مهندسی زلزله

فهرست مطالب
1-1) مقدمه 7
1-2) اهداف مجموعه حاضر 9
1-3) ساختار مجموعه حاضر 11
فصل دوم 14
تئوري هاي حاكم بر رفتار لرزه اي سازه ها 14
2-1) مقدمه اي بر طراحي لرزه اي و اهداف آن 15
شكل(2-1 )حلقه هيسترزيس بار-تغيير مكان 20
2-2-2) رابطه نيرو – تغيير شكل تحت بار صعودي 22
2-3) شكل پذيري 23
شكل(2-5 )رفتار مصالح شكننده و شكل پذير 25
2-3-4-1) شكل پذيري جنس ماده 28
2-3-4-2) شكل پذيري چرخشي 29
2-3-5) ضريب مقاومت تسليم همپايه شده 31
2-3-7) طراحي براساس شكل پذيري 35
2-3-8) طيف طرح با شكل پذيري ثابت 38
شكل (2-13) مقادير مقاومت همپايه شده نيومارك [2] 40
2-3-9)جذب و استهلاك انرژي 40
2-4-2) فرضيه برابري تغيير مكان ها 43
شكل( 2-15 )فرضيه برابري تغييرمكانها 44
شكل( 2-16 )فرضيه برابري انرژي هاي جذب شده 44
2-4-3) فرضيه برابري انرژي جذب شده 44
2-4-4) تعيين ضريب كاهش نيرو در اثر شكل پذيري 45
شكل( 2-17) منحني پاسخ كلي سازه ها 46
شكل( 2-18 )تأثير عوامل زمان تناوب و نوع خاك بر ضريب شكل پذيري سازه [27] 48
شكل (2-19) ضرب كاهش نيرو در اثر شكل پذيري با پريود ارتعاشي 50
شكل( 2-20 ) رابطه خطي ضريب رفتار سازه در مقابل پريود ارتعاشي 51
جدول( 2-2 )ضرايب روابط 2-29 الي 2-31. 52
2-5)مباني نظري رفتار و عوامل مؤثر در آن 54
2-5-2) روش هاي محاسبه ضرايب رفتار 59
2-5-2-1) روش هاي آمريكايي 59
2-5-2-1-1) روش طيف ظرفيت فريمن 59
شكل( 2-22 طيف نيروهاي وارده بر سازه در دو حالت ارتجاعي و غيرارتجاعي 61
2-5-2-1-2) روش ضريب شكل پذيري يوانگ 61
شكل(2-23)رفتار كلي يك سازه متعرف [5] 62
ضريب تنش مجاز(Y) 66
فرمولبندي ضريب رفتار 67
2-5-1 -2)روش هاي اروپايي 69
2-5-1-2-1) روش تئوري شكل پذيري 70
شكل( 2-24) مدل رفتاري ساده شده براي سيستم يك درجه آزاد 71
2-5-3) مقايسه روشهاي محاسبه ضريب رفتار 72
2-5-5-1) عوامل مؤثر در مقاومت افزون 76
2-5-5-2) تعيين ضريب رفتار ناشي از مقاومت افزون 77
شكل(2-26) منحني پاسخ كلي واقعي و ايده آل شده سازه 79
5-6)کاهش نیروی زلزله توسط ضرایب تنش مجازه سازه 82
2-5-7) درجه نامعيني 83
شكل(2-27) سيستم سازه اي سري و مدل قابليت اعتماد آن 86
شكل (2-28 )سيستم سازه اي موازي و مدل قابليت اعتماد آن 87
2-5-7-2) اثر نامعيني سازه اي در آيين نامه هاي مختلف 89
جدول(2-3) مقادير ضرايب نامعيني در ATC و مقادير محاسبه شده از پيشنهاد موسز 89
2-5-7-3) آثار درجه نامعيني بر پاسخ لرزه اي سازه ها 91
فصل سوم 93
بررسی رفتار ارتجاعی و غير ارتجاعي قابهای فولادی با مهاربندي واگرا(EBF) 93
3-1)کلیات 94
شكل (3-1 )نمودار بار- تغيير مكان 95
3-2) مشخصات سیستم های لرزه بر فولادی و مقایسه آنها 95
3-2-2) سیستم قاب با مهاربندی همگرا (CBF ) 96
شکل(3-3 ) قاب های با مهاربندی همگرا 97
3-2-3) سیستم قاب با مهاربندی واگرا ( EBF ) 98
شكل (3-6) نمونه  قاب EBF 99
شكل (3-7)انواع قابهاي EBF 100
شکل (3-8 )تير پيوند با لنگر انتهايي مساوي و نا مساوي 101
3-3-1) آزمایشات تیر پیوند با لنگرهای انتهایی مساوی 101
شکل( 3-13) نمونه پس از ازمايش تير پيوند( الف) بلند( ب)كوتاه 105
3-3-2)آزمایشات تیر پیوند با لنگرهای انتهایی نا مساوی 105
شکل 3-14 آزمایش تیر پیوند با لنگرهای انتهایی نا مساوی 106
3- 4)رفتار قابهاي با مهاربندی خارج از مرکز 108
3-4-1-2 عوامل مؤثر بر پريود قابهايEBF 110
114
فصل چهارم 119
بررسي تأثيرمشخصات تيرپيوند در ضريب رفتار قاب هاي فولادي با بادبند واگرا 119
4-1) مقدمه 120
فصل پنجم 162
جمع بندي نتايج و پيشنهادات 162
منابع 171
فصل اول
1-1) مقدمه
1-2) اهداف مجموعه حاضر
ميليون ها سال است كه زلزله در جهان به وقوع پيوسته و در آينده نيز به همانگونه كه در گذشته بوده است، اتفاق خواهد افتاد. اين پديده طبيعي هنگامي به يك مصيبت بزرگ انساني تبديل مي گردد كه در منطقه اي شهري با بافت متراكم اتفاق بيافتد. نمونه آثار اين سانحه مرگ آور، در زلزله هاي بزرگ ايران همچون زلزله سال 1382 بم و زلزله 1369 منجيل بر هيچكس پنهان نيست. با وجود آگاهي از بسياري از عوامل وقوع اين پديده، جلوگيري از وقوع اين پديده، با علم كنوني بشر امكان پذير نمي باشد؛ ليكن كاهش اثر ارتعاشات نيرومند زلزله در قالب تقليل خسارات، صدمات و مخصوصاً تلفات جاني ناشي از آن امكان پذير مي باشد.
علم مهندسي زلزله به اثرات زلزله بر انسان ها و محيط آن ها و همچنين روش هاي كاهش اين آثار مي پردازد. مطالعه زلزله و اثرات ناشي از آن با توجه به مدارك مكتوب متعلق به زلزله هاي ژاپن و نواحي شرق مديترانه به تقريباً 1600 سال قبل برمي گردد. سوابق مطالعات زلزله در نواحي فعال لرزه اي آمريكا تنها به 200 الي 350 سال قبل برمي گردد. ولي بشر ميليون ها سال است كه از وقوع اين پديده مطلع است ولي تجربه و دانش او از علم زلزله خيلي كمتر از عمر اين پديده است. مهندسي زلزله در ابتداي قرن بيستم زاده و در انتهاي آن به كمال خود رسيد. از سال 1908 در ايتاليا ضوابط بارگذاري لرزه اي براساس قضاوت مهندسي آغاز و در بسياري كشورهاي جهان پذيرفته و اجرا شد. با تولد رايانه ها و افزايش استفاده از آن ها در انجام عمليات هاي زمان بر و تكراري دستي، علم ديناميك سازه به طور جدي به عرصه مهندسي زلزله وارد شد. اما 40 سال طول كشيد تا طراحي لرزه اي متكي بر تحليل هاي ديناميكي سازه گردد. در فاصله دهه 60ميلادي تا اواخر دهه 70، تلاش ها، عمدتاً صرف آشتي دادن ضوابط قبلي و يافته هاي جديد شد و معرفي ضريب رفتار حاصل اين تلاش هاي آشتي جويانه است. در كنار شناخت ماهيت زلزله و نحوه وارد آوردن نيرو به ساختمان ها همواره آنچه نيروي زلزله بر آن وارد مي شود يعني خود ساختمان و سيستمي كه مقاومت لازم در برابر قدرت ارتعاشات را داشته باشد مورد توجه مهندسين سازه بوده است. رشد و توسعه انواع سيستم هاي سازه اي از ساختمان هاي خشتي تا آسمان خراش ها، از مصرف خشت و چوب تا طراحي قالب هاي لرزه بر با استفاده از بتن و فولاد و امروز مصالح تركيبي (كامپوزيت) و …، همگي گواه اين مسئله مي باشند. اما آنچه مهم است، طراحي لرزه اي اين سيستم ها و اهداف آن ها كه پايه و اساس روابط حاكم بر آن را تشكيل مي دهد، مي باشد. اهداف طراحي لرزه اي و روابط معادلات موجود حال در مسير تكامل، به طراحي براساس عملكرد لرزه اي سازه رسيده است. چيزي كه عرصه جديدي از طراحي لرزه اي و لزوم تحقيق و جستجو در اين زمينه را پيش رو مهندسين سازه نهاده است. مطالعه لرزه اي سيستم هاي معمول سازه اي يا به عبارتي يافتن يك تعادل بين مقاومت سازه و اثرات ناشي از زلزله مانند تغيير مكان ها، كاهش و افت  مقاومت و سختي و نهايتاً شكست و فروپاشي مصالح و كل سازه، مي رود تا شكل تازه اي به خود بگيرد. لذا در راستاي طراحي سازه براساس عملكرد، كه در آن در سطح كاربردي معمول به دنبال از بين بردن تلفات جاني و استقرار سازه در محدوده هاي ايمني هستيم، بازنگري مجدد سيستم هاي سازه اي و خصوصيات سختي و شكل هندسي و محدوديت هاي شكل پذيري و تغيير مكان هاي آن ها، از جمله فعاليت هاي مؤثر تا دستيابي به روش هاي طراحي براساس عملكرد مي باشند.
يكي از اين سيستم هاي سازه اي كه تولد آن نشانه تيزبيني پروفسور پوپوف و همكارانش بوده است و در سازه هاي بزرگ بسياري در سطح جهان مورد استفاده قرار گرفته است، سيستم قاب هاي لرزه بر فولادي با مهاربندي واگرا مي باشد. رفتار اين سيستم ها كه داراي شكل پذيري بالايي مي باشند و از لحاظ عملكرد هندسي و معماري بسياري از محدوديت ها را از ميان برمي دارند، حداقل در كشور ما آنچنان معرفي نشده است.
1-2) اهداف مجموعه حاضر
با پيش رو بودن عصر نوين در طراحي لرزه اي و توجه به خصوصيات و پاسخ هاي متفاوت سيستم هاي لرزه بر در برابر زلزله استفاده از  سيستم هاي بادبندي برون محور  بسيار گسترش يافته است. با توجه به اينكه كشور ايران در مجموعه كشورهاي لرزه خيز مي باشد و همچنين توجه به اين مسأله كه اين كشور در حال توسعه اقتصادي است، احداث بناهاي با كاربردي هاي متفاوت و با درجات اهميت بالا و متوسط، بسيار حياتي مي باشد، لذا لزوم يك آيين نامه قدرتمند كه بتواند با اعمال قوانين روشن و واضح در عرصه طراحي و اجراي  همگام با توسعه ساخت و ساز در كشور، حافظ منافع و منابع ملي اين مرز و بوم باشد، شديداً احساس مي شود. آنگونه كه مشاهده ميشود، استاندارد 2800 ايران توانسته به گوشه اي از اين اهداف دست يابد. خوشبختانه ا ستاندارد مذكور در حال توسعه و بازنگري دائمي بوده و اميد آن مي رود كه روزي به يك مجموعه مستقل در بخش طراحي لرزه اي و مهندسي زلزله از لحاظ مباني، تبديل گردد. در ويرايش سوم استاندارد 2800 (1384)، كه آخرين ويرايش آن تا اين تاريخ مي باشد، بسياري تفاوت ها و تغييرات بنيادي در ارقام كنترل و طراحي در مقايسه با ويرايش هاي قبلي به چشم مي خورد. ليكن به جهت مطالعه تحقيقي بخش كوچكي از اين آيين نامه به مطالعه قاب هاي ساده با بادبندهاي برون محور و عوامل مؤثر بر ضرايب رفتار خطي و غيرخطي آن پرداخته شده.  در اين  ويرايش همچنين اين قاب ها جز معدود مواردي هستند كه عدد جديدي براي آن اعلام نشده است. لذا ما در اين مجموعه با مطالعه و تحليل پارامترهاي ضريب رفتار سيستم مذكور همچون شكل پذيري، ضرايب اضافه مقاومت و ضرايب تنش مجاز متأثر از مشخصات هندسي مرسوم اين سازه ها كه در بخش هاي آتي بدان ها پرداخته خواهد شد، به دنبال تعيين ضريب رفتار سيستم هاي قاب هاي ساختماني فولادي ساده با بادبندهاي برون محور هستيم. تا بتوان نقص اين آيين نامه را در اين مورد در حدامكان نشان دهيم، اميد است اين تحقيق باعث صرفه جويي در مصرف و كاربرد غيرلازم فولاد، اين سرمايه ملي و گران قيمت گردد.
1-3) ساختار مجموعه حاضر
پايان نامه حاضر با اهدافي كه در بخش هاي پيشين عنوان گرديد، در پنج فصل نگاشته و تنظيم شده است:
فصل يكم: پيش گفتار و ساختار
اين فصل شامل پيشگفتار و مقدمه اي بر مهندسي زلزله و لزوم انجام تحقيق درباره ضريب رفتار سازه ها با سيستم هاي باربري لرزه اي متفاوت من جمله سيستم قاب ساده فولادي با بادبند واگرا مي باشد.
فصل دوم: تئوري هاي حاكم بر رفتار لرزه اي سازه
در اين فصل پس از بيان مقدمه اي بر طراحي لرزه اي و اهداف آن در آيين نامه هاي زلزله ايران،SEAOC ، ATC40 و UBC97 به رفتار نيرو – تغيير شكل سازه ها تحت بارهاي چرخه اي و صعودي مي پردازيم. مفهوم شكل پذيري و عملكرد انواع مختلف آن در اين فصل توضيح داده خواهد شد. با معرفي شكل پذيري نياز و مقدمه اي بر طراحي سازه براساس شكل پذيري به دنبال يافتن تأثير شكل پذيري در كاهش نيروي طراحي خواهيم بود. در ادامه با مروري بر طيف ظرفيت و تعريف ضريب رفتار سازه به تعيين عوامل مؤثر بر آن با توجه به طيف ظرفيت پرداخته و مفاهيم اضافه مقاومت و ضرايب تنش مجاز و در نهايت خود ضريب رفتار بازگو خواهد شد. در بخش هاي ديگري  با معرفي روش آناليز غير خطي استاتيكي يا روش بارافزون (pushover) و ترازهاي عملكرد لرزه اي سازه در تحليل هاي غيرخطي به تعيين نقطه عملكرد سازه خواهيم پرداخت. مفاهيم تبديل منحني ظرفيت و نياز به فرمت يكسان ADRS  و ميرايي و انواع رفتار سازه اي از ديگر مباحث فصل دوم مي باشد. پس از مروري بر انواع مفاصل پلاستيك در اين بخش و ملاك هاي پذيرش و كنترل عملكرد سازه به تعيين ضريب رفتار سازه با استفاده از طيف هاي ظرفيت – نياز سازه پرداخته مي شود. با ارائه مفاهيم كاهش تأثير زلزله به علت افزايش پريود، اتلاف انرژي و ميرايي، اضافه مقاومت و كنترل ضريب رفتار و مباني مفروض در اين تحقيق مباحث فصل دوم به سرانجام مي رسد.
فصل سوم: بررسي رفتار ارتجاعي و غير ارتجاعي قابهاي فولادي با بادبند واگرا
در اين فصل ابتدا به معرفي عمومي سيستم هاي قاب فولادي مهاربندي شده با بادبند واگرا EBF و ذكر محاسن و لزوم استفاده از اين نوع سيستم باربر سازه اي پس از ذكر تاريخچه تولد اين نوع آرايش سازه اي پرداخته و با معرفي انواع اشكال هندسي اين نوع سازه ها به پردازش سختي، زمان تناوب و مقاومت و رابطه آن ها با خصوصيات هندسي سازه خواهيم پرداخت. پس از مطالعه رفتار هيسترزيس اين سيستم به بحث ملاحظات طراحي اين گونه قاب ها مي رسيم. در اين بخش به صورت خلاصه عمده مباحث موجود در مورد طراحي اين نوع سيستم ها و علي الخصوص مشخصات تير پيوند در اين قاب ها و انواع رفتارهاي مكانيكي مربوطه پرداخته خواهد شد.
فصل چهارم: بررسي تأثيرمشخصات تيرپيوند در ضريب رفتار قاب هاي فولادي با بادبند واگرا
در اين فصل پس از انتخاب مدل و شرح ملاحظات تحليل خطي و غيرخطي استاتيكي به ارائه نتايج تحليل غيرخطي و محاسبه پارامترهاي رفتار غيرخطي استاتيكي به ارائه نتايج تحليل غيرخطي و محاسبه پارامترهاي رفتار غيرخطي سازه براساس طيف هاي ظرفيت سازه پرداخته خواهد شد. در اين راستا قاب هاي EBF با ترازهاي ارتفاعي و خصوصيات هندسي متفاوت مورد تحليل قرار مي گيرد. از ديگر مواردي كه در اين فصل به آن پرداخته شده تحليل و تعيين پارامترهاي مؤثر بر ضريب رفتار سازه و تعيين ضريب رفتار سازه هاي طراحي شده براساس عملكرد مناسب لرزه اي مي باشد. در ادامه با بررسي تحليلي ارقام به دست آمده، نتايج مدل سازي ها ارائه مي شود.