درود بر شما. در این نوشتار به بررسی و تحلیل جامع موضوع بسیار مهم و چالشی «حذف اثر میانقابی» در دو استاندارد پیشرو و معتبر جهانی، یعنی استانداردهای ایالات متحده آمریکا (ASCE/SEI 7) و ژاپن (BSL)، می‌پردازم. این تحلیل به صورت مفصل و با جزئیات فنی ارائه خواهد شد تا عمق موضوع و تفاوت دیدگاه‌ها به خوبی روشن گردد.
تاریخ امروز: پنج‌شنبه، ۲۴ مهر ۱۴۰۴ (۱۶ اکتبر ۲۰۲۵)
مقدمه‌ای بر میانقاب‌های مصالح بنایی و اهمیت آن‌ها در رفتار لرزه‌ای سازه‌ها
در ابتدا، لازم است درک مشترکی از چیستی و چرایی اهمیت میانقاب‌ها داشته باشیم. میانقاب‌ها (Infill Walls)، دیوارهایی هستند که فضای خالی بین ستون‌ها و تیرهای یک قاب سازه‌ای را پر می‌کنند. این دیوارها معمولاً از مصالح بنایی مانند آجر، بلوک سیمانی یا بلوک سفالی ساخته می‌شوند و در اکثر ساختمان‌های متعارف در سراسر جهان، از جمله ایران، آمریکا و ژاپن، به وفور یافت می‌شوند.
از دیدگاه معماری و بهره‌برداری، وظیفه اصلی این دیوارها جداسازی فضاها، ایجاد حریم خصوصی، عایق حرارتی و صوتی و محافظت در برابر عوامل جوی است. به همین دلیل، در فرآیند طراحی اولیه، اغلب به عنوان اجزای “غیرسازه‌ای” (Non-structural) در نظر گرفته می‌شوند و مهندسین طراح در مدل‌سازی کامپیوتری سازه، از وارد کردن آن‌ها خودداری می‌کنند. این رویکرد، که به آن “حذف اثر میانقابی” می‌گوییم، ساده‌سازی قابل توجهی را در تحلیل ایجاد می‌کند، اما می‌تواند منجر به تفاوت‌های فاحش بین رفتار واقعی سازه و پیش‌بینی‌های مدل تحلیلی شود.
چرا اثر میانقاب مهم است؟
یک میانقاب مصالح بنایی، حتی اگر به صورت کامل به قاب پیرامونی خود متصل نشده باشد، در هنگام حرکات جانبی سازه (ناشی از زلزله یا باد) با قاب درگیر می‌شود. این درگیری (Interaction) باعث تغییرات اساسی در مشخصات دینامیکی سازه می‌گردد:
افزایش سختی (Stiffness): میانقاب‌ها به شدت سختی جانبی طبقه‌ای را که در آن قرار دارند افزایش می‌دهند. این افزایش سختی، پریود طبیعی ارتعاش سازه را کاهش می‌دهد. T=2πm/kT = 2\pi\sqrt{m/k}T=2πm/k . با افزایش kkk (سختی)، TTT (پریود) کم می‌شود.
افزایش مقاومت (Strength): میانقاب‌ها می‌توانند نیروی برشی قابل توجهی را تحمل کنند و در نتیجه مقاومت نهایی طبقه را افزایش دهند.
تغییر مودهای رفتاری: حضور میانقاب‌ها می‌تواند رفتار سازه را از یک “قاب خمشی” (Flexural Frame) به یک “سازه با رفتار برشی” (Shear-type Structure) یا چیزی مابین این دو تغییر دهد.
ایجاد نامنظمی‌های پیش‌بینی نشده: توزیع نامتقارن یا غیریکنواخت میانقاب‌ها در پلان و ارتفاع، می‌تواند منجر به ایجاد نامنظمی‌های شدید پیچشی (Torsional Irregularity) و طبقه نرم/ضعیف (Soft/Weak Story) شود که در مدل بدون میانقاب قابل تشخیص نیستند.
این پدیده، که به آن “اثر اندرکنش قاب-میانقاب” (Frame-Infill Interaction) گفته می‌شود، یک شمشیر دولبه است. در برخی شرایط می‌تواند با افزایش سختی و مقاومت به بهبود عملکرد سازه کمک کند، اما در شرایط دیگر، به خصوص در صورت توزیع نامناسب، می‌تواند منجر به گسیختگی‌های فاجعه‌بار و تمرکز تنش در نقاطی شود که برای آن طراحی نشده‌اند. به همین دلیل، رویکرد آیین‌نامه‌ها به این موضوع بسیار محتاطانه و متفاوت است.
بخش اول: رویکرد استانداردهای آمریکا (ASCE/SEI 7 و آیین‌نامه‌های مرتبط)
در ایالات متحده، آیین‌نامه اصلی برای بارگذاری لرزه‌ای سازه‌ها ASCE/SEI 7 با عنوان “Minimum Design Loads and Associated Criteria for Buildings and Other Structures” است. طراحی اجزای بتنی و فولادی نیز به ترتیب بر اساس ACI 318 (Building Code Requirements for Structural Concrete) و AISC 341 (Seismic Provisions for Structural Steel Buildings) انجام می‌شود.
رویکرد کلی در آمریکا نسبت به میانقاب‌های مصالح بنایی (Masonry Infills) یک رویکرد “تجویزی-محتاطانه” (Prescriptive-Conservative) است. این آیین‌نامه‌ها به صراحت خطرات ناشی از اندرکنش قاب-میانقاب را به رسمیت می‌شناسند و تلاش می‌کنند تا با ارائه ضوابطی، اثرات مخرب آن را کنترل کرده و از اتکای ناخواسته به مقاومت
۱.۱. دسته‌بندی میانقاب‌ها در رویکرد آمریکایی
آیین‌نامه‌های آمریکایی میانقاب‌ها را بر اساس نحوه اتصال و تأثیرشان بر قاب اصلی به چند دسته تقسیم می‌کنند:
میانقاب جدا شده (Isolated Infill): در این حالت، با ایجاد درز انقطاع کافی (Seismic Gap) در دورتادور پانل میانقاب، از تماس آن با قاب در هنگام تغییرمکان‌های جانبی جلوگیری می‌شود. این درز باید به اندازه‌ای باشد که حداکثر تغییرمکان نسبی طبقه (Drift) را بدون ایجاد تماس در خود جای دهد. اگر این جداسازی به درستی اجرا شود، مدل‌سازی سازه بدون میانقاب (حذف کامل اثر میانقابی) قابل قبول است، زیرا فرض می‌شود اندرکنشی رخ نمی‌دهد. البته طراحی اتصالات دیوار به سازه برای بارهای خارج از صفحه (Out-of-Plane) همچنان الزامی است.
میانقاب در تماس (Contact Infill): هر میانقابی که به صورت جدا شده اجرا نشود، در این دسته قرار می‌گیرد. این نوع میانقاب، که در اکثر ساختمان‌های موجود یافت می‌شود، هسته اصلی بحث ماست. ASCE 7 و آیین‌نامه‌های مرتبط، برای این حالت ضوابط سخت‌گیرانه‌ای وضع کرده‌اند.
میانقاب مشارکتی (Participating Infill): در این حالت، میانقاب به صورت مهندسی‌شده طراحی و به قاب متصل می‌شود تا به عنوان یک جزء باربر جانبی عمل کند. این سیستم که به آن “قاب مهاربندی شده با میانقاب مصالح بنایی” (Masonry-Infilled Frame) گفته می‌شود، یک سیستم سازه‌ای مشخص است و طراحی آن نیازمند تحلیل‌های دقیق و رعایت ضوابط ویژه‌ای است. در این حالت، اثر میانقاب نه تنها حذف نمی‌شود، بلکه به صورت هدفمند در محاسبات وارد می‌گردد.
۱.۲. تحلیل رویکرد “حذف اثر میانقابی” در استاندارد ASCE 7
رویکرد غالب در طراحی‌های روزمره در آمریکا، تلاش برای “جداسازی” میانقاب و در نتیجه توجیه “حذف اثر” آن در مدل تحلیلی است. با این حال، ASCE 7 می‌داند که این جداسازی ممکن است در عمل به درستی اجرا نشود یا به مرور زمان کارایی خود را از دست بدهد. به همین دلیل، حتی اگر طراح اثر میانقاب را در مدل لحاظ نکند، آیین‌نامه الزاماتی را برای کنترل اثرات منفی احتمالی آن در نظر می‌گیرد.
فصل ۱۴ آیین‌نامه ASCE 7-22 (و نسخه‌های قبلی) به اجزای غیرسازه‌ای می‌پردازد. اما اثرات اندرکنشی میانقاب بر سیستم اصلی سازه در فصل ۱۲ (Seismic Design Requirements for Building Structures) مورد توجه قرار گرفته است.
نکات کلیدی رویکرد آمریکایی:
کنترل طبقه نرم/ضعیف (Soft/Weak Story Check):
یکی از بزرگترین خطرات ناشی از توزیع نامنظم میانقاب‌ها، ایجاد پدیده “طبقه نرم” است. به عنوان مثال، در ساختمان‌های تجاری که طبقه همکف دارای ویترین‌های بزرگ و بدون دیوار میانقاب است، اما طبقات بالاتر دارای دیوارهای میانقاب هستند، سختی طبقه همکف به شدت کمتر از طبقات بالایی خواهد بود. این امر باعث تمرکز تغییرشکل‌ها و خرابی در طبقه همکف می‌شود (شبیه به آنچه در زلزله‌های بم، ازمیت و نورتریج مشاهده شد).
