مقاله تحلیلی: طراحی لرزه‌ای سازه‌های غیر ساختمانی

مقدمه‌ای بر طراحی در آیین نامه ASCE 7-16

موضوع این آیین نامه بارهای طراحی حداقل و معیارهای مرتبط با ساختمان‌ها و دیگر سازه‌ها است. در این مقاله طراحی لرزه‌ای سازه‌های دیگر که معمولاً به عنوان سازه‌های غیر ساختمانی شناخته می‌شوند، معرفی می‌گردد.

انواع سازه‌های غیر ساختمانی

طراحی لرزه ای سازه‌های غیر ساختمانی به دو دسته مختلف تقسیم می‌شود: طراحی لرزه‌ای مشابه ساختمان‌ها و طراحی لرزه‌ای غیرمشابه به ساختمان‌ها.

سازه‌های غیر ساختمانی مشابه ساختمان‌ها به گونه‌ای طراحی و ساخته می‌شوند که سیستم سازه‌ای آن‌ها مشابه ساختمان‌ها باشد. سازه‌های غیر ساختمانی مشابه ساختمان‌ها، واکنشی دینامیکی مشابه ساختمان‌ها دارند. یک سازه معمول غیر ساختمانی مشابه ساختمان‌ها در شکل 1 نشان داده شده است.

در بخش 15.5 از ASCE 7-16، الزامات ویژه‌ای برای سازه‌های خاص غیر ساختمانی که مشابه ساختمان‌ها هستند، ارائه شده است:

• پایپ راک‌ها (15.5.2)
• قفسه‌های ذخیره سازی (15.5.3)
• تأسیسات تولید انرژی الکتریکی (15.5.4)
• برج‌های سازه‌ای مخازن (15.5.5)
• اسکله‌ها و لنگرگاه‌ها (15.5.6)

علاوه بر این در بخش 11.1.3 اجازه داده شده است که ساختمان‌های صنعتی به عنوان سازه‌های غیر ساختمانی در نظر گرفته شوند و طراحی لرزه‌ای آن‌ها با توجه به شرایط خاص آن‌ها صورت بگیرد. بسیاری از ساختمان‌های صنعتی به دلیل شکل هندسی و سیستم قاب بندی آن‌ها، متفاوت از سازه‌های معمول در نظر گرفته می‌شوند. این ساختمان‌ها در فصل 12 مورد بررسی قرار گرفته‌اند. محدودیت این ساختمان‌ها در مورد اشغال و سکونت، سبب شده که خطرهای مرتبط با عملکرد این سازه‌ها در رویدادهای لرزه‌ای کاهش یابد؛ بنابراین، زمانی که استفاده از این ساختمان‌ها به نگه داری و عملیات نظارتی محدود می‌شود، ممکن است بتوان این سازه‌ها را طبق ضوابط مندرج در بخش 15.5 (سازه‌های غیر ساختمانی مشابه ساختمان‌ها) طراحی کرد. نمونه‌ای از این سازه‌ها، ساختمان‌های دیگ بخار، آشیانه هواپیما، کارخانه فولاد، تأسیسات ذوب آلومینیوم و دیگر تأسیسات تولید کننده اتوماتیک هستند.

سازه‌های غیر ساختمانی که مشابه ساختمان‌های نیستند، به گونه‌ای طراحی و ساخته می‌شوند که سیستم سازه‌ای آن‌ها بسیار متفاوت از سیستم مشابه در ساختمان‌ها خواهد بود. پاسخ دینامیکی در این قبیل از سازه‌ها نیز شباهتی به پاسخ دینامیکی در ساختمان‌ها ندارد.

