مقاله تحلیلی: طراحی عملکردی تجویزی

مهندسان می دانند که آپارتمان های چندواحدی دارای قاب چوبی که طبقات نرم/ضعیف دارند، مستعد فروریزش ناشی از حرکت جانبی براثر زلزله هستند. این نوع فروریزش در زلزله 7/6 ریشتری سال 1994 نورثریچ و زلزله 9/6 ریشتری سال 1989 لوما پریتا اتفاق افتاد (شکل 1). بعنوان مثال در زلزله نورثریچ حدود 200 ساختمان که دارای هزاران واحد بودند، متحمل آسیب شدید یا فروریزش شدند.

اگرچه که در شهرهای کالیفرنیا ایمنی به واسطه ضوابط الزامی بهسازی افزایش یافته اما مشکل بسیار گسترده است. راه حل های قابل اطمینان طراحی به سختی قابل استفاده بودند که علت اصلی در درجه اول این است که این ساختمان ها قدیمی، ضعیف و نامنظم بوده، بااستفاده از مصالح قدیمی و روش های منسوخ ساخته شده و معمولاً هیچ پلانی از آن ها وجود ندارد. آژانس مدیریت بحران فدرال (FEMA) یک پروتکل با عنوان P807 برای ارزیابی لرزه ای و بهسازی ساختمان های قاب چوبی چندواحده با طبقه اول ضعیف ارائه کرد تا از این طریق به مهندسان در تعمیر اینگونه ساختمان ها ایجاد شده است.

این چالش سه جنبه مختلف دارد. اول اینکه بهسازی ها باید ازنظر هزینه مقرون به صرفه باشند که این موضوع ضرورتاً فعالیت را به طبقه همکف محدود می کند تا از جابجاشدن ساکنین جلوگیری شود. دوم اینکه با توجه به اینکه هزاران ساختمان تحت تاثیر قرار می گیرند، اقدام سریع ضروری است بنابراین طراحی باید برای مهندسان نسبتاً کم هزینه باشند تا بتوانند انجامشان دهند. سوم اینکه راه حل ها باید قابل اطمینان و کارآمد باشند تا بتوانند تلاش زیادی که انجام می شود را توجیه کنند.

این سه جنبه نقاط مشترکی با اصلاح قدیمی ساخت و ساز دارد: خوب، سریع ، ارزان: هریک از دومورد را می خواهید انتخاب کنید. بااین حال تیمی از همکاران و مشاوران تحت هدایت انجمن ATC برروی هرسه جنبه از استاندارد طراحی FEMA کار کرده اند. این تیم دستورالعمل هایی را برای بهسازی های کم هزینه طبقه همکف که طراحی آسانی داشته و عملکرد مناسبی دارند، تهیه کرد. همچنین چندین روش مبتکرانه برای حل مشکلات مرتبط ابداع کرده اند. نتیحه، روشی است که طراحی عملکردی تجویزی نامیده می شود.

این استراتژی شامل چهار مرحله است: 1) استفاده از اجزای غیرسازه ایِ 2) بهینه سازی مکانیزم طبقه همکف 3) بهره مندی از آنالیزهای تاریخچه زمانی پاسخ غیرخطی به منظور پیش بینی رفتار واقعی ساختمان بااستفاده از سازه های جایگزینی که پیش از آن تحلیل شده اند؛ و 4) استفاده از نرم افزار رایج به منظور یافتن سریع پاسخ های مربوطه

مشاهدات و الگوها

ساختمان های دارای طبقات همکف نرم/ضعیف دارای دو قسمت مجزا هستند. قسمت فوقانی که قوی اما شکننده و واحدهای مسکونی که روی طبقه همکفِ ضعیف، شکننده و غالباً از نظر پیچشی نامنظم قرار گرفته است. همانطور که در شکل 1 دیده می شود، طبقات ضعیف همکف ممکن است آسیب قابل توجهی را براثر نیروهای لرزه ای متحمل شوند که منجر به جابجایی چشمگیر یا فروریزش خواهد شد.

شکل ۱. ساختمان آسیب دیده در زلزله سال 1989 لوما پریتا

بااین حال، این طبقه همکف ضعیف تا حدودی بعنوان سیستم جذب انرژی کف نیز عمل می کند که ازاین طریق طبقات (دارای سکنه) بالاتر را از آسیب گسترده تر محافظت می کند. به آسیب اندک قسمت فوقانی سازه در شکل 1 توجه کنید، از طبقه دوم به بالا آسیب سازه ای قابل چشم پوشی است. این ساختمان در سال 1940 با اندود گچ، تخته و چسب و دیگر مصالح آن زمان ساخته شده است بنابراین احتمال وجود مسیر بار از پیش تعیین شده یا استفاده از ابزارهای فلزی برای تامین اتصالات داخلی وجود ندارد. درواقع مقاومت بخش فوقانی سازه از دیوارهای غیرسازه ای دارای اتصال داخلی به یکدیگر تامین می شد.