ASCE 7-22 در جدول 12.3-1، این حالت را به عنوان یک نامنظمی قائم از نوع 1a (Stiffness-Soft Story Irregularity) و نوع 2 (Weight (Mass) Irregularity) و نوع 4 (In-Plane Discontinuity Irregularity) و نوع 5a (Weak Story Irregularity) تعریف می‌کند.
مهمترین نکته: آیین‌نامه الزام می‌کند که سختی جانبی طبقات باید با در نظر گرفتن “سختی کلیه اجزای سازه‌ای و غیرسازه‌ای که بر تغییرشکل جانبی سازه تأثیر می‌گذارند” محاسبه شود. این جمله به صراحت می‌گوید که برای کنترل نامنظمی طبقه نرم، نمی‌توانید اثر میانقاب را حذف کنید. شما موظف هستید سختی میانقاب‌ها را تخمین زده و در محاسبات کنترل نامنظمی وارد کنید. اگرچه ممکن است در طراحی نهایی اعضا از آن صرف نظر کنید، اما در مرحله بررسی پایداری و نظم سازه، این اثر باید لحاظ شود. این یک پارادوکس طراحی است: شما اثر را برای کنترل خطراتش در نظر می‌گیرید، اما برای طراحی نهایی (به دلیل عدم قطعیت در رفتار) آن را حذف می‌کنید.
کنترل نامنظمی پیچشی (Torsional Irregularity):
اگر میانقاب‌ها به صورت نامتقارن در پلان توزیع شوند (مثلاً در یک وجه ساختمان دیوار میانقاب وجود داشته باشد و در وجه دیگر نه)، مرکز سختی (Center of Rigidity) طبقه از مرکز جرم (Center of Mass) فاصله می‌گیرد. این امر تحت بار جانبی، باعث ایجاد لنگر پیچشی قابل توجهی در طبقه می‌شود.
ASCE 7-22 در جدول 12.3-1 این حالت را به عنوان نامنظمی در پلان از نوع 1a و 1b (Torsional Irregularity) طبقه‌بندی می‌کند.
مشابه کنترل طبقه نرم، برای بررسی وجود نامنظمی پیچشی نیز مهندس طراح موظف است اثر سختی میانقاب‌ها را در محاسبات مربوط به تعیین مرکز سختی لحاظ کند. نادیده گرفتن این اثر می‌تواند منجر به دست‌کم گرفتن نیروهای پیچشی در ستون‌های گوشه‌ای و کناری سازه شود.
اثر ستون کوتاه (Short Column Effect):
این پدیده مخرب زمانی رخ می‌دهد که یک دیوار میانقاب تنها بخشی از ارتفاع یک ستون را بپوشاند (مثلاً به دلیل وجود بازشوهای نواری). این دیوار، بخشی از ستون را که با آن در تماس است، از تغییرشکل جانبی باز می‌دارد و باعث می‌شود تمام تغییرشکل طبقه در طول آزاد باقی‌مانده ستون متمرکز شود.
این کاهش در طول مؤثر ستون (LeffL_{eff}Leff)، سختی خمشی آن را به شدت افزایش می‌دهد (k∝EI/L3k \propto EI/L^3k∝EI/L3). در نتیجه، ستون کوتاه برش بسیار بیشتری نسبت به آنچه برای آن طراحی شده جذب می‌کند و مستعد شکست برشی ترد (Brittle Shear Failure) می‌شود. این یکی از شایع‌ترین علل فروریزش‌های ناگهانی در زلزله‌ها است.
ACI 318 و AISC 341 ضوابط بسیار سخت‌گیرانه‌ای برای این موضوع دارند. اگر احتمال وقوع پدیده ستون کوتاه به دلیل وجود میانقاب جزئی وجود داشته باشد، ستون باید برای نیروی برشی بسیار بالاتری طراحی شود. این نیروی برشی معمولاً بر اساس ظرفیت خمشی پلاستیک ستون در دو انتها محاسبه می‌شود (Vdesign=(Mp1+Mp2)/LclearV_{design} = (M_{p1} + M_{p2}) / L_{clear}Vdesign=(Mp1+Mp2)/Lclear). در واقع، آیین‌نامه فرض می‌کند که ستون باید آنقدر در برش قوی باشد که قبل از شکست برشی، به تسلیم خمشی برسد. این الزام، عملاً مهندس را مجبور می‌کند که اثر میانقاب را در طراحی برشی ستون‌های آسیب‌پذیر ببیند.
