بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله کاربرد روش تحلیل زمان دوام در برآورد هزینههای دوران بهرهبرداری سازهها به کمک دستورالعمل FEMA-NIBS پیادهسازی میگردد. در دستورالعمل FEMA-NIBS بر اساس حدود گریزنسبیطبقات، شتاب و همچنین عدم قطعیتهای تعیین این حدود و مدلسازی، حالات خرابی سازه تعیین میشود. بهطورمعمول برای برآورد پاسخ لرزهای در دستورالعمل FEMA-NIBS از روش طیف ظرفیت استفاده میشود. در این مقاله دو سازهی قاب خمشی ویژه فولادی 4 و 9 طبقه موردبررسی قرارگرفتهاند که برآورد عملکرد لرزهای آنها به روشهای زمان دوام و IDA انجامشده و هزینههای دوران بهرهبرداری مقایسه گردیده است.
روش تحلیل تاریخچه زمانی دقت بالاتری نسبت به روش طیف ظرفیت برای محاسبهی هزینههای لرزهای دارد، زیرا اختصاص پاسخ یکسان برای تمامی طبقات در روش طیف ظرفیت فرضی غیرواقعی است. همچنین روش طیف ظرفیت مقادیر شتاب کفها را به خوبی پیشبینی نمیکند. تحلیل تاریخچه زمانی میتواند هردو نقص فوق را اصلاح کند، علاوه برآن با تعیین منحنی شکنندگی فروریزش دقت برآورد تلفات را بهخصوص در خسارتهای بالا که در برخی مطالعات موردتوجه است، بهبود میبخشد. حجم محاسباتی بسیار کمتر روش زمان دوام نسبت به تحلیل IDA و دقت آن بیانگر کارایی مناسب در مطالعات برآورد هزینه خطر لرزهای است.
1. مقدمه
پس از وقوع زلزلههای مخرب در چند دههی اخیر، محققان برای جبران کاستیهای آییننامههای پیشین با رویکرد ارائه معیارها برای تأمین امنیت جانی، مطالعات خود را در چارچوب جدیدی معروف به طراحی بر اساس عملکرد در پیش گرفتند. دو پارامتر تعیینکننده در طراحی بر اساس عملکرد یک سازه، عملکرد لرزهای و هزینه یا خسارت میباشد. هزینههاعموماً به سه بخش خسارتهای جانی - مرگومیر و جراحتهای شدید - ، خسارتهای مالی مستقیم - هزینه تعمیر و یا تخریب و یا بازسازی - و خسارتهای مالی غیرمستقیم - هزینههای مربوط به زمان عدم استفاده از سازه و خواب سرمایه - تقسیم میشوند.
در دهههای اخیر برای برآورد خطر لرزهای و ریسک آن در مناطق مختلف جهان، روشهای زیادی ارائهشده است. بیشتر این روشها از روند یکسانی استفاده میکنند: برآورد خطر، ایجاد کردن فهرست اموال سازهها، پیشبینی خرابیها و برآورد هزینه اثرات اقتصادی و اجتماعی ناشی از زلزله. تفاوت بین این روشها بیشتر در مدلهایی است که در هر یک از مراحل یادشده استفاده میشود.
سادهترین این روشها گزارش [2] ATC13 میباشد که در سال 1985 ارائه شد. در اواخر دهه 1990، FEMA با همکاریNIBS یک روش جدید برای برآورد خسارتهای سازهای ارائه کردند که در گسترهی وسیعی همچون برآورد خرابیهای ناشی از سیل و طوفان نیز میتواند به کار رود.
2. طراحی قابها
در این پژوهش دو قاب خمشی فولادی ویژه 4 و 9 طبقه موردمطالعه قرارگرفته است. هر قاب دارای سه دهانه 6 متری میباشد و ارتفاع طبقات 3,2 متر لحاظ شده است. کاربری سازهها از نوع تجاری است. بارگذاری ثقلی مطابق با مبحث ششم مقررات ملی ساختمان و بارگذاری لرزهای بر اساس استاندارد 2800 ویرایش چهارم، انجامشده است. محل بنای سازه شهر تهران و خاک بستر آن نوع دوم است. طراحی سازهها بر مبنای مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و با استفاده از مقاطع w شکل انجامشده است. مقاطع و پیکربندی قاب 4 طبقه در شکل 1 نمایش دادهشده است.
مقاطع مورداستفاده برای تیرها و ستونها برای قاب 4 طبقه در جدول 1 و برای قاب 9 طبقه در جدول 2 آمده است. در طراحی قابها تیپ بندی مقاطع و ملاحظات اجرایی نیز لحاظ شده است. دوره تناوب مود اول برای قاب 4 طبقه 0,83 ثانیه و برای قاب 9 طبقه برابر 1,5 ثانیه است. برای طراحی قابها از نرمافزار SAP2000 و برای انجام تحلیلهای تاریخچه زمانی از نرمافزار OpenSees استفادهشده است.
جدول -1 مقاطع مورداستفاده در سازه 4 طبقه
جدول -2 مقاطع مورداستفاده در سازه 9 طبقه
شکل -1 پیکربندی و مقاطع استفادهشده در سازه 4 طبقه
3. روش زمان دوام
روش زمان دوام یک روش تحلیل لرزهای میباشد که در آن سازه تحت اثر یک تحریک دینامیکی فزاینده که شدت آن در طول زمان افزایش مییابد، قرار داده میشود. برای تولید این توابع تحریک فزاینده میتوان از مفهوم طیف پاسخ استفاده کرد و البته این تنها روش موجود نیست. تاکنون چندین مجموعه از این رکوردها تولیدشده است که در این پژوهش از سری رکوردهای ETAinx استفادهشده است.
در تولید این سری رکوردهای زمان دوام، از متوسط 20 رکورد FEMA440[5] استفادهشده است و تولید رکوردها برای خاک نوع C انجامگرفته است. بهینهسازی این سری از رکوردها برای ناحیه غیرخطی و برای هر مؤلفه جداگانه انجامشده است، بنابراین میتوان برای تحلیلهای سهبعدی که شامل مؤلفه قائم هم باشد، از آنها استفاده کرد. با توجه به نوع پاسخهای موردنیاز برای برآورد هزینههای دوران بهرهبرداری و نوع خاک بنا از این سری رکورد استفادهشده است. رکورد ETAinx01 در شکل 2 نمایش دادهشده است
روش زمان دوام با ارائه تخمین مناسب از پاسخ سازه در شدتهای تحریک مختلف در هر تحلیل تاریخچه زمانی، موجب صرفهجویی زیاد در حجم محاسبات جهت ارزیابی لرزهای سازه میشود؛ بهعبارتدیگر با انجام سه تحلیل تاریخچه زمانی به کمک رکوردهای ETA میتوان پاسخ سازه را در گستره وسیعی از شدتها تخمین زد. این امر بهخصوص در برآورد هزینههای دوران بهرهبرداری که نیاز به محاسبهی پاسخ سازه در شدتهای لرزهای مختلف وجود دارد، هزینه محاسباتی را بسیار کاهش میدهد. ضمن آنکه پاسخ محاسبهشده برخلاف تحلیلهای تاریخچه زمانی IDA که در گامهایی گسستهمثلاً - - 0.1g انجام میشود، پاسخ را بهصورت پیوسته ارائه میکند. علاوه بر آن میتوان منحنی شکنندگی فروریزش سازه را بدون انجام تحلیل جدید به دست آورد. این موضوع بهخصوص در روشهای برآورد عملکرد لرزهای جدید مانند FEMA-P58[6] کاربرد دارد.
برای محاسبه پاسخها در روش زمان دوام ابتدا سازه تحت سه رکورد ETA قرار میگیرد. در این پژوهش از سری رکوردهای ETAinx01-03 استفاده شده است. برای هر رکورد، پاسخ در هر زمان برابر با ماکزیمم قدر مطلق پاسخها از زمان صفر تا آن لحظه لحاظ میشود. در گام بعد برای آنکه پرشهای پلکانی ناشی از عدم قطعیتهای موجود در رکوردها حذف شود و برای کارهای عملی قابلاستفاده باشد بین پاسخهای زمان دوام سه رکورد میانگینگیری انجام میشود. در مرحله بعد پاسخ میانگین حاصلشده، به کمک روشهای هموارسازی همچون میانگینگیری متحرک، از حالت پلکانی خارج میشود و یک منحنیکاملاً هموار حاصل میشود که پاسخ نهایی روش زمان دوام است. در شکل 3 مراحل انجام کار نمایش دادهشده است.
شکل -2 شتابنگاشت سری ETAinx01
محور افقی در این نمودار زمان است که به کمک روشهای مختلفی ازجمله استفاده از مفهوم سازگاری طیفها در بازهای مناسب اطراف دوره تناوب سازه میتواند به یک پارامتر شدت لرزهای نگاشت شود. برای نمونه در شکل 4 محور زمان موجود در شکل 3 با فرض دوره تناوب برابر با 1 ثانیه به PGA نگاشت شده است؛ بنابراین درنهایت پاسخ سازه همانند آنچه در تحلیلIDA حاصل میشود، به دست میآید. در صورت نیاز میتوان به کمک منحنی خطر لرزهای هر منطقه، پارامتر شدت لرزهای را به احتمال فراگذشت سالیانه تبدیل کرد.
