بهسازی//

بهسازی اصولی ساختمان

بهسازی//

بهسازی لرزه ای (قسمت اول: مقدمه)

 بهسازی لرزه ای و تقویت ساختمان از ساخت ساختمان جدید از پیچیدگی های بیشتری برخوردار است. کاربرد این موضوع در مقاوم سازی ساختمان های موجود در برابر خطرات احتمالی و طبیعی می باشد که از نمونه های بارز آن ساختمان پلاسکو می باشد.

تفاوتی که آیین نامه های اساس نیرویی ( FORCE BASE DESIGN) با کار ما دارند و چندان برای ما کارامد نیستند اینست که در بحث بهسازی و تعمیر سازه ها باید به سمت طراحی عملکردی سازه

(  PERFORMANCE BASE DESIGN ) رفت؛ آیین نامه­ ی ۲۸۰۰ یک بلک باکسی به نام R دارد که موظفیم به آن عمل کنیم و حق هیچگونه قضاوت و تحلیل مهندسی در ضریب R نداریم.

اعضای سازه را به دو گروه تقسیم می­کنیم :

  • DISPLACEMENT CONTROL ( مانند کنش خمش در اعضا )
  • FORCE CONTROL ( مانند کنش برش در اعضا )

اگر سازه DISPLACEMENT CONTROL باشد بدان معناست که در زلزله های بزرگ، انرژی دریافتی و تغییر شکل های این سازه بیشتر می­شود اما در سازه های ترد اعضای FORCE CONTROL عیب خواهد کرد. در واقع اعضای DISPLACEMENT CONTROL  همان اعضای هوشمند سازه ای هستند که خمش در آنها حاکم است و عملکردی نرم دارند و اعضای FORCE CONTROL آنهایی هستند که برش در آنها حاکم است و عملکردی ترد دارند. توجه شود که در اعضای DISPLACEMENT CONTROL تخریب بعد از تغییر شکل زیاد حاصل می­شود.

سطوح عملکردی سازه

در دسته بندی دیگر، ساختمان به دو گروه تقسیم می شود :

  1. عناصر سازه ای
  2. عناصر غیر سازه ای

عناصر سازه ای نیز شامل دو گروه خواهند شد : ۱-کنترل شونده نیرویی ۲-­کنترل شونده­ ی تغییر شکلی

عضو کنترل شونده نیرویی

عضو FORCE CONTROL به محض رسیدن به یک سطح مقاومت تخریب می شود.

مثلا در ستون تحت بار محوری در بین مسیر شکست، ابتدا دچار کنده شدن کاور ( SPALL ) شده و بعد خاموت ها پاره گشته و بعد کمانش آرماتور های طولی و بیرون زدگی آنها اتفاق می افتد که در نهایت گسیخته می­شود.

حال این سوال پیش می آید که در چه حد نیرویی و شکل پذیری سازه قابل برگشت به حالت اولیه می­ باشد؟ یا به عبارت دیگر اگر بخواهیم بعد از زلزله سازه قابلیت استفاده داشته باشد باید نهایتاً چند درصد از توان کامل سازه را به آن اعمال کرد؟

در اعضای کنترل شونده ی نیرویی سطوح عملکرد بسته به بارهای وارده ( تقاضاهای نیرویی و شکل پذیری = DEMAND ) و در مقابل آن CAPACITY خواهد بود. ما باید بدانیم نسبت تقاضا به ظرفیت چقدر است ؟ اگر این نسبت حدود ۰٫۷ باشد خوب خواهد بود اما هرچه به ۱ نزدیکتر باشد تخریب بیشتر است. در واقع برقراری تعادل بین تقاضا و ظرفیت بسیار مهم است.

عضو کنترل شونده تغییر شکلی

در اعضای کنترل شونده­ی تغییر شکلی میزان تغییر شکل های وارده و ماندگار باید درحدود تسلیم باشد تا خوب باشد. برای تعیین سطوح عملکردی باید بدانیم که تغییر شکل ماندگار در سازه چقدراست؟ مثلا اگر تغییر شکل ماندگار ( RESIDUAL DRIFT ) سازه بیش از ۰٫۴ تغییر شکل کلی باشد سازه قابل برگشت نخواهد بود.

در این مورد باید سعی کنیم تا رفتار غیر خطی، بازگرداننده باشد و تغییر شکل ماندگار کاهش یابد.

در واقع بزرگ کردن شکل پذیری در اعضای ساختمانی خیلی کارگشا نیست بدین معنا که وجود آن لازم است اما تغییر شکل، به تنهایی کافی نیست در واقع باید به سمتی برویم که تغییر مکان ماندگار کم شود.

دو نمونه راهکار اجرایی

مثلا ما دوست داریم بادبند های با شکل پذیری بالا داشته باشیم به مانند بادبند های ضد کمانش( BUCKLING RESTRAIN BRACING) که با استفاده ­ی آنها علی­ رغم عدم ریزش، به علت شکل پذیری سازه بعد از زلزله کج می ایستد. به عبارت دیگر ما تغییر شکل ماندگار را هنوز حل نکرده ایم.

