5-1- روش های اعمال انرژی زلزله به سازه

در قسمت های ابتدایی این نوشتار گفتیم که در هنگام زلزله انرژی آزاد شده به سطح زمین رسیده و باعث تحریک سازه می گردد، اما در مهندسی سازه طراحی المان با انرژی عملی نبوده لذا راه حل هایی ارائه شده است.

می دانیم که انرژی زلزله باعث تحریک سازه می گردد، در واقع حرکت شتاب دار زیر سازه باعث حرکت شتاب دار خود سازه می شود،حال اگر بتوان میزان شتاب سازه را محاسبه نمود، با استفاده از قانون دوم نیوتن نیروی وارد بر سازه را نیز محاسبه کرده ایم.

از قانون دوم نیوتن داریم F = ma حال اگر یک سازه ی چند طبقه را به صورت طبقه به طبقه و جداگانه بررسی کنیم، با داشتن جرم هر طبقه و میزان شتابی که در موقع زلزله در آن طبقه ایجاد می شود،نیروی حاصل از زلزله وارد بر آن طبقه محاسبه شده است.

توضیحات فوق اساس نحوه ی اعمال اثر زلزله به سازه می باشد،روش های تحلیلی مختلفی که در استاندارد ها برای اعمال اثر زلزله  ارائه می گردد تفاوتشان در دقت محاسبه ی شتاب سازه می باشد، به عبارت دیگر هرچه از تحلیل های پیشرفته تری استفاده کنیم شتاب سازه را با دقت بیشتری محاسبه کرده ایم.

در استاندارد 2800 بند 3-2 روش های تحلیلی زیر برای اعمال اثر زلزله ارائه می گردد:

در استاندارد  ASCE 7-22 بند 6-12 روش های تحلیلی زیر برای اعمال اثر زلزله ارائه می گردد:

در ادامه ی این بخش محدودیت های استفاده از هرکدام از روش های فوق بیان می شود و توضیحاتی نیز راجع به ماهیت هر یک ارائه می گردد.

نحوه محاسبه ی پارامتر های هر کدام از روش ها در بخش محاسبات بارگذاری ارائه می شود.

الف) معرفی روش تحلیل استاتیکی معادل (Equivalent Lateral Force)

در این روش فرض بر این است که هنگام وارد شدن انرژی زلزله به سازه، کل سازه با یک دوره تناوب مشخص شروع به تحریک می کند،منظور از دوره تناوب زمانی است که یک رفت و برگشت سازه به طول می انجامد.

حال با داشتن مقدار این دوره تناوب می توان شتاب وارد بر سازه را محاسبه نموده و با ضرب کردن این مقدار شتاب در جرم هر طبقه نیروی وارد بر آن طبقه محاسبه می شود و با این نیرو می توان المان های باربر جانبی را طراحی نمود.

دقت داشته باشید نیروی زلزله ی معادل شده ی وارد بر هر طبقه باید با نیروی طبقات بالایی جمع گردد،به عبارت دیگر نیروی زلزله ی وارد بر هر طبقه برابر است با نیروی وارد به خود آن طبقه به اضافه نیروی طبقات بالاتر که به عدد حاصل برش طبقه گفته می شود.

سازه ی زیر را در نظر بگیرید:

جرم هر طبقه را با m ، شتاب هر طبقه هنگام زلزله را با a  و نیروی وارد بر  طبقه را با F نشان می دهیم:

حال اگر بخواهیم نیروی زلزله ای که المان های باربر هر طبقه باید بر اساس آن طراحی شوند را محاسبه کنیم باید مانند تصویر زیر نیرو هر طبقه را به صورت تجمعی جمع ببندیم، در تصویر صفحه ی بعد برش طبقه را با V نشان می دهیم.

در تصویر فوق به عدد V1  که به پایین ترین تراز وارد می شود برش پایه می گویند.

همانطور که تا احتمالا تا اکنون متوجه شده اید مهمترین قسمت تحلیل استاتیکی معادل محاسبه ی مقدار شتاب هر طبقه می باشد،زیرا باقی مانده ی کار صرفا توزیع نیروی وارد بر هرطبقه بین المان های باربر جانبی می باشد که با علم طراحی سازه به راحتی امکان پذیر است.

استاندارد های لرزه ای به شیوه های مختلف و با استفاده از داده های آماری زلزله های پیشین والبته با توجه به جنس خاک محل پروژه شتاب زمین را به شتاب سازه تبدیل می کنند،باید دقت داشت که شتاب ایجاد شده در سازه به رفتار سازه در برابر زلزله نیز وابسته می باشد، به عبارت دیگر زمان تناوب سازه در میزان شتابی که از زلزله جذب می کند موثر است،پس باید در محاسبه ی زمان تناوب سازه دقت زیادی به خرج داد.

با نحوه محاسبه ی زمان تناوب سازه و همچنین محاسبه ی شتاب سازه در بخش محاسبات بارگذاری آشنا خواهید شد.

 

ب) معرفی روش تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی (Response History)

برای آشنایی با این روش لازم است با شتاب نگاشت آشنا شوید.

طی سالیان گذشته دستگاه های ثبت حرکات زمین هنگام زلزله در سرتاسر کره ی زمین نصب شده اند و در هنگام زلزله های مختلف شتاب حرکت زمین را به شکل نمودارهایی ثبت کرده اند، به این دستگاه ها شتاب نگار و به نمودار هایی که ثبت می کنند شتاب نگاشت می گویند.

داده هایی که این دستگاه ها تحت عنوان شتاب نگاشت زلزله های مختلف ثبت کرده اند را به صورت فایل های عددی می توان از دیتابیس های مختلف مثل سایت PEER دانلود نمود.

همانطور که در تصویر زیر مشاهده می کنید این نمودار ها بر حسب زمان ( نمودار افقی)،شتاب حرکت زمین را بر حسب شتاب ثقل (نمودار عمودی) ثبت می کنند.

در روش تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی می توان به جای اینکه مانند روش استاتیکی معادل شتاب زمین را به با استفاده از روابط به شتاب سازه تبدیل نمود و سپس نیروی حاصل از این شتاب را به سازه اعمال کرد، مستقیما شتاب زمین لرزه های مختلف را به سازه وارد کنیم و پاسخ سازه را در هر ثانیه از زلزله ی مورد نظر را بررسی کنیم.

در روش استاتیکی معادل فرض بر این است که سازه تحت یک دوره تناوب خاص نوسان می کند، حال آن که آیا واقعا در هنگام زلزله سازه همان رفتار را از خود نشان می دهد یا نه مطمئن نیستیم!

در روش دینامیکی تاریخچه زمانی با وارد کردن شتاب زلزله به صورت مستقیم  به جای بررسی سازه در یک زمان تناوب، حالت های نوسانی مختلف سازه بررسی می شود،اما سوالی که وجود دارد این است که سازه ای که قرار است در تهران ساخته شود با شتاب نگاشت چه زلزله ای آن را طراحی کنیم؟ چه تضمینی وجود دارد که زلزله ی آینده ی تهران دارای شتاب و محتوای فرکانسی شتاب نگاشتی باشد که ما با آن سازه را طراحی کرده ایم؟

هیچ پاسخی برای پرسش های فوق وجود ندارد ولی آیین نامه ها با حاشیه ی اطمینانی سعی می کنند عدم اطمینان های موجود را پوشش دهند.

 

ج) معرفی روش تحلیل دینامیکی طیفی (Modal Response Spectrum)

روش تحلیل طیفی را می توان روشی مابین استاتیکی معادل و تاریخچه زمانی دانست، به همین دلیل به این روش شبه دینامیکی نیز گفته می شود.

اگر ما شتاب نگاشت یک زلزله را به روش تاریخچه زمانی به یک سازه با دوره تناوب مشخص وارد کنیم آن سازه تحت شتاب وارده پاسخ هایی را از خود نشان می دهد به طور مثال می توان جابه جایی سازه را تحت شتاب مورد نظر در ثانیه های مختلف زلزله برداشت کرد.

حال اگر تحت شتاب اعمالی ،شتاب سازه را در هر ثانیه برداشت کنیم نموداری مانند شتاب نگاشت خواهیم داشت، با این تفاوت که محور عمودی به جای شتاب زمین شتاب سازه تحت زلزله ی مورد نظر می باشد.

حتما می دانید که در طراحی سازه ما به دنبال حداکثر پاسخ های سازه هستیم،یعنی اگر ما سازه رابرای بیشترین شتابی که قرار است تجربه کند طراحی کنیم، عملا سازه در برابر سایر شتاب ها نیز پاسخگو خواهد بود.

بنا بر توضیحات فوق آیین نامه هابرای راحتی مهندسان، شتاب نگاشت های زلزله های مختلف را با استفاده از روابطی به سازه های با زمان تناوب های مختلف اعمال کرده و شتاب حداکثر سازه را تحت زلزله های مختلف برداشت می کنند.

در نتیجه یک سازه با دوره تناوب T برای هر شتاب نگاشت ،دارای شتاب های مختلف می باشد، حال اگر بین شتاب های سازه با دوره تناوب T میانگین گیری شود میتوان گفت عدد حاصل حداکثر شتاب سازه با دوره تناوب T برای شتاب نگاشت هایی است که به آن اعمال شده است.

