گردد. آتش سوزی به دو دلیل از ملاحظات مهم محسوب می ‏گردد:

اول: اکثر واحدها در حین آتش سوزی قابل دسترس آتش نشانان نمی ‏باشند.

دوم: تخلیه اضطراری کامل در مدت زمان کوتاه ممکن نیست.

در یک آتش‏ سوزی، گرمای آتش در مقایسه با دود و گازهای سمی حاصله که باعث تلفات بیشتر می‏ شوند، خطر کمتری دارند. از این‏رو برای حفاظت ساختمان در برابر آتش سوزی باید ملاحظاتی در نظر گرفت:

1. تمامیت سازه نما برای مدت زمان معینی، با استفاده از مصالح غیر قابل احتراق که در اثر آتش‏ سوزی سوخته و دود نکند، حفظ شود.

2. سیستم‏ های خروجی برای خروج اضطرای ساکنان در هنگام آتش سوزی فراهم گردد.

3. محدود کردن آتش و جلوگیری از گسترش آن با قرار دادن آبفشان‏ ها و شیرهای خودکار در نزدیکی سازه تا در صورت ذوب سازه نما جریان آب به بیرون پاشیده شود و از گسترش آتش جلوگیری گردد.

باید توجه داشت که در اثر نفوذ آتش به طور کامل در یک طبقه، امکان گسیختگی نیز به وجود می ‏آید که این گسیختگی باعث فرو ریختن سـازه نـما و حتـی ساختمـان می‏ گـردد. در صـورت اجـرای صـحـیح سـازه ‏هـای کـرتیـن ‏وال گسیختگی و فرو ریـختـن فــقط در طبـقه بحـرانی (آتش گرفته) اتفاق خواهد افتاد. البته لازم به ذکر است استفاده از مصالح مرغوب (در برابر آتش سوزی) نیز از اهمیت ویژه ای در این زمینه برخوردار می باشد، چرا که در حین آتش سوزی اگر چه می بایست سازه از محاسبات و ایستایی لازم برخوردار باشد، مصالح به کار رفته نیز در سرعت گسترش حریق نقش مهمی دارد که در این صورت شعله های آتش و دود ناشی از آن خسارات و صدمات جبران ناپذیری را به پیکره بنا وارد می کند.

به عنوان مثال: طی یک آتش سوزی که در ساختمان 63 طبقه در دبی اتفاق افتاد و بر اساس نظر متخصصان ساخت وساز و ایمنی، دلیل این آتش سوزی غیرقابل کنترل، استفاده از مصالح ساختمانی نامرغوب در نمای ساختمان بوده و همچنین براساس استانداردهای معتبر آتش سوزی طراحی نشده و ساختمان به گونه ای پوشانیده شده که بین آن هیچ فاصله ای برای توقف آتش سوزی یا آرام تر کردن روند آن پیش بینی نشده بود. آتش از پنل های بیرونی به عنوان سوخت استفاده کرده و از یک سمت ساختمان به سمت بالا حرکت کرده است.

همچنین در ملبورن نیز سال 2014 طی آتش سوزی یک ساختمان 23 طبقه به سرعت دچارحریق شده و شعله های آتش درکمتر از 10 دقیقه 80 درصد ساختمان را طعمه حریق کرده بود. دلیل این آتش سوزی به گفته مسئولان استفاده از مصالح نامرغوب در برابر آتش بوده است.

منابع:

ـ مسـتوفی‏ نژاد، داوود، بارگـذاری سـازه‏ ها؛

ـ نقی زاده، حمید، زمین لرزه چگونه به وجود می ‏آید؟؛

ـ معینی، محمود رضا، همه چیز در مورد ساختمان‏ های بلند.

نشریه پنجره ایرانیان ـ سال نهم ـ شماره  106 ـ مرداد 95