فصل اول
1-1-پیشگفتار:
زمین لرزه پدیده ای طبیعی است که با شدت های گوناگون ودر نقاط مختلف کره زمین اتفاق می افتد و به دلیل عدم شناخت لایه های زیرین نمی توان زمان وشدت آن را پیش بینی نمود.
گستره زلزله های واقع شده در نقاط مختلف کره زمین، ارتباطی را بین این نقاط نمایان می نماید. امروزه مشخص شده است که اکثر زلزله های دنیا بر روی نوارهایی به نام کمربند زلزله خیزی واقع شده اند.با توجه به تکتونیک صفحه ای موجود، ایران در حال فشرده شدن بین صفحه اروپا،آسیا وصفحه عربستان است. بهترین نشانه این عمل نیز رشته کوه های زاگرس والبرز می باشدکه در فصل مشترک این صفحات واقع شده اند. اکثر زلزله های مهم ایران نیز در حوالی این فصل مشترک ها رخ داده است.
نقشه پهنه بندی لرزه خیزی ایران نشان دهنده این است که هیچ نقطه ای از کشورمان را نمی توان در مقابل اثر زلزله مصون پنداشت.در شکل( 1-1)نقشه پهنه بندی لرزه خیزی ایران طبق آیین نامه 2800 را مشاهده می نمایید.]8[
بنابراین طراحی و ساخت سازه هایی که بطور مناسب بتوانند در مقابل زلزله ها پایدار باشد الزامی است،این موضوع درک وشناخت رفتار سیستم های سازه‌ای را آشکار می سازد.
برای طراحی یک سازه مقاوم در برابر زلزله رکورد شتاب و مشخصات زمین لرزه نیز نیاز میباشد، تا اثرات زمین لرزه بر سازه شناسایی گردد اثرات زمین لرزه بر سازه های طراحی شده از موضوعات جالب توجه میباشد، زیرا نتیجه آزمایش واقعی روی سازه های طراحی شده براساس آخرین آیین نامه های تدوین شده هستند.
معمولا هر چاپ جدید از آیین نامه ساختمانی بازتابی از نتایج حاصل از آخرین زمین لرزه های ثبت شده و تجزیه وتحلیل آنها میباشد.
به طور کلی دو روش برای ساخت سازه ای مقاوم در برابر زلزله موجود است:]18[
1-سازه صلب
2-سازه نرم
سازه صلب: در اینگونه سازه ها، پارامتر طراحی تغییر شکلهای جانبی سازه تحت اثرات زلزله است بطوریکه سازه به قدری صلب ساخته می شود که کلیه انرژی را جذب می نماید و بایستی با انتخاب اجزا بسیار مقاوم، توانایی جذب انرژی را به سازه داد.
سازه نرم: در اینگونه سازها، پارامتر انعطاف پذیری سازه در برابر حرکات رفت وبرگشتی که ناشی از خاصیت خمیری آن است مورد استفاده قرار می گیرد. بدین صورت که سازه، انرژی را با حرکات نوسانی و درصد میرایی آزاد می‌کند.
با توجه به مطالب گفته شده تعیین سیستم مقاوم(این سیستم مقاوم شامل ترکیبی از عناصر سازه ای افقی وعناصر مهاربندی عمودی میباشد) در برابر نیروهای جانبی یک موضوع اساسی در طراحی سازه ها می باشد، که در اینجا روی سیستم های مهاربندی عمودی بحث خواهد شد.
فصل دوم
رفتار سازه ها تحت بار زلزله
2-1-فلسفه طراحی سازه های مقاوم تحت بار زلزله ]13[و]9[
برای دست یافتن به سازه ای ایمن واقتصادی ،سازه های طراحی شده در نواحی زلزله خیز با خطر نسبی بالا باید دو معیار عمده طراحی را تامین کنند:
الف)باید در برابر زلزله های خفیف که در طول عمر سازه اتفاق می افتد سختی کافی به منظور کنترل تغییر مکان نسبی بین طبقات و جلوگیری از هر گونه خسا رت سازه ای و غیرسازه ای را داشته و در ضمن باید سختی کافی برای انتقال نیروهای زلزله به فونداسیون را دارا باشند
ب) در برابر زلزله های شدید باید شکل پذیری و مقاومت کافی برای جلوگیری از خرابی کامل و فروریزی سازه را داشته باشند.
بنابراین طراحی در برابر زلزله به هیچ وجه به این معنی نمی باشد که در برابر هر زلزله ای سازه اصلا خسارت ندیده ووارد مرحله پلاستیک نشود،بلکه به منظور اقتصادی کردن طرح باید در برابر زلزله های شدید به سازه اجازه داده شود که وارد مرحله غیرخطی شده وبا تغییر شکل های پلاستیک به جذب واستهلاک انرژی پردازد و به همین منظور هم در آیین نامه های تحلیل نیروی زلزله، نیروی بدست آمده از تحلیل طیف الاستیک را به یک ضریب کاهش تقسیم کرده و سازه را برای برش پایه کمتری طرح می کنند.
این فلسفه ایجاب می‌کند که در طراحی سازه های مقاوم در مقابل زلزله به دو مطلب اساسی زیر توجه شود:
الف) ایجاد سختی و مقاومت کافی در سازه جهت کنترل تغییر مکان جانبی، تا از تخریب اعضا سازه ای تحت زلزله های خفیف، جلوگیری به عمل آید.
ب)ایجاد قابلیت شکل پذیری واتلاف انرژی مناسب در سازه تا در یک زلزله شدید از فرو ریزش سازه جلوگیری گردد.
تامین سختی مناسب و بخصوص سختی جانبی سازه از عوامل اساسی طراحی ساختمانها میباشد. در حد نهایی مقاومت، تغییر شکل های جانبی باید طریقی محدود گردند که اثرات ثانویه ناشی از بارگذاری قائم باعث شکست وانهدام سازه نگردند.
در حد بهره برداری ،اولا تغییر شکل ها باید به مقادیری محدود شوند که اعضای غیرسازه ای نظیر درها و آسانسورها، بخوبی عمل نمایند.ثانیا باید برای جلوگیری از ترک خوردگی وافت سختی، از ازدیاد و تشدید تنش در سازه جلوگیری نمود و از توزیع بار بر روی اعضای غیرسازه ای نظیر میانقابها ونماها خودداری کرد. ثالثا سختی سازه باید در اندازه ای باشدکه حرکتهای دینامیکی آن محدود شده و باعث اختلال ایمنی وآرامش استفاده کنندگان وایجاد مشکل در تاسیسات حساس ساختمان نگردد.
کنترل تغییر مکانهای جانبی ازاهمیت بسیاری برخوردار است. لازم به تاکید است که گرچه برای شاخص جابجایی مقادیری نظیر پیشنهاد شده واستفاده از آن هم متداول است، ولی این مقدار الزاما شرایط ایمنی وآسایش دینامیکی را تامین نمی کند چنانچه جابجایی سازه بیش از حد باشد میتوان با اعمال تغییراتی در شکل هندسی سازه، افزایش سختی خمشی اعضاء افقی یا سخت ترکردن گره ها و یا حتی با شیب دادن ستونهای خارجی، جابجایی را کاهش داد.
گاهی در شرایط بحرانی از میراگرهای مختلف نیز استفاده میشود. در هر صورت باید جابجایی کاملا کنترل گردد، در غیر اینصورت ساختمانی که از نظر سازه ای بدون نقض است غیرقابل بهره برداری میگردد.
زمانیکه سازه تحت بارگذاری شتابنگاشت های زمین، به صورت ارتجاعی تحلیل می شود نیروهای وارد بر سازه خیلی بیشتر از آن است که آیین نامه ها مقرر می دارند.بنابراین سازه هایی که با آیین نامه های متداول زلزله محاسبه شده اند، تحت یک زلزله شدید و یاحتی متوسط تغییر شکل های زیادی خواهند داد. این تغییر شکل های زیاد با تسلیم شدن بسیاری از اعضا سازه همراه خواهد بود. به عبارت دیگر، برای اکثر ساختمانها از نظر اقتصادی قابل قبول نیست که اندازه اعضا آنها به حدی بزرگ باشند که در یک زلزله شدید بطور ارتجاعی عمل نمایند لذا شکل پذیر بودن یک خاصیت اساسی برای سازه های مقاوم در برابر زلزله میباشد. شکل پذیری مناسب در ناحیه غیرارتجاعی نیروهای وارده از زلزله را می راند واعضا میتوانند قبل از فروریختن تغییر شکل های غیرارتجاعی یا خمیری قابل ملاحظه ای را تحمل نمایند.
همچنین سازه در بارگذاری های تکراری (رفت وبرگشتی) نباید رفتار نامناسب از خود نشان دهد و مقاومت آن در برابر بارهای تکراری زوال نیابد و در مرحله غیرخطی نیز عملکرد خوبی داشته باشد. به عنوان مثال، قابهای مهاربندی هم مرکز دارای سختی مناسبی هستند ولی به دلیل کمانش بادبندها تحت اثر نیروی فشاری دارای رفتار غیرخطی بسیار نامناسبی هستند و ظرفیت استهلاک انرژی بسیار پایینی دارد و انرژی جذب شده در مرحله حلقه های مختلف بر روی هم انباشته شده وباعث گسیختگی بادبند می شود.
علاوه بر شکل پذیری سازه، باید از مصالح شکل پذیر نیز استفاده گردد. به عنوان نمونه شکل (2-1)نمودار نیرو- تغییر شکل مصالح شکننده مانند بتن وآجر ومصالح شکل پذیر مانند فولاد وآلومینیوم را نشان میدهد.]15[
2-2-رفتار مناسب سازه تحت بارگذاری متناوب
سطح زیرمنحنی تنش –کرنش، متناسب با انرژی جذب شده توسط جسم میباشد. هر قدر سطح زیرمنحنی بزرگتر باشد قابلیت جذب انرژی جسم بیشتر میباشد، بنابراین مقاومت جسم در مقابل گسیختگی بیشتر خواهد شد.
از تمام انرژی که به جسم وارد می شود فقط بخشی مربوط به ناحیه ارتجاعی باز پس گرفته میشود و باقی انرژی به صورت فرم های خمیری در جسم تلف شده وعملا غیرقابل برگشت میباشد
اگر جسم ارتجاعی نباشد ویا بارگذاری از حد ارتجاعی گذشته باشد، تغییر فرم بصورت داخلی در جسم باقی می ماند. در چنین حالتی پس از باربرداری کاملا به نقطه شروع برنگشته وبه نقطه دیگری مانند نقطه O1 در شکل (2-2) می رسد و اگر نیروی فشار به کششی تبدیل شود به نقطه B می رسد و پس از باربرداری نیز به نقطه O2 می رسد.
سطح داخلی منحنی حلقه ای شکل (هیسترزیس) عبارت از مقدار انرژی تلف شده میباشد وهر قدر هسیترزیس چاق تر باشد این انرژی تلف شده بیشتر خواهد بود.]15[
رفتارمنحنی هیسترزیس به دو دسته تقسیم بندی می شود که عبارت است از:
الف) هیسترزیس ثابت(خوب)
ب)هیسترزیس کاهنده(بد)
شکل (2-3) رفتار خوب یا ثابت را در برابر زلزله نشان میدهد،که نشان دهنده شکل پذیری زیاد، ظرفیت اتلاف انرژی زیاد وچرخه های پسماند پایدار میباشد. همچنین عدم کاهش مقاومت وعدم کاهش سختی در اثر تناوب بارگذاری وجابجایی های زیاد از خصوصیت های این رفتار میباشد.
شکل (2-4) رفتار کاهنده یا بد را در برابر زلزله نشان میدهد. ظرفیت اتلاف انرژی کوچک بوده ومقاومت قاب براثر تکرار بارگذاری کاهش پیدا می‌کند. در این حالت بعد از اینکه جابجایی از مقدار متناظر با مقاومت حداکثر افزایش می یابد، مقاومت رو به زوال رفته وشکل پذیری سازه نیز کم می شود.
2-3-ضریب رفتار سازه ها
طراحی در برابر زلزله به هیچ عنوان به این معنی نیست که سازه در برابر زلزله هیچ خسارتی ندیده ویا وارد مرحله پلاستیکی نشود، بلکه به منظور اقتصادی بودن طرح باید در برابر زلزله های شدید به سازه اجازه وارد شدن به مرحله غیرخطی داده شود و با تغییر شکل های پلاستیک به جذب واستهلاک انرژی پردازد و به همین منظور هم در آیین نامه های تحلیل نیروی زلزله، نیروی بدست آمده از تحلیل طیف الاستیک را به یک ضریب کاهش تقسیم نموده و سازه را برای برش پایه کمتری طرح می کنند. ]25[و]18[
(فرمول ها و نمودار ها در فایل اصلی قابل مشاهده است )