رفتار ساختمان نشست‌کرده در زلزله  (تأثیر نشست نامتقارن بر ایمنی سازه)

Shang, H., Bao, C., Wang, H., Ma, X., Cao, J., & Du, J. (2023). Seismic response analysis of frame structures with uneven settlement of foundation considering soil-structure interaction. Results in Engineering, 20, 101574. DOI: 10.1016/j.rineng.2023.101574

در بسیاری از ساختمان‌هایی که دچار نشست نامتقارن شده‌اند، مالک ممکن است تصمیم بگیرد فقط عامل ادامه نشست را کنترل کند و ساختمان را به وضعیت قائم برنگرداند. در ظاهر، این تصمیم می‌تواند منطقی به نظر برسد. اگر نشست دیگر ادامه پیدا نکند، شاید تصور شود مشکل اصلی برطرف شده است. اما سؤال مهم‌تری باقی می‌ماند آیا ساختمانی که نشست آن متوقف شده ولی تغییرشکل و کجی ایجادشده در آن باقی مانده، در برابر زلزله همان رفتاری را دارد که یک ساختمان سالم دارد؟ مقاله حاضر دقیقاً به همین موضوع نزدیک می‌شود. نویسندگان یک ساختمان بتن‌آرمه را ابتدا در معرض نشست نامتقارن فونداسیون قرار داده‌اند و سپس پاسخ لرزه‌ای آن را با مدل‌های مختلف بررسی کرده‌اند. در بعضی مدل‌ها اندرکنش خاک و سازه نیز لحاظ شده تا رفتار ساختمان به شرایط واقعی نزدیک‌تر شود. نتیجه کلی مقاله روشن است:

نشست نامتقارن می‌تواند رفتار لرزه‌ای ساختمان را به‌طور محسوس تغییر دهد، حتی اگر خود فرآیند نشست دیگر ادامه نداشته باشد.

مشخصات مطالعه

در این تحقیق یک ساختمان بتن‌آرمه ۶ طبقه مورد بررسی قرار گرفته است. پلان ساختمان ۱۸ در ۱۸ متر بوده و سه دهانه ۶ متری در هر جهت داشته است. ارتفاع هر طبقه نیز ۳ متر در نظر گرفته شده است. سازه با بتن C30 و فولاد HRB400 مدل شده است. در مدل خاک نیز سه شرایط مختلف شامل خاک نرم، متوسط و سخت در نظر گرفته شده تا تأثیر واقعی‌تر اندرکنش خاک و سازه بررسی شود.

چرا اندرکنش خاک و سازه مهم است؟

در بسیاری از تحلیل‌های متعارف، فرض می‌شود فونداسیون ساختمان کاملاً صلب است و حرکت نمی‌کند. اما در واقعیت، ساختمان، فونداسیون و خاک یک سیستم واحد هستند. وقتی زلزله رخ می‌دهد، تغییرشکل خاک روی ساختمان اثر می‌گذارد و حرکت ساختمان نیز دوباره به خاک نیرو وارد می‌کند. به این پدیده اندرکنش خاک و سازه گفته می‌شود. در ساختمانی که قبلاً دچار نشست نامتقارن شده، این موضوع اهمیت بیشتری پیدا می‌کند، چون سختی خاک زیر قسمت‌های مختلف فونداسیون دیگر یکسان نیست و سیستم از حالت متقارن خارج شده است. مقاله تأکید می‌کند که بی‌توجهی به SSI می‌تواند تحلیل عملکرد لرزه‌ای ساختمان نشست‌کرده را غیرواقعی کند.

مدل مفهومی اندرکنش خاک و سازه در ساختمانی که فونداسیون آن دچار نشست نامتقارن شده است

نشست نامتقارن چگونه در مدل ایجاد شد؟

هدف پژوهشگران این بود که ابتدا ساختمان دچار نشست شود و سپس در همان وضعیت تغییرشکل‌یافته تحت زلزله قرار گیرد. برای این منظور از روش Stage Construction استفاده شد. یعنی ابتدا وزن ساختمان به سیستم اعمال شد و اجازه داده شد خاک نرم‌تر در یک سمت بیشتر تغییرشکل دهد و نشست نامتقارن ایجاد شود. پس از آن، تحلیل زلزله از همان وضعیت موجود ادامه پیدا کرد. این نکته بسیار مهم است. ساختمان از حالت اولیه و بدون تنش وارد زلزله نمی‌شود. بلکه ابتدا نشست می‌کند، تغییرشکل و تنش‌های ناشی از نشست در آن باقی می‌ماند و بعد زلزله آغاز می‌شود. این دقیقاً همان چیزی است که در یک ساختمان واقعی نشست‌کرده اتفاق می‌افتد.

