مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

فصل اول

پيشگفتار

 

1-1-پيشگفتار:

زمين لرزه پديده اي طبيعي است كه با شدت هاي گوناگون ودر نقاط مختلف كره زمين اتفاق مي افتد و به دليل عدم شناخت لايه هاي زيرين نمي توان زمان وشدت آن را پيش بيني نمود.

گستره زلزله هاي واقع شده در نقاط مختلف كره زمين، ارتباطي را بين اين نقاط نمايان مي نمايد. امروزه مشخص شده است كه اكثر زلزله هاي دنيا بر روي نوارهايي به نام كمربند زلزله خيزي واقع شده اند.با توجه به تكتونيك صفحه اي موجود، ايران در حال فشرده شدن بين صفحه اروپا،آسيا وصفحه عربستان است. بهترين نشانه اين عمل نيز رشته كوه هاي زاگرس والبرز مي باشدكه در فصل مشترك اين صفحات واقع شده اند. اكثر زلزله هاي مهم ايران نيز در حوالي اين فصل مشترك ها رخ داده است.

نقشه پهنه بندي لرزه خيزي ايران نشان دهنده اين است كه هيچ نقطه اي از كشورمان را نمي توان در مقابل اثر زلزله مصون پنداشت.در شكل( 1-1)نقشه پهنه بندي لرزه خيزي ايران طبق آيين نامه 2800 را مشاهده مي نماييد.]8[

بنابراين طراحي وساخت سازه هايي كه بطور مناسب بتوانند در مقابل زلزله ها پايدار باشد الزامي است،اين موضوع درك وشناخت رفتار سيستم هاي سازه‌اي را آشكار مي سازد.

براي طراحي يك سازه مقاوم در برابر زلزله ركورد شتاب و مشخصات زمين لرزه نيز نياز مي‌باشد، تا اثرات زمين لرزه بر سازه شناسايي گردد اثرات زمين لرزه بر سازه هاي طراحي شده از موضوعات جالب توجه مي‌باشد، زيرا نتيجه آزمايش واقعي روي سازه هاي طراحي شده براساس آخرين آيين نامه هاي تدوين شده هستند.

معمولا هر چاپ جديد از آيين نامه ساختماني بازتابي از نتايج حاصل از آخرين زمين لرزه هاي ثبت شده و تجزيه وتحليل آنها مي‌باشد.

به طور كلي دو روش براي ساخت سازه اي مقاوم در برابر زلزله موجود است:]18[

1-سازه صلب

2-سازه نرم

سازه صلب: در اينگونه سازه ها، پارامتر طراحي تغيير شكلهاي جانبي سازه تحت اثرات زلزله است بطوريكه سازه به قدري صلب ساخته مي شود كه كليه انرژي را جذب مي نمايد و بايستي با انتخاب اجزا بسيار مقاوم، توانايي جذب انرژي را به سازه داد.

سازه نرم: در اينگونه سازها، پارامتر انعطاف پذيري سازه در برابر حركات رفت وبرگشتي كه ناشي از خاصيت خميري آن است مورد استفاده قرار مي گيرد. بدين صورت كه سازه، انرژي را با حركات نوساني و درصد ميرايي آزاد مي‌كند.

با توجه به مطالب گفته شده تعيين سيستم مقاوم(اين سيستم مقاوم شامل تركيبي از عناصر سازه اي افقي وعناصر مهاربندي عمودي مي‌باشد) در برابر نيروهاي جانبي يك موضوع اساسي در طراحي سازه ها مي باشد، كه در اينجا روي سيستم هاي مهاربندي عمودي بحث خواهد شد.

 

شكل (1-1)- نقشه پهنه بندي خطر نسبي زمين لرزه در ايران

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم

رفتار سازه ها تحت بار زلزله

 

2-1-فلسفه طراحي سازه هاي مقاوم تحت بار زلزله ]13[و]9[

براي دست يافتن به سازه اي ايمن واقتصادي ،سازه هاي طراحي شده در نواحي زلزله خيز با خطر نسبي بالا بايد دو معيار عمده طراحي را تامين كنند:

الف)بايد در برابر زلزله هاي خفيف كه در طول عمر سازه اتفاق مي افتد سختي كافي به منظور كنترل تغيير مكان نسبي بين طبقات و جلوگيري از هر گونه خسا رت سازه اي و غيرسازه اي را داشته و در ضمن بايد سختي كافي براي انتقال نيروهاي زلزله به فونداسيون را دارا باشند

ب) در برابر زلزله هاي شديد بايد شكل پذيري و مقاومت كافي براي جلوگيري از خرابي كامل و فروريزي سازه را داشته باشند.

بنابراين طراحي در برابر زلزله به هيچ وجه به اين معني نمي باشد كه در برابر هر زلزله اي سازه اصلا خسارت نديده ووارد مرحله پلاستيك نشود،بلكه به منظور اقتصادي كردن طرح بايد در برابر زلزله هاي شديد به سازه اجازه داده شود كه وارد مرحله غيرخطي شده وبا تغيير شكل هاي پلاستيك به جذب واستهلاك انرژي پردازد و به همين منظور هم در آيين نامه هاي تحليل نيروي زلزله، نيروي بدست آمده از تحليل طيف الاستيك را به يك ضريب كاهش تقسيم كرده و سازه را براي برش پايه كمتري طرح مي كنند.

اين فلسفه ايجاب مي‌كند كه در طراحي سازه هاي مقاوم در مقابل زلزله به دو مطلب اساسي زير توجه شود:

الف) ايجاد سختي و مقاومت كافي در سازه جهت كنترل تغيير مكان جانبي، تا از تخريب اعضا سازه اي تحت زلزله هاي خفيف، جلوگيري به عمل آيد.

ب)ايجاد قابليت شكل پذيري واتلاف انرژي مناسب در سازه تا در يك زلزله شديد از فرو ريزش سازه جلوگيري گردد.

تامين سختي مناسب و بخصوص سختي جانبي سازه از عوامل اساسي طراحي ساختمانها مي‌باشد. در حد نهايي مقاومت، تغيير شكل هاي جانبي بايد طريقي محدود گردند كه اثرات ثانويه ناشي از بارگذاري قائم باعث شكست وانهدام سازه نگردند.

