مقاوم سازی ساختمان های فولادی با استفاده از دیوارهای برشی بتنی پیش ساخته و ارزیابی تاثیر آن بر پایداری لرزه ای

ساختمان های فولادی قدیمی به دلیل طراحی بر اساس استانداردهای لرزه ای قدیمی اغلب در برابر زلزله های شدید آسیب پذیر هستند و نیاز به مقاوم سازی دارند. این پژوهش با هدف بررسی تاثیر استفاده از دیوارهای برشی بتنی پیش ساخته بر مقاوم سازی ساختمان های فولادی و ارزیابی پایداری لرزه ای آن ها انجام شد تا ضمن بهبود رفتار لرزه ای هزینه ها و اثرات زیست محیطی کاهش یابد. برای این منظور، یک ساختمان فولادی ۵ طبقه با قدمت ۳۰ سال که در منطقه ای با خطر زلزله بالا و شتاب اوج ۰.۳۵g قرار داشت، به عنوان مدل مطالعاتی انتخاب شد. این سازه دارای مهاربندهای همگرا بود اما به دلیل سختی ناکافی، جابجایی نسبی طبقات آن تحت زلزله از حد مجاز فراتر می رفت؛ مقاوم سازی با نصب ۸ دیوار برشی بتنی پیش ساخته با ضخامت ۲۰ سانتیمتر و مقاومت فشاری ۳۰ مگا پاسکال در گوشه های پلان انجام شد. دیوارها با اتصالات پیچ و جوش به اسکلت متصل شدند و برای کاهش ردپای کربن از ۲۰ درصد سرباره کوره در بتن استفاده شد. تحلیل های عددی با نرم افزار SAP۲۰۰۰ انجام شد و مدل تحت زلزله ای با شتاب اوج ۰.۳۵۴ و شتاب نگاشت زلزله منجیل قرار گرفت. نتایج نشان داد که جابجایی نسبی طبقات از ۱.۳ درصد به ۰.۱۴ درصد کاهش یافت که بهبود ۵۵ درصدی را نشان می دهد و سازه را در محدوده ایمن استاندارد ۲۸۰۰ قرار داد. ظرفیت باربری جانبی ۳۳ درصد افزایش یافت و نیروی برشی پایه از ۱۲۰۰ کیلونیوتن به ۱۶۰۰ کیلونیوتن رسید. جذب انرژی لرزه ای نیز ۵۱ درصد بهبود یافت و از ۴۵۰ کیلوژول به ۶۸۰ کیلوژول رسید؛ که به دلیل رفتار هیسترزیس پایدار دیوارها بود. تنش در اتصالات در محدوده ایمن کمتر از ۲۴۰ مگاپاسکال قرار داشت و پس از تقویت جوش ها، از ۲۳۰ مگاپاسکال به ۱۹۰ مگاپاسکال کاهش یافت. افزایش بار مرده ناشی از دیوارها ۳۸۴۰۰ کیلوگرم و نشست فونداسیون را از ۱۲ میلی متر به ۱۴ میلی متر افزایش داد که همچنان در محدوده مجاز بود اما نیاز به تقویت فونداسیون با شمع های بتنی به طول ۱۰ متر را ایجاد کرد. از منظر زیست محیطی تولید دیوارها ۲۶۰۰۰ کیلوگرم دی اکسید کربن منتشر کرد اما استفاده از سرباره کوره این مقدار را ۱۵ درصد کاهش داد. از منظر اقتصادی هزینه مقاوم سازی ۴۰۰ میلیون تومان بود که ۳۳ درصد کمتر از روش های دیگر مانند مهاربندهای BRB بود، و زمان اجرا را از ۴ ماه به ۲.۵ ماه کاهش داد. با این حال چالش هایی مانند افزایش بار مرده، نیاز به تخصص بالا در اجرای اتصالات و تاثیرات زیست محیطی تولید بتن وجود داشت. برای مثال نصب دیوارها ۵ متر مربع از فضای مفید را کاهش داد و تقویت فونداسیون ۱۵۰ میلیون تومان هزینه اضافی داشت. این مقاله نشان داد که دیوارهای برشی پیش ساخته می توانند راهکاری موثر و اقتصادی برای مقاوم سازی ساختمان های فولادی در مناطق زلزله خیز باشند. برای تحقیقات آینده پیشنهاد می شود از بتن های بازیافتی برای کاهش ردپای کربن استفاده شود، تاثیر این روش در برابر زلزله های شدیدتر بیش از ۵g بررسی گردد و اتصالات پیشرفته تر (مانند سیستم های مدولار) برای بهبود کیفیت و کاهش زمان اجرا توسعه یابد. این روش می تواند به عنوان یک راهکار استاندارد در شهرهایی مانند تهران و تبریز که دارای ساختمان های فولادی قدیمی هستند به کار گرفته شود و به افزایش ایمنی و توسعه پایدار کمک کند.

کلیدواژه ها:

مقاوم سازی ، ساختمان های فولادی ، دیوار برشی پیش ساخته ، پایداری لرزه ای