اگر این کار برای سازه ها با دوره تناوب های مختلف انجام شود نموداری به دست می آید که به آن نمودار طیف پاسخ شتاب می گویند.

آیین نامه ها این نمودار ها را برای منطقه ی لرزه ای تحت پوشش خود تهیه می کنند که به آن نمودار طیف طرح گفته می شود و به شکل زیر می باشد.در نمودار زیر محور افقی دوره تناوب می باشد و محور عمودی پاسخ شتاب سازه.

استاندارد های لرزه ای برای موارد خاص که در ادامه بیان می شود مقرر می دارد که برای محل پروژه باید مطالعات خاص صورت گیرد و به جای استفاده از طیف طرح استاندارد که میانگینی از تمام کشور می باشدباید از طیف طرح ویژه ساختگاه استفاده شود که مخصوص محل پروژه ایجاد شده است.

استفاده از طیف طرح ویژه ساختگاه که نیاز به مطالعات زمین شناسی ویژه محل پروژه دارد برای تمام پروژه مجاز می باشد ولی مقادیر این طیف نباید کمتر از 80 درصد طیف طرح استاندارد باشند.

استفاده از طیف طرح ویژه ساختگاه در موارد زیر ضروری است:

الف) خاک هایی که مشخصاتی به غیر از خاک های نوع 1 تا 4 دارند.(تعریف انواع خاک در بخش محاسبات بارگذاری زلزله ارائه می گردد)

ب) در ساختگاه هایی که زمین آن ها متشکل از رس یا لای نرم دارای رطوبت زیاد با حداقل ضخامت 10 متر و دامنه ی خمیری خاک بالای 40 باشد.(PI>40).این اطلاعات را باید از آزمایش ژئوتکنیک برداشت نمود.

ج)ساختمان های با ارتفاع بیش از 150 متر از تراز پایه و یا دارای زمان تناوب بیشتر از 3.5 ثانیه

د) ساختمان های با اهمیت خیلی زیاد که بر روی خاک نوع 4 ساخته خواهند شد.

ه) ساختمان های بلند تر از 50 متر که بر روی خاک نوع 4 ساخته خواهند شد.

و) ساختمان های بلند تر از 50 متر که بر روی خاک نوع 2 و 3 ساخته می شوند و ضخامت لایه ی خاک بیشتر از 60 مترباشد.

نحوه ی استفاده از این نمودار به این صورت است که اگر دوره تناوب سازه ی مورد بررسی مشخص شود

مقدار دوره تناوب را روی محور افقی پیدا می کنیم سپس محلی که نمودار برای دوره تناوب انتخابی

قطع می شود را به به محور عمودی وصل می کنیم،عددی که روی محور عمودی مشخص می شود حداکثر شتابی است که سازه ی ما برای زلزله ای که آیین نامه در نظر گرفته است تجربه خواهد کرد.

در صورتی که به جای طیف طرح استاندارد از طیف طرح ویژه ساختگاه استفاده شود تمام موارد مشابه هم می باشند و فقط مقادیر طیف متفاوت خواهد بود.

در تصویر زیر به به طور مثال برای دوره تناوب T1 مقدار شتاب a1  روی محور عمودی نشان داده شده است و به این معنی است که اگر سازه با دوره تناوب T1 نوسان کند به میزان a1 شتاب خواهد داشت،البته به شرط آن که زلزله ی وارد بر سازه  شتابی نزدیک به شتاب زلزله ای داشته باشد که طیف با آن تهیه شده است.

دقت داشته باشد که در تحلیل طیفی در واقع به روش استاتیکی معادل شتاب سازه محاسبه می شود با این تفاوت که به جای استفاده از یک دوره تناوب ، از دوره تناوب های بیشتری استفاده می کنیم.

برای تکمیل بحث تحلیل دینامیکی طیفی لازم است با تعریف تحلیل مدال(modal) نیز آشنا شوید.

همانطور که از دینامیک سازه ها می دانیم وقتی یک سازه تحت شتاب قرار می گیرد ممکن است به

شکل های مختلفی شروع به نوسان کند،این شکل های مختلف به شکل سازه و نحوه ی توزیع جرم و سختی بستگی دارد به بیان دیگر می توان برای  هر سازه چندین هزار مدل نوسانی پیش بینی نمود که هر کدام دوره تناوب مخصوص به خود را دارند.

حال سوال اینجاست که از کدام زمان تناوب بین چندین هزار زمان تناوب قابل پیش بینی استفاده کنیم؟

شیوه ی کار تحلیل مدال به این صورت است که  دوره تناوب های مدهای مختلف قابل پیش بینی برای سازه را محاسبه می کند،این که برای یک سازه ی مشخص با وجود این که بینهایت مد نوسانی خواهد داشت چند مد را در نظر بگیریم آیین نامه ضوابطی دارد که در بخش های بعدی توضیح داده خواهد شد، بعد از محاسبه ی دوره تناوب ها پاسخ های سازه (از جمله شتاب سازه) برای هر مد(mode) نوسانی را می توان محاسبه نمود و با شیوه های ترکیب آماری مثل SRSS و CQC این بازتاب ها را ترکیب می کنیم.

با این شیوه می توان گفت اثر مدهای بالاتر سازه را نیز در نظر گرفته ایم زیرا در روش استاتیکی معادل فقط اثر مد اول نوسان در نظر گرفته می شود و از این نظر تحلیل طیفی نسبت به تحلیل استاتیکی معادل دارای دقت بیشتری می باشد.

به این نکته نیز باید توجه ویژه نمود که در یک سازه مشخص مدهای مختلف میزان متفاوتی از جرم سازه را درگیر می کنند، همان طور که چند خط قبل گفته شد تحلیل مدال و تشکیل مدهای مختلف به توزیع جرم وسختی سازه اثر دارد،بنابراین ممکن است در یک مد به طور مثال 70 درصد جرم کل سازه شروع به نوسان کند و در مدی دیگر 50درصد،از این بابت مد هایی که درصد بیشتری از وزن سازه را درگیر می کنند تاثیر بیشتری بر رفتار سازه دارند،زیرا رفتار نهایی سازه ترکیبی از مدهای مختلف می باشد و لزوما به شکل یک مد خاص نوسان نمی کند.

به طور مثال 3 مد نوسانی یک ستون را در تصویر زیر مشاهده می کنید ولی این به این معنی نیست که این ستون تحت زلزله حتما به یکی از این اشکال نوسان خواهد کرد بلکه ممکن است شکل نوسان یا شکل مدی این ستون ترکیبی از این سه مد باشد.و حتی در طول زمان زلزله می توان شکل مدی تغییر کند.

مجدد تکرار می شود که هر مد نوسانی زمان تناوب مخصوص به خود را خواهد داشت و باعث ایجاد شتاب های متفاوتی در سازه می گردد.

ذکر این نکته ضروری است که در تحلیل دینامیکی سازه به جهت ساده سازی مدهای جهت X از مدهای جهت Y تفکیک شده و جدا گانه بررسی می شوند،اگر ستون بالا را در حالت سه بعدی مشاهده کنیم تصاویر زیر ایجاد خواهند شد.

به عبارت دیگر یک ستون  ساده سه طبقه داری سه مد نوسانی در راستای X و سه مد نوسانی در راستای Y می باشد.

به جهت تکمیل بحث اعمال بار لرزه ای توضیحاتی اضافی جهت درک بیشتر مطلب ارائه می گردد:

وقتی صحبت از تحلیل استاتیک و دینامیکی می شود چه تفاوتی بین این دو وجود دارد؟

تحلیل استاتیکی به تحلیلی گفته می شود که صرفا مد اول سازه را در بررسی موثر می داند و از اثر مدها نوسانی دیگر صرف نظر می کند.

تحلیل دینامیکی به تحلیلی گفته می شود که می تواند اثر مدهای بالاتر را نیز در نظر بگیرد.

همانطور که گفته شد تنها تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی به صورت مطلق رفتار دینامیکی سازه را تحلیل می کند و تحلیل طیفی با استفاده از تحلیل مدال سعی می کند رفتار دینامیکی سازه را بررسی کند در حالی که اساسا تحلیل دینامیکی به حساب نمی آید و بارگذاری در این تحلیل استاتیکی است در حالی که در تحلیل تاریخچه زمانی بارگذاری دینامیکی می باشد.

به طور کلی و به عنوان جمع بندی می توان گفت تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی در صورتی که با استفاده از شتاب نگاشت های مناسب انجام شود و مهندس طراح درک درستی از نحوه ی بررسی نتایح آن داشته باشد کامل ترین نوع تحلیل به حساب می آید.

قبل از معرفی روش های تحلیل غیر خطی توضیحاتی راجع به تفاوت تحلیل های خطی و غیر خطی ارائه می شود.

همانطور که در بخش معرفی سیستم های باربر جانبی تا حدودی توضیح داده شد،فلسفه ی طراحی لرزه ای به این صورت است که سازه به نحوی طراحی شود که در هنگام زلزله تعدادی از اعضایی از پیش تعیین شده و در شرایطی کاملا کنترل شده اصطلاحا آسیب ببینند و وارد ناحیه ی پلاستیک نمودار مصالح شوند.

این روش طراحی لرزه ای باعث می شود در هنگام زلزله مفاصل پلاستیک تشکیل شده انرژی زلزله را جذب کنند و با پذیرش تغییر شکل های پلاستیک ( غیر قابل بازگشت) جلوی بالارفتن نیروی زلزله در سازه را بگیرند. در  واقع به جای این که انرژی زلزله از طریق ایجاد شتاب باعث ایجاد نیرو در سازه شود،این انرژی در مفاصل پلاستیک تشکیل شده مستهلک شوند.

حال اگر در پروژه ای خاص وحساس بخواهیم هیچ مفصلی در سازه تشکیل نشود و تمام المان ها کاملا ارتجاعی رفتار کنند یا باید ابعاد المان های باربر جانبی را به اندازه ای زیاد کنیم که در هنگام زلزله آسیب ندیده و وارد ناحیه ی پلاستیک نشوند و صرفا از طریق مقابله ی نیرویی در برابر انرژی زلزله ایستادگی کنند، یا اینکه تجهیزات میرا کننده ی خارجی مثل انواع میراگر ها به سازه اضافه شود تا به جای اینکه المان های اصلی سازه ای بخواهند از طریق تشکیل مفصل پلاستیک انرژی زلزله را مستهلک کنند،میراگر ها این وظیفه را به عهده بگیرند.

عموما در سازه های معمول تشکیل مفصل پلاستیک پذیرفته می شود.

حال سوال اصلی:

ما می دانیم که در هنگام زلزله سیستم باربر جانبی وارد ناحیه ی غیر خطی مصالح می شود و باعث کاهش نیروی زلزله ی وارد شده به سازه می گردد، از چه طریقی می توانیم مقدارکاهش این نیرو را محاسبه کنیم؟

به عبارتی وقتی که قرار است به مقدار F = ma در سازه از طریق زلزله نیرو ایجاد شود،چه مقدار از این نیرو به وسیله ی مکانیزم های مفصل پلاستیک میرا می شود؟

آیین نامه های لرزه ای به دو صورت مقدار کاهش نیروی زلزله به واسطه ی شکل پذیری مفاصل پلاستیک

را محاسبه می کنند:

1- تجویزی

2- عملکردی

در روش تجویزی بر اساس مشخصات سیستم باربر جانبی آیین نامه یک عدد ثابت را ارائه می دهد که با نتایج تحقیقاتی و آزمایشگاهی محاسبه شده است و مقدار نیروی زلزله را به این عدد که بزرگتر از یک می باشد تقسیم می کند.به این عدد ضریب رفتار (Response Modification Coefficient) گفته می شود.

استاندارد 2800 این ضریب را با Ru و استاندارد ASCE 7-22 با R نشان می دهند.

به عبارت دیگر داریم نیروی زلزله برابر است با F=ma/Ru

در این روش آیین نامه با کاهش مقدار نیروی زلزله اثر استهلاک انرژی زلزله در مفاصل پلاستیک سیستم باربر جانبی را در نظر می گیرد،علی رغم این که اعداد تجویزی آیین نامه حاصل آزمایشات و تحقیقات فراوان است ولی به هرحال بعید است که دو سازه ای که حتی شباهت زیادی از نظر ساختاری باهم دارند در هنگام زلزله رفتاری یکسان از خود نشان دهند و شکل پذیری مساوی داشته باشند.به همین خاطر از محدودیت های روش های تجویزی می توان به این نکته اشاره نمود که برای تمام سازه هایی که از یک سیستم باربر جانبی مشابه استفاده می کنند فارغ از شکل و ارتفاع سازه یک ضریب ثابت برای در نظر گرفتن اثر استهلاک انرژی و ورود سازه به ناحیه ی غیر خطی ارائه می دهد.

در جدول صفحه ی بعد مقادیر Ru که در جدول شماره 3-4 استاندارد 2800 برای سیستم های باربر جانبی مختلف ارائه شده است مشاهده می کنید.

همانطور که از جدول فوق مشخص است بالاترین ضریب رفتار عدد 7.5 می باشد به این معنی که سیستم هایی که ضریب رفتار 7.5 دارند بیشترین قابلیت شکل پذیری را دارا هستند و می توانند تغییر شکل های پلاستیک بیشتری را تحمل کنند.با مقایسه ی سیستم های دیوار باربر و قاب ساختمانی متوجه می شویم که اگر در سازه ای بیشتر از 50 درصد بارهای ثقلی را دیوار ها تحمل کنند و جزو سیستم دیوارهای باربر شوند ضریب رفتار آن سیستم کمتر است از سیستم قاب ساختمانی با دیوار برشی، این اتفاق به معنی این است که هرچه بار ثقلی دیوار بیشتر باشد شکل پذیری آن کمتر می شود.

محدودیت های استفاده از سیستم های باربر جانبی به شرح زیرمی باشد:

1- استاندارد 2800 برای هر سیستم ارتفاع مجازی را ارائه می دهد،به این معنی که برای انتخاب سیستم باربر جانبی یک سازه ارتفاع آن سازه نباید از حداکثر اعلامی آیین نامه بیشتر باشد.در جدول بالا ستون H حداکثر ارتفاع مجاز هر سیستم را بر حسب متر نشان می دهد.

2- استفاده از سیستم های دیوار باربر برشی بتن آرمه معمولی ، قاب ساختمانی دیوار برشی بتن آرمه معمولی ، قاب خمشی بتن آرمه معمولی و قاب خمشی فولادی معمولی برای ساختمان های با اهمیت خیلی زیاد و زیاد ممنوع بوده و برای ساختمان های با اهمیت متوسط در مناطق لرزه خیزی 3 و 4 و برای ساختمان های با اهمیت کم در تمام مناطق مجاز می باشد.(تعاریف اهمیت ساختمان و مناطق لرزه ی خیزی در بخش محاسبات بارگذاری اراده می گردد)

3- ارتفاع مجاز در سیستم های قاب ساختمانی دیوار برشی بتن آرمه ویژه ، قاب ساختمانی با مهاربند واگرای ویژه و قاب ساختمانی مهاربند همگرای ویژه در صورتی برقرار سه شرط زیر از 50 به 75 افزایش پیدا می کند:

الف) خاک محل پرژه نوع IV نباشد.(تعریف انواع خاک در بخش محاسبات بارگذاری زلزله ارائه می گردد)

ب)سازه دارای نامنظمی شدید پیچشی نباشد.

پ) سازه در هر دو راستای X و Y دارای سیستم باربر جانبی در هر دوطرف مرکز جرم باشد.

4- در سیستم قاب ساختمانی مهاربند همگرای ویژه فولادی عدد ضریب رفتار بسته به عملکرد تیر پیوند می تواند 6 یا 7 باشد که این رفتار بعد از طراحی مشخص خواهد شد،لذا در ابتدا باید یکی از این اعداد را فرض کرده سپس بعد از مرحله ی طراحی آن را کنترل می کنیم.

برای توضیح بیشتر می توان گفت که تیرهای پیوند می توانند رفتار برشی یا خمشی داشته باشند، اگر این رفتار خمشی باشد مقدار ضریب رفتار 6 و اگر برشی باشد این مقدار 7 خواهد بود.

5- برای سازه های با اهمیت خیلی زیاد که قرار است در مناطق با خطر نسبی خیلی زیاد ساخته شوند فقط باید از سیستم هایی استفاده نمود که عنوان ویژه دارند. .(تعاریف اهمیت ساختمان و مناطق لرزه ی خیزی در بخش محاسبات بارگذاری اراده می گردد)

6- استفاده از سیستم های قاب ساختمانی و دیوارهای باربر برای سازه های بلند تر از 50 متر و یا با تعداد طبقات بیشتر از 15 ممنوع بوده و برای این سازه ها یا باید از سیستم های قاب خمشی ویژه استفاده نمود یا سیستم های دوگانه.

7- اگر سقف سازه سیستم دال تخت بدون تیر باشد و دیوار برشی یا سیستم مهاربندی به سازه اضافه نشود (یعنی کل سازه از ستون و دال تخت بدون تیر تشکیل شده باشد) آن گاه سیستم باربر جانبی چنین سازه ای،بر اساس بند 3-3-5-5 استاندارد 2800 قاب خمشی متوسط به حساب می آید، از این نوع سازه فقط برای ساختمان های با تعداد طبقات کمتر از 3 و کوتاه تر از 10 مترمی توان استفاده نمود.

بر اساس بند 9-20-5-5-9 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش99 استفاده از ترکیب دال تخت بدون تیر با ستون به عنوان قاب خمشی متوسط در سازه های با اهمیت بسیار زیاد و همچنین سازه هایی که قرار است در مناطق با خطر نسبی زلزله ی بسیار زیاد ساخته شوند مجاز نمی باشد.

لازم به ذکر است وجود یا عدم وجود سرستون و کتیبه تاثیری در محدودیت های فوق ندارد.

8- اگر در سازه ی بتن آرمه سقف سازه تیرچه بلوک باشد و تحت شرایطی ارتفاع تیرهای اصلی با ارتفاع تیرچه ها برابر باشد و ارتفاع تیر کمتر از 30 سانتی متر شود آن گاه چنین سازه ای مشمول محدودیت های بند قبل می شود.

 

استاندارد ASCE 7-22 در جدول شماره ی 1-2-12 ضریب رفتار سیستم های باربر جانبی را به شرح زیر ارائه می دهد:

تا به این جای کار سعی شد توضیحاتی راجع به فلسفه ی طراحی لرزه ای و نحوه ی برخورد آیین نامه با پدیده ی استهلاک انرژی به واسطه ی شکل پذیری سازه ارائه شود و گفتیم که استاندارد های لرزه ای با ارائه ی ضریب رفتار و کاهش نیروی زلزله ی وارد بر سازه از طریق این ضریب از ظرفیت شکل پذیری سیستم استفاده می کنند.

روش دیگری برای استفاده کردن از این ظرفیت وجود دارد که به آن روش عملکردی(Performance Based Design)

می گویند، در این روش به جای اینکه نیروی زلزله را با یک عدد تجویز شده از سوی آیین نامه کاهش دهیم سازه را با مشخصات غیرخطی مصالح مدل کرده و از تحلیل هایی استفاده می کنیم که قابلیت بررسی سازه بعد از تسلیم شدن مصالح را داشته باشند،به این ترتیب به جای استفاده ی غیر مستقیم از ظرفیت شکل پذیری سازه با ضریب رفتار ، مستقیما سازه را وارد ناحیه ی غیر خطی می کنیم و تا حد مجاز از ظرفیت شکل پذیری آن استفاده خواهیم کرد.کاملا واضح است در این روش به واسطه این که هر سازه بر اساس رفتار خودش نیروی زلزله را کاهش می دهد نه بر اساس تحقیقات و نتایج آزمایشگاهی، دقت نیز بالاتر می باشد.

به طور عمومی آیین نامه ها دو روش تحلیلی غیر خطی را معرفی می کنند:

1- استاتیکی غیر خطی(Pushover)

2- دینامیکی تاریخچه زمانی غیر خطی (Nonlinear Response History)

 

الف) معرفی روش تحلیل استاتیکی غیر خطی (Pushover)

در این روش بر خلاف روش های قبل به جای اینکه شتاب زلزله تبدیل به نیرو در سازه شود، براساس ضوابط آیین نامه ای و مشخصات پروژه یک تغییر مکان هدف برای بام ساختمان تعیین می شود و سازه باید به نحوی طراحی شود که بتواند این تغییر مکان را تحمل کند و عملکرد مورد انتظار از خود را نشان دهد.

دقت داشته باشید که در روش های غیر خطی به جای این که فرض کنیم چه تعداد مفصل در سازه تشکیل می شود و بر اساس آن ضریب رفتار را انتخاب کنیم(آیین نامه در روش تجویزی به این شکل عمل می کند) می توانیم تعداد مفاصل پلاستیک تشکیل شده در سازه را طی تحلیل های غیر خطی مشاهده کنیم.

در روش پوش آور با استفاده از یک الگوی بار مشخص سازه را به قدری هل می دهیم تا مرکز جرم بام به نقطه ی از پیش محاسبه شده برسد،سپس بررسی می کنیم که آیا سیستم باربر جانبی چه مقدار وارد ناحیه ی غیر خطی شده است؟ آیا این مقدار مورد تایید آیین نامه هست؟ آیا مقدار آسیب ایجاد شده در سازه عملکرد آن را مختل نمی کند؟ اگر سازه ضوابط مورد نظر را اقناع نکند باید مشخصات سیستم باربر جانبی تغییرکند و مجدد تحلیل انجام شود و این روند ادامه پیدا می کند تا تمامی ضوابط اعمال شوند.

این روش در استاندارد ASCE 7-22 وجود ندارد.

نکته ی بسیار بسیار مهم :

در روش های تحلیل خطی ما نیرویی که زلزله بر روی المان های سیستم باربر جانبی ایجاد می کند را محاسبه می کنیم سپس آن المان را به شکلی طراحی می کنیم که بتواند آن نیروها راتحمل کند،حال این تحمل کردن می تواند از طریق مقابله ی نیرویی باشد یا استهلاک از طریق پذیرش تغییر شکله ای پلاستیک، اما در روش های غیر خطی ما باید کل سازه را به صورت کامل مدل کنیم و طی تحلیل های غیر خطی عملکرد آن را بررسی کنیم. به بیان دیگر برای استفاده از این روش ها ابتدا باید سازه را با استفاده از یکی از روش های خطی طراحی کنیم به صورتی که تمام مقاطع و المان ها مشخص شود(تحت بارهای ثقلی و جانبی)، سپس سازه ی طراحی شده را با استفاده از تحلیل های غیر خطی بررسی خواهیم کرد تا نحوه ی عملکرد دقیق آن مشخص شود.

 

ب) معرفی روش تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیر خطی (Nonlinear Response History)

در این روش تمام مواردی که راجع به خاصیت تحلیل غیر خطی پوش آور گفته شد صدق می کند و فقط نحوه ی اعمال انرژی زلزله به سازه متفاوت است.

در این روش مانند روش تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی خطی شتاب نگاشت های حاصل از زلزله های پیشین را به سازه اعمال می کنیم و پاسخ های سازه را بعد از این که المان های باربر جانبی آن وارد ناحیه غیر خطی مصالح شوند بررسی می کنیم.

نکته ای که لازم است راجع به خاصیت غیر خطی شدن سازه ها افزود این است که ما از ظرفیت شکل پذیری سازه ها و ورود المان های آن به ناحیه ی غیر خطی فقط برای انرژی زلزله می توانیم استفاده کنیم،به طور مثال نمی توان گفت یک تیر را به نحوی طراحی کنیم که 50 درصد بار ثقلی وارد بر خود را با مکانیزم نیرویی تحمل کند و بعد از آن وارد ناحیه ی پلاستیک شود و با افزایش تغییر شکل نیروی ثقلی را خنثی کند!!

یک سازه باید بتواند تمامی بار های ثقلی و حتی نیروی باد را به صورت کامل از طریق مقابله ی نیرویی تحمل کند،زیرا فلسفه شکل پذیری به معنی پذیرش آسیب در سازه است و ما نمی خواهیم سازه تحت بار ثقلی آسیب ببیند و وارد ناحیه ی غیر ارتجاعی شود بلکه صرفا برای پدیده زلزله که ممکن است سازه حتی آن را تجربه نکند و نیرویی بسیار زیاد ایجاد می کند منطقی نیست که المان ها را به شکلی طراحی کنیم که تمام این نیروی عظیم را به وسیله ی مقابله ی نیرویی تحمل کند و می پذیریم که به صورت کنترل شده تعدادی از المان های سازه(سیستم باربر جانبی) هنگام زلزله آسیب ببینند و وارد ناحیه ی غیر خطی شوند تا مقداری از این نیروی عظیم را مستهلک کنند و برای ساکنین فرصت جهت تخلیه ی سازه ایجاد شود.

همانطور که تا الان متوجه شده اید روش های ذکر شده دارای میزان دقت متفاوتی هستند به همین منظور استاندارد های لرزه ای برای هر کدام محدودیت کاربردی درنظر گرفته اند تا با توجه به پیچیدگی ها و حساسیت های سازه روش مناسب انتخاب شود.

در زیر محدوده ی کاربرد هر یک بیان می شود:

الف) محدوده ی کاربرد روش تحلیل استاتیکی معادل (Equivalent Lateral Force)

این روش تحلیل را فقط در ساختمان های زیر می توان استفاده نمود:

1- ساختمانی که تعداد طبقات آن کمتر از 3 باشد.

2- ساختمان های با ارتفاع کمتر از 50 متر به شرطی که هیچ کدام از نامنظمی های زیر را نداشته باشند:

-نامنظمی زیاد پیچشی

-نامنظمی شدید پیچشی

-نامنظمی جرمی

-نامنظمی سختی جانبی

–

ب) محدوده ی کاربرد روش تحلیل دینامیکی طیفی (Modal Response Spectrum)

این روش هیچ محدودیتی ندارد و در کلیه ی سازه ها می توان از آن استفاده نمود.

ج) محدوده ی کاربرد روش تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی (Response History)

این روش هیچ محدودیتی ندارد و در کلیه ی سازه ها می توان از آن استفاده نمود.

ه) محدوده ی کاربرد روش تحلیل استاتیکی غیر خطی (Pushover)

این روش فقط در سازه هایی که شرط زیر داشته باشند قابل استفاده است:

– سازه هایی که در آن اثر مدهای بالاتر کم باشد، به بیان دیگر تاثیر مد اول در نحوه ی حرکت نوسانی سازه نسبت به سایر مدها بالاتر باشد.برای تشخیص این موضوع باید از تحلیل دینامیکی طیفی استفاده نمود که نحوه ی انجام این کنترل در قسمت کنترل های سازه ای ارائه می گردد.

و) محدوده ی کاربرد روش تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیر خطی (Nonlinear Response History)

این روش هیچ محدودیتی ندارد و در کلیه ی سازه ها می توان از آن استفاده نمود.