در حد بهره برداري ،اولا تغيير شكل ها بايد به مقاديري محدود شوند كه اعضاي غيرسازه اي نظير درها و آسانسورها، بخوبي عمل نمايند.ثانيا بايد براي جلوگيري از ترك خوردگي وافت سختي، از ازدياد و تشديد تنش در سازه جلوگيري نمود و از توزيع بار بر روي اعضاي غيرسازه اي نظير ميانقابها ونماها خودداري كرد. ثالثا سختي سازه بايد در اندازه اي باشدكه حركتهاي ديناميكي آن محدود شده و باعث اختلال ايمني وآرامش استفاده كنندگان وايجاد مشكل در تاسيسات حساس ساختمان نگردد.

كنترل تغيير مكانهاي جانبي ازاهميت بسياري برخوردار است. لازم به تاكيد است كه گرچه براي شاخص جابجايي مقاديري نظير پيشنهاد شده واستفاده از آن هم متداول است، ولي اين مقدار الزاما شرايط ايمني وآسايش ديناميكي را تامين نمي كند چنانچه جابجايي سازه بيش از حد باشد ميتوان با اعمال تغييراتي در شكل هندسي سازه، افزايش سختي خمشي اعضاء افقي يا سخت تركردن گره ها و يا حتي با شيب دادن ستونهاي خارجي، جابجايي را كاهش داد.

گاهي در شرايط بحراني از ميراگرهاي مختلف نيز استفاده ميشود. در هر صورت بايد جابجايي كاملا كنترل گردد، در غير اينصورت ساختماني كه از نظر سازه اي بدون نقض است غيرقابل بهره برداري ميگردد.

زمانيكه سازه تحت بارگذاري شتابنگاشت هاي زمين، به صورت ارتجاعي تحليل مي شود نيروهاي وارد بر سازه خيلي بيشتر از آن است كه آيين نامه ها مقرر مي دارند.بنابراين سازه هايي كه با آيين نامه هاي متداول زلزله محاسبه شده اند، تحت يك زلزله شديد و ياحتي متوسط تغيير شكل هاي زيادي خواهند داد. اين تغيير شكل هاي زياد با تسليم شدن بسياري از اعضا سازه همراه خواهد بود. به عبارت ديگر، براي اكثر ساختمانها از نظر اقتصادي قابل قبول نيست كه اندازه اعضا آنها به حدي بزرگ باشند كه در يك زلزله شديد بطور ارتجاعي عمل نمايند لذا شكل پذير بودن يك خاصيت اساسي براي سازه هاي مقاوم در برابر زلزله مي‌باشد. شكل پذيري مناسب در ناحيه غيرارتجاعي نيروهاي وارده از زلزله را مي راند واعضا ميتوانند قبل از فروريختن تغيير شكل هاي غيرارتجاعي يا خميري قابل ملاحظه اي را تحمل نمايند.

همچنين سازه در بارگذاري هاي تكراري (رفت وبرگشتي) نبايد رفتار نامناسب از خود نشان دهد و مقاومت آن در برابر بارهاي تكراري زوال نيابد و در مرحله غيرخطي نيز عملكرد خوبي داشته باشد. به عنوان مثال، قابهاي مهاربندي هم مركز داراي سختي مناسبي هستند ولي به دليل كمانش بادبندها تحت اثر نيروي فشاري داراي رفتار غيرخطي بسيار نامناسبي هستند و ظرفيت استهلاك انرژي بسيار پاييني دارد و انرژي جذب شده در مرحله حلقه هاي مختلف بر روي هم انباشته شده وباعث گسيختگي بادبند مي شود.

علاوه بر شكل پذيري سازه، بايد از مصالح شكل پذير نيز استفاده گردد. به عنوان نمونه شكل (2-1)نمودار نيرو- تغيير شكل مصالح شكننده مانند بتن وآجر ومصالح شكل پذير مانند فولاد وآلومينيوم را نشان مي‌دهد.]15[

2-2-رفتار مناسب سازه تحت بارگذاري متناوب

سطح زيرمنحني تنش –كرنش، متناسب با انرژي جذب شده توسط جسم مي‌باشد. هر قدر سطح زيرمنحني بزرگتر باشد قابليت جذب انرژي جسم بيشتر مي‌باشد، بنابراين مقاومت جسم در مقابل گسيختگي بيشتر خواهد شد.

از تمام انرژي كه به جسم وارد مي شود فقط بخشي مربوط به ناحيه ارتجاعي باز پس گرفته مي‌شود و باقي انرژي به صورت فرم هاي خميري در جسم تلف شده وعملا غيرقابل برگشت مي‌باشد

اگر جسم ارتجاعي نباشد ويا بارگذاري از حد ارتجاعي گذشته باشد، تغيير فرم بصورت داخلي در جسم باقي مي ماند. در چنين حالتي پس از باربرداري كاملا به نقطه شروع برنگشته وبه نقطه ديگري مانند نقطه O1 در شكل (2-2) مي رسد و اگر نيروي فشار به كششي تبديل شود به نقطه B مي رسد و پس از باربرداري نيز به نقطه O2 مي رسد.

سطح داخلي منحني حلقه اي شكل (هيسترزيس) عبارت از مقدار انرژي تلف شده مي‌باشد وهر قدر هسيترزيس چاق تر باشد اين انرژي تلف شده بيشتر خواهد بود.]15[

رفتارمنحني هيسترزيس به دو دسته تقسيم بندي مي شود كه عبارت است از:

الف) هيسترزيس ثابت(خوب)

ب)هيسترزيس كاهنده(بد)

شكل (2-3) رفتار خوب يا ثابت را در برابر زلزله نشان ميدهد،كه نشان دهنده شكل پذيري زياد، ظرفيت اتلاف انرژي زياد وچرخه هاي پسماند پايدار مي‌باشد. همچنين عدم كاهش مقاومت وعدم كاهش سختي در اثر تناوب بارگذاري وجابجايي هاي زياد از خصوصيت هاي اين رفتار مي‌باشد.

شكل (2-4) رفتار كاهنده يا بد را در برابر زلزله نشان ميدهد. ظرفيت اتلاف انرژي كوچك بوده ومقاومت قاب براثر تكرار بارگذاري كاهش پيدا مي‌كند. در اين حالت بعد از اينكه جابجايي از مقدار متناظر با مقاومت حداكثر افزايش مي يابد، مقاومت رو به زوال رفته وشكل پذيري سازه نيز كم مي شود.

