ارزيابي بر اساس عملكرد و تعمير ساختمان هاي آسيب ديده از زلزله

چكيده:
اين مقاله گزارشي است از آخرين تحقيقات انجام شده توسط شوراي تكنولوژي كاربردي (ATC) وابسته به آژانس فدرال مديريت بحران (FEMA) براي توسعه يك روند ارزيابي كمي است و نقصان هايي كه از خرابي سازه اي بر اثر وقوع زلزله ناشي مي شود. اين كار با مقايسه عملكرد مورد انتظار از يك ساختمان آسيب ديده كه در معرض زلزله هاي آينده قرار مي گيرد با عملكرد مورد انظتار براي يك ساختمان غير آسيب ديده انجام مي شود.

جابجائي هاي كلي سازه كه از تحليل استاتيكي غير خطي بدست مي آيد به عنوان شاخصهاي ظرفيت كه به سطوح عملكرد مطلوب (مانند جلوگيري از ريزش- ايمن جاني- كنترل خرابي ) مربلوط مي شود عمل مي كند. اين جابجائي ها با تغيير شكلهاي كلي مورد نياز در سطوح خطر لرزه اي دلخواه مقايسه مي شود تا قابليت ساختمان در دستيابي به اهداف عملكردي در هر دو حالت خراب شده و خراب نشده مشخص شود.

اصلذاحات و تغييراتي بر اساس تست و مشاهدات كارگاهي بر روي روابط نيرو- تغيير شكل در اجزاء سازه صورت مي گيرد تا تأثيرات خرابي را منعكس كند.
افت عملكردي بر اثر زلزله مخرب، بوسيله هزينه مربوط به ترميم عملكردي مورد نظر مورد برآورد كمي قرار مي گيرد كه آيا آن اندازه ترميم كه در سطح قطعات اجرا شده در آينده به قابليت عملكردي معادل با ساختمان خراب نشده منجر مي شود.

مقدمه و پيش زمينه
زماني كه يك زلزله باعث خرابي سازه اي در يك ساختمان مي شود عملكرد مورد انتظار ساختمان طي زلزله هاي آينده ممكن است تغيير كند. تفاوتها در عملكرد ساختمانهاي آسيب ديده در قياس يا ساختمانهاي آسيب نديده بر اثر نقصان و افت هاي ناشي از زلزه قبلي در ساختمان آسيب ديده مي باشد هزينه هاي مستقيم و غير مستقيم بازگرداندن سطح عملكرد آتي ساختمان به خالت غير تخريبي اين تفاوتها را جبران مي كند.

آمچه در بالا ذكر شد اصول پايه پروژه تحقيقاتي (ATC) در سه بخش در زمينه ارزيابي و تعمير ساختمانهاي بتن و بنايي ويران شده در برابر زلزله مي باشد. روند و ضوابط آن در بخشهاي زير طبقه بندي شده است.
a)تشخيص و مستند كردن خرابي هاي ناشي از زلزله
b)طبقه بندي خرابي اجزاء بر اساس رفتار و سختي ساز،
c )ارزيابي تأثير خرابي در عملكرد مورد انتظار ساختمان طي زلزله هاي آتي
d)ارتقاء و توسعه اندازه هاي مفروض كه عملكرد مورد انتظار را به سطح ساختمانهاي خراب نشده مي رساند.
گرايشهايي ايجاد شده است تا تأييد خرابي زلزله را با تخمين افت هاي ناشي از آخرين نيروها اندازه گيري كننده تا به اين وسيله ظرفيت مقاومتي سازه را افزايش دهند. چنين فرض مي شود كه به عنوان مثال در ساختمانهاي داراي ديوار برشي تخريب شده افت ها مي تواند به ميزان و وسعت تركهاي بتني و بنايي ايجاد شده وابسته باشد.

عرم توافق هاي زياد در تشخيص تركها در ظرفيت و همچنين در كارآمدي ظرفيت باربري به عنوان يك پارامتر در اندازه گيري ميزان خرابي وجود دارد.
پيشرفتهاي اخير در گسترش تكنيكهاي ارزيابي بر اساس عملكرد امكان سنجش بهتر از تأثير خرابي در ساختمانهاي بتني و بنايي را فراهم ساخته است. روندهايي كه بر اساس عملكرد هستند تأثير تكانهاي زلزله را روي سازه بوسيله حالتهاي محدوديت هاي جابجائي مشخص كرده اند.
اين مقاله نگاهي به تطابق هاي اين روندها با ارزيابي خرابي زلزله در ساختمانها دارد.
روش ارزيابي از يك مدل ساختمان با در بر گرفتن اجزاء سازه اي آن استفاده مي كند.

رفتار سازه در شرايط خراب نشده و خراب شده و بارسازي شده اش توسط روابط غير الاستيك نيرو- تغيير شكل به ازاء هر جزء سازه كنترل مي شود.
روش ارزيابي چنين فرض مي كند كه زماني كه زلزله باعث خرابي يك ساختمان مي شود يك مهندس با كفايت مي تواند تأثيرات آن يا لااقل بخشي از آن را بوسيله بازرسي عيني و تست هاي تشخيصي تكميلي و تحليل هاي سازه اي و دانش سازه اي تشخيص دهد.

با مشخص كردن اين نكته كه خرابي سازه اي چه ميزان خواص سازه اي را تغيير داده است اين امر امكان پذير مي شود كه تحليلاً عملكرد آينده ساختمان خراب را با شرايط عير خراب مقايسه كنيم همچنين اين امكانم فراهم مي شود كه با يك سري كارهاي ممكن، ساختمان خراب شده را به شرايطي برگردانيم كه عملكرد آن در برابر زلزله هاي آينده ضرورتاً معادل با ساختمان خراب نشده باشد.

روند ارزيابي بر اساس عملكرد
اهداف عملكردي
روند ارزيابي مطرح شده بر اساس عملكرد مي باشد به اين دليل است كه پذيرفتگي و (تغييرات پذيرفتگي كه به اثر خرابي قبلي ايجاد مي شود) بر اساس درجه اي كه يك سازه بد يك يا چند سطح عملكردي مي رسد در برابر خطرات ايجاد شده بوسيله يك ياچند زلزله فرض آينده اندازه گيري مي شود.

يك سطح عملكردي نوعاً بوسيله يك حالت خرابيويژه براي يك ساختنا تعريف مي شود. سطوح عملكرد رايج به منظور كاهش مقدار خرابي عبارتند از:پيشگيري از ريزش- ايمني جاني- اشغال آني معمولاً خطر ناشي از زلزله هاي فرض آينده بر اساس شدت تكانهاي زمين با يك احتمال تجاوز از مقدار مربوط در زمان مشخص و محدود يا بر اساس تشخيص احتمال وقوع زلزله روي يك گسل خاص تعريف مي‌شود.

تركيب يك سطح عملكرد و يك خطر زلزله يك هدف عملكردي را تعريف مي كند.

پارامترهاي عملكرد لرزه اي:
تحقيقات و پيشرفت هاي اخير منجر به معرفي يك روش تحليل سازه بر اساس رفتار غير ارتجاعي سازه ها شده است. هريك از اين روندهاي استاتيكي غير خطي (NSP) يك طرح و پلات توليد مي كند كه منحني ظرفيت ناميده مي شود.(شكل ۱) و پارامترهاي جابجائي كلي (به عنوان مثال در سطح سقف) را به آخرين نيروي وارده به سازه وارده به سازه مربوط مي كند. در NS ها از نظر تكنيك استفاده شده براي تخمين ماكزيمم جابجائي كل براي يك زمين لرزه خاص متفاوت از يكيديگر هستند.
روند ارزيابي خرابي ها انجام مي شود تا محدوديت ظرفيت جابجائي كل براي يك سطح عملكردي خاص را با حداكثر نياز جابجائي كل براي يك زمين لرزه خاص مقايسه كند. نسبت به به عنوان معيار دستيابي به اهداف عملكردي در نظر گرفته مي شود.
براي هر تغيير مكان كلي سازه مد نظر به ازاء الگوي بار جانبي داده شده يك تغيير شكل غير مستقيم (ثانويه) براي هر حزء ساختمان وجود دارد. ظرفيت سازه مورد نظر براي سطح عملكردي ارائه شده بوسيله تغيير مكان كلي ماكزيمم جايگزين مي شود. كه در آن خرابي محدوديت را براي سطح عملكردي ويژه افزايش مي دهد. به عنوان مثال ظرفيت پيش گيري از فروريزش يك ساختمان ممكن است تغيير مكاني از سقف باشد كه در آن خرابي ثانويه منجر به ريزش يك يا چند ستون آن ساختمان شود.

اجزاء سازه اي

مدل تحليلي ساختمان شامل جمع آوري اجزاء يازه اي تكي مي باشد. مشخصه نيرو- تغيير شكل براي تك تك اجزاء حالت هاي ايده آل سازي شهري رفتار فرضي جانشين، تحت شرايط بارگذاري سيكلي مي باشد(شكل ۴) در ابتداي پروسه ارزيابي، مهندسي اجزاي اساسي را با پيش بيني مكانيزهاي كنترل كننده جانبي غير الاستيك براي هر عضو در سيستم مقاوم در برابر نيروي جانبي تشخيص مي دهد. اين آناليز شامل تشخيص مقاومتنهايي نسبي (محوري- برشي- خمشي) هر جزئي به منظور پيش بيني مكانيسم مجاز سينماتيكي (جنبشي) مي باشد كه زماني رخ مي دهد كه عضو تغيير مكان جانبي در اثر افزايش نبروهاي جانبي داده است.

اجزاي ديواري بتن مسلح به عنوان مثال در حدول يك از شكل ۵ به صورت خلاصه سازي شده ارائه شده است.

جدول ۱ انواع اجزاء براي ديوارهاي بتن مسلح
شرح نوع قطعه
قوي تر از تير يا اجزاء محيطي كه در اين صورت رفتار غير خطي در پايه به صورت مفصل پلستيك خمشي يا گسيختگي برش متمركز مي شود.
اگر قطعه داراي قطع كننده سطح بالاي مي باشد اين مفطع همچنين بايد براي رفتار غير خطي چك شود. ديوار طره اي يا ديوار با پايه هاي داراي ديوار قوي تر
ضعيف تر از اجطاء محيطي كه به آن متصل است و بوسيله مفصل خمشي در بالا و پايين يا گسيختگي برش تشخيص داده مي شود. پايه هاي داراي ديوار ضعيف تر
ضعيف تر از پايه هاي ديوار كه به آن متصل است و بوسيله مفصل در هر انتها و گسيختگي برش و گسيختگي برش لغزش مشخص مي شود. اجزاء پيراموني ضعيف تر يا تير مزدوج
نبايد تحت تأثير خرابي قرار گيرد زيرا از پايه هاي متصل شده قويتر است اگر اين مقطع خراب است احتمالاً بايد دوباره به عنوان طبقه بندي شود.
اجزاء پيراموني قويتر
پانل با پايه هاي پيراموني

مستندسازي و جمع آوري اطلاعات:
به منظور دستيابي به تأثيراتي كه خرابي هاي گذشته در عملكرد لرزه اي آينده دارد حالت و وضعيت خرابي مي بايست جمع آوري و مستند شود. اين كار شامل موارد زير است.
– جمع آوري و مدور اطلاعات موجود در رابطه با تشخيص زلزله
– جمع آوري و مدور اطلاعات در مورد شرايط سازه اي ساختمان در هر دو حالت قبل و بعد از وقوع زلزله
– بازديد و تستس به منظور تشخيص نوع و وسعت خرابي
-استنباط نتايج تشخيص داده شده
سند ۳۰۶FEMA (1998FEMA) راهنمائي هاي جزء به جزء در انتخاب تكنيك هاي شناسايي سند مناسب ارائه مي دهد.

طبقه بندي خرابي در اجزاء
براي هر بخشي از سيستم سازه اي مهندس بر اساس مد رفتاري خرابي ها را طبقه‌بندي مي كند مد رفتاري جايگزين نوع غالب خرابي بوجود آمده در آن جزء مي‌شود. مد رفتاري به مقاومت نسبي اجزاء مختلف در برابر نيروهاي متفاوت (به عنوان مثال لنگه- برش يا نيروي محوري) بستگي دارد. جدول ۲ مثالي از مدهاي رفتاري براي ديوارهاي بنايي مسلح ارائه مي كند.
از آنجايي كه شكل پذيري بر اساس مد رفتاري تغيير مي كند انتخاب درست مد رفتاري در تعبير تأثير خرابي ها بسيار حائز اهميت مي باشد. براي هر جزء را سازه مهندس شدت حرابي را همانطور كه در جدول ۳ ارائه شده است طبقه بندي مي كند. سند ۳۰۶FEMA(1998FEMA) رهنمودهايي از جزء به جزء قسمتهاي مختلف سازه براي تسهيل تشخيص و طبقه بندي اجزاء ارائه مي كند.

كنترل:

تشخيص خرابي و درك اجزاء يك پروسه متناوب است اطلاعاتي كه در كارگاه در كنترل نوع قطعه به كمك مهندس مي آيد بر اساس رفتار واقعي سازه مي باشد.به عنوان مثال شكل ۵ دو مكانيسم غير الاستيك جنبي ممكن را براي عضو مربوط نشان مي دهد. محاسبات تئوري ممكن است يكي يا ديگري و اجزاء ثانويه آنها را پيش بيمي كند. اما مشاهده خرابي در كارگاه ممكن است نتيجه متفاوتي داشته باشد يا نتيجه گيري متفاوت در مكانيسم پايه و تشخيص اجزاء را منجر شود. منابع زيادي از اين اختلافها وجود دارند كه عبارتند از:

a)توزيع قائم نيروي جانبي ناشي از حركات مخرب زمين ممكن است با آنچه كه در توليد مكانيسم جانبي عير الاستيك بكار رفته است متفوت باشد. در اين حالت مدهاي رفتاري مشاهد شده در كارگاه ممكن است به صورت تحليل پيش بيني شده به علت اندازه هاي نسبي عمل اجزاء متفاوت باشد. به عنوان مثال استفاده از توزيع بالاتر مرسوم بار جانبي مستطيلي براي يك ديوار برشي طره اي ممكن است مد رفتاري خمشي را پيش بيني كند كه در آن ظرفيت خمش نهايي در پايه ديوار مقدم بر ظرفيت برشي مي باشد. اگر يك مد رفتار برشي در كارگاه مد نظر باشد ممكن است نشان دهند. يك توزيع بار جانبي ذوزنقه اي يا مستطيلي باشد كه ايجاد كننده كمتري براي اجزاء مي باشد

جدول ۲:احتمال خرابي زلزله در ديوارهاي بنايي مسلح بر اساس اجزاء و مد رفتاري
نوع ديوار مد رفتاري شكل پذيري

پيرامون قوي تر پيرامون ضعيفتر پايه ضعيفتر پايه قوي تر

رايج غير محتمل رايج خمش بالا

ممكن است اتفاق بيفتد سنگي بستر

ممكن است رايج رايج برش مورب/خمش شكل پذير متوسط

غير محتمل غير محتمل ممكن است با دوره هاي تغيير مكان زياد همراه ناپايداري/خمش خارج از طرح

ممكن است ممكن است ممكن است سنگي پايه

رايج رايج رايج برش قطري شكل پذيري كم يا عدم شكل پذيري

ممكن است در ديوارهاي جزئي ضعيف رخ دهد ممكن است در ديوارهاي جزئي ضعيف رخ دهد برش لغزشي شكل پذيري يا عدم شكل پذيري

جدول ۳:شدت خرابي اجزاء
ناچيز خرابي در مورد سازنده ناچيز است عليرغم از دست دادن كم سختي اندازه هاي اصلاح و باز گرداندن به حالت اول جنبه ظاهري و نمايش دارد
كم خرابي اثر كمي روي خواص سازه اي دارد. نسبتاً بازسازي سازه اي كمي براي قسمت اعظم اعضاء و مدهاي رفتاري نياز است.
متوسط خرابي تأثير متوسط بر خواص سازه اي دارد. گستره و حدود ابعاد بازسازي به نوع عضو و مد رفتاري بستگي دارد. ممكن است براي بعضي از اعضاء بازسازي به صورت مهم و كلي باشد
سنگين خرابي تأثير اصلي و مهمي روي خواص سازه اي دارد. گستره ابعاد بازسازي عموماً زياد است و ممكن است نياز به جايگزيني يا تقويت بعضي از اجزاء باشد
بسيار زياد خرابي خواص سازه اي را به سطح عير قابل اعمتمادي كاهش داده است. محدوده بازسازي عموماً به جايگزيني و تقويت اجزاء نياز دارد.

b)شدت حركات مخرب زمين ممكن است با آنچه در تحليل ها فرض شده است متفاوت باشد. ماكزيمم تغيير مكان كلي در عمل در حين زلزله رخ مي دهد مي تواند بزرگتر يا كوچكتر از آنچه پيش بيني شده است باشد. اين امر متناظراً باعث توليد شدت بيشتر يا كمتر اجزاء مي شود. نوع اجزاء و مد رفتاري ممكن است تحت تأثير قرار نگيرد.

c)مقاومت اجزاء براي كنش هاي مختلف ممكن است با آنچه به صورت تحليلي پيش بيني شده متفاوت باشد كه اين امر مي تواند به انواع اجزاء يا انواع مدهاي رفتاري منجر شود. بسياري از فرمول بندي هاي تئوري مرسوم براي مقاومت اجزاء به عنوان معادلات طراحي بكار مب روند. بنابراين درجه مناسبي از ملاحظات را در برگرفته و رنج وسيعي از عملكردها را پوشش مي دهد سند FEMA307 (b1998FEMA) بر اساس تحقيقات تجربي و تئوري موجود از رفتار عملي سازه ها

منابعي را براي فمول بندي گزينه اي در اختيار قرار داده است اگر يك گزينهمقاومتي را تخمين بزند كه بيشتر به رفتار مشاهده شد. و شرايط ويژه نزديك باشد آن براي اهداف ارزيابي مناسب مي باشد. تجزيه و تحليل اين مغايرت ها نياز به دقت در آناليزها و مدل سازه اي به گونه اي كه به نوع اجزاء منجر شود و مدهاي رفتاري و شدت خرابي بر اساس شرايط مشاهده شده دارد. در برخي موارد مهندس ممكن است آزمايشات بيشتري را براي حل تداخل اطلاعات خواستار شود. تكميل مراحل فوق به جايگزيني منطقي خرابي هاي عملي و استنباط پايه اي از پاسخ سازه به زلزله مخرب منجر مي شود.

تغيير و اصلاح خواص اجزاء
تأثير خرابي در رفتار اجزاء همانگونه كه به صورت نوعي در شكل ۶ نشان داده شده مدل مي شود. معيار پذيرش اجزاء در شكل ۷ نشان داده شده است فاكتورهاي استفاده شده براي تغيير و اصلاح خواص اجزاء به صورت زير تعريف مي شود.

فاكتور اصلاحي ايده آل سازي منحني نيرو- تغيير شكل اجزاء بر اساس تغييرات سختي داخلي مؤثر ناشي از خرابي زلزله
فاكتور اصلاحي براي ايده آل سازي منفي نيرو تغيير شكل اجزاء بر اساس تغيير در مقاومت مورد انتظار كه از خرابي زلزله ناشي مي شود.
فاكتور اصلاحي بكار گرفته شده براي محدوديت هاي تغيير شكل مورد پذيرش اجزاء با در نظر گرفتن خرابي زلزله.
: اندازه دقيق تغيير شكل پس ماند در يك جزء سازه كه از خرابي زلزله ناشي مي شود.
بزرگي فاكتورهاي اصلاحي به مد رفتاري سازه و شدت خرابي تك تك اجزاء بستگي دارد آنها در راهنمايي اجزاء سند ۳۰۶FEMA(1998FEMA) جدول بندي نشده اند فاكتورهاي اصلاحي

ساختمانها كيفي هستند كه از تكرار زياد اطلاعات تجربي روي اجزاء بتني و بنايي و قابهاي توپر ناشي شده است. شكل ۸ رابطه كلي بين شدت خرابي و فاكتورهاي اصلاحي را نشان مي دهد. سختي اجزاء بيشتر به خرابي حساس است. كاهش مقاومت شدت خرابي را افزايش مي دهد. مقدار تغيير مكان قابل قبول كاهش يافته است تا شدت خرابي نسبتاً كم شود.