بخشی از مقاله
خلاصه
زلزله مهمترین خطری است که ممکن است سبب ایجاد انواع خسارتها در طول عمر سازه شود. طرح لرزهای سازهها حتی بهصورت عملکردی بدون لحاظ اثر احتمالاتی خطر زلزله و خسارتهای احتمالاتی آن، مکفی نیست. در صورت رخداد زلزله خسارتها و هزینهها شامل آسیب به عناصر سازهای و غیر سازهای، آسیب به تجهیزات ساختمان، مصدومیتها و تلفات انسانی و خسارتهای اجتماعی و اقتصادی میباشند. به کمک تحلیل چرخه عمر، اثر احتمالاتی رخداد زلزله به همراه هزینههای خسارت آن در طول عمر سازه لحاظ میگردد. هرچند به هزینهها و خسارتهای محیط زیستی توجه کمتری شده است، اما در شاخصهای توسعه پایدار و انتخاب گزینههای نهایی اجرای سازه بسیار مهم میباشند. در این پژوهش تحلیل چرخه عمر قابهای بتنی مسلح با لحاظ اثرات محیط زیستی انجام گردیده است و اثرات لحاظ هزینههای محیط زیستی در تصمیمگیریهای نهایی گزینههای طراح و اجرای سازهها بررسی شده است.
1. مقدمه و هدف
به دلیل مصرف و کاهش حجم سریع منابع، آلودگی محیطزیست و همچنین وقوع حوادث طبیعی در دنیا، به یک ارزیابی کامل از زیرساختهای عمرانی نیاز است. سیستمهای مهندسیمعمولاً به دلیل استفاده زیاد و قرارگیری در معرض حوادث طبیعی مستهلک و دچار خرابی میشوند. در چنین شرایطی، مالک سیستم باید تصمیماتی درباره تعمیر، جایگزینی یا کنار گذاشتن سیستم اتخاذ کند. تحلیل چرخه عمر4 بستری منطقی برای فرایند تصمیمگیری در چنین زمینههایی فراهم میکند. همچنین اطلاعات ارزشمندی درباره عملکرد یک سیستم در طول عمرش، مثل قابلیت اعتماد در طول زمان، هزینههای زمان بهرهبرداری و سایر کمیتهای مربوط به مدت زمان بهرهبرداری ارائه میدهد.[1] این تحلیل، روشی جامع برای برآورد عملکرد محیطزیستی انواع محصولات، فرایندها یا سیستمها از گهواره تا گور است. بدین ترتیب کل طول عمر سازه که از بررسی مواد خام شروع شده و تا زمان دپو زبالههای ناشی از انهدام محصولات ادامه میابد، ارزیابی میگردد.[2] بر اساس[3] SAIC5، تحلیل چرخه عمر روشی برای بررسی جنبههای محیطزیستی و اثرات بالقوه محصول یا فرایند موردنظر است. مطالعات اخیر نشان داده است که برای داشتن سازهای پایدار6 از جنبههای مختلف اقتصادی و محیطزیستی، ابتدا باید سازه برای مقابله با حوادث طبیعی به درستی طراحی گردد.[6-4] مفاهیم چرخه عمر نخستین بار توسط - 1992 - [2] SETAC و سپس - 2006 - [3] SAIC ارائه شد. طبق این مفاهیم ارزیابی چرخه عمر محدود به برآورد اثرات متقابل محصول و محیطزیست است. اما به توصیه [7] ISO 14040 میتوان به کمک مفهوم چرخه عمر و به کارگیری سایر ابزار، دامنه
مطالعات را گسترش داد و جنبههای دیگر، از جمله جنبههای اقتصادی را نیز مورد بررسی قرار داد. اخراًی بررسی اثرات محیط زیستی در سازهها اهمیت پیدا کرده و به طور جدی مورد ارزیابی قرار گرفته است. حسین و گنتورک - 2011 - [4] 1 مدل دو نوع سازه را مورد مقایسه قرار داده اند: یکی سازه با هزینه ساخت پایین و عملکرد ضعیف در برابر زلزله طرح و دیگری سازهای با هزینه ساخت بالا و عملکرد بهتر در برابر زلزله طرح. در این مطالعات مشخص شده است که در زمان بهرهبرداری، سازه قوی 2 الی 4 بار اثرات محیطزیستی کمتری نسبت به سازه ضعیف دارد. اما به دلیل مصرف مصالح و ساختوساز بیشتر در سازه قوی، اثرات محیطزیستی مرحله اولیه - ساخت - و مرحله نهایی - پایان عمر سازه - برای سازه قوی بیشتر از سازه ضعیف است. درنتیجه سازه ضعیف ازنظر محیطزیستی دوام بیشتری نسبت به سازه قوی داشته است.
اسداله فردی و همکاران - 2015 - [8] 2 از روش تحلیل چرخه عمر در ساختمانی مسکونی در تهران استفاده کردهاند، در این مطالعات گرم شدن زمین و پتانسیل اسیدی شدن در مرحله استفاده از مصالح و ساخت سازه، بررسی شده و نشان داده شده است که در بین مصالح ساختمانی، بیشترین و کمترین اثر محیطزیستی به ترتیب مربوط به بتن و چوب است. چو و یه - 2015 - [9] 3 دو روش استفاده از بتن پیشساخته و بتنریزی درجا را برای ساخت ساختمان بتنی از نظر مقدار انتشار گاز CO2 و هزینه محیطزیستی مربوطه مورد بررسی قرار دادهاند. آنها با مقایسه این دو روش نشان دادند که در صورت لحاظ کردن هزینه محیطزیستی ناشی از حملونقل، روش بتنریزی درجا از لحاظ محیطزیستی مناسبتر است. گنتورک و همکاران - 2016 - [6] 4 پنج نوع سازه طراحی کرده اند که از سازه اول تا پنجم، مقاومت سازهها افزایش یافته است. در این مطالعات مشخص شد با انتخاب سازه قویتر، مدت زمانی که پس از رخ دادن زلزله ممکن است یک سازه نیاز به تعطیلی - برای انجام بازسازی - داشته باشد و به بهرهبرداری مجدد برسد به شدت کاهش مییابد، چراکه خرابی سازه چه بهصورت کلی و چه بهصورت جزئی تقریباً رخ نخواهد داد - زیرا سازه پنجم بسیار مقاوم طراحی شده است - . همچنین تلفات و خسارات جانی نیز کاهش مییابد. اما برای داشتن سازهای قویتر هزینههای مالی و اثرات محیطزیستی میتواند به ترتیب تا دو الی سه برابر افزایش یابد.
در میان صنایع مختلف، صنعت ساختوساز یکی از صنایع پیشرو است و [10] ASCE5 نیز بر این باور است که مهندسین عمران در رسیدن به چشمانداز 2025 برای ایجاد دنیایی با توسعه بادوام و افزایش کیفیت زندگی پیشگام هستند. یک سازه درطول عمر خود، از مرحله تولید مواد اولیه و ساخت سازه تا زمان پایان عمر و انهدام که شامل مرحله بهرهبرداری نیز میشود، اثرات مختلفی بر محیطزیست میگذارد. برای بررسی این اثرات مطالعات اندکی انجام شده است که بعضی از این مطالعات، اثرات محیط زیستی مربوط به زمان بهرهبرداری و وقوع زلزله را نیز مورد ارزیابی قرار دادهاند. به کمک برآورد اثرات محیط زیستی میتوان تشخیص داد که هر سازه چه مقدار اثرات محیط زیستی تولید میکند. از جمله اثرات محیط زیستی آلوده کننده، میتوان به پتانسیل گرمایش زمین، اسیدی شدن، تغذیه گرایی و سمیت برای انسان اشاره کرد. در این زمینه میتوان از تحقیقات بعضی از سازمانها مانند [11] EPA برای کمی سازی اثرات استفاده کرد. پس از آن میتوان به کمک ضرایب وزنی ارائه شده در روشی به نام [12] BEES تمامی اثرات را با هم جمع کرده و در نهایت به یک عدد که امتیاز محیط زیستی نامیده میشود، رسید. به این ترتیب مقایسه و تصمیمگیری پیرامون کاهش اثرات محیط زیستی تسهیل میگردد. هرچه امتیاز محیط زیستی کمتر باشد، سیستم مورد نظر، از نظر محیط زیستی عملکرد بهتری دارد.[4] با این حال کمبود روشی برای تبدیل اثرات محیطزیستی به هزینه، برای بررسی و مقایسه راحتتر جنبههای اقتصادی احساس میگردد. یکی از راه حلها در این زمینه استفاده از مفهوم مالیات، به معنی پرداخت جریمه در مقابل ایجاد آلودگی در محیطزیست، است. در این مورد میتوان به مالیات بر کربن اشاره کرد. هدف و نوآوری این مقاله لحاظ هزینه محیط زیستی در ارزیابی عملکردی قابهای بتن آرمه در مناطق لرزهخیز است.
2. تئوری و روش تحقیق
مختلفی را در نظر میگیرد. در روش PEER PBEE، محاسبه خرابی به چهار مرحله متوالی تقسیم میشود: تحلیل خطر، برآورد پاسخ سازه، ارزیابی خرابی و تحلیل خسارت.[13 ,6 ,5] در این مطالعه مرحله ارزیابی خسارت شامل ارزیابی هزینه محیط زیستی است. عملکرد لرزهای، مقدار خرابی که سازه در هر سطح خطر متحمل میشود را مشخص میکند و در نهایت در انتخاب طرح و هزینه تعمیر و هزینههای محیط زیستی مربوط به تعمیرات، قطعی میگردد.[6] در گام تحلیل خطر1 ، خطرات زمینلرزه به صورت احتمالاتی در نظر گرفته میشوند. خطر به عنوان پارامتر زمینلرزه بیان میشود وعمولاً بزرگای زلزله - IM2 - نامیده میشود. در این مطالعه بیشینه شتاب3 به عنوان بزرگای زلزله در نظر گرفته شده است. نتیجه تحلیل خطر منحنی خطر4 است که رابطه بین بزرگای زلزله و فراوانی متوسط سالانه فزونی از بزرگای زلزله، در مکان مورد نظر را با در نظر گرفتن تمام فاکتورهایی که بر زمینلرزه تأثیر دارند، نشان میدهد. منحنی خطر با این فرض اساسی که تابع توزیع احتمال زلزله به صورت پوآسنی است[14]، طبق رابطه - 1 - محاسبه میگردد.[6] - - = 1 − − - - × - 1 - که در آن بزرگای زلزله، - - نرخ فزونی سالانه، t تعداد سالهای بهرهبرداری از سازه، - - احتمال فزونی بزرگای زلزله در سالهای مورد نظر است. به کمک منحنیهای خطر و تحلیل سازه برای سطوح خطر مختلف میتوان احتمال رخداد آسیب5 در سازه را محاسبه نمود. شکل 1 بر اساس Vision 2000 ﱠ ِ، سطوح خطر و عملکرد و ترکیب پیشنهادی مناسب بین این دو را نشان میدهد. سطوح خطر شامل زلزله با دورههای بازگشت 43، 72، 475 و 949 ساله است که به ترتیب متناسب با احتمال فزونی %50 در 30 سال، %50 در 50 سال، %10 در 50 سال و %10 در 100 سال است.
قدم بعدی تحلیل خطر، انتخاب زلزلههای متناسب با سطح خطرهای قید مذکور است. تعداد زلزلهها باید به اندازهای باشد که دادههای آماری معنیداری برای تحلیل سازه در اختیار ما قرار دهد. برای این منظور میتوان رکوردهای مصنوعی تولید کرد. در مرحله تحلیل سازه مدلسازی عددی سازه انجام میگیرد و رکوردهای انتخاب شده در مرحله تحلیل خطر، در تحلیل دینامیکی غیرخطی مورد استفاده قرار میگیرد. هدف تعیین پاسخ سازه به صورت احتمالاتی، با در نظر گرفتن سطوح خطر مختلف است. پاسخ سازه برای به دست آوردن پارامترهای نیاز مهندسی6 بر اساس بزرگای مختلف در سطوح خطر تعیینشده، ارزیابی میگردد. معمولترین پارامترهای مهندسی که برای کل سیستم استفاده میگردند حداکثر جابجایی طبقه برای اجزای سازهای و حداکثر شتاب طبقه برای اجزای غیر سازهای است.[6 ,5] هدف از برآورد آسیب، تبدیل پارامترهای مهندسی بهدستآمده به کمک منحنیهای شکنندگی، به سطوح آسیب7 است. پارامترهای مهندسی المانهای مختلف که از تحلیل سازه به دست آمده است در تابع شکنندگی مورد استفاده قرار میگیرد. برای یک عضو، در بزرگای زلزله مشخصی، احتمال رسیدن یا فزونی سطح خرابی jام برای پارامتر مهندسی iام از رابطه - 2 - به دست میآید.[6] که در آن پارامتر مهندسی iام، [ | ] احتمال فزونی سطح خرابی jام به شرط پارامتر مهندسی iام و [ | ] چگالی احتمال پارامتر مهندسی iام برای بزرگای زلزله موردنظر است. در مرحله نهایی سطوح مختلف خرابی را با توجه به متغیر تصمیمگیری8 موردنظر، به مقادیر