2-3-ضريب رفتار سازه ها

طراحي در برابر زلزله به هيچ عنوان به اين معني نيست كه سازه در برابر زلزله هيچ خسارتي نديده ويا وارد مرحله پلاستيكي نشود، بلكه به منظور اقتصادي بودن طرح بايد در برابر زلزله هاي شديد به سازه اجازه وارد شدن به مرحله غيرخطي داده شود و با تغيير شكل هاي پلاستيك به جذب واستهلاك انرژي پردازد و به همين منظور هم در آيين نامه هاي تحليل نيروي زلزله، نيروي بدست آمده از تحليل طيف الاستيك را به يك ضريب كاهش تقسيم نموده و سازه را براي برش پايه كمتري طرح مي كنند. ]25[و]18[

اين ضريب عبارت است از:

(2-1)

كه:

:مقاومت الاستيك مورد نياز زلزله

:مقاومت طراحي شده سازه

مي‌باشد.

با توجه به روشهاي طراحي بارنهايي وبار مجاز به ترتيب برابر خواهد

بود وداريم:

(2-2) =روي بار نهايي

(2-3) =روش بار مجاز

حال با توجه به شكل (2-5) تعاريف زير را خواهيم داشت:

الف)ضريب شكل پذيري كل سازه عبارت است از نسبت تغيير شكل حداكثر به تغيير شكل جانبي نسبي

(2-4)

ب)ضريب كاهش در اثر شكل پذيري عبارت است از نسبت نيروي نهايي وارده به سازه در صورتيكه سازه كاملا الاستيك بماند به نيروي متناظر با حد تسليم كلي سازه در هنگام تشكيل مكانيزم خرابي

(2-5)

ج)ضريب كاهش در اثر اضافه مقاومت عبارت است از نسبت نيروي متناظر با حد تسليم كلي سازه در هنگام تشكيل مكانيزم خرابي )( به نيروي متناظر با تشكيل اولين مفصل خميري در سازه

(2-6)

د)ضريب تنش مجاز (Y)عبارت است از نسبت نيرو متناظر با تشكيل اولين مفصل پلاستيك در سازه به نيرو در حد تنشهاي مجاز

(2-7)

 

شكل (2-1)-نمودار نيرو- تغيير شكل مصالح

 

شكل (2-2)-نمودار پسماند

 

شكل (2-3)-رفتار ثابت سازه ها تحت بار افقي تكراري

 

شكل (2-4)-رفتار كاهنده سازه ها تحت بار افقي تكراري

 

 

 

شكل (2-5)-رفتارسازه الاستيك و غير الاستيك

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل سوم

ملاحظات طراحي سازه ها

 

3-1-مقدمه

خواص شكل پذيري زياد فولاد ونسبت بالاي مقاومت به وزن آن، فولاد را به عنوان يكي از مصالح ساختماني مقاوم در برابر زلزله معرفي كرده است واستفاده از آن به عنوان مصالحي اقتصادي و مقاوم در حالي افزايش مي‌باشد كه هر روزه محدوده وسيعتري ازاشكال سازه اي با استفاده از فولاد قابل دستيابي است.

علي رغم رفتار نسبتا خوب سازه هاي فولادي وشكل پذيري مناسب، فولاد عمدتا به علت ناپايداري موضعي وتركهاي ترد هميشه رفتاري نرم نشان نمي دهد. پديده هايي همچون كمانش موضعي اجزا ورق با نسبت پهنا به ضخامت بالا، كمانش مهاربندي ها و ستونهاي با طول زياد، كمانش جانبي وپيچشي تيرها وتيرستونها وهچنين اثرات در قابهاي تحت بارهاي قائم زياد، باعث ناپايداري هايي در اين نوع قابها مي گردند]19[

يك مهندس سازه بايد اين مسائل را در سازه هاي فولاي حل نمايد تا شاهد شكل پذيري كافي وظرفيت اتلاف انرژي مناسب سازه باشيم.

 

3-2-اهميت سيستم سازه اي

بهترين سيستم سازه اي، انتخابي است كه در آن اعضاي اصلي، تركيبهاي مختلف بارهاي قائم وافقي را به صورت بهينه تحمل نمايند. ولي درعمل معمولا ملاحظات غيرسازه اي تاثيرات بسياري مهمي بر انتخاب فرم سازه دارند وممكن است تعيين كننده باشند.]1[

تعدادي از مسائلي كه در سيستم سازه اي دخالت مي كنند عبارتند از پلان: داخلي،معماري وشكل خارجي ساختمان، موقعيت سيستم هاي تاسيساتي، بارجانبي وارتفاع ساختمان وغيره.

هر چه ساختمان بلندتر ولاغرتر باشد ،عوامل سازه اي از درجه اهميت بيشتري برخوردار مي گردند و نياز به انتخاب سيستم مناسب سازه اي نيز بيشتر مي شود]1 [

3-3-عوامل موثر در مقاومت سازه

3-3-1-پلان ساختمان ونسبت ابعاد

درساختمانها اشكال متفاوتي ايجاد ميگردد كه براي مقاومت در برابر نيروهاي جانبي موثر خواهند بود، از جمله: پيش آمدگي وفرورفتگي ها در پلان، ترازهاي نامساوي در طبقات، بام هاي شيبدار وقوسي،بازشوها وغيره.

به طور مثال ايجاد جرم هاي متفاوت كه به يكديگر پيوسته مي باشند مشكلاتي را ايجاد مي نمايد، كه در شكل (3-1) نمونه هايي از آن ها قابل مشاهده مي‌باشد. لذا به طور كلي در طرح پلان ساختمان مهندس معمار بايد مسائل بسياري را در نظر داشته باشد، به همين خاطر مهندس معمار بايد اطلاعات كلي درباره سيستم هاي مقاومت دربرابر بارهاي جانبي داشته باشد تا طرح هاي غير عملي ونامناسبي براي سازه ايجاد ننمايد.]17[

3-3-2-ارتفاع ساختمان ونسبت ارتفاع به ابعاد

علاوه بر طرح پلان ساختمان، توزيع جرم درارتفاع ساختمان در پاسخ نيروي زلزله موثر است.شكل (3-2) نشان مي‌دهد كه پاسخ ساختمان دربرابر زلزله مي تواند با توجه به ارتفاع ساختمان وپريدطبيعي ارتعاش سازه متفاوت باشد.

در هنگام زلزله ساختمانهاي كوتاه انرژي بيشتري جذب مي نمايند واز طرفي ساختمانهاي بلند و لاغر در ضمن ارتعاش كه انجام مي دهند انرژي لرزه اي را جذب نموده واينگونه ساختمانها ممكن است در مدهاي مختلف مرتعش شده وتغيير مكان هاي جانبي متفاوتي ايجاد نمايند. چگونگي توزيع جرم در طبقات و نسبت ارتفاع به ابعاد ساختمان در پايداري ساختمان اثرات بسياري زيادي دارد.

هر چه نسبت ارتفاع به ابعاد ساختمان زيادتر باشد مشكلات واژگوني ساختمان افزايش يافته و بايد در طرح سازه توجهات بيشتري مبذول داشت.

3-3-3-طبقه نرم

هر نوع گسيختگي كه باعث يك تغيير ناگهاني درسازه شود معمولا از نوع تغيير حالت غيرعادي در سازه تلقي مي گردد. اين موضوع در مورد نيروهاي ديناميكي بحراني تر مي گردد.

هر گونه افزايش يا كاهش سختي ناگهاني در سازه باعث تغييرات در تغيير شكل ونيروهاي وارده به سازه مي‌شود. يك نمونه از اين تغييرات را وجود طبقه نرم در سازه مي توان نام برد كه در شكل (3-3) مشاهده مي نماييد.

اكثرا اين وضعيت در ساختمانهايي اتفاق مي افتد كه در طبقه همكف نياز به پاركينگ دارند ويا مكانهايي كه در طبقه همكف آنها نياز به ارتفاع بلند و بازشوهاي زياد دارند. مي توان اين مشكل را با سخت كردن آن طبقه به روشهاي مختلف از جمله افزايش تعداد يا سختي ستونها در آن طبقه و يا با استفاده از مهاربند در آن طبقه جبران نمود.

3-3-4-طبقه ضعيف

طبقه ضعيف در واقع ناپيوستگي در مقاومت سازه مي‌باشد. طبق تعريف UBC طبقه ضعيف به طبقه اي از سازه استناد مي گردد كه در آن مقاومت طبقه كمتر از 80 درصد مقاومت طبقه بالايي آن باشد.

لازم به ذكر است نرم بودن طبقه بر مبناي سختي و يا مقاومت طبقه در برابر تغيير شكل جانبي مي‌باشد وضعيف بودن طبقه بر مبناي مقاومت آن در برابر نيروهاي استاتيكي و يا ديناميكي مي‌باشد.

3-3-5-اثرات نامتقارني ساختمان

اثرات پيچش وچرخش بر روي ساختمان در هنگام زلزله بحراني بوده ومشكلات بسياري را ايجاد مي نمايد. مساله مهم فاصله بين مركز جرم(نقطه اي كه نيروي زلزله در آن اثر مي‌كند) ومركز سختي(نقطه اي كه برآيند سختي در آن نقطه قراردارد) مي‌باشد،كه البته هنگامي مركز جرم بر مركز سختي منطبق مي‌باشد كه شكل ساختمان و سيستم مقاوم نيروهاي جانبي آن كاملا متقارن باشد. بنابراين مي توان گفت چنانچه پلان سازه متقارن باشد برآيند نيروهاي جانبي به مركز سختي سيستم مقاومت جانبي اثر مي‌كند.چنانچه شكل سازه متقارن باشد آناليز نيروهاي وارده بر آن ساده تر خواهد بود و اگر نيروهاي وارده بر سازه و شكل سيستم مقاوم جانبي پيچيده باشد،آناليز وطراحي سازه پيچيده مي گردد و منجر به ارائه نقشه ها وجزئيات پيچيده تري خواهد شد.

در صورتي طرح سيستم هاي پيچيده سازه قابل قبول است كه ضرايب اطمينان كافي رعايت شده و زمان طراحي و هزينه هاي آن در نظر گرفته شده باشد.

3-3-6-تاثير اعضاء غير سازه اي

به طور كلي استفاده از اعضاء غير سازه اي در ساختمان در طرح سازه ها موثر مي باشندكه بايد در نظر گرفته شوند. اعضاي غيرسازه اي با توجه به سختي كمي كه دارند نيروهاي جانبي بر آنها منتقل شده وبه علت پايين بودن مقاومت آنها تحمل نيروهاي وارده را نداشته و آسيب مي بينند،لذا براي جلوگيري از آسيب اعضاي غيرسازه اي بايداز اعمال نيروهاي جانبي بر روي اينگونه اعضا جلوگيري نمود و با تقويت سيستم هاي مهاربندي وايجاد درزهاي كنترل، اندركنش اعضا غيرسازه اي باسازه اصلي را به حداقل رساند.

از جمله اعضاء غيرسازه اي درساختمان، نصب موتوربرق و سيستم هاي آبرساني وتهويه و.. مي‌باشد كه حفاظت از اينگونه اعضا غيرسازه اي در هنگام حادثه اي اضطراري از اهميت بالايي برخوردار است. سازه اينگونه تجهيزات علاوه بر اينكه بايد بطور مستقل مهاربندي شده باشند،بايد از سيستم مهاربندي جانبي كل ساختمان نيز جد اشده باشند.

3-4-بارگذاري

3-4-1-بارهاي قائم

بارهاي قائم توسط تيرها و تاوه هاي سازه ها تحمل مي شوند ودر سازه هاي كوتاه وبلند تفاوتي نمي كنند، ولي مجموع بارهاي اعمالي بر ستونها و ديوارهاي سازه هاي بلند بسيار بيشتر از بارهاي نظير در سازه هاي كوتاه مي‌باشد.

بارزنده براساس نوع بهره برداري از فضاها به صورت بارگسترده يكنواخت روي كفها تعريف مي شود، بارهاي زنده پيشنهادي آيين نامه با استفاده از آزمايش ونتايج مطالعات تجربي محل تخمين زده شده اند.]10[ و]11[

3-4-2-بارهاي اجرايي

معمولا بارهاي اجرايي بحراني ترين بارهايي هستندكه سازه تحمل مي كند، آمار نشان مي‌دهد ساختمانهاي منهدم شده بسياري در مرحله اجرا اتفاق افتاده اند.

بارهاي اجرايي كه شامل وزن قالبها و بتن تازه كفها مي باشند، معمولا حدود دوبرابر بار مرده كف خواهند شد.اين بارها توسط شمع ها به سه يا چهار طبقه زيرين منتقل مي گردند. در حال حاضر با فراهم آمدن امكانات ساخت، هر طبقه جديد به فاصله زماني دو يا سه روز واستفاده از بتن رقيق براي پمپ كردن آن، توجه بيشتر به موضوع ضروري به نظر مي رسد، زيرا كفهاي ساخته شده قبلي به جاي اينكه بارهاي اجرايي طبقات بالاتر را تحمل كنند، خود احتياج به تكيه گاه خواهند داشت.بالابرها نيز از جمله بارهاي اجرايي مي باشند كه معمولا بار خود را به تعدادي از طبقات زيرين منتقل مي كنند.]10[و]11[

3-4-3-بارهاي ضربه اي قائم

بارهاي ضربه اي قائم بارهاي زنده قائمي هستند كه در هنگام شتاب گيري آسانسور به طرف بالا و يا ترمز آن در حركت به طرف پايين ظاهر مي گردند. معمولا در طراحي افزايش باري معادل 100 درصد باراستاتيكي آسانسور براي اطمينان از رفتار مناسب اعضاي باربر مربوط به آن در نظرگرفته مي شود.]10[

3-4-4-بارهاي زلزله

بار زلزله عبارت است از نيروهاي داخلي جرم ساختمان كه در اثر لرزش پي ايجاد مي شود. در طراحي براي زلزله ،تاكيد بر نيروهاي اينرسي انتقالي كه اثرات آنها بر ساختمان بيش از مولفه هاي لرزشي قائم و پيچشي است مي‌باشد.

نيروهاي ناشي از لغزش ويا نشست زمين،فعال بردن گسلهاي زير پي يا خميري شدن موضعي زير پي در اثر ارتعاش نيز از اهميت بالايي برخوردارند.

در مناطق زلزله خيز شدت زلزله رابطه معكوس يا دفعات آن دارد، زلزله هاي شديد به ندرت وزلزله هاي ملايم به دفعات بيشتر و زلزله هاي ضعيف تقريبا هميشه اتفاق مي افتند اگر چه ممكن است بتوان ساختماني را براي مقابله در برابر شديد ترين زلزله ها بدون هيچگونه خسارت مهمي طراحي كرد ولي احتمال عدم نياز به اين مقاومت در طول عمر سازه طراحي را از نظر اقتصادي توجيه ناپذير مي سازد.]10[و]18[

كميت بار زلزله، حاصل پاسخ ديناميكي ساختمان به ارتعاش زمين است. براي تخمين بارلرزه اي، دو روش كه در آنها ويژگيهاي سازه وآمار واطلاعات زلزله هاي گذشته منطقه در نظر گرفته مي‌شود، وجود داردكه در ادامه به آنها اشاره مي شود.

3-4-4-1-بارجانبي معادل

در روش اول كه روش بارجانبي معادل ناميده مي شود از يك تخمين ساده براي پريد اوليه سازه و حداكثر شتاب و يا سرعت پيش بيني شده اي همراه با عوامل موثر ديگر براي تخمين حداكثر برش پايه استفاده مي گردد. سپس بار جانبي معادل اين برش با روش هاي مشخصي در ارتفاع ساختمان توزيع شده وآناليز استاتيكي سازه انجام مي شود.

اين روش بسيارساده وسريع مي‌باشد وبراي ساختمانهاي با ارتفاع وشكل هندسي متعارف پيشنهاد شده است. ضمنا از روش فوق مي توان براي طرح اوليه ساختمانهاي بلندتر وبا تركيبهاي سازه اي غيرمتعارف استفاده كرد تا در مراحل بعد آناليز بارهاي جانبي لرزه اي با روشهاي مناسب تر انجام پذيرد.]8[ و]11[

3-4-4-2-آناليز مودال

روش دوم كه روش جامع تري مي‌باشد، روش آناليز مودال است. در اين روش

فركانس مدهاي سازه آناليز شده وسپس آنها را همراه با طيف طراحي زلزله براي تخمين حداكثر پاسخ هاي مدي استفاده مي كنيم. از تركيب اين نتايج حداكثر كميت هاي پاسخها به دست مي آيد. اين روش بسيار طولاني تر وپيچيده تر از روش بار جانبي معادل بوده ولي بسيار دقيقتر است و در ضمن قابليت اعمال تقريبي رفتار غيرخطي سازه را نيز دارد.]16[

 

 

 

شكل (3-1)-حركات نسبي در سازه هاي پيوسته

 

 

شكل (3-2)-توزيع جرم در ارتفاع

 

 

 

شكل (3-3)-طبقه نرم

 

 

 

 

 

 

فصل چهارم

سيستم هاي سازه اي

4-1-مقدمه

اگر بارهاي جانبي مانند زلزله وجود نداشته باشند، هر ساختماني فقط براي بارهاي ثقلي طراحي مي شود، اينچنين طراحي تفاوتي به جهت ارتفاع تحميل نخواهد كرد. از آنجائيكه كه روشي براي پرهيز كردن از بارهاي ثقلي از جمله زنده و مرده وجود ندارد، حداقل مصالح ممكن براي يك ساختمان با هر تعداد طبقه نمي تواند كمتراز مقدار مورد نياز براي بارهاي ثقلي به صورت تنها باشد. اثرات بارجانبي روي ساختمان كاملا متغيرند وبا افزايش ارتفاع به سرعت افزايش مي يابند. براي مثال تحت بار جانبي، لنگر واژگوني در پايه ساختمان به نسبت مربع ارتفاع ساختمان تغيير مي نمايد]1[

سه فاكتور اصلي در ارزيابي همه سازه ها وجود دارد:مقاومت، سختي وپايداري. در طراحي همه ساختمانها،سيستم سازه اي همه سه فاكتور را بايد برآورده نمايد. شرط مقاومت در طراحي سازه هاي كوتاه فاكتور مهمي باشد ولي با افزايش ارتفاع سختي وپايداري شروط مهمي شده و اغلب فاكتور اساسي در طراحي هستند. به طور كلي دو روش براي ارضا كردن اين شروط در سازه وجود دارد، روش اول افزايش ابعاد اعضاست، ولي اين روش داراي محدوديت بوده و غيرعملي وغير اقتصادي است. روش دوم كه روشي جالبتر است، تغيير فرم سازه مي‌باشد، تا به سختي واستحكام بيشتري براي محدوده كردن تغيير شكل وافزايش پايداري برسيم. در هر صورت تغيير مكان سازه بايد براي قابليت استفاده و راحتي ارزيابي گردد]1[

