مقاله تحلیلی: طراحی انعطاف‌پذیر و ارزیابی ریسک با استفاده از FEMA P-58

اکثر آیین‌نامه‌های ساختمانی در سرتاسر جهان به‌منظور محافظت از سلامت و ایمنی ساکنین ساختمان‌هایی که در معرض بارهای احتمالی مانند زلزله قرار دارند، تألیف شده‌اند. بار باد، برف و دیگر بارهای زنده در طول عمر ساختمان به‌دفعات به آن اعمال می‌شوند؛ بنابراین الزامات آیین‌نامه‌ای برای این بارها علاوه بر اینکه ایمنی جانی را حفظ می‌کنند، احتمال آسیب رسیدن به ساختمان‌ها به‌واسطه این بارها را به مقدار زیادی کاهش می‌دهند. بااین‌حال زلزله‌ها به‌ندرت اتفاق می‌افتند و اکثر ساختمان‌ها هرگز زلزله‌ی بزرگی را تجربه نمی‌کنند. لذا آیین‌نامه‌های ساختمانی به‌منظور محدود کردن خسارت ساختمان، هزینه‌ی تعمیر آن و حداقل ساختن زمان عدم فعالیت آن‌که بر اثر رخدادهای مورد انتظار در سطح طراحی به وجود می‌آیند، الزامات اندکی را شامل می‌شوند. مطالعات اخیر درباره‌ی ساختمان‌های منطبق بر آیین‌نامه نشان داده‌اند که این ساختمان‌ها ممکن است بعد از یک زلزله به‌اندازه سطح طراحی به مدت 6 تا 24 ماه از خدمت‌رسانی خارج‌شده و بعد از زلزله‌ی حداکثر ویران شوند. ضرورتاً ما ساختمان‌هایی را طراحی می‌کنیم که "ایمن باشند ضمن اینکه قابلیت خدمت‌رسانی نیز داشته باشند". آیا می‌توانیم بهتر عمل کنیم؟

در فاصله‌ی زمانی سال 1971 تا سال 1994، ایالت کالیفرنیا زلزله‌های زیان باری را تقریباً هر 18 ماه یک‌بار تجربه کرده است. این خسارات متعدد و قابل‌توجه باعث شد که مالکان ساختمان‌ها از مهندسان درخواست بیشتری برای ارزیابی و نوسازی ساختمان‌های موجود به‌منظور عملکرد بهتر آن‌ها داشته باشند، اما مهندسان هیچ ابزاری برای انجام این کار نداشتند. سازمان مدیریت بحران فدرال (FEMA) مجموعه‌ای از پروژه‌ها را با همراهی  انجمنِ تکنولوژی کاربردی (ATC)آغاز کرد که اوج آن در سال 1997 با انتشار FEMA 273/274 و با عنوان دستورالعمل‌های بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌ها، صورت پذیرفت. این سند ویژه که از آن زمان به استاندارد ASCE 41 تکامل پیداکرده است، اولین نسل از معیار صحیح طراحی لرزه‌ای بر مبنای عملکرد را تشکیل داد. بااین‌حال مالکین، ساختمان‌های جدید با عملکرد بهتر را درخواست دارند درحالی‌که FEMA 273/274 تنها برای ساختمان‌های موجود قابل کاربرد است. مهندسان اقدام به ایجاد فرآیندهایی مشابه برای طراحی ساختمان‌های جدید کردند. دوباره FEMA با ATC متحد شد تا به این نیاز پاسخ داده و توسعه‌ی روش FEMA P-58 را از طریق مجموعه پروژه‌های ATC-58 پشتیبانی مالی کرد که درنهایت بیش از 16 میلیون دلار تأمین بودجه شد و یک روش ارزیابی ریسک جامع که هم برای ساختمان‌های جدید هم برای ساختمان‌های موجود قابل کاربرد است، تولید شد.

در اوایل توسعه‌ی این فرآیند، ATC داده‌های ورودی را از ذینفعان پروژه ازجمله مهندسان، مالکان، مسئولان ساختمان، بیمه‌کنندگان و وام‌دهندگان درخواست کرد.

روش FEMA P-58 توضیحاتی را به‌صورت کمیتی درباره‌ی عملکرد ساختمان به‌صورت هزینه‌ی تعمیر، زمان تعمیر، ایمنی جانی، سکونت و اثرات محیط زیستی ارائه می‌دهد. این روش مختص ساختمان است و می‌توان آن را به‌صورت تکراری برای طراحی ساختمان‌های دارای عملکرد مطلوب استفاده کرد درست مشابه روشی که مهندسان از نرم‌افزار تحلیل سازه‌ای برای طراحی ساختمان‌ها برای مطابقت با آیین‌نامه (که اهداف موردنظر محدود کردن دریفت، تأمین مقاومت کافی اجزای سازه‌ای و غیره می‌باشد) استفاده می‌کنند. همچنین از این روش می‌توان برای ارزیابی ریسک یک ساختمان موجود استفاده کرد.

مرور کلی روش FEMA P-58

شکل ۱

گام‌های اصلی فرآیند P-58 عبارت اند از:

1. حرکات زمین. شدت های مورد انتظار حرکات زمین با استفاده از آنالیز خطر لرزه‌ای (یا داده‌های پیش فرض سازمان زمین شناسی ایالات‌متحده) محاسبه می‌شوند. این گام ممکن است شامل انتخاب حرکت موردنیاز زمین برای تحلیل سازه نیز باشد (مرحله 2).
2. پاسخ سازه. مقادیر پاسخ ساختمان برای هریک از سطوح موردنظر حرکت زمین محاسبه می‌شوند. این مقادیر عبارت‌اند از حداکثر تغییرمکآن‌های نسبی طبقات و شتاب‌های طبقه، تغییرمکآن‌های نسبی پس‌ماند طبقه و دیگر پارامترهای قابل پیش‌بینی. این گام را می‌توان با استفاده از آنالیز تاریخچه زمانی یا روش‌های پیش‌بینی پاسخ الاستیک خطی که بر اساس مقاومت ساختمان و ویژگی‌های مودال آن به تحلیل غیرخطی کالیبره شده‌اند، تکمیل کرد.
3. آسیب وارد به عضو. آسیب وارد به اجزای سازه‌ای و غیر سازه‌ای با ترکیب پاسخ های سازه با توابع شکنندگی (آسیب) (مثلاً توابع دیوارهای پارتیشنی که دریفت طبقه را به آسیب دیوار مرتبط می سازند) محاسبه می‌شود. استفاده از پایگاه داده ای جامع از توابع شکنندگی که در سند FEMA P-58 ارائه شده است، در این گام کمک زیادی می‌کند.
4. خسارات و زمان‌های تعمیر. در ابتدا هزینه ها و زمان‌های تعمیر برای هر عضو بر اساس آسیب پیش‌بینی شده محاسبه می‌شود؛ سپس این مقادیر برای محاسبه هزینه‌ی تعمیر و زمان تعمیر کلی ساختمان ترکیب می‌شوند

این چهار گام در روش FEMA P-58 با استفاده از شبیه سازی مونت کارلو ترکیب می‌شوند به‌گونه‌ای که عدم قطعیت ها را درنظر گرفته و پیش‌بینی های ریسک توسط مقادیر میانگین و تغییرات محاسبه می‌شوند.

برخی از نکات برجسته FEMA P-58 عبارت‌اند از:

• روش FEMA P-58 علاوه بر معیارهای ایمنی، معیارهای مهم انعطاف‌پذیری ساختمان ازجمله هزینه‌ی تعمیر، زمان تعمیر و نشانه گذاری سکونت احتمالی را پیش‌بینی می‌کند.
• روش FEMA P-58 ریسک مخصوص ساختمان را برخلاف بسیاری از روش‌های دیگر پیش‌بینی خسارتی که تجربی یا بر اساس قضاوت استند، با استفاده از یک فرآیند ارزیابی کمی مهندسی پیش‌بینی می‌کند و بیشتر از درجه بندی ساختمان استفاده می‌کند نه از اطلاعات مخصوص به آن.
• روش FEMA P-58 روشی منبع باز، استاندارد شده و قابل تکرار می‌باشد که فرآیند ارزیابی آن توسط محدوده وسیعی از پایگاه داده ای که در طول پروژه ایجادشده (توابع شکنندگی، توابع خسارت و غیره) پشتیبانی می‌شود.

شکل ۲

شکل 2 یک منحنی آسیب‌پذیری خسارت را برای یک ساختمان اداری میان مرتبه در لس‌آنجلس که دارای قاب بتن مسلح است، ارائه می‌دهد. برای این مثال، حرکات زمین دارای احتمال وقوع %10 در 50 سال و احتمال وقوع %2 در 50 سال، به ترتیب مقادیر حداکثر شتاب‌های زمین 0.47g و 0.78g و هزینه‌های میانگین تعمیر %18 و %42 هزینه‌ی جابجایی تولید می‌کنند. FEMA P-58 توزیع‌های کامل آماری از خسارت و زمان‌های تعمیر (مانند درصدهای 90 امی و غیره) را نیز در اختیار می‌گذارد.

 شکل ۳

روش FEMA P-58 علاوه بر نتایج ترکیبی شکل 2، هزینه‌های تعمیر را برای اجزای خاص نیز پیش‌بینی می‌کند. شکل 3 کاهش هزینه‌های تعمیر را برای حرکت زمین با احتمال وقوع %10 در 50 سال برای ساختمانِ همان مثال نشان می‌دهد. در این حالت، دوسوم خسارت از آیتم‌هایی غیر از آسیب سازه‌ای حاصل می‌شود که قسمت‌های قابل‌توجه آن از پارتیشن¬ها و پوشش‌های نهایی ساختمان و بخشی از آن‌ها از دریفت زیاد پس از زلزله ("دریفت پس‌ماند") حاصل می‌شود که نشان‌دهنده ویرانی ساختمان است.

شکل ۴

روش FEMA P-58 اطلاعات مفصلی را درباره‌ی زمان‌های تعمیر که برای پیش‌بینی توقف خدمت‌رسانی ساختمان و اختلال در کسب‌وکار سودمند استند را نیز ارائه می‌دهد. روش‌های همراه با این روش مانند روش پیشرو طراحی انعطاف‌پذیر (REDi) که بر اساس روش FEMA P-58 پایه‌گذاری شده، محاسبات مربوط به زمان تعمیر را ارائه می‌دهند. شکل 4 که با استفاده از فرآیند REDi ایجادشده است، زمان‌های تعمیر مورد انتظار را برای همان سطح تحریک زمین با احتمال وقوع %10 در 50 سال نشان می‌دهد و پیش‌بینی می‌کند که 6 ماه طول می‌کشد تا ساختمان دوباره آماده اسکان شود و نه ماه طول می‌کشد که به شرایط قبل از زلزله بازگردد.

روش FEMA P-58 طراحی کمی و انعطاف‌پذیری ساختمان‌ها را ممکن می‌سازد اما به‌طور یکسان برای ارزیابی ریسک ساختمان‌های موجود نیز قابل کاربرد است (و معمولاً برای ساختمان‌های موجود نیز استفاده می‌شود).

پیشرفت‌های اخیر که بر اساس FEMA P-58 صورت گرفته است

با شروع روش P-58 در سال 2012 تحقیق و توسعه‌ی اضافی برای گسترش و امکان استفاده‌ی کارآمد از این روش شدت یافت. مثال‌هایی از آن عبارت‌اند از سیستم پیشگام طراحی انعطاف‌پذیر (REDi) در سال 2013 و سیستم رده‌بندی انجمن انعطاف‌پذیری ایالات‌متحده (USRC) در سال 2015 دو سیستمی استند که رده‌بندی‌های ساختمان را تا قسمت زیادی بر اساس محاسبات FEMA P-58 در اختیار می‌گذارند. نرم‌افزار طراحی پیش‌بینی عملکرد لرزه‌ای (SP3) نیز ساخته‌شده و در سال 2014 عرضه شد تا استفاده‌ی کارآمد از روش FEMA P-58 را ممکن سازد. علاوه براین، بنیاد ملی علوم به توسعه‌ی FEMA P-58 کمک مالی کرده است که بتواند دیگر سیستم‌های سازه‌ای را نیز پوشش دهد.

طراحی انعطاف‌پذیری

از قدیم مرسوم بوده که مهندسان با اضافه کردن مقاومت یا سختی، یا با طراحی باهدف عملکرد بهتر (مثلاً هدف خدمت‌رسانی بی‌وقفه با استفاده از ASCE 41) ساختمان بهتری می‌ساخته‌اند؛ اما نتایج به‌دست‌آمده را به‌سختی می‌توان به‌منظور فروش به مشتری توضیح داد چراکه تعیین اثرات طراحی بهتر، کاری دشوار است. روش FEMA P-58 به مهندسان سازه این امکان را می‌دهد که نتایج طراحی بهتر را به صورتی تعیین کنند که مالکان ساختمان بیشتر آن را درک کنند.

الزامات دقیق طراحی به شرایط بستگی خواهد داشت. اهداف معمول این طراحی عبارت‌اند از:

• از آسیب سازه‌ای جلوگیری کرده و دریفت¬های پس‌ماند محدود شوند تا قابلیت کاربرد پس از زلزله تضمین‌شده باشد (بدین معنی که هیچ آسیبی نیاز به تعمیر سازه نداشته باشد).
• از آسیب به اجزای غیر سازه‌ای حساس به دریفت که ممکن است قابلیت استفاده از ساختمان را متوقف سازند، جلوگیری شود.
• از آسیب به اجزای حساس به‌شتاب مانند تأسیسات و مهارهای آن‌ها که ممکن است قابلیت استفاده از ساختمان را متوقف سازند، جلوگیری شود.

شکل ۵

شکل 5 مثالی از پروژه‌ی اخیر طراحی انعطاف‌پذیر، مرکز اجتماع Long Beach (LBCC) در جنوب کالیفرنیا (که اطلاعات آن از انجمن مهندسان سازه‌ی کالیفرنیا 2016، SEAOC آمده است) را نشان می‌دهد. این پروژه با همکاری Nabih Youssef و دستیاران و Skidmore Owings و Merrill طراحی‌شده است. اهداف کلی انعطاف‌پذیری برای این طراحی شامل اهداف عملکردی زیر برای حرکت زمین با احتمال وقوع %10 در 50 سال می‌باشد:

• ایمن (مطابق آیین‌نامه، ریسک پایین تلفات جانی و صدمات)
• هزینه‌ی تعمیر کمتر از 5 درصد ارزش ساختمان
• قابلیت سکونت مجدد در کمتر از 1 هفته
• زمان بازگشت به حالت قبل از زلزله کمتر از 1 ماه

شکل ۶

طراحی‌های ساختمان‌های LBCC مستقیماً از طریق فرآیند تکراری تحلیل و طراحی دوباره‌ی FEMA P-58 به‌دست ‌آمده‌اند. فهرست زیر گام‌های اصلی طراحی را بیان می‌کند. شکل 6 به‌طور تقریبی نشان می‌دهد که همان‌طور که هریک از گام‌های طراحی انعطاف‌پذیر پیاده‌سازی می‌شوند، هزینه‌های تعمیر و زمان تعمیر به چه نحوی افت می‌کنند.

گام 1: تصمیم به استفاده از دیوار استه‌ی بتنی مسلح گرفته و طراحی منطبق بر آیین‌نامه را آغاز کنید.

گام 2: مقاومت سازه را افزایش دهید تا آسیب خمشی را به‌گونه‌ای محدود نمایید که نیاز به تعمیر نباشد.

گام 3: تیرهای همبند را حذف کنید (و بجای آن از یک طراحی دیوار پانچ شده استفاده کنید) تا تیرهای همبند نیاز به تعمیر نداشته باشند.

گام 4: از طریق مقاوم‌سازی انکرهای تجهیزات و کنترل تجهیزات مهم، مطمئن شوید تجهیزات سرویس‌دهی می‌کنند.

گام 5: یک آسانسور را مقاوم‌سازی نمایید تا از قابلیت کاربرد پس از زلزله مطمئن شوید.

گام 6: تنش برشی در اتصالات دال به ستون ثقلی را کاهش دهید تا آسیب وارده را محدود کرده باشید.

گام 7: دیوارهای سازه‌ای را سخت کنید (تا هدف دریفت %1 را ارضا نمایند) تا اتصال دال به ستون را بیشتر محافظت کرده و دیوارهای پارتیشنی را حفظ کرده باشید.

مقایسه‌های دقیق هزینه برای این ساختمان همچنان در دسترس نیست، اما دیگر پروژه‌های مشابه بیان می‌کنند که این نوع طراحی انعطاف‌پذیر تنها 1 تا 3 درصد بیشتر از طراحی مطابق آیین‌نامه هزینه دارد.

شکل ۷

شکل 7 یک ملک تجاری را که توسط شرکت Watson Land توسعه پیداکرده است، نشان می‌دهد. شرکت Watson Land املاک خود را توسعه داده و آن‌ها را اجاره می‌دهد و املاک خود را برای چندین سال است که به صورتی طراحی کرده که از حداقل الزامات آیین‌نامه فراتر استند. 

هدف ارائه املاکی است که بازار بهتری داشته، ساکنین آن بعد از زلزله نیاز به جابجایی نخواهند داشت و هزینه‌های مربوط به بیمه‌ی زلزله را کاهش می‌دهد. این ساختمان باهدف خدمت‌رسانی بی‌وقفه با استفاده از ASCE 41 طراحی شد.

مطالعه‌ی حال حاضر درباره‌ی FEMA P-58 هزینه‌های تعمیر را برای طراحی خدمت‌رسانی بی‌وقفه (IO) با طراحی متعارف منطبق بر آیین‌نامه (برای سطح تحریک زمین دارای احتمال %10 در 50 سال) مقایسه می‌کند و مشخص شد که هزینه‌های تعمیر برای طراحی IO تنها نصف هزینه‌های تعمیر برای طراحی منطبق بر آیین‌نامه است اما این مطالعه همچنان ادامه دارد. با مقایسه‌ی طراحی انعطاف‌پذیر با طراحی متعارف منطبق بر آیین‌نامه، ساختمان در هر فوت مربع تنها 1.27 دلار بیشتر هزینه می‌برد.

ارزیابی ریسک ساختمان

روش FEMA P-58 به‌صورت منظم برای تکمیل ارزیابی‌های ریسک در ساختمان‌های موجود و به‌منظور اهداف متعددی (تصمیمات بهسازی، ارزیابی ریسک وام، ارزیابی‌های ریسک بیمه، ارزیابی‌های ریسک سرمایه‌گذاری و غیره) استفاده می‌شوند.

شکل ۸

شکل 8 یک مثال ارزیابی تکمیل‌شده را برای پشتیبانی از تصمیم برای خرید یک ساختمان نشان می‌دهد. این تصویر ساختمانی قدیمی‌تر است که ازنظر سازه‌ای نوسازی شده است اما همچنان دارای نمای مصالح بنایی قدیمی و شکننده‌ی غیرمسلح می‌باشد. یک ارزیابی کامل FEMA P-58 توسط شرکت Holmes Structures به‌منظور برآورد آسیب ساختمان و هزینه‌های تعمیر در سطوح چندگانه‌ی تحریک زمین انجام شد. آسیب وارد به نمای شکننده، بحرانی بود و شکل 8 حالات آسیب مورد انتظار نما را در ترازهای ارتفاعی مختلف ساختمان نشان می‌دهد (برای تحریک زمین دارای احتمال وقوع %10 در 50 سال).

نتایج

روش ارزیابی FEMA P-58 جهش زیادی را به سمت توانایی محاسبه و توسعه‌ی عملکرد زلزله را در اختیار می‌گذارد. با پیوند دادن ویژگی‌های خاص ساختمان به هزینه‌ی تعمیر و زمان آن، جامعه بهتر می‌تواند ریسک‌های زلزله را درک کرده و آن‌ها را مدیریت کند. مثال‌های فوق نشان می‌دهند که مهندسان چگونه از این ابزار برای طراحی ساختمان‌های انعطاف‌پذیر استفاده کرده و مقدار ریسک مربوط به هر ساختمان موجود را چگونه به شیوه‌ی بهتری محاسبه کنند.

منبع

نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.