طراحی لرزهای ساختمان ها

مفاهیم بنیادی در روش طراحی براساس عملکرد
به طور کلی می‌توان گفت که هدف اصلی روش "طراحی بر اساس عملکرد" پیش‌بینی واقع ‌بینانه عملکرد ساختمان بر حسب عوامل قابل تعریف در طول زلزله‌هایی با شدت مختلف می‌باشد که ممکن است در طول عمر سازه‌ در محل احداث آن رخ دهد. این امر با طراحی ساختمان به گونه‌ای که محدوده وسیعی از اهداف عملکردی را محقق سازد، انجام می شود. یک هدف عملکردی خاص تشکیل شده است از یک سطح عملکردی بر اساس خرابی به علاوه سطح خطر زلزله تشکیل شده است . به عنوان مثال در طراحی ساختمان می‌توان به گونه‌ای عمل کرد که سازه‌ در طول زلزله‌هایی که انتظار می‌رود هر 2500 سال رخ دهد در آستانه فروپاشی قرار گیرد.
برای اینکه عملکرد سازه قابل پیش‌بینی باشد، ملاحظاتی در مورد میزان قابلیت اطمینان طرح نهایی باید صورت گیرد تا هدف عملکردی مورد نظر برآورد شود. با توجه به اینکه طراحی و ساخت ساختمان ها در فضایی سرشار از عدم قطعیت‌ها انجام می‌گیرد، قابلیت اطمینان طرح تنها می‌تواند به صورت احتمالاتی بیان شود.
طراحی عملکردی شامل کلیه عملیات مهندسی می‌باشد که بتوان سازه‌ای با عملکرد مشخص در برابر زلزله به دست آورد، که این عملیات می‌تواند شامل تعیین اهداف طراحی، مطالعات لرزه‌خیزی، تحلیل و طراحی لرزه‌ای اعضا سازه‌ای و غیر‌سازه‌ای، کنترل ساخت و نگهداری سازه شود.
به تازگی فلسفه طراحی براساس عملکرد به منظور ارزیابی، مقاوم‌سازی و بهسازی ساختمان‌‌های موجود استفاده شده است. در 1996 ATC گزارشی با عنوان «ارزیابی لرزه‌ای و تجهیز ساختمان‌های بتنی» منتشر کرد.
همچنین در سال 1997 FEMA راهنمایی را به منظور بهسازی ساختمان‌های موجود انتشار داد که طیف وسیعی از ساختمان ها از جمله فولادی، بتنی، آجری و سنگی را تحت پوشش قرار داده است که مبنای هر دو فلسفه جدید طراحی براساس عملکرد می‌باشد.
کلیات و تعاریف
همانطور که می‌دانیم در طراحی لرزه‌ای سازه‌ها هیچگاه هدف ما این نیست که سازه در مقابل شدیدترین زلزله ممکن دچار هیچگونه خرابی نشود. زیرا این امر نه ضروری به نظر می‌رسد و نه از لحاظ اقتصادی منطقی است . به عبارت دیگر در طراحی لرزه‌ای سازه‌ها، با توجه به این واقعیت هدف اصلی در طراحی لرزه‌ای این است که خرابی یک سازه تحت زلزله‌های مختلف در حد قابل قبولی محدود شود.
هدف اصلی در آیین‌نامه ‌های فعلی حفظ ایمنی جانی تحت زلزله‌های شدید است و شرایط خطر‌پذیری نیز به طور ضمنی کنترل می‌شود. این هدف یک هدف حداقل است که برای سازه‌های معمول لازم ‌الاجرا می‌باشد. برای سازه‌های خاص احتیاج به اهداف کاملتری است که سعی شده است با وارد کردن ضریب اهمیت این مساله در نظر گرفته شود که البته این ضریب نمی‌تواند به طور کامل نیازهای مختلف طراحی را برآورده سازد.
براساس فلسفه طراحی عملکردی حدود قابل قبول خرابی، از طریق در نظر گرفتن اثرات اقتصادی خرابی سازه تعریف می‌شود. به عبارت دیگر، هزینه‌های ساخت، نگهداری و ترمیم خرابی‌های ناشی از زلزله‌های متحمل در طول عمر مفید سازه می باشد که در نهایت تعیین کننده نوع طرح و حدود خرابی‌ قابل قبول است . بدین ترتیب حدود خرابی سازه‌ها شامل گستره وسیعی از «عدم خسارت» تا «فروریزش» خواهد بود.
در اینجا به تعریف پارامترهای مورد استفاده در روش طراحی عملکردی می‌پردازیم: هدف طراحی : نشان دهنده سطح عملکرد مورد نیاز برای سازه تحت وقوع زلزله‌هایی با شدت‌های مختلف (دوره بازگشت مشخص) می‌باشد. اهداف طراحی باید بر اساس کاربری سازه، نوع سیستم و رفتار سازه، عوامل اقتصادی شامل هزینه‌های ساخت و تعمیرات آنی و عوامل اجتماعی سیاسی انتخاب شود.
سطح عملکردی: نشان دهنده حداکثر خرابی مورد انتظار سازه می‌باشد به طوری که اگر خرابی از این حد افزایش یابد، سطح عملکردی سازه نیز تغییر پیدا خواهد کرد. وضعیت کلیه اجزای سازه‌ای و غیرسازه‌ای در تعریف این سطوح عملکردی دخیل می‌باشند.
در تعریف سطوح عملکردی می‌توان دو جنبه متفاوت ولی مربوط به هم را در نظر گرفت:
1- به شکل قابل فهم برای کارفرمایان، جامعه، ساکنین و کارگزاران نظام مهندسی (جنبه کیفی)
2- به صورت فنی و مورد استفاده برای طراحان و مهندسین به صورت تعیین محدودیت‌های مجاز اعضا و کل سازه
در طراحی عملکردی 4 سطح عملکردی در نظر گرفته می‌شود:
- عملکرد کامل
- عملکردی
- ایمنی جانی
- حد فروریزش
عوامل ناشی از زلزله
تمام عوامل طبیعی که مربوط به حرکت و لرزش زمین ناشی از زلزله می‌باشند، از قبیل: شکست گسل، روانگرایی، لغزش زمین و نشتهای نامساوی را شامل می شوند.
هر یک از این عامل‌ها می‌توانند موجب خرابی سازه و لذا کاهش عملکرد آن گردند. مقدار خرابی ناشی از این عوامل بستگی به شدت و بزرگی آن عامل دارد که وابسته به بزرگی زلزله، فاصله سازه از گسل، جهت گسترش گسل، جنس زمین منطقه و شرایط خاص محل مورد نظر است. در یک طراحی ایده‌آل عملکردی باید اثرات کلیه این عوامل در طراحی در نظر گرفته شود.
برای هر سازه‌ای، یک منحنی پیوسته وجود دارد که نشان دهنده بزرگی زلزله‌هایی می‌باشد که ممکن است در عمر مفید سازه به آن وارد شوند. این منحنی‌ با زلزله‌های کوچک با احتمال وقوع زیاد و خرابی کم در عمر مفید سازه آغاز می‌شود و به زلزله‌های بسیار بزرگ با احتمال وقوع بسیار کم و خرابی های شدید در عمر مفید سازه ختم می‌شود.
در طراحی عملکردی هدف این است که تحت کلیه نقاط این منحنی که هر یک نشان دهنده یک زلزله با بزرگی و احتمال وقوع مشخص می‌باشد بتوانیم سازه‌ای با عملکرد مورد نظر داشته باشیم. اما از آنجایی که نمی‌توانیم برای کلیه زلزله‌های ممکن سازه را کنترل کنیم ناگزیر هستیم که این منحنی را به صورت گسسته در بیاوریم و این نقاط نشان دهنده سطوح طراحی زلزله خواهند بود.
اگرچه تعریف سطوح زلزله کمک بزرگی به راحتی طراحی مقاوم در برابر زلزله می‌کند، اما ممکن است که هیچگاه زلزله ای با بزرگی دقیقا برابر با این سطوح طرح به وقوع نپیوندد.