یک سازه معمول غیر ساختمانی که شباهتی به ساختمان‌ها ندارد در شکل 2 نشان داده شده است. در بخش‌های 15.6 و 15.7 ضوابط ویژه‌ای برای این قبیل سازه‌های خاص ارائه شده است:

• سازه‌های نگه دارنده خاک (15.6.1)
• دود گیرها و دودکش‌ها (15.6.2)
• سازه‌های تفریحی (15.6.3)
• سازه‌های هیدرولیکی خاص (15.6.4)
• سیستم‌های مهار ثانویه (15.6.5)
• برج‌های مخابراتی (15.6.6)
• سازه‌های نگه دارنده ساخته شده از لوله‌های فولادی برای توربین‌های بادی ساخته شده در سواحل (15.6.7)
• دیوارها یا پرچین‌های طره‌ای که توسط زمین پشتیبانی می‌شوند (15.6.8)
• مخازن (15.7)

ملاحظات متفاوت در طراحی لرزه‌ای سازه‌های غیر ساختمانی

تفاوت اصلی بین سازه‌های ساختمانی و سازه‌های غیر ساختمانی در موارد استفاده از این سازه‌ها است. همان طور که در بالا گفته شد، محدودیت استفاده از سازه‌های غیر ساختمانی سبب کاهش خطرات مرتبط با عملکرد آن‌ها در رویدادهای لرزه‌ای می‌شود. سازه‌های غیر ساختمانی برای مقابله با نیروهای لرزه‌ای بزرگ‌تری طراحی می‌شوند، چرا که سازه‌های غیر ساختمانی المان‌هایی (دیافراگم‌ها، المان‌های غیر سازه‌ای) را که معمولاً سبب افزایش میرایی و شکل پذیری در ساختمان‌های می‌شود، در بر نمی‌گیرد. به همین دلیل، بخش 15.4.4 اجازه می‌دهد که دوره تناوب اصلی سازه‌های غیر ساختمانی با استفاده از مشخصات سازه‌ای و خصوصیات تغییر شکل این سیستم‌های سازه‌ای و بدون در نظر گرفتن محدودیت‌های بخش 12.8.2 محاسبه شود.

تعیین پارامترهای اصلی لرزه‌ای

پارامترهای لرزه‌ای که در طراحی سازه‌های غیر ساختمانی استفاده می‌شوند، مشابه همین پارامترها در طراحی ساختمان‌ها (با چند مورد استثناء) هستند. این پارامترها در ادامه مورد بحث قرار خواهند گرفت.

دوره بازگشت، خطر و MCER

ASCE 7-16 از بیشترین مقدار مجاز ممکن برای لحاظ کردن حرکات زمین (MCER) استفاده می‌کند. MCER از شکل‌های مختلفی از منحنی‌های خطر برای تنظیم خطر یکنواخت حرکت زمین (2 درصد در 50 سال) استفاده می‌کند، به طوری که انتظار می‌رود این روش منتج به یک فرکانس یکنواخت سالانه برای فرو ریزی یا سطح خطر برای استفاده در طراحی شود. سطح خطر مورد نظر در ASCE 7-16 مطابق با احتمال 1 درصد فرو ریزی در 50 سال است. لحاظ کردن حرکت زمین در طراحی طبق آیین نامه ASCE 7-16 با فرض مقدار دو سوم از MCER صورت می‌گیرد.

مقادیر Ss، S1 و TL

Ss نشان دهنده MCER، 5 درصد میرایی و طیف پاسخ شتاب در دوره‌های کوتاه (قسمت‌هایی با شتاب ثابت در طیف پاسخ) است. S1 نشان دهنده MCER، 5 درصد میرایی و طیف پاسخ شتاب در یک دوره یک ثانیه‌ای (قسمت‌هایی با سرعت ثابت در طیف پاسخ) است. TL نشان دهنده دوره انتقال طولانی است که قسمتی با سرعت ثابت را از قسمتی با تغییر مکان ثابت در طیف پاسخ جدا می‌کند. TL دارای مقادیر مختلفی از 4 تا 16 ثانیه است. TL اثر قابل توجهی بر شدت نیروی همرفتی و ارتفاع موج نامنظم (sloshing wave height) در تانک‌های ذخیره مایعاتی که بالاتر از سطح زمین قرار دارند، خواهد داشت.

انواع خاک

شرایط خاک می‌تواند سبب تقویت حرکت لرزه‌ای زمین شود. ASCE 7-16 خاک‌ها در شش دسته مختلف از A تا F قرار می‌دهد. اگر نوع خاک نامشخص باشد، نوع آن باید D فرض شود (بخش 11.4.2 از ASCE 7) که کمترین مقدار Fa برابر با 1.2 در این دسته قرار دارد. در مواقعی که با شرایط زیر روبرو باشیم، لازم است که یک آنالیز ویژه پاسخ در محل انجام شود.

• سازه‌هایی که روی خاک‌های دسته E قرار دارند و Ss بزرگ‌تر از یا مساوی 1 است.
• سازه‌هایی که روی خاک‌های دسته D قرار دارند و S1 بزرگ‌تر از یا مساوی 0.2 است.

برای اینکه انواع خاک در نظر گرفته شود، Ss و S1 به ترتیب به وسیله Fa و Fv تعدیل می‌شوند. مقادیر Fa و Fv در جدول 1-11.4 و 2-11.4 ارائه شده‌اند.

SDS، SD1 و طراحی طیف پاسخ

طیف پاسخ طرح با SDS و SD1 تعریف می‌شود و مبتنی بر میرایی 5 درصدی است. مایعات میرایی کمتر و در نتیجه نیروی لرزه‌ای بیشتری دارند. در اغلب سازه‌های غیر ساختمانی، کاربرد SD1 و SDS یکسان است. در تانک‌های ذخیره مایعاتی که بالاتر از سطح زمین قرار دارند، مقادیر طیف پاسخ در قسمتی با سرعت ثابت و قسمتی با تغییر مکان ثابت در عدد 1.5 ضرب می‌شود تا مقدار میرایی به 0.5 درصد تبدیل شود.

دسته بندی ریسک

دسته بندی ریسک برای سازه‌های غیر ساختمانی در بخش 1.5 و جدول 1-1.5 از ASCE 7-16 مشخص شده است. بر خلاف اغلب ساختمان‌ها، اکثر سازه‌های پتروشیمی در گروه III و IV قرار می‌گیرند، مگر اینکه از ضوابط بخش 1.5.3 برای تعیین دسته مورد نظر استفاده شود. در بسیاری از سازه‌های پتروشیمی مقادیر زیادی از مواد خطرناک نگه داری می‌شود، بنابراین در طراحی آن‌ها به رویکردی محافظه کارانه تر نیاز است. طبقه بندی ریسک بر ضریب اهمیتی که در طراحی سازه استفاده می‌شود و همچنین بعضی از جزئیات و طراحی اثرگذار خواهد بود. از جدول 2-1.5 برای تعیین ضریب اهمیت (IE) طبق گروه مورد نظر در دسته بندی ریسک استفاده می‌شود.

دسته بندی طراحی لرزه‌ای

در ASCE 7-16، دسته بندی طراحی لرزه‌ای (SDC) تابعی از دسته بندی ریسک و SDS و SD1 است. دسته بندی طراحی لرزه‌ای در جدول‌های 1-11.6 و 2-11.6 برای سازه‌های غیر ساختمانی ارائه شده است. 

SDC موجب نیاز به الزامات خاصی به خصوص در مورد فونداسیون‌ها می‌شود. ASCE 7-16 یک استثنا برای تعیین SDC دارد. این استثنا در صورتی که سازه تابعی از SDS باشد و همچنین معیارهای بخش 11.6 رعایت شده باشد، اجازه می‌دهد که SDC از جدول 1-11.6 آیین نامه ASCE 7-16 تعیین شود. از این استثنا فقط می‌توان برای سازه‌های غیر ساختمانی مشابه ساختمان‌ها استفاده کرد.

R، Ωo و Cd

 این مقادیر برای سازه‌های ساختمانی در جدول 1-12.2، برای سازه‌های غیر ساختمانی مشابه ساختمان‌ها در جدول 1-15.4 و برای سازه‌های غیر ساختمانی غیرمشابه به ساختمان‌ها در جدول 2- 15.4 ارائه شده است. بخش 15.4.1 از فصل 15 این اجازه را می‌دهد که سیستم‌های مندرج در جدول 1-12.2 یا 1-15.4 برای سازه‌های غیر ساختمانی مشابه ساختمان‌ها انتخاب شوند.

ضریب اصلاح پاسخ (R)

ضریب اصلاح پاسخ نشان دهنده ظرفیت کلی تغییر شکل و اضافه مقاومت ذاتی المان‌های سازه‌ای است. بارهای لرزه‌ای طراحی به واسطه R کاهش می‌یابند. کاهش سطح مقاومت منجر به رفتار خطی و جذب انرژی در تغییر مکان بیشتر از تسلیم اولیه می‌شود؛ به عبارت دیگر، آسیب و نه فرو ریزش مجاز اعلام می‌شود.

بسیاری از سازه‌های غیر ساختمانی با استفاده از روش مبتنی بر طراحی تنش مجاز (ASD) طراحی می‌شوند. در بسیاری از استانداردهای ASD، Rw به جای R استفاده می‌شود. در این موارد Rw برابر با 1.4 R است.

ضریب اضافه مقاومت Ωo

بار لرزه‌ای به همراه ضریب اضافه مقاومت برای لحاظ شرایطی همچون شکست یک المان ترد و شکننده استفاده می‌شود که موجب از دست رفتن کامل مقاومت سیستم در برابر نیروهای لرزه‌ای یا بی‌ثباتی و فروپاشی خواهد شد. ترکیب خاصی از بار لرزه‌ای (اثر بار لرزه‌ای که شامل ضریب اضافه مقاومت می‌شود) در بخش 12.4.3 از ASCE 7-16 مشخص شده است. اسناد متعددی از جمله 2016 IBC، ASCE 7-16، ضوابط لرزه‌ای 2016 AISC و ACI 318-14 به تعریف المان‌هایی می‌پردازند که باید با ترکیب خاصی از بار لرزه‌ای طراحی شوند. این المان‌ها به طرحی نیاز دارند که با استفاده از ترکیبات خاصی از بار لرزه‌ای تهیه شوند و همچنین لازم است که این ترکیبات خاص برای طراحی سازه‌های غیر ساختمانی مشابه ساختمان‌ها نیز استفاده شوند. در سازه‌های غیر ساختمانی که مشابه ساختمان‌ها نیستند، تعداد اندکی از المان‌ها که به پوسته تانک‌ها و منابع ذخیره متصل هستند نیاز به لحاظ کردن ضریب اضافه مقاومت در طراحی دارند.

ضریب بزرگنمایی تغییر شکل، Cd

تغییر شکل الاستیک با استفاده از نیروهای لرزه‌ای کاهش یافته (1/R) محاسبه می‌شود و سپس در ضریب بزرگنمایی تغییر شکل ضرب می‌شود تا تغییر شکلی که انتظار می‌رود در پاسخ به حرکت منظور شده زمین در طراحی حاصل شود. توجه داشته باشید که نیروهای طراحی کاهش یافته در سطح مقاومت هستند. همان‌طور که در بالا گفته شد، بسیاری از سازه‌های غیر ساختمانی که شبیه به ساختمان‌ها نیستند، به روش ASD طراحی می‌شوند؛ بنابراین هر گونه تغییر شکل الاستیک مبتنی بر بارهای سطح ASD، باید با استفاده از ضریب 1.4 علاوه بر Cd افزایش یابد.

ضریب افزونگی (ρ)

ضریب افزونگی ضریبی است که برای جبران در سازه‌هایی استفاده می‌شود که فاقد چندین مسیر بار در سیستم‌های مقاوم جانبی هستند. قوانین و استثنائات مربوطه در بخش 12.3.4 درج شده‌اند. مقدار این ضریب بین 1 تا 1.3 است. این ضریب برای همه سازه‌های دسته B و C در SDC و سازه‌های دیگر که در بخش 12.3.4.1 اشاره شده، برابر با یک است. در پایپ راک‌های معمولی این ضریب معمولاً 1 یا 1.3 در راستای طولی (قاب مهاربندی شده) و 1.3 در راستای عرضی (قاب خمشی) در دسته D تا F از SDC می‌باشد. برای سازه‌های غیر ساختمانی که مشابه ساختمان‌ها نیستند، این مقدار برابر با 1 است (به جز موارد لیست شده در بخش‌های 15.6 و 12.3.4.1 در ASCE 7-10).

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 ۱۰۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.