کدام اسکلت ساختمان در برابر زلزله مقاوم‌تر است؟ اسکلت فلزی یا بتنی؟

زلزله یکی از مهم‌ترین عوامل تخریب ساختمان‌ها در ایران است و انتخاب نوع اسکلت سازه نقش بسیار مهمی در پایداری و مقاومت سازه دارد. دو سیستم سازه‌ای رایج در صنعت ساختمان کشور عبارت‌اند از اسکلت فلزی و اسکلت بتنی. هر دو در صورتی که طراحی و اجرای صحیح داشته باشند می‌توانند عملکرد مناسبی در برابر زلزله داشته باشند؛ اما تفاوت‌های اساسی میان آن‌ها وجود دارد که در ادامه بررسی می‌کنیم.

ویژگی‌های اسکلت فلزی

مزایا:

1. مقاومت بالا و شکل‌پذیری مناسب
   فولاد یک ماده شکل‌پذیر (Ductile) است و هنگام زلزله انرژی را به خوبی جذب می‌کند. همین ویژگی باعث کاهش آسیب سازه در زلزله‌های شدید می‌شود.
2. سرعت بالای اجرا
   ساخت اسکلت فلزی سریع‌تر است، خصوصاً با استفاده از اتصالات پیش‌ساخته و پیچ و مهره‌ای.
3. وزن کمتر نسبت به بتن
   سبک‌تر بودن سازه باعث کاهش نیروی زلزله (F=ma) می‌شود.

معایب:

1. وابستگی به کیفیت جوش و اتصال
   اگر جوشکاری یا اتصالات پیچ و مهره‌ای به صورت استاندارد انجام نشوند، مقاومت سازه بشدت کاهش می‌یابد.
2. مقاومت ضعیف در برابر آتش
   فولاد در دمای حدود 600 درجه، نصف مقاومت خود را از دست می‌دهد؛ بنابراین نیاز به پوشش ضدحریق دارد.
3. خوردگی در محیط‌های مرطوب
   نیازمند محافظت و رنگ‌آمیزی دوره‌ای است.

ویژگی‌های اسکلت بتنی

مزایا:

1. یکپارچگی بالا
   بتن و میلگرد با هم یک سازه یکپارچه تشکیل می‌دهند که در برابر بارهای جانبی عملکرد مناسبی دارد.
2. مقاومت بالا در برابر آتش‌سوزی
   بتن به‌طور طبیعی نسوز است و سازه دیرتر آسیب می‌بیند.
3. هزینه ساخت اقتصادی‌تر
   در بیشتر پروژه‌ها هزینه تمام‌شده اسکلت بتنی کمتر از اسکلت فلزی است.

معایب:

1. شکل‌پذیری کمتر از فولاد
   بتن شکننده‌تر است و برای افزایش شکل‌پذیری باید طراحی و جزئیات مناسب آرماتورگذاری رعایت شود.
2. وزن زیادتر نسبت به سازه فلزی
   وزن بیشتر  ⇒ نیروی زلزله بیشتر ⇒ نیاز به طراحی قوی‌تر.
3. سرعت اجرای پایین‌تر
   زمان گیرش بتن باعث کند شدن روند ساخت می‌شود.

مقایسه رفتار دو اسکلت در برابر زلزله

نکته کلیدی (مهم‌ترین بخش مقاله)

این‌که کدام اسکلت مقاوم‌تر است، بیشتر از جنس سازه به کیفیت طراحی و اجرای آن بستگی دارد.

طبق آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله (استاندارد ۲۸۰۰ ایران) هر دو اسکلت در صورتی که صحیح طراحی، نظارت و اجرا شوند می‌توانند عملکرد بسیار مناسبی در برابر زلزله داشته باشند.

اما:

اگر کیفیت اجرا پایین باشد:

• در اسکلت فلزی، جوش‌های ضعیف و اتصال نامناسب باعث شکست ناگهانی سازه می‌شود.
• در اسکلت بتنی، آرماتورگذاری اشتباه یا بتن با کیفیت پایین منجر به شکست ترد و خطرناک خواهد شد.

کدام اسکلت در عمل مناسب‌تر است؟

جمع‌بندی

• از نظر فنی، مقاومت لرزه‌ای هر دو سیستم قابل قبول است.
• برتری نهایی وابسته به کیفیت اجرا، نوع خاک، ارتفاع ساختمان، جزئیات اتصالات و نظارت مهندسی است.
• اگر نظارت مهندسی دقیق وجود داشته باشد، اسکلت فلزی معمولاً عملکرد بهتری در جذب انرژی زلزله نشان می‌دهد.

در اسکلت بتنی، قاب خمشی مقاوم‌تر است یا دیوار برشی؟ مقایسه عملکرد در برابر زلزله

در طراحی سازه‌های بتنی، هدف اصلی مقاومت در برابر نیروهای جانبی به‌خصوص زلزله است. برای این منظور، دو سیستم سازه‌ای رایج مورد استفاده قرار می‌گیرد:

1. قاب خمشی (Moment Resisting Frame)
2. دیوار برشی (Shear Wall)

هر دو سیستم توسط استاندارد ۲۸۰۰ ایران و آیین‌نامه ACI 318 تأیید شده‌اند؛ اما عملکرد لرزه‌ای آن‌ها متفاوت است.

1. سیستم قاب خمشی چیست؟

در قاب خمشی، ستون‌ها و تیرها به صورت پیوسته و با اتصالات قوی به یکدیگر متصل‌اند و با تحمل لنگر خمشی، نیروی زلزله را جذب و دفع می‌کنند.

مزایای قاب خمشی:

• شکل‌پذیری بسیار بالا (توانایی تغییر شکل بدون شکست ترد)
• آزادی معماری بیشتر (دیوارها محدودیت سازه‌ای ندارند)
• مناسب برای ساختمان‌های با پلان آزاد مثل اداری و تجاری

معایب قاب خمشی:

• جابجایی جانبی زیاد در هنگام زلزله
  (در سازه به اصطلاح «لرزش و نوسان» محسوس خواهد بود)
• نیاز به مقادیر زیاد آرماتورگذاری و اتصالات دقیق
• سختی جانبی کم‌تر نسبت به دیوار برشی

قاب خمشی مانند فنر انعطاف‌پذیر است؛ انرژی را خوب جذب می‌کند ولی سختی پایینی دارد.

2. سیستم دیوار برشی چیست؟

دیوار برشی یک دیوار بتنی مسلح یکپارچه است که مانند یک صفحه صلب در برابر نیروهای جانبی عمل می‌کند و سختی سازه را زیاد می‌کند.

مزایای دیوار برشی:

• سختی جانبی بسیار زیاد
• کاهش محسوس جابجایی و لرزش ساختمان
• عملکرد بسیار مطلوب در زلزله‌های شدید

معایب دیوار برشی:

• ایجاد محدودیت معماری در طراحی فضاها
• نیاز به اجرای دقیق آرماتورگذاری و قالب‌بندی
• در صورت طراحی نادرست، شکل‌پذیری کم و خطر شکست ترد

دیوار برشی مانند سپر سخت و محکم است؛ نوسان سازه را کنترل می‌کند اما باید طراحی آن با دقت انجام شود.

مقایسه قاب خمشی و دیوار برشی از نظر رفتار لرزه‌ای

کدام سیستم در برابر زلزله مقاوم‌تر است؟

در ساختمان‌های کوتاه‌مرتبه (۱ تا ۵ طبقه):

دو سیستم می‌توانند عملکرد خوبی داشته باشند.
اما قاب خمشی به دلیل آزادی معماری و هزینه کمتر توصیه می‌شود.

در ساختمان‌های بلند (بیش از ۶ طبقه):

دیوار برشی عملکرد بهتری دارد زیرا:

• جابجایی جانبی را کم می‌کند
• سختی لازم را تأمین می‌کند
• مقاومت لرزه‌ای ساختمان را افزایش می‌دهد

نتیجه: در ارتفاع‌های زیاد، دیوار برشی مقاوم‌تر و ایمن‌تر از قاب خمشی است.

سیستم ترکیبی (بهترین گزینه برای زلزله)

طبق آیین‌نامه ۲۸۰۰، بهترین عملکرد زمانی حاصل می‌شود که قاب خمشی + دیوار برشی با هم استفاده شوند.

این ترکیب:

• هم شکل‌پذیری قاب خمشی
• و هم سختی دیوار برشی

را تأمین می‌کند.

به این سیستم در مهندسی سازه، سیستم دوگانه (Dual System) گفته می‌شود.

جمع‌بندی

• قاب خمشی شکل‌پذیری بالایی دارد اما سختی کمی دارد و در ساختمان‌های بلند جابجایی طبقات را افزایش می‌دهد.
• دیوار برشی سختی زیادی دارد و در سازه‌های بلند عملکرد بسیار بهتری در زلزله دارد.
• بهترین سیستم برای مقاومت لرزه‌ای، ترکیب قاب خمشی و دیوار برشی است.

در ادامه، بخش مثال‌های واقعی از زلزله‌های بزرگ دنیا را ذکر میکنیم تا این مقاله تحلیلی، عملی و قابل استناد شود. تمام موارد زیر بر اساس گزارش‌های رسمی FEMA، USGS، JICA و پژوهش‌های مهندسی زلزله هستند.

نمونه‌های واقعی از زلزله‌های بزرگ و عملکرد انواع سازه‌ها

1. زلزله بم – ایران (سال ۱۳۸۲ | بزرگای ۶.۶)

• نوع سازه‌های غالب در شهر: ساختمان‌های بنایی سنتی و مصالح غیرمسلح.
• نتیجه: بیش از ۸۰٪ ساختمان‌ها کاملاً تخریب شدند.
• علت اصلی: نبود اسکلت سازه‌ای و استفاده از دیوارهای خشتی بدون میلگرد.

سازه‌های مقاوم‌تر در این زلزله:

• ساختمان‌هایی که اسکلت بتنی دارای دیوار برشی داشتند، به‌طور قابل‌توجهی کمترین آسیب را نشان دادند.

درس مهندسی:

ساختمان‌های بدون سیستم باربر جانبی در برابر زلزله تقریباً هیچ مقاومتی ندارند.

2. زلزله کوبه – ژاپن (۱۹۹۵ | بزرگای ۶.۹)

• بسیاری از ساختمان‌های فلزی قدیمی با جوش‌های ضعیف در اتصالات تیر-ستون آسیب‌های شدید دیدند.
• در مقابل، ساختمان‌های جدیدتر که دارای قاب خمشی شکل‌پذیر و مهاربند بودند، عملکرد بسیار خوبی داشتند.

علت: بعد از این زلزله، ژاپن استاندارد اتصالات فولادی را به شدت سختگیرانه‌تر کرد.

درس مهندسی:

در سازه فلزی، کیفیت اجرای اتصال بسیار مهم‌تر از خود مصالح است.

3. زلزله نورثریج – کالیفرنیا (۱۹۹۴ | بزرگای ۶.۷)

• این زلزله باعث آسیب گسترده در قاب‌های فلزی جوش‌شده شد.
• دلیل آسیب: شکست ترد در ناحیه‌ی اتصال تیر به ستون (که بعدها به عنوان "Northridge Connection Failure" شناخته شد).
• در مقابل، ساختمان‌هایی با دیوار برشی بتنی یا مهاربندی همگرا (CBF) عملکرد بهتری داشتند.

درس مهندسی:

حتی سیستم‌های شکل‌پذیر مثل قاب خمشی فولادی، اگر جزییات اتصال اصولی نباشد می‌توانند شکست ناگهانی داشته باشند.

4. زلزله مکزیکوسیتی – مکزیک (۲۰۱۷ | بزرگای ۷.۱)

• خاک نرم منطقه باعث تقویت امواج زلزله شد.
• ساختمان‌هایی با اسکلت بتنی اما بدون دیوار برشی دچار کمانش و ریزش طبقات شدند.
• در حالی که ساختمان‌هایی که هسته مرکزی دیوار برشی (هسته آسانسور) داشتند، تقریباً بدون آسیب باقی ماندند.

درس مهندسی:

در سازه‌های بتنی بلند، وجود دیوار برشی امری ضروری است.

5. زلزله کرایست‌چرچ – نیوزلند (۲۰۱۱ | بزرگای ۶.۳)

• ساختمان‌های قدیمی بنایی و سنگی به شدت آسیب دیدند.
• ساختمان‌های جدید دارای:
  • قاب خمشی بتن آرمه با جزییات شکل‌پذیر
  • سیستم دوگانه (قاب خمشی + دیوار برشی)

عملکرد بسیار خوبی داشتند.

درس مهندسی:

سیستم‌های دوگانه بهترین تعادل بین سختی و شکل‌پذیری را ایجاد می‌کنند.

6. زلزله ترکیه و سوریه – ۲۰۲۳ (بزرگای ۷.۸)

• تعداد زیادی ساختمان بتنی دچار فروریزش کامل شدند.
• دلیل اصلی: عدم رعایت:
  • قطع نشدن آرماتورهای ستون‌ها
  • نسبت مناسب تیر به ستون
  • طراحی دیوار برشی
  • استفاده از بتن ضعیف

اما ساختمان‌هایی که طبق آیین‌نامه و با سیستم دیوار برشی اجرا شده بودند، سالم ماندند.

درس مهندسی:

مشکل عمده اغلب «نوع سازه» نیست، بلکه کیفیت طراحی و اجرا است.

جمع‌بندی نهایی بخش مثال‌ها

پرسش‌های متداول (FAQ)

۱. آیا سازه فلزی همیشه بهتر از بتنی است؟
خیر، فقط در صورت اجرای حرفه‌ای. در پروژه‌های بدون نظارت، بتن معمولاً نتیجه مطمئن‌تری می‌دهد.

۲. بهترین سیستم مقاوم‌سازی در اسکلت فلزی چیست؟
استفاده از مهاربندهای همگرا (CBF) یا غیرهمگرا (EBF) یا اتصال گیردار با حداکثر شکل‌پذیری.

۳. بهترین سیستم مقاوم‌سازی در اسکلت بتنی چیست؟
استفاده از دیوار برشی بتنی که مقاومت جانبی سازه را به شدت افزایش می‌دهد.

4 . آیا ساختمان بدون دیوار برشی ایمن است؟
اگر تعداد طبقات کم باشد، بله. اما در ساختمان‌های بلند خطر افزایش تغییرمکان وجود دارد.

5 . بهترین محل قرار دادن دیوار برشی کجاست؟
در اطراف هسته راه‌پله و آسانسور برای ایجاد سختی مناسب و کاهش پیچش سازه.

6 . آیا تعداد زیاد دیوار برشی بهتر است؟
خیر. دیوار برشی باید متعادل و متناسب با مقاومت و مرکز جرم سازه طراحی شود.