تحلیل سازه های بناهای تاریخی

تحلیل سازه های تاریخی (از کتاب بازسازی و استحکام بخشی بناهای تاریخی تالیف دکتر سید ضیا حسینی و پرفسور محمود گلابچی)

📷مشخصات مکانیکی مصالح سنتی بسیار پایین تر از مصالح جدید بتن و فولاد است. به عنوان مثال مقاومت فشاری یک بتن معمولی حدود 23 برابر خشت می باشد. به همین دلیل اولین نقطه ضعف بناهای تاریخی در برابر زلزله، پائین بودن مقاومت مصالح تشکیل دهنده است. همچنین فرسودگی و خسارات وارد بر مصالح و اجزاء سازه ای آن در طول مدت زمان اثر منفی بر مقاومت ان داشته است. سومین نقطه ضعف مصالح در بناهای تاریخی آن است که تقریبا همه مصالح سنتی دارای گسیختگی ترد بر اثر اعمال بار می باشند و این نکته باعث آسیب پذیری بیشتر این مصالح در برابر زلزله خواهدبود.

البته در بعضی از موارد خشت ها و مصالح ساخته شده در زمان قدیم بسیار قوی تر از مصالح جدید است مثل ساروج. در بازسازی پروژه بزرگ قصر ریاست جمهوری دارالامان در افغانستان شهر کابل اجرهایی که از ستون وپی این ساختمان بدست امد دارای 18 مگاپاسکال مقاومت بود. در حالی مقاومت معمولی اجرهای فعلی 8 تا 10 مگاپاسکال است.در بررسی های دقیق مشخص شد این اجرهای بوسیله میله های فلزی و با فشار فیل ساخته شده است. که در نوع خود بی نظیر است.

تحلیل بارگذاری بناهای تاریخی با توجه به ماهیت متفاوت آنها از بناهای مدرنی که با بتن، فولاد و نظایر آن ساخته می شوند، متفاوت بوده و مقولهی نسبتا پیچیدهای در دانش مرمت محسوب می گردد. از طرفی مقاومسازی این بناها بدون شناخت و درک صحیح از کارکرد مصالح و ملات های ساختمانی بهکار رفته در بنا، فنون اجرائی، نوع و شکل سازه های باربر و نیز شناخت بارهای وارده به بنا یا تحلیل بارگذاری امکانپذیر نیست. بعضی از این بارها عبارتند از:

· بارهای مرده؛

· بارهای زنده؛

· بارهای زودگذر - مانند بار باد و زلزله؛

· 📷بارهای محیطی مانند تغییرات درجه حرارت و وارفتگی (و بارهای ناشی از فشار خاک یا فشار سیالات[1].

بارهای مرده به لحاظ مقدار و محل اثر ثابت بوده و بهعبارت دیگر تغییراتی در زمان و مکان ندارند. این بارها شامل وزن عناصر و قطعات مختلفی هستند که در هنگام ساختن سازه بهکار رفته و یا بهطور ثابت بر روی آن نصب می گردند. این گروه از بارها شامل آن دسته از بارهای زنده که مقدار وزنشان و محل اثر آنها در بنا ثابت باشد، نیز می گردد[2].

📷تحلیل سازه عبارت است از روش هایی برای تعیین نیروهای داخلی و جابه جایی سازه تحت بارهای خارجی وارد شده بر آن. تحلیل سازه به 2 روش کلی تحلیل خطی سازه و تحلیل غیر خطی قابل انجام است که هر کدام از این روش ها زیر مجموعه های دیگری دارد. تحلیل سازه ها یا واکاوی سازه ها [3]یا تئوری سازه ها [4]یکی از زیر رشته ها و زمینه های عمده و مدرن در مهندسی عمران، و مهندسی هوافضا می باشد که با استفاده از قوانین ریاضی و فیزیک به واکاوی و پیش بینی رفتار سازه ها می پردازد.

