طراحی‌سازه بر اساس عملکرد یکی از روش های طراحی سازه های فولادی و بتنی است که در سال های اخیر در سطح جهان و کشور ایران مورد استقبال قرار گرفته است. آیین نامه های فعلی که بر اساس نیرو تهیه شده اند برای طراحی در محدوده ارتجاعی مناسبند. اما سطوحی از عملکرد که شامل پذیرش خسارت است بر اساس معیار جابجایی قابل تعریف است بنابراین تغییر مکان معیار مناسبی جهت تعریف شاخص خسارت و طراحی بر اساس عملکرد است. به بیان دیگر منظور از طراحی بر اساس عملکرد، رویکرد کلی در چگونگی اثر دادن زلزله در طراحی سازه های بتنی و فلزی است.
طراحی بر اساس عملکرد، علاوه بر سازه شاید بتواند در مسائل مختلف عمرانی مانند پایدارسازی گودها با روش های مختلفی نظیر میخ کوبی (نیلینگ)، سپر کوبی، مهارگذاری (انکراژ)، سازه نگهبان خرپایی، ساخت بالا به پایین (تاپ دان)، مهار متقابل (استرات)، دیوار برلنی و دیوار دیافراگمی، بهسازی خاک ها با روش های مختلفی مانند اختلاط عمیق خاک (DSM)، تزریق پر فشار (جت گروتینگ)، شمع، ستون شنی ارتعاشی، تراکم دینامیکی، ریزشمع (میکروپایل)، خاک مسلح (ژئوسنتتیک) و … مورد استفاده قرار گیرد.
در سال هاي اخير به دليل برخی از مشكلات روش هاي سنتی (طراحی بر اساس نيرو)، گرايش آيين نامه ها به روش طراحي بر اساس عملكرد بيشتر شده است. از طرف ديگر وجود مزيت هاي رقابتی اين روش نسبت به روش های سنتی (طراحی بر اساس نيرو) خصوصاً روش طراحی مستقيم بر اساس تغيير مكان آيين نامه نويسان و طراحان را به نوشتن برنامه هاي جديد طراحي و توام با اطميناني بسيار بيشتر از روش هاي ديگر به اين نوع از طراحی سوق داده است. ضعف روش طراحی نیرویی به کاربردن ضریب رفتار آن هم به طور یکسان و برای هر ارتفاعی از سازه و نحوه محاسبه نیروی زلزله که به واقع درصدی از نیروی الاستیک سازه است و توزیع آن در ارتفاع سازه و تنها تکیه بر کنترل تغییر مکان جانبی نسبی طبقات (دریفت سازه) جهت حصول اطمینان از صحت طراحی است.
روش‌های مبتنی بر نیرو
روش‌های طراحی سنتی ساختمان‌ها در برابر زلزله از قدیم به طور معمول بین مهندسین عمران رواج داشته است. هدف از ایجاد این روش‌ها، طراحی سازه‌ها در برابر زلزله به شکلی ساده و بدون نیاز به انجام محاسبات پیچیده مهندسی بوده است. در مقایسه با روش‌های جدیدی که از چند دهه قبل در مهندسی زلزله مطرح شد، این روش‌ها را می‌توان روش‌های مبتنی بر نیرو نامید؛ زیرا در آنها نیروی مشخصی به عنوان نماینده اثر زلزله توأم با بارهای ثقلی به سازه اعمال می‌شود.
در ایران نیز اولین آئین نامه زلزله در سال ۱۳۱۱ شمسی در پی زلزله بوئین زهرا انتشار یافت. ویرایش اول، دوم، سوم، و چهارم استاندارد ۲۸۰۰ ایران نیز به ترتیب در سالهای ۱۳۶۷، ۱۳۷۸، ۱۳۸۳، و ۱۳۹۴ شمسی تصویب و ابلاغ شد. چهارچوب کلی این روش بر اساس محاسبه یک تقاضای نیرویی مشخص با مقدار معین و طراحی اعضای سازه با قابلیت تحمل آن نیرو بنا شده است. در زیر برخی خصوصیات این دیدگاه در طراحی لرزه‌ای به طور اجمالی اشاره شده است:
- در آئین نامه‌های مبتنی بر روش فوق، ایمنی جان سکنه به وسیله تضمین فرو نریختن و وارد نشدن خسارات عمده به سازه‌ها در برابر سطح خاصی از زلزله بیمه شده است.
- در این روش، اگرچه رفتار غیرخطی سازه معتبر شناخته شده و از آن در طراحی استفاده می شود؛ اما این رفتار با شبیه‌سازی یک رفتار خطی معادل غیر واقعی جایگزین می‌شود. این کار به نوعی در نظر گرفتن رفتار غیرخطی به شکل ضمنی و غیر مستقیم است.
- عملکرد سازه در این روش‌ها در حین و پس از زلزله طرح به طور کیفی و کلی تعریف شده و از بیان جزئیات رفتار مورد انتظار سازه و اجزای آن چشم پوشی شده است.
- یکی از رویکردهای اصلی در این روش، استفاده از یک ضریب رفتار (R) برای کاهش تقاضای لرزه ای وارد بر سازه است. با به کار بردن این ایده که متضمن لحاظ نمودن ظرفیت شکل‌پذیری سازه در تحمل بار است، نیروهای مورد استفاده در تحلیل، ماهیتی انتزاعی و غیرحقیقی به خود می‌گیرد که گاهی از آن به شبه نیرو تعبیر می‌شود.
- در این آیین‌نامه‌ها برای در نظر گرفتن انتظارات بیشتری که از رفتار برخی ساختمان‌ها نظیر بیمارستان‌ها در هنگام وقوع زلزله می‌رود از یک ضریب اهمیت (I) استفاده می‌شود. این ضریب باعث افزایش نیروی طراحی برای این دسته از ساختمان‌ها می‌شود.
- در آیین نامه ۲۸۰۰ علاوه بر ضوابط نیرویی، ضوابطی برای کنترل سختی سازه از طریق کنترل تغییر مکان‌های سازه نیز ارائه شده است.
طراحی بر اساس عملکرد
همان طور که اشاره شد روش‌های طراحی لرزه‌ای مرسوم (مبتنی بر نیرو) با ساده سازی یک رفتار پیچیده، امکان وارد کردن سازه به قلمرو غیرخطی را برای عموم مهندسین حتی بدون انجام تحلیل‌های پیچیده و استفاده از ابزارهای محاسباتی پیشرفته فراهم می‌کردند. از حدود دهه ۸۰ میلادی روش‌های طراحی بر اساس عملکرد در مهندسی زلزله راه یافت.
روش‌های طراحی بر اساس عملکرد با شناسایی سطوح متفاوت از زلزله، توجه خود را به عملکرد سازه در زمان زلزله و پس از آن معطوف می‌دارد. هدف کلی در این روش‌ها کاهش آسیب‌های وارده به اعضای سازه‌ای و غیرسازه‌ای از طریق تقسیم‌بندی سطوح مختلف برای عملکرد اجزای سازه تحت سطوح متفاوت از زلزله ورودی است. در این روش‌ها رسیدن به یک رفتار مطلوب از سازه، به عنوان عملکرد مورد انتظار مطرح شده است.
به عنوان مثال بر اساس یکی از عملکردهای مفروض، انتظار می‌رود که سازه در مواجهه با سطح خاصی از زلزله طوری رفتار کند که با جلوگیری از فروریزش کلی، جان ساکنین حفظ شود. چنین عملکردهایی در قالب سطوح عملکردی زیر توصیف می‌شود:
- عدم فروریزش در زلزله‌های بزرگ خیلی نادر
- تأمین ایمنی در زلزله‌های بزرگ نادر
- پذیرش خسارت محدود و قابل تعمیر در زلزله‌های متوسط
- بدون خسارت در زلزله‌های کوچک و متناوب
این سطوح عملکردی به طور مستقیم با ورود اجزای سازه به قلمروی غیرخطی مرتبط است. هر اندازه که این ورود بیشتر باشد، سازه خسارت بیشتری را متحمل شده و عملکرد نامطلوبتری از خود نشان خواهد داد.
آیین‌نامه های بهسازی موجود در دنیا، از جمله دستور العمل بهسازی لرزه ای ایران (نشریه 360 ایران)، بر پایه تئوری‌های عملکردی تنظیم شده‌اند و از این رو مبنای طراحی عملکردی می‌باشند. در ادامه به معرفی دو عامل تأثیرگذار در طراحی عملکردی، یعنی سطوح خطر زلزله و سطوح عملکرد سازه ای پرداخته شده است.
الف) سطوح خطر زلزله
برای طراحی عملکردی یا بهسازی لرزه ای یک سازه، بخشی از فرضیات طراح، بر پایه‌ی زلزله‌ایست که انتظار می‌رود سازه در آینده تحت تأثیر آن قرار گیرد؛ در نتیجه، طراحی اعضای سازه به گونه‌ای صورت می‌گیرد که تحت زلزله مذکور، رفتار آنها مطابق عملکرد مورد انتظار باشد. سطح خطر لرزه ای به معنای زلزله انتخابی می‌باشد که بر اساس نیروی ناشی از آن، سازه مورد نظر مورد تحلیل و طراحی قرار می‌گیرد.
در نشریه شماره 360 بخش (1-7-2)، روش‌های برآورد طیف طرح شتاب بر اساس سطوح خطر مورد نظر، معرفی شده است. همانطور که در این نشریه ذکر شده برای محاسبه نیروی حاصل از زمین لرزه در هر یک از سطوح خطر مورد نظر، می‌توان از دو فرآیند شکل طیف ثابت و یا طیف طرح ویژه ساختگاه استفاده کرد که طیف شکل ثابت می‌تواند طیف استاندارد 2800 و یا طیف نشریه شماره 360 باشد.
بر اساس بند (1-7-2-1-1) در صورت استفاده از طیف شکل ثابت استاندارد 2800:
- زلزله سطح خطر 1: همان زلزله‌ایست که در استاندارد 2800 محاسبه می‌کنیم (زلزله طرح استاندارد 2800، زلزله‌ای که احتمال فراگذشت آن در 50 سال ده درصد و دوره بازگشت آن 475 سال می‌باشد).
