محاسبه نیروی قائم زلزله با حل یک مثال به همراه نحوه اعمال بار زلزله در etabs

بیشتر شناخت ما از اثر زلزله بر ساختمان­ ها در رابطه با مولفه افقی زلزله در زلزله طرح می­ باشد در­حالیکه یکی از ویژگی­ های مهم زلزله ­های حوزه نزدیک، دارا بودن مولفه نیروی قائم زلزله است که محتوای فرکانسی بالایی دارد و در بسیاری از موارد از مولفه افقی همان زلزله به مقدار قابل توجهی بیشتر و خطرناک تر است.

اما نیروی قائم زلزله را چگونه باید در ایتبس اعمال کنیم؟ آیا نحوه ی اعمال مولفه قائم زلزله در شرایط لرزه ای متفاوت خواهد شد؟

ما در این مقاله جامع ابتدا مفهوم مولفه قائم زلزله را بیان می کنیم و سپس در یک ویدئو رایگان به محاسبه نیروی قائم زلزله با حل یک مثال می پردازیم و آنگاه نحوه اعمال آن در ایتبس را آموزش خواهیم داد.

فلسفه اعمال مولفه قائم زلزله چیست؟

همواره یکی از راه ­های شناخت زلزله توجه به احساسی است که افراد پس از وقوع آن داشته ­اند. در واقع یک ارزیابی کیفی ساده گاهاً می ­تواند کلید حل بسیاری از مسائل دشوار مهندسی زلزله باشد. می­ خواهیم بحث نیروی قائم زلزله را با چنین رویکردی بیاموزیم. در اثر حرکت و برخورد گسل­ ها، یک وضعیت انفجاری درون لایه­ های زیرین زمین رخ می­ دهد.
تاثیر این اتفاق را، ما در روی زمین به صورت زلزله حس می­ نماییم. هر چقدر محل وقوع این انفجار نزدیک­ تر باشد، نیروی وارده به­ گونه ­ایست که احساس خواهیم کرد، به سمت بالا پرتاب شده­ ایم. این نیرو همان مولفه ی قائم زلزله است.

در تصویر زیر به­ صورت شماتیک مطالب فوق قابل درک خواهند بود.

نحوه ی ایجاد مولفه قائم نیروی زلزله

به عبارت علمی­ تر، رکوردهای ثبت شده در نواحی نزدیک گسل نشان دهنده حرکت شدید قائم زمین هستند. زلزله های حوزه نزدیک به علت اثر مخرب مولفه قائم زلزله از زلزله‌های حوزه دور، متمایز می‌شوند. این اثرات خصوصاً بر روی دهانه­ های بلند و  کنسول­ ها جدی تر نیز می­ باشد.

آیین­ نامه­ های طراحی ساختمان ها در برابر زلزله توجه ویژه ­ای به این مسئله دارند.

در ادامه قصد داریم بندهای استاندارد 2800 زلزله ایران را در این خصوص بیان و تفسیر کنیم.

مولفه قائم نیروی زلزله در استاندارد 2800

نظر استاندارد 2800 در خصوص نیروی قائم زلزله به شرح زیر می­ باشد:

در توضیح قسمت الف باید گفت که چون پهنه­ های با خطر نسبی خیلی زیاد دارای گسل­ های فعال بسیاری در محدوده خود می­ باشند، آیین­ نامه تصمیم به اعمال اثر نیروی قائم زلزله به کل سازه گرفته است. اما برای ساختمان­ هایی که در پهنه ­های لرزه­ خیزی دیگر قرار گرفته ­اند؛ نیازی به اعمال نیروی قائم زلزله به کل سازه نیست. در این سازه­ ها با توجه به بندهای زیر نیروی قائم را اعمال خواهیم کرد:

پس از تعیین پهنه لرزه ­خیزی می بایست مقدار مولفه قائم نیروی زلزله از رابطه زیر محاسبه ­شود:

Fv=0.6AIWp

در این رابطه:

A و I به ترتیب نسبت شتاب مبنای طرح و ضریب اهمیت ساختمان ­می­ باشند.

در مورد بند الف بالا Wp بار مرده و در مورد سایر بندها Wp بار مرده به اضافه کل سربار است.

 راستای نیروی قائم زلزله همانند نیروهای ثقلی است. همچنین این نیرو ضریبی از بارهای ثقلی نیز می­ باشد. بنابراین می ­توان اثر آن را مشابه با بارهای ثقلی منظور کرد.

اعمال نیروی زلزله در 4 پهنه های لرزه ای

پهنه لرزه ای با خطر نسبی خیلی زیاد

• گام اول- در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد (A=0.35) یک ­بار نیروی قائم زلزله را برای کل سازه محاسبه می­ کنیم. این نیرو به صورت ضریبی از بار مرده خواهد بود.

Dead Load)*0.6*0.35*1.0) : کل سازه (بند الف)

• گام دوم- اگر سازه ما دارای کنسول، دهانه­ های بیشتر از 15 متر و یا تیرهایی که بار قائم متمرکز قابل توجهی را تحمل می­ کنند باشد؛ در واقع مشمول یکی از موارد “ب”، “پ” و “ت” از بند 3-3-9-1 خواهد شد. بنابراین باید به این اعضا مجدداً نیروی قائم ناشی از زلزله اعمال شود.

  وقتی در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد هستیم یک بار به کل سازه نیروی قائم زلزله را اثر داده­ ایم. چرا مجدداً می ­خواهیم برای بعضی اعضای خاص این کار را تکرار کنیم؟

علت این کار تعریف استاندارد 2800 زلزله از Wp می­ باشد. مطابق تعریفی که در بخش قبل ارائه شد، زمانی که سازه در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد باشد، Wp بار مرده و در مورد سایر بندها Wp بار مرده به اضافه کل سربار است. زمانی که ما به کل سازه نیروی قائم زلزله را اثر دادیم صرفاً بار مرده منظور شده است. پس لازم است تا در مواردی که سازه ما مشمول یکی از موارد “ب”، “پ” و “ت” از بند 3-3-9-1 می­ باشد به صورت زیر کل سربار را نیز در نظر بگیریم.

Live Load)*0.6*0.35*1.0) : ( بند ب، پ و ت)

مثال عددی. نیروی قائم زلزله برای یک کنسول در ساختمان مسکونی واقع در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد چقدر است؟

خطر نسبی زلزله در منطقه مورد نظر ما خیلی زیاد است، بنابراین یک بار به روش گفته شده در گام اول، نیروی قائم زلزله را برای کل سازه محاسبه می­ کنیم:

Dead Load)*0.6*0.35*1.0):کل سازه

تا این مرحله کنسول یک بار تحت بار مرده محاسبه خواهد شد. در قدم بعدی با توجه به بند “ت” لازم است تا کل سربار را در نظر بگیریم. کل سربار برای این کنسول همان بار زنده آن خواهد بود که مطابق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان 300 کیلوگرم بر متر مربع می ­باشد. لذا؛

(300)*0.6*0.35*1.0:بخش کنسولی

سایر پهنه ­های لرزه ­خیزی

در این موارد صرفاً اگر سازه ما دارای کنسول، دهانه ­های بیشتر از 15 متر و یا تیرهای با بار قائم متمرکز قابل توجه باشد؛ نیاز به اعمال نیروی قائم زلزله خواهیم داشت. در غیر این صورت زلزله قائم در طراحی سازه بی­ اهمیت خواهد بود. روند کار مشابه با بخش قبل است. ولی برای تسلط بیشتر یک مثال عددی در این خصوص حل می­ کنیم.

مثال عددی. نیروی قائم زلزله برای یک کنسول در ساختمان مسکونی واقع در پهنه با خطر نسبی زیاد چقدر است؟

خطر نسبی زلزله در منطقه مورد نظر ما خیلی زیاد نیست. بنابراین نیازی به اعمال نیروی قائم زلزله به کل سازه وجود نخواهد داشت. اما با توجه به بند “ت” باید به کنسول این نیرو اعمال شود. مطابق تعریف در این حالت Wp بار مرده به اضافه کل سربار است. لذا؛

 ترکیب بار برای نیروی قائم زلزله

زلزله قائم فقط به ترکیب­ بارهایی که دارای نیروی زلزله هستند اعمال می­ شود. و برای سایر ترکیبات بار تغییری نخواهیم داشت.

اعمال نیروی قائم زلزله به سازه

بسط ترکیبات بار به منظور اعمال اثر مولفه قائم نیروی زلزله نیز با توجه به ناحیه لرزه­ خیزی به دو صورت انجام می ­گیرد:

اعمال مولفه قائم نیروی زلزله به کل سازه

مطابق شکل فوق نیروی قائم زلزله مانند بارهای ثقلی می ­باشد. بنابراین به جای اعمال مستقیم بار Ev به کل سازه می­ توان در ترکیب بارها ضریب بار مرده را افزایش داد.

از بخش­ های قبل به خاطر داریم که:

Dead Load)*0.6*0.35*1.0):کل سازه (بند الف)

Dead Load)*0.21)=

بنابراین در ترکیبات بار معمولی به صورت زیر ضریب بار مرده را افزایش می­ دهیم.

ترکیب بار سنگین-1­ : 1.2D + 0.21D) +E+L+0.2S)

ترکیب بار سبک­ تر-2: 0.9D + 0.21D) + E)

استاندارد 2800 در ادامه مطالب مرتبط با نیروی قائم زلزله، بند زیر را بیان داشته است:

لذا ترکیب بارهای زیر نیز باید ایجاد شوند:

ترکیب بار سنگین-3­ : 1.2D – 0.21D) + E + L+0.2S)

ترکیب بار سبک­ تر-4: 0.9D – 0.21D) + E)

 بدیهی است در میان ترکیب ­بارهای فوق تنها ترکیب بارهای 1 و 4 بحرانی خواهند بود. و نیازی به تعریف ترکیب بارهای 2 و 3 نیست.(چرا؟)

در نهایت می ­توان گفت که بسط ترکیبات بار برای کل سازه به صورت زیر می­ باشد:

اعمال مولفه قائم نیروی زلزله به اعضای خاص سازه

این اعضا شامل کنسول ها، تیر های با طول بیشتر از 15 متر و تیر هایی که بار متمرکز قابل توجه دارند

در این حالت پس از محاسبه نیروی قائم زلزله مطابق بخش ­های قبل، مستقیماً آن را در ترکیب­ بار مورد نظر اعمال می­ کنیم. به مثال ­های زیر توجه فرمایید:

 بسط ترکیبات بار برای یک کنسول در ساختمان مسکونی واقع در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد چگونه است؟

1.41D+E+L+0.2S+Ev

1.41D+E+L+0.2S-Ev

0.69D+E+Ev

0.69D+E-Ev

 بسط ترکیب بار برای یک کنسول در ساختمان مسکونی واقع در پهنه با خطر نسبی زیاد، متوسط و کم چگونه است؟

1.2D+E+L+0.2S+Ev

1.2D+E+L+0.2S-Ev

0.9D+E+Ev

0.9D+E-Ev

ناگفته نماند، در مورد نحوه ی تاثیر نیروی قائم زلزله ، در ترکیبات بار کنترل تنش خاک زیر پی، در مقاله ی “تنش خاک زیر پی” بحث های بسیار جالبی شده است که پیشنهاد می کنیم حتما آن را مطالعه نمایید.

تفسیر مولفه قائم نیروی زلزله در قالب یک ویدئو رایگان

برای درک کامل مولفه قائم نیروی زلزله  در استاندارد 2800 ویدئو آزموشی کوتاه و رایگانی را در اینجا قرار داده ایم که در این ویدئو ابتدا به معرفی این نیرو می پردازیم و سپس با حل یک مثال کامل روابط موجود در استاندارد 2800 را بسط می دهیم. برای درک کامل این موضوع حتما یک بار ویدئو رایگان زیر را مشاهده کنید.

نحوه اعمال بار زلزله در ETABS

برای اینکه نرم­ افزار بتواند اثر زلزله قائم را در نظر بگیرد، باید آن را تعریف و در ترکیبات بار موجود در نرم­ افزار اعمال کنیم.

در این حالت نیز پهنه لرزه­ خیزی ساختمان بر پروسه ما تاثیر گذار است.

حالت1. تنظیمات  نحوه اعمال بار زلزله در etabs  برای پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد

• گام اول- تعریف Ev در Load Pattern:

• گام دوم- اعمال Ev در کنسول­ ها و سایر اعضای مورد نظر آیین ­نامه:

• گام سوم- اصلاح ترکیب بارهای موجود با توجه به مطالب گفته شده به صورت دستی:

 آیا در مناطق با A=0.35 تمامی ترکیب­ بارها باید به صورت دستی اصلاح شوند؟

خیر؛ با تغییر پارامتر Sds می ­توان ترکیب بارها را به صورت اتوماتیک اصلاح نمود.

برای این منظور به شرح زیر عمل می­ کنیم:

با اعمال 1.05*I در قسمت Sds، اگر از ترکیب بار های پیش ­فرض نرم ­افزار استفاده کنید، ضریب بار مرده به صورت اتوماتیک 1.41 و 0.69 خواهد بود.

تذکر1. منظور از I همان ضریب اهمیت ساختمان می ­باشد که برای ساختمان­ های مسکونی عدد یک خواهد بود.

تذکر2. حتی با وجود استفاده از Sds، هم چنان Ev را باید به صورت دستی و با علامت مثبت و منفی در ترکیب بار ها وارد کرد.

در صورتی که در حین انجام هر یک از مراحل در ایتبس به خطا یا اروری برخورد کردید می توانید با مراجعه به مقاله ” ارورهای پر تکرار طراحی در ایتبس ” خطای به وجود آمده را بر طرف کنید.

حالت2. تنظیمات ایتبس برای پهنه با خطر نسبی زیاد، متوسط و کم

در این وضعیت کافیست مطابق با مطالب فوق، Ev را تعریف و در اعضای مربوطه اعمال کنیم. سپس در ترکیب ­بار های موجود، Ev را به صورت دستی وارد نماییم.

  این نیرو باید حتماً در هر دو جهت رو به بالا و پایین اعمال شود.

 اثر مولفه قائم نیروی زلزله در خرابی راه پله چه تاثیری دارد؟

رویه معمول در طراحی ساختمان ­ها به این شکل است که مهندسین طراح عموماً راه ­پله را طراحی نمی­ کنند. این مسئله از چند جنبه دارای اهمیت است که در ادامه قصد داریم آن را مورد بررسی قرار دهیم.

یکی از فرم­ های بسیار پرکاربرد اجرای راه­ پله در ساختمان­ های بتن ­آرمه، قرار گرفتن رمپ ها بر روی تیرهای کنسولی می ­باشد.

در تصویر زیر نمونه یک پله سه رمپه که بر روی تیرهای کنسولی تکیه دارد را مشاهده می­ کنید.

همانطور که از خلال بحث­ های این مقاله تاکنون آموختیم. می دانیم که بخش­ های کنسولی تحت اثر نیروی قائم زلزله قرار دارند. وجود اثر مخرب نیروی قائم زلزله، عدم مدل سازی و طراحی راه­ پله از سوی مهندسین محاسب و نقش حیاتی راه­ پله در فرار ساکنین، همه مواردی هستند که نشانگر اشتباهی بزرگ در عدم طراحی راه­ پله می­ باشند که منجر به شکست راه پله ها می شود.

نتیجه گیری:

1. یکی از ویژگی ­های مهم زلزله­ های حوزه نزدیک، دارا بودن مولفه قائم قابل توجه با محتوای فرکانسی بالاست. که در بسیاری از موارد از مولفه افقی همان زلزله به مقدار قابل توجهی بیشتر است.
2. رکوردهای ثبت شده در نواحی نزدیک گسل نشان دهنده حرکت شدید قائم زمین هستند. زلزله‌های حوزه نزدیک به علت اثر مخرب مولفه قائم زلزله از زلزله‌های حوزه دور متمایز می‌شوند. این اثرات خصوصاً بر روی دهانه­ های بلند و کنسول­ ها جدی­ تر نیز می ­باشد.
3. چون پهنه­ های با خطر نسبی خیلی زیاد دارای گسل­ های فعال بسیاری در محدوده خود می ­باشند، آیین­ نامه تصمیم به اعمال نیروی قائم به کل سازه گرفته است.
4. نیروی قائم زلزله فقط به ترکیب­ بارهایی که دارای زلزله هستند اعمال می ­شود و برای سایر ترکیبات بار تغییری نخواهیم داشت.
5. وجود اثر مخرب نیروی قائم زلزله، عدم مدل سازی و طراحی راه­ پله از سوی مهندسین محاسب و نقش حیاتی راه ­پله در فرار ساکنین، همه مواردی هستند که نشانگر اشتباهی بزرگ در عدم طراحی راه ­پله می ­باشند.

 در نهایت می ­توان چنین بیان داشت که شما با مطالعه این مقاله قادر خواهد بود بسته به پهنه لرزه ­خیزی منطقه، نسبت به اعمال اثر نیروی قائم زلزله اقدام نماید. همچنین در این مقاله یک اشتباه مهلک در طراحی سازه ­ها نیز شرح داده شده است که امید است در ادامه فعالیت حرفه ­ای خود از آن دوری کنیم.

منابع:

1. آیین ­نامه طراحی ساختمان­ها در برابر زلزله، ویرایش چهارم، سال 1393.
2. مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ایران، ویرایش سوم، سال 1392.
3. جزوه راهنمای طراحی ساختمان­ های بتنی و فولادی تالیف دکتر حسین­ زاده­ اصل­.فیلم آموزشی نیروی قائم زلزله

• مطلبی میخواهید که نیست ؟ از ما بپرسید تا برایتان محتوا رایگان تولید کنیم!

• ارسال سوال برای تولید محتوا