بخشی از مقاله
خلاصه
بررسی و تعیی ن میزان خسارات وارد بر یک سازه پس از زلزله، در عین پیچیدگی، از اهمیت بالایی برخوردار است، مهندسین با آگاهی از میزان و نوع خسارات وارده می توانند در مورد امکان تعمیر یا جایگزینی سازه و همچنین نحوه تعمیر آن تصمیمگیري کنند. تحقیقات صورت گرفته نشان میدهد که تعداد زیادي از پارامترها بر تخمین خسارت و هزینههاي تعمیر سازه پس از زلزله اثرگذارند.
یکی از این پارامترها دریفت دائمی طبقات است که با بازرسیهاي سازه پس از زلزله قابل اندازه گیري است. در این مقاله، رابطه میان دریفت دائمی طبقات و خسارات وارد بر سازه پس از زلزله و همچنین قابلیت تعمیر ساختمان هاي آسیب دیده طی زلزله مورد بررسی قرار گرفته است، محدودیتهاي دریفت مورد تحقیق قرار گرفته و با استفاده از منحنیهاي شکنندگی، ارتباط میان دریفت دائمی طبقات و قابلیت تعمیر ساختمانهاي آسیب دیده پس از زلزله نشان داده شده است.
.1 مقدمه
زلزله نورث ریچ1994 3 در ایالات متحده و زلزله هیوگو-کن-ﻧﺎﻧﺒﻮ - کوبه - 1995 4 در ژاپن باعث آسیبهاي قابل توجهی به زیرساختهاي مناطق شهري گردید. بیش از 6000 نفر جان خود را در زلزله کوبه از دست دادند و خسارات اقتصادي ناشی از آسیبهاي وارده در طول زلزله حدود 50 تا 100میلیارد دلار تخمین زده شد
در زلزله کوبه حدود 240000 سازه در آستانه فروپاشی جزئی قرار داشتند و نیاز داشتند که در مورد امکان تعمیر و یا تخریب آنها تصمیمگیري شود . - AIJ7 1998 - زیانهاي اقتصادي و زیرساختی ناشی از این حوادث و سایر رویدادها سبب گردید که جامعه مهندسین سازه به منظور اطمینان از عملکرد مناسب و قابل پیش بینی سازه در طول زلزله بر روي روش طراحی مبتنی بر عملکرد تمرکز کنند .
طراحی مبتنی بر عملکرد، یک فلسفه طراحی است که در آن اهداف طراحی در غالب محدودیتهاي عملکردي در سطوح خاصی از خطر لرزهاي تعریف شده است. در این فلسفه طراحی، اولین شرط، تعریف سطوح مختلف عملکردي است. این روش به منظور جلوگیري از ایجاد خسار ت بر سیستم مقاوم سازه در برابر نیروهاي جانبی و ایمنی ساکنین سازه و عملکرد آن پس از زلزله، سازه را ملزوم میدارد که حدود مشخصی را براي زلزله سطح طراحی رعایت کند.
یکی از این حدود مشخص، حدود مربوط به میزان دریفت طبقات است . به طور معمول، آییننامههاي ساختمان بر ایمنی جانی به عنوان هدف اصلی خود در طراحی تاکید دارند، اما ممکن است معیار ایمنی جانی براي اطمینان از حفظ عملکرد ساختمان پس از زلزله کافی نباشد. بنابراین، اثرات اجتماعی و اقتصادي ناشی از فقدان عملکرد ساختمانها، باعث شده که سازهها نیازمند کنترل بهتر خسارت باشند .خسارت وارد بر یک ساختمان، به دو گروه خسارت وارد بر اعضاي سازهاي و اعضاي غیرسازهاي تقسیم میشوند.
اعضاي غیرسازه اي یک ساختمان شامل اجزا معماري - مثل پنجرهها، پارتیشن ها و سقف کاذب - و سیستمهاي مکانیکی - مثل آسانسور - و سیستمهاي الکتریکی - تجهیزات برق رسانی، امنیتی و ارتباطی - است. در هنگام زلزله اجزاي ناپایدار یا خسارت دیده میتوانند امنیت ساکنین را به خطر بیاندازند. براي ساختمانهاي تجاري بزرگ فقط 20 تا 25 درصد هزینه ساخت به فونداسیون و اجزاي سازهاي مربوط است و 75 تا 80 درصد هزینهها به اجزاي معماري، الکتریکی و مکانیکی مربوط است، بنابراین تخریب اعضاي غیرسازهاي هزینه بالایی در پی خواهد داشت.
خسارت بر این اجزا می-تواند کاربري ساختمان را تحت تاثیر قرار دهد و استفاده از آن را غیرممکن سازد و از این لحاظ عواقب مالی قابل توجهی به دنبال داشته باشد. عوامل موثر بر رفتار اجزاي غیرسازهاي در دو عنوان، شامل اجزاي غیرسازهاي حساس به شتاب - نظیر کابینتهاي اداري و تجهیزات اداري که تحت نیروهاي اینرسی، تعادل و پایداري خود را از دست داده، حرکت میکنند یا واژگون میشوند - و اجزاي غیرسازه اي حساس به تغییرشکل - اجزایی که به تغییرشکلهاي ساختمان حساس هستند، مانند پارتیشنها و نماهاي بنایی - مطرح میباشند.
خسارت وارد بر اعضاي سازه اي از طریق یک پروسه پیش رونده و در مسیري که منجر به شکست آن میگردد رخ میدهد. این روند شامل خسارت در مقیاسهاي کوچک ناشی از تجمع تنشهاي جزئی، خسارت در مقیاس متوسط شامل رشد تركها و گسترش آنها و خسارت در مقیاس بزرگ است که با فروریختگی توام میگردد. به منظور بررسی میزان خسارت وارد بر اعضاي سازه روشهاي مختلفی همچون استفاده از اندیس خسارت، ارائه شده است.
یک اندیس خسارت که معرف خسارت وارد بر اعضاي سازه است توصیفی براي پارامترهاي نیاز سازه است. خسارت کلی سازه بعلت خسارت محلی اجزا سازه است، لذا، براي کنترل خسارت کلی سازه لازم است خسارات محلی، تعیین و کنترل گردند. از میان انواع اندیس خسارت محلی، اندیس دریفت طبقات و اندیس خسارت تجمعی بیشتر مورد توجه بوده است .در این پژوهش به بررسی تاثیر دریفت دائمی بر میزان خسارت و تلفات وارد بر سازه پس از زلزله پرداخته میشود.
.2 دریفت و اهمیت آن در برآورد خسارت ساختمانها پس از زلزله
آییننامههاي مختلف محدودیتهایی را براي جابهجاییهاي جانبی نسبی ساختمان مشخص کردند زیرا اجزاي غیرسازهاي ساختمان مانند پارتیشنها، عناصر نما و تجهیزات مکانیکی سازه نباید در طول زلزله دچار شکست شوند. شکست اعضاي خارجی نما، مسدود شدن مسیرهاي خروج اضطراري بوسیله سقوط پارتیشنها و شکست لولههاي آب که براي خاموش کردن آتش تعبیه شدهاند، همگی سبب به خطر افتادن ایمنی میشوند. براي ستونهایی که فقط براي تحمل بار قائم طراحی شدهاند، افزایش میزان تغییرشکل ها به دلیل اثر P- سبب شکست ستونها خواهد شد. همچنین محدود نبودن دریفت سبب برخورد ساختمان هاي مجاور به یکدیگر خواهد شد .[4] جابهجایی هاي جانبی نسبی ساختمان بوسیله درصد یا شاخص دریفت کلی1 - یا دریفت سقف - اندازهگیري میشود که برابر با درصد نسبت حداکثر جابه جایی جانبی ساختمان به ارتفاع آن است. با این حال از درصد، زاویه یا شاخص دریفت طبقات2 نیز استفاده می شود که به نسبت اختلاف جابهجایی افقی میان بالاترین قسمت یک طبقه - سقف - و پایینترین ﻗﺴﻤﺖ یک طبقه - کف - تقسیم بر ارتفاع طبقه میگویند
بسیاري از تحقیقات نشان داده است که بهترین پارامتر براي تعیین حالت خرابی سازه، درصد دریفت طبقات است. دریفت طبقات به دو دسته درصد دریفت گذرا طبقات3 و درصد دریفت دائمی طبقات - RIDR - 4 تقسیم ﻣﯽﺷﻮﻧﺪ. امروزه، طراحی لرزهاي مبتنی بر عملکرد و فرآیندهاي ارزیابی بر تخمین حداکثر دریفت جانبی - گذرا - مورد انتظار، تاکید دارند. با این حال، شناساییهاي انجام شده در زمینه زلزله نشان دادهاند که جابهجاییهاي جانبی دائمی - ماندگار - مورد انتظار پس از تحریک زلزله - به عنوان مثال درصد دریفت دائمی سقف یا حداکثر درصد دریفت دائمی طبقات - نیز نقش مهمی در عملکرد لرزهاي سازه بازي میکنند و میتوانند پیامدهاي مهمی را دربر داشته باشند
مشاهده عملکرد ساختمانها در زلزله هاي گذشته نشان می دهد که ممکن است جابهجاییهاي دائمی قابل توجهی در طول زلزله اتفاق بیفتد. دهها سازه بتن مسلح آسیب دیده در زلزله میشُاکان - 1985 - 5 در شهر مکزیکوسیتی به دلیل مشکلات فنی با دریفتهاي دائمی بزرگ، تخریب شدند
مطالعات تجربی و تحلیلی انجام شده در سالهاي اخیر - ﭘﺎﻣﭙﺎﻧﯿﻦ و همکاران2002 6، رویز گارسیا و میراندا - 2005 1 نشان میدهد که با افزایش میزان تغییرشکلهاي پلاستیک، احتمال بوجود آمدن تغییرشکلهاي دائمی افزایش مییابد، این مطلب نشان میدهد که سیستمهاي مقاوم در برابر نیروهاي جانبی که ظرفیت تحمل جابهجاییهاي بیشتري را دارند به احتمال بیشتري در هنگام زلزله دچار تغییرشکلهاي دائمی خواهند شد. اگر چه ثابت شده است که سازههاي با ﺗﻐﯿﯿﺮﺷﮑﻞ هاي بزرگ با احتمال کمتري دچار فروریزش میشوند - هاسلتن و دیرلین2007 2 - ، با این حال، این سازهها با احتمال زیاد دریفت دائمی را تجربه خواهند کرد که سبب میشود این سازهها از نظر هزینههاي تعمیر پس از زلزله عملکرد مناسبی نداشته باشند
مشاهدات میدانی بیانگر آنست که مجموع تلفات اقتصادي محاسبه شده با درنظرگرفتن حداکثر دریفت و حداکثر شتاب کف مورد انتظار میتواند از م یزان تلفات محاسبه شده با در نظرگرفتن دریفت دائمی مورد انتظار کوچکتر باشد، زیرا سازههایی که دریفت دائمی بیش از حد را تجربه میکنند هرچند که آسیبهاي سازه شدیدي نمیبینند اما تخریب ﻣﯽﮔﺮدﻧﺪ - میراندا و رامیرز. - 2010 3 بنابراین، چندین تن ا ز محققان تاکید دارند که تخمین دریفت دائمی مورد انتظار نقش مهمی را در طراحی سازههاي جدید - به عنوان مثال پامپانین و همکاران 2003،اروخکو و همکاران - 2011 4 و ارزیابی ﻋﻤﻠﮑﺮد لرزهاي ساختمانﻫﺎي جدید - به عنوان مثال رویز-گارسیا و میراندا 2005، 2006 و 2010، اوما و همکاران2008 5، یزگان و دازیو - 2008 6 ایفا می کند. محققان به منظور به دست آوردن درك بیشتري درمورد پارامترهاي اثرگذار بر دامنه و نحوه توزیع دریفت دائمی مورد انتظار در ساختمان-هاي موجود چند طبقه، بررسیهاي تحلیلی انجام دادند و گزارش کردند که دامنه و توزیع دریفت دائمی مورد انتظار در ارتفاع سازه به رفتار هیسترزیس اجزاي آن، سازوکار قاب ساختمان و همچنین شدت حرکت زمین بستگی دارد
.3 رابطه دریفت دائمی با سطوح خسارت و هزینههاي تعمیر و تلفات سازه
ارتباط دادن محدودیتهاي جابهجایی یا دریفت به سطوح خسارت، ساده انگارانه است، زیرا سطوح خسارت تحت تاثیر، سیستم سازه، توزیع خسارت، مودهاي شکست عناصر سازه اي و غیر سازهاي و مشخصات خاص زلزله میباشد، به همین دلیل، تفاوتهاي ساختمانهاي مختلف سبب میشود که محدودیتهاي دریفت براي هر نوع از سیستمهاي سازهاي متفاوت باشد. سه ویژگی ساختاري سازه ها که بر عملکرد آنها اثرگذارند، سختی، مقاومت و ظرفیت تغییرشکل سازه است. به دلیل اندرکنش این ویژگی ها با یکدیگر، تعیین ویژگی غالب اثرگذار بر عملکرد سازه دشوار است. از آنجا که محدودیتهاي دریفت براي سازههاي شکلپذیر و سازههاي با شکلپذ یري کم به طور قابل توجهی متفاوت است، لازم است حدود دریفت متفاوتی براي حالتهاي خسارت مرتبط هر نوع سیستم سازهاي اختصاص داده شود
استفاده از محدودیتهاي دریفت براي برآورد هزینهها خیلی مفید است و استفاده از این محدودیتها اطلاعات بیشتري را به تصمیم گیرندگان که براي تعمیر سازه هزینه خواهند کرد، خواهد داد و آنها می توانند تصمیم بگیرند که اجازه بدهند از سازه استفاده بشود یا نه. مقدار زیادي عدم قطعیت در پیش بینی تلفات وجود دارد و درحالیکه گردآوري سریع تلفات واقعی ممکن است، تاکید زیادي بر روي تخمین تلفات وجود ندارد. در روشهاي اولیه براي محاسبه تلفات مالی ناشی از زمینلرزه، پارامترهاي پاسخ سازه - مانند حداکثر دریفت طبقات، حداکثر شتاب کف و ... - در اجزاي مختلف ساختمان محاسبه میشدند، سپس براي محاسبه هزینه تعمیر کل ساختمان، هزینه تعمیر تمامی اجزا با هم جمع میگردیدند، در نهایت، این روش با درنظر گرفتن هزینه ﺟﺎﯾﮕﺰﯾﻨﯽ سازه براي سازههایی که دچار فروریزش شدند ، بهبود یافت
برخی از سازهها پس از زلزله دچار فروریزش نمی شوند اما به دلیل دریفت دائمی بیش از حد قابل تعمیر نمیباشند و در چارچوب فعلی تلفات اقتصادي، اینگونه سازهها در نظرگرفته نشده است. رامیرز و میراندا - 2009 - به منظور در نظر گرفتن سازههایی که دچار فروریزش نمی شوند اما باید تخریب گردند، در محاسبه تلفات اقتصادي، از دریفت دائمی طبقات استفاده کردند و با وارد کردن ترم هاي مربوط به اینگونه سازهها رابطه قبلی ارائه شده براي تخمین هزینه را اصلاح کردند و از نحنیهاي شکنندگی براي این منظور بهره بردند
