مقاله تحلیلی: بررسی ایمنی ساختمان های در حال ساخت با مقایسه مقاومت نمونه های بتن در آزمایش و طراحی

در مقاله بررسی ایمنی ساختمان های در حال ساخت با مقایسه مقاومت نمونه های بتن در آزمایش و طراحی، قصد داریم به بررسی ایمنی ساختمان های در حال ساخت با مقایسه مقاومت نمونه های بتن در آزمایش و طراحی بپردازیم.

حال می خواهیم به این سوال پاسخ دهیم: "در یک ساختمان در حال ساخت، مقاومت نمونه بتن‌های تست‌شده بسیار کمتر از مقاومت فرض شده در طراحی به‌دست‌آمده است، آیا ساختمان هنوز ایمن است؟"

آیین‌نامه‌های طراحی کنونی برای سازه‌های فولادی، بتنی و بنایی عمدتاً منطبق بر روش نیرو بوده و قادر به پاسخ به بسیاری از سؤالات در حوزه مهندسی نمی‌باشند. در طی چند دهه اخیر فلسفه طراحی بر اساس عملکرد و طراحی بر اساس تغییر شکل مطرح‌شده است و به نظر می‌رسد به‌تدریج آیین‌نامه‌ها به سمت کنار گذاشتن روش مبتنی بر نیرو و استفاده از روش‌های مبتنی بر تغییر شکل پیش می‌روند. این روند انتقال در آیین‌نامه‌های بهسازی ساختمان (ASCE 41-13) انجام‌شده است و انتظار می‌رود به‌زودی در آیین‌نامه‌های طراحی ساختمان‌های جدید نیز صورت پذیرد. در متن حاضر یکی از کاربردهای طراحی عملکردی در قالب مثالی ملموس نشان داده‌شده است.

تصور کنید به‌عنوان یک مهندس محاسب یا ناظر در پروژه شما مقاومت نمونه بتن‌های تست‌شده بسیار کمتر از مقاومت در نظر گرفته‌شده در مرحله طراحی به‌دست‌آمده است. شما به‌عنوان یک مهندس ناظر یا محاسب چه تصمیمی اتخاذ می‌کنید؟! بدیهی است به‌عنوان راهکار اول از صحت نتایج تست‌ها اطمینان پیدا کنید. این کار با انجام تست‌های بیشتر و نمونه‌گیری از المان‌های مختلف سازه قابل انجام است. بدترین حالت ممکن آن است که نتایج تست‌ها صحیح بوده و واقعاً مقاومت بتن اجراشده بسیار کمتر از مقادیر فرض شده در فاز طراحی باشد. پس از اطمینان از مقادیر مقاومت بتن، لازم است که محاسبات مجدد با فرض مقاومت بتن کاهش‌یافته تکرار شده و سازه کنترل گردد. در این شرایط نیز بدترین حالت آن است که با فرض مقاومت واقعی بتن سازه جوابگو نباشد. حال تصمیم شما چیست؟ آیا بلافاصله بهسازی سازه را مدنظر قرار داده و به‌عنوان‌مثال با استفاده از ژاکت‌های بتنی یا فولادی یا FRP اعضای سازه را تقویت می‌کنید؟ در این صورت هزینه زیادی به پروژه تحمیل‌شده و ضمناً لازم است محاسبات مجدد با فرض مقاطع بهسازی شده تکرار شوند. به دلیل افزایش وزن و سختی سازه ممکن است بخش‌هایی از سازه به‌خصوص فونداسیون قادر به تحمل بارهای ناشی از سازه بهسازی شده نباشند (البته در صورت استفاده از FRP سختی و مقاومت جانبی سازه چندان دستخوش تغییر نخواهد شد و عمدتاً ظرفیت تغییر شکل سازه افزایش خواهد یافت). شاید تصمیم بهتر، کنترل سازه با استفاده از طراحی عملکردی، قبل از بهسازی سازه، باشد. چراکه ممکن است بر اساس طراحی عملکردی سازه‌ای که در طراحی مبتنی بر نیرو رد شده است، قادر به تأمین عملکردهای مدنظر آیین‌نامه‌های مبتنی بر نیرو (معیار ایمنی جانی) باشد. در متن پیشرو این کار برای یک ساختمان 6 طبقه بتنی انجام خواهد شد. لازم به توضیح است که منظور از روش طراحی مبتنی بر نیرو روش‌های طراحی متداولی است که امروزه در بسیاری از دفاتر مهندسی انجام می‌شود همانند روند آیین‌نامه ACI 318 (2008) برای طراحی سازه‌های بتنی.

ساختمان مدنظر

مطابق شکل 1 ساختمان در نظر گرفته‌شده یک ساختمان مسکونی 6 طبقه بتنی است که در یک امتداد دارای سیستم قاب خمشی بتنی و در امتداد دیگر دارای سیستم دوگانه قاب خمشی و دیوار برشی بتنی است. طراحی سازه برای مقاومت بتنی معادل 30 MPa انجام‌شده است لیکن در حین ساخت و پس از انجام تست بر روی نمونه‌های بتنی مشخص‌شده است که مقاومت بتن تنها 20 MPa است. بر اساس کنترل انجام‌شده با استفاده از طراحی متداول منطبق بر نیرو مشخص گردیده است که بسیاری از ستون‌ها با چنین مقاومت بتنی جوابگو نخواهند بود.

از طراحی اصلی مدل سازه در نرم‌افزار ETABS (CSI, 2016) موجود بوده است. مدل را با تخصیص مفاصل پلاستیک به یک مدل غیرخطی تبدیل‌شده و با استفاده از تحلیل استاتیکی غیرخطی عملکرد سازه کنترل‌شده است. تعریف مفاصل پلاستیک و نیز روند انجام تحلیل پوش اور بر اساس آیین‌نامه ASCE 41-13 است.

