طبقه نرم و دلایل ایجاد آن

مقدمه

طبقه نرم مطابق تعریف آیین‌نامه ۲۸۰۰ ایران، طبقه‌ای است که سختی جانبی آن کمتر از ۷۰ درصد سختی جانبی طبقه روی خود و یا کمتر از ۸۰ درصد متوسط سختی‌های سه‌طبقه روی خود است.
ساختمان با طبقه نرم، به ساختمان‌هایی می‌گویند که طبقات پایینی آنها سختی بسیار کمتری از طبقات بالایی آنها داشته باشند. این ساختمان‌ها به دلیل داشتن تعداد زیادی دهانه آزاد در طبقات پایینی در برابر زلزله بسیار آسیب‌پذیر هستند.

طبقه نرم پدیده‌ای است که با برداشتن تیغه‌ها و دیوارهای یک‌طبقه از یک ساختمان به وجود می‌آید که این طبقه در مقابل طبقات بالایی، دارای یکنواختی، نظم و تکرار دیوارها نمی‌باشد. این امر موجب می‌گردد که طبقه مذکور در مقابل بارهای جانبی به‌عنوان ضعیف‌ترین طبقه، کمترین مقاومت را داشته و عملکردی ضعیف از خود نشان دهد.

1. طبقه نرم

ساختمان با طبقه نرم، به ساختمان‌هایی می‌گویند که طبقات پایینی آنها سختی بسیار کمتری از طبقات بالایی آنها داشته باشند. این ساختمان‌ها به دلیل داشتن تعداد زیادی دهانه آزاد در طبقات پایینی، در برابر زلزله بسیار آسیب‌پذیر هستند. دلیل ساخت تعداد زیاد دهانه آزاد در طبقات پایینی معمولاً ایجاد فضای مناسب برای پارکینگ اتومبیل‌ها و یا ایجاد کاربری‌های تجاری (‌چیزی که در ساختمان‌های بنایی زلزله بم مشهود بود) و یا در مواردی این موضوع به دلیل پنجره‌های بزرگ در طبقه پایین ایجاد می‌شود.

چنین ساختمان‌هایی بیشتر در مقابل نیروهای جانبی آسیب‌پذیر خواهند بود. زمانی که طبقه‌پایینی تخریب می‌شود، طبقات بالایی به‌صورت ساندویچی بر روی آن می‌ریزند و سقف‌ها بر روی‌هم قرار گرفته که باعث له‌شدن ساکنین زیر بار سقف می‌شود. طبقات نرم باید حداقل ۸۰% مقاومت طبقات بالایی خود را داشته باشند که البته این مقدار برابر است با ۶۰۰% مقاومت لازم برای ساختمان‌های جدید.

2. برخی از دلایل ایجاد طبقه نرم‌

• این ساختمان‌ها به دلیل داشتن تعداد زیادی دهانه آزاد در طبقات پایینی، ارتفاع زیاد ستون‌ها در برابر زلزله بسیار آسیب‌پذیر هستند.
• در بعضی از موارد ممکن است به علت ملاحظات معماری، در یک‌طبقه از سازه، دیوار برشی بتنی یا مهاربند فولادی موجود در یک یا چند دهانه را حذف نموده، و یا در دیوار برشی یک‌طبقه بازشو ایجاد شود، و یا تیرها را ضعیف‌تر از طبقات بالاتر طراحی کنند که این موارد باعث کاهش سختی آن طبقه نسبت به طبقات دیگر می‌شود.
• توجه داشته باشید که بین سختی و تغییر مکان رابطه معکوس برقرار است؛ بدین معنا که هرچه سختی یک‌طبقه کم‌تر باشد، تغییر مکان آن بیش‌تر خواهد شد و در نتیجه هنگام زلزله در ساختمان‌هایی که سختی یک‌طبقه به واسطه حذف مهاربند و یا دیوار برشی نسبت به طبقات دیگر کاهش پیدا کرده و شاهد خراب شدن آن طبقه هستیم.
• اگر سختی طبقات ساختمان در ارتفاع (ارتفاع زیاد ستون‌ها در طبقه) به‌صورت مناسبی توزیع نشود در این صورت، تغییر مکان نیز در ارتفاع به‌صورت نامتناسب توزیع شده و بنابراین، طبقه‌ای که سختی کم‌تری دارد، به علّت تغییر مکان زیاد، دچار خرابی شده و طبقات دیگر به‌صورت تلسکوپی روی آن طبقه آوار می‌شوند.
• در مواردی پدیده طبقه نرم با برداشتن تیغه‌ها و دیوارهای یک‌طبقه از یک ساختمان به وجود می‌آید که این طبقه در مقابل طبقات بالایی، دارای یکنواختی، نظم و تکرار دیوارها نمی‌باشد.
• این امر موجب می‌گردد که طبقه مذکور در مقابل بارهای جانبی به‌عنوان ضعیف‌ترین طبقه، کمترین مقاومت را داشته و عملکردی ضعیفی از خود نشان دهد که به این موضوع در بازسازی ساختمان‌ها و تغییر کاربری ساختمان‌ها باید توجه داشته باشیم.

محل‌های  به‌وجودآمدن طبقه نرم در ساختمان

• •  ارتفاع زیاد ستون در یک‌طبقه
    در بعضی از ساختمان‌ها ارتفاع بعضی طبقات از بعضی دیگر بلندتر است. مثلاً در یک ساختمان برای ایجاد فضای پارکینگ، اختلاف ارتفاع ایجاد می‌کنند و یا با درنظرگرفتن محیط تجاری ارتفاع ستون در آن طبقه را بلندتر از طبقات دیگر در نظر می‌گیرند.
  • قطع ستون
    در بعضی از ساختمان‌ها که ستون در طبقه اول به فونداسیون وصل نشده، همین موضوع باعث کاهش سختی این طبقه نسبت به سایر طبقات خواهد شد و ساختمان را در برابر زلزله مستعد فروریزش می‌کند و همچنین اثر انقطاع انتقال بارهای ثقلی و قائم هم این اثر را دارد که به دلیل نبودن المان قائم در طبقه پایین سازه مجبور به انتقال نیرو از سایر المان‌های قائم است.
  • داشتن بازشو زیاد در طبقه
    این امر نیز سبب کاهش سختی می‌شود و اگر در دیوار برشی در بازشو داشته باشیم، خود سبب کاهش سختی جانبی شده و احتمال ایجاد طبقه نرم را فراهم می‌کند.

1.2. مقاوم‌سازی جهت جلوگیری از ایجاد طبقه نرم

آنالیز ساختمان نخستین اقدام برای مقاوم‌سازی طبقه نرم است که برای تعیین بهترین راه انجام می‌شود. مهندسان ساختمان باید عوامل متعددی را برای تعیین بهترین راه مقاوم‌سازی لحاظ کنند که ساختمان به‌اندازه لازم مقاوم‌سازی شده است و باید تأثیر کمی در بهره‌برداری از سازه داشته باشد.

به چند روش می‌توان عمل مقاوم‌سازی را انجام داد که عبارت‌اند از:

• پر کردن همه بازشوهای طبقه‌های پایینی به‌وسیله بادبند یا دیوارهای باربر
• مقاوم کردن دیوارها
• مقاوم‌سازی ستون بتنی با FRP
• افزودن دیوارهای برشی و قاب‌های فولادی در بخش‌های نرم ساختمان
• مهار دیوارها در پی ساختمان
• افزودن دیوارهای برشی که در مقابل بارهای جانبی مقاومت از خود نشان می‌دهند، می‌تواند تأثیر داشته باشد.

3. شکست ناشی از طبقه نرم ساختمان ‌

‌مقاومت و سختی جانبی از عوامل کلیدی در مقاوم‌سازی ساختمان‌ها در برابر زلزله هستند. در ساختمان‌های با طبقه نرم اعضای باربر جانبی یا از اول طراحی و اجرا نشده‌اند و یا کافی نیستند. مقاوم‌سازی ساختمان‌های با طبقه نرم در برابر زلزله، به موارد ذکر شده می‌پردازد و باعث می‌شود ساختمان‌ها پس از زلزله دچار آسیب کمتری شوند.

