سوپرفریم R.C، فناوری نوین برای مقابله با زلزله
دکتر علی کمک پناه
عضو هیأت علمی دانشگاه تربیت مدرس
ساختمان مسکونی از نظر اسکلت باید نه تنها مقاوم در برابر نیروهای زلزله ساخته شود، بلکه باید دارای دوام لازم در مدت زمان پیش‌بینی شده برای بهره‌برداری از آن نیز باشد. اگرچه از نظر کارکرد اقتصادی می‌توان بخش‌هایی از ساختمان را از مصالح سبک بنا نمود، اما اسکلتی که بتواند کارکرد درست داشته باشد معمولاً وزن قابل ملاحظه‌ای از ساختمان را به خود اختصاص می‌دهد. با افزایش ارتفاع و به تبع آن نیروهای حاصل از زلزله مقاطع باربر ساختمان بسیار بزرگ شده و تکان‌های ناشی از نیروی زلزله، در طبقات فوقانی شدید میشود (شتاب و تغییر مکانهای بیشتر از حد مجاز). برای اجتناب از این مسائل، روشی تحت عنوان سوپرفریم R.C برای اسکلت ساختمان، در کشور ژاپن، ابداع شده و به عنوان جدیدترین فناوری به مورد اجرا گذاشته شده است. با توجه به امکان انطباق و اجرای این روش با پتانسیل‌های موجود در داخل کشور، روش سوپرفریم به عنوان یک روش اقتصادی و فنی جهت اجرای ساختمان برج مسکونی پردیسان تبریز انتخاب شده است.
پیشگفتار
با توجه به قرار گرفتن کشور ما بر روی کمربند زلزله آلپ – هیمالیا، سالانه تعداد قابل ملاحظه‌ای زلزله در آن رخ می‌دهد. براساس آمار موجود، تقریباً همه ساله، یک زلزله با بزرگی بیش از ۶ ریشتر و، در هر چند سال، یک زلزله مخرب بزرگتر از ۷ ریشتر، در کشور، رخ می‌دهد. این مسأله نشان می‌دهد که توجه کردن به پایداری ساختمان، در برابر زلزله، یک ضرورت اصلی است. اگرچه در سال‌های اخیر بلند مرتبه‌سازی در کشور رونق فراوانی یافته است، اما اغلب، روش ساخت به صورت سنتی انجام پذیرفته و تنها با بزرگ کردن ابعاد یک ساختمان سنتی دو یا سه طبقه اقدام به ساخت بناهای بیست طبقه و یا بلندتر شده است. واضح است که، با تکیه بر روشهای سنتی، نمی‌توان ساختمان بلندی که در برابر زلزله‌های مخرب مقاوم باشد، ساخت.
حتی اگر کلیه ضوابط آیین‌نامه زلزله از نظر طراحی و محاسبات رعایت شده باشد، با اجرای سنتی و دخالت انسان در اجزای مقاوم کننده ساختمان همانند بتن‌ریزی‌ها و جوشکاری‌ها هرگز نمی‌توان به یک سازه مناسب دست پیدا کرد.
ساختمان حتی اگر در محدوده کوچکی اشکال اجرایی داشته باشد، در زمان وقوع زلزله از آن ناحیه، آسیب‌دیده و خرابی به سایر نقاط سرایت خواهد نمود. فناوری‌های نو تلاش میکنند تا دخالت انسان را در حین ساختن به حداقل رسانده و با صنعتی کردن اجرا، یک ساختمان همگن و مطمئن بنا نمایند.
یکی از روشهای مدرن و مناسب برای کشور ما روش سوپرفریم R.C است که در سال‌های اخیر، به خصوص پس از وقوع زلزله مخرب کوبه در کشور ژاپن، ابداع شده و هم اکنون ساختمانهای بلند مسکونی زیادی را با آن روش به مورد اجرا می‌گذارند. در این روش ضمن کاهش مقاطع باربر، با پیش‌ساخته نمودن ستون‌ها و همچنین کنترل حرکات ساختمان در حین زلزله و جذب انرژی به وسیله میراگرهای هیدرومکانیکی، یک ساختمان مطمئن از نظر رفتار در برابر نیروها و بسیار مناسب برای سکونت ساخته میشود.
ساختمان فلزی یا بتن آرمه
در کشور ژاپن ترجیح می‌دهند که ساختمانهای مسکونی را با اسکلت بتن آرمه بنا کنند. اسکلت فلزی بیشتر برای اجرای ساختمانهای اداری و تجاری، ایستگاه‌ها و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد. دلیل انتخاب اسکلت بتن آرمه، را برای ساختمانهای مسکونی، می‌توان به شرح زیر بیان نمود:
ساختمانهای بتن آرمه اغلب ارزان‌تر از ساختمانهای فلزی ساخته می‌شوند.
ساختمانهای بتن آرمه در مقابل سوانح آتش‌سوزی و انفجار دوام بیشتری دارند.
در ساختمانهای بتن آرمه، انتقال صوت بین طبقات (با توجه به اهمیت آن به خصوص در کاشانه‌های مسکونی) کمتر است.
با توجه به هماهنگی مناسب بین اجزای جذب کننده نیروهای زلزله و اسکلت (با قراردادن دیوار برشی) رفتار ساختمان مناسب‌تر خواهد بود.
توصیه‌های طراحی و ساخت
اغلب آیین‌نامه‌های زلزله برای ساختن بناهای مقاوم در برابر زلزله توصیه‌هایی را ارائه می‌نمایند. ابداع هرنوع فناوری باید این توصیه‌ها را در برگیرد :
پلان ساختمان به شکل ساده و متقارن در دو امتداد عمود بر هم و بدون پیش‌آمدگی و پس‌رفتگی زیاد باشد و از ایجاد تغییرات نامتقارن پلان در ارتفاع ساختمان نیز احتراز شود.
عناصری که بارهای قائم را تحمل می‌نمایند در طبقات مختلف بر روی هم قرار داده شوند تا انتقال بار این عناصر به یکدیگر با واسطه عناصر افقی صورت نگیرد.
عناصری که نیروهای افقی ناشی از زلزله را تحمل میکنند موکداً طوری طراحی شوند که انتقال نیروها به سمت شالوده به طور مستقیم انجام شود و عناصری که با هم کار میکنند در یک صفحه قائم قرار داشته باشند.
برای کاهش نیروهای پیچشی ناشی از زلزله، مرکز جرم هر طبقه بر مرکز سختی آن طبقه منطبق و یا فاصله آنها در هریک از امتدادهای ساختمان از ۵ درصد بعد ساختمان در آن امتداد کمتر باشد.
از احداث طره‌های بزرگتر از ۱٫۵ متر حتی‌المقدور احتراز شود.
از ایجاد سوراخ‌های بزرگ و مجاور یکدیگر در دیافراگم‌های کفها خودداری شود.
با به کار بردن مصالح سازه‌ای با مقاومت زیاد و مصالح غیرسازه‌ای سبک، وزن ساختمان به حداقل رسانده شود.
ساختمان و اجزای آن به نحوی طراحی گردد که دارای شکل‌پذیری مناسب باشند.
ساختمان به نحوی طراحی گردد که عناصر قائم (ستون‌ها) دیرتر از عناصر افقی (تیرها) دچار خرابی شوند.
اعضای غیرسازه‌ای، به خصوص دیوارهای داخلی و نماها، طوری اجرا شوند که حتی‌الامکان مزاحمتی برای حرکت اعضاء سازه‌ای در جریان زلزله ایجاد نکنند. در غیر این‌صورت اثر اندرکنش این اعضا با سیستم سازه‌ای باید در تحلیل سازه در نظر گرفته شود.
اعضاء و قطعات غیرسازه‌ای، به خصوص قطعات نما و شیشه‌ها، آن‌چنان طراحی و اجرا شوند که در هنگام وقوع زلزله از سازه جدا نشده و با فرو ریختن خود ایجاد خسارات احتمالی جانی و مالی نمایند.
روش ابداعی سوپرفریم نه تنها توصیه‌های مذکور را در نظر می‌گیرد بلکه با ملحوظ نمودن انواع توصیه‌های ایمنی دیگر مانند آتش‌سوزی و انفجار و … مسائل جدیدی را از دید اجرای بخش‌های تأسیساتی در نظر گرفته دارد تا علاوه بر دسترسی آسان به کلیه بخش‌های تأسیساتی، هرگونه تعمیر و تعویض در آنها بدون ایجاد مزاحمت، برای سایر همسایه‌ها، عملی شده و همه دسترسی‌ها از داخل خود واحدها صورت گیرد.
اجزای اصلی سازه سوپرفریم R.C
با تشریح اسکلت یک ساختمان اجرا شده، به روش سوپرفریم، می‌توان به نحوه کارکرد آن پی برد. بخش‌های باربر ساختمان ازشش جزء تشکیل شده است. این اجزای را می‌توان به صورت زیر تشریح نمود:
۱٫ سوپروال
سوپروال یا دیوار برشی مرکزی هسته اصلی باربر نیروهای قائم و به خصوص نیروهای زلزله می‌باشد که با مقطع I شکل اجرا میشود. این دیوار برشی، که در هسته ساختمان قرار می‌گیرد، از بخش پایین بر روی فونداسیون قرار گرفته و در بخش بالای خود به سوپربیم منتهی میشود. دیوار برشی به صورت بتن در جا، اجرا می‌گردد که بتن آن در بخش‌های پایین بتن با مقاومت بالاست. با در نظر گرفتن شکل‌پذیری ساختمان، مقاومت بتن سوپروال از ۶۰ نیوتن بر میلیمترمربع در بالای فونداسیون به مرور به مقدار ۳۶ نیوتن بر میلیمترمربع در بخش بالایی آن کاهش می‌یابد. آرایش میلگرد آن براساس انجام آزمایش‌هایی، بر روی قطعات مدل، طراحی شده است. از نظر اجرایی، سوپروال همیشه دو طبقه جلوتر از اجرای کفها پیش می‌رود تا وقفه‌ای در کار ایجاد نشود. شبکه میلگردهای این بخش، به دلیل سنگینی زیاد در سطح زمین ساخته شده و به وسیله جرثقیل برجی در محل خود نصب میشود. جرثقیل برجی باید حداقل قادر به جابجایی ۱۰ تن بار باشد.
۲٫ ستون‌های اتصالی
در طرح سوپرفریم، در هریک از نماهای ساختمان دو ستون اتصالی و جمعاً به تعداد هشت عدد، اجرا می‌گردد. این ستون‌ها که بزرگ‌ترین مقطع (ستون) را در ساختمان دارند (مقطع ۱/۱ * ۱/۱ متر) به دلیل قرار گرفتن در نمای ساختمان، فضای داخلی را اشغال نمی‌کنند. وظیفه اصلی این ستون‌ها، انتقال نیروی زلزله از بالای ساختمان بر روی پی می‌باشد. این ستون‌ها به صورت پیش‌ساخته در سطح کارگاه ساخته می‌شوند. با توجه به اهمیت آنها در محافظت ساختمان از تصادم اشیای خارجی در حین بهره‌برداری و با عنایت به کارکرد آنها، کنترل کاملاً دقیقی بر روی قطعات پیش‌ساخته انجام میشود و اگر بتن ستونی مناسب نبوده باشد آن ستون از رده خارج میشود. مقاومت بتن در این ستون‌ها نیز به صورت هماهنگ با سوپروال از ۶۰ تا ۳۶ نیوتن بر میلیمترمربع متغیر است.
۳٫ لوازم جذب انرژی (میراگرها)
یک ساختمان بلند باید در مقابل تکان‌های شدید ناشی از زمین‌لرزه رفتار کاملاً پیش‌بینی شده‌ای را داشته باشد. قراردادن لوازم جذب انرژی اگرچه از حدود ۳۰ سال پیش در دنیا رواج پیدا کرده است، اما گذاشتن نوع خاصی از آنها در بالای ساختمان، تنها در تکنیک سوپرفریم استفاده میشود. لوازم جذب انرژی که همانند یک کمک فنر بسیار بزرگ عمل میکنند رفتار ساختمان را کنترل کرده و سطح تنش‌ها را به میزان قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌دهند. در ساختمان سوپرفریم با ارتفاع ۳۳ طبقه تعداد ۳۲ عدد از آنها که چهار عدد بر روی هر ستون اتصالی قرار می‌گیرد نصب خواهد شد. بنابراین در هنگام وقوع زلزله، نیروهای حاصل از زلزله بر دیافراگم‌های هر طبقه اثر کرده و نیروها به سوپروال منتقل میشود. سوپروال با جذب نیروها تغییر مکان‌ها را به بالاترین نقطه ساختمان منتقل میکند. تغییر مکان‌ها به چهار عدد سوپربیم که در بالای سوپروال قرار می‌گیرند منتقل شده و از طریق آنها به لوازم جذب انرژی انتقال می‌یابند. این لوازم هم به صورت فشاری و هم کششی عمل کرده و نیروهای زلزله را پس از کاهش دادن بر روی ستون‌های اتصالی منتقل میکنند و همان‌طور که ذکر شد، نیروها سپس از طریق ستون‌های اتصالی به صورت قائم بر روی پی منتقل می‌شوند.
۴٫ سوپربیم
در بالاترین بخش اسکلت ساختمان چهار عدد تیر با مقطع بزرگ (۰۰/۱ * ۰۰/۴ متر) بر بالای سوپروال قرار می‌گیرند که تغییر مکانهای آنرا به لوازم جذب انرژی منتقل می‌نمایند. این تیرها کارکرد بسیار حساسی را در هنگام وقوع زلزله و یا برخورد یک شیء خارجی به ساختمان از خود نشان می‌دهند.
۵٫ ستون‌های ساده
ساختمان با سوپرفریم، فری پلان (Free Plan) نیز نامیده میشود واین بدان معنا است که به دلیل مسطح بودن کفها و عدم وجود ستون‌های میانی زیاد (تنها یک ستون میانی در یک کاشانه ۲۳۵ مترمربع وجود دارد) می‌توان هر نوع پلان دلخواه را در هر طبقه پیاده نمود. درحقیقت نه تنها تکنیک سوپرفریم، از منظر سازه‌ای، آخرین دستاورد به شمار می‌رود بلکه این تکنیک، از نظر معماری، نیز به آخرین دستاوردها متکی است یعنی ” ما باید خودمان را با سلیقه استفاده‌کنندگان تطبیق دهیم “.
۶٫ دیافراگم‌ها
کلیه کف‌سازی‌ها به صورت دال دیافراگمی اجرا شده و تنها یک تیر میانی از تقاطع دال‌ها در دو تراز مختلف و با اختلاف ۳۰ سانتی‌متر شکل می‌گیرد. این کفها به صورت کاملا مشخص نیروهای زلزله طبقات را به هسته مرکزی (سوپروال) منتقل می‌نمایند.این نوع کفها ارجحیت زیادی دارد، به طوری‌که عدم وجود تیرهای با ارتفاع زیاد انعطاف در پلان را زیاد میکند و در نتیجه سقف‌ها مزاحمتی برای اجرای تأسیسات ایجاد نکرده و ساختمان را برای شرایط (Free Plan)مهیا می‌سازد. در طراحی سقف‌ها که به صورت دال اجرا می‌شوند دو سطح با اختلاف ۳۰ سانتی‌متر در نظر گرفته شده است. بخش‌های داخلی که سرویس‌ها و آشپزخانه و غیره بر روی آن قرار می‌گیرند ۳۰ سانتی‌متر پایین‌تر از کف اتاق‌ها و سایر قسمت‌ها اجرا می‌گردند. از این بخش کلیه خطوط لوله آب و فاضلاب و گاز واحدها عبور داده میشود که با اجرای کف کاذب در مواقع اضطراری می‌توان از داخل هر واحد به لوله‌ها دسترسی پیدا کرد.
کلیه خطوط برق، تلفن و تهویه مطبوع در زیر سقف‌ها به آن متصل می‌شوند و یک سقف کاذب کم وزن روی آنها را می‌پوشاند.
سایر موارد فنی
موارد فنی متعددی در ساختمان شده است. به طورکلی نه تنها ستون‌ها بلکه دیوارهای نما به همراه اجزای نماسازی آنها به صورت پیش‌ساخته اجرا می‌شوند. ستون‌ها که به طور عمده برای حمل نیروهای قائم عمل میکنند در کنار کارگاه به صورت خوابیده اجرا می‌شوند تا در زمان مقرر به وسیله جرثقیل در جای خود نصب گردند. دیوار برشی با استفاده از قالب لغزنده اجرا میشود. معمولاً با تعبیه مناسب به صورت قائم و با قرار دادن یک آسانسور ساده می‌توان در کنار کارگاه میلگردها را با ارتفاع ۱۲ متر آماده نموده و سپس به وسیله جرثقیل برجی آنرا به بخش‌های لازم منتقل نمود.
کلیه ارتباطات قائم ساختمان از نظر مسیر خطوط اصلی، راه پله‌ها و آسانسورها در جوار دیوار برشی ساخته می‌شوند.
معمولاً می‌توان در زمان اجرای طبقه هشتم، طبقه همکف را از نظر تأسیسات و نازک کاری به اتمام رساند. اجزای جدا کننده به صورت دیوارهای گچی پوسته‌ای پیش‌ساخته (درای وال) نصب می‌شوند. بر روی کفها یک لایه سه‌لایی به ضخامت حدود ۲۰ میلی‌متر نصب شده و کف‌پوش‌ها بر روی آن اجرا می‌گردند.
قالب‌بندی سقف‌ها به دلیل یکنواخت بودن آنها به صورت قالب‌های سبک فلزی بوده که سریعاً قابل باز و بسته کردن هستند.