اگر این BRB هارا به همراه قاب خمشی نسبتا نرم که تغییر مکان جانبی ( DRIFT ) پلاستیک زیادی نداشته باشد استفاده کنیم؛ از نیروی بازگرداننده استفاده کرده ایم. راهکار دیگر استفاده از پیش تنیدگی است. مثلا اگر در سازه، تیر همبند یاCOUPLING SHEAR WALL بکار ببریم، باید از سیستم های قطری استفاده کنیم. به جای اینکار میتوان از قطعات پیش ساخته پیش تنیدگی استفاده کرد. البته باید دقت کنیم طراحی پیش تنیدگی باید بگونه ای باشد تا عضو پیش تنیده در زلزله از حالت الاستیک خارج نشود تا توانایی برگرداندن سازه را بعد از زلزله داشته باشد.

استفاده از نبشی ها در این قسمت از تیر باعث تغییر شکل و اتلاف انرژی می شود . در این بین، کابل پیش تنیدگی جوری طراحی می شود که وارد محدوده ی پلاستیک نشود و بعد از زلزله این نیروی پیش تنیدگی باعث برگرداندن سازه به حالت نرمال شود. به طور خلاصه باید بین نیروی پیش تنیدگی و اتلاف انرژی ادوات اصظکاکی مثل نبشی، تناسب برقرار شود. از این قبیل است هر سیستم دیگری که حالت ذخیره کردن نیرو در حالت الاستیک را داشته باشد که بتواند سازه را پس از زلزله به حالت اول بازگرداند. پس هم میزان تغییرشکل ها و هم میزان ماندگاری آن مهم است.

بر اساس اهمیت سازه ها و درنظرگیری مسائل اقتصادی سطح عملکرد انتخاب می شود.

توجه شود که اضافه کردن نیرو همیشه عملکرد( PERFORMANCE ) مطلوب را برای ما ایجاد نمی­کند.

اشکال آیین نامه زلزله ایران

آیین نامه ۲۸۰۰ به ما تفهیم می کند اگر اجزای یک سازه نیروی وارده را تحمل کند سوای از تغییر شکل، سازه ی ما ایمن خواهد بود. در مقابل بیان می­شود ممکن است نیرو حتی کمتر از نیروی وارده در ۲۸۰۰ باشد اما تغییر شکل از تغییر شکل قابل تحمل سازه بیشتر باشد؛ یا حتی اگر تغییر شکل هم برای سازه قابل تحمل باشد ممکن است سازه قابلیت استفاده­ی مجدد را به دلیل ورود به ناحیه­ی پلاستیک از دست داده باشد. با این ادله متوجه خواهیم شد باید گامی فراتر از آیین نامه ی زلزله ایران برداشت.

از ترکیب عملکرد اعضای سازه ­ای و غیرسازه­ ای سطوح عملکرد ساختمان بدست می آید :

سطوح عملکردی به شتاب و تغییر شکل حساس اند. این حساسیت در دو محدوده بررسی می شود:

  • سطوح عملکردی خارج از صفحه که به شتاب وابسته بوده و اجزای عضو بیرون می ریزد.
  • درون صفحه ای که به تغییر شکل بستگی دارد و از درون صورت می گیرد.

سطوح عملکرد سازه ای:

  • قابلیت استفاده­ی بی وقفه (IO ) : توضیح اینکه اعضای سازه ای دارای سطح عملکرد بی وقفه نیستند زیرا این سطح از اعضای غیر سازه ای بدست می آید در واقع اگر عناصر غیر سازه ای در سطح عملکردی قابلیت استفاده بی وقفه قرار بگیرند، اعضای سازه ای هم قرار خواهند گرفت. این سطح عملکردی بطور مشروح باید هم بار ثقلی هم بار زلزله و هم پس لرزه هارا بتواند تحمل کند و بی وقفه قابل رفت و آمد باشد.
  • سازه بگونه ای باشد که با تعمیر و بهسازی بتوان در آن زندگی کرد.
  • ایمنی جانی ( LS ) : به این معنی که این ساختمان باید شرایط ایمنی جانی و رفت و آمد افراد به محوطه را فراهم کند. اما دیگر قابل برگشت نیست
  • محدوده ای که ایمنی جانی داریم اما حداقل و محدود
  • جلوگیری از فروریزش ( CP ) : پیش بینی می شود هر تغییر شکلی برای سازه به وجود آید اما سقف طبقات فرو نریزد به حالتی که بتوان اشیای باارزش و افراد صدمه دیده را جابجا کرد.
  • لحاظ نشده

سطوح عملکرد اعضای غیر سازه ای

  1. I OP : عملکرد بی وقفه تجهیزات
  2. IO : قابلیت استفاده بی وقفه
  3. LS : ایمنی جانی
  4. ایمنی جانی محدود
  5. لحاظ نشده

سطوح عملکردی ساختمان عبارتند از :

  • خدمت رسانی بی وقفه ( A-1)
  • قابلیت استفاده ی بی وقفه(B-1)
  • ایمنی جانی(C-3)
  • آستانه ی فروریزش(E-5)

هر مهندس مشاور و مسئولی بر اساس اهمیت سازه، تجهیزات داخلی و پیش بینی نوع عملکرد سازه در زلزله مشخص، تعریف می کند که عملکرد سازه در زلزله چگونه باشد.

