زلزله طرح و زلزله بهره برداری

زلزله طرح و زلزله بهره برداری

 تعیین مقدار نیروهای جانبی وارد بر سازه، یکی از گام­ های اساسی در طراحی سازه­ ها می­ باشد. این نیروها می تواند از روش های خطی (مانند تحلیل استاتیکی معادل، تحلیل طیفی و تاریخچه زمانی) یا روش های غیرخطی تعیین شود.  برای این کار لازم است سطحی از زلزله را به عنوان زلزله مبنای طراحی در نظر بگیریم. استاندارد 2800 زلزله ایران برای کلیه ساختمان­ های با اهمیت زیاد و خیلی زیاد و نیز ساختمان­ های بلندتر از 50 متر و بیش از 15 طبقه، کنترل زلزله بهره­ برداری را الزامی دانسته است. این کنترل خصوصاً در سازه­ های با شکل­ پذیری ویژه و Ru های بزرگ تعیین کننده می­ باشد.(چرا؟پاسخ را با خواندن کامل متن خواهید یافت.)

موضوع زلزله بهره ­برداری را کمتر در بحث­ های عمومی طراحی دیده­ ایم. در این مقاله تلاش می­ کنیم که برای پرسش ­های زیر پاسخ مناسبی را پیدا کنیم:

  1. بندهای آیین­ نامه در خصوص زلزله بهره ­برداری چیست؟
  2. تفاوت زلزله بهره­ برداری با زلزله طرح چیست؟
  3. مفاهیم آماری سطح خطر زلزله طرح و زلزله بهره­ برداری چیست؟
  4. تعریف سطح عملکرد سازه چیست؟

سطح خطر زلزله

سطح خطر به معنی درصد احتمال وقوع زلزله در یک بازه زمانی مورد نظر می ­باشد. این بازه زمانی عمدتاً طول عمر مفید سازه خواهد­بود.

زلزله طرح (سطح خطر1)

معادل سطحی از حرکت­ های زمین است که احتمال فراگذشت از آن 10% در 50 سال می­ باشد. این سطح خطر معادل دوره بازگشت 475 سال است. این سطح خطر را در استاندارد2800، تحت عنوان زلزله طرح می­ شناسیم.

زلزله بهره برداری

به همین شکل سطح خطر نظیر زلزله بهره­ برداری تعریف می­ شود. این زلزله معادل سطحی از حرکت­ های زمین خواهد­ بود که احتمال فراگذشت از آن 99.5% در 50 سال می­ باشد. یعنی دوره بازگشت این زلزله حدود 10 سال است.

با مطالعه متن فوق متوجه می­ شویم:

  1. طول عمر مفید سازه بر اساس آیین­ نامه 50 سال انتخاب شده­ است.
  2. در طول این 50 سال با احتمال نزدیک به یقین سازه زلزله بهره­ برداری را تجربه خواهد کرد.
  3. احتمال تجربه زلزله طرح در طول 50 سال عمر سازه به­ مراتب کمتر است.

نگاهی به آیین نامه

استاندارد 2800 در بخش اهداف طراحی لرزه­ ای، بند زیر را بیان می ­کند:

کلیه ساختمان های بلندتر از 50 متر و یا بیشتر از 15 طبقه و نیز کلیه ساختمان های با اهمیت زیاد و خیلی زیاد در اثر زلزله بهره برداری آسیبی نبینند و قابلیت بهره برداری خود را حفظ کنند.

برای اینکه سازه در اثر زلزله بهره­ برداری آسیبی نبیند و در واقع قابلیت بهره­ برداری خود را حفظ کند؛ آیین­ نامه الزاماتی را بیان کرده است. برای این منظور ترکیب بارهای سطح بهره­ برداری را که بدون ضریب بار هستند تعریف می­ کنیم.

