بازسازی و بهسازی ساختمان ها

بیمارستان دریایی Bremerton در واشنگتن و منطقه ی Puget Sound به 60000 نفر از خوانواده های ارتش سرویس می دهد. این بیمارستان که در نزدیکی Seattle قرار گرفته ، یکی از دو بیمارستان بزرگ Kitsap Peninsula واشنگتن است. در نتیجه در اثر یک حادثه ی طبیعی جدی ، مانند زلزله ای با مقیاس بزرگ ، این بیمارستان باید توانایی سرویس دهی فوری به بیش از 250000 نفر را داشته باشد.

مرحله ی اول

این بیمارستان شامل بیش از 20 ساختمان ( که برخی از آنها قبل از دهه ی 1930 بنا شده اند) می باشد. نیروی دریایی آمریکا می خواست میزان خظر پذیری لرزه ای مرکز پزشکی Bremerton و این که چطور به بهترین وجه این خطر پذیری را کاهش دهد را دریابد.در سال 1999 مهندسین سازه از Reid Middleton یک سری آزمایشات لرزه ای را آغاز کردند و امکانات مختلف بیمارستان دریایی را برای تشخیص سیستماتیک نواقص لرزه ای مورد ارزیابی قرار دادند.

مرحله ی اول فهمیدن وسعت و نوع خطرات لرزه ای سازه و ارزیابی خطرپذیری مبتنی بر نوع, استفاده و جمعیت داخل ساختمان بود. تکنیک های FEMA 154( آزمایش بصری سریع ساختمان ها برای امکان خطرات لرزه ای)  برای مستند کردن یافته های اولیه به کار گرفته شد. این کار نیروی دریایی و تیم طراحی با تصویری بزرگ از نمای کلی سهام ساختمان و خطرات لرزه ای و همچنین یک رده بندی نسبی اولیه از خطر پذیری لرزه ای امکانات انجام شد. این یک ابزار عالی برای اولویت بندی کردن کارهای آینده درجهت بررسی جزییات بیشتر امکاناتشان با بالاترین میزان خطرپذیری بود.

یکی از ساختمان های با خطر بالا ساختمان اصلی بیمارستان (یک ساختمان 9 طبقه با مساحت 250000فوت مربع و ساخته شده در اواخر دهه ی 1960) بود.سازه ای شامل یک قاب خمشی فولادی ، کفهای کامپوزیتی متشکل از بتن و عرشه ی فولادی ، پوشش بتنی پیش ساخته و برج های پله دار بتنی. ساختمان اصلی بیمارستان بدترین نمره ی خطر را نداشت با این وجود، به شکل قابل ملاحظه ای بزرگتر از دیگر ساختمان های پزشکی درون مجتمع و همچنین محل مهمترین کارهای پزشکی بود.

پیشنهاد :

یک ارزیابی لرزه ای دقیق از بیمارستان با استفاده از استاندارد های مهندسی مبتنی بر عملکرد (FEMA130 - کتابی برای ارزیابی لرزه ای ساختمان ها - یک پیش استاندارد و FEMA356 - یک پیش استاندارد و گزارش برای نوسازی لرزه ای ساختمان ها) برای کسب فهم بهتر امکان نواقص لرزه ای انجام شد.

سیستم باربر جانبی ساختمان (LFRS) شامل سیستم قاب خمشی فولادی با  نا معینی زیاد با اتصالات تیر به ستون می باشد. با بیش از 1200 اتصال خمشی، LFRS مقدار زیادی نامعینی دارد. با وجود اینکه بسیار انعظاف پذیر است ، در جابجایی های زیاد، پاسخ پیچشی زیاد برج باریک ، تقاضای چرخشی مورد انتظار بالا ، و نیروهای روی اتصالات قاب خمشی دهه ی 1960 پیش از Northridge (  pre-Northridge، مراجعه شود به FEMA) نتیجه بخش است.

به علاوه ، ناسازگاری بین انعطاف پذیری LFRS و پله ی بتنی صلب وجود داشت. اتصالات پانل پوششی برای اصلاح دریفت های ناشی از زلزله در سطح طراحی طرح ریزی نشده بودند و یک خطر ریزش بالقوه را برای راههای خروجی ساختمان ایجاد می کردند. دریفت های زیاد همچنین باعث می شد که برخی از ستون های ساختمان دچار تنش بیش از حد در نیروی محوری ترکیب شده با خمش دو محوری شوند .