1.3. عملیات مقاوم‌سازی ساختمان‌های با طبقه نرم در برابر زلزله‌

اولین قدم برای مقاوم‌سازی ساختمان‌های با طبقه نرم آنالیز سازه برای مشخص‌کردن بهترین راه مقاوم‌سازی است. مهندسین سازه باید فاکتورهای متعددی را برای تشخیص بهترین راه مقاوم‌سازی در نظر بگیرند. نه‌تنها باید مطمئن شوند که سازه به میزان لازم مقاوم‌سازی شده است؛ بلکه باید کمترین تأثیر را در بهره‌برداری سازه داشته باشد. مثلاً‌ با پر کردن تمامی بازشوهای طبقه‌های پایین توسط بادبند و یا دیوارهای باربر مشکل طبقه نرم حل خواهد شد‌.

یکی از روش‌های رایج برای این موضوع مقاوم کردن دیوارهای موجود است. اضافه کردند دیوارهای برشی و یا حتی قاب‌های فولادی در نواحی نرم ساختمان است. ‌برای مقاوم کردن دیوارهای موجود مثلاً دیوارهای خشک (Drywall) توسط دیوارهای باربر جایگزین می‌شوند.

مهارکردن دیوارها در فونداسیون نیز قسمتی از همین مقاوم‌سازی است. اضافه‌کردن دیوارهای برشی (دیوارهایی که در برابر بارهای جانبی مقاومت می‌کنند) نیز می‌تواند بسیار مؤثر باشد. البته درصورتی‌که با بهره‌وری ساختمان مداخله‌ای نداشته باشند که در این صورت شاید استفاده از قاب‌های فولادی بهترین راه‌حل باشد. حتی بااین‌وجود که نصب قاب‌های فولادی بسیار پردردسرتر خواهد بود.

مقاوم‌سازی ساختمان‌ها به معنای ضد زلزله کردن آنها نیست؛ بلکه تنها امن کردن این ساختمان‌هاست. یعنی پس از زلزله سازه پابرجا باقی بماند و امنیت جانی ساکنین مهیا شود. حال ممکن است ساختمان دیگر امکان بهره‌برداری نداشته باشد. بااین‌وجود یک ساختمان مقاوم‌سازی شده مطمئناً استانداردهای یک ساختمان طراحی شده برای زلزله را نخواهد داشت.

باتوجه‌به راهنمای مقاوم‌سازی ساختمان‌های با طبقات نرم در برابر زلزله، طبقات نرم باید حداقل ۸۰% مقاومت طبقات بالایی خود را داشته باشند که البته این مقدار برابر است با ۶۰% مقاومت لازم برای ساختمان‌های جدید.

2‌.3. بررسی تأثیر طبقه نرم بر نوع تخریب ساختمان

فروریزش بسیاری از ساختمان‌ها در هنگام زلزله را می‌­توان به وضعیتی مرتبط دانست که در آن اعضای مهاربندی (نظیر دیوارهای برشی، بادبندها و …) در برخی طبقات حذف شده­ باشند. علت این حذف عمدتاً برآورده‌ساختن نیازهای معماری است. در این شرایط طبقه مذکور در برابر نیروهای جانبی تضعیف شده و نوعی از نامنظمی را در ساختمان ایجاد می‌کند که به نامنظمی سختی جانبی شناخته می‌شود.

• یکی از مشخصه‌های اصلی طبقه نرم ناپیوستگی در استحکام یا سختی است که در اتصالات ایجاد می‌شود.

این ناپیوستگی بدین سبب ایجاد می‌شود که هرچه طبقه نرم ساختمان، استحکام کمتر و یا انعطاف‌پذیری بیشتری داشته باشد، تغییر شکل‌های بیشتری در آن ایجاد می‌شود که به نوبه خود به تمرکز نیروها در اتصالات می‌انجامد.

• ‌الزامات آیین‌نامه

استاندارد ۲۸۰۰ زلزله ایران، نامنظمی سختی جانبی را در دسته نامنظمی در ارتفاع قرار داده و آن را چنین توصیف می‌نماید.

طبقه نرم به طبقه‌ای گفته می‌شود که سختی جانبی در طبقه مذکور از ۷۰ درصد سختی جانبی طبقه روی خود کمتر باشد. همچنین در طبقه‌ای که سختی جانبی آن از ۸۰۰۰ درصد متوسط سختی سه‌طبقه روی خود کمتر باشد طبقه را طبقه نرم می‌نامید.