نیروهای متمرکز بر قاب (Forces on the Frame):
اندرکنش میانقاب با قاب پیرامونی، از طریق تشکیل یک “عضو فشاری قطری” (Diagonal Compression Strut) مدل‌سازی می‌شود. این عضو فشاری فرضی، نیروهای قابل توجهی را به اتصالات تیر به ستون وارد می‌کند.
این نیروها می‌توانند باعث ایجاد برش و لنگر خمشی اضافی در تیرها و ستون‌ها شوند که در مدل قاب خالص (Bare Frame) پیش‌بینی نشده‌اند. به خصوص در ناحیه اتصال، این نیروها می‌توانند منجر به شکست برشی اتصال (Joint Shear Failure) یا شکست برشی در انتهای تیر و ستون شوند.
FEMA 356 / ASCE 41 (Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings): این آیین‌نامه که به طور خاص به ارزیابی و مقاوم‌سازی ساختمان‌های موجود می‌پردازد، بسیار بیشتر از ASCE 7 به مدل‌سازی صریح میانقاب‌ها توجه دارد. در ASCE 41، روش‌های détaillé برای مدل‌سازی میانقاب به صورت عضو فشاری قطری معادل (Equivalent Strut Model) ارائه شده است. عرض این عضو فشاری و مشخصات مصالح آن بر اساس روابط تجربی (مانند روابط Stafford Smith یا Mainstone) محاسبه می‌شود. این نشان می‌دهد که در جامعه مهندسی آمریکا، برای ارزیابی عملکرد واقعی یک سازه (برخلاف طراحی اولیه)، حذف اثر میانقابی به هیچ وجه قابل قبول نیست.
۱.۳. جمع‌بندی رویکرد آمریکا:
رویکرد آمریکایی به “حذف اثر میانقابی” یک رویکرد “کنترل شده و محدود” است. در طراحی یک ساختمان جدید، مهندس ممکن است مدل اصلی خود را بر اساس یک قاب خالص (Bare Frame) بنا کند، اما آیین‌نامه او را ملزم می‌کند تا به صورت ثانویه و از طریق کنترل‌های دقیق، اثرات منفی بالقوه میانقاب‌ها را بررسی و خنثی کند. این کنترل‌ها عبارتند از:
الزام به بررسی نامنظمی‌ها (طبقه نرم و پیچش) با در نظر گرفتن سختی میانقاب.
الزام به طراحی ستون‌ها برای برش ناشی از اثر ستون کوتاه.
تشویق به جداسازی کامل میانقاب از قاب برای حذف واقعی اندرکنش.
در حوزه مقاوم‌سازی و ارزیابی عملکرد، این رویکرد کاملاً تغییر می‌کند و مدل‌سازی صریح میانقاب‌ها به یک الزام تبدیل می‌شود. این دوگانگی نشان می‌دهد که مهندسی آمریکا عدم قطعیت‌های رفتار پس از ترک‌خوردگی میانقاب را به قدری بالا می‌داند که ترجیح می‌دهد در طراحی اولیه به مقاومت آن تکیه نکند، اما از خطرات ناشی از سختی اولیه آن نیز غافل نمی‌ماند.
بخش دوم: رویکرد استانداردهای ژاپن (BSL و آیین‌نامه‌های مرتبط)
ژاپن، به عنوان یکی از لرزه‌خیزترین کشورهای جهان، تجربه‌ای طولانی و پرهزینه از زلزله‌های ویرانگر دارد. این تجربه، منجر به شکل‌گیری یک فلسفه طراحی لرزه‌ای منحصر به فرد و بسیار عمل‌گرایانه شده است. آیین‌نامه اصلی ساختمان ژاپن “قانون استانداردهای ساختمان” (Building Standard Law - BSL) است که اجرای آن توسط “دستورالعمل اجرایی” (Enforcement Order) و “اطلاعیه‌ها” (Notifications) وزارت زمین، زیرساخت، حمل و نقل و گردشگری (MLIT) تکمیل می‌شود.
رویکرد ژاپن به میانقاب‌ها (که اغلب از بتن سبک یا بلوک‌های بتنی ساخته می‌شوند) تفاوت‌های بنیادینی با رویکرد آمریکا دارد. فلسفه ژاپنی بر “پذیرش و مدیریت” اثر میانقاب استوار است، نه “حذف و نادیده گرفتن” آن. آن‌ها می‌پذیرند که میانقاب‌ها بخشی جدایی‌ناپذیر از سازه هستند و رفتارشان باید به نحوی در فرآیند طراحی لحاظ شود.
