بهسازی لرزه‌ای سازه‌های موجود و طراحی لرزه‌ای بر اساس عملکرد

مفهوم طراحی لرزه‌­ای سازه‌­ها بر اساس عملکرد (PBSD)

طراحی لرزه‌­ای سازه­‌ها بر اساس عملکرد به زبان ساده، یعنی طراح سازه این اختیار را داشته باشد که برای سطح خاصی از خطر زلزله، عملکردی مشخص را برای سازه لحاظ کند!

وقتی گفته می­شود در یک سطح خطر خاص، عملکرد مشخصی را برای سازه لحاظ کند یعنی، بیان کند در این رخداد خاص، تلفات جانی و خسارت­های مستقیم مالی و نیز آسیب­های وارد بر کاربری سازه با چه احتمالی و در چه حدودی خواهد بود.

خاستگاه رویکرد طراحی لرزه­‌ای براساس عملکرد

گرچه زلزله سال ۱۹۷۱ دره سن فرناندو آمریکا، همچون یک میزلرزه در وسعتی به بزرگی شهر لس‌­آنجلس، ضرورت اصلاح آئین‌­نامه‌­های طرح لرزه­‌ای را اثبات کرد و مهندسی زلزله را دگرگون ساخت. اما لرزش مجدد این ناحیه در ساعات اولیه صبح ۱۷ ژانویه سال ۱۹۹۴، این بار اقتصاد دولت فدرال ایالات متحده آمریکا را تکان داد و با تحمیل خسارت‌­های بیلیون دلاری به این کشور، شکل­‌گیری رویکردی نوین در طراحی لرزه­‌ای سازه‌­ها را زمینه سازی کرد.

گزارشات منتشر شده از سوی تیم‌­های ارزیاب حاضر شده در محل وقوع زلزله نورثریج و مخابره خبر مسرّت بخش وجود تلفات جانی کمتر از ۷۵ نفر در این ناحیه­‌ی پر­تراکم شهری از سوی آنها، گرچه تحقق کامل اهداف رویکرد ایمنی جانی آئین­‌نامه‌­های طرح لرز­ه­‌ای را نشان می­داد، اما هم­زمان از وقوع خسارت­‌های شدید سازه‌­­ای در منطقه‌­ای وسیع حول کانون اصلی زلزله نیز، پرده برمی­‌داشت!

ادامه روند طراحی

روند طراحی در آئین‌­نامه­‌های تدوین شده تا سال ۱۹۹۴ میلادی بدین صورت بود که، ابتدا زلزله­‌ی سطح طراحی سازه مشخص می‌­گردید و در گام بعدی، محاسبات و جزئیات ­­لرزه‌­ای المان­‌های سازه‌­ای به نحوی تعیین می‌­شد که سازه در مواجهه با زلزله تعیین شده، رفتاری غیر­ارتجاعی داشته باشد و ضمن تحمل آسیب­‌های گسترده، ایمنی جانی کاربران خود را تامین نماید. اما نکته مغفول در این رویکرد صفر و یکی، عدم توجه به رفتار سازه در زلزله­‌های با شدت کمتر از زلزله‌­ی طرح بود.

لذا سازه‌­های طرح شده با این رویکرد حتی در هنگام قرار گرفتن در معرض زلزله‌­های کم شدت­ هم، رفتار غیر­خطی نشان می­دادند و متحمل تغییرشکل‌­های گسترده و خسارت­های مالی وسیع می­‌شدند.

در مورد این زلزله ۶/۷ ریشتری، اگر به توزیع شدت زلزله در نقشه های لرزش زمین منتشر شده توسط سازمان زمین شناسی ایالات متحده آمریکا (USGS) نگاه کنید، به وضوح درخواهید یافت که کانتورهای نواحی پرشدت زلزله (طیف رنگی قرمز تا نارنجی پر) از نظر وسعت، مساحت بسیار کمتری را نسبت به نواحی با شدت متوسط تا کم (یعنی طیف رنگی نارنجی تا زرد) در برگرفته است و اگر سازه‌­های واقع در نواحی کم شدت دچار آسیب نمی­‌شدند، بار مالی این حادثه تا حدود زیادی کاهش می‌­یافت!

گستردگی محدوده توزیع آسیب­‌ها در این زلزله سبب شد، آئین‌­نامه­‌های طراحی از آن به بعد، به جای کنترل سازه در برابر یک سطح خطر خاص، کنترل­‌های چند سطحی برای زلزله‌­های با شدت­‌های متفاوت را در دستور کار خود قرار دهند. تا بدین ترتیب آسیب­ سازه­‌ها در مواجهه با زلزله­‌های کم شدت­‌تر از زلزله­‌ی سطح طراحی به شدت کاهش یابد.

