مقاله تحلیلی: کارآمدی طراحی لرزه ‌ای با آیین ‌نامه ‌ها و استانداردهای آمریکا

موسسه تحقیقات جلوگیری از فجایع (DPRI) در دانشگاه کیوتو آمارهایی را بعد از زلزله ۱۷ ژانویه سال ۱۹۹۵ که در شهر بندری کوبه ژاپن و مناطق اطراف آن اتفاق افتاد منتشر کرد (زلزله هانشین). نمودار شکل ۲ بر اساس این آمارها کشیده شده است. این شکل به‌وضوح نشان می‌دهد که آسیب‌های وارده بیشترین همبستگی را با عمر سازه داشته‌اند.

این رابطه را تا حدود زیادی یا حتی کاملاً می‌توان به بازنگری‌های مهم آیین‌نامه ملی ساختمان ژاپن و استانداردهای مربوطه در طی ۵۰ سال گذشته نسبت داد. آیین‌نامه ملی ژاپن یعنی قانون استاندارد ساختمان در ژاپن (BSLJ)، بارهای طراحی، تنش‌های مجاز و دیگر الزامات را تعیین می‌کند. جزئیات طراحی سازه در استانداردهای منتشر شده توسط موسسه معماری ژاپن (AIJ) تعیین‌شده است. استانداردهای AIJ که به‌صورت مجزا برای هر مصالح سازه‌ای تهیه شده‌اند، تکمیل‌کننده BSLJ هستند.

زلزله توکاچی در سال ۱۹۶۸ باعث آسیب قابل‌توجهی به ساختمان‌ها و بازنگری در BSLJ به‌منظور کاهش فاصله خاموت های فولادی در ستون‌های بتن مسلح به ۴ اینچ شد. در سال ۱۹۷۱ یک بازنگری اساسی در استاندارد AIJ برای بتن مسلح و در رابطه با طراحی مقاومت نهایی تیرها و ستون‌ها در برش رخ داد که شامل الزامات سخت‌گیرانه‌تر برای آرماتورهای برشی می‌شد. این تغییرات را می‌توان با تغییرات آیین‌نامه‌ای قابل‌ملاحظه در ایالات‌متحده بعد از زلزله سال ۱۹۷۱ سانفرانسیسکو مقایسه کرد. همان‌طور که در شکل ۲ هم دیده می‌شود، سازه‌های بتن مسلح بعد از سال ۱۹۷۱ عملکرد خیلی بهتری در زلزله سال ۱۹۹۵ کوبه نسبت به قبل از سال ۱۹۷۱ خود داشتند که دلیل اصلی آن بهبود طراحی برشی ستون‌ها بوده است.

زلزله میاگی در سال ۱۹۷۸ باعث آسیب‌های قابل‌توجهی به ساختمان‌ها شد و پس‌ازآن بازنگری سال ۱۹۸۱ در BSLJ اتفاق افتاد که یک طراحی مقاوم در برابر زلزله دو مرحله‌ای را معرفی کرد. مرحله اول طراحی (که طراحی تنش مجاز از BSLJ ویرایش قبل است) باهدف حفاظت از ساختمان در برابر حذف عملکرد آن تحت حرکات زمین که انتظار می‌رود در طول عمر ساختمان چندین بار با حداکثر شتاب بین ۰.۰۸g تا ۰.۱۰g در طول عمر ساختمان اتفاق بیافتد، انجام می‌شود. مرحله دوم طراحی باهدف اطمینان از ایمنی سازه تحت حرکات زمین که انتظار می‌رود یک‌بار در طول عمر یک ساختمان اتفاق بیافتند و با حداکثر شتاب بین ۰.۳g تا ۰.۴g، انجام می‌شود. سازه‌های بعد از سال ۱۹۸۱ که با این فرآیند دو مرحله‌ای طراحی‌شده‌اند در زلزله سال ۱۹۹۵ کوبه مطابق شکل ۲ عملکرد خوبی داشته‌اند.

پس‌ازآن کاهش قابل‌توجهی در آسیب‌های سازه‌ای ناشی از زلزله ۹.۰ ریشتری توهوکو در ۱۱ مارس ۲۰۱۱ مشاهده شد. آسیب‌های سازه‌ای قابل‌توجه تنها در ساختمان‌های قدیمی‌تر که قبل از تغییرات آیین‌نامه‌ای ذکرشده در سال ۱۹۷۱ و ۱۹۸۱، ساخته‌شده بودند، اتفاق افتاد.

باوجوداینکه تعریف‌های دقیقی از حالت‌های مختلف آسیب وجود ندارد اما به نظر می‌رسد که فرآیند طراحی دو مرحله‌ای معرفی‌شده در BSLJ در سال ۱۹۸۱ می‌تواند طراحان را به اهداف عملکرد یعنی بازگشت به حالت بهره‌برداری نزدیک کند. بررسی این پتانسیل در آیین‌نامه‌ها و استانداردهای لرزه‌ای ایالات‌متحده احتمالاً سودمند خواهد بود.

بهبودها مطلوب هستند: راه‌حل‌های ساده جواب نیستند

سازمان زمین‌شناسی ایالات‌متحده (USGS) مقاله‌ای تحت عنوان سناریو زلزله HayWired – ما می‌توانیم در برابر زلزله پیش‌دستی کنیم، منتشر کرده است. در این سناریو اثرات یک زلزله فرضی با بزرگی ۷.۰ در گسل Hayward پیش‌بینی‌شده است. این گسل در ضلع شرقی خلیج سانفرانسیسکو است و به دلیل عبور از منطقه‌ای پرجمعیت و به‌هم‌پیوسته، جزو فعال‌ترین و خطرناک‌ترین گسل‌های ایالات‌متحده است.

مطالعات انجام‌شده برای سناریو HayWard نشان داد که:

حتی اگر تمام ساختمان‌ها در منطقه خلیج مطابق آیین‌نامه ساختمانی کنونی ساخته‌شده باشند، ۰.۴ درصد از ساختمان‌ها فرومی‌ریزند، سکونت در ۵ درصد از آن‌ها ایمن نخواهد بود و ۱۹ درصد از آن‌ها در بهره‌برداری دچار محدودیت خواهند داشت.

تنها با درصد کمی افزایش هزینه، می‌توان با آیین‌نامه‌های ساختمانی سخت‌گیرانه‌تر، ساختمان‌هایی با تاب آور بیشتر ساخت که تا ۹۵ درصد از ساکنان منطقه خلیج بعد از چنین زلزله‌ای در خانه‌ها و محل‌های کار خود باقی بمانند.

هرچند فرضیات زیادی مبنای مطالعه‌ای مانند مطالعه فوق را تشکیل می‌دهند اما نباید از اهمیت آیین‌نامه‌های ساختمانی و تأثیر بهبود آیین‌نامه‌های ساختمانی غافل شد.

بخشی از پیام فرماندار براون بعد از وتوی لایحه مجمع کالیفرنیا در سال ۱۸۵۷:

انجمن ملی فناوری و علوم ساختمانی در مراحل اولیه تدوین استاندارد سکونت آنی برای ساختمان‌ها بعد از یک فاجعه طبیعی است. این سازمان با مهندسان، دانشمندان و دیگر متخصصان مشورت می‌کند تا بتواند تغییرات لازم به‌منظور اطمینان از استفاده بلافاصله از ساختمان را بعد از یک فاجعه طبیعی در نظر بگیرد.

به‌جای تکرار این روند در سطح ایالت، بهتر است اجازه دهیم انجمن کار خود را تمام کند.

مسئولیت موسسه ملی تکنولوژی و استانداردهای امریکا (NIST) «ایجاد یک برنامه از جزئیات تحقیقات اساسی، تحقیقات کاربردی و فعالیت‌های اجرایی مورد نیاز برای تعریف یک هدف عملکردی یعنی سکونت آنی (IO) برای ساختمان‌های اقامتی و تجاری» بود. علیرغم ادعای فرماندار براون، NIST در «مراحل اولیه ایجاد یک استاندارد سکونت آنی برای ساختمان‌ها» نیست.

هرچند تحقیقات تشریح شده در گزارش NIST به زمان و منابع زیادی نیاز دارد اما اگر هدف به بازگشت عملکرد یا سکونت آنی ساختمان‌های تجاری و اقامتی بعد از زلزله طرح طبق ASCE/SEI ۷ خلاصه شود (توجه داشته باشید که این‌ها مشابه نیستند؛ سکونت آنی سخت‌گیرانه‌تر است) بادانش و اطلاعات موجود فعلی قابل‌دستیابی خواهد بود. مطمئناً این کار به تاب‌آوری جامعه کمک خواهد کرد. بااین‌حال چند نکته را باید حتماً در نظر داشت.

• اولاً نشان داده شده که استفاده از ضریب اهمیت I_e برابر با ۱.۵ برای تمام ساختمان‌ها ما را به دستیابی به سطح بازگشت عملکرد یا سکونت آنی نزدیک خواهد کرد. به نظر این کافی نیست. دفتر برنامه‌ریزی و توسعه سلامت ایالت کالیفرنیا (OSHPD)، سازمان ایالتی مسئول ایمنی مراکز درمانی هم اعلام کرد که اصلاحات قابل‌توجه در مقررات طراحی لرزه‌ای IBC و ASCE/SEI ۷ برای طراحی مراکز درمانی و بهداشتی در کالیفرنیا ضروری است. استفاده از مقدار I_e بالاتر در طراحی، دسته‌بندی خطر یک ساختمان را تغییر نمی‌دهد. دسته‌بندی خطر به همراه شدت مورد انتظار حرکت زمین‌لرزه در محل، دسته‌بندی خطر طراحی (SDC) یک ساختمان را شکل می‌دهد که جنبه‌های مهم زیادی از طراحی و جزئیات را تعیین می‌کند. 
• دوم این‌که باید درک کرد که همیشه بهبود عملکرد هزینه‌هایی در بردارد. چالش اصلی حفظ عملکرد با حداقل هزینه است. مبنای افزایش ۱ درصدی هزینه ساختمان برای افزایش ۵۰ درصدی مقامت جانبی، آن‌چنان مشخص نیست. درهرحال این افزایش تنها سازه اصلی را پوشش داده و شامل موارد غیر سازه‌ای که عملکرد ساختمان را حفظ می‌کنند، نمی‌شود.
• سوم این‌که بهترین راه دستیابی به هدف ذکرشده وضع یک قانون در مجلس ایالتی است. چنین تدابیر پیشگیرانه‌ای را نمی‌توان با اجماع ملی وضع کرد و همچنین فرآیندهای تغییر در آیین‌نامه‌ها و استانداردهای ساختمانی ایالات‌متحده طولانی هستند.

ترتیب معمول

در ایالات‌متحده یک فرآیند برای تدوین و تصویب آیین‌نامه ساختمانی وجود دارد (شکل ۳). آیین‌نامه‌های ساختمانی ایالتی و محلی که آیین‌نامه‌های قانونی برای طراحی و ساخت هستند، معمولاً مبتنی بر یک آیین‌نامه نمونه هستند. آیین‌نامه نمونه تقریباً در تمام کشور IBC است که ۷ ویرایش از آن در سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۱۸ منتشر شده است.