‌به مهندسین توصیه می­‌شود حتی‌المقدور از به‌وجودآمدن نامنظمی سختی جانبی جلوگیری نمایند. بااین‌حال وجود این نامنظمی در ساختمان غیرمجاز نیست. گاهی شرایط طرح معماری ایجاب می‌کند که طراح سازه در برخی طبقات اعضای باربر جانبی را کوچک یا حذف نماید. با تغییر در ابعاد سیستم باربر جانبی، سختی تحت‌تأثیر قرار می‌­گیرد و ممکن است سازه درگیر نامنظمی سختی جانبی شود.

آیین‌نامه وجود نامنظمی طبقه نرم و خیلی نرم را غیرمجاز ندانسته؛ ولی محدودیت‌‌های بسیاری را در صورت وجود آن وضع می­‌کند. به ­طور مثال اگر در ساختمانی نامنظمی طبقه نرم یا خیلی نرم وجود داشته باشد و ساختمان بیش از سه‌طبقه باشد امکان استفاده از تحلیل استاتیکی معادل وجود نخواهد داشت. در این موارد باید از تحلیل­‌های نسبتاً پیچیده‌تر جایگزین استفاده نمایید.

3.3. تعریف طبقه نرم و خیلی نرم

مطابق آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله (استاندارد 2800 ویرایش چهارم )،  طبقه ای که سختی جانبی آن کمتر از 70 درصد سختی جانبی طبقه روی خود و یا کمتر از 80 درصد متوسط سختی سه‌طبقه روی خود باشد، “طبقه نرم “و همچنین طبقه ای که سختی جانبی آن کمتر از 60 درصد سختی جانبی طبقه روی خود و یا کمتر از 70 درصد متوسط سختی سه‌طبقه روی خود باشد، “طبقه خیلی نرم” نامیده می‌شود.

4. طبقه ضعیف

وقوع طبقه ضعیف می‌تواند در هر ارتفاعی از سازه مشکل‌ساز باشد؛ ولی به علت اینکه میزان بار جانبی در طبقه همکف سازه بیشترین مقدار است؛ لذا اگر کوچک‌ترین عدم پیوستگی در نوع واکنش (چه از نوع نیرویی یا جابه‌جایی) نسبت به بار جانبی اعمال شده در طبقه همکف نسبت به طبقه بالای آن اتفاق بیفتد می‌تواند باعث بروز آسیب جدی بر سازه شود. در واقع زمانی طبقه ضعیف نام می‌گیرد که مجموعاً مقاومت کمتری نسبت به مقاومت مورد انتظار آن در برابر تنش‌های وارده از خود نشان داده باشد.

 چرا در یک‌طبقه مقاومت اعضا در مقایسه با طبقات دیگر می‌تواند ناکافی باشد؟

بهتر است به این سؤال این‌گونه جواب دهیم که درنظرگرفتن برخی ملاحظات معماری، ناکافی بودن المان‌های مقاوم و تجمع تنش در المان‌ها ممکن است همه دست‌به‌دست هم دهند و نیرویی بر المان‌های مقاوم جانبی اعمال کنند که فراتر از ظرفیت آنها باشد.

نمی‌توان از مفهوم طبقه ضعیف صحبت کرد و چشم بر مفهوم طبقه نرم بست. طبقه نرم اصطلاحاً به طبقه‌ای گفته می‌شود که سختی کمتری داشته باشد و لذا چنین طبقه‌ای در برابر نیروهای وارده جابه‌جایی نسبتاً بیشتری از خود نشان می‌دهد که همین امر می‌تواند باعث بروز رفتار نامطلوب در سازه گردد. قبل از اینکه به ارتباط این دو مفهوم بپردازیم در ابتدا نگاهی به تعاریف طبقه ضعیف و طبقه نرم در استاندارد 2800 می اندازیم :

بند 1-7-2-ت) نامنظمی مقاومت جانبی: در مواردی که مقاومت جانبی طبقه از 80 درصد مقاومت جانبی طبقه روی خود کمتر باشد، چنین طبقه‌ای اصطلاحا “طبقه ضعیف” نامیده می‌شود. در مواردی که مقدار فوق به 65 درصد کاهش یابد ، طبقه اصطلاحا “طبقه خیلی ضعیف” توصیف می‌شود.