ساختمان ها بايد براي داشتن شكل پذيري مناسب براي تحمل تغيير مكان بزرگ در مدت فعاليت لرزه اي طراحي گردد و همچنين لازم است در طراحي مقاوم دربرابر زلزله از خرابي كامل ساختمان تحت زلزله هاي شديد جلوگيري شود وخطرات غيرسازه اي در مدت لرزه هاي وافر زمين به حداقل برسد.]18[

4-2-سيستم هاي سازه اي مختلف

اولين سوال مهندس سازه در مرحله طراحي اين است كه كدام سيستم سازه اي براي ساختمان اقتصادي است. با توجه به تخمين هاي اوليه،يك تجربه متعارف است كه هزينه سازه اي ساختمان فلزي از مجموع فولاد مصرفي ناشي نمي شود، بلكه هزينه ساخت وتوليد ونصب آن نيز جزئي از اين هزينه مي‌باشد.اگر چه ساخت فولاد وقيمت نصب آن به ميزان زيادي تحت تاثير تعداد ونوع اتصالات است ولي به اجمال مي توان فرض كردكه اين هزينه ها براي طرح هاي سازه اي مختلف وجود دارد. با اينكه اين موضوع باعث مي شود نسبت به شرايط واقعي بيش از حد ساده سازي گردد اما به عنوان يك نقطه شروع براي انتخاب طرح سازه اي مناسب مي‌باشد]1[

هدف تعيين سيستم سازه اي است كه مقدار فولاد مصرفي را حداقل گرداند، بدون اينكه به توافقات گران به خاطر شيوه هاي ديگر مورد نياز باشد.به عنوان يك قانون كلي، در شرايط يكسان ساختمان بلندتر به شناسايي سيستم سازه اي مقاوم مناسب براي بارهاي جانبي نياز بيشتري دارد. در هر پروژه اولين پايه گذاري توسط معمار انجام مي پذيرد وشناسايي شكل كل ساختمان، تخمين طبقات واندازه وموقعيت مراكز سرويس دهي آن مشخص مي گردد.

مهندس سازه در اين مرحله امكان انتخاب سيستم سازه اي رابررسي مي نمايد و يك سيستم را كه شايد از نظر سازه اي اقتصادي به نظر نمي رسد ولي از نظر شرايط ديگر مناسب است را پيشنهاد مي نمايد.

نيازي به گفتن نيست كه هر ساختمان محصول يك سري هماهنگي بين مقتضيات متناقض بوده و وظايف بسيار پرزحمت وجالب مهندس سازه در انتخاب طرح سازه اي مي باشد.

براي تعيين اقتصادي ترين سيستم لازم است كه هر دو سيستم قاب كف افقي و المانهاي قائم سازه اي ارزيابي مي شوند. قابل توجه است كه دراينجا بر روي سيستم قاب جانبي متمركز مي شويم.

امروزه سيستم هاي سازه اي مختلفي وجود دارند كه ميتوانند براي مهاربندي جانبي استفاده شوند كه ميتوان به مهمترين آنها به صورت زير اشاره نمود:]1[ و]10[ و]12[

1-قاب خمشي صلب

2-قاب مهاربندي شده هم مركز

3-قاب مهاربندي شده خارج از مركز

4-قاب مهاربندي شده با قاب صلب

5-قاب با خرپاي كمربندي و مياني

6-قاب لوله اي ساده

7-قاب لوله مهاربندي شده

8-قاب لوله اي دسته شده

9-قاب لوله در لوله

10-قاب با سيستم خرپاي يك در ميان

11-سازه هاي معلق

12-سازه هاي پيوندي

4-3-قاب خمشي صلب (MRF):

قاب صلب شامل تيرهاي افقي با ستونهاي قائم مي باشد كه با اتصالات صلب به يكديگر متصل شده اند. اتصالات صلب داراي چنان سختي هستند كه زاويه ميان اعضا آن بدون تغيير تحت اثر بار باقي مي ماند. بار جانبي با توجه به سراسري بودن اعضا در گره ها كه با اتصالات صلب متصل شده اند بوسيله خمش اصل تيرها وستونها تحمل مي گردد. به شكل (4-1) توجه نماييد.]1[

در هنگام بروز زلزله، اتلاف انرژي به طور عمده به عملكرد خميري اتصال تيروستون بستگي خواهد داشت. چنانچه فلسفه تير ضعيف و ستون قوي رعايت گردد و براي اتصال جزئيات مناسبي فراهم گردد، قاب خمشي شكل پذيري قابل ملاحظه اي خواهد داشت.

شكل (4-2) مكانيزم تغيير شكل يك قاب صلب را نشان مي دهد كه از 3 قسمت اصلي تشكيل گرديده است:

1-تغيير شكل ناشي از خمش ستون

2-تغيير شكل ناشي از خمش تير

3-تغيير شكل ناشي از ناحيه تقاطع تير وستون (panel zone)

قابهاي MRF داراي شكل پذيري بالاو ظرفيت اتلاف انرژي زيادي مي باشند. همانطور كه در شكل (4-3) مشاهده مي نماييد چرخه هاي پسماند پايداري دارند، بدون اينكه داراي كاهش مقاومت باشند.اين نوع قابها نسبتا انعطاف پذير بوده و سختي آنها كم مي باشد ومعمولا در ساختمانهاي بلند و باريك كه محدوديت تغيير مكان حاكم بر طراحي اعضا مي‌باشد، غيراقتصادي است .]10[و]18[

از مزاياي اين قاب مي توان به موارد زير اشاره نمود:

1-يكپارچگي وشكل پذيري خوبي تحت بارهاي لرزه اي دارند.

2-فواصل ستونها در اختيار معمار بوده ومي توان از بازشو در قسمتهاي مختلف داخل وخارج استفاده كرد.

3-به محض اجرا قابليت تحمل نيرو را دارند.

از معايب اين قاب نيز مي توان گفت:

1-اغلب ستونهاي اين قاب داراي مقاطع بزرگتري نسبت به ساير سيستم ها مي باشند كه جاي بزرگتري را مي طلبد و همچنين اغلب از انواع ديگر مهاربندي گرانتر مي باشد.