برای آیین‌نامه‌های مدل معمولاً از استانداردهایی با اجماع ملی (یا تائید شده ANSI) استفاده می‌شود: ASCE/SEI ۷ – حداقل بارها طراحی و معیارهای مربوطه برای ساختمان‌ها و دیگر سازه‌ها و استانداردهای مصالحی مانند ACI ۳۱۸ – الزامات آیین‌نامه‌ای ساختمانی برای بتن سازه‌ای، TMS ۴۰۲/۶۰۲ – الزامات آیین‌نامه‌ای ساختمانی و مشخصات مصالح بنایی سازه‌ای، AISC ۳۶۰ –برای سازه‌های فولادی و مشخصات طراحی ملی (NDS) برای ساختمان چوبی، استانداردهای مهمی هستند که از استانداردهای IBC برای بارهای طراحی روی سازه‌ها و مقررات طراحی و ساخت برای سازه‌های ساخته‌شده از مصالح مختلف اقتباس شده‌اند. ACI ۳۱۸ و TMS ۴۰۲ استاندارد هستند نه آیین‌نامه؛ هرچند در عنوان آن‌ها از عبارت آیین‌نامه استفاده شده است.

مقررات طراحی لرزه‌ای ASCE/SEI ۷ اغلب از یک سند منبع به نام مقررات لرزه‌ای پیشنهادی NEHRP برای ساختمان‌ها و دیگر سازه‌های جدید برگرفته‌شده‌اند. ارتقای مقررات لرزه‌ای اغلب بر پایه گزارش‌های آماده شده در شورای فناوری کاربردی (ATC) انجام می‌شود. این سازمان گزارش‌های خود را بعد از تحقیقات یا مطالعات و با پشتیبانی سازمان‌هایی مانند NIST یا FEMA در مورد موضوعات موردنظر (شکل ۳) آماده می‌کند. سپس این گزارش‌ها توسط FEMA، NIST یا خود ATC منتشر می‌شوند.

اگر لازم باشد یک هدف عملکردی یعنی بازگشت عملکرد یا سکونت آنی (IO) به مقررات طراحی لرزه‌ای ایالات‌متحده اضافه شود، سندی که باید این کار در آن انجام شود ASCE ۷ است.

نتیجه‌گیری

نمی‌توان به‌طورقطع ادعا کرد که آیین‌نامه‌ها و استانداردهای لرزه‌ای کنونی ایالات‌متحده ناقص هستند. آیین‌نامه‌ها و استانداردها تصمیمات انجمن مهندسان سازه که با در نظر گرفتن نیازهای اجتماعی ازجمله ملاحظات اقتصادی گرفته‌شده، اجرا می‌کنند. انتظار می‌رود که سازه‌های طراحی‌شده با این آیین‌نامه‌ها و استانداردها در کل بتوانند:

• در برابر یک زلزله کوچک بدون آسیب مقاومت کنند.
• در برابر یک زلزله متوسط بدون آسیب سازه‌ای اما با آسیب‌های غیر سازه‌ای احتمالی مقاومت کنند.
• در برابر یک زلزله بزرگ – با شدت برابر با قوی‌ترین زلزله تجربه شده یا پیش‌بینی‌شده در موقعیت ساختمان – بدون فروریختن و اما با احتمال آسیب‌های سازه‌ای و غیر سازه‌ای مقاومت کنند.

انتظار می‌رود که آسیب سازه‌ای حتی در یک زلزله طراحی بزرگ هم در بیشتر سازه‌ها در سطحی قابل تعمیر اتفاق بیافتند. در بعضی از موارد ممکن است تعمیر سازه اقتصادی نباشد. سطح آسیب به عوامل زیادی ازجمله شدت و مدت لرزش زلزله، عمر سازه، پیکربندی سازه‌ای، نوع سیستم مقاوم جانبی، مصالح مورد استفاده و نیروی کار ساخت‌وساز بستگی دارد. آسیب وارد بر سیستم‌های غیر سازه‌ای و محتویات ساختمان ممکن است بسیار بیشتر از آسیب به سازه ساختمان باشد.

 منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

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

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