توجه داشته باشید که بهسازی سازه های معمول برای سطح عملکرد IO تقریبا غیر ممکن است و برای این سطح عملکرد، سازه ها باید با سیستم های خاصی طراحی شده باشند؛ مثل استفاده از دمپرها، BASE ISOLATOR ، سیستم های کنترلی و ….

هر سطح عملکرد بهسازی متناسب با نوع ساختمان پیش روی ماست. درواقع درنظر داشته باشید یک ساختمان با مصالح بنایی را نمی­توان برای سطح عملکرد IO تعمیر کرد.

هدف بهسازی

پس از سطوح عملکرد ساختمان به هدف بهسازی می­رسیم. اهداف بهسازی می توانند تک یا چندگانه باشد. هر هدف بهسازی ترکیبی از سطح عملکرد ساختمان در زلزله مورد نظر می ­باشد. مثلا هدف بهسازی مبنا برابر است با سطح عملکرد C-3 در زلزله ی با احتمال فراگذشت ۱۰% در ۵۰ سال یا دوره بازگشت۴۷۵ سال؛ هدف بهسازی مطلوب برابر است با سطح عملکرد C-3 در زلزله ی ۴۷۵ سال و عملکرد E-5 در زلزله ی ۲۴۷۵ سال. بنابراین ترکیب خطر لرزه ای و سطوح عملکرد ساختمان به معنای اهداف بهسازی می­ باشد. در صفحه­۴۰۳ آیین نامه بهسازی، نحوه ی درنظرگیری سطح عملکرد ساختمان های مختلف باتوجه به زلزله مد نظر عنوان شده است.

اشتباه رایج در بین مردم سنجیدن میزان خرابی زلزله با واحد ریشتر است. ریشتر در واقع انرژی آزاد شده از گسل بوده و آن چیزی که برای مهندسین اهمیت دارد شتاب طیفی وارده به سازه است. شتاب طیفی وابسته به دوره فراگذشت زلزله و میرایی سازه می­باشد.

آیا تا به حال فکر کرده اید شتاب طیفی چگونه بدست می­آید؟

آیین نامه های مختلف برای بدست آمدن شتاب طیفی یک سیستم یک درجه آزادی را درنظر گرفتند و برای آن، ضریب میرایی، جرم و سختی تعریف کرده اند.

پس از تعریف سازه و خصوصیات آن، این سازه را در معرض n  تاریخچه زلزله قرار می­دهند؛ پس از این مرحله با تغییر ضریب سختی(k) و جرم(m)، دوره تناوب های (period) مختلف را برای سازه بدست می­آورند. این دوره تناوب ها وابسته به جنس خاک زیر پی نیز می باشد که در آیین نامه ها با تغییر پارامترهای جنس خاک زیر پی، سختی و جرم، ماکزیمم شتاب وارد شده به سازه بدست می­آید و بدین ترتیب یک نقطه بدست می­آید. این نقاط ماکزیمم بدست آمده را بهم وصل کرده و طیف شتاب بدست می­آید. پارامتر های عمق کانونی زلزله نیز بر روی این طیف تاثیر دارد. تمام این فعالیت ها برای یک جنس خاک و سازه یکدرجه آزادی تعریف می شود.

شتاب طیفی در ایران

شتاب های طیفی بسته به رکوردهای دستگاهی( در ایران در حدود ۶۰ سال رکورد زلزله ثبت شده داریم.) یا رکورد های تاریخی بدست می­آیند. در بررسی های شتاب زلزله می توان از دو راه استفاده کرد

  • استفاده از شتاب طیفی موجود در آیین نامه ها
  • استفاده از طیف ویژه ساختگاه

طیف داده شده در آیین ناامه ۲۸۰۰ برای زلزله ۴۷۵ ساله طرح شده است. در این آیین نامه برای طراحی ساختمان های مهم که انتظار عدم خرابی در زلزله ۲۴۷۵ ساله را داریم طیف طرح ویژه ساختگاه را پیشنهاد می دهد که این طیف بسیار، تصادفی می­باشد و چندان قابلیت اطمینان بالایی ندارد. با بهسازی لرزه ای ساختمان ها می توان از سطح عملکردی فرضی ۲۸۰۰( که تمام سازه ها را برای سطح LS طراحی می­کند) فراتر رفت. در واقع در این سری مقالات بیان می­کنیم که چگونه  سازه هارا بر اساس اهمیت و زمان برای سطوح عملکردی مختلف طراحی کنیم.

 

محمد طاهری فرد ۹۷/۰۱/۱۰

از سری مقالات خاص مهندسین

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *