بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
میزان اثر بخشی استاندارد 2800 در ایمن سازی بیمارستانها در برابر زلزله
خلاصه
یکی از اهداف آئین نامه های طراحی لرزه ای برای ساختمانهای با اهمیت خیلی زیاد، حفظ قابلیت بهره برداری بدون وقفه در برابر زلزله های شدید است. برای نیل به این هدف، ضوابطی باید ارائه گردد تا رفتار سازه، در محدوده زیان قابل قبول نگه داشته شود. هدف از ارائه این مقاله، ارزیابی میزان اثر بخشی استاندارد 2800 در ایمن سازی بیمارستانها در برابر زلزله است. از آنجائی که در آئین نامه ها از جمله استاندارد 2800 ، کنترل زیان در سازه به کمک ضریبی به نام ضریب رفتار صورت می پذیرد، برای بررسی میزان اثربخشی استاندارد، مقادیر پیشنهادی آن برای ضریب رفتار بیمارستانها مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور سه روش انتخاب گردید و به کمک آنها مقادیر ضریب رفتار مورد ارزیابی قرار گرفت. در روش اول بر اساس تعریف ضریب رفتار، محدوده تغییرات ضریب رفتار این گونه ساختمانها بررسی شد. در روش دوم که مبتنی بر کاربرد ضریب رفتار است، دو ساختمان 5 و 7 طبقه با کاربری بیمارستان، با استفاده از ضرایب رفتار پیشنهادی در استاندارد 2800 تحلیل و طراحی شدند و سپس بر اساس ضوابط دستورالعمل بهسازی لرزه ای ساختمانهای موجود، مورد ارزیابی آسیب پذیری لرزه ای قرار گرفتند تا صحت مقادیر ضریب رفتار در استاندارد 2800 به طور عملی مورد ارزیابی قرار گیرد. در روش سوم، بر اساس مبانی علمی، ضریب رفتار برای چند ساختمان با اهمیت خیلی زیاد (دارای شکل پذیری زیاد)تعیین گردید و مقادیر آنها با مقادیر پیشنهادی استاندارد 2800 مقایسه شد. نتایج نشان می دهد که مقادیر پیشنهادی درآئین نامه ها با مقادیر حاصل از این تحقیق اختلاف دارند و بهتر است اصلاح گردند.
کلمات کلیدی: بیمارستانها، استاندارد2800، قابلیت بهره برداری بی وقفه، ضریب رفتار، شکل پذیری زیاد
1. مقدمه
یکی از مهمترین موضوعات در آئین نامه های طراحی لرزه ای، بیان اهداف طراحی است که در آن عملکرد مورد انتظار سازه در برابر سطوح مختلف خطر، تشریح می گردد. در استاندارد 2800، دو سطح زلزله با نامهای زلزله سطح بهره برداری (زلزله ضعیف با دوره بازگشت 10 ساله) و زلزله طرح (زلزله شدید با دوره بازگشت 475 ساله) تعریف می گردد و عملکرد مورد انتظار سازه ها در برابر آنها تعریف می شود. ساختمانهای با اهمیت متوسط (مثل ساختمانهای مسکونی)، باید قابلیت بهره برداری خود را بدون آسیب عمده سازه ای در برابر زلزله های ضعیف، حفظ کنند و در برابر زلزله های شدید، ایستائی ساختمان باید حفظ گردد. همچنین ساختمانهای با اهمیت خیلی زیاد (مثل بیمارستانها) باید قابلیت بهره برداری خود را در برابر زلزله های شدید، بدون آسیب عمده سازه ای حفظ کنند .[1]
حفظ قابلیت بهره برداری در برابر سطوح مختلف زلزله طلب می کند تا رفتار سازه ها خیلی از محدوده ارتجاعی فراتر نرود. ورود قابل ملاحظه سازه ها از محدوده ارتجاعی، قابلیت بهره برداری آنها را در برابر زلزله ها، زیر سوال خواهد برد، زیرا ساختمانها پس از وقوع این زلزله ها (باربرداری) مجددا به حالت اولیه برنمی گردند و لدا امکان مجدد استفاده از آنها میسر نخواهد شد. بنابراین انتظار می رود، اگر هدف طراحی سازه ها، قابل استفاده بودن آنها بعد از وقوع زلزله ای مشخص باشد، باید به گونه ای طراحی شوند که در هنگام زلزله، تقریبا در مرحله ارتجاعی باقی بمانند و یا خیلی از مرحله ارتجاعی فراتر نروند، تا امکان استفاده مجدد از آنها امکان پذیر گردد.
اگر در طراحی، استفاده مجدد از سازه مد نظر نباشد و صرفا نجات جان انسانها مد نظر قرار گیرد، مثل طراحی ساختمانهای مسکونی در برابر زلزله های شدید، می توان از ظرفیت عملکرد غیر ارتجاعی آنها، استفاده کرد تا بدین ترتیب از حداکثر توان سازه (جذب انرژی در مرحله ارتجاعی و غیر ارتجاعی) درجهت اقتصادی نمودن طرح، استفاده کرد.[2]
هدف از ارائه این مقاله، ارزیابی میزان اثر بخشی استاندارد 2800 در ایمن سازی بیمارستانها در برابر زلزله است. از آنجائی که در آئین نامه ها از جمله استاندارد 2800، کنترل زیان در سازه به کمک ضریبی به نام ضریب رفتار صورت می پذیرد، برای بررسی میزان اثربخشی استاندارد، مقادیر
1
پیشنهادی آن برای ضریب رفتار بیمارستانها مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور سه روش انتخاب گردید و به کمک آنها مقادیر ضریب رفتار مورد ارزیابی قرار گرفت. این روشها عبارتند از: روش مبتنی بر تعریف ضریب رفتار، روش مبتنی بر کاربرد ضریب رفتار و روش مبتنی بر تعیین ضریب رفتار.
2. روش مبتنی بر تعریف ضریب رفتار
با تعریف دقیق ضریب رفتار و شناسائی عوامل موثر بر آن و همچنین تشریح دلایل استفاده از آن، می توان به ارزیابی این ضریب پرداخت. برای طراحی ساختمانهائی که قرار است وارد محدوده غیرارتجاعی شوند و رفتار غیر ارتجاعی داشته باشند، انجام تحلیل غیر ارتجاعی ضروری است. از آنجاییکه تحلیل غیر ارتجاعی سازه ها، معمولا پیچیده و وقت گیر است و به سطح بالاتری از دانش نیاز دارد، آیین نامه ها پیشنهاد می کنند که با تمهیدات لازم، به جای تحلیل غیر ارتجاعی ساختمانها از تحلیل ارتجاعی استفاده شود و عملکرد غیر ارتجاعی آنها، با اعمال ضریبی به نام ضریب رفتار (R) منظور گردد. در استاندارد 2800، نیروی طراحی زلزله (مقاومت ارتجاعی مورد نیاز)، از تقسیم نیروی کلی زلزله بر ضریب رفتار به دست می آید (رابطه :(1
V=A×B×I× Weff / R (1)
که در آن V نیروی برش پایه (یا مقاومت ارتجاعی مورد نیاز)، A شتاب مبنای طرح، B ضریب بازتاب ساختمان، I ضریب اهمیت ساختمان، Weff وزن موثر و R ضریب رفتار سازه است.
به کمک ضریب رفتار، عملکرد غیر ارتجاعی سازه ها، بدون انجام تحلیل غیر ارتجاعی و صرفا با استفاده از یک تحلیل ارتجاعی معادل، اعمال می گردد. بدیهی است در صورت انجام تحلیل غیرارتجاعی، نیازی به استفاده از ضریب رفتار در محاسبات نیست. ضریب رفتار به عوامل متعددی بستگی دارد که مهم ترین آنها عبارتند از: ظرفیت شکل پذیری سازه، زمان تناوب سازه، مشخصات زلزله طرح، مدل بار- تغییر شکل مصالح، نوع سازه مقاوم و ضریب مقاومت افزون سازه ها .(Overstrength) چگونگی تاثیر این عوامل بر ضریب رفتار در مرجع [3] ارائه شده است.
با توجه به تعریف ضریب رفتار می توان ادعا کرد، اگر برای سازه ای، ضریب رفتار برابر یک در نظر گرفته شود، بدین معنی است که برای مقابله با زلزله، صرفاً از عملکرد ارتجاعی آن استفاده خواهد شد و از سازه انتظار نمی رود در هنگام وقوع زلزله، وارد محدوده غیرارتجاعی شود. در این صورت مقاومت مورد نیاز سازه برابر Ve در شکل 1 خواهد بود که برای محاسبه آن، ضریب رفتار معادل یک در نظر گرفته شد. برای سازه، فقط رفتار ارتجاعی (خط ( A-D مجاز است و تمامی انرژی ورودی زلزله در مرحله ارتجاعی جذب می گردد ( مساحت زیر منحنی .( ADI با توجه به رفتار کاملا ارتجاعی سازه می توان ادعا کرد که سازه بعد از وقوع زلزله مجددا به نقطه A برمی گردد و بهره بردای از سازه تداوم می یابد.
ضریب رفتار بزرگتر از یک، بیانگر این است که سازه در برابر زلزله خاص، مجاز به ورود در محدوده غیر ارتجاعی است. هر چه ضریب رفتار بزرگتر باشد، بدین معنی است که ظرفیت تحمل تغییرشکلهای غیرارتجاعی آن (ظرفیت شکل پذیری) بیشتر و در نتیجه مقاومت ارتجاعی مورد نیاز آن کمتر خواهد بود. اگر ضریب رفتار معادل سه فرض شود به این معنی است که سازه به مقاومتی معادل یک سوم مقاومت حالت اولیه نیاز دارد و برای جبران بقیه آن باید از ظرفیت تغییرشکل غیرارتجاعی استفاده کرد (شکل .(1 انرژی جذب شده در این حالت سطح زیر منحنی ACEJ است که از دو قسمت ارتجاعی (ACH) و غیر ارتجاعی (HCEJ) تشکیل می شود. ورود به مرحله CE و رسیدن به نقطه E بیانگر این مطلب است که سازه رفتار ارتجاعی خود را از دست داده است و بعد از وقوع زلزله (باربرداری) دیگر به نقطه A بر نمی گردد و لذا ادامه قابلیت بهره برداری آن دچار تردید خواهد بود. اگر ضریب رفتار برابر 5 فرض شود وضع به مراتب حادتر خواهد شد زیرا در این حالت مقاومت ارتجاعی مورد نیاز به یک پنجم کاهش می یابد و در عوض تغییرشکلهای غیرارتجاعی بیشتر خواهد شد و در نتیجه قابلیت بهره برداری از سازه کاملا منتفی خواهد بود. میزان جذب انرژی برابر سطح زیر منحنی ABFK است که قسمت اعظم آن مربوط به تغییرشکلهای غیر ارتجاعی (مساحت (GBFK است (شکل .(1
در استاندارد 2800 اعلام می گردد که ساختمانهای با اهمیت خیلی زیاد (مثل بیمارستانها) باید قابلیت بهره برداری خود را در برابر زلزله های شدید، بدون آسیب عمده سازه ای، حفظ کنند. بنابر این، از سازه های بیمارستانی انتظار نمی رود، در برابر زلزله های شدید خیلی وارد محدوده غیرارتجاعی شوند و لذا باید انرژی ناشی از زلزله را در محدوده ارتجاعی تحمل کنند تا پس از وقوع زلزله، همچنان قابلیت بهره برداری خود را حفظ کنند. به بیان دیگر می توان گفت، با توجه به اهداف طراحی بیان شده در این استاندارد، برای بیمارستانها، انتظار نمی رود خیلی از ظرفیت شکل پذیری سازه استفاده شود، لذا مقدار ضریب رفتار در این حالت، به دلیل چشم پوشی از ظرفیت قابل ملاحظه شکل پذیری، نباید عدد بزرگی باشد بلکه باید معادل یک و یا کمی بزرگتر از یک باشد. در صورتیکه در استاندارد، نه تنها این مسئله مد نظر قرار نمی گیرد و در آن، استفاده از سیستم های با عنوان ویژه، برای ساختمانهای با اهمیت خیلی زیاد، در مناطق با خطر نسبی خیلی زیاد، اجباری اعلام می شود [1] که دارای ضریب رفتارهای (R) بزرگی هستند (ضریب رفتار 10 برای قاب خمشی ویژه و ضریب رفتار 11 برای قاب خمشی و دیوار برشی ویژه). در صورت استفاده از این ضرائب رفتار
2
بزرگ، مقاومت ارتجاعی مورد نیاز ساختمانها، که از تقسیم نیروی واقعی زلزله بر ضریب رفتار به دست می آید، بسیار پائین خواهد بود و لذا برای مقاومت در برابر زلزله های شدید، ناچار به استفاده از عملکرد غیر ارتجاعی (ظرفیت شکل پذیری) خواهند بود. در این حالت ساختمانها بعد از وقوع این زلزله های شدید، به نقطه اولیه برنمی گردند و قابلیت بهره برداری خود را بعد از وقوع آنها حفظ نمی کنند.
شکل :1 منحنی بار تغییرشکل ایده آل برای سازه ها
3. روش مبتنی بر کاربرد ضریب رفتار
در این روش دو ساختمان چند طبقه که بر اساس ضوابط استاندارد 2800 به طور مناسب طراحی گردیدند، بر اساس ضوابط دستورالعمل بهسازی لرزه ای ساختمانهای موجود [4] مورد ارزیابی آسیب پذیری قرار گرفتند تا میزان کارآئی ضرایب رفتار در تحقق اهداف طراحی لرزه ای در بوته آزمایش قرار گیرد. دو ساختمان از نوع بتن مسلح با کاربری بیمارستانی، با تعداد طبقات 5 و 7، بوده که بر اساس ضوابط استاندارد 2800 و همچنین آئین نامه ACI، بارگذاری و طراحی گردید. با توجه به بند 3-8-3-2 استاندارد، برای هر دو ساختمان، سیستم ویژه (قاب خمشی ویژه بعلاوه دیوار برشی مسلح ویژه)، منظور گردید و تهران به عنوان محل احداث ساختمانها (منطقه با خطر نسبی خیلی زیاد) در نظر گرفته شد. سیستم سقف از نوع تیر چه بلوک و ارتفاع تمام طبقات، یکسان و برابر 3 متر فرض شد. دیوار برشی بدون باز شو و به طول 3 متر لحاظ گردید. با توجه به سیستم سقف (تیرچه بلوک)، بار مرده تمام طبقات با احتساب بار تیغه بندی برابر 650 kg/cm^2 در نظر گرفته شده و بار زنده تمام طبقات 200 kg/cm^2 فرض شد. به دلیل منظم بودن ساختمانها و ارتفاع 15و21 متری آنها (کمتر از 50 متر ) مطابق بند 3-2 استاندارد 2800، روش استاتیکی معادل برای برآورد بار زلزله مورد استفاده قرار گرفت. تحلیل و طراحی ساختمان با استفاده از نرم افزار ETABS2000 انجام گردید و سازه ساختمان تحت بارهای ثقلی و جانبی تحلیل و طراحی شد. در طراحی سازه ها، تمامی ضوابط مربوط به سیستم های ویژه از جمله، دارا بودن شکل پذیری زیاد، تیر ضعیف - ستون قوی، ضوابط طراحی زلزله سطح بهره برداری اعمال گردید و ضریب اهمیت معادل 1/4 در نظر گرفته شد. به منظور بررسی اهداف طراحی لرزه ای استاندارد2800، ساختمانهای انتخابی با استفاده از ضوابط دستورالعمل بهسازی لرزه ای ساختمانهای موجود (نشریه [4] (360 و به کمک تحلیل استاتیکی غیر خطی (تحلیل پوش اور) مورد ارزیابی قرار گرفت.
-1-3 ارزیابی آسیب پذیری سازه های بیمارستانی بر اساس نشریه 360
برای بهسازی لرزه ای بیمارستانها، هدف بهسازی ویژه در نظر گرفته می شود که مطابق آن، سازه باید در برایر زلزله سطح خطر یک (زلزله 475 ساله) عملکرد بهره برداری بی وقفه (IO) و در برابر زلزله سطح خطر 2 (زلزله 2475 ساله) عملکرد ایمنی جانی (LS) داشته باشد. عملکرد بهره برداری بی وقفه در برابر زلزله سطح خطر یک (زلزله 475 ساله)، منطبق بر اهداف ارائه شده در استاندارد 2800 برای ساختمانهای با اهمیت خیلی زیاد می باشد، لذا ارزیابی اهداف در استاندارد 2800، بر اساس نشریه 360، قابل قبول می باشد.
ارزیابی آسیب پذیری به کمک آنالیز استاتیکی غیر خطی انجام می شود. در تحلیل استاتیکی غیرخطی، بار جانبی ناشی از زلزله، بصورت استاتیکی و بصورت افزاینده به سازه اعمال می شود تا جائی که تغییر مکان یک نقطه خاص از سازه (نقطه کنترل)، به مقدار مشخص (تغییر مکان هدف) برسد. تغییر شکل ها و نیروهای داخلی حاصل از تحلیل استاتیکی غیر خطی، باید با معیارهای پذیرش، مطا بق بند 2-4-3 نشریه [4] 360 مورد بررسی قرار گیرد. برای انجام تحلیل استاتیکی غیرخطی، ابتدا باید محل تشکیل مفصل پلاستیک در تیرها و ستونها مشخص گردد. بار ثقلی در مرحله اول بر
3
اولین کنفرانس ملی مدیریت بحران: زلزله و آسیبپذیری اماکن و شریانهای حیاتی
سازه اعمال گردد و سپس نیروی جانبی زلزله، با الگوی مشخص، تا رسیدن به تغییر مکان هدف، به سازه وارد شود. در شکل 2 نمای کلی یک مدل ساختمانی چند طبقه همراه با الگوی بارگذاری (مثلث وارونه) نشان داده شده است. مجموع بارهای وارده به سازه همان برش پایه اعمالی به سازه خواهد بود. بارگذاری از صفر شروع می شود و تا رسیدن به نقطه خاص در تغییرمکان بام (تغییرمکان هدف) ادامه پیدا می کند.
اگر مقدار برش پایه و تغییرمکان بام در غالب یک منحنی ترسیم شود منحنی پاسخ کلی سازه حاصل خواهد شد (شکل .(3 در این شکل، منحنی خط چین OA، مربوط به حالتی است که سازه در برابر زلزله خاص، تماما در محدوده ارتجاعی رفتار نماید. بدیهی است مقاومت مورد نیاز سازه در این حالت، بسیار زیاد بوده و عملا غیر اقتصادی خواهد بود. بنابر این مقاومت ارتجاعی مورد نیاز سازه کاهش داده می شود تا سازه قسمت اعظم انرژی زلزله را با رفتار غیرارتجاعی جذب نماید. خط منحنی پر، رفتار واقعی سازه شامل رفتار ارتجاعی و غیرارتجاعی را نشان می دهد (منحنی .(ABD شیب این منحنی در اثر ایجاد پی در پی مفاصل پلاستیک به سمت صفر میل می کند. معمولا در کارهای تحقیقاتی، به جای استفاده از منحنی پاسخ واقعی، از منحنی پاسخ ایده آل شده، استفاده می گردد (منحنی.(ABED
یکی از مهمترین پارامترها در تحلیل استاتیکی غیرخطی ، تغییرمکان هدف می باشد که با استفاده از رابطه 2 محاسبه می شود.
در این رابطه ضریبC0 ضریب اصلاح برای ارتباط تغییرمکان طیفی سیستم یک درجه آزادی به تغییرمکان بام سیستم چند درجه آزادی است. ضریب
C1 ضریب تصحیح برای اعمال تغییرمکان های غیر ارتجاعی سیستم می باشد. C2 ضریب اثرات کاهش سختی و مقاومت به شمار می آید. اعمال اثر
توسط ضریب C3 انجام می گیرد. Sa مقدار شتاب طیفی است و از حاصلضرب مقدار A و B در استاندارد 2800 به دست می آید.
در این تحقیق، زلزله 475 ساله در استاندارد 2800، به عنوان زلزله متناظر با عملکرد بهره برداری بی وقفه، در نظر گرفته شد که بر اساس آن، مقدار A برابر 0/35است. به دلیل عدم وجود اطلاعات مورد نیاز برای زلزله 2475 ساله، مقدار یک و نیم برابر شتاب مبنای زلزله 475 ساله، به عنوان شتاب مبنای طراحی زلزله متناظر با عملکرد ایمنی جانی انتخاب گردیدTe .[5] و g به ترتیب برابر مقدار زمان تناوب اصلی اصلاح شده و مقدار شتاب ثقل زمین می باشند. مقادیر تغییرمکان هدف برای هر یک از حالتهای عملکردی بهره برداری بی وقفه و ایمنی جانی و برای دو ساختمان 5 و 7 طبقه در جدول 1، ارائه شده است.[6]
خروجیهای تحلیل استاتیکی غیرخطی به گونه ای است که به کمک آنها می توان وضعیت کلی سازه و همچنین وضعیت اعضای آن را در مراحل مختلف تحلیل استاتیکی غیرخطی به راحتی تشخیص داد. بر اساس آئین نامه های ارزیابی آسیب پذیری، ساختمانی هائی آسیب پذیر تلقی نمی شوند که در روند انجام تحلیل و تا رسیدن تغییرمکان بام ساختمان به تغییرمکان هدف، مشکلی برای اعضای سازه به وجود نیاید. در شکل 4 حالتهای مختلف