بند 1-7-2-ث) نامنظمی سختی جانبی: در مواردی که سختی جانبی هر طبقه کمتر از 70 درصد سختی جانبی طبقه روی خود و یا کمتر از 80 درصد متوسط سختی های جانبی سه طبقه روی خودباشد، چنین طبقه‌ای به اصطلاح “طبقه نرم” نامیده می‌شود. در مواردی که مقادیر فوق به 60 درصد و 70 درصد کاهش پیدا کند ، طبقه اصطلاحا “طبقه خیلی نرم” توصیف می‌شود.

1.4. دلایل ایجاد طبقه ضعیف

همان‌طور که می‌دانیم در سازه و به شکل جزئی‌تر در هر طبقه نیروی مقاوم به نسبت سختی اعضا در سازه توزیع می‌شود.

 اگر سختی طبقه‌ای کمتر از حد مورد انتظار باشد چه اتفاقی می‌افتد؟

پاسخ این است که در این صورت علاوه بر تغییر شکل زیادتر اعضا که باعث ایجاد تنش‌های دور از انتظار در آنها می‌شود نیروی مقاومی هم که در اعضا بایستی به وجود می‌آمد به دلیل سختی کمتر اعضا مقدار کمتری به خود اختصاص می‌دهد.

همین سه عامل تغییر شکل‌های دور از انتظار، تنش‌های دور از انتظار و مقاومت کمتر از انتظار که ممکن است همه با هم رخ دهند؛ می‌تواند باعث فروریزش کلی آن طبقه گردد. مواردی که می‌تواند باعث کاهش سختی و مقاومت طبقه شود را می‌توان در سه حالت زیر جستجو کرد:

الف) زمانی که ارتفاع طبقه پایین‌تر به نحو قابل‌ملاحظه‌ای زیادتر از ارتفاع طبقه بالاتر از خود باشد.
در این حالت به علت کاهش چشمگیر در میزان سختی طبقه انتظار کاهش در مقاومت جانبی طبقه نیز می رود.

ارتفاع زیاد طبقه اول نسبت به طبقه بالای آن

• ب) انقطاع در سیستم باربر ثقلی:
  این حالت زمانی رخ می‌دهد که برخی از المان‌های عمودی سازه تا طبقه پایین‌تر که معمولاً طبقه همکف سازه است ادامه پیدا نکنند؛ تا شاید بازشویی بنا به ملاحظات معماری ایجاد شود. در این حالت، غیرمستقیم شدن مسیر انتقال بار باعث تغییرات ناگهانی در میزان سختی و مقاومت طبقه و ایجاد نامنظمی در ارتفاع سازه می‌شود.

انقطاع در سیستم باربر ثقلی

• ج) وجود بازشو در سیستم مقاوم جانبی مخصوصاً به هنگام استفاده از دیوار برشی.
  در این شرایط نیز مشخص است که وجود بازشو با اندازه غیرمتعارف در سیستم دیوار برشی در طبقات یا در طبقه همکف می‌تواند باعث کاهش سختی و البته مقاومت جانبی طبقه شود. البته اگر مجبور به تعبیه بازشو در دیوار برشی هستیم، باید الزامات دیوار برشی کوپله رعایت گردد که دراین‌خصوص در مقاله “تیر هم‌بند در دیوار برشی کوپله: راهنمای رایگان طراحی دستی و نرم‌افزاری “بحث کاملاً مفصلی ارائه گردیده است.
• بازشو در دیوار برشی

1.4. تفاوت طبقه نرم با طبقه ضعیف

طبقه نرم به طبقه‌ای گفته می‌شود که سختی جانبی در طبقه مذکور از ۷۰ درصد سختی جانبی طبقه روی خود کمتر باشد. همچنین در طبقه‌ای که سختی جانبی آن از ۸۰ درصد متوسط سختی سه‌طبقه روی خود کمتر باشد طبقه را طبقه نرم می‌نامیم. طبقه ضعیف به طبقه‌ای اطلاق می‌شود که مجموع مقاومت جانبی طبقه مذکور از ۸۰۰ درصد مقاومت جانبی طبقه روی خود کمتر باشد. مقاومتت  جانبی هر طبقه برابر است با مجموع مقاومت جانبی کلیه اجزای مقاومی که در برابر برش طبقه مقاومت از خود نشان می‌دهند.

جمع‌بندی ونتیجه‌گیری