2-اجراي اتصالات آن نسبت به ديگر قابها مشكل تر است.

3-به دليل داشتن سختي پايين، در ساختمانهاي بلند و باريك محدوديت استفاده پيدا مي كند.

4-4-قابهاي مهاربندي شده

4-4-1-مقدمه

سيستم قاب صلب خالص براي ساختمانهاي بلند چندان موثر نيست زيرا تغيير شكل توليد شده به خاطر خمش ستونها وتيرها باعث تغيير مكان جانبي زيادي در ساختمان مي گردد.قاب مهاربندي شده سيستي براي بهبود قاب خمشي بوسيله حذف عملكرد خمشي واضافه نمودن يك سيستم خرپاي طره اي مي باشد، در اين حالت برش وارده در ابتدا توسط اعضاء قطري جذب شده وبرش را به صورت نيروي فشاري وكشش تبديل كرده و به سيستم قائم انتقال مي دهند.]1[

در مهاربندي قابها مي توان از اتصالات صلب و يا اتصالات مفصلي به همراه سيستم مهاربندي استفااده نمود. با افزايش دهانه مهار شده مي توان سازه صلبتري ايجاد كرد. از نظر سازه اي اين مهار بندها يك خرپاي قائم طره اي ايجاد مي نمايند كه در پايه گيردار هستند.]1[

در سازه هايي كه ستونها نزديك به هم هستند مهاربندي در يك دهانه تغيير شكل هاي زيادي را باعث مي شود ولي اگر مهاربندي ها در دهانه هاي بزرگ قرار گيرند نيروهاي توليد شده كاهش يافته وتغيير شكل ها نيز كاهش مي يابند. در مجموع با استفاده از مهاربندي در كل طول يا عرض سازه و يا هر جايي كه معماري امكان پذير باشد، مي توان صليب سازه را افزايش داد.]1[

محاسن ومعايب اين سيستم به موارد زير ميتوان اشاره نمود:

1-براي ساختمانهاي كوتاه، اغلب چندمهاربند كافيست ولي در ساختمانهاي نيمه مرتفع اين مهارها چشمگير خواهند بود وسطح مقطع آنها نيز افزايش مي يابد.

2-با تغيير شكل مهاربند، مي توان بازشوهاي مورد نياز را به كار برد.

3-هنگامي كه مهارها به صورت كششي طرح مي گردند ابعاد آنها كوچك بوده ودر ديوارها پنهان مي گردند.

4-مي توان از مهارها به عنوان يك فرم معماري استفاده نمود.

4-4-2-انواع مهاربندي

انواع شكلهاي مختلف را مي توان به عنوان مهاربندي بكار برد. مهاربند مي تواند از يك مهار قطري ساده در يك دهانه تا يك سيستم مهاربندي متشكل از تعدادي اعضا در يك دهانه استفاده كرد. چند نوع مهاربندي را ميتوانيد در شكل (4-4)مشاهده نمائيد.

انتخاب نوع مهاربندي تابع سختي مورد نياز مي باشد ولي باز شو مورد نياز نيز روي آن موثر است. پيدا كردن يك سيستم مهاربندي با بازده خوب واقتصادي براي ساختمانها يك فرصت فوق العاده را به مهندس سازه مي دهد تا از تصورات طراحي ابتكاري خود استفاده نمايد.

مي توان الگوهاي منطقي مهاربندي با دهانه هاي چند تايي و يا تنها را طراحي نمود، ولي به شرط اينكه برش در هر طبقه تحمل گردد و تغيير مكان مناسبي داشته باشد. در هر صورت قابليت استفاده از خرپاي مهاربندي يك ارزيابي عمده واصلي به شمار مي رود.

پيدا كردن فضايي براي اينگونه مهاربند با عرض بهينه بدون بر هم زدن پلان معماري هميشه ممكن نيست و مهندس سازه را مجبور به استفاده از سيستم هاي مهاربندي با كارايي كمتر مي نمايد.

به طور كلي مي توان مهاربندها را به دو نوع تقسيم نمود:

1-مهاربندهاي هم مركز

2-مهاربندهاي خارج از مركز

 

4-4-2-1-مهاربندهاي هم مركز (CBF)

در اين نوع قابها خط محور تير ستون ومهاربندي همديگر را در يك نقطه مشترك

قطع مي‌نمايند. اصولا اين نوع قابها داراي سختي كافي جهت رعايت محدوديت تغيير مكان نسبي مجاز طبقه بدون اضافه كردن هزينه براي ساختمان دارند. مهاربندي هاي هم مركز در برابر نيروهاي جانبي لرزه اي در هنگام بروز زلزله هاي خفيف مقاومت موثري خواهند داشت ولي در زلزله هاي بزرگ عموما مهاربندي ها كمانش خواهند كرد و مفاصل پلاستيكي در تير تشكيل خواهند شد.شكل (4-5) اين مورد را نشان مي دهد.

با توجه به شكل (4-6) كه حلقه هاي پسماند مهاربندي هم مركز را نشان مي دهد، قاب CBF تا مقدار تغيير مكان H 0.005 عملكرد مناسبي نشان ميدهد ولي با افزايش چرخه ها، حالت نامنظمي پيدا مي نمايند وپايداري خود را از دست مي دهند و اين مورد به خاطر كمانش مهارها وضعف در مقابل بارهاي جانبي مي باشد، بنابراين ظرفيت اتلاف انرژي كمي دارند.] 18[

با توجه به موارد مذكور در مناطق با زلزله خيزي بالا استفاده از اين قابها بطور گسترده پيشنهاد نمي گردد، چون عناصر فشاري آن نظير بادبند و ستون در بارهاي تناوبي ضعيف عمل كرده وبعد از چند سيكل تا حدود 50درصد اثر مقاومتي خود را از دست مي دهند.

ميتوان به تعدادي از مزايا ومعايب اين نوع قابها اشاره كرد:

1-اين نوع قابها نسبت به قابهاي MRF به صورت قابل ملاحظه اي داراي سختي بيشتري بوده ودر ساختمانهاي باريك وبلند مي توانند به طور موثري ميزان تغيير مكان را كاهش دهند.

2-از لحاظ اقتصادي ساخت اين نوع قابها هزينه كمتري نسبت به قابهاي MRF دارند و از لحاظ اجرايي نيز ساخت اين نوع قابها با اتصالات ساده آسان بوده و سرعت اجراي آن بالاست.

3-اين قابها هر چند در برابر بارهاي استاتيكي وباد، مقاومت وسختي خوبي دارند ولي تحت بارهاي لرزه اي شديد به علت وقوع پديده كمانش مهارها وعدم شكل پذيري مناسب از لحاظ جذب انرژي ضعيف مي باشند و رفتار مناسبي ندارند.

4-در اجراي بازشو نيز محدوديت ايجاد مي نمايند كه قابل تامل مي باشد.

براي بهبود عملكرد اين نوع قابها ميتوان راه حل هايي ارائه كرد:

1-كاهش لاغري مهارها براي كاهش زوال مقاومت فشاري تحت بارهاي چرخه اي.

2-قوي نمودن ابعاد تيرها در قاب ،براي اينكه تير رفتار الاستيك خود را حفظ نموده و عملكرد قاب K شكل بهبود يابد.

4-4-2-2-مهاربندهاي خارجي از مركز (EBF)

قابهاي مهاربندي شده خارج از مركز از نظر مقاومت وسختي فوق العاده هستند و

بنابراين به طور گسترده اي استفاده مي شود.اين نوع مهاربندي اغلب به تنهايي ويا به همراه قابهاي خمشي مورد استفاده قرارمي گيرند.اما در مناطق زلزله خيز به خاطر رفتار غيرارتجاعي ضعيفشان توصيه نمي گردند.قابهاي مقاوم در برابر لنگر، پارامترهاي اتلاف انرژي قابل قبولي در اختيار دارند ولي از نظر سختي، چندان مناسب نمي باشند.

قابهاي خارج از مركز يك سيستم سازه اي منحصر به فرد مي باشد كه مبادرت به تركيب مقاومت وسختي قاب مهاربندي با رفتار غيرالاستيك وپارامتراهي اتلاف انرژي قابهاي خمشي مي نمايد، اين سيستم مهاربندي خارج از مركز ناميده مي شود، زيرا خروج از مركزيت عمدي بين اتصالات تيرستون وتيربادبند به كارگرفته مي شود تا در يك تلاش، المان تير خارج از مركز به خاطر نيروي برشي جاري گردد.

المان تير خارج از مركز ميتواند مانند يك فيوز كه مقدار زيادي انرژي زلزله را جذب مي نمايد، عمل كرده ونيز ازكمانش مهاربندي جلوگيري نمايند. شكل (4-7) تغيير شكل پلاستيك يك قاب EBF وشكل (4-8) نيز حلقه هاي پسماند قاب را نشان مي دهد.

اين سيستم مبادرت به تركيب مزاياي قاب مهاربندي وخمشي در يك سيستم سازه اي مي نمايد.پارامتر بسيار مهم اين سيستم، فاصله اتصال مهاربند قطري به تير افقي از اتصال تير به ستون مي باشد، اين خروج از مركزيت باعث شكل گيري مفصل جذب انرژي در قسمت تير پيوند مي گردد. اين المان به عنوان يك فيوز تحت جاري شدن خمشي وبرشي قرار مي گيرد اين جاري شدن پيش از ايجاد مفصل هاي پلاستيك بيشتر در اعضاي خمشي وقبل از كمانش اعضا فشاري اتفاق مي افتد، در نتيجه اين سيستم پايداري خود را تحت تغيير شكل هاي بزرگ حفظ مي نمايد. سختي مورد نياز در مدت زلزله اصلي ثابت باقي مي ماند، زيرا مفاصل پلاستيك تحت اين بارها نرم بوده ورفتار اعضا اصلي الاستيك باقي مي ماند. اگر چه تغيير شكل به دليل تغير شكل خمشي برشي فيوز از قاب مهاربندي هم مركز بزرگتر است ولي اين تغيير شكل با اهميت نمي باشد زيرا طول «فيوز» نسبتا كوچك است. بنابراين سختي الاستيك قاب مهاربندي خارج از مركز مي تواند همانند قاب مهاربندي هم مركز براي همه اهداف عملي مورد توجه قرار گيرد.]1[

از مزاياي اين قاب ميتوان به موارد زير اشاره نمود:

1-اين قاب داراي شكل پذيري بسيار مناسب وسختي جانبي خوبي مي باشند.

2-در هنگام زلزله هاي شديد ،تيرپيوند به صورت فيوز شكل پذيري عمل مي نمايد و مي تواند مقدار انرژي زلزله را جذب كرده واز كمانش مهاربندي جلوگيري نمايد، در نتيجه عملكرد مناسبي از خود نشان دهد.

3-ايجاد مفاصل پلاستيك در تيرها و ستونهاي سازه باعث خرابي فزاينده در سازه مي گردد ولي اصولا مفاصل پلاستيك ايجاد شده در قاب EBF در تيرهاي پيوند اتفاق مي افتند كه عامل خرابي سازه نمي باشند.

4-از نظر معماري وايجاد بازشو شرايط مناسبي دارند.

4-4-2-2-1-شكل پذيري فولاد

رفتار شكل پذير سازه به جهت جذب انرژي بسيار بالاي آن مناسب مي باشد لذا

بايد مصالح مورد استفاده نيز داراي رفتاري شكل پذير باشند. ظرفيت زياد فولاد براي تغيير شكل بدون گسيختگي با مقاومت بالاي آن باعث مي شود فولاد يك ماده ايده آل براي طراحي لرزه اي گردد. بعد از اينكه بار به حداكثر رسيد،تحت تغيير شكل بزرگ بدون گسيختگي به تحمل بار ادامه مي دهد. به علت طبيعت شكل پذير فولاد، اين ماده مي تواند بار را بدون اينكه تحت گسيختگي قرار گيرد تحمل كند. يك ماده ترد وشكننده در شروع جاري شدن و بروز گسيختگي در حدود نقاطي كه بار ماكزيمم وارد مي شود قادر نيست تحت تغيير شكل زياد قرار گيرد. تغيير شكل بزرگ وابسته به رفتار شكل پذير به ميزان زيادي در طراحي مقاوم در برابر زلزله مناسب مي باشد تا سازه قادر به جذب انرژي باشد. بنابراين فولاد به طور پسنديده اي براي سيستم مهاربندي خارج مركز مناسب مي باشد.]1[