در ترکیب بارهای سطح بهره­ برداری نیروی زلزله چگونه محاسبه می­ شود؟

در بند 3-11-3 استاندارد 2800، گفته شده که مشخصات حرکت زمین در زلزله سطح بهره­ برداری باید مشابه زلزله طرح، در نظر گرفته شود. پس فرمول کلی ضریب زلزله بهره­ برداری نیز  C=ABI/Ru خواهدبود.

اما زلزله بهره­ برداری نسبت به زلزله طرح قدرت کمتری دارد. در علم مهندسی زلزله قدرت کمتر یعنی شتاب کمتر، پس در محاسبه زلزله بهره­ برداری شتاب مبنای طرح را به یک ششم مقدار خود کاهش می­ دهیم.

همچنین چون قرار است در زلزله بهره­ برداری سازه کاملاً قابل استفاده بماند در نتیجه تغییرشکل ­ها بسیار محدود بوده و مفاصل پلاستیک نیز نباید تشکیل شوند. لذا ضریب رفتار (Ru) در محاسبه ضریب زلزله بهره­ برداری برابر با یک منظور می­ گردد.

به این ترتیب در روش تحلیل استاتیکی معادل مقدار برش پایه در سطح بهره­ برداری از رابطه زیر محاسبه می­ شود.

Vser = ABIW/6

تفاوت زلزله طرح و بهره برداری

در استاندارد 2800، دو سطح زلزله برای محاسبه‌ نیروی زلزله وارد بر سازه در نظر گرفته شده است. همانطور که در بخش قبل خواندیم:

زلزله شدید یا زلزله طرح، زلزله ­ایست که احتمال وقوع آن در ۵۰ سال عمر مفید سازه ۱۰% باشد.

زلزله خفیف یا زلزله بهره برداری ، زلزله ­ایست که احتمال وقوع آن در ۵۰ سال عمر مفید سازه ۹۹٫۵% باشد.

دیگر تفاوت­ های اساسی زلزله بهره ­برداری و زلزله طرح را می ­توان به صورت زیر بیان کرد:

  1. زلزله بهره برداری در آیین نامه 2800، تنها برای ساختمان های با اهمیت خیلی زیاد و زیاد مطرح می ­شود در حالی که زلزله طرح برای کلیه ساختمان­ ها بایست اعمال شود.
  2. تفاوت دیگر در سطح عملکرد سازه می باشد (سطوح عملکرد سازه در بخش تکمیلی به تفصیل آورده شده است.)، یعنی در زلزله بهره برداری باید از سطح عملکرد بی وقفه استفاده گردد تا در هنگام وقوع زلزله خللی در کاربری سازه بوجود نیاید.
  3. در سازه­ های بتن­ آرمه بایست ممان اینرسی مقطع ترک­ خورده با ضرایبی اصلاح شود. در زلزله طرح برای تیرها ضریب اصلاح 0.35، برای ستون ها 0.7 و برای دیوارهای نسبت به میزان ترک­ خوردگی 0.35 یا 0.7 می­ باشد. اما برای زلزله بهره­ برداری مقادیر این ممان اینرسی­ ها را می ­توان تا 1.5 برابر افزایش داد. توضیحات بیشتر را می توانید درمقاله “ضرایب ترک خوردگی تیر و ستون” و مقاله “ضرایب ترک خوردگی دیوار برشی” ببینید.

ضرایب ترک خوردگی

زلزله طرح :

  • تیر: 0.35
  • ستون: 0.7
  • دیوار ترک نخورده: 0.7
  • دیوار ترک خورده: 0.35

زلزله بهره برداری :

  • تیر: 0.5
  • ستون: 1
  • دیوار ترک نخورده: 1
  • دیوار ترک خورده: 0.5
  1. با تغییراتی که در ضرایب ترک­ خوردگی به­ وجود آوردیم، سازه سخت­ تر شده و متعاقباً دوره تناوب اصلی آن کاهش خواهد یافت. با کاهش پریود ضریب بازتاب و برش پایه بیشتر می­ شود.
  2. در زلزله بهره ­برداری می­توان از اثر پی- دلتا نیز صرف نظر کرد. ولی در زلزله طرح باید اثر آن منظور شود.
  3. نحوه محاسبه و الزامات تغییرمکان جانبی نسبی در زلزله طرح و بهره­ برداری متفاوت می ­باشد. این تفاوت را در مقاله “کنترل زلزله بهره برداری در ایتبس “کاملا توضیح داده ایم.

آیا به غیر از زلزله طرح و بهره­ برداری سطح زلزله دیگری هم وجود دارد؟

قطعاً سطوح دیگری از خطر نیز وجود دارند؛ بطور مثال در کشوری همچون ژاپن که احتمال رخداد زلزله ­های قوی در بازه­ های زمانی کم وجود دارد می­ توان سطح دیگری از خطر را به­ صورت زیر معرفی نمود:

سطح خطر2. معادل سطحی از حرکت­های زمین است که احتمال فراگذشت از آن 2% در 50 سال می­ باشد. این سطح خطر معادل دوره بازگشت 2475 سال خواهد بود. سطح خطر 2 بیشینه زلزله محتمل MPE) Maximum Probable Earthquake) نامیده می­ شود.

لازم به ذکر است سطوح خطر دیگری نیز قابل تعریف هستند که به علت اهمیت کم به آنها نمی­ پردازیم. 

سطح عملکرد سازه

مفهوم طراحی لرزه­ ای ساختمان­ها با دو تعریف مهم قابل بررسی است. تعریف اول را که سطح خطر می­ باشد پیش­تر بررسی نمودیم؛ تعریف دیگر سطح عملکرد سازه است. در واقع همواره تلاش می­ کنیم در ازای یک سطح خطر مشخص بسته به کاربری سطح عملکرد مناسبی را ایجاد کنیم. مثلاً برای یک بیمارستان که در کشوری همچون ژاپن واقع شده، اولاً باید سطح خطر بالایی را برای ساختمان در نظر بگیریم، ثانیاً به علت کاربری بیمارستان، سطح عملکرد بصورت قابلیت استفاده بی­ وقفه باشد تا بتوان امداد و نجات را انجام داد. سطوح عملکرد اجزای سازه­ ای به شرح زیر می­ باشد:

  1. قابلیت استفاده بی­ وقفه؛ یعنی در اثر وقوع زلزله محتمل، مقاومت و سختی اجزای سازه ­ای تغییر قابل توجهی پیدا نکند و استفاده بی­ وقفه از ساختمان ممکن باشد.
  2. ایمنی جانی؛ یعنی در اثر وقوع زلزله محتمل، خرابی در سازه ایجاد شود، اما میزان خرابی به اندازه­ ای نباشد که منجر به خسارت جانی شود.
  3. آستانه­ فروریزش؛ یعنی در اثر وقوع زلزله محتمل، خرابی گسترده ایجاد شود ولی ساختمان فرو نریزد.
  4. خرابی محدود؛ یعنی در اثر وقوع زلزله محتمل، خرابی در سازه به میزان محدود ایجاد شود و با انجام تعمیر بتوان بخش­ های آسیب­ دیده را اصلاح کرد و بهره­ برداری را ادامه داد.
  5. ایمنی جانی محدود؛ یعنی در اثر وقوع زلزله محتمل، خرابی در سازه ایجاد شود اما میزان خرابی به اندازه­ ای باشد که خسارت جانی حداقل شود.

حال که با مفاهیم زلزله بهره برداری و تفاوت های آن با زلزله طرح آشنا شدیم؛ در ادامه می توانید” کنترل زلزله بهره برداری در نرم افزار ایتبس “را  برای سازه های بتن آرمه و سازه های فولادی در مقاله مربوطه مشاهده نمایید و اطلاعاتتان را در اینباره تکمیل کنید.

منابع:

  1. آیین­ نامه طراحی ساختمان­ ها دربرابر زلزله، استاندارد 2800، ویرایش 4.
  2. مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سوم سال 1392.
  3. جزوه راهنمای طراحی ساختمان­های بتنی و فولادی تالیف دکتر حسین­ زاده­ اصل­.
0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *