بخشی از مقاله
خلاصه
در مناطق لرزه خیز، لزوم بهسازی سازه های موجود که اغلب بر اساس آیین نامههای قدیمی طرح شده و معیارهای عملکردی آیین نامههای جدید را ارضا نمیکنند ضروری به نظر میرسد. اخیرا، تحلیل هزینه دوره عمر به عنوان یک ابزار کارآمد جهت مقایسه گزینههای مختلف طراحی یا بهسازی و انتخاب گزینه نهایی بر مبنای هزینه دوره عمر حداقل مطرح شده و در بهینه سازی عملکرد سازه ها نیز میتواند مورد استفاده قرار گیرد. همچنین سیستمهای کنترل غیرفعال که به عنوان یک استراتژی در بهسازی لرزهای سازهها رشد چشمگیری داشته اند، با افزایش سختی سازه و اضافه کردن یک میرایی معادل، سبب استهلاک انرژی حاصل از زلزله میشوند.
در این پژوهش، تحلیل هزینه دوره عمر به عنوان ابزاری جهت طرح بهینه سیستمهای کنترل غیرفعال به منظور بهبود عملکرد لرزه ای ساختمانها، در یک چارچوب احتمالاتی معرفی و مورد بررسی قرار میگیرد. مطالعه موردی کاربرد بهینهسازی بر پایه هزینه دوره عمر انجام گرفته و نتایج، نشان دهنده کارایی این چارچوب میباشد. علاوه بر این، نتایج عددی نشان میدهند که رسیدن به جواب بهینه در چارچوب معرفی شده بیشتر تحت تاثیر خرابیهای حاصل از زلزلههای با شدت پایین میباشد که در عین ایجاد خرابی کمتر نسبت به زلزلههای شدید، احتمال وقوع بالاتری دارند.
1. مقدمه
زلزلههای اخیر و خرابیهای حاصل از آنها نشانگر تلفات و خسارات بالای وارده به سازههای موجود بوده است که اغلب بر اساس آییننامههای قدیمی طرح شده و ضوابط و معیارهای عملکردی آییننامههای جدید را ارضا نمیکنند. این موضوع سبب میشود که بحث بهسازی لرزهای سازههای موجود و طراحی لرزه ای سازههای جدید، خصوصا در مناطق با لرزهخیزی بالا مورد توجه قرار گیرد. سیستمهای کنترل غیرفعال به عنوان یکی از استراتژیهای کنترل ارتعاشات ناشی از زلزله، هم در بهسازی سازههای موجود و هم در طرح سازههای جدید در چنددهه اخیر رشد چشمگیری داشته اند.
سیستم کنترل غیرفعال از یک وسیله جاسازی شده یا افزوده شده به سازه تشکیل میشود که سختی و میرایی سازه را به گونهای مناسب اصلاح میکند و در عین حال نیازی به منبع انرژی خارجی ندارد. دستگاههای کنترل غیرفعال نیروهایی که در اثر تغییر مکان نسبی دو سر دستگاه ایجاد میشوند را جذب کرده و به اشکال مختلف انرژی همانند اصطکاک، تسلیم فلزات، تغییر شکل ویسکوالاستیک جامدات یا سیالات مستهلک میکنند .[1] از مزایای این سیستمها میتوان به ارزان بودن و عدم نیاز به منبع انرژی خارجی نام برد. میراگرهای ویسکوز، میراگرهای فلزی تسلیمی و میراگرهای اصطکاکی از انواع رایج سیستمهای کنترل غیرفعال محسوب میشوند
استفاده از سیستمهای کنترل غیرفعال در سازهها از جنبه اقتصادی نیز میبایست مورد توجه قرار گیرد. در سالهای اخیر نیز ملاحظات جدی اقتصادی در بحث طراحی سازهها مطرح شده است و محققین را بر آن داشته است که نسبت به معرفی و طراحی الگوریتمهای جدید برای به حداقل رساندن هزینه ساخت و همچنین هزینه نگهداری و تعمیر سازه در طول عمر خود اقدام نمایند.
تحلیل هزینه دوره عمر که اختصارا LCCA - Life Cycle Cost Analysis - نامیده میشود، برای محاسبه هزینه مورد نیاز یک سازه در یک بازه زمانی مشخص که دوره عمر نامیده میشود، میباشد. LCCA اخیرا به عنوان یک ابزار تحلیلی مهم در زمینه مهندسی سازه شناخته شدهاست که با استفاده از آن میتوان عملکرد یک سازه را در دوره عمر خود به صورت کمیتهای اقتصادی ارزیابی کرد که این ارزیابی در شرایط تصمیمگیری و مدیریتی بسیار راهگشا خواهد بود
هزینه دوره عمر یک سازه حاصل جمع ارزش خالص زمان حال1 تمام هزینههای مورد انتظار در ارتباط با مدیریت و نگهداری سازه در دوره عمر خود میباشد. هزینه دوره عمر شامل هزینه های ساخت اولیه، نگهداری، تعمیر، خسارت ناشی از مخاطرات، از دست رفتن درآمد و تلفات جانی میباشد - [2]و. - [3] هزینه دوره عمر معمولا مربوط به فرسودگی اجزای سازهای در طول عمر خود نیز میباشد
تحلیل LCCA در مسائل بهینهسازی سازهها نیز استفاده شده و معمولا این تحلیل در فرمولاسیون مسئله بهینهسازی به عنوان یک تابع هدف وارد میشود .[3] در تحقیقی یک معیار طراحی سازه برای حفظ جان ساکنین و کاهش خسارت به یک حد قابل قبول، با ارائه روش محاسبه هزینه دوره عمر شامل هزینه اولیه، نگهداری و هزینه تعمیر و بهسازی؛ یک مسئله بهینه سازی بر اساس کمینه کردن هزینه دوره عمر در نظر گرفته شده و کاربرد آن بر روی قاب فولادی نشان داده شده است
نتایج کاربرد این چارچوب در بهینهسازی سازهها نشان دهنده آن است که هزینه دوره عمر به عنوان یک تابع هدف در کنار توابع قید نظیر محدودیت تغییر مکان نسبی طبقات، چارچوب مناسبی برای طرح بهینه و قابل اطمینان سازهها در برابر مخاطرات طبیعی مانند زلزله است
پیشرفتهای اخیر بیانگر آن است که با انتخاب یک شاخص عملکردی سازه به عنوان تابع هدف بر حسب متغیرهای طراحی، میتوان الگویی از توزیع بهینه میراگرها را ارائه نمود .[5] مطالعات مختلفی نیز در این زمینه انجام پذیرفته که در اغلب آنها توزیع بهینه میراگرهای ویسکوز با توابع هدف متفاوتی چون برش پایه، لنگر پایه، جابهجایی نسبی طبقه آخر و درصد انرژی جذب شده پیشنهاد شده است .[6] همچنین در پژوهشی، هزینه دوره عمر به عنوان یک شاخص عملکردی به عنوان تابع هدف قرار گرفته و با کمینه کردن آن، توزیع بهینه میراگرهای ویسکوز در ارتفاع قاب فولادی ارائه گشته است
2. تحلیل هزینه دوره عمر
محاسبات مربوط به هزینه دوره عمر سازهها بر اساس روش پیشنهاد شده در تحقیق [26] انجام میشود. بر این اساس برای تعیین هزینه دوره عمر در گام اول نیازمند تعیین و کمی سازی میزان خرابی که در طول یک مخاطره مثل زلزله برای سازه رخ میدهد میباشد. درجه خرابی با استفاده از اندیسهای خرابی - DI - مختلفی بیان میشود که مقادیر این اندیسها متناظر با حالات حدی2 مختلف، متفاوت خواهد بود. در این میان، حداکثر جابهجایی نسبی 3 طبقات به عنوان یک پارامتر پاسخ مناسب برای تعیین خرابی سازهای شناخته شده است. خرابی در تحلیلهای LCCA نه تنها خرابیهای سازهای بلکه خرابیهای غیرسازه ای را هم شامل میشود. بر اساس آیین نامه [7] FEMA 356 و [8] FEMA 227، در جدول 1، شرایط حدی مختلف و حداکثر جابهجایی نسبی طبقات و شاخص خرابی متناظر با هر یک از سطوح حدی ارائه شدهاست.
جدول - 1 حدود اندیس حالات خرابی برای قاب خمشی فولادی
بنابراین هزینه دوره عمر به صورت مجموع هزینه محاسبه شده بر اساس اندیسهای خرابی مختلف خواهد بود. با فرض یک اندیس خرابی، هر هزینه خرابی تابعی است از مجموع هزینههای حالات حدی مختلف که بر اساس جدول بالا شدت خرابی و فاکتور خرابی متناظر با هرحالت خرابی برای سازههای مختلف ارائه شده و میزان خسارت وارد شده نیز داده میشود. در این پژوهش برای تخمین هزینه خرابی از رویکرد [9] ATC-13 که بر مبنای اندیس خرابی گریز نسبی طبقات است استفاده شده است. ارقام مربوط به هزینه خرابی نیز طبق [8] FEMA 227 و [10] FEMA 228 میباشد.
