بررسی مفهوم زلزله تشدید یافته و نحوه طراحی اعضای بتن آرمه و فولادی برای آن

در بحث طراحی سازه ها، با دو نوع ترکیب بار مواجه هستیم. یک سری از ترکیب بارها عادی هستند. این ها همان ترکیب بارهایی می باشد که در طراحی تمامی اعضا و بخش های سازه باید کنترل شوند. دسته دوم ترکیب بارهای ویژه لرزه ای هستند. طراح باید در اعضای خاص و شرایط ویژه، علاوه بر ترکیب بارهای عادی، ترکیب بارهای ویژه لرزه ای را نیز کنترل نماید. اینکه چه اعضایی خاص تلقی می شوند و چگونه باید در آن ها اثر زلزله تشدید یافته را منظور نمود مطالبی هستند که تا انتهای مقاله پاسخ آن ها را خواهیم یافت. همچنین خواهیم دانست که:

  1. مفهوم زلزله تشدید یافته چیست؟
  2. چه ارتباطی میان زلزله تشدید یافته و ترکیب بارهای ویژه لرزه ای وجود دارد؟
  3. ضریب اضافه مقاومت چیست؟
  4. نحوه طراحی اعضای بتن آرمه و فولادی برای زلزله تشدید یافته چگونه است؟
  5. کنترل زلزله تشدید یافته در سازه های با دو سیستم باربر جانبی متفاوت در دو جهت به چه شکل است؟

یادآوری و تکمیل

نیروی افقی زلزله را در نظر بگیرید که به مرکز جرم طبقه وارد شده و با عملکرد دیافراگم کف به اعضای باربر جانبی منتقل می شود. نیروهای برشی زلزله در طبقات توسط اعضای باربر جانبی دریافت شده و باید به فونداسیون و نهایتاً زمین منتقل شوند. در مواردیکه این انتقال نیرو از سازه به زمین به طور منظم و بدون مشکل انجام شود، خیالمان راحت است. اما اگر در اجزایی که انتقال نیرو را بر عهده دارند مشکلی ایجاد شود، به این مفهوم است که در مسیر انتقال نیرو از طبقات سازه به پی و زمین نامنظمی رخ داده است. در صورت وجود نامنظمی در هر کجای مسیر انتقال نیرو، باید کنترل ها بر اساس زلزله تشدید یافته باشد.

گاهاً حتی بدون وجود نامنظمی در مسیر انتقال نیرو، باید از زلزله تشدید یافته استفاده کنیم. سازه های بتن آرمه و فولادی هر یک بنا به وضعیت های موجود تحت ترکیب بارهای ویژه لرزه ای کنترل می شوند. به طور مثال ستون هایی که نیروی محوری آنها از یک حدی زیادتر باشد، طبق بند 10-3-6-1 مبحث دهم باید برای ترکیب بارهای لرزه ای نیز کنترل شوند. علت این کنترلِ مضاعف این است که ستون های فلزی تحت اثر فشار خالص شکل پذیری کمتری داشته و ضربه زلزله وارد بر آنها بیشتر خواهد بود.

 

موارد کاربرد زلزله تشدید یافته

  1. مطابق ACI-318-14 در محاسبه آرماتور عرضی ستون های بتن آرمه از زلزله تشدید یافته استفاده می شود. یعنی در سازه های بتن آرمه، زلزله تشدید یافته برای کنترل برش موجود در ستون ها کاربرد دارد. توجه داشته باشید که در متن مبحث نهم مقررات ملی ساختمان از زلزله تشدید یافته استفاده نشده است.
  2. در سازه های فولادی نیز همانطور که در بخش قبل بیان شد، کنترل زلزله تشدید یافته برای جلوگیری از کمانش است. یعنی در طراحی ستون ها، باید مقاومت محوری تحت زلزله تشدید یافته و بدون حضور خمش و برش کنترل شود.
    هم چنین طبق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، کف­ ستون­ ها (Base Plate)، وصله ستون­ ها و وصله ­ی تیرها در اسکلت فولادی نیز باید برای زلزله­ ی تشدید­یافته طراحی گردند.
  3. در مواردی که شاهد نامنظمی در مسیرهای انتقال نیروی زلزله هستیم باید کنترل با زلزله تشدید یافته صورت گیرد. به طور مثال می توان به بندهای زیر در استاندارد 2800 اشاره نمود:

افزایش بار جانبی در اعضای خاص و جمع کننده ها در استاندارد 2800

جهت آشنایی بیشتر با انواع نامنظمی های پلان و ارتفاع ، حتما ویدئوهای رایگان تفسیر استاندارد 2800 ویرایش 4 قسمت دوم و قسمت سوم را ببینید.

نحوه اعمال زلزله تشدید یافته در طراحی جمع کننده های دیافراگم که در بند بالا به آن اشاره شد در مقاله” کنترل و طراحی جمع کننده ها در دیافراگم” بیان شده است. شما می توانید با مطالعه این مقاله کوتاه پیش زمینه مناسبی برای درک مطالبی که در ادامه مطرح می شود کسب کنید.

تا این بخش از مقاله بارها از واژه زلزله تشدید یافته استفاده کرده ایم. در حال حاضر می دانیم که کدام اعضای سازه باید برای زلزله تشدید یافته کنترل شوند. اما …

اساساً این زلزله تشدید یافته با زلزله معمولی چه تفاوتی دارد؟

قبل از پاسخ دادن به این سوال توصیه اکید می شود که حتما مقاله ی ” ضریب اضافه مقاومت (Ω0) ” را مطالعه نمایید!

اما در پاسخ به سوال فوق، با یک تعریف ساده می توان گفت که زلزله تشدید یافته همان زلزله عادی است که با یک ضریب بزرگنمایی، تشدید شده است. این ضریب را با Ω0 نشان می دهیم. به عبارت علمی تر برای ساختن ترکیب بارهای ویژه لرزه ای به ضریبی نیاز است که در زلزله طرح ضرب شود. یعنی داریم:

ترکیب بار زلزله تشدید یافته

1.2D+L+E+0.2S :: ترکیب بار عادی

1.2D+L+Ω0E+0.2S: ترکیب بار ویژه لرزه ای

با این کار به جای زلزله طرح (E) زلزله تشدید یافته (Ω0E) در ترکیبات بار وارد می شود. مقدار این ضریب در سازه های مختلف متفاوت است. آیین نامه برای سیستم های باربر جانبی مختلف ضرایب Ω0 را در جدول زیر آورده است.

ضریب اضافه مقاومت (Ω0) در آیین نامه 2800

سایر بندهای آیین نامه ای مرتبط با زلزله تشدید یافته :

با توجه به تسلط نسبی بر موضوع زلزله تشدید یافته به سراغ بیان و تفسیر بندهای آیین نامه ای می رویم. روش های مورد تایید آیین نامه برای طراحی سازه، یکی تنش مجاز و دیگری طراحی بر اساس مقاومت است. استاندارد2800 در شرایطی که از روش طراحی بر اساس مقاومت استفاده می کنیم بند زیر را بیان می نماید:

عدم نیاز به در نظر گرفتن ضریب اضافه مقاومت در مولفه قائم زلزله

در بند فوق منظور از جمله ” در ترکیب بارهای زلزله با سایر بارها، بارهای جانبی و قائم زلزله باید با ضریب بار 1 در نظر گرفته شوند.” همان ترکیب بارهای عادی می باشد. همانطور که پیش تر هم گفته شد برای کلیه اعضا باید کنترل براساس ترکیب بارهای عادی صورت گیرد. در ادامه بند 3-12-2 به مواردی اشاره می کند که بایست کنترل اعضا بر اساس زلزله تشدید یافته صورت گیرد. در اینجا به دو نکته می توان اشاره کرد:

نکته1. برای ایجاد ترکیب بارهای ویژه لرزه ای باید بار جانبی طرح در ضریب اضافه مقاومت (Ω0) ضرب شود.

نکته2. در کنترل سازه تحت ترکیب بارهای ویژه لرزه ای لازم نیست که مولفه قائم زلزله در ضریب اضافه مقاومت ضرب شود. به عبارت دیگر نیازی به تشدید اثر زلزله قائم وجود ندارد.

توصیه می شود برای تسلط هر چه بیشتر مقاله” بررسی فلسفه اعمال زلزله قائم در سازه­ ها و گام بندی تنظیمات نرم ­افزاری ” مطالعه شود. بعد از بررسی مقاله زلزله قائم و مطالب این مقاله متوجه خواهید شد که چرا ما در نرم افزار ETABS زلزله قائم را از نوع other تعریف می کنیم.

مطالبی که بررسی کردیم شاید این احساس را به وجود بیاورند که کنترل زلزله تشدید یافته باید بسیار پیچیده باشد. اما توجه داشته باشید که در نرم افزارهای ETABS , SAP زلزله تشدید یافته در صورت تنظیم پارامترهای آن به طور خودکار کنترل می شود. ما نیز قصد داریم در ادامه ی این مقاله به صورت گام بندی شده، نحوه تنظیم پارامترهای طراحی را برای سازه های فولادی و بتن آرمه به تفکیک بررسی نماییم.

  1. اعمال زلزله تشدید یافته در سازه های بتن آرمه

در طراحی لرزه ای سازه ها، مبحث نهم اشاره ای به اعمال زلزله تشدید یافته نکرده است. اما در ویرایش های 2011 و 2014 آیین نامه آمریکا کنترل زلزله تشدید یافته تعریف شده است. به گونه ای که حداکثر مقدار برش در ستون ها ، با ترکیب بارهایی که در آنها اثر زلزله با Ω0 تشدید شده است کنترل می شود.

در جهت محافظه کاری بیشتر اگر بر مبنای آیین نامه آمریکا عمل کنیم باید ضریب اضافه مقاومت در نرم افزار معرفی شود. با تعریف ضریب اضافه مقاومت در نرم افزار، زلزله تشدید یافته به صورت خودکار کنترل خواهد شد. نحوه کار را در قالب تصاویر زیر مشاهده می نمایید:

ویرایش آیین نامه طراحی سازه های بتن آرمه

ویرایش آیین نامه طراحی سازه های بتن آرمه

تغییر ضریب اضافه مقاومت پیش فرض نرم افزار

تغییر ضریب اضافه مقاومت پیش فرض نرم افزار

مقدار ضریب اضافه مقاومت(Ω0) را بر اساس جدول 3-4 استاندارد 2800 تعیین می نماییم. در مثال فوق چون سیستم باربر جانبی قاب خمشی بتن آرمه بود این ضریب برابر با 3 می باشد.

پرسش. با توجه به اینکه مبحث نهم اشاره ای به زلزله تشدید یافته در سازه های بتن آرمه نداشته است آیا این مساله باعث ایجاد ضعف در طراحی خواهد شد؟

در پاسخ به این سوال باید گفت : علم مهندسی سازه بیشتر از آن که آیین نامه محور باشد باید با قضاوت مهندسی همراه گردد.

با توجه به آیین نامه آمریکا در سازه های بتن آرمه، Ω0 در محاسبه آرماتورهای برشی ستون ها کاربرد دارد و می دانیم که آرماتورهای برشی ستون ها به دو شکل تنگ های بسته و دورپیچ اجرا می شوند.

هنگامی که از تنگ های بسته به عنوان آرماتورهای برشی استفاده می کنیم؛ باید گوشه بودن آرماتورهای طولی تامین شود. بنابراین معمولاً بیشتر از نیاز برشی ستون ها آرماتور عرضی قرار می گیرد. به تصویر زیر توجه نمایید:

کنترل گوشه بودن آرماتورهای طولی ستون بتنی

کنترل گوشه بودن آرماتورهای طولی ستون بتنی

برای آشنایی بیشتر با ضوابط مبحث نهم در خصوص کنترل گوشه بودن آرماتورهای طولی ستون می توانید مقاله و ویدئوی رایگان ” نحوه طراحی خاموت ستون را بیاموزیم!” از سری آموزش های سبزسازه ببینید.

همچنین برای رسیدن به شرایط دورپیچ ، مشابه تنگ بسته، ضوابط سخت گیرانه ای وجود دارد؛ که برای اطلاعات بیشتر می توانید آموزش مفهومی “پشت پرده ی طراحی سازه های بتنی – بخش دوم ستون ها ” را ببینید.

لذا در کل می توان اینطور قضاوت کرد که، عدم اعمال Ω0 مطابق نظر مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، اهمیت چندانی نخواهد داشت.

حال پس از درک نحوه ی اعمال ضریب اضافه مقاومت در طراحی سازه های بتنی، نوبت به یادگیری چگونگی اعمال زلزله تشدید یافته در سازه های فولادی می رسد…

  1. اعمال زلزله تشدید یافته در سازه های فولادی

در سازه های فولادی یکی از مدهای خرابی بسیار خطرناک، کمانش ستون هاست. در این سازه ها مقاومت محوری ستون ها باید تحت ترکیب بارهای ویژه لرزه ای کنترل شوند. علت این کنترل مضاعف جلوگیری از رخداد کمانش می باشد.

بر خلاف سازه های بتن آرمه کنترل زلزله تشدید یافته در سازه های فولادی، هم در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و هم درآیین نامه  AISC مطرح شده است. بند زیر از مبحث دهم به اعمال اثر زلزله تشدید یافته اشاره می کند:

اعمال اثر زلزله تشدید یافته طبق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان

در سازه های فولادی نیز، مشابه سازه های بتنی، با اعمال صحیح ضریب اضافه مقاومت، نرم افزار به صورت خودکار اثر آن را در طراحی سازه منظور می کند. ضریب اضافه مقاومت در جدول فوق و نیز جدول 3-4 استاندارد 2800 قابل مشاهده است.

نحوه اعمال ضریب Ω0 را در قالب تصاویر زیر مشاهده می کنید؛ روند کار کاملاً مشابه با سازه های بتن آرمه می باشد.

ویرایش آیین نامه طراحی سازه های فولادی

ویرایش آیین نامه طراحی سازه های فولادی

تغییر ضریب اضافه مقاومت پیش فرض نرم افزار

تغییر ضریب اضافه مقاومت پیش فرض نرم افزار

همانطور که مشاهده شد، روند کلی اعمال ضریب اضافه مقاومت در سازه های فولادی و بتنی بسیار ساده است.

اما در ادامه ی بحث، توجه شما را به دو نکته ی مهم و یک پرسش اساسی جلب می کنیم:

نکته1. اگر سازه ما از نوع فولادی با سیستم باربر جانبی قاب ساده توام با مهاربندی باشد. نیروهای محوری فشاری زیادی در ستون های اطراف مهاربندها به وجود خواهد آمد. به همین دلیل ضریب اضافه مقاومت در طراحی ستون های مجاور مهاربند بسیار تاثیر گذار خواهد بود. پس در جانمایی مهاربندها در پلان حتماً به این موضوع توجه داشته باشیم تا ستون های ما غیر اقتصادی نشوند.

نکته2. در سازه های فولادی بسیار معمول است که در یک جهت پلان سیستم باربر جانبی قاب ساده توام با مهاربندی و جهت دیگر قاب خمشی باشد. دلیل این کار مزاحمتی است که مهاربندها برای معماری پروژه ایجاد می کنند. توضیحات تکمیلی تر در این خصوص و راهکارهای مناسب را می توانید در مقاله” بررسی الزامات طراحی مهاربند­های همگرای ویژه فولادی ” مطالعه نمایید.

ضریب اضافه مقاومت متفاوت در دو جهت سازه

ضریب اضافه مقاومت متفاوت در دو جهت سازه

مطابق تصویر بالا، ستون های متصل به مهاربند در یک جهت با Ω0=2 و در جهت دیگر با Ω0=3 کنترل خواهند شد. این در حالیست که نرم افزار برای کل سازه تنها یک ضریب اضافه مقاومت در نظر می گیرد.

پرسش بسیار مهم. در مواردی که در یک جهت پلان سیستم باربر جانبی قاب ساده توام با مهاربندی و جهت دیگر قاب خمشی باشد، نحوه اعمال Ω0 در نرم افزار به چه صورت خواهد بود؟

برخی از مهندسین در جهت محافظه کاری بیشتر و ساده شدن کار، Ω0=3 را به نرم افزار معرفی می کنند. با این عمل در واقع زلزله در هر دو جهت با ضریب بزرگتری تشدید می شود. اما طراحانی که سعی بر اقتصادی شدن طرح خود دارند، از روش دیگری استفاده می کنند که در ادامه آن را توضیح می دهیم:

کنترل زلزله تشدید یافته در سازه های با دو سیستم باربر جانبی متفاوت

برای درک بهتر این قسمت، مطالب را درقالب یک مثالِ جامع و بصورت گام به گام آورده ایم:

مثال. کنترل دقیق Ω0 در ستون هایی که در یک جهت جزئی از قاب خمشی و در جهت دیگر جزئی از سیستم مهاربندی هستند.

گام1. از فایل اصلی نرم افزار یک Save as تحت عنوان Omega تهیه می کنیم.

گام2. در فایل جدید از منوهای زیر مقادیر Ω0 را برابر یک قرار می دهیم.

ویرایش آیین نامه طراحی سازه های فولادی

ویرایش آیین نامه طراحی سازه های فولادی

امگا=1

امگا=1

انتخاب المان ها و ویرایش آیین نامه طراحی سازه های فولادی

انتخاب المان ها و ویرایش آیین نامه طراحی سازه های فولادی

امگا=1

امگا=1

 

گام3. در قسمت load case نیروهای زلزله را بسته به جهتشان 2 یا 3 برابر می کنیم. در سازه مثال ما چون جهت X قاب خمشی و جهت Y مهاربندی است تغییرات به صورت زیر خواهد بود.

تغییرات در قسمت load case

تغییرات در قسمت load case

اعمال ضریب اضافه مقاومت در قسمت load case

اعمال ضریب اضافه مقاومت در قسمت load case

در تصویر بالا توجه داشته باشید که زلزله 30 درصد متعامد در جهت Y با ضریب  Ω0=2 تشدید می شود. زیرا در جهت Y سیستم مهاربندی داریم. ولی در جهت X به دلیل وجود قاب خمشی ضریب تشدید برابر 3 خواهد بود. به همین ترتیب تمامی بارهای لرزه ای به صورت دستی تشدید خواهد شد.

گام4. تمامی ستون های سازه را انتخاب می کنیم و در قسمت View/Revise Overwrites موارد مشخص شده را تغییر می دهیم.

افزایش مقاومت خمشی و برشی ستون ها به یک عدد بسیار بسیار بزرگ

افزایش مقاومت خمشی و برشی ستون ها به یک عدد بسیار بسیار بزرگ

با این کار، نرم افزار مقاومت خمشی و برشی ستون ها را بسیار بسیار بزرگ در نظر می گیرد. در نتیجه عملاً مقاومت محوری ستون ها تحت زلزله های تشدید یافته کنترل می شود.

گام5. سازه موجود را آنالیز و طراحی می کنیم. بایستی تمامی ستون ها جوابگوی نیروهای وارده باشند. به عبارت دیگر در ستون ها ratio<1.00 باشد. در غیر اینصورت باید مقاومت محوری ستون ها افزایش یابد.

نتیجه گیری :

  1. در بحث طراحی سازه ها، با دو نوع ترکیب بار مواجه هستیم. یک سری از ترکیب بارها عادی هستند. این ها همان ترکیب بارهایی می باشد که در طراحی تمامی اعضا و بخش های سازه باید کنترل شوند. دسته دوم ترکیب بارهای ویژه لرزه ای هستند.
  2. با یک تعریف ساده می توان گفت که زلزله تشدید یافته همان زلزله عادی است که با یک ضریب بزرگنمایی، تشدید شده است. این ضریب را با Ω0 نشان می دهیم.
  3. در سازه های فولادی مقاومت محوری ستون ها باید تحت ترکیب بارهای ویژه لرزه ای کنترل شوند. علت این کنترل مضاعف این است که ستون های فلزی تحت اثر فشار خالص شکل پذیری کمتری داشته و ضربه زلزله وارد بر آنها بیشتر خواهد بود.
  4. در طراحی لرزه ای سازه ها، مبحث نهم اشاره ای به اعمال زلزله تشدید یافته نکرده است. اما در ویرایش های 2011 و 2014 آیین نامه آمریکا کنترل زلزله تشدید یافته تعریف شده است. به گونه ای که حداکثر مقدار برش در ستون ها با ترکیب بارهایی که در آن ها اثر زلزله با Ω0 تشدید شده است کنترل می شود.
  5. در کنترل سازه تحت ترکیب بارهای ویژه لرزه ای لازم نیست که مولفه قائم زلزله در ضریب اضافه مقاومت ضرب شود.
  6. در سازه های با دو سیستم باربر جانبی در دو جهت متفاوت، ستون های متصل به مهاربند در یک جهت با Ω0=3 و در جهت دیگر با Ω0=2 کنترل خواهند شد. این در حالیست که نرم افزار برای کل سازه تنها یک ضریب اضافه مقاومت در نظر می گیرد. لذا بایست از روش های مناسبی برای اعمال ضریب اضافه مقاومت در چنین سازه هایی استفاده شود.

در نهایت، شما با مطالعه این مقاله با یکی از مباحث چالش برانگیز محاسبات آشنا خواهید شد. نحوه کنترل سازه های مختلف تحت زلزله تشدید یافته و ترکیب بارهای ویژه لرزه ای از مواردیست که در این مقاله به آن پرداخته شده است.

منابع

  1.  AISC Specification for Structural Steel Buildings (360-16)
  2. Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-14)
  3. آیین ­نامه طراحی ساختمان­ ها دربرابر زلزله، استاندارد 2800، ویرایش 4.
  4. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1392.
  5. مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران، ویرایش 1392.
  6. جزوه راهنمای طراحی ساختمان ­های بتنی و فولادی تالیف دکتر حسین ­زاده ­اصل­.
2 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 *