در نظر گرفتن سطوح خطر مختلف در آئین‌­نامه‌­ها و انتظار رفتاری مشخص از سازه در برابر هر یک از این سطوح خطر، در حقیقت هسته­‌ی اولیه­ و پایه­‌گذار شیوه­ای نوین در طراحی لرزه‌­ای سازه‌­ها، تحت عنوان "طراحی لرزه­‌ای بر اساس عملکرد" بود.

لزوم استفاده از روش عملکردی در بهسازی لرزه‌­ای ساختمان­‌های موجود

پس از زلزله نورثریج، با توجه به وجود تعداد زیاد ساختمان­‌های طرح و اجرا شده بر اساس رویکرد نسل­‌های قبلی آئین‌­نامه‌­های طرح لرزه‌­ای، انجام مجموعه اقداماتی در کل یا قسمتی از این سازه­‌ها به نحوی که عملکرد لرزه‌­ای آنها را بهبود بخشد، گامی مهم و موثر در جهت کاهش خسارت­‌های احتمالی زمین‌­لرزه­‌های آتی محسوب می­‌شد.

با این حال، زبان آئین­‌نامه­‌های طرح لرزه‌­ای و خروجی کنترل­‌های لرزه­‌ای آنها که همگی پارامترهایی با پایه­ و اساس مهندسی بودند، برقراری ارتباط محققان و کارشناسان صنعت ساخت و ساز با مسئولین بالا دستی این حوزه را خدشه دار می‌­کرد و ترغیب مالکان ساختمان‌­های موجود به انجام بهسازی لرزه‌­ای را پر چالش می‌­ساخت.

پارامترهای مهم بهسازی لرزه‌ای ساختمان

لذا محققان حوزه مهندسی زلزله که حالا دیگر فهمیده بودند وقتی موضوع بهسازی لرزه‌­ای ساختمان­‌های موجود برای تصمیم­‌گیران و مالکان جذاب خواهد بود که سه پارامتر مهم و پراهمیت :

۱ - ریسک تلفات جانی زلزله­‌های محتمل آتی (Death)،
۲ - خسارت‌­های مستقیم مالی ناشی از آسیب‌­های وارده به سازه­‌ها در اثر وقوع زلزله­‌های محتمل آتی (Dollar) و ۳ - خسارت­‌های ناشی از توقف بهره‌­برداری سازه جهت تعمیر و بازسازی آن پس از وقوع زلزله محتمل (DownTime) در توجیه سرمایه‌­گذاری آن‌ها تشریح شود، سعی کردند با بکارگیری رویکرد طراحی لرز­ه‌­ای عملکردی به سوی دست یابی احتمالاتی به پارامترهای مذکور قدم بردارند.

بدین ترتیب اولین راهنمای بهسازی لرزه‌­ای ساختمان­‌های موجود با پایه طراحی بر اساس عملکرد با عناوین FEMA273/274 در سال ۱۹۹۷ منتشر شد، سپس نسخه­‌های FEMA356/357 در سال ۲۰۰۰ ارائه گردید تا به عنوان پیش آئین‌­نامه­‌ای برای اهداف بهسازی عملکردی مورد استفاده جامعه مهندسی قرار بگیرد.

و در نهایت ASCE41 به عنوان مرجع اصلی و آئین نامه رسمی بهسازی لرزه‌­ای ساختمان‌­های موجود عرضه شد.

از سویی دیگر، طراحی لرز‌‌‌ه‌­ای بر اساس عملکرد با انعطاف‌­پذیری که در بهسازی لرزه‌­ای سازه‌­ها به وجود می­اورد، علاوه بر اینکه موجب می­‌شود سه عامل کلیدی هر پروژه­‌ی بهسازی، یعنی: مراجع قانون­گذاری رسمی کشوری (جهت رعایت حداقل­‌های عملکردی متناسب با کاربری سازه)، مهندس بهساز(به عنوان ارزیاب وضعیت سازه موجود و ارائه دهنده طرح بهبود دهنده رفتار لرزه‌­ای آن) و شخص مالک یا کارفرمای پروژه ( به عنوان سرمایه‌گذار و بهره­‌بردار اصلی سازه)، در تعیین عملکرد کلی سازه نقش داشته باشند.

در مورد پروژه­‌هایی که بودجه کافی نداشتند نیز نقش سازنده­‌ای داشت. این روش بهسازی به کارفرما اجازه می­داد تا با رعایت محدودیت‌­های حداقلی وضع شده از طرف قانون­گذاران، سطح عملکرد سازه در مواجهه با یک سطح خطر لرزه‌­ای خاص را متناسب با بودجه خود کاهش دهد!