هزینه دوره عمر مورد انتظار در این تحقیق عبارتست از هزینه اولیه، هزینه خرابی و هزینه سیستمهای کنترل غیرفعال است. هزینه این سیستمها به دو قسمت تقسیم میشود، قسمت اول، هزینه اولیه خرید و نصب آنها و قسمت دوم هزینه تعمیر و تعویض آنها بعد از رخداد یک زلزله شدید میباشد. تمامی هزینههای آینده با توجه به نرخ بهره سالانه و استفاده از رابطه زیر به ارزش خالص زمان حال تبدیل میشوند.
که در رابطه بالا، r نرخ بهره سالانه بوده که معمولا بین %4 تا %6 گرفته میشود [3] ، C - t - هزینه در زمان t و NPV نیز ارزش زمان حال میباشد. در صورتی که هزینه دوره عمر مورد انتظار یک سازه در بازه زمانی - t - شامل هزینه ساخت اولیه، نگهداری تعمیرات ناشی از خرابی مربوط به یک رخداد و عواقب خرابی به عنوان تابعی از t و بردار طراحی X باشد، به صورت زیر است
در رابطه بالا عبارت اول نشانگر هزینه اولیه، عبارت دوم بیانگر هزینه خرابی مورد انتظار و عبارت سوم هزینه مورد انتظار در رابطه با سیستم استهلاک انرژی میباشد. i نشانگر نرخ فراگذشت سالیانه زلزله با سطح شدت i ام، Cij نشاندهنده هزینه خرابی سازه ناشی زلزله با سطح شدت i ام در طول دوره عمر خود هنگامی که در سطح حدی j ام قرار میگیرد و Pij نیز نشانگر احتمال اینکه پاسخ سازه تحت زلزله با سطح شدت i ام در شرایط حدی j ام قرار بگیرد، میباشد. برای محاسبه Pij از روشهای آماری و احتمالی بر روی پارامترهای مناسب سازه نظیر تغییر نسبی طبقات استفاده میشود و با فرض یک توزیع احتمالاتی برای آنها Pij محاسبه میشود.
در تحلیل LCCA در نظر گرفتن مخاطرات به گونهای انجام میشود که احتمال وقوع زلزله های با شدتهای مختلف در طول عمر سازه در نظر گرفته شود. بر این اساس از منحنیهای خطرپذیری1 لرزهای متناسب با محل احداث سازه استفاده میشود. در این منحنیها محور افقی شتاب حداکثر زمین - PGA - و محور قائم احتمال فراگذشت سالانه میباشد.
برای استفاده از منحنی خطر در محاسبات هزینه دوره عمر، منحنی خطر مطابق روش ارائه شده توسط [11] FEMA P-58 به 7 سطح خطر لرزهای تقسیم میشود. حداقل شدت زلزله متناظر حداکثر شتاب نسبی زمین برابر 0,05 و حداکثر شدت زلزله برابر با حداکثر شتاب نسبی زمین متناظر با نرخ فراگذشت سالیانه 2×10-4 میباشد. جدول زیر نشان دهنده سطوح خطر لرزهای برای ساختمانی در لس آنجلس در ایالت کالیفرنیا با طول و عرض جغرافیایی - 34œN, 118.2œW - که به عنوان سایت در این تحقیق نیز در نظر گرفته میشود، میباشد.
جدول -2 سطوح خطر لرزهای لس آنجلس
برای محاسبه هزینه دوره عمر سازه مجهز به سیستم کنترلی، بر اساس رابطه 2، ابتدا هزینه اولیه سازه، هزینه اولیه سیستم کنترلی و هزینه خرابی هر حالت خرابی موسوم به هزینه حالت حدی، Cij ، محاسبه میشود. سپس سازه تحت تعداد مناسبی رکورد زلزله که در سطوح خطر چندگانه - جدول - 2 مقیاس شده اند، تحلیل شده و بر اساس شاخص خرابی گریز نسبی طبقات، احتمال - Pij - قرارگیری سازه در هریک از سطوح خرابی جدول 1 محاسبه میشود.
