نوشته‌ها

طراحی بر اساس عملکرد

منظور از طراحی بر اساس عملکرد، روش طراحی لرزه‌ای، رویکرد کلی در چگونگی اثر دادن زلزله در طراحی سازه‌ها است. این بخش سعی دارد تا نشان دهد که این رویکرد به مرور زمان دقت و جامعیت بیشتری پیدا کرده است.

روش‌های مبتنی بر نیرو

روش‌های طراحی سنتی ساختمان‌ها در برابر زلزله از قدیم بطور معمول بین مهندسین عمران رواج داشته است. هدف از ایجاد این روش‌ها، طراحی سازه‌ها در برابر زلزله به شکلی ساده و بدون نیاز به انجام محاسبات پیچیده مهندسی بوده است. در مقایسه با روش‌های جدیدی که از چند دهه قبل در مهندسی زلزله مطرح شد، این روش‌ها را می‌توان روش‌های مبتنی بر نیرو نامید؛ زیرا در آن‌ها نیروی مشخصی به عنوان نماینده اثر زلزله توأم با بارهای ثقلی به سازه اعمال می‌شود.

در ایران نیز اولین آئین نامه زلزله در سال ۱۳۱۱ شمسی در پی زلزله بوئین زهرا انتشار یافت.

ویرایش اول، دوم، سوم، و چهارم استاندارد ۲۸۰۰ ایران نیز به ترتیب در سالهای ۱۳۶۷، ۱۳۷۸، ۱۳۸۳، و ۱۳۹۴ شمسی تصویب و ابلاغ شد.

چهارچوب کلی این روش بر اساس محاسبه یک تقاضای نیرویی مشخص با مقدار معین و طراحی اعضای سازه با قابلیت تحمل آن نیرو بنا شده است. در زیر برخی خصوصیات این دیدگاه در طراحی لرزه‌ای بطور اجمالی اشاره شده است:

  • در آئین ‌نامه‌های مبتنی بر روش فوق، ایمنی جان سکنه به وسیله تضمین فرو نریختن و وارد نشدن خسارات عمده به سازه‌ها در برابر سطح خاصی از زلزله بیمه شده است.
  • در این روش، اگرچه رفتار غیرخطی سازه معتبر شناخته شده و از آن در طراحی استفاده می-شود؛ اما این رفتار با شبیه‌سازی یک رفتار خطی معادل غیر واقعی جایگزین می‌شود. این کار به نوعی در نظر گرفتن رفتار غیرخطی به شکل ضمنی و غیر مستقیم است.
  • عملکرد سازه در این روش‌ها در حین و پس از زلزله طرح بطور کیفی و کلی تعریف شده و از بیان جزئیات رفتار مورد انتظار سازه و اجزای آن چشمپوشی شده است.
  • یکی از رویکردهای اصلی در این روش، استفاده از یک ضریب رفتار (R) برای کاهش تقاضای لرزه-ای وارد بر سازه است. با بکار بردن این ایده که متضمن لحاظ نمودن ظرفیت شکل‌پذیری سازه در تحمل بار است، نیروهای مورد استفاده در تحلیل، ماهیتی انتزاعی و غیرحقیقی به خود می‌گیرد که گاهی از آن به شبه نیرو تعبیر می‌شود.
  • در این آیین‌نامه‌ها برای در نظر گرفتن انتظارات بیشتری که از رفتار برخی ساختمان‌ها نظیر بیمارستان‌ها در هنگام وقوع زلزله می‌رود از یک ضریب اهمیت (I) استفاده می‌شود. این ضریب باعث افزایش نیروی طراحی برای این دسته از ساختمان‌ها می‌شود.
  • در آیین نامه ۲۸۰۰ علاوه بر ضوابط نیرویی ضوابطی برای کنترل سختی سازه از طریق کنترل تغییر مکان‌های سازه نیز ارائه شده است.

نسل اول روشهای مبتنی بر عملکرد

آنطور که اشاره شد، روش‌های طراحی لرزه‌ای معمول با ساده سازی یک رفتار پیچیده دارای جزئیات فراوان، امکان وارد کردن سازه به قلمرو غیرخطی را برای عموم مهندسین حتی بدون انجام تحلیل‌های پیچیده و استفاده از ابزارهای محاسباتی پیشرفته فراهم می‌کردند.

از حدود دهه ۸۰ میلادی روش‌های مبتنی بر عملکرد در مهندسی زلزله راه یافت. روش‌های مبتنی بر عملکرد با شناسایی سطوح متفاوت از زلزله، توجه خود را به عملکرد سازه در زمان زلزله و پس از آن معطوف می‌دارد.

هدف کلی در این روش‌ها کاهش آسیب‌های وارده به اعضای سازه‌ای و غیرسازه‌ای از طریق تقسیم‌بندی سطوح مختلف برای عملکرد اجزای سازه تحت سطوح متفاوت از زلزله ورودی است.

در این روش‌ها رسیدن به یک رفتار مطلوب از سازه، به عنوان عملکرد مورد انتظار مطرح شده است. به عنوان مثال بر اساس یکی از عملکردهای مفروض، انتظار می‌رود که سازه در مواجهه با سطح خاصی از زلزله طوری رفتار کند که با جلوگیری از فروریزش کلی، جان ساکنین حفظ شود. چنین عملکردهایی در قالب سطوح عملکردی زیر توصیف می‌شود:

  • عدم فروریزش در زلزله‌های بزرگ خیلی نادر
  • تأمین ایمنی در زلزله‌های بزرگ نادر
  • پذیرش خسارت محدود و قابل تعمیر در زلزله‌های متوسط
  • بدون خسارت در زلزله‌های کوچک و متناوب

این سطوح عملکردی به طور مستقیم با ورود اجزای سازه به قلمروی غیرخطی مرتبط است. هر اندازه که این ورود بیشتر باشد، سازه خسارت بیشتری را متحمل شده و عملکرد نامطلوبتری از خود نشان خواهد داد (شکل ۱).

شکل 1: ورود سازه به قلمروی غیرخطی متناظر با پذیرش سطوح بالاتری از خسارت

سطح عملکردیتوصیف وضعیت خسارت
۱- قابلیت استفاده بی وقفهخسارات سازه­ای ناچیز، کارایی سیستم­های اصلی، خرابی­های جرئی در کل سازه
۲- ایمنی جانیوقوع خسارت محتمل سازه­ای، عدم فروریزش، وجود سطح کمینه برای خطر سقوط، خروج اضطراری مناسب
۳- آستانه فروریزشخسارات سازه­ای شدید، فروریزش ابتدایی، احتمال خطر سقوط، دسترسی محدود

روش‌های عملکردی در قیاس با روش‌های سنتی، امکانات بیشتری در اختیار طراحان قرار داده و با افزایش پارامترهای دخیل در طراحی و رصد دقیقتر رفتار سازه، به دیدگاه طراح وسعت بیشتری می‌بخشد.