روش مقاومت نسبی

اگرچه که صرفه اقتصادی موجب می شود که بهسازی ها به طبقه همکف محدود شوند اما این استراتژی با چالش های اجرایی همراه است. به منظور رفع این مشکل، تیم مذکور "روش مقاومت نسبی" را که هدف از آن مقاوم سازی بهینه طبقه همکف است، تعریف کرد اما مقاوم سازی آنقدر نباید زیاد باشد که مکانیزم جذب انرژی در کف تغییر کند. در این روش طبقات بالاتر حد بالایی از مقاومت ساختمان بهسازی شده را تامین می کنند و بهسازی طبقه همکف هم ظرفیت مقاومت و هم ظزفیت جابجایی را افزایش داده و پیچش کل ساختمان را کاهش می دهد. این راهکار طبقه بهسازی شده همکف را نسبتاً ضعیف تر از سازه فوقانی نگه می دارد که درنتیجه طبقه همکف کاربرد خود را بعنوان طبقه جذب تغییرشکل حفظ می کند.

سازه های جایگزین

به منظور نشان دادن قابلیت روش مقاومت نسبی و استفاده موثر از توانایی تحلیل های تاریخچه زمانی غیرخطی پاسخ، تیم همکاری مذکور گستره وسیعی از سازه های جایگزین را موردمطالعه قرار داد. اکثر این مدل های غیرخطی سازه های چهارطبقه ساده با پارامترهای مختلف مقاومت سازه فوقانی، ضعف طبقه همکف، رفتار هیسترتیک (به منظور درنظرگیری شکنندگی) و سطوح بهسازی متنوع بودند. پس از اینکه تیم مذکور این پارامترها را ایجاد کرد، با آزمایش به تعیین اینکه این مدل ها دربرابر شبیه سازی های متنوع زلزله چه عکس العملی نشان می دهند پرداخت. مهندسان می توانند از نتایج تحلیل های قبلی برای ارزیابی یک سازه جایگزین مشخص و درک رفتار واقعی ساختمان استفاده کنند.

انتخاب سازه جایگزین مناسب براساس همخوانی پارامترهای کلیدی انجام می شود. مهندسان می توانند بجای اینکه مجبور به ارزیابی هریک از ساختمان های واقعی بصورت جداگانه باشند، از نتایج تحلیل های قبلی استفاده کنند. این کار منجر به تعیین ظرفیت اصلی سازه شده و به انتخاب بهسازی بهینه آن کمک می کند.

شکل ۲. سازه های جایگزین در تحلیل های افزاینده دینامیکی (IDA)

به منظور ساخت سازه های جایگزین، تیم مذکور با دو گروه وسیع از ساختمان شروع کرد: ساختمان شکل پذیر و ساختمان غیرشکل پذیر. هریک از این دو گروه دارای چهار سطح مقاومت جانبی بودند که به طبقات فوقانی اختصاص داده شده و بصورت درصدی از نیروهای G بیان شدند (شکل 2). سپس به هریک از آن دسته بندی طبقات فوقانی، شش مقاومت برای طبقه همکف ضعیف که از 60 تا 110 درصد مقاومت طبقه فوقانی متغیر بود، اختصاص داده شد. سپس به هریک از طبقه ضعیف، سطوح مختلف مقاومت بهسازی شبیه سازی شده اختصاص داده شد. 612 ساختمان جایگزین مجازی وجود دارد که در شکل 2 نشان داده شده است. هریک از آن ها مطابق با پروتکل FEMA P695 در معرض تحلیل های دینامیکی افزاینده یا افزایشی (IDA) قرار گرفتند؛ این تحلیل ها شامل 22 زلزله در هریک از دو جهت و با 35 شدت لرزه ای مختلف بود. نتیجه این تعداد زلزله حدود یک میلیون تحلیل تاریخچه زمانی پاسخ غیرخطی بود.

خوشبختانه با وجود تحلیل های IDA مهندسان می توانند مشخص کنند که چه لرزش هایی با چه شدتی باعث آسیب های فاجعه بار خواهند شد. همچنین می توانند تعیین کنند که چه مقدار افزایش مقاومت ناشی از بهسازی می تواند بیشترین منفعت را داشته باشد.

شکل ۳. "Sweet spot" براساس نتایج تحلیل تمامی سازه های جایگزین

همانطور که قبل تر اشاره شد این پژوهش محدود به طبقه همکف خواهد بود. مقاوم سازی زیاد طبقات پایینی تا نقطه ای که سازه فوقانی نتواند نیروهای لرزه ای انتقالی را تحمل کند، هزینه های غیرضروری را بوجود آورده و مطابق شکل 3 ظرفیت کلی ساختمان را کاهش می دهد. محور قائم ظرفیت طیفی است که ظرفیت لرزه ای ساختمان را نشان می دهد. محور افقی نسبت ظرفیت طبقه همکف به ظرفیت طبقه فوقانی را نشان می دهد. ساختمان های دارای طبقه فوقانی با مقاومت مختلف با یکی از چهار رنگ که باA_u جداشده اند، نشان داده شده اند. ساختمان های دارای A_u=0.6 ، که با خطوط آبی نشان داده شده اند، مقاوم ترین ساختمان ها هستند که ظرفیت جانبی نهایی آن ها 0.6W (%60 وزن ساختمان) است. ساختمان های دارای A_u=0.1 که با خطوط سبز نشان داده شده اند، ضعیف ترین ساختمان ها هستند. خطوط هریک از گروه ها به ظرفیت بهسازی نشده که با ضریب A_wنشان داده شده است متصل شده است، این ضریب، مقاومت طبقه همکف را بصورت نسبتی از مقاومت سازه فوقانی (A_u) درنظر می گیرد. A_w=0.6منطبق بر سازه بهسازی نشده ای است که مقاومت طبقه همکف آن 60% سازه فوقانی است. هریک از نقاط بعدی روی خطوط، میزان مقاومت بهسازی را نشان می دهند که درنتیجه اضافه کردن دیوارهای برشی یا قاب های خمشی فولادی به طبقه همکف بوجود امده اند.  

شکل 3 مقاومت بهینه را نشان می دهد. این شکل برای ساختمان هایی با هرمقدار مقاومت در طبقه فوقانی، A_u و هر سطح از ضعف اولیه در طبقه همکف، A_w مورداستفاده قرار می گیرد. نسبت بهینه مقاومت طبقه همکف به مقاومت طبقه فوقانی برای ساختمان های چهارطبقه حدود 33/1 یا 4/3 است. (ظرفیت بهینه زمانی حاصل می شود که تقاضاهای نسبی در طبقه همکف و طبقه دوم برابر باشند.) طبقه همکف چهار سطح و طبقه دوم سه سطح را تحمل می کند. زمانی که ضریب مقاومت کمتر از 33/1 باشد، طبقه همکف پیوند ضعیفی در زنجیره بوده و مکانیزم طبقه در آن رخ خواهد داد. درصورتی که ضریب مقاومت بزرگتر از 33/1 باشد، طبقه دوم پیوند ضعیف بوده و بارها در طبقه همکف جریان یافته و به طبقه دوم آسیب می زنند. 

جزئیات اجرا

FEMA P807 ابزاری کاربردی به منظور تعیین مقدار مقاومت یک ساختمان قبل و پس از بهسازی است که این کار را با ارزیابی تعداد کمی از پارامترهای کلیدی انجام می دهد. بااستفاده از این پارامترها مهندسان می توانند بهسازی بهینه را به نحوی محاسبه کنند که ساختمان، نیروهای لرزه ای را در تراز زمین بدون انتقال زیاد این نیروها به بالا  جذب کرده و مستهلک کند در صورتی که این انتقال نیرو انجام شود یا به طبقات فوقانی آسیب می زند و یا بهسازی هزینه بر را الزامی می سازد. ضرایب سازه ای بحرانی عبارتند از:

• مقاومت طبقه همکف
• مقاومت طبقه بالاتر
• نسبت مقاوت طبقه بالاتر به پایین تر
• ضریب کاهش مقاومت
• ضریب عدم توازن پیچشی

محاسبه پارامترهای کلیدی، تعیین مقاومت در هر طبقه را می طلبد. این موضوع ازنظر مفهومی ساده است اما نیاز به تحلیل های پوش اور دارد (شکل ۴). 

شکل ۴- اضافه کردن منحنی پوش اور دیوار به منظور تعیین منحنی پوش اور طبقه و مقاومت حداکثر

تغییر روش از طراحی سنتی به طراحی جدید به دلایل زیادی اتفاق افتاد. اول اینکه همانطور که قبلاً هم بیان شد، تمامی پوشش ها در المان های سازه ای و غیرسازه ای به حساب آورده شده اند. حذف دیوارها یا پوشش های آنها محافظه کارانه نیست. علاوه براین ظرفیت ها را تنها می توان با اضافه کردن منحنی های پوش اور برای دیوارها تعیین کرد زیرا المان های پوششی مختلف در جابجایی های مختلفی، ظرفیت حداکثر را کسب می کنند. پارامتر مربوط به کاهش مقاومت، C_d براساس شکل منحنی های پوش اور طبقه همکف تعیین می شود. درنهایت ضریب پیچشی از نسبت تقاضای مقاومت پیچشی به ظرفیت پیچشی بدست می آید. 

لازم است توجه شود که پارامترها همگی براساس مقاومت های موردانتظار هستند. علاوه براین برخلاف طراحی سنتی، سختی برروی نتایج تاثیر نمی گذارد زیرا رفتار توسط مقاومت ها در ناحیه غیرخطی پاسخ ساختمان کنترل می شود.  

نرم افزاری به منظور تسهیل این فرآیند

باتوجه به اینکه چندین دیوار درگیر هستند، پوش اور بدون کامپیوتر چالش برانگیز است. WST یک صفحه گسترده گرافیکی است که اضافه کردن دیوارها و تولید منحنی های پوش اور را تسهیل می کند. مهندسان به منظور تعیین ظرفیت دیوار می توانند دیوار را بااستفاده از منوهای کشویی نرم افزار ایجاد کنند و تمامی المان های دیوارهای خارجی و داخلی- اندود گچ و سیمان، پانل گچی و غیره را درنظر بگیرند. سپس مهندسان می توانند دیوارها را در صفحه گسترده گرافیکی رسم کنند (شکل های 5 و 6). نرم افزار منحنی های پوش اور را برای دیوارهای مختلف برهم نهی خواهد کرد. پس از اینکه تمامی دیوارها رسم شدند و همه چیز ساخته شد، مهندس نه تنها تمامی مقاومت های طبقه بلکه مقادیر مقاومت های کلی، ضرایب کاهش مقاومت C_d و تقاضا و ظرفیت پیچشی را نیز در اختیار خواهد داشت. 

شکل ۵. دیوارهای سطح ۱ در WST

شکل ۶. دیوارهای سطح ۲ در WST

پس از اینکه مهندس از ویژگی های پوش اور WST به منظور ظرفیت های تعیین شده استفاده کرد، می تواند ازطریق ورود کد پستی ساختمان، تقاضاها (S_m برای حداکثر رخداد موردنظر (MCE)) را تعیین کند. درصورتی که ساختمان واقعی به اندازه کافی قوی باشد، بهسازی غیرضروری خواهد بود؛ درغیر اینصورت WST مقاومت موردنیاز به منظور دستیابی به بهسازی بهینه را نشان می دهد. 

بهسازی می تواند شامل دیوارهای پوششی سازه ای جدید یا قاب های خمشی فولادی جدید باشد. این المان ها می توانند در یک زلزله بزرگ تسلیم شده و به محدوده غیرخطی وارد شوند. به همین صورت طراحی ظرفیت باید برای جمع کننده ها، اعضا و فونداسیون ها اعمال شود. 

صحت سنجی میز لرزه

دو طراحی بهسازی مختلف براساس روش مقاومت نسبی و FEMA P807 برروی میز لرزه دانشگاه کالیفرنیا صحت سنجی شده اند (شکل 7). در یکی از دیوارهای برشی الوار چند لایه متقاطع (CLT) و در دیگری از قاب های مقاوم Simpson استفاده شذه است. در هردو حالت، بهسازی های چهار طبقه عملکرد خوبی داشته اند. تغییرشکل ها عمدتاً در طبقه همکف رخ داده اند و آسیب کمی به سازه فوقانی وارد شده است. پس انجام موفقیت آمیز آزمایشات، سازه به شرایط بهسازی نشده برگشته و تحت تکان شدید دچار فروریزش شد. 

شکل ۷- آزمایش میز لرزه در دانشگاه سن دیگو کالیفرنیا 

نتیجه گیری

پس از زلزله های نورثریچ و لوما پریتا و با وجود احتمال رخداد زلزله های بزرگتر، کالیفرنیا و ایالت های دیگر برنامه هایی را به منظور مقاوم سازی ساختمان های آسیب پذیر دارای طبقه ضعیف/نرم پیگیری کردند. FEMA P807 روشی کاربردی را برای بهسازی های باصرفه ارائه می دهد. 

چیزی که درنتیجه تحلیل های افزاینده دینامیکی مهم بوده و جدید است این است که مهندسان و مالکان این ساختمان ها می توانند سطح شدت زلزله ای را که باعث ایجاد آسیب یا فروریزش فاجعه بار شده بشناسند. علاوه براین مهندسان می توانند برای مالکان تعیین کنند که تا چه حدی سرمایه گذاری در یک بهسازی موجب کاهش این ریسک ها خواهد شد.     

 منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.