تحلیل سازه روشی برای محاسبه میزان تغییر شکل، نیروهای داخلی و عکس العمل های تکیه گاهی یک سازه است. پس از تحلیل سازه ها و تعیین نیروهای داخلی (برشی، محوری، لنگر خمشی و لنگر پیچشی) سازه را برحسب آن ها طراحی می کنند. سازه ها از دو دیدگاه از لحاظ بارگذاری قابل بحث هستند:

1. بارگذاری دینامیکی

2. بارگذاری استاتیکی

همچنین عوامل موثر در تحلیل سازه ها[5] شرایط تکیه گاهی اتصالات[6]، و قیود[7] آن ها می باشد. یکی از روش های رایج واکاوی سازه های ساختمانی در تئوری سازه واکاوی پرتال می باشد که در گذشته و قبل از حضور نرم افزارها استفاده های زیادی از آن می شد.

ابزار مدل سازی اطلاعات ساختمان با داشتن خصوصیات دقیق از مصالح و خصوصیات هریک از آن ها و ابزارهای واکاوی در موارد گوناگونی از قبیل انرژی واکاوی مقاومت و پایداری و … امروزه مورد استفاده قرار می گیرد[8].

تحلیل خطی و غیرخطی

تحلیل خطی، تحلیلی است که در آن فرض می شود بین نیروهای وارد شده بر سازه و جابه جایی های سازه در اثر آن نیروها رابطه ای خطی وجود دارد. به عنوان مثال در تحلیل خطی فرض اصلی این است که اگر سازه تحت نیروی F جابه جایی D را تجربه کند، تحت نیروی 2F جابه جایی آن برابر 2D خواهد بود. در تحلیل های خطی فرض می شود که ماتریس سختی در طول اعمال بار ثابت بوده و در سختی اعضا تغییری ایجاد نمی شود.

در تحلیل های غیرخطی که تحلیل دقیق تری است، فرض رابطه خطی بین نیروی وارد بر سازه و جابه جایی دیگر وجود ندارد. به عبارت دیگر تحلیل غیرخطی تحلیلی است که در آن بین نیروی وارد بر سازه و جابه جایی های آن رابطه غیر خطی به وجود می آید. رفتار غیرخطی ناشی از 2 عامل رفتار غیر خطی هندسی (تغییر شکل های بزرگ در سازه) و رفتار غیر خطی مصالح تشکیل دهنده سازه می شود. ماتریس سختی در طول مدت زمان اعمال بار در این روش ثابت فرض نشده و دائما در حال تغییر است. در ویرایش 4 استاندارد 2800 روش های تحلیل خطی و غیرخطی را می توان در کلیه سازه ها به کاربرد، اما شرط استفاده از تحلیل های غیرخطی که تحلیل های دقیق تری نیز هستند جواب گرفتن از تحلیل خطی می باشد.

بارهای ثابت در بناهای تاریخی

بارهای ثابت عبارتند از: بار ناشی از تاق ها و گنبدها، دیوارهای باربر و اسپرها) دیوارهای غیر باربر تزئینات الحاقی به بنا، عناصر تعبیه شده در بنا مانند قندیل ها، زنجیرهای آویز، عناصر و منابع نورانی سنگین و به طورکلی کلیهی بارهائی که به لحاظ مقدار و محل اثر ثابت هستند. باید توجه نمود که سازه های تاریخی اصولا در مقابله با بارهای دینامیکی و جانبی نظیر باد و زلزله ضعف داشته و باید مقاومسازی شوند.

تحلیل استاتیکی معادل

طی این روش، رفتار واقعی سازه که در دو محدوده خطی و غیرخطی قرار دارد توسط ضرایبی به نام ضریب رفتار سازه (Ru) و ضریب بزرگنمایی تغییر مکان جانبی سازه (Cd) به صورت خطی مدل می شود. در این روش سازه مطابق با فرضیات زیر تحلیل می شود:

· رفتار مصالح خطی است.

· نیروی زلزله به صورت استاتیکی به سازه اعمال می شود.

· کل نیروی جانبی وارد بر سازه برابر با ضریبی از وزن ساختمان است.