طرح یک مثال...

برای درک بهتر این انعطاف، به طور مثال فرض کنید مدارس بخش­‌های وسیعی از یک کشور به علت فرسودگی بالا نیازمند بهسازی لرزه‌­ای فوری باشند، در این شرایط و در صورت عدم وجود بودجه کافی برای این طرح کلان ملی، می­توان در شرایط اضطرار، با کاهش سطح عملکرد بهسازی لرزه‌­ای این مدارس، در وهله‌­ی اول سایه‌­ی خطر تلفات جانی را از این مدارس دور کرد و در مرحله‌­ی بعدی، نسبت به بهبود سطح عملکردی آنها اقدام نمود.

با این حال لازم است بیان شود علی رغم پیشرفت­‌های چشمگیر علم مهندسی زلزله در دهه­‌های اخیر، هنوز هم کلیه‌­ی ­آئین­‌نامه­‌ها و دستورالعمل­‌های بهسازی لرزه‌­ای ساختمان­‌های موجود، با ارائه سه سطح عملکردی، توصیفی و گسسته عملاً قادر به تشریح احتمالاتیِ تلفات جانی و زیان­‌های مستقیم و غیرمسقیم مالیِ سطوح مختلف عملکرد سازه­‌های در معرض زلزله‌­های احتمالی نیستند!

بررسی سطوح عملکردی

سطوح عملکردی اصلی ارائه شده از سوی این آئین­‌نامه‌­ها به شرح منحنی ظرفیت شکل زیر و در قالب سه سطح عملکردی مجزا با عناوین، استفاده بی­وقفه (IO)، ایمنی جانی (LS) و آستانه‌­ی فروریزش (CP) می‌­باشد:

یک نمونه دستورالعمل...

به عنوان نمونه، دستور­العمل بهسازی لرزه‌­ای کشورمان (نشریه 360)، سه سطح عملکردی اصلی، برای سطح خطر زلزله‌­ی طراحی (یعنی زلزله‌­ای که احتمال وقوع آن ۱۰ درصد در ۵۰ سال عمر مفید سازه می­‌باشد و فراگذشتی برابر ۴۷۵ سال دارد) را، به شکل جدول زیر ارائه می­کند :

جمع بندی

رویکردهای ارزیابی خسارت ارائه شده در آئین­‌نامه‌­های بهسازی لرزه‌­ای حال حاضر (نظیر آنچه در جدول بالا بیان شد)، از نسل­ اول "طراحی لرزه­‌ای سازه‌­ها بر اساس عملکرد" گرفته شده‌­اند و بیشتر شکل توصیفی دارند.از این رو انتظار می­رود با توجه به تلاش­‌های بی­وقفه و گسترده صورت گرفته از سوی محققان و پژوهشگران علم مهندسی زلزله در سال­‌های اخیر، در آینده‌­ای نه چندان دور، شاهد ورود نسل دوم "طراحی لرزه‌­ای سازه­‌ها بر اساس عملکرد" به دستورالعمل‌­ها و آئین­‌نامه­‌های "بهسازی لرزه‌­ای ساختمان­‌های موجود" باشیم. تا بدین ترتیب با رفع مشکلات و موانع موجود بر سر راه بهسازی لرزه­‌ای ساختمان­‌های فرسوده­‌ی موجود، شاهد کاهش محسوس تلفات زلزله‌­های آتی جهان باشیم.

منابع

• پاک نیت، ش. "تفسیر دستوالعمل بهسازی لرزه‌­ای ساختمان­های فولادی موجود"، انتشارات متفکران، سال 1395.
• تابش­پور، ابراهیمیان، "مهندسی زلزله کاربردی در طراحی و بهسازی"، انتشارات فدک ایساتیس، سال 1394.
• دستورالعمل بهسازی لرزه‌­ای ساختمان­های موجود، امور نظام فنی معاونت برنامه­ریزی و نظارت راهبردی ریاست جمهوری، تجدید نظر اول، 1392.
• استاندارد 2800, طراحی ساختمان­ها در برابر زلزله، مرکز تحقیقات راه ، مسکن و شهرسازی، ویرایش چهارم، 1395.

• FEMA 273, 1997. NEHRP Guildlines for the Seismic Rehabilitation of Buildings, Prepared for the Building Seismic Safety Council, Washington, D.C.
• FEMA 356, 2000. Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, prepared by the American Society of Civi Engineers for the Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C.
• https://www.structuremag.org/?p=13962
• https://en.wikipedia.org/wiki/San_Fernando_Valley
• https://en.wikipedia.org/wiki/1994_Northridge_earthquake