این ارزیابی لرزه ای دقیق در اواخر سال 2000 به پایان رسید و یک مقاوم سازی لرزه ای جامع را برای بیمارستان پیشنهاد داد.

قدم های طبیعت

در فوریه ی 2001 زلزله ی Nisqually به بزرگی 6.8 منطقه ی Puget Sound را لرزاند. لرزش بیمارستان به علت عمق زلزله و همچنین فاصله ی 30 مایلی کانون آن نسبتا کم بود. یک لرزه نگار در بیمارستان ماکزیمم شتاب افقی زمین در سطح طبقه ی زیرین را 0.11g و ماکزیموم شتاب سقف را 0.47g ثبت کرد.سازه ی ساختمان جابجایی های جانبی قابل ملاحظه ای را در خلال زلزله ی کوچک (کمتر از سطح طراحی) تجربه کرد، به ویژه در طبقات بالایی برج. جابجایی ماکزیمم سقف از این لرزه ی نسبتا کم زلزه بیش از 6 اینج (یک نسبت دریفت 0.5٪) محاسبه شد. این حرکت موجب مقدار قابل ملاحظه ای از خرابی های غیر سازه ای در بیمارستان -به ویژه در طبقات بالایی - شد.

این مساله می توانست بسیار بد باشد. اگر زلزله ی سطح طراحی به Puget Sound اعمال می شد ، جابجایی های سقف بیمارستان نه طبقه می توانست چندین فوت باشد ، که نتیجه اش خرابی بیشتر و کاهش عملکرد بیمارستان بود.

تقریبا شش ساعت پس از زلزله ، کارکنان بازرسی های سریعی از ساختمان انجام دادند، و اطلاعات کافی جهت اجازه دادن به بازگشایی بیمارستان برای سایر کارها جمع آوری و بررسی شد. چندین روز طول کشید که Reid Middleton بازرسی های دقیق را تکمیل کند. بازسازی کامل و مهیا کردن ساختمان برای برای استفاده ی کامل چندین ماه به طول انجامید. چون بیمارستان اصلی در اواخر دهه ی 1960 با اتصالات قاب خمشی فولادی پیش از Northridge ساخته شده بود ، یک بررسی و برنامه ی آزمایش دقیق مطابق با سری استانداردهای FEMA350 برای بررسی اینکه آیا زلزله اتصالات قاب خمشی فولادی را خراب کرده یا نه انجام شد. از تقریبا 1550 اتصال خمشی 30 تا مورد آزمایش و بازرسی ویژه برای خرابی قرار گرفتند. برخی از این اتصالات به وسیله ی تست های التراسونیک غیر مخرب و ذرات مغناطیسی مورد بررسی قرار گرفتند تا احتمال یافتن خرابی هایی که قابل شناسایی با بازرسی چشمی نیستند افزایش یابد.از بررسی 30 اتصال ، هیچ خرابی (شکستگی ها و خرابی های قابل ملاحظه) وابسته به لرزش زلزله مشاهده نشد .

طراحی بر اساس عملکرد

از آنجا که بهسازی لرزه ای متداول به وسیله ی تقویت و سخت کردن قاب های خمشی LFRS گران و شکننده بود، سایر طرح های بهسازی ارزیابی شدند. استفاده از میراکننده های لرزه ای تکمیلی ثابت کرد که بهترین برنامه ی طراحی را برای بهبود عملکرد لرزه ای ساختمان بالای 30 سال ،هنگامی که میزان شکست در خلال ساخت کمینه است ، می باشد.

هدف میراکننده های مقاوم تکمیلی کاهش جابجایی جانبی ساختمان از راه هدردهی مساعد انرژی زلزله از طریق تولید حرارت در سیستم میراگر می باشد. یکی از چالش های پروژه های بهسازی لرزه ای این است که " چیزی را خراب تر نکنید".بهسازی ها می توانند روش های عمومی بارگذاری را به صورت بالقوه تغییر دهند ، به این سبب که اعضایی که بارها را تحمل می کنند عموما برای این کار طراحی نشده اند.

مکانیزم میراکننده های مقاوم ، LFRS را تکمیل می کند. این یک انتصاب پایدار است که در محل باقی می ماند و برای عمر سازه کارایی دارد ، حتی پس از یک رخداد لرزه ای. به وسیله ی اتلاف انرژی ، میراگر ها نیروهای لرزه ای ، جابجایی ها، و شتاب کف ها در سازه را به شکل قابل ملاحظه ای کاهش می دهند ، بنابراین باعث کاهش یا حذف خرابی های ناشی از زلزله در سیستم اصلی سازه ای و بسیاری از سیستم های غیر سازه ای در ساختمان می شوند.

میراکننده ی لرزه ای تکمیلی طراحی شده بود تا در مکان های مشخصی در سراسر ساختمان اصلی بیمارستان نصب شود. چون سیستم میراکننده ی لرزه ای، مقاوم و تکمیلی است ، به طور محسوسی پاسخ اصلی LFRS برای بار باد در ساختمان را تغییر نمی دهد .یک مزیت این سیستم میراکننده توانایی در جابجایی مکان میراگر از کف به کف برای خالی کردن مناطق خیلی حساس بیمارستان است.همچنین جابجایی محل های میراگر محدودیت های ناشی از ستون های موجود ساختمان را در مقایسه با بهسازی سنتی که در آن المان های جانبی از کف تا کف انباشته شده اند ، کاهش می دهد.

تحلیل :

در طرح بهسازی لرزه ای بیمارستان از تحلیل غیر خطی اجزا محدود سه بعدی استفاده شده بود.سطوح عملکرد هدف "جاگیر شدن فوری" برای 10٪ / زلزله ی مبنای طراحی 50 سال (DBE) و "جلوگیری از ریختن" برای 2٪ / ماکزیمم زلزله ی مد نظر 50 سال (MCE) می باشد.

چون تیم طراحی یک رکورد واقعی از سقف ساختمان ، کف طبقه پنجم، و پاسخ های طبقه ی زیرین در برابر زلزله Nisqually داشت ، مهندس ژئوتکنیک قادر به تنظیم مطالعه اش در پاسخ محل ویژه ی زمین برای خصوصیات محل و ساختمان بود. این ثبت پاسخ، یک گروه طراحی با یک پاسخ محک را به وجود آورد که درک روشنی از عملکرد آینده ی ساختمان داشتند.

در سال 2005 کلا 88 میراگر لرزه ای باید در 44 ناحیه ی انتخابی در ساختمان نصب می شد. هر میراگر دارای 200 تا 300 کیلو پوند ظرفیت با ± 3 اینچ حرکت بود.برخی از میراگرها در دید بیماران و کارکنان قرار می گرفتند در حالی که برخی دیگر در حفره های درون دیوارهای موجود مخفی شدند.نصب میراگرهای لرزه ای یک روش موثر برای بهسازی لرزه ای مراکز ضروری مانند بیمارستان دریایی Bremerton در جهت بهبود عملکرد لرزه ای و کارایی پس از زلزله ی آنها می باشد.

هزینه :

هزینه ی تخمینی جایگزینی بیمارستان اصلی 60 میلیون دلار بود در حالی که هزینه ی بهسازی 4 میلیون تخمین زده شد. چون انتظار می رفت که ساختمان موجود حداقل برای 30 سال خدمات بیمارستان را برعهده گیرد سرمایه گذاری در بهبود عملکرد لرزه ای عاقلانه تر بود.

نتایج:

• بهسازی اثر چشم گیری در رفتار ساختمان خواهد داشت :
• درفت های طبقات و شتاب های کف ها (تقریبا 30٪ برای تمام کف ها ) کاهش یافت.
• پاسخ میرا برای یک رخداد 2500 ساله کاهش یافت به بزرگی مشابه به آنچه در پاسخ ساختمان بهسازی نشده برای یک رخداد 500 ساله وجود داشت.
• چرخش های دیافراگم بین 30 تا 70 درصد برای تمام سطوح کاهش یافت.

استفاده از میراگرهای با سیال ویسکوز در کنار طراحی بر اساس عملکرد یک راه حل بسیار موثر را ارائه داد که انعظاف پذیری لازم برای کمینه کردن اثر سازه روی عملکردهای ضروری بیمارستان را داشت.

ترجمه شده توسط تیم خبری 808 

منبع در پیوست قابل دریافت است