نیروی قائم زلزله: فلسفه اعمال، ساخت ترکیب بارها و آموزش گام به گام در ایتبس

بیشتر شناخت ما از اثر زلزله بر ساختمان­ ها در رابطه با نیروهای افقی 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.

لذا به عنوان یک طراح، بایست با نحوه ی محاسبه ترکیب بار مولفه نیروی قائم زلزله و نحوه اعمال آن در نرم افزار etabs کاملا آشنا باشیم تا به طرحی ایمن دست یابیم.

قبل از شروع بحث، برای درک بهتر مفاهیم می توانید ابتدا فیلم رایگان”تفسیر استاندارد 2800 – نیروی قائم زلزله” از سری آموزش های سبز سازه را، همین الآن ببینید.

آنچه در این مقاله خواهیم آموخت:

1. فلسفه اعمال نیروی قائم ناشی از زلزله چیست؟
2. بندهای آیین ­نامه ­ای و محاسبات مرتبط با نیروی قائم زلزله به چه صورت می­ باشد؟
3. ترکیب­ بارها در شرایط مختلف به چه شکل اصلاح خواهند شد؟
4. تنظیمات نرم­ افزاری لازم برای اعمال این اثر چگونه است؟

و نهایتاً در قسمت تکمیلی بحثی در خصوص اثر نیروی قائم ناشی از زلزله بر کنسول­ ها مطرح می­ شود، که برای کسب دید مهندسی مناسب خواهد بود.

فلسفه اعمال مولفه قائم زلزله

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.

 

 

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.

بندهای آیین­ نامه و تفسیر آن

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 نیروی قائم 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.

کمی توضیح بیشتر:

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.

در ادامه به صورت گام­ بندی شده محاسبات نیروی قائم را بررسی می­ نماییم.

در صورتی که قصد شرکت در آزمون محاسبات را دارید و یا تمایل به تسلط کامل بر استاندارد 2800 دارید، تور تخصصی استاندارد 2800 به شما کمک بزرگی خواهد کرد.

نحوه محاسبه ترکیب بار نیروی قائم زلزله [1]

پهنه 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؛

 

بسط ترکیبات بار ها:

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

 

 

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

1. اعمال 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)

 

تذکر. 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:

 

 

2. اعمال به 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+L+0.2S+Ev

0.69D+E+L+0.2S-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+L+0.2S+Ev

0.9D+E+L+0.2S-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 : آموزش ساخت ترکیب بارها و نحوه کنترل در safe “بحث های بسیار جالبی شده است که پیشنهاد می کنیم حتما آن را مطالعه نمایید.

نیروی قائم 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. 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. 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.

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

بخش تکمیلی:

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.
بنابراین توصیه اکید می ­شود اگر برای سازه خود تصمیم به کاربرد چنین فرمی از راه­ پله گرفته ­اید؛ حتماً نسبت به مدل سازی و طراحی دقیق آن توجه لازم را داشته باشید. و برای دوری از این اشتباه(عدم طراحی راه پله)، حتما مقاله “بارگذاری راه پله در etabs بصورت تصویری + محاسبات دستی “ را مطالعه نمایید.

و اما کلام آخر آنکه، نمی توان صحبت از راه پله کرد؛ و از بحث آسانسور غافل شد. لذا مطالعه مقاله ی  “بارگذاری و طراحی آسانسور در etabs ” را از دست ندهید. چرا که اگرچه برای طراحی آن نیروی قائم زلزله اعمال نمی کنیم ولی نیروی افقی زلزله را باید در طراحی آن لحاظ کنیم.

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

اگر در ابتدای مقاله، فیلم آموزشی رایگان در مورد نیروی قائم ناشی از زلزله، از سری آموزش های تفسیر استاندارد 2800 را ندیده اید، هنوز هم فرصت دارید:

” نیروی قائم زلزله “

 

[1] در تمام مراحل محاسباتی ضریب اهمیت ساختمان یک منظور شده است.