نتایج طراحی عملکردی برای اجزای سازه‌ای

منحنی پوش اور سازه در دو امتداد X و Y در شکل 2 نشان داده‌شده است. لازم است در هر امتداد کلیه اعضای سازه هنگامی‌که تغییر مکان بام برابر تغییر مکان هدف می‌شود، معیارهای پذیرش را برآورده سازند. در این حالت برای زلزله سطح 1 (475 ساله) معیار پذیرش اجزای سازه‌ای و غیر سازه‌ای برابر LS بوده و برای زلزله سطح 2 (2500 ساله) معیار پذیرش اجزای سازه‌ای برابر CP است. در زلزله سطح 2 نیازی به کنترل اجزای غیر سازه‌ای نیست. نحوه تغییر شکل سازه به همراه وضعیت مفاصل پلاستیک در هر دو سطح خطر در شکل‌های 3 و 4 به ترتیب برای امتداد X و Y نشان داده‌شده است. همچنین به‌عنوان نمونه، شرایط تغییر شکل و نیز مفاصل پلاستیک تشکیل‌شده در یکی از قاب‌های امتداد Y تحت تحلیل پوش اور در شکل 5 نشان داده‌شده است. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده اجزای سازه‌ای در هر دو سطح خطر 1 و 2 معیارهای عملکردی را برآورده کرده فلذا ازنظر ایمنی بر اساس آیین‌نامه ASCE 41-13 مشکلی ندارند. لازم به توضیح است که این آیین‌نامه تنها مختص بهسازی سازه‌های موجود نبوده و برای کنترل سازه‌های نو نیز قابل‌استفاده است.

نتایج طراحی عملکردی برای اجزای غیر سازه‌ای

بااینکه بخش اعظم هزینه‌های ساخت‌وساز مربوط به اجزای غیر سازه‌ای است و در زلزله‌های گذشته نیز بیشترین خسارات مربوط به این اجزا بوده است، اما آیین‌نامه‌های منطبق بر روش‌های مبتنی بر نیرو به‌طور صریح روندی برای کنترل رفتار اجزای غیر سازه‌ای ندارند. به نظر می‌رسد در این آیین‌نامه‌ها این کار با محدود کردن دریفت طبقات به مقادیری بین 2% تا 5/2% صورت می‌گیرد. لیکن برای اجزای غیر سازه‌ای این مقادیر دریفت بسیار بالا بوده و در چنین دریفتی تمام اجزای غیر سازه‌ای به‌ویژه دیوارها و تیغه‌های بنایی فرو خواهند ریخت. مگر آنکه به شکل صحیحی دیوارها در امتداد داخل صفحه از سازه اصلی جداشده باشند. شکل 6 دریفت طبقات در امتداد X تحت زلزله سطح 1 را نشان می‌دهد. مشخص است که درصورتی‌که دیوارهای غیر سازه‌ای از سازه جدا نشده باشند، دیوارها قادر به تأمین معیار LS نخواهند بود.

روند جداسازی دیوارهای غیر سازه‌ای از سازه باید به نحوی باشد که دیوار در امتداد داخل صفحه خود از سازه جداشده و دریفت طبقات به دیوار غیر سازه‌ای منتقل نگردد. به‌بیان‌دیگر اتصال دیوار به سازه باید تنها در امتداد خارج صفحه دیوار را مقید کرده و در امتداد داخل صفحه کمترین قید را برای دیوار ایجاد کند. علاوه بر این دیوار باید قادر باشد نیروی خارج از صفحه اینرسی ناشی از شتاب طبقه را نیز تحمل نماید. روند طراحی دیوارهای غیر سازه‌ای در ضابطه شماره 729 سازمان مدیریت (1395) ارائه‌شده است. نمونه‌ای از اتصال جداشده دیوار غیر سازه‌ای به سازه در شکل‌های 7 و 8 و 9 نشان داده‌شده است.

نتیجه‌گیری

در این متن در قالب مثالی ساده یکی از کاربردهای طراحی عملکردی و برتری آن نسبت به طراحی متعارف مبتنی بر نیرو ملاحظه گردید. در این مثال مشاهده شد اگرچه سازه موجود بر اساس آیین‌نامه‌های مبتنی بر نیرو قادر مردود و نیازمند بهسازی بود، لیکن بر اساس آیین‌نامه‌های مبتنی بر طراحی عملکردی نه‌تنها در سطح خطر 1 بلکه در سطح خطر 2 نیز معیارهای مدنظر را برآورده کرده و اجزای سازه‌ای آن نیازمند بهسازی نمی‌باشند. یکی از گام‌های بزرگ آیین‌نامه‌های طراحی عملکردی، توجه آن‌ها به اجزای غیر سازه‌ای است. در این مثال خاص اجزای غیر سازه‌ای در امتداد X تنها درصورتی‌که عملکرد لازم را برآورده می‌کنند که به شکل مناسبی از سازه اصلی جداشده باشند.

با استفاده از طراحی عملکردی در برخی موارد می‌توان سازه را در مقایسه با طراحی مبتنی بر نیرو سبک‌تر طراحی نمود و بدین ترتیب در هزینه‌های ساخت‌وساز صرفه‌جویی داشت. اگرچه هدف طراحی عملکردی چنین چیزی نبوده و در تمام موارد لزوماً سازه طراحی‌شده بر اساس عملکرد از سازه طراحی‌شده بر اساس روش نیرو سبک‌تر نخواهد بود.

نوشته شده توسط تیم مولفین موسسه 808

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

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت 500 تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.