مقاله کاربرد مهندسی قابلیت اطمینان در مدیریت خطرپذیری لرزه ای شهری

بخشی از مقاله

چکیده
مدیریت خطرپذیری لرزهای با تبدیل خطرپذیری و آسیب ناشی از زلزله به صورت مقادیر کمّی خسارات، علاوه بر ارائه برآورد مناسب از شرایط خطرپذیری موجود، به ارائه راهبردهای مناسب برای کاهش خسارات برای بخش تصمیم ساز اعم از کارفرمای یک پروژه مشخصیا برنامه ریزان و مدیریت شهری در سطح کلان میپردازد.در مقاله حاضر به کاربرد مهندسی زلزله عملکردی با رویکرد قابلیت اطمینان لرزهای به عنوان ابزاری برای تسهیل تصمیم سازی در مدیریت خطرپذیری پرداخته شده است. برای این منظور عملکرد لرزهای یک ساختمان اداری دوازده طبقه فولادی با استفاده از روش مهندسی زلزله عملکردی با رویکرد قابلیت اطمینان لرزهای موردارزیابی قرار گرفته است و منحنی خطرپذیری لرزهای سازه، از منظر سرمایهگذار و بهره بردار پروژه مورد بررسی قرار گرفته است سپس سه راهبرد مدیریت خطرپذیری شامل کاهش، انتقال و تلفیق کاهش و انتقال خطرپذیری لرزه ای با هدف کاهش خسارات آتی و حفظ سرمایه مورد بحث قرار گرفته است.

برای این منظور سطح اطمینان تامین سطح عملکرد ایمنی جانی در سازه موردنظر در برابر وقوع زلزله با دوره بازگشت 475 سال، از حدود %49 به حدود %80 ارتقاء داده شده است و تاثیر این موضوع بر روی کاهش میزان خسارات و میزان احتمال وقوع خسارات در منحنی خطرپذیری لرزهای سازه سنجیده شده است.نتایج مطالعه نشان داده است که استفاده از دو راهبرد کاهش خطرپذیری و راهبرد انتقال خطرپذیری به صورت همزمان هم به کاهش پنج تا بیست درصدی احتمال به خطر افتادن سرمایه در سطوح مختلف خسارات منجر میگردد و هم به کاهش دوره زمانی توقف در فعالیت اقتصادی کارفرما در زمان بروز زلزله محتمل کمک میکند.

واژه های کلیدی:قابلیت اطمینان، مدیریت خطرپذیری لرزهای، مهندسی زلزله عملکردی، خسارت، بیمه زلزله

مقدمه
از جمله الزامات توسعه پایدار در شهرهای لرزهخیز، عملیاتی شدن مدیریت خطرپذیری لرزهای از طریق راهبردهایی مانند کاهش، انتقال و حفظ خطرپذیری لرزهای در برنامه ریزیهای شهری بخش سیاستگذار و دولتی کشور و همچنین در برنامه ریزی اقتصادی بخش خصوصی و کارفرمایان میباشد. برای این منظور نیاز به توسعه ادبیات فنی مشترک بین مهندسی زلزله و مهندسی خطرپذیری سرمایه-گذاری و استفاده از اهداف کمَی برای عوامل نامعین و عدم قطعیت-های موجود میباشد. مهندسی زلزله عملکردی با رویکرد قابلیت اطمینان لرزهای1 از جمله ابزارهایی است که امکان تصمیم سازی برای مدیریت خطرپذیری را تسهیل مینماید.

در حال حاضر در بخش کلان سیاستگذاری مدیریت شهری کشور، از استراتژی مدیریت و کاهش خطرپذیری لرزهای، برای تهیه و تصویب طرح های کلان مانند برنامه جامع کاهش خطرپذیری لرزهای شهری برای کلانشهرهایی مانند تهران استفاده شده است و با در نظر گرفتن میزان خطرپذیری لرزه ای شهر، راهبردهای کاهش خطرپذیری المانهای شهری جدیدالاحداث - توسعه آتی شهر - ، المانهای شهری موجود و ارتقاء آگاهی همگانی ارائه شده است لکن عملیاتی شدن این سیاستگذاریها، مستلزم توسعه کاربردی موضوع در سطوح مختلف اجرایی میباشد .[1]در این مقاله با هدف بررسی کاربرد مهندسی زلزله عملکردی با رویکرد قابلیت اطمینان لرزهای در مدیریت خطرپذیری لرزهای سازه ها، عملکرد لرزهای یک ساختمان دوازده طبقه با استفاده از روش مهندسی زلزله عملکردی با رویکرد قابلیت اطمینان لرزهای موردارزیابی قرار گرفته است و نحوه کاربرد نتایج در مدیریت خطرپذیری ساختمان موردنظر با هدف کاهش خسارات آتی و حفظ سرمایه موردبحث قرار گرفته است به نحوی که نحوه تصمیم سازی برای کاهش خطرپذیری لرزهای ساختمان یا انتقال خطرپذیری لرزهای ساختمان موردنظر از طریق ابزارهایی مانند بیمه تسهیل گردد.

مدیریت خطرپذیری لرزه ای
مدیریت خطرپذیری لرزهای 1عبارت از شناسایی و تحلیل امکان وقوع آسیب و خسارت به کلیه المانهای یک منطقه اعم از شهروندان، ساختمانها، زیرساختها و شریان های حیاتی قبل از وقوع حوادث طبیعی زلزله و تصمیم سازی برای اجرای سیاست های کاهش خطرپذیری، حفظ یا انتقال خطرپذیری و یا گردش خطرپذیری لرزه-ای میباشد .[2]مدیریت خطرپذیری با کمّیت دادن به خطرپذیری ناشی از زلزله به صورت خسارت مالی و وضعیت آسیب باعث میشود که تصور شرایط محتمل برای بخش تصمیم ساز اعم از کارفرمای یک پروژه مشخص یا برنامه ریزان و مدیریت شهری در سطح کلان تسهیل شود.

مهندسی زلزله عملکردی با رویکرد قابلیت اطمینان لرزه ای
سیر پیشرفت مهندسی زلزله در دهه های اخیر از قضاوت مهندسی به سمت کمّیتر کردن تعریف اهداف عملکرد لرزهای مناسب و کاربردی کردن آن در طراحی سازهها ادامه یافته است. منظور از هدف عملکردی 2، تامین شدن سطح عملکرد مشخصی برای سازه در برابر وقوع یک سطح خطر زلزله معین میباشد. با توجه به عدم قطعیتهای موجود در فرآیند طراحی سازه و نیز ماهیت تصادفی تحریک لرزهای، به تدریج مفهوم و تئوری احتمالات و مهندسی ریسک نیز به صورت کاربردی وارد مهندسی زلزله عملکردی شده و در نتیجه در سالهای اخیر مهندسی زلزله عملکردی احتمالاتی3به صورت چشمگیری رشد یافته است.

به این ترتیب، امکان تعیین میزان اطمینان به تامین اهداف عملکردی موردانتظار از طراحی سازهها با در نظر گرفتن عدم قطعیتهای موجود فراهم شده است [3] و این روند به ارزیابی خطرپذیری لرزهای سازه و قضاوت در خصوص برآورده شدن هدف عملکردی لرزهای تعیین شده برای سازه کمک نموده است برای مثال اطمینان %90 از اینکه یک ساختمان مشخص در صورت رخداد زلزله-ای با احتمال وقوع %2 در 50 سال، سطح عملکرد آستانه فروریزش4 را برآورده نماید به عنوان نمونه خروجی این روش میتواند به تصمیم گیری در خصوص نیاز به بهسازی سازه یا نیاز به اقدامات دیگر منجر - گردد. براساس پیشنهادات مراجع [4] و [5] ، مراحلی که برای بررسی سطح اطمینان از برآورده شدن یک هدف لرزه ای برای سازههاطی میگردد به شرح ذیل خلاصه گردیده است:

-1 هدف لرزهای موردنظر که به معنی برآورده شدن سطح عملکرد لرزه ای مشخص در برابر رخداد زلزله با احتمال وقوع معینی است، انتخاب میشود و انتظار بر این است که احتمال عبور سازه از این سطح عملکرد کمتر از میزان مشخص شده در هدف عملکردی موردنظر باشد.
 
-2 شدت لرزهای5 متناظر با سطح خطر لرزهای مشخص شده در گام اول، از منحنی خطر لرزهای سایت ساختمان موردنظر خوانده می شود.

-3 بر روی سازه موردنظر تحلیل دینامیکی فزاینده6 تحت شتابنگاشت های لرزهای مناسب انجام میگردد. پاسخ لرزهای متناظر با شدت لرزهای برآورد شده در بند قبل، از منحنی میانه شدت -پاسخ لرزهای7 سازه استخراج می گردد و نسبت نیاز لرزهای به ظرفیت لرزهای ضریبدار سازه با اعمال ضرایب عدم قطعیت مربوط به پیشبینی ظرفیت و نیاز لرزه ای و همچنین اثرات تصادفی بودن نیروی زلزله و تغییرات رکورد به رکورد محاسبه میگردد.

-4 در نهایت با فرض یک توزیع لوگ نرمال برای احتمال عبور سازه از سطح عملکرد معین، بازه اطمینانی که احتمال عبور سازه از سطح عملکرد موردنظر کمتر از حد مجاز قرار دارد تعیین می گردد و به این ترتیب درصد اطمینان متناظر با تامین هدف عملکردی موردنظر برای سازه به دست میآید.

بررسی مدیریت خطرپذیری یک نمونه موردی با استفاده از رویکرد قابلیت اطمینان لرزه ای

در این بخش به منظور بررسی کاربرد مهندسی زلزله عملکردی با رویکرد قابلیت اطمینان لرزهای در مدیریت خطرپذیری لرزهای سازه ها، به بررسی یک نمونه موردی پرداخته شده است.برای این منظور عملکرد لرزهای یک ساختمان فولادی دوازده طبقه با کاربری اداری واقع در پهنه تجاری-اداری8 طرح تفصیلی شهر تهران، براساس روش مهندسی زلزله عملکردی احتمالاتی، موردارزیابی قرار گرفته است. ساختمان موردنظر به منظور رعایت ضوابط معماری ساختمانهای میانمرتبه مطابق مراجع مصوب شورایعالی شهرسازی و معماری[6] و [7] ، به صورت یک ساختمان دارای عقب رفتگی در ارتفاع9 مطابق شکل 1 طراحی شده است.

سازه سازه موردنظر مطابق با ضوابط استاندارد 2800 ایران[8] برای منطقه با خطر نسبی لرزهای بسیار بالا و ساختگاه با خاک نوع II، با اعمال روش تحلیل دینامیکی خطی طراحی شده است. به همین لحاظ هدف عملکردی موردانتظار بر اساس فرضیات طراحی سازه، تامین سطح عملکرد ایمنی جانی10 برای زلزله با احتمال وقوع %10 در 50 سال - دوره بازگشت 475 سال - میباشد - هدف عملکردی ایمنی جانی - . سیستم باربر جانبی در هر دو جهت سازه، سیستم قاب خمشی فولادی ویژه و سیستم سقف از نوع دال بتنی دوطرفه با دیافراگم صلب میباشد.در این مطالعه، سازه موردنظر در نرم افزار پرفرم[ 9] 1 با لحاظ رفتار غیرالاستیک اعضای سازهای - شامل خمش اتصال گیردار تیر به ستون با ورق بالا و پایین، خمش ستون و چشمه اتصال - مدلسازی شده است و سپس، بر روی سازه موردنظر تحلیل دینامیکی فزاینده تحت بیست شتابنگاشت لرزهای - مطابق با مرجع - [10] انجام شده است.

بر اساس اطلاعات به دست آمده، منحنی شدت لرزهای-پاسخ لرزهای سازه مطابق شکل 2 ترسیم شده و سطوح عملکرد لرزه ای سازه شامل سطح عملکرد قابلیت استفاده بیوقفه2، ایمنی جانی، آستانه فروریزش و ناپایداری دینامیکی3 بر روی آن نمایش داده شده است.با ترکیب این اطلاعات با اطلاعات منحنی خطر لرزه ای سایت سازه - مطابق شکل - 3، احتمال عبور از سطوح عملکرد مختلف در ساختمان موردنظر بنابر میزان لرزه خیزی محل ساختگاه سازه و بنابر میزان ظرفیت لرزهای سازه در طول عمر 50 ساله سازه محاسبه شده است - براساس روابط توصیه شده در مراجع 4] و . - [5 سپس با درنظر گرفتن درصد خسارت متناظر با هریک از سطوح عملکرد موردنظر، میزان احتمال متناظر با وقوع سطوح مختلف خسارات برای ساختمان موردنظر به دست آمده است.

به این ترتیب، منحنی خطرپذیری لرزهای - میزان خسارت-احتمال وقوع خسارت - سازه موردنظر، مطابق شکل 4 ترسیم شده است. در محور افقی این منحنی، میزان خسارات وارده به ساختمان در اثر کلیه زلزله های محتمل در محل سازه نسبت به هزینه ساخت اولیه ساختمان مشخص شده و در محور عمودی نیز احتمال وقوع هر میزان خسارت در طول عمر 50 ساله ساختمان ارائه شده است.مطابق اطلاعات این منحنی، میزان ریسک خسارت پیش بینی شده برای سرمایه گذار پروژه با توجه به خطر لرزهای محتمل برای محل سایت سازه و میزان ظرفیت لرزهای سازه برآورد شده است. برای نمونه در طول عمر 50 ساله ساختمان با احتمال نزدیک به %20 پیش بینی شده است که خسارت 50 درصدی در ساختمان موردنظر رخ داده و در نتیجه نصف سرمایه گذاری انجام شده برای ساخت سازه از دست برود.

حال با فرض اینکه سرمایه گذار پروژه، مدیریت بهره برداری کاربری اداری ساختمان موردنظر را نیز برعهده داشته باشد لذا وی علاقه مند خواهد بود که تا حد امکان، سرمایه گذاری اولیه و فعالیت اقتصادی مورداستفاده در ساختمان را حفظ نماید لذا از دیدگاه وی، حداقل شدن خسارات محتمل در طول عمر سازه از طریق راهکارهایی که به لحاظ منفعت اقتصادی نیز بهینه باشد اولویت دارد - مدیریت خطرپذیری سازه - . برای این منظور علاوه بر تبدیل نتایج فنی ارزیابی لرزه ای به مفاهیم ریسک سرمایه گذاری، نیازمند استفاده از ابزارهایی هستیم که به تسهیل تصمیم سازی منجر شود. به همین لحاظ ابتدا لازم است میزان درصد اطمینان از تامین هدف عملکردی که سازه موردنظر برای آن طراحی و اجرا شده است برای تیم تخصصی و کارفرما روشن گردد.

برای این منظور با کمک اطلاعات حاصل شده در تحلیل دینامیکی فزاینده، بر روی سازه روش تحلیل قابلیت اطمینان لرزهای - روش توصیه شده در مرجع - [4] پیاده سازی شده است. نتیجه تحلیل حاکی از این است که درصد اطمینان از تامین هدف عملکردی ایمنی جانی برای این سازه برابر %49 است. در واقع علیرغم اینکه سازه موجود از نظر آیین نامه 2800 ایران [8] طراحی لرزه ای قابل قبولی دارد لکن به لحاظ عدم قطعیت های موجود در روش طراحی، تحلیل و اجرای سازه و تصادفی بودن ماهیت زلزله، اطمینان صددرصدی از تامین هدف عملکردی ایمنی جانی برای کارفرما فراهم نیست. به این ترتیب به صورت متناظر در خصوص