ایمنی ساختمان‌ها با طراحی مبتنی بر عملکرد، آیا خانه شما در برابر زلزله ایمن است؟

رویداد۲۴| پس از زلزله‌های اخیر، یک پرسش ساده در ذهن مردم و مهندسان شکل گرفته است:

«خانه‌ای که در آن زندگی می‌کنیم، واقعاً در برابر زلزله ایمن است؟»

سال‌ها طراحی ساختمان‌ها تنها بر اساس مقاومت مصالح و جلوگیری از فروریزش انجام می‌شد. اما تجربه میدانی نشان داده که ایمنی واقعی فراتر از مقاومت اسکلت است. یک ساختمان ممکن است از نظر نقشه و آیین‌نامه مقاوم باشد، اما در عمل دیوارها ترک بخورند، تأسیسات آسیب ببینند و واحدها برای ماه‌ها غیرقابل سکونت شوند.

در نتیجه، مهندسی امروز به جای تمرکز صرف بر مقاومت، به عملکرد واقعی سازه در برابر زلزله و توان بازگشت آن پس از حادثه توجه می‌کند. این رویکرد نوین، که به آن طراحی مبتنی بر عملکرد سازه‌ها (PBD) گفته می‌شود، نه تنها امنیت فیزیکی، بلکه سلامت اقتصادی و اجتماعی ساختمان‌ها را هم تضمین می‌کند.

نگاهی نو به عملکرد واقعی سازه‌ها

در گذشته، کافی بود ساختمان فقط فرو نریزد. اگر اسکلت و ستون‌ها ایمن بودند، طراح کار خود را انجام داده بود.

اما در طراحی مبتنی بر عملکرد (PBD)، معیار ایمنی فراتر رفته است. اکنون مهندسان به این نکات توجه می‌کنند:

• میزان آسیب قابل‌قبول ساختمان

• زمان بازگشت به بهره‌برداری

• هزینه اقتصادی ترمیم پسازلزله

• پایداری اجزای غیرسازه‌ای مانند دیوارها، نما، شیشه‌ها و تأسیسات

به زبان ساده: ممکن است اسکلت ساختمان سالم بماند، اما اگر دیوارها، شیشه‌ها یا آسانسورها آسیب ببینند، ساختمان برای چند ماه غیرقابل سکونت می‌شود.
این همان نقطه‌ای است که ایمنی واقعی سازه معنا پیدا می‌کند؛ یعنی چیزی فراتر از نقشه و آیین‌نامه و وارد زندگی روزمره مردم می‌شود.

مثال‌های واقعی از آسیب پذیری ساختمان ها

۱) زلزله کرمانشاه

در بسیاری از ساختمان‌ها اسکلت فلزی و بتنی سالم ماند، اما دیوارهای داخلی و خارجی ترک خوردند و فرو ریختند.

• در برخی واحدها، سقف سالم بود اما دیوارها و راه‌پله‌ها آسیب دیدند، بنابراین ساختمان غیرقابل سکونت شد.

• این مثال نشان می‌دهد که تمرکز صرف بر مقاومت اسکلت کافی نیست و ارزیابی عملکرد اجزای غیرسازه‌ای حیاتی است.

۲) زلزله ترکیه ۲۰۲۳

تحلیل‌های پس از زلزله نشان داد بخش زیادی از آسیب‌ها از مدل‌سازی ناقص اتصالات و مفاصل تحت رفتار غیرخطی ناشی شده بود.

• ساختمان‌ها در تحلیل خطی امن به نظر می‌رسیدند، اما در عمل، ترک‌های پیش‌رونده و کاهش شکل‌پذیری مفاصل رخ داد.

• این نشان می‌دهد که تحلیل سنتی خطی نمی‌تواند رفتار واقعی سازه را در بحران پیش‌بینی کند.

۳) ساختمان‌های نوساز کلان‌شهرها

در پروژه‌های بلندمرتبه شهری، طراحی معمولاً در محدوده رفتار خطی متوقف می‌شود.

• اولین نقاط شکست در زلزله شدید اغلب در مفاصل پلاستیک، اتصالات تیر و ستون و اجزای غیرسازه‌ای رخ می‌دهد.

• حتی اگر اسکلت سالم باشد، خرابی جزئی در این نقاط می‌تواند دسترسی به راه‌پله‌ها، آسانسورها و تأسیسات حیاتی را محدود کرده و زندگی ساکنان را مختل کند.

تفاوت طراحی سنتی و طراحی مبتنی بر عملکرد (PBD)

ابزارهای تحلیلی برای طراحی ایمن ساختمان‌ها

برای اجرای موفق طراحی مبتنی بر عملکرد سازه‌ها (PBD)، مهندسان باید با روش‌های تحلیل سازه در طراحی عملکردی و داده‌های مهندسی دقیق آشنا باشند. این تحلیل‌ها رفتار واقعی ساختمان در زلزله را شبیه‌سازی می‌کنند، از جمله تشکیل مفاصل پلاستیک و ترک‌های پیش‌رونده که در شرایط واقعی ایجاد می‌شوند.

همچنین داشتن دسترسی به داده‌ها و مراجع علمی به‌روز، امکان طراحی ساختمان‌هایی را فراهم می‌کند که هم ایمن باشند و هم از نظر اقتصادی بهینه. در نهایت، این اطلاعات کمک می‌کنند تا سازه‌ها نه تنها مقاوم بمانند، بلکه پس از زلزله قابل استفاده و سکونت نیز باشند.

چرا هنوز ساختمان‌ها در برابر زلزله آسیب‌پذیرند؟

بسیاری فکر می‌کنند اگر اسکلت ساختمان از بتن یا فولاد مقاوم ساخته شود، ساختمان در برابر زلزله کاملاً ایمن خواهد بود. اما تجربه میدانی و پژوهش‌های مهندسی نشان می‌دهد که مقاومت صرف کافی نیست. مشکل اصلی، تحلیل عملکردی ناقص است، یعنی پیش‌بینی رفتار واقعی ساختمان در شرایط زلزله به شکل دقیق انجام نشده است.

عوامل اصلی آسیب‌پذیری

1. زلزله‌های پی‌درپی:
   وقتی زمین لرزه‌ها پشت سر هم اتفاق می‌افتند، حتی یک ساختمان مقاوم ممکن است خستگی مصالح و اتصالات باعث افت عملکرد شود. ترک‌ها ایجاد می‌شوند و مفاصل پلاستیک، بار را به شکل غیرمنتظره منتقل می‌کنند.

2. نشست خاک و پی ساختمان:
   زمین تحت بارهای ساختمان و تغییرات محیطی، ممکن است به مرور نشست کند. این نشست‌ها باعث تغییر باربری ستون‌ها و دیوارها می‌شود و ساختمان در مواجهه با زلزله بعدی رفتار متفاوتی نسبت به تحلیل اولیه نشان می‌دهد.

3. خوردگی و کاهش سختی مفاصل:
   میلگردها، اتصالات فلزی و سایر عناصر سازه‌ای ممکن است با گذر زمان دچار خوردگی یا افت سختی شوند. حتی اگر مقاومت اولیه بالا باشد، افت شکل‌پذیری و سختی می‌تواند باعث شکست جزئی یا تجمع آسیب شود.

4. رفتار غیرخطی سازه:
   تحلیل‌های سنتی معمولاً خطی هستند و فرض می‌کنند که تغییر شکل‌ها و مقاومت در محدوده ثابت باقی می‌مانند. اما در زلزله شدید، رفتار واقعی سازه غیرخطی است و نقاط ضعف ممکن است در بخش‌هایی ظاهر شود که هیچ طراحی یا تحلیل خطی پیش‌بینی نکرده بود.

برای مثال فرض کنید یک ساختمان ۱۰ طبقه در مرکز شهر ساخته شده است:

• اسکلت اصلی سالم است، اما اتصالات تیر و ستون در طبقات میانی شروع به کاهش سختی کرده‌اند.

• دیوارهای داخلی ترک می‌خورند، آسانسورها از کار می‌افتند و راه‌پله‌ها آسیب می‌بینند.

• در نگاه اول، ساختمان هنوز ایمن به نظر می‌رسد، اما در عمل سکونت و بهره‌برداری آن مختل شده است.

این وضعیت دقیقاً همان چیزی است که طراحی مبتنی بر عملکرد سازه‌ها (PBD) تلاش می‌کند آن را پیش‌بینی و کنترل کند: نه فقط جلوگیری از فروریزش، بلکه حفظ کاربری، کاهش آسیب و کاهش هزینه‌های پسازلزله.

جمع‌بندی

ایمنی واقعی ساختمان‌ها فقط به سالم ماندن اسکلت محدود نمی‌شود. طراحی مبتنی بر عملکرد سازه‌ها (PBD) به شما نشان می‌دهد که ساختمان در زلزله چگونه عمل می‌کند، چه میزان آسیب خواهد دید و چقدر طول می‌کشد تا دوباره قابل سکونت شود. این روش همچنین هزینه ترمیم و پایداری اجزای غیرسازه‌ای مثل دیوارها، شیشه‌ها و تأسیسات را در نظر می‌گیرد. تحلیل عملکردی دقیق و مدل‌سازی غیرخطی، کلید ساخت ساختمان‌های ایمن و پایدار است. ساختمان‌هایی که تنها «سالم» می‌مانند اما پس از زلزله غیرقابل استفاده می‌شوند، نشان می‌دهند که مقاومت تنها کافی نیست. هدف نهایی PBD، خانه‌ای است که نه تنها نریزد، بلکه بعد از زلزله هم زندگی در آن ممکن باشد