یکی از داغ‌ترین مباحث روز مهندسی عمران و سازه، طراحی بر اساس عملکرد (طراحی عملکردی) است. در این مقاله تعریف دقیقی از طراحی عملکردی ارائه می‌شود. پس از خواندن این مقاله، شما با سطوح مختلف عملکردی آشنا می‌شوید و راه یادگیری این نوع طراحی که مخصوص مهندسان حرفه‌ای سازه است، به شما نشان داده می‌شود.
در این مقاله چه چیزهایی یاد میگیریم؟
طراحی عملکردی چیست؟
یکی از بزرگ‌ترین تفاوت‌‌های مهندسان حرفه‌ای با سایر مهندسان سازه، استفاده از طراحی بر اساس عملکرد است که به اختصار performance based design (PBD) نامیده می‌شود. اما این گنجینه چیست؟
طراحی عملکردی همان‌طور که از نامش پیداست درباره عملکرد است! عملکرد چه چیزی؟
- عملکرد زلزله (سطح خطر زلزله)
- عملکرد ساختمان در برابر زلزله
در طراحی عملکردی (PBD)؛ ما مشخص می‌کنیم که عملکرد سازه در برابر هر نوع زلزله‌ای چطور باشد. به بیان دیگر، سازه در برابر چه زلزله‌ای، چه عملکردی داشته باشد. پس اولین گام، مشخص کردن سطح عملکرد مورد انتظار ماست.
منظور از عملکرد زلزله (سطح خطر زلزله) چیست؟
زلزله به طور کلی ۴ سطح خطر دارد:
زلزله ضعیف
زلزله‌ای که در طول عمر مفید ۵۰ ساله ساختمان، به دفعات رخ می‌دهد. ریسک رخداد این زلزله ۹۹.۵ درصد است. مثل زلزله ۱۰ ساله (زلزله‌ای که دوره بازگشت آن، ۱۰ سال است).
زلزله متوسط
زلزله‌ای که در طول عمر مفید ۵۰ ساله ساختمان، حداقل یکبار رخ می‌دهد. ریسک رخداد این زلزله ۶۴ درصد است. مثل زلزله ۵۰ ساله (زلزله‌ای که دوره بازگشت آن، ۵۰ سال است).
زلزله شدید
زلزله‌ای که در طول عمر مفید ۵۰ ساله ساختمان، به ندرت رخ می‌دهد. ریسک رخداد این زلزله ۱۰ درصد است. مثل زلزله ۴۷۵ ساله (زلزله‌ای که دوره بازگشت آن، ۴۷۵ سال است).
زلزله ماکزیمم
شدیدترین زلزله‌ای که در یک منطقه رخ می‌دهد. ریسک رخداد این زلزله ۲ درصد است. مثل زلزله ۲۴۷۵ ساله (زلزله‌ای که دوره بازگشت آن، ۲۴۷۵ سال است).
اما تفاوت زلزله‌هایی که در بالا گفته شد چیست؟
همان‌طور که می‌دانید طیف زلزله در واقع به صورت شتاب است.
این زلزله‌ها شتاب‌های متفاوتی را به سازه وارد می‌کنند. هرچه دوره بازگشت طولانی‌تری داشته باشند، قدرتمندتر هستند و در واقع شتاب بیشتری را به سازه اعمال می‌کنند.
حال این سوال به وجود می‌آید که شتاب مبنا (A) که در استاندارد ۲۸۰۰ وجود دارد، شتاب چه سطحی از زلزله است.
در واقع نقشه پهنه‌بندی خطر نسبی زلزله و شتاب مبنا در استاندارد ۲۸۰۰، برای شتاب زلزله شدید است.
مثلا شتاب مبنای زلزله شدید در تهران ۰.۳۵g است. اما زلزله ضعیف چطور؟
شتاب زلزله ضعیف، یک ششم زلزله شدید است.
شتاب زلزله متوسط، یک دوم زلزله شدید است.
شتاب زلزله ماکزیمم، سه دوم زلزله شدید است.
تا این‌جا با سطوح مختلف زلزله آشنا شدیم. حال نوبت بررسی سطوح عملکرد ساختمان در برابر این زلزله‌هاست.
سطوح مختلف عملکرد ساختمان
وقتی می‌گوییم ساختمان، از دو جز صحبت می‌کنیم:
۱- اجزای سازه‌ای
۲- اجزای غیرسازه‌ای
پس سطوح عملکرد برای هر دو جز وجود دارد. یک مسئله مهم و حیاتی در طراحی عملکردی، رعایت اعتدال و تناسب بین سطح عملکرد اجزای سازه‌ای و غیرسازه‌ای است. یعنی سطح عملکرد آن‌ها باید به هم نزدیک باشند. برای لحظه‌ای تصور کنید هنگام زلزله، تمام تیر و ستون‌ها سالم باشند، ساختمان فرو نریزد، اما به خاطر خراب شدن دیوار، یک نفر بمیرد!!!
البته این موضوع به ظاهر خنده‌دار و در باطن گریه دار! در زلزله ۹۶ کرمانشاه، مسبوق به سابقه است.
۴ سطح عملکرد اصلی ساختمان عبارتند از:
سرویس دهی بی وقفه یا operational (OP)
یعنی زلزله رخ می‌دهد، اما ساکنان با خیال راحت در سازه هستند و هیچ مشکلی به وجود نمی‌آید. از نظر سازه‌ای، تمام اجزای سازه در ناحیه خطی باقی مانده‌اند.
قابلیت بهره برداری بی‌وقفه یا immediate occupancy (IO)
اشکالات جزئی در ساختمان به وجود می‌آید. اما به راحتی این مشکل حل می‌شود و سازه به سرعت به سرویس‌دهی بازمی‌گردد.(مثلا کنتور برق آسیب می‌بیند)
تامین ایمنی جانی یا life safety (LS)
اجزای ساختمان آسیب جدی می‌بینند ولی افراد ساکن در ساختمان فرصت فرار دارند و جان سالم به در می‌برند. اما سازه دیگر مثل قبل نیست و قابل استفاده نیست.(دچار failure شده است)
از نظر سازه‌ای، اجزا وارد ناحیه غیرارتجاعی شده‌اند و دیگر کارایی قبل را ندارند.
آستانه فروریزش یا collapse prevention (CP)
تصور کنید ساکنین در حال فرار هستند و سقف‌ها و دیوارها فرو می‌ریزد. به عبارتی، سازه تا آستانه فروپاشی پیش می‌رود.(به تار مو بنده ولی پاره نمیشه)
نمودار زیر درک بسیار خوبی از سطوح مختلف عملکرد ساختمان به شما نشان می‌دهد. در این نمودار؛ replace cost به معنای هزینه ترمیم، casualty rate به معنای نرخ تلفات، downtime هم به معنای مدت زمان لازم برای بازگشت به سرویس دهی بر حسب روز است.
حال که با سطوح مختلف زلزله و عملکرد ساختمان آشنا شدید؛ حتما می‌توانید عملکردها و اهداف مختلف را در نظر بگیرید. مثلا می‌توانید عملکرد یک سازه در برابر زلزله را این‌طور تعریف کنید:
عملکرد LS دربرابر زلزله شدید، عملکرد CP دربرابر زلزله ماکزیمم
در جدول بالا، اهداف طراحی لرزه‌ای با یک حرف انگلیسی نشان داده می‌شود. مثلا هدف m به معنای این است که سازه در برابر زلزله ماکزیمم عملکرد سرویس دهی بی‌وقفه داشته باشد.(که جز برای ساختمان‌های فوق‌العاده مهم و استراتژیک، برای بقیه ساختمان‌ها اقتصادی نیست)
استراتژی طراحی عملکردی ساختمان‌ها با توجه به اهمیت آن‌ها متفاوت است:
ساختمان‌های با اهمیت خیلی زیاد باید برای اهداف e و j و o طراحی شوند.
ساختمان‌های با اهمیت متوسط و زیاد باید برای اهداف a و f و k و p طراحی شوند.
ساختمان‌های با اهمیت کم باید برای اهداف b و g و l طراحی شوند.
تفاوت طراحی عملکردی (performance based design) با روش سنتی در چیست؟
در روش‌های سنتی، طراحی بر اساس نیرو صورت می‌گیرد. اما در طراحی عملکردی؛ هر عضو، هدف مشخصی دارد و مشخص می‌شود که نیرو-کنترل (force-control) باشد یا جابجایی-کنترل (displacement-control). مثلا مهاربندهای کمانش تاب به عنوان یک فیوز، جابجایی کنترل طراحی می‌شود.
روش‌های سنتی، رفتار پیچیده‌ی سازه را ساده‌سازی می‌کنند و معمولا وارد محاسبات غیرخطی نمی‌شوند. مثلا اگر سازه در محدوده خطی ۱cm جابجا شود، استاندارد ۲۸۰۰ با استفاده از ضریب بزرگنمایی (Cd=۳.۵)، جابجایی کل سازه را (شامل محدوده خطی و غیرخطی) برابر با ۳.۵ سانتی‌متر لحاظ می‌کند. بدون این‌که وارد محاسبات دقیق رفتار سازه در ناحیه غیرخطی شود.
علاوه بر ضریب بزرگنمایی Cd، استاندارد ۲۸۰۰ از ضریب دیگری به نام ضریب رفتار (R) نیز استفاده می‌کند. در واقع نیروی زلزله را بر R تقسیم می‌کند. هدف از این‌کار؛ کاهش نیروی زلزله، برای طراحی سازه فقط در ناحیه خطی است. در واقع پس از این نوع تحلیل (استاتیکی خطی)، جابجایی‌های سازه را فقط در محدوده خطی به دست می‌آوریم. سپس آن را در ضریب بزرگنمایی Cd ضرب می‌کنیم و حداکثر جابجایی سازه (خطی و غیرخطی) به دست می‌آید. این ضریب بزرگنمایی در جهت اطمینان است. لذا ممکن است جابجایی واقعی سازه کمتر باشد و با این نوع طراحی، سازه سنگین طراحی شود.
DCR، مهم‌ترین مفهوم در طراحی عملکردی سازه
DCR مخفف demand capacity ratio، بیانگر نسبت نیاز به ظرفیت است.
نیاز در واقع آن چیزی است که سازه باید داشته باشد.
ظرفیت در واقع آن چیزی است که سازه دارد.
طراحی عملکردی یعنی طراحی سازه و انتخاب مقاطع به نحوی که ظرفیت (capacity) از نیاز (demand) بیشتر باشد. نیازهای لرزه‌ای از تحلیل سازه به دست می‌آیند، اما ظرفیت‌های لرزه‌ای از ضوابط آیین‌نامه‌ها.
نیاز ساختمان چیست؟
نیازهای ساختمان به طور کلی به ۳ دسته تقسیم می‌شوند:
- سختی: عامل کنترل آسیب یا تخریب در اجزای غیرسازه‌ای و اثرات ثانویه بر سازه (مثل اثر پی دلتا)
- مقاومت: عامل کنترل آسیب یا تخریب در اجزای سازه‌ای
- شکل پذیری: عامل کنترل انهدام در اجزای سازه‌ای
تفاوت آسیب و تخریب با انهدام، همان است که در مقاله تفاوت failure با collapse خواندید.
آموزش طراحی عملکردی سازه
همان‌طور که تا الان آموختید، طراحی عملکردی مقوله‌ای پیچیده و در عین حال جذاب است که باعث بهینه شدن سازه می‌شود. برای آموزش طراحی عملکردی دوره‌های زیادی وجود دارد اما ما دوره‌های دکتر قدرتی را پیشنهاد می‌کنیم.
عالی بود.
خوشحالیم که مفید بوده براتون:)