- زلزله سطح خطر 2: 5/1 برابر این زلزله می‌باشد. شتاب مبنای طرح زلزله سطح خطر 2 را همچنین می‌توان از انجام تحلیل خطر ویژه ساختگاه برای دوره بازگشت 2475 سال بدست آورد.
ب) سطوح عملکرد سازه ای
پس از انتخاب سطح خطر لرزه ای مورد نظر، باید میزان آسیب مطلوب درصورت وقوع زلزله سطح خطر انتخاب شود. سطح عملکرد سازه همان میزان آسیب مورد نظر است که از مجموعه‌ی تغییرشکل‌ها و خرابی‌های تک تک اعضا حاصل می‌شود؛ پس با انتخاب یک سطح عملکردسازه ای، محدودیتی برای میزان خرابی هر عضو تحت نیروهای لرزه‌ای حاصل از زلزله سطح خطر تعیین می‌کنیم و اعضا باید به گونه ای طراحی شوند که این محدودیت‌ها را با توجه به سطح عملکرد ساختمان و سطح خطر انتخابی ما ارضا کنند.
عملکرد اجزای سازه‌ای و غیرسازه‌ای، سطح عملکرد کلی ساختمان را تعیین می‌کنند. میزان و نوع آسیب‌های به وجود آمده در اجزای سازه‌ای و غیر سازه‌ای مشخص کننده سطح عملکرد هر جزء است. اجزای سازه‌ای به اجزایی از ساختمان که در تحمل نیروهای ثقلی و جانبی و انتقال آنها به پی (فوندانسیون) سازه و در نهایت زمین، نقش دارند، مانند تیرها، ستون‌ها و دیوارهای برشی گفته می‌شود. اجزای دیگر سازه که ویژگی مذکور را ندارند مانند دیوارهای جدا کننده و سقف‌های کاذب، از اجزای غیرسازه‌ای ساختمان می‌باشند.
طبق دستور العمل بهسازی ساختمان های موجود برای تعیین سطح عملکرد سازه ای هر عضو از ساختمان و میزان مجاز تغییر شکل و خرابی آن باید به دو عامل:
- نوع رفتار عضو از نظر میزان شکل‌پذیری
- نقش داشتن یا نداشتن آن در تحمل نیروی جانبی
توجه داشت که در این حالت اجزای سازه‌ای به دو دسته اصلی و غیراصلی تقسیم می‌شوند.
دستور العمل بهسازی لرزه ای سازه
در تجدید نظر اول نشریه 360 ویرایش 1392 که دستورالعمل بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود در کشور ایران است، برای اجزای سازه‌ای چهار سطح عملکرد اصلی و دو سطح عملکرد سازه ای میانی تعریف شده است. همچنین برای اجزای غیرسازه‌ای پنج سطح عملکرد ارائه گردیده است.
- سطح عملکرد کلی ساختمان نیز ترکیبی از سطوح عملکرد اجزای سازه‌ای و اجزای غیرسازه ای است.
در زمینه سازه فلزی بیشتر مطالعه کنید :
- سازه فولادی یا اسکلت فلزی (Steel Structure)
- سازه صنعتی (Industrial Structure)
- سوله چیست ؟ انواع و کاربرد سوله (Industrial Shed)
- انواع سیستم های سازه ای (Structural System)
- ستون های مرکب بتن و فولاد از قبیل CFT و SRC
- سازه بتنی یا اسکلت بتنی (Concrete Structures)
- آیین نامه ی ۲۸۰۰ ، طراحی ساختمان ها در برابر زلزله
در زمینه پایدارسازی گود بیشتر مطالعه کنید :
- ساخت از بالا به پایین یا تاپ دان چیست؟ (Top-Down Construction)
- نیلینگ یا میخ کوبی دیواره چیست؟ (Soil Nailing)
- انکراژ یا مهارگذاری خاک چیست؟ (Soil Anchorage)
- مهارمتقابل یا استرات چیست؟ (Braced Excavations – Struts)
- سازه نگهبان خرپایی چیست؟ (Truss Retaining Structure)
در زمینه بهسازی خاک بیشتر مطالعه کنید :
در زمینه مطالعات ژئوتکنیک بیشتر مطالعه کنید :
- مطالعات خاک یا مطالعات ژئوتکنیک چیست؟ (Site Investigation)
- مطالعات لرزه خیزی چیست؟ (Seismicity studies)
در زمینه طراحی و مشاوره بیشتر مطالعه کنید :
- معرفی نرم افزار ETABS
- معرفی نرم افزار SAFE
- معرفی نرم افزار SAP2000
- معرفی نرم افزار Plaxis
- معرفی نرم افزار ABAQUS
در زمینه تخریب و خاکبرداری بیشتر مطالعه کنید :
- مهندسی تخریب ساختمان (Destruction Engineering)
- خاکبرداری چیست؟ (Excavation)
- تخریب ساختمان چیست؟ مراحل تخریب اصولی (Building Demolition)
مطالب مرتبط :
