پایان نامه تعیین مقاومت وشکل پذیری ساختمان های بتنی کوتاه متداول در تهران

پایان نامه برای دریافت درجه کارش ناسی ارش د' M.Sc '

 گرایش : مهندسی عمران – سازه 

چکیده :

در این پایان نامه یک روش تحلیلی برای ارزیابی ایمنی لرزه ای ساختمان های بتنی مسلح کوتاه و کم ارتفاع ارائه می شود . در این روش ، ارزیابی بر اساس مشخصه نیرو – جابجائی طبقه اول یا ضعیف ترین طبقه انجام می گیرد معیار ارزیابی ایمنی سازه بر اساس دو پارامتر مقاومت و شکل پذیری در ح الت زلزله قوی (٠٫٣g=PGA)و زلزله شدید(٠٫٤٥g=PGA)

استوار است . مکانیزم شکست سازه به ص ورت خمشی ، برشی و برشی - خمشی طبقه بندی می شود . ارزیابی ایمنی در پنج گام متوالی انجام می گیرد که عبارتند از : الف - مدل سازی سیستم سازه ای ، ب – تعیین مدل تحلیلی غیر خطی طبقه ، ج – ارزیابی ایمنی مقاومت ، د –

ارزیابی ایمنی شکل پذیری و ترکیب ارزیابی ایمنی . نحوه ارزیابی بر اساس یک ماتریس معیار پیشنهاد شده استوار است .

ساختمانهای نمونه عبارت هستند از دو ساختمان بتنی که از شهر بم بعد از زلزله برداشت شده اند ونیز یک ساختمان نمونه هم از شهر تهران انتخاب شده است .

دراین تز، روش فوق الذکر درمورد این ساختمانها اعمال شده است ودر مورد ساختمانهای

١و٢ تحلیل با استفاده از نرم افزار  idarc نیز انجام شده است .

روش پیشنهادی جهت ارزیابی سریع ایمنی لرزه ای ساختمانهای موجود روشی کاربردی میباشد که با تحلیل با نرم افزار idarc کامل میگردد .

مقدمه :

تحولات شهرنشینی ، تمرکز سریع جمعیت و نیاز به مکانی برای سکونت ، باعث پدید آمدن ترکیب ناهمگونی از انواع واحدهای مسکونی در شهر تهران گردیده است . حتی خانه هایی که در چند دهه اخیر با مصالح غیر سنتی مانند بتن مسلح ساخته شده اند ، مقاومت چندان بیشتری نسبت به خشت و گل و چوب ندارند . واقعیت این است که به کارگیری مصالح جدید در حالیکه آیین نامه های ساختمانی مناسب و مقررات قابل اجرایی وجود نداشته است ، گروه تازه ای از سازه های بسیار آسیب پذیر پدید آورده است .

با توجه به نقشه گسلهای فعال تهران که توسط منابع مختلف از جمله پژوهشکده زلزله شناسی ایران ارایه شده ، مشاهده میگردد که خطر زمین لرزه به مقدار زیاد ، شهر تهران را تهدید می نماید . [ ١]

با این حال اولین آیین نامه در سال ١٣۴١ بعد از زلزله بوئین زهرا نوشته شد .این موضوع نشاندهنده این نکته است که حتی اگر همه ساختمانها مطابق آیین نامه لرزه ای ساخته شده باشند باز هم ساختمانهای قبل از سال ١٣۴١ احتمالا برای مقابله با زلزله محتمل مشکل خواهند داشت .

با این حال مشکل اصلی ناکارآمد بودن آیین نامه ها نیست بلکه قاطع و کامل اجرا نشدن آیین نامه ها مشکل اصلی می باشد .

بنابراین با توجه به شیوه ساختمان سازی ، عدم اجرای آیین نامه محاسباتی برای ساختمانها و عدم رعایت مقررات کدهای ساختمانی مقاوم در برابر زلزله می توان برآورد کرد که حداقل ساختمانهایی که در تهران بیش از ٢۵ سال از عمر آنها گذشته و از نوع مصالح کم دوام ساخته شده اند ، توان مقاومت در برابر زلزله پیش بینی شده در تهران را نخواهند داشت به دلیل اینکه بعد از زلزله مشکلات اجتماعی ، اقتصادی و سیاسی شدیدی پیش  می آید لزوم مقاوم سازی ساختمانهای موجود را روشن می سازد .[١] 

فصل اول

خسارات وارد بر

ساختمان های بتنی مسلح

فصل اول : خسارات وارد برساختمانهای بتنی مسلح

١-١- بررسی آسیب پذیری شهر تهران در برابر زلزله

تحولات شهرنشینی ، تمرکز سریع جمعیت و نیاز به مکانی برای سکونت ، باعث پدید آمدن ترکیب ناهمگونی از انواع واحدهای مسکونی در شهر تهران گردیده است . حتی خانه هایی که در چند دهه اخیر با مصالح غیر سنتی مانند بتن مسلح ساخته شده اند ، مقاومت چندان بیشتری نسبت به خشت و گل و چوب ندارند . واقعیت این است که به کارگیری مصالح جدید در حالیکه آیین نامه های ساختمانی مناسب و مقررات قابل اجرایی وجود نداشته است ، گروه تازه ای از سازه های بسیار آسیب پذیر پدید آورده است .

با توجه به نقشه گسلهای فعال تهران که توسط منابع مختلف از جمله پژوهشکده زلزله شناسی ایران ارایه شده ، مشاهده میگردد که خطر زمین لرزه به مقدار زیاد ، شهر تهران را تهدید می نماید . [ ١]

با این حال اولین آیین نامه در سال ١٣۴١ بعد از زلزله بوئین زهرا نوشته شد .این موضوع نشاندهنده این نکته است که حتی اگر همه ساختمانها مطابق آیین نامه لرزه ای ساخته شده باشند باز هم ساختمانهای قبل از سال ١٣۴١ احتمالا برای مقابله با زلزله محتمل مشکل خواهند داشت

 .

با این حال مشکل اصلی ناکارآمد بودن آیین نامه ها نیست بلکه قاطع و کامل اجرا نشدن آیین نامه ها مشکل اصلی می باشد .

بنابراین با توجه به شیوه ساختمان سازی ، عدم اجرای آیین نامه محاسباتی برای ساختمانها و عدم رعایت مقررات کدهای ساختمانی مقاوم در برابر زلزله می توان برآورد کرد که حداقل ساختمانهایی که در تهران بیش از ٢۵ سال از عمر آنها گذشته و از نوع مصالح کم دوام ساخته شده اند ، توان مقاومت در برابر زلزله پیش بینی شده در تهران را نخواهند داشت به دلیل اینکه بعد از زلزله مشکلات اجتماعی ، اقتصادی و سیاسی شدیدی پیش  می آید لزوم مقاوم سازی ساختمانهای موجود را روشن می سازد .[١]

به دلیل اینکه ساختمانهای مورد مطالعه از بم انتخاب گردیده اند اینجا لازم می دانم چند سطری نیز درباره زلزله دیماه ١٣٨٢ بم توضیح دهم .

١-٢- زمین لرزه بم

 در روز جمعه ٨٢.١٠.۵ زمین لرزه بم در مختصات جغرافیایی ۵٨.٣ درجه شرقی و ٢٩ درجه شمالی با بزرگی ٦.٥ =MW رخ داد و موجب کشته شدن بیش از ۴١٠٠٠ نفر و مجروح گردیدن بیش از ٣٠٠٠٠ نفر   گردید . این زمین لرزه در امتداد گسل شناخته شده بم و با عمق کانونی حدود km ٨ بوقوع پیوست . بیشینه شتاب افقی زلزله برابر ٠.٨ بوده است . [٢ ]

ساختمانهای بتن مسلح به تعداد معدود وجود داشته و در این زلزله رفتار مناسبتری را از خود نشان دادند . مکانیزمهای خرابی مشاهده شده در ساختمانهای بتن مسلح عبارتند از : ایجاد مفصل پلاستیک در ستونها ، شکست برشی در تیرها .

١-٣- رفتارسازه در زلزله :

زمین لرزه پدیده ای است که طی آن در مدتی کوتاه انرژی زیادی رها می شود. این پدیده جنبشهای شدیدی را در زمین بوجود می آورد که باعث آشفتگی ناگهانی قسمت بالایی زمین می گردد . با وقوع زمین لرزه ، انواع مختلف موجهای لرزه ای در تمام جهات در زمین منتشر و

[1]

در فاصله های زیاد توسط دستگاههای حساسی که بر روی زمین و یا نزدیکی سطح آن قرار داده شده اند ثبت می شود .

بنابراین در اثر زلزله ، زمین شروع به حرکت در امتدادهای افقی و بالا و پایین می نماید.

حرکت و شتاب زمین در امتداد افق غالباً بیش از امتداد قائم آن می باشد و به همین دلیل نیروی جانبی وارد بر ساختمانها ، بیش از نیروی قائم وارده می باشد. همراه با زمین ، پی ساختمان نیز همزمان شروع به حرکت می کند و حرکت زمین را به قسمتهای دیگر ساختمان انتقال می دهد .

به علت تحریک مدهای مختلف سازه در یک سیستم دینامیکی و تاثیر تفاوت زمانی دریافت این حرکات و جرمهای متفاوت بر روی مدهای ارتعاشی سازه ، تمام اجزای ساختمان باهم حرکت نمی کنند و نسبت به هم جابجایی های متفاوتی را بروز می دهند. این پدیده به عنوان تغییر شکل ساختمان و یا پاسخ (رسپانس ) ساختمان نامیده می شود . تغییر شکل در ساختمان ، ایجاد تنش می نماید و اگر این تنشها از مقاومت مصالح بیشتر باشد باعث ترک و گسیختگی اجزای ساختمان و انهدام ساختمان می گردد . در ضمن هر چه پریود ساختمان به پریود زلزله نزدیکتر باشد ، اثرات زلزله مخربتر می باشد .

١-۴- تاریخچه ارزیابی آسیب پذیری ساختمان ها :

قدیمی ترین فعالیتها در زمینه آسیب پذیری ، به سالهای اول دهه هشتاد برمی گردد. زمانیکه تازه مدل غیر خطی برای رفتار ساختمانها پیشنهاد شده وتحقیقات در این زمینه به سرعت در حال توسعه بود .شاید بتوان گفت محققی به نام Whitman در سال ١٩٧٢ با ارائه روشی برای برآورد خسارت لرزه ای ساختمانها ، اولین قدمها را در زمینه آسیب پذیری برداشت . در این روش ، شدت حرکات زمین با مقیاس مرکالی اصلاح شده و خسارت زمین لرزه با نسبت هزینه تعمیرات به هزینه ساخت مجدد ساختمان  ( نسبت به خسارت ) بیان می گردید . Whitman در سالهای ١٩٧٣ و ١٩٧۴ نیز کارهای خویش را گسترش داد . [١١]

پژوهشگردیگری به نام Blume و همکارانش در سال ١٩٧۵ روش ماتریس طیفی ( Spectrul Matrix Method ) را برای برآورد پتانسیل خسارت ساختمان یا گروهی از ساختمانها ، ارائه دادند . خصوصیات حرکت زمین با طیف پاسخ سرعت بیان شده است . ظرفیت سازه ای با برش پایه در نقطه تسلیم تشریح شده و سرعت طیفی در برابر برش پایه محاسبه می گردد . در این روش نیز خسارت کلی با نسبت هزینه تعمیرات به هزینه کل ساخت و جایگزینی ساختمان بدست می آید . در این راستا یک رابطه ناقصی نیز با ضریب شکل پذیری به چشم می خورد . [١١]

کار مشابهی نیز توسط Culver و همکارانش در سال ١٩٨٠ صورت گرفت . او از یک برنامه کامپیوتری جهت در نظر گرفتن پاسخ دقیق سازه تحت حرکات زمین بهره می جست . ولی به هر حال در ارزیابی ایمنی ساختمانها ، معیار خسارت براساس قضاوت مهندسی تعیین می شد .

 [١١]

محققان Bertero و Bresler در سال ١٩٧٧ ، با تعریف خسارت پذیری موضعی ، خسارت پذیری کلی و خسارت پذیری جمعی ، در تعیین خسارت کوشیدند . خسارت پذیری موضعی

(Local Damageability) میزان خسارت در اعضا می باشد که به عنوان نسبتی از پاسخ حداکثر به ظرفیت تغییر شکل نهایی بیان می گردد . خسارت پذیری کلی یا سراسری ( Global Damageability) میزان خسارت ساختمان است که به صورت مجموع خسارات محلی با در نظر گرفتن ضریب اهمیت اعضا تعریف می شود. خسارت پذیری تجمعی ( Cumulative Damageability) میزانی از خسارت کلی ساختمان است که از خسارات متحمل شده گذشته ، نتیجه می شود . براساس این تعاریف ، محققان Biejaws و Bresler در سال ١٩٧٩ ، با

 استفاده از روش تحلیل نیمه استاتیکی سازه ها ، یک روش ارزیابی خسارت پذیری پدید آوردند .

در بکارگیری این روش برای ساختمانهای واقعی ، دو معیار کمی ، یعنی ظرفیت تغییر شکل نهایی اعضا و ضرایب تأثیر اهمیت ، در نظر گرفته می شود . همچنین استفاده از اطلاعات تجربی برای خسارت پذیری ساختمانهای پیشین و قضاوت مهندسی برای خسارت پذیری ساختمانها در آینده ، پیشنهاد گردید . [١١]

در روشهای پیشنهاد شده در مطالعات فوق الذکر ، خسارت سازه ای با نسبت تقاضا یا پاسخ تحت زمین لرزه ها ، به ظرفیت نهایی سازه ، تعریف شده است . جهت در نظر گرفتن تقاضا با استفاده از تحلیل پاسخ دینامیکی ، مطالعات بسیاری صورت گرفته است . به ویژه Umemura

و Takizawa در سال ١٩٨٢ تحقیقات گسترده ای دراین زمینه انجام داده اند . از طرف دیگر ، محاسبه ظرفیت ، با وجود اهمیت اساسی آن همچنان محدود باقی مانده است وتحقیق در این زمینه ادامه دارد .

Banon و همکارانش در سال ١٩٨٠ یک مدل خسارت پیشرفته تری را پیشنهاد کردند که در آن خسارت براساس یک سطح گسیختگی دو بعدی از مجموع انرژی جذب شده و نسبت خسارت تعریف شده توسط Lubas و Sozen (١٩٧٧) ، بیان گردیده است . از آنجا که این مدلها رفتار غیر خطی اعضای بتنی مسلح را تحت بارهای رفت و برگشتی ، بدرستی و بصورت کامل در نظر نمی گرفتند و اثراتی چون برش و لغزش آرماتور (Bond Failure) نادیده گرفته می شد ، ارتباط ضعیفی بین ظرفیت محاسباتی سازه و گسیختگی های نمونه های آزمایش شده مشاهده می شد . [١١]

در سال ١٩٨۴ ، محقق Park و همکارانش با ارائه یک شاخص خسارت ، کمبودهای تحقیقات گذشته را پوشش داده و ارزیابی آسیب پذیری را دستخوش تحولی بزرگ کردند . آنان با در نظر گرفتن مدلهای جامعتری از رفتار غیرخطی اعضای بتنی مسلح تحت بارهای نوسانی ، شکل پذیری و انرژی تلف شده توسط اعضای    سازه ای را در خسارات متحمل شده توسط اعضا ، دخالت داده و عملاً جایگاه آسیب پذیری کمّی را تحکیم بخشیدند . [١١]

١-٢ خسارات وارد بر ساختمانهای بتنی مسلح :

١-٢-١ مقدمه :

آنچه از یک زمین لرزه به جای می ماند تنها خساراتی است که به اشکال مختلف خود را نشان می دهد . و مطالعه خسارت ، اولین و بهترین روشی است که بوسیله آن می توان تأثیر زمین لرزه را بر جامعه از جهات گوناگون ، تجربه کرد .

مثلاً آثار اجتماعی یا فرهنگی به جا مانده از یک زمین لرزه در منطقه ای ، می تواند مبنای مطالعات اجتماعی ناشی از یک بحران در منطقه ای دیگر قرار گیرد . یا خسارات ساختمانی وارد بر بیمارستانها در یک شهر ، اساس ارزیابی عملکرد درمانی و امدادی شهر را هنگام زمین لرزه پی ریزی می نماید . آنچه که دراینجا سعی می شود در ذهن القاء شود ، درک این مطلب است که خسارت زمین لرزه تنها خراب شدن چند ساختمان و کشته شدن چند نفر انسان نیست ، بلکه خسارت جنبه های متعددی دارد که هر یک می تواند ابعاد وسیعی داشته باشد ولی به دلیل اهمیت موضوع و ارتباطی که خسارت زمین لرزه با آسیب پذیری ساختمانهای بتنی مسلح پیدا می کند ، بیشتر به خسارات ساختمانی ناشی از زمین لرزه پرداخته   می شود و سایر جنبه های خسارت تنها به اختصار بیان می شود .

زمین لرزه ، بزرگترین آزمایش بر روی ساختمانهاست . منطقه زلزله زده بوته ای است که در آن روشها یا آیین نامه ها ، رفتارها ، مصالح ، مهارتها ، طراحی و ساخت مورد ارزیابی قرار می گیرد . مطالعه خسارات وارد بر ساختمانها ، نقطه ضعف ها را چه از نظر محاسباتی و چه از نظر اجرایی برملا می سازد و می تواند الگویی برای اصلاح روشهای آیین نامه های طراحی لرزه ای قرار گیرد . از آن گذشته مشاهده خسارت یک دید مهندسی قوی ایجاد می کند که شاید حصول آن با مطالعه هیچ کتاب و هیچ تئوری محضی امکان پذیر نباشد . برای یک طراحی لرزه ای خوب یا مقاوم سازی ساختمانها در برابر زمین لرزه ، باید درک صحیحی از رفتار سازه تحت اثر زمین لرزه بدست آورد که از این حیث مطالعه خسارات وارد بر ساختمانها کمک بزرگی است .

١-٢-٢ عوامل مؤثر بر خسارت :

از مهمترین عوامل مؤثر بر خسارات ناشی از زمین لرزه ، خصوصیات زمین ساختی منطقه ، خصوصیات زمین لرزه و کمیت و کیفیت ساختمانهاست . نوع خاک محل ، نوع گسلهای موجود در منطقه و موقعیت آن نسبت به ساختگاه ، مدت تکانه های زمین ، محتوای فرکانسی ، شتاب بیشینه حرکت زمین ، دامنه ارتعاش و بالاخره انرژی آزاد شده عواملی هستند که بر خسارات ساختمانی تأثیر می گذارند . توجه به این نکته ضروری است که اولین خسارتی که در اثر یک زمین لرزه بروز         می کند ، خسارت ساختمانی است و خسارات دیگری چون جانی ، مالی

، اقتصادی و اجتماعی در پی تخریب ساختمانها حادث می گردند .

اما گذشته از عوامل مذکور به دو عامل مؤثر دیگر نیز اشاره می گردد . یکی تراکم جمعیت در ساختگاه و دیگری کیفیت ساختمانها .

Abstract : This paper present a methodology for the assessment of ductility

and strength capacities in low-rise buildings . This method utilizes

characteristics of force-displacement for the lowest story level or considers

the weakest story in any given low-rise building for its primary analysis .

Calculations are based on two levels of earthquake motions namely :

strong earthquakes (PGA=0.3g) and very strong earthquakes(PGA=0.45g)

. Failure mechanism for the structure is establishes based on three criteria

which are : a)bending mode . b)shear mode . and c)shear-bending mode .

Evaluation is then performed using a five step procedure starting with a) :

modeling the building . b) developing the non-linear properties of the

model . c) strength calculations . d)ductility calculations . and finally

e)assessing the safety of the building under consideration . All these

evaluations are performed based on a matrix format , which simplifies the

whole procedure . Developed equations and step-by-step procedure are

presented and described in this thesis satisfactory results are obtainedfrom

the use of the method developed .

Keywords : Strength . Ductility . Failure mechanism . low-Rise R.C.

Building