۲.۱. فلسفه طراحی دو سطحی در ژاپن (Two-Level Seismic Design)
برای درک رویکرد ژاپن به میانقاب‌ها، ابتدا باید فلسفه طراحی دو سطحی آن‌ها را بشناسیم:
سطح ۱: زلزله‌های متوسط و مکرر (Serviceability Limit State):
برای زلزله‌های با دوره بازگشت کوتاه‌تر (چند ده سال)، سازه و اجزای آن باید در محدوده الاستیک باقی بمانند. هیچ‌گونه آسیب سازه‌ای یا حتی آسیب جدی به اجزای غیرسازه‌ای پذیرفته نیست.
در این سطح، تحلیل سازه به صورت الاستیک خطی انجام می‌شود و تغییرمکان نسبی طبقات (Drift) به مقادیر بسیار کوچکی (معمولاً ۱/۲۰۰ ارتفاع طبقه) محدود می‌گردد.
سطح ۲: زلزله‌های شدید و نادر (Ultimate Limit State):
برای زلزله‌های بزرگ (با دوره بازگشت چند صد ساله)، آسیب به سازه و تشکیل مفاصل پلاستیک مجاز است، اما فروریزش کلی سازه باید به هر قیمتی مهار شود تا امکان خروج ایمن ساکنین فراهم گردد.
در این سطح، از روش‌های تحلیل غیرخطی یا روش “ارزیابی ظرفیت” (Capacity Check) استفاده می‌شود تا اطمینان حاصل شود که “ظرفیت” (Capacity) نهایی سازه از “نیاز” (Demand) لرزه‌ای تجاوز می‌کند.
این فلسفه دو سطحی، مستقیماً بر نحوه نگرش به میانقاب‌ها تأثیر می‌گذارد.
۲.۲. نقش میانقاب‌ها در هر سطح از طراحی ژاپنی
در تحلیل سطح ۱ (زلزله متوسط):
در این سطح، میانقاب‌ها به عنوان اجزای “سخت‌کننده” در نظر گرفته می‌شوند. از آنجایی که تغییرشکل‌ها کوچک و در محدوده الاستیک هستند، میانقاب‌ها دچار ترک‌خوردگی جدی نمی‌شوند و سختی اولیه بالای آن‌ها، مشخصه غالب رفتارشان است.
استاندارد ژاپن الزام می‌کند که سختی میانقاب‌ها و دیوارهای غیرسازه‌ای دیگر در محاسبه سختی کلی طبقه و کنترل دریفت سطح ۱ لحاظ شود. این رویکرد کاملاً بر خلاف رویکرد ساده‌انگارانه “حذف اثر” است. آن‌ها می‌دانند که برای ارضای محدودیت شدید دریفت (۱/۲۰۰)، نمی‌توان از سختی بالای ارائه شده توسط این دیوارها چشم‌پوشی کرد.
در واقع، بسیاری از ساختمان‌های ژاپنی برای ارضای این معیار، به سختی دیوارهای غیرسازه‌ای خود “وابسته” هستند. این دیوارها به عنوان بخشی از سیستم باربر جانبی اولیه (برای زلزله‌های کوچک) عمل می‌کنند.
در تحلیل سطح ۲ (زلزله شدید):
اینجاست که رویکرد ژاپنی بسیار هوشمندانه و عمل‌گرایانه می‌شود. مهندسان ژاپنی می‌دانند که تحت تغییرشکل‌های بزرگ ناشی از زلزله شدید، میانقاب‌های مصالح بنایی ترد هستند، ترک می‌خورند، مقاومت و سختی خود را از دست می‌دهند و رفتارشان به شدت غیرخطی و غیرقابل اعتماد می‌شود.
بنابراین، در ارزیابی ظرفیت نهایی سازه (سطح ۲)، اثر مقاومتی میانقاب‌ها به طور کلی نادیده گرفته می‌شود. فرض بر این است که پس از چند سیکل رفت و برگشتی، میانقاب‌ها به شدت آسیب دیده و دیگر نقشی در تحمل برش طبقه ندارند. تمام نیروی جانبی باید توسط قاب اصلی سازه (که به صورت شکل‌پذیر طراحی شده) تحمل شود.
این رویکرد دوگانه، مزایای هر دو حالت را به همراه دارد:
مزیت در سطح ۱: با لحاظ کردن سختی میانقاب، سازه در برابر زلزله‌های خدمتی بسیار سخت و با عملکرد عالی خواهد بود و خسارات غیرسازه‌ای به حداقل می‌رسد.
مزیت در سطح ۲: با نادیده گرفتن مقاومت میانقاب، ایمنی نهایی سازه تنها به قاب شکل‌پذیر وابسته است و طراح به یک جزء ترد و غیرقابل اعتماد برای جلوگیری از فروریزش تکیه نمی‌کند.
۲.۳. کنترل اثرات منفی میانقاب در رویکرد ژاپنی
اگرچه ژاپنی‌ها اثر مقاومتی میانقاب را در سطح ۲ حذف می‌کنند، اما همانند رویکرد آمریکایی، اثرات اندرکنشی منفی آن را به دقت کنترل می‌نمایند:
طبقه‌بندی دیوارها (Wall Classification):
استاندارد ژاپن دیوارها را بر اساس مشخصات سازه‌ای و نحوه اتصالشان به چند گروه تقسیم می‌کند. برای هر نوع دیوار، “ضریب سختی” مشخصی ارائه می‌شود که در محاسبات سطح ۱ مورد استفاده قرار می‌گیرد. این رویکرد، تخمین سختی را از یک کار نظری به یک فرآیند استاندارد و کد-محور تبدیل می‌کند.
شاخص نامنظمی سختی (Stiffness Irregularity Index, RsR_sRs):
BSL یک کنترل بسیار صریح و کمی برای نامنظمی سختی در ارتفاع دارد. برای هر طبقه، شاخص RsR_sRs محاسبه می‌شود که نسبت سختی آن طبقه به متوسط سختی طبقات بالایی است.
Rs=ki(∑j=i+1nkj)/(n−i)R_s = \frac{k_i}{(\sum_{j=i+1}^{n} k_j) / (n-i)}Rs=(∑j=i+1nkj)/(n−i)ki
مقدار RsR_sRs باید از یک حد معین (معمولاً ۰.۶) بیشتر باشد. نکته حیاتی این است که سختی طبقه (kik_iki) با در نظر گرفتن تمام اجزا، شامل قاب اصلی و دیوارهای غیرسازه‌ای محاسبه می‌شود. این کنترل به طور مؤثری از ایجاد طبقه نرم ناشی از حذف ناگهانی میانقاب‌ها در یک طبقه جلوگیری می‌کند.
شاخص خروج از مرکزیت (Eccentricity Ratio, ReR_eRe):
به طور مشابه، برای کنترل نامنظمی پیچشی، BSL محاسبه “نسبت خروج از مرکزیت” (ReR_eRe) را برای هر طبقه الزامی می‌کند. این شاخص، فاصله بین مرکز جرم و مرکز سختی را به صورت کمی بیان می‌کند.
ReR_eRe نباید از مقدار مشخصی (معمولاً ۰.۱۵) تجاوز کند. باز هم، مرکز سختی با در نظر گرفتن اثر میانقاب‌ها محاسبه می‌شود. اگر ReR_eRe از این حد بیشتر شود، تحلیل دینامیکی سه بعدی یا اعمال ضریب افزایش پیچش الزامی می‌گردد.
اثر ستون کوتاه (Short Column Effect):
رویکرد ژاپنی به این پدیده نیز بسیار مستقیم و سخت‌گیرانه است. آن‌ها این پدیده را به عنوان یکی از دلایل اصلی شکست‌های برشی در زلزله‌های گذشته (مانند زلزله کوبه ۱۹۹۵) شناسایی کرده‌اند.
دستورالعمل‌های طراحی (مانند استانداردهای موسسه معماری ژاپن، AIJ) ضوابط روشنی برای جلوگیری از شکست برشی ستون کوتاه دارند. اگر ستونی توسط میانقاب به صورت جزئی مهار شده باشد، ظرفیت برشی آن باید بر اساس یک مدل خرابی مشخص (معمولاً شکست برشی قبل از تسلیم خمشی) ارزیابی شود و در صورت لزوم، با افزایش شدید آرماتورهای برشی (تنگ‌ها)، تقویت گردد. در بسیاری از موارد، طراحان ژاپنی ترجیح می‌دهند با ایجاد “درز برشی” (Slit) در دیوار میانقاب در مجاورت ستون، از وقوع این پدیده جلوگیری کنند.
۲.۴. جمع‌بندی رویکرد ژاپن:
رویکرد ژاپنی به اثر میانقابی، یک رویکرد “دوگانه و عمل‌گرایانه” است. آن‌ها واقعیت حضور و تأثیر میانقاب را می‌پذیرند و از آن به نفع خود استفاده می‌کنند:
سطح ۱ (خدمت‌پذیری): اثر سختی میانقاب به طور کامل در محاسبات وارد می‌شود تا عملکرد سازه در برابر زلزله‌های خفیف بهبود یابد و دریفت کنترل شود. حذف اثر میانقابی در این سطح مجاز نیست.
سطح ۲ (نهایی): اثر مقاومتی میانقاب به دلیل رفتار ترد و غیرقابل اعتمادش حذف می‌شود و ایمنی نهایی سازه تنها بر عهده قاب شکل‌پذیر گذاشته می‌شود.
کنترل‌های جانبی: اثرات منفی اندرکنش (طبقه نرم، پیچش، ستون کوتاه) به وسیله شاخص‌های کمی و کنترل‌های دقیق، با در نظر گرفتن مشخصات میانقاب، مدیریت می‌شوند.
این فلسفه، که می‌توان آن را “استفاده از سختی، اتکا نکردن به مقاومت” نامید، نشان‌دهنده درک عمیق مهندسی ژاپن از رفتار پیچیده و غیرخطی سازه‌ها در دنیای واقعی است.
بخش سوم: مقایسه تحلیلی دو رویکرد و نتیجه‌گیری برای عمل مهندسی
اکنون که هر دو رویکرد را به تفصیل بررسی کردیم، می‌توانیم آن‌ها را در یک جدول مقایسه کرده و نتایج عملی برای یک مهندس طراح استخراج کنیم.
ویژگی | رویکرد آمریکا (ASCE 7, ACI 318, AISC 341) | رویکرد ژاپن (BSL, AIJ Standards) |
فلسفه اصلی | جداسازی و کنترل (Isolation & Control): تلاش برای حذف اندرکنش و کنترل اثرات منفی در صورت عدم موفقیت در جداسازی. | پذیرش و مدیریت (Acceptance & Management): پذیرش اندرکنش و استفاده هوشمندانه از آن در سطوح مختلف عملکردی. |
مدل‌سازی اولیه | معمولاً قاب خالص (Bare Frame). اثر میانقاب حذف می‌شود. | قاب به همراه سختی میانقاب‌ها (Infilled Frame). اثر سختی لحاظ می‌شود. |
کنترل دریفت | دریفت بر اساس مدل قاب خالص کنترل می‌شود. (ممکن است منجر به طراحی بیش از حد محافظه‌کارانه قاب شود). | دریفت در سطح ۱ (زلزله متوسط) با در نظر گرفتن سختی میانقاب کنترل می‌شود. (رویکرد واقع‌گرایانه‌تر). |
مقاومت نهایی | به مقاومت میانقاب اتکا نمی‌شود. ایمنی نهایی بر عهده قاب است. | مقاومت میانقاب در سطح ۲ (زلزله شدید) نادیده گرفته می‌شود. ایمنی نهایی بر عهده قاب است. (مشابه آمریکا) |
کنترل نامنظمی‌ها | الزام به کنترل نامنظمی طبقه نرم و پیچش با در نظر گرفتن سختی میانقاب. (یک کنترل ثانویه و اصلاحی). | الزام به کنترل نامنظمی‌ها از طریق شاخص‌های کمی (Rs,ReR_s, R_eRs,Re) که از ابتدا سختی میانقاب را لحاظ می‌کنند. (یکپارچه با فرآیند طراحی). |
اثر ستون کوتاه | کنترل بسیار سخت‌گیرانه. الزام به طراحی ستون برای برش بسیار بالا بر اساس ظرفیت خمشی. | کنترل بسیار سخت‌گیرانه. الزام به تقویت برشی شدید ستون یا جلوگیری از اندرکنش با ایجاد درز. |
نتیجه عملی | سازه‌های طراحی شده ممکن است در واقعیت سخت‌تر از مدل تحلیلی باشند. تمرکز اصلی بر جلوگیری از اثرات منفی است. | سازه‌های طراحی شده درک بهتری از رفتار واقعی خود در سطوح مختلف بارگذاری دارند. طراحی بهینه‌تر برای سطح خدمت‌پذیری. |
پیچیدگی طراحی | فرآیند طراحی اصلی ساده‌تر است (قاب خالص)، اما کنترل‌های ثانویه آن را پیچیده می‌کند. | فرآیند طراحی از ابتدا پیچیده‌تر است (نیاز به تخمین سختی دیوارها)، اما یکپارچه و منسجم‌تر است. |
کدام رویکرد بهتر است؟
پاسخ به این سوال ساده نیست و به فلسفه و اهداف طراحی بستگی دارد.
رویکرد آمریکا از دیدگاه یک طراح که به دنبال یک فرآیند سرراست و در عین حال ایمن است، جذابیت دارد. این رویکرد با فرض بدترین حالت (عدم اتکا به میانقاب) و سپس کنترل نقاط ضعف احتمالی، سطح بالایی از اطمینان را در برابر فروریزش ایجاد می‌کند. با این حال، این رویکرد ممکن است رفتار واقعی سازه در زلزله‌های متوسط را به درستی پیش‌بینی نکند و منجر به طراحی سازه‌هایی شود که بیش از حد انعطاف‌پذیر (در مدل) و در نتیجه گران‌تر (از نظر ابعاد قاب) هستند.
رویکرد ژاپن از دیدگاه یک مهندس عملکردنگر (Performance-Based Engineer) بسیار پیشرفته‌تر و منطقی‌تر است. این رویکرد تصدیق می‌کند که یک ساختمان در طول عمر خود با سطوح مختلفی از زلزله روبرو می‌شود و باید در هر سطح، عملکرد قابل قبولی داشته باشد. با مدیریت هوشمندانه اثر میانقاب، مهندسان ژاپنی به سازه‌هایی دست می‌یابند که هم در برابر زلزله‌های خفیف عملکردی عالی (خسارت کم) دارند و هم در برابر زلزله‌های شدید ایمنی جانی را تأمین می‌کنند. این رویکرد به درک عمیق‌تری از رفتار غیرخطی و اندرکنش اجزا نیاز دارد.
توصیه برای مهندسین ایرانی:
با توجه به اینکه آیین‌نامه ۲۸۰۰ ایران در بسیاری از بخش‌ها از استانداردهای آمریکایی (به خصوص نسخه‌های قدیمی‌تر ASCE 7) الگوبرداری کرده است، رویکرد غالب در کشور ما نیز به سمت “حذف اثر میانقابی” در مدل‌سازی اصلی گرایش دارد. با این حال، زلزله‌های گذشته در ایران و جهان به ما آموخته‌اند که این رویکرد ساده‌انگارانه می‌تواند مرگبار باشد.
به عنوان یک مهندس باسابقه، توصیه من به همکاران جوان‌تر این است که صرفاً به حذف اثر میانقاب در نرم‌افزارهایی مانند ETABS یا SAP2000 اکتفا نکنند. یک مهندس توانمند باید:
همیشه کنترل‌های نامنظمی را انجام دهد: همانند الزامات ASCE 7، حتی اگر میانقاب را در مدل اصلی وارد نمی‌کنید، یک مدل تحلیلی جانبی با سختی تخمینی میانقاب‌ها بسازید و نامنظمی طبقه نرم و پیچشی را به دقت کنترل کنید.
به دنبال ستون‌های کوتاه بگردید: پلان‌های معماری را با دقت بررسی کنید. هر جا که یک دیوار میانقاب به صورت ناقص در کنار یک ستون قرار گرفته است، آن ستون یک “بمب ساعتی برشی” است. طراحی برشی آن ستون را مطابق ضوابط سخت‌گیرانه (مانند ACI 318) انجام دهید.
فلسفه ژاپنی را بیاموزید: درک رویکرد دو سطحی ژاپن، ذهنیت شما را به عنوان یک طراح ارتقا می‌دهد. تلاش کنید سازه‌هایی طراحی کنید که نه تنها در برابر فروریزش ایمن هستند، بلکه در سطح خدمت‌پذیری نیز عملکرد خوبی دارند. این یعنی توجه به سختی و کنترل تغییرمکان‌ها با دیدی واقع‌گرایانه‌تر.
به جزئیات اجرایی توجه کنید: اگر تصمیم به جداسازی میانقاب از قاب می‌گیرید، جزئیات اجرایی دقیق و قابل ساختی برای “درز انقطاع” ارائه دهید و بر اجرای صحیح آن نظارت کنید. یک درز که با ملات پر شده باشد، با نبودن درز هیچ تفاوتی ندارد.
کلام آخر:
بحث “حذف اثر میانقابی” یکی از کلاسیک‌ترین نمونه‌های تقابل بین “سادگی تحلیل” و “واقعیت رفتار سازه” است. رویکرد آمریکایی با اولویت دادن به ایمنی در برابر فروریزش، یک مسیر محتاطانه و قابل اطمینان را پیشنهاد می‌کند. رویکرد ژاپنی، با پذیرش پیچیدگی‌ها، به دنبال یک طراحی عملکردی بهینه‌تر در تمام سطوح است. یک مهندس خبره، مهندسی است که از هر دو فلسفه می‌آموزد و با قضاوتی مهندسی، بهترین و ایمن‌ترین تصمیم را برای پروژه‌ای که در دست دارد، اتخاذ می‌کند. او می‌داند که میانقاب‌ها، چه در مدل باشند و چه نباشند، در هنگام زلزله “حضور” خواهند داشت و اثر خود را بر سازه اعمال خواهند کرد. وظیفه ما، پیش‌بینی و مدیریت این اثر است، نه نادیده گرفتن آن.
امیدوارم این تحلیل جامع و مفصل، عمق موضوع را برای شما روشن کرده باشد. همواره آماده پاسخگویی به سوالات تکمیلی شما هستم.
با احترام
رحمان علی نیا