تحلیل استاتیکی معادل در ASCE7-22[9]

در دستوالعمل ASCE7-16 اجازه استفاده از تحلیل استاتیکی معادل را برای سازه هایی از یک ارتفاع خاص به بالا نمی داد. این محدودیت در ASCE7-22حذف شد. فصل 12 این آیین نامه دارای ضوابطی برای روش استاتیکی معادل، تحلیل طیفی و تحلیل تاریخچه زمانی خطی است. طراح می تواند روشی را انتخاب کند که به بهترین وجه متناسب با نیازهای طراحی ساختمان است. تنها تفاوت این است که در تحلیل طیفی و تحلیل تاریخچه زمانی خطی به مدل سازی سه بعدی نیاز است، درحالی که روش استاتیکی معادل در برخی موارد اجازه تحلیل دوبعدی را می دهد.

📷 نتیجه اصلی بسیاری از مطالعات این بوده است که روش تحلیل استاتیکی معادل در مقایسه با پاسخ دینامیکی غیرخطی در زلزله های طرح، نتایج سازگارتر برشی، گشتاور واژگونی و دریفت طبقه را نسبت به روش تحلیل طیفی استاندارد ارائه می دهد. با این حال، ممکن است شرایط غیرعادی وجود داشته باشد که در آن مقادیر طراحی روش تحلیل طیفی از مقادیر روش استاتیکی معادل بیشتر باشد و ممکن است دلایل دیگری وجود داشته باشد که طراح بخواهد از روش تحلیل طیفی به جای روش استاتیکی معادل استفاده کند.

تراز پایه

مطابق با بند 3–3–1–2 استاندارد 2800 ویرایش چهارم تراز پایه تراز پایه، بنا به تعریف، به ترازی در ساختمان اطلاق می شود که در هنگام زلزله از آن تراز به پایین اختلاف حرکتی بین ساختمان و زمین وجود نداشته باشد. تراز پایه برای طراحی ساختمان ها به صورت زیر درنظر گرفته می شود:

1) برای ساختمان های بدون زیرزمین یا ساختمان های دارای زیرزمینی که دیوارهای نگهبان آن به سازه متصل نباشند، تراز پایه باید در سطح بالای شالوده درنظر گرفته شود.

2) برای ساختمان های دارای زیرزمینی که دیوارهای نگهبان آن به سازه متصل باشند و فضای بین خاکبرداری و دیوار نگهبان زیرزمین با خاک متراکم پرشده باشد، تراز پایه می تواند در نزدیک ترین سقف زیرزمین به زمین طبیعی اطراف درنظر گرفته شود، منوط بر آن که اولا خاک طبیعی موجود در اطراف ساختمان متراکم باشد و ثانیا دیوارهای نگهبان زیرزمین بتن آرمه بوده و آخرین سقف زیرزمین نیز دارای صلبیت کافی باشد.

[1] پارسائی، علیرضا ، رساله دکتری :بهینه سازی مداخالت در بهسازی لرزهای ابنیه تاریخی با رویکرد حفظ ارزشهای میراثی زیر نظر دکتر رضا ابوئی و دکتر حسینعلی رحیمی، اصفهان، دانشگاه هنر اصفهان 1392

[2] نواب، آزاده، فلاورسون، رکس، مقاله تحلیل بارگذاری بر سازه های تاریخی همایش ملی معماری و شهرسازی بومی ایران بهمن 1394

[3] Structural analysis

[4] Theory of structures

[5] Structural analysis

[6] Joints

[7] Constraints

[8] ستوده بیدختی، امیرحسین، مقدمه ای بر کاربرد مدل سازی اطلاعات ساختمانBIM در مدیریت پروژه های ساخت، اولین کنفرانس ملی شهرسازی، مدیریت شهری و توسعه پایدار، تهران، موسسه ایرانیان، انجمن معماری ایران1393

[9] آیین نامه بارگذاری آمریکا ویرایش 2016 (ASCE7-16)