چه مقدار نشست در نظر گرفته شد؟ دو مقدار اصلی نشست نامتقارن در مدل‌ها بررسی شده است ۳۳ میلی‌متر و ۸۳ میلی‌متر. مقدار ۳۳ میلی‌متر نماینده حالت متوسط‌تر و ۸۳ میلی‌متر نماینده نشست شدیدتر بوده است.  نویسندگان اشاره می‌کنند که برای ساختمان مورد مطالعه، حدود مجاز نشست نامتقارن بر اساس معیارهای آیین‌نامه‌ای تقریباً بین ۵۴ تا ۶۰ میلی‌متر بوده است. بنابراین مقدار ۸۳ میلی‌متر عمداً بالاتر انتخاب شده تا اثر نشست قابل توجه بهتر دیده شود.

برای تحلیل لرزه‌ای، ده رکورد زلزله واقعی از پایگاه PEER انتخاب شد. شدت رکوردها در سه سطح تنظیم شد زلزله مکرر 0.07g، زلزله متوسط 0.2g و زلزله شدید یا نادر 0.4g. این کار اجازه داد بررسی شود اثر نشست در زلزله‌های ضعیف، متوسط و شدید چگونه تغییر می‌کند.

اولین اثر مهم، افزایش دریفت طبقات

یکی از مهم‌ترین شاخص‌های عملکرد لرزه‌ای ساختمان، نسبت دریفت بین طبقات است. اگر دریفت زیاد شود، احتمال آسیب تیرها، ستون‌ها، دیوارهای غیرسازه‌ای و اتصالات بیشتر می‌شود. نتایج مقاله نشان داد ساختمان دارای نشست نامتقارن، در بسیاری از حالت‌ها نسبت به ساختمان روی خاک سخت و بدون نشست دریفت بین‌طبقه‌ای بیشتری تجربه می‌کند. وقتی اندرکنش خاک و سازه نیز در نظر گرفته شد، افزایش دریفت در برخی مدل‌ها حتی بیشتر شد. این یعنی اگر ساختمان پس از نشست فقط تثبیت شود، نمی‌توان فرض کرد رفتار لرزه‌ای آن به وضعیت اولیه برگشته است.

تأثیر نشست نامتقارن و اندرکنش خاک و سازه بر افزایش دریفت طبقات در زلزله

نشست نامتقارن فقط باعث جابه‌جایی نمی‌شود، آسیب سازه‌ای هم افزایش پیدا می‌کند. نویسندگان برای بررسی میزان آسیب، تعداد و محل تشکیل مفاصل پلاستیک در تیرها و ستون‌ها را بررسی کردند. نتیجه نشان داد ساختمان دارای نشست نامتقارن نسبت به ساختمان دارای نشست یکنواخت، در مجموع مفاصل پلاستیک بیشتری تشکیل می‌دهد. این یعنی بخشی از ظرفیت غیرخطی سازه زودتر وارد مدار می‌شود. همچنین محل آسیب تصادفی نبود. مفاصل پلاستیک ابتدا در تیرهای نزدیک ناحیه نشست ظاهر شدند و سپس با افزایش شدت زلزله به طبقات بالاتر و در نهایت به ستون‌ها گسترش پیدا کردند. وقتی مفاصل پلاستیک ستون‌ها به حالت بحرانی رسیدند، سازه به سمت ناپایداری و فروریزش پیش رفت.

چرا این نتیجه برای ساختمان تثبیت‌شده مهم است؟

فرض کنیم نشست ساختمان متوقف شده باشد. ممکن است مالک تصور کند چون دیگر نشست ادامه ندارد، مشکل سازه‌ای نیز تمام شده است. اما مقاله نشان می‌دهد نشست قبلی می‌تواند قبل از زلزله، توزیع نیرو و تغییرشکل در سازه را عوض کرده باشد. وقتی زلزله شروع می‌شود، ساختمان از یک وضعیت کاملاً سالم و بدون تغییرشکل آغاز نمی‌کند. در نتیجه برخی تیرها و ستون‌ها ممکن است سریع‌تر وارد محدوده غیرخطی شوند.


افزایش تشکیل مفاصل پلاستیک در ساختمان دارای نشست نامتقارن تحت اثر زلزله

یکی از مهم‌ترین اثرها، ایجاد پیچش ساختمان است. مهم‌ترین یافته مقاله برای مخاطب عمومی همین بخش است. ساختمان مورد مطالعه در حالت اولیه پلان منظمی دارد. اما وقتی یک سمت فونداسیون بیشتر از سمت دیگر نشست می‌کند، پاسخ ساختمان دیگر متقارن نیست. نتیجه ساختمان هنگام زلزله وارد رفتار پیچشی می‌شود. در ساختمان‌های دارای نشست یکنواخت، زاویه پیچش تقریباً ناچیز بود. اما در ساختمان دارای نشست نامتقارن، زاویه پیچش به شکل قابل توجهی افزایش یافت. با افزایش شدت زلزله نیز مقدار پیچش بیشتر شد. این مسئله از نظر مهندسی اهمیت زیادی دارد، چون پیچش می‌تواند باعث شود ستون‌ها و قاب‌های یک سمت ساختمان نیروهای بیشتری نسبت به سمت دیگر تحمل کنند.

یک ساختمان منظم می‌تواند بعد از نشست، از نظر لرزه‌ای نامنظم شود. این شاید مهم‌ترین برداشت عملی از مقاله باشد. ممکن است ساختمانی در زمان طراحی کاملاً متقارن و منظم باشد. اما اگر بخشی از فونداسیون نشست کند، هندسه و شرایط تکیه‌گاهی تغییر می‌کند و سازه دیگر همان سازه اولیه نیست. بنابراین نشست نامتقارن می‌تواند یک ساختمان منظم را از نظر رفتار لرزه‌ای به ساختمان نامنظم تبدیل کند. این نکته در ارزیابی ساختمان‌های کج‌شده اهمیت زیادی دارد.

افزایش پیچش طبقات در ساختمان دارای نشست نامتقارن تحت اثر زلزله

دوره طبیعی ساختمان هم تغییر می‌کند. دوره طبیعی یکی از مهم‌ترین مشخصات دینامیکی ساختمان است.

وقتی سختی سیستم تغییر می‌کند، دوره طبیعی نیز تغییر می‌کند. نتایج مقاله نشان داد با لحاظ SSI، دوره طبیعی ساختمان افزایش می‌یابد. همچنین با افزایش مقدار نشست نامتقارن، دوره طبیعی نیز بیشتر می‌شود. این نتیجه مهم است، چون نیروهای زلزله به دوره طبیعی ساختمان وابسته‌اند. بنابراین وقتی ساختمان نشست می‌کند مشخصات دینامیکی آن می‌تواند نسبت به زمان طراحی تغییر کند. به همین دلیل، اگر ساختمان کج‌شده قرار است بدون شاقول‌سازی باقی بماند و فقط تثبیت و مقاوم‌سازی شود، تحلیل لرزه‌ای باید بر اساس هندسه و شرایط فعلی ساختمان انجام شود.

تغییر دوره طبیعی ساختمان در اثر نشست نامتقارن و اندرکنش خاک و سازه

خاک نرم چه تأثیری دارد؟ یکی دیگر از نتایج مهم مقاله این است که نوع خاک نقش زیادی در رفتار ساختمان دارد. وقتی سختی خاک کاهش می‌یابد، حرکت فونداسیون افزایش پیدا می‌کند. در نتیجه اثر اندرکنش خاک و سازه روی پاسخ لرزه‌ای نیز بیشتر می‌شود. مدل‌ها نشان دادند خاک نرم در زلزله تغییرشکل بیشتری نسبت به خاک سخت دارد و این اختلاف با افزایش شدت زلزله بیشتر می‌شود. بنابراین دو ساختمان با میزان کجی مشابه، ولی روی دو نوع خاک متفاوت، الزاماً رفتار لرزه‌ای مشابهی ندارند.

آیا هرچه نشست بیشتر باشد، خطر زلزله همیشه به همان نسبت بیشتر می‌شود؟

نه کاملاً. مقاله یک نکته جالب دارد. اثر SSI روی افزایش دریفت ساختمان با افزایش مقدار نشست، همیشه به صورت خطی و یکنواخت افزایش پیدا نمی‌کند. در بعضی حالات، نشست بسیار بزرگ رفتار خاک و سازه را به گونه‌ای تغییر می‌دهد که رابطه ساده «نشست بیشتر = افزایش متناسب پاسخ لرزه‌ای» برقرار نیست. این نکته مهم است، چون نشان می‌دهد نمی‌توان فقط با اندازه‌گیری مقدار کجی یا اختلاف نشست درباره ایمنی ساختمان تصمیم گرفت.

رفتار واقعی باید با تحلیل سازه، خاک و فونداسیون بررسی شود.

آیا تثبیت نشست به تنهایی کافی است؟

این مقاله مستقیماً یک پروژه مقاوم‌سازی را بررسی نمی‌کند، بنابراین نمی‌توان از آن نتیجه گرفت که در هر ساختمان، تثبیت به تنهایی کافی یا ناکافی است. اما چیزی که با اطمینان از نتایج آن می‌توان گفت این است متوقف کردن نشست، آثار قبلی نشست را به طور خودکار از بین نمی‌برد. نشست نامتقارن می‌تواند باعث باقی ماندن تغییر هندسه ساختمان ، تغییر توزیع سختی، افزایش دریفت لرزه‌ای، افزایش پیچش، تشکیل بیشتر مفاصل پلاستیک، و تغییر دوره طبیعی شود. بنابراین اگر تصمیم گرفته شود ساختمان شاقول نشود و فقط تثبیت شود، باید عملکرد سازه در وضعیت واقعی موجود ارزیابی شود.

پس اگر شاقول‌سازی انجام نشود چه باید کرد؟

بر اساس منطق این مقاله، مسیر منطقی چنین است. ابتدا باید مطمئن شد نشست دیگر ادامه پیدا نمی‌کند. بعد هندسه واقعی ساختمان، میزان کجی، ترک‌ها و تغییرشکل اعضا برداشت شود. سپس مدل سازه‌ای بر اساس وضعیت فعلی ساختمان، نه نقشه اولیه ساخت تهیه شود. اثرات نشست قبلی باید در تحلیل وارد شود. در مناطق لرزه‌خیز، تحلیل زلزله با در نظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه می‌تواند ضروری باشد. و در صورت مشاهده ضعف، مقاوم‌سازی اعضای سازه‌ای انجام شود. این بخش آخر برداشت مهندسی از نتایج مقاله است و خود مقاله طرح مقاوم‌سازی مشخصی ارائه نمی‌کند.

تفاوت نشست یکنواخت و نشست نامتقارن

یکی از نتایج بسیار واضح مقاله این است که نشست یکنواخت به مراتب کم‌خطرتر از نشست نامتقارن است. در مدل‌های دارای نشست یکنواخت، پیچش بسیار کم بود و حتی پس از نشست، مفاصل پلاستیک ناشی از خود نشست مشاهده نشد. اما در نشست نامتقارن، هم آسیب سازه‌ای و هم رفتار پیچشی افزایش پیدا کرد. این همان دلیل اصلی است که در ارزیابی ساختمان‌ها، صرفاً مقدار نشست مطلق کافی نیست. ممکن است یک ساختمان ۱۰ سانتی‌متر نشست کرده باشد ولی تقریباً یکنواخت باشد و ساختمان دیگری فقط ۴ سانتی‌متر اختلاف نشست داشته باشد، اما دومی از نظر سازه‌ای مسئله جدی‌تری ایجاد کند.

مهم‌ترین نتیجه مقاله

جمع‌بندی نویسندگان بسیار روشن است. وقتی ساختمان دارای نشست نامتقارن است و اندرکنش خاک و سازه نیز در تحلیل وارد می‌شود. دریفت طبقات افزایش پیدا می‌کند. مفاصل پلاستیک بیشتری ایجاد می‌شود. پیچش ساختمان افزایش می‌یابد. دوره طبیعی سازه تغییر می‌کند. و در مجموع تقاضای لرزه‌ای سازه افزایش پیدا می‌کند. نویسندگان همچنین هشدار می‌دهند که نادیده گرفتن تغییرشکل فونداسیون انعطاف‌پذیر می‌تواند باعث کم‌برآورد کردن یا حتی ارزیابی نادرست آسیب سازه‌ای شود.

جمع‌بندی

نشست نامتقارن فونداسیون فقط باعث کج شدن ساختمان نمی‌شود. حتی اگر فرآیند نشست بعداً متوقف شود، تغییراتی که قبلاً در ساختمان ایجاد شده‌اند می‌توانند روی رفتار آن در زلزله باقی بمانند. این مطالعه روی یک ساختمان بتن‌آرمه ۶ طبقه نشان داد که در حضور نشست نامتقارن دریفت طبقات بیشتر می‌شود، مفاصل پلاستیک بیشتری تشکیل می‌شود، رفتار پیچشی افزایش پیدا می‌کند و دوره طبیعی ساختمان  تغییر می‌کند. این آثار با در نظر گرفتن اندرکنش خاک و سازه می‌توانند شدیدتر شوند. بنابراین توقف نشست و ایمنی لرزه‌ای دو موضوع متفاوت هستند. ممکن است نشست ساختمان کاملاً تثبیت شده باشد، اما هنوز لازم باشد بررسی شود که ساختمان در وضعیت کج‌شده فعلی، ظرفیت کافی برای تحمل زلزله دارد یا خیر. در بعضی ساختمان‌ها ممکن است تثبیت فونداسیون به تنهایی کافی باشد. در برخی دیگر، تثبیت همراه با مقاوم‌سازی سازه می‌تواند راهکار مناسب باشد. و در ساختمان‌هایی که میزان کجی یا تغییرشکل قابل توجه است، ممکن است شاقول‌سازی نیز بخشی از راهکار اصلاحی باشد. تشخیص بین این گزینه‌ها باید بر اساس تحلیل وضعیت واقعی هر ساختمان انجام شود، نه صرفاً بر اساس اینکه نشست متوقف شده است.