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 :
| سطوح عملکرد ساختمان | |||
| قابلیت استفاده بی وقفه | ایمنی جانی | آستانه فرو ریزش | |
| (IO) | (LS) | (CP) | |
| میزان خسارتهای وارده : | کم | متوسط | شدید |
خسارت اجزای سازهای : | - سختی و مقاومت اعضا تقریباً تغییری نمیکند. - تغییر شکل ماندگار و ترک خوردگی در اعضا ایجاد نمی‌شود. | - سختی و مقاومت باقی مانده در تمام طبقات وجود دارد. - سیستم باربر ثقلی عمل میکند. - گسیختگی دیوار، خارج از صفحه نخواهد بود. - تغییر شکل ماندگار در سازه وجود دارد. | - سختی و مقاومت باقی مانده ناچیز است ولی ستونها و دیوارهای برشی عمل می‌کنند. - دیوارها و دست اندازهای مهار نشده، گسیخته میشوند. - تغییر شکل ماندگار زیاد سازه است. |
خسارت اجزای غیرسازه‌ای : | - آسانسورها قابل استفاده مجدد باقی خواهند ماند. - تجهیزات اطفاء حریق همچنان قابل استفاده خواهند بود. - تاسیسات ساختمان دچار خرابی ناچیز خواهند شد.(به گونهای که با تعمییرات جزئی قابل استفاده شوند.) | - از خطرات فرو ریزش اشیاء جلوگیری شده است. - بسیاری از تاسیسات و عناصر معماری سازه دچار آسیب جدی شده‌اند. | - خرابی گستردهای در اعضای غیر سازهای ایجاد خواهد شد. |
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
