مهندسی زلزله (تدوین آیین نامه ای جامع جهت پیشگیری از عواقب زلزله در ایران)

میلیون ها سال است که زلزله در جهان به وقوع پیوسته و در آینده نیز به همانگونه که در گذشته بوده است، اتفاق خواهد افتاد. این پدیده طبیعی هنگامى به یک مصیبت بزرگ انسانی تبدیل می گردد که در منطقه ای شهری با بافت متراکم اتفاق بیفتد. نمونه آثار این سانحه مرگ آور، در زلزله های بزرگ ایران همچون زلزله سال 1382 بم و زلزله 1369 منجیل بر هیچکس پنهان نیست. با وجود آگاهی از بسیاری از عوامل وقوع این پدیده، جلوگیری از وقوع این پدیده، با علم کنونی بشر امکان پذیر نمی باشد؛ لیکن کاهش اثر ارتعاشات نیرومند زلزله در قالب تقلیل خسارات، صدمات و مخصوصاً تلفات جانی ناشی از آن امکان پذیر می باشد.

علم مهندسی زلزله به اثرات زلزله بر انسان ها و محیط آن ها و همچنین روش های کاهش این آثار می پردازد. مطالعه زلزله و اثرات ناشی از آن با توجه به مدارک مکتوب متعلق به زلزله های ژاپن و نواحی شرق مدیترانه به تقریباً 1600 سال قبل برمی گردد. سوابق مطالعات زلزله در نواحی فعال لرزه ای آمریکا تنها به 200 الی 350 سال قبل برمی گردد. ولی بشر میلیون ها سال است که از وقوع این پدیده مطلع است ولی تجربه و دانش او از علم زلزله خیلی کمتر از عمر این پدیده است. مهندسی زلزله در ابتدای قرن بیستم زاده و در انتهای آن به کمال خود رسید. از سال 1908 در ایتالیا ضوابط بارگذاری لرزه ای براساس قضاوت مهندسی آغاز و در بسیاری کشورهای جهان پذیرفته و اجرا شد. با تولد رایانه ها و افزایش استفاده از آن ها در انجام عملیات های زمان بر و تکراری دستی، علم دینامیک سازه به طور جدی به عرصه مهندسی زلزله وارد شد. اما 40 سال طول کشید تا طراحی لرزه ای متکی بر تحلیل های دینامیکی سازه گردد. در فاصله دهه 60 میلادی تا اواخر دهه 70، تلاش ها، عمدتاً صرف آشتی دادن ضوابط قبلی و یافته های جدید شد و معرفی ضریب رفتار حاصل این تلاش های آشتی جویانه است. در کنار شناخت ماهیت زلزله و نحوه وارد آوردن نیرو به ساختمان ها همواره آنچه نیروی زلزله بر آن وارد می شود یعنی خود ساختمان و سیستمی که مقاومت لازم در برابر قدرت ارتعاشات را داشته باشد مورد توجه مهندسین سازه بوده است. رشد و توسعه انواع سیستم های سازه ای از ساختمان های خشتی تا آسمان خراش ها، از مصرف خشت و چوب تا طراحی قالب های لرزه بر با استفاده از بتن و فولاد و امروز مصالح ترکیبی (کامپوزیت) و …، همگی گواه این مسئله می باشند. اما آنچه مهم است، طراحی لرزه ای این سیستم ها و اهداف آن ها که پایه و اساس روابط حاکم بر آن را تشکیل می دهد، می باشد. اهداف طراحی لرزه ای و روابط معادلات موجود حال در مسیر تکامل، به طراحی براساس عملکرد لرزه ای سازه رسیده است. چیزی که عرصه جدیدی از طراحی لرزه ای و لزوم تحقیق و جستجو در این زمینه را پیش رو مهندسین سازه نهاده است. مطالعه لرزه ای سیستم های معمول سازه ای یا به عبارتی یافتن یک تعادل بین مقاومت سازه و اثرات ناشی از زلزله مانند تغییر مکان ها، کاهش و افت  مقاومت و سختی و نهایتاً شکست و فروپاشی مصالح و کل سازه، می رود تا شکل تازه ای به خود بگیرد. لذا در راستای طراحی سازه براساس عملکرد، که در آن در سطح کاربردی معمول به دنبال از بین بردن تلفات جانی و استقرار سازه در محدوده های ایمنی هستیم، بازنگری مجدد سیستم های سازه ای و خصوصیات سختی و شکل هندسی و محدودیت های شکل پذیری و تغییر مکان های آن ها، از جمله فعالیت های مؤثر تا دستیابی به روش های طراحی براساس عملکرد می باشند.

یکی از این سیستم های سازه ای که تولد آن نشانه تیزبینی پروفسور پوپوف و همکارانش بوده است و در سازه های بزرگ بسیاری در سطح جهان مورد استفاده قرار گرفته است، سیستم قاب های لرزه بر فولادی با مهاربندی واگرا می باشد. رفتار این سیستم ها که دارای شکل پذیری بالایی می باشند و از لحاظ عملکرد هندسی و معماری بسیاری از محدودیت ها را از میان برمی دارند، حداقل در کشور ما آنچنان معرفی نشده است.

اهداف مجموعه حاضر

با پیش رو بودن عصر نوین در طراحی لرزه ای و توجه به خصوصیات و پاسخ های متفاوت سیستم های لرزه بر در برابر زلزله استفاده از  سیستم های بادبندی برون محور  بسیار گسترش یافته است. با توجه به اینکه کشور ایران در مجموعه کشورهای لرزه خیز می باشد و همچنین توجه به این مسئله که این کشور در حال توسعه اقتصادی است، احداث بنا های با کاربری های متفاوت و با درجات اهمیت بالا و متوسط، بسیار حیاتی می باشد، لذا لزوم یک آیین نامه قدرتمند که بتواند با اعمال قوانین روشن و واضح در عرصه طراحی و اجرای  همگام با توسعه ساخت و ساز در کشور، حافظ منافع و منابع ملی این مرز و بوم باشد، شدیداً احساس می شود. آنگونه که مشاهده میشود، استاندارد 2800 ایران توانسته به گوشه ای از این اهداف دست یابد. خوشبختانه استاندارد مذکور در حال توسعه و بازنگری دائمی بوده و امید آن می رود که روزی به یک مجموعه مستقل در بخش طراحی لرزه ای و مهندسی زلزله از لحاظ مبانی، تبدیل گردد. در ویرایش سوم استاندارد 2800 (1384)، که آخرین ویرایش آن تا این تاریخ می باشد، بسیاری تفاوت ها و تغییرات بنیادی در ارقام کنترل و طراحی در مقایسه با ویرایش های قبلی به چشم می خورد. لیکن به جهت مطالعه تحقیقی بخش کوچکی از این آیین نامه به مطالعه قاب های ساده با بادبندهای برون محور و عوامل مؤثر بر ضرایب رفتار خطی و غیرخطی آن پرداخته شده.  در این  ویرایش همچنین این قاب ها جز معدود مواردی هستند که عدد جدیدی برای آن اعلام نشده است. لذا ما در این مجموعه با مطالعه و تحلیل پارامترهای ضریب رفتار سیستم مذکور همچون شکل پذیری، ضریب اضافه مقاومت و ضریب تنش مجاز متاثر از مشخصات هندسی مرسوم این سازه ها که در بخش های آتی بدان ها پرداخته خواهد شد، به دنبال تعیین ضریب رفتار سیستم های قاب های ساختمانی فولادی ساده با بادبندهای برون محور هستیم. تا بتوان نقص این آیین نامه را در این مورد در حد امکان نشان دهیم، امید است این تحقیق باعث صرفه جویی در مصرف و کاربرد غیرلازم فولاد، این سرمایه ملی و گران قیمت گردد.

ساختار مجموعه حاضر

پایان نامه حاضر با اهدافی که در بخش های پیشین عنوان گردید، در پنج فصل نگاشته و تنظیم شده است:

• فصل یکم: پیشگفتار و ساختار

این فصل شامل پیشگفتار و مقدمه ای بر مهندسی زلزله و لزوم انجام تحقیق درباره ضریب رفتار سازه ها با سیستم های باربری لرزه ای متفاوت من جمله سیستم قاب ساده فولادی با بادبند واگرا می باشد.

• فصل دوم: تئوری های حاکم بر رفتار لرزه ای سازه

در این فصل پس از بیان مقدمه ای بر طراحی لرزه ای و اهداف آن در آیین نامه های زلزله ایران،SEAOC ، ATC40 و UBC97 به رفتار نیرو – تغییر شکل سازه ها تحت بارهای چرخه ای و صعودی می پردازیم. مفهوم شکل پذیری و عملکرد انواع مختلف آن در این فصل توضیح داده خواهد شد. با معرفی شکل پذیری نیاز و مقدمه ای بر طراحی سازه بر اساس شکل پذیری به دنبال یافتن تاثیر شکل پذیری در کاهش نیروی طراحی خواهیم بود. در ادامه با مروری بر طیف ظرفیت و تعریف ضریب رفتار سازه به تعیین عوامل مؤثر بر آن با توجه به طیف ظرفیت پرداخته و مفاهیم اضافه مقاومت و ضریب تنش مجاز و در نهایت خود ضریب رفتار بازگو خواهد شد. در بخش های دیگری  با معرفی روش آنالیز غیر خطی استاتیکی یا روش بار افزون (pushover) و ترازهای عملکرد لرزه ای سازه در تحلیل های غیرخطی به تعیین نقطه عملکرد سازه خواهیم پرداخت. مفاهیم تبدیل منحنی ظرفیت و نیاز به فرمت یکسان ADRS  و میرایی و انواع رفتار سازه ای از دیگر مباحث فصل دوم می باشد. پس از مروری بر انواع مفاصل پلاستیک در این بخش و ملاک های پذیرش و کنترل عملکرد سازه به تعیین ضریب رفتار سازه با استفاده از طیف های ظرفیت – نیاز سازه پرداخته می شود. با ارائه مفاهیم کاهش تاثیر زلزله به علت افزایش پریود، اتلاف انرژی و میرایی، اضافه مقاومت و کنترل ضریب رفتار و مبانی مفروض در این تحقیق مباحث فصل دوم به سرانجام می رسد.

• فصل سوم: بررسی رفتار ارتجاعی و غیر ارتجاعی قابهای فولادی با بادبند واگرا

در این فصل ابتدا به معرفی عمومی سیستم های قاب فولادی مهاربندی شده با بادبند واگرا EBF و ذکر محاسن و لزوم استفاده از این نوع سیستم باربر سازه ای پس از ذکر تاریخ تولد این نوع آرایش سازه ای پرداخته و با معرفی انواع اشکال هندسی این نوع سازه ها به پردازش سختی، زمان تناوب و مقاومت و رابطه آن ها با خصوصیات هندسی سازه خواهیم پرداخت. پس از مطالعه رفتار هیسترزیس این سیستم به بحث ملاحظات طراحی این گونه قاب ها می رسیم. در این بخش به صورت خلاصه عمده مباحث موجود در مورد طراحی این نوع سیستم ها و علی الخصوص مشخصات تیر پیوند در این قاب ها و انواع رفتارهای مکانیکی مربوطه پرداخته خواهد شد.

• فصل چهارم: بررسی تأثیر مشخصات تیر پیوند در ضریب رفتار قابهای فولادی با بادبند واگرا

در این فصل پس از انتخاب مدل و شرح ملاحظات تحلیل خطی و غیر خطی استاتیکی به ارائه نتایج تحلیل غیر خطی و محاسبه پارامترهای رفتار غیر خطی استاتیکی به ارائه نتایج تحلیل غیر خطی و محاسبه پارامترهای رفتار غیر خطی سازه بر اساس طیف های ظرفیت سازه پرداخته خواهد شد. در این راستا قاب های EBF با تراز های ارتفاعی و خصوصیات هندسی متفاوت مورد تحلیل قرار می گیرد. از دیگر مواردی که در این فصل به آن پرداخته شده تحلیل و تعیین پارامترهای مؤثر بر ضریب رفتار سازه و تعیین ضریب رفتار سازه های طراحی شده براساس عملکرد مناسب لرزه ای می باشد. در ادامه با بررسی تحلیلی ارقام به دست آمده، نتایج مدلسازی ها ارائه می شود.

• فصل پنجم: جمع بندی، نتایج و پیشنهادات

این فصل شامل جمع بندی تحلیلی نتایج بدست آمده در فصل چهار می باشد. در ادامه این فصل به ارائه پیشنهاد جهت توسعه و ادامه مطالعه و تحقیق در پروژه های تحقیقاتی آتی پرداخته خواهد شد.

پیشنهادها

در نهایت توصیه های زیر جهت استفاده در آیین نامه لازم به نظر می رسد :

• با توجه به بهتر عمل کردن لینک های برشی  و جذب و استهلاک بیشتر انرژی در این حالت لازم است توصیه ای  مبنی بر ترجیح دادن این وضعیت در آیین نامه آورده شود.
• ضریب رفتار قابهای با ارتفاع بیشتر از 9 طبقه در حالتی که لینک خمشی باشد خیلی کمتر از مقدار ارائه شده در آیین نامه است باید مطلبی مبنی بر عدم استفاده از این حالت لینک برای ارتفاعات بالا ذکر گردد .
• مقدار ضریب رفتار برای قابهای کمتر از 6 طبقه باعث ایجاد یک طرح کاملا غیر اقتصادی و برای قابهای بیش از 9 طبقه طرحی ضعیفی می گردد لذا جهت در نظر گرفتن ارتفاع مقدار ضریب رفتار باید به صورت تابعی از ارتفاع در آورده شود.
• نسبت e/L نیز بر ضریب رفتار ساختمانهای با یک تراز ارتفاعی تاثیر گذار است این عامل نیز باید به نحوی در فرموله کردن ضریب رفتار در نظر گرفته شود.

ارائه  پیشنهاد برای ادامه تحقیقات

• – در این تحقیق برای مطالعه عوامل موثر بر ضریب رفتار سازه، از آنالیز بار افزودن استفاده شده است . برای ادامه تحقیقات استفاده از روش های تحلیل دینامیکی غیر خطی و یا تحلیل تاریخچه زمانی پیشنهاد می گردد.
• – مطالعه بر روی سازه هایی با ناپیوستگی و یا نامنظمی بادبندهای برون محور در ارتفاع ،‌ترکیب سیستم مذکور با انواع سیستمهای باربر لرزه ای ، و تغییر موقعیت تیر پیوند در دهانه ها یقیناً نتایج قابل توجهی را به دنبال خواهد داشت .
• – مطالعه بر روی اتصالات باد بندهای مذکور شامل شکل و جوش و تاثیر آنها بر ضریب رفتار و ظرفیت غیر خطی سازه ها
• – تخمین تخریبات ناشی از تغییر مکان ها و چرخش های این سیستم سازه ای بر روی سقف و تاثیر آن بر روی مفروضات سیستم سقف صلب در بحث تحلیل و طراحی و تاثیر آن بر ضریب رفتار سازه .
• – مدل سازی آزمایشگاهی جهت مطالعه بر روی رفتار غیر خطی این سازه ها و ضریب رفتار مربوطه
• – در نظر گرفتن اتصالات تیر به ستون به صورت خمشی و تعیین ضریب رفتار و مقایسه نتایج با این تحقیق