١
دانشگاه آزاد اسلامی
واحد تهران مرکزي
دانشکده فنی مهندسی عمران ، گروه سازه
پایان نامه براي دریافت درجه کارشناسی ارشد (M.Sc)
گرایش : مهندسی عمران ـ سازه
عنوان :
بررسی رفتار پیچشی سازه هاي نامتقارن در تحلیل استاتیکی غیر خطی (پوش آور)
استاد راهنما:
دکترمحمد صادق روحانی منش
استاد مشاور:
دکتر منجمی نژاد
پژوهشگر:
رضا گل مرادي
تابستان 1390
٢
تشکروقدردانی:
از این طریق ،مراتب سپاسگذاري خود را از زحمات
اساتید ارجمند جناب آقاي دکتر روحانی منش و جناب
آقاي دکتر منجمی نژاد که این پژوهش با راهنمایی هاي
ایشان به نتیجه رسید، بیان می دارم.
٣
فرم ببسمه تعالی
فرم اطلاعات پایان نامه هاي کارشناسی ارشد
دانشکده فنی و مهندسی گروه عمراننام واحد دانشگاه : تهران مرکزيکد واحد : 101کد شناسایی پایان نامه :نام و نام خانوادگی دانشجو : رضا گل مراديسال و نیمسال اخذ پایان نامه :شماره دانشجویی : 88109018700نیم سال دوم سالتحصیلی 89-90عنوان پایان نامه : بررسی رفتار پیچشی سازه هاي نامتقارن در تحلیل استاتیکی غیر خطی(پوش آور)نام و نام خانوادگی استاد راهنما : محمد صادق روحانی منشنام و نام خانوادگی استاد مشاور : سهیل منجمی نژادتعداد واحد پایان نامه :نمره پایان نامه دانشجو ( از 18 نمره)تاریخ صدور کد شناسایی :به عدد :به حروف :تاریخ دفاع از پایان نامه :نمره مقاله دانشجو ( از 2 نمره)تاریخ ارائه مقاله :به عدد :به حروف :
چکیده پایان نامه (شامل خلاصه ، اهداف ، روش هاي اجرا و نتایج بدست آمده) :
با بررسی عملکرد ساختمانها در زلزله هاي گذشته مشخص می شـود کـه معمـولا سـاختمانهاي نامتقـارن نسـبت بـه
ساختمانهاي متقارن آسیب پذیرترند . قرارگیري نامناسب مهاربندها در ساختمان می تواند یک سازه نامتقارن ایجاد کند
.اکثر تحقیقاتی که در زمینه تاثیرخروج از مرکزیت سختی در رفتار سازه انجام شده است محدود به ساختمانهاي یک
یا دو طبقه و با دهانه هاي کم می باشد . در این تحقیق سعی شده است تا عملکرد لرزه اي چنـد سـاختمان فـولادي
متقارن 3) و 5 و 8 طبقه) با کاربري مسکونی و داراي سیستم مهاربند واگرا بر اساس آیین نامه هاي موجود در کشـور
تحلیل وطراحی شود . سپس در هیمن سازه ها با جابجا کردن محل مهاربند ها در یک جهـت سـاختمانهاي نامتقـارن
ایجاد کرده و تحلیل و طراحی بر اساس آیین نامه هاي موجود کشور انجام می شود . همچنین جهت بررسی پـیچش
در سازه ها از تحلیل استاتیکی غیر خطی استفاده شده است . بر اساس توصیه دستور العمل بهسازي لرزه اي سازه ها
الگوي بارگذاري مثلثی و یکنواخت می باشد ، نتایج تحلیل استاتیکی غیر خطی با نتایج تحلیل تاریخچـه زمـانی غیـر
خطی مقایسه شده است . پارامتر مورد استفاده در این تحقیق تغییر مکانی نسبی بین طبقات و برش پایـه مـی باشـد .
نتایج نشان می دهد که جوابهاي تحلیل استاتیکی غیر خطی با الگوي بارگذاري مثلثی بـه جوابهـاي تحلیـل تاریخچـه
زمانی غیر خطی نزدیک است . همچنین با افزایش پیچش و ارتفاع نتایج تحلیل استاتیکی غیر خطی به نتـایج تحلیـل
تاریخچه زمانی غیر خطی نزدیک می شود .
کلمات کلیدي : تحلیل پوش آور ، تحلیل تاریخچه زمانی غیر خطی ، تغییر مکان هدف ، ساختمانهاي نامتقارن .
امضاء استاد راهنما :امضاء مدیر گروه :امضاء ریاست دانشکده :تاریختاریختاریخ
۴
فهرست مطالب
عنوانصفحه
فصل اول: کلیات
-1-1 مقدمه 4…………………………..
-2-1 تاریخچه 9…………………………..
-3-1 اصول و پایه هاي نظري پژوهش 11…………………………….
-4-1 تحقیقات انجام شده 15…………………………..
-5-1 ضرورت واهداف تحقیق21
-6-1 روش تحقیق 21…………………………….
-7-1 مزایاي استفاده از تحلیل غیرخطی استاتیکی 22…………………………..
فصل دوم: مروري بر ادبیات موضوع
-1-2 مقدمه 25…………………………..
-2-2 تعریف اهداف عملکردي 26…………………………..
-3-2 تعریف سطوح عملکردي 27…………………………..
-1-3-2 سطوح عملکرد تعریف شده توسط 27FEMA
-4-2 تعریف سطوح مختلف خطر زمین لرزه 30…………………………..
-5-2 انتخاب اهداف عملکردي 30…………………………..
-6-2 مدلسازي 31…………………………..
-7-2 پیچش 31…………………………..
-8-2 روش تحلیل سازه 31…………………………..
-9-2 تحلیل هاي خطی 32…………………………..
1-9-2 روش استاتیکی خطی 33…………………………..
-2-9-2 روش دینامیکی خطی 34(LDP)
أ
-1-2-9-2تحلیل خطی شبه دینامیکی یا طیفی 35…………………………..
-2-2-9-2 معایب روش تحلیل دینامیکی طیفی 36…………………………..
-3-2-9-2 تحلیل خطی دینامیکی تاریخچه زمانی 36…………………………..
-10-2 تحلیل هاي غیر خطی 37…………………………..
-1-10-2 روش استاتیکی غیر خطی37
-2-10-2 مزایاي روش استاتیکی غیر خطی 38(Pushover)
-3-10-2 تعیین نیاز لرزه اي 39…………………………..
-4-10-2 روش دینامیکی غیر خطی 40…………………………..
-11-2 انتخاب روش تحلیل مناسب 40…………………………..
-12-2 معیار پزیرش41
فصل سوم: مدلسازي ومطالعات مقدماتی
-1-3 مقدمه 43…………………………..
-2-3 مشخصات کلی ساختمان ها وفرضیات طراحی 43…………………………..
-3-3 محاسبه نیروي جانبی ناشی از زلزله 46…………………………..
-4-3 نحوه طراحی اجزاء ساختمانها 46…………………………..
-1-4-3 طراحی ستون ها 47…………………………..
-2-4-3 طراحی مهاربندها47
-3-4-3 کنترل تغییرمکان نسبی طبقات 47…………………………….
-4-4-3 کنترل طبقه نرم 47…………………………..
-5-3 نتایج نهایی طراحی ساختمانهاي مورد مطالعه 48…………………………..
فصل چهارم: نحوه ارزیابی ساختمان هاي طراحی شده
-1-4 مقدمات و مبانی وملزومات بهسازي 68…………………………..
-1-1-4 انتخاب هدف بهسازي 68…………………………..
-2-1-4 روش تحلیل و قواعد مدل سازي 68…………………………..
ب
-1-2-1-4 کلیات 68…………………………..
-2-2-1-4 ملاحظات مربوط به مدل سازي کلی ساختمان 68…………………………..
-2-4 ترکیبات بارگذاري 71…………………………..
-1-2-4 بارهاي ثقلی 71…………………………..
-2-2-4 بارهاي جانبی 71…………………………..
-3-4 مدلسازي اعضاء 72…………………………..
-1-3-4 مدل هاي اجزا 72…………………………..
-4-4 رفتار اجزاي سازه 75…………………………..
-5-4 تحلیل استاتیکی غیرخطی مدل ها 87…………………………..
-1-5-4 منحنی ظرفیت و پارامترهاي موثر در دوخطی سازي آن 88…………………………..
-6-4 مدلسازي در نرم افزار 98Ram Perform
-1-6-4 مدلسازي المانهاي قاب 98…………………………..
-1-1-6-4 مدلسازي ستون هاي غیرالاستیک101
-2-6-4 چگونگی مدل میرایی103
-3-6-4 رفتار غیرخطی اعضا105
-7-4 روش تحلیل دینامیکی غیرخطی106
-1-7-4 مشخصات شتاب نگاشت ها. 107
-2-7-4 نحوه مقیاس کردن شتابنگاشت ها109
فصل پنجم : نتایج وبحث
-1-5 مقدمه111
-2-5 ساختمان 3 طبقه111
-1-2-5 ساختمان 3 طبقه بدون خروج از مرکزیت 111 .(e=0)
-2-2-5 ساختمان 3 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد 114(e=10)
-3-2-5 ساختمان 3 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد 117(e=20)
ت
-3-5 ساختمان 5 طبقه120
-1-3-5 ساختمان 3 طبقه بدون خروج از مرکزیت 120 .(e=0)
-2-3-5 ساختمان 3 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد 123(e=10)
-3-3-5 ساختمان 3 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد 126(e=20)
-4-5 بررسی برش پایه ساختمان هاي مورد تحقیق129
فصل ششم : نتیجه گیري و پیشنهادات
-1-6 نتایج131
-2-6 پیشنهادات.. 132
فهرست منابع و مراجع133
چکیده انگلیسی154
ث
فهرست جداول
عنوانصفحه
1-2 جدول خرابی پیش بینی شده براي اعضاي قائم سازه اي29
2-2 جدول شاخص هاي کیفی خسارت در اعضاي سازه اي وغیرسازه اي30
3-2 جدول سطوح خطر زمین لرزه 31FEMA 273
1-3 جدول ستونها و مهاربند هاي موجود در سازه 3 طبقه بدون خروج از مرکزیت51
2-3 جدول ستونها و مهاربند هاي موجود در سازه 3 طبقه با 10 درصد خروج از مرکزیت52
3-3 جدول ستونها و مهاربند هاي موجود در سازه 3 طبقه با 20 درصد خروج از مرکزیت53
4-3 جدول ستونها و مهاربند هاي موجود در سازه 5 طبقه بدون خروج از مرکزیت54
5-3 جدول ستونها و مهاربند هاي موجود در سازه 5 طبقه با 10 درصد خروج از مرکزیت56
6-3 جدول ستونها و مهاربند هاي موجود در سازه 5 طبقه با 20 درصد خروج از مرکزیت58
7-3 جدول ستونها و مهاربند هاي موجود در سازه 5 طبقه بدون خروج از مرکزیت60
8-3 جدول ستونها و مهاربند هاي موجود در سازه 5 طبقه با 10 درصد خروج از مرکزیت63
9-3 جدول ستونها و مهاربندC هاي موجود در سازه 5 طبقه با 20 درصد خروج از مرکزیت66
1-4 جدول ضریب73
2-4 جدول ترکیبات بارگذاري در تحلیل استاتیکی غیرخطی74
3-4 جدول نوع مفاصل اعضاي قابهاي مهاربندي شده78
4-4 جدول پارامترهاي مدلسازي ومعیارهاي پذیرش در روش هاي غیرخطی-اجزا سازه فولادي88
5-4 جدول پارامترهاي مدلسازي ومعیارهاي پذیرش در روش هاي غیرخطی-اجزا سازه فولادي89
6-4 جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 8 طبقه با خروج از مرکزیت20 درصد96
7-4 جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 8 طبقه با خروج از مرکزیت10درصد97
8-4 جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 8 طبقه متقارن97
9-4 جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 5 طبقه با خروج از مرکزیت20 درصد98
10-4 جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 5 طبقه با خروج از مرکزیت10درصد98
ج
11-4جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 5طبقه متقارن…………………………………………………………..9912-4 جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 3طبقه با خروج از مرکزیت20 درصد……………………….9913-4جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 3طبقه با خروج از مرکزیت10درصد……………………….10014-4جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 3 طبقه متقارن…………………………………………………………10015-4 جدول مشخصات شتابنگاشت هاي مورد استفاده در تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی …………………..11116-4جدول ضرایب مقیاس شتابنگاشت ها ………………………………………………………………………………………..1131-5 جدول برش پایه حاصل از دو حالت تحلیل …………………………………………………………………………………133
ح
فهرست نمودارها
عنوانصفحه
1-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه بدون خروج از مرکزیـت (e=0) در تحلیـل پـوش آور تحـت
بارمثلثی با خروج از مرکزیت اتفاقی مثبت ومنفی 115…………………………..
2-5 نمــودار Drift طبقــات در ســازه 5 طبقــه بــدون خــروج از مرکزیــت (e=0) در تحلیــل پــوش آور
تحت باریکنواخت 116…………………………..
3-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه بدون خروج از مرکزیـت (e=0) در تحلیـل تاریخچـه زمـانی
تحت سه شتاب نگاشت 116…………………………..
4-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه بدون خـروج از مرکزیـت (e=0) در تحلیـل تاریخچـه زمـانی
وتحلیل پوش آور 117…………………………..
5-5 نمودار خطاي بدست آمده در Drift طبقات در سازه 5 طبقه بـدون خـروج از مرکزیـت( (e=0 در دو
حالت تحلیل پوش آور نسبت به تحلیل تاریخچه زمانی 117…………………………..
6-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیـت 10 درصـد (e=10) در تحلیـل پـوش آور
تحت بارمثلثی 118…………………………..
7-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد (e=10) در تحلیل پـوش آور
تحت باریکنواخت 119…………………………..
8-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خـروج از مرکزیـت 10 درصـد (e=10) در تحلیـل تاریخچـه
زمانی تحت سه شتابنگاشت 119…………………………..
9-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصـد ( (e=10 در تحلیـل تاریخچـه
زمانی و تحلیل پوش آور 120…………………………..
10-5 نمودار خطاي بدست آمده در Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیـت 10 درصـد در دو
حالت تحلیل پوش آور نسبت به تحلیل تاریخچه زمانی 120…………………………..
11-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد ( (e=20 در تحلیل پـوش آور
تحت بار مثلثی 121…………………………..
خ
12-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد ( (e=20 در تحلیل پـوش آور
تحت بار یکنواخت 122…………………………..
13-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد ( (e=20 در تحلیـل تاریخچـه
زمانی تحت سه شتابنگاشت 122…………………………..
14-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد ( (e=20 در تحلیـل تاریخچـه
زمانی و تحلیل پوش آور 123…………………………..
15-5 نمودار خطاي بدست آمده در Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد ( e=20
) دردو حالت تحلیل پوش آور نسبت به تحلیل تاریخچه زمانی 123…………………………..
16-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه بدون خروج از مرکزیت (e=0) در تحلیـل پـوش آور تحـت
بارمثلثی با خروج از مرکزیت اتفاقی مثبت ومنفی 124…………………………..
17-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه بدون خروج از مرکزیـت (e=0) در تحلیـل پـوش آور تحـت
باریکنواخت با خروج از مرکزیت اتفاقی مثبت ومنفی 125…………………………..
18-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه بدون خروج از مرکزیت (e=0) در تحلیل تاریخچه زمانی سـه
شتابنگاشت 125…………………………..
19-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه بدون خروج از مرکزیت (e=0) در تحلیـل تاریخچـه زمـانی و
تحلیل پوش آور 126…………………………..
20-5 نمودار خطاي بدست آمده در Drift طبقات در سازه 8 طبقه بدون خروج از مرکزیـت ( (e=0 در دو
حالت تحلیلپوش آور نسبت به تحلیل تاریخچه زمانی 126…………………………..
21-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد (e=10) در تحلیـل پـوش آور
تحت بارمثلثی با خروج از مرکزیت اتفاقی مثبت ومنفی 127…………………………..
22-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد (e=10) در تحلیل پـوش آور
تحت باریکنواخت با خروج از مرکزیت اتفاقی مثبت ومنفی 128…………………………..
23-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد ( e=10) در تحلیـل تاریخچـه
زمانی تحت سه شتاب نگاشت 128…………………………..
د
24-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد ( (e=10 در تحلیـل تاریخچـه
زمانی و تحلیل پوش آور 129…………………………..
25-5 نمودار خطاي بدست آمده در Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد (e=10)
دردو حالت تحلیل پوش آور نسبت به تحلیل تاریخچه زمانی 129…………………………..
26-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد (e=20) در تحلیـل پـوش آور
تحت بارمثلثی با خروج از مرکزیت اتفاقی مثبت ومنفی 130…………………………..
27-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد (e=20) در تحلیـل پـوش آور
تحت باریکنواخت با خروج از مرکزیت اتفاقی مثبت ومنفی 131…………………………..
28-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصـد ( (e=20 در تحلیـل تاریخچـه
زمانی تحت سه شتابنگاشت 131…………………………..
29-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد ( (e=20 در تحلیـل تاریخچـه
زمانی و تحلیل پوش آور132
30-5 نمودار خطاي بدست آمده در Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد (e=20)
دردو حالت تحلیل پوش آور نسبت به تحلیل تاریخچه زمانی 132…………………………..
ذ
فهرست اشکال
عنوانصفحه
1-2 شکل منحنی ظرفیت سازه بدست آمده از آنالیز 39Pushover
1-3 شکل پلان ساختمان متقارن47
2-3 شکل پلان ساختمان نامتقارن با 10 درصد خروج از مرکزیت47
3-3 شکل پلان ساختمان نامتقارن با 20 درصد خروج از مرکزیت48
1-4 شکل منحنی رفتار عضو شکل پذیر75
2-4 شکل منحنی رفتار عضو نیمه شکل پذیر76
3-4 شکل منحنی رفتار عضو شکننده76
4-4 شکل روش هاي تعریف معیار پذیرش اعضا79
5-4 شکل تهیه منحنی چندخطی بار – تغییرشکل براي تلاش هاي تحت کنترل تغییر شکل82
6-4 شکل تهیه منحنی چندخطی بار – تغییر شکل براي تلاش هاي تحت کنترل نیرو. 83
7-4 شکل منحنی نیرو- تغییر شکل تعمیم یافته براي اعضا و اجزا فولادي85
8-4 شکل تعر یف چرخش عضو86
9-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 3 طبقه متقارن با ترکیب بار 92(2-1)
10-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 3 طبقه متقارن با ترکیب بار 92(2-2)
11-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 3 طبقه با خروج ازمرکزیت 20 درصدبا ترکیب بار(93(2-2
12-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 3 طبقه با خروج ازمرکزیت 20 درصدبا ترکیب بار(93(2-1
13-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 8 طبقه با خروج ازمرکزیت 20 درصدبا ترکیب بار(94(2-1
14-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 8 طبقه با خروج ازمرکزیت 20 درصدبا ترکیب بار(94(1-1
15-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 8 طبقه با خروج ازمرکزیت 20 درصدبا ترکیب بار(95(1-2
16-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 8 طبقه با خروج ازمرکزیت 20 درصدبا ترکیب بار(95(2-2
17-4 شکل مدل چرخش خمشی 101…………………………..
18-4 شکل مولفه هاي اصلی براي مدل چرخش خمشی 102…………………………..
ر
19-4 شکل مولفه هاي تیر با مفصل پلاستیک …………………………………………………………………………………….10320-4 شکل مدل ناحیه پلاستیک …………………………………………………………………………………………………………10421-4 شکل سطح تسلیم P-M-M در فولاد ………………………………………………………………………………………..10622-4 شکل بیان فیزیکی میرایی ………………………………………………………………………………………… αM + βK10723-4 شکل نحوه تغییرات میرایی با پریود سازه …………………………………………………………………………………..10824-4 شکل منحنی نیرو- تغییرمکان درRam- Perform بدون درنظرگرفتن کاهش مقاومت…………………….10925-4 شکل منحنی نیرو- تغییرمکان درRam- Perform بدون درنظرگرفتن کاهش مقاومت…………………….10926-4شکل شتاب نگاشت ……………………………………………………………………………………………………….. kobe11127-4شکل شتاب نگاشت ………………………………………………………………………………………………….. Landers11228-4شکل شتاب نگاشت …………………………………………………………………………………………. Loma Prrieta112
ز
مقدمه
بررسی زلزله هاي اتفاق افتاده در جهان نشان می دهد که این زلزله ها در یک موقعیت جغرافیایی
خاص ومحدودي اتفاق افتاده است . از آنجائیکه معمولا شکل این نواحی زلزلـه خیـز بصـورت یـک
کمربند می باشد بنام مناطق زلزله خیز یا کمربند زلزله نامیده می شوند. نواحی زلزله خیز جهان را می
توان در چند نوار زلزله گنجاند. نوارمحیط اقیانوس آرام از مهمتـرین آنهـا اسـت . بعـد از نـوارمحیط
اقیانوس آرام می توان به نوار زلزله آلپ – هیمالیا که به آلپاید مشهوراست، اشاره نمود. ازمناطق زلزلـه
خیزدیگر، نواروسط اقیانوس اطلس را می توان ذکر کرد. [1]
واقع شدن ایران درکمربند لرزه خیز آلپای د که یکی از لرزه خیزترین مناطق جهان اسـت و وقـوع
130 زلزله با بزرگی بیش از7/5 ریشتردر قرن گذشته وبا توجه به اینکه بطور متوسط درهرسـال یـک
زلزله با بزرگی بیش از 4 ریشتردر کشورمان رخ می دهد وخسارات مالی وجانی زیادي بـه بـار مـی
آورد اهمیت شناخت دقیق زلزله ونیروها ي ایجاد شده بوسیله زلزلـه در سـاختمان را بـیش از پـیش
نشان دهد.
در سالهاي اخیر، روشهاي زیادي براي آنالیز لـرزه اي سـازه هـا ارائـه شـده اسـت. یکـی از ایـن
روشها، روش تحلیل استاتیکی غیر خطـی ( پـوش آور) مـی باشـد. معمـولا اکثـر روشـها بـه مـدلهاي
ساختمانی صفحه اي (دو بعدي) محدود می شوند بنابراین چنین امري تنها براي سـازه هـاي متقـارن
قابل قبول می باشد. اما در سالهاي اخیر تلاشهاي فراوانی صورت گرفته تا این روش بـه سـازه هـاي
نامتقارن که نیازمند تحلیل سه بعدي هستند نیز تعمیم داده شود، بررسی رفتار سازه ها در زمین لـرزه
هاي گذشته نشان می دهد که پیچش حاصل از نامتقارن بودن ساختمانها یکی از دلایل آسـیب دیـدن
شدید ساختمان می شود. علیرغم تحقیقات انجام شده دراین مورد،هنوز رفتار ساختمانهاي نامتقـارنتحت تاثیر پیچش به طور کامل درك نشده است. و دلیل آنرا میتوانتعداد زیـاد پـا رامترهـاي مـوثردانست.
تحقیقا ت وسیع انجام شده درمورد ساختمانهاي نامتقارن با درنظـر گـرفتن رفتـارغیرخطی بیشـتر
محدود به ساختمانهاي نامتقارن یک طبقه می باشد، بنابراین نمی توان با اطمینان نتایج حاصـل از ایـن
1
تحقیقات را به ساختمانهاي چند طبقه تعمیم داد و از طرفـی دیگـر مـدلهاي عـددي پیچیـده ،روشـی
کاربردي براي تحقیق نمی باشند.
هدف از این تحقیق بررسی رفتار ساختمانهاي چند طبقه نامتقـارن وارائـه یـک چـارچوب قابـل
درك، بدون انجام هرگونه تحلیل دینامیکی غیرخطی پیجیده می باشد.
این تحقیق در شش فصل گردآوري شده است:
فصل اول: به کلیات موضوع پرداخته شده واصول وپا یه هاي نظري مربـوط بـه روش پـوش آور
وضرورت تحقیق واهداف آن آورده شده است .
فصل دوم: مروري بر ادبیات موضوع می باشد واهداف عملکردي وسطوح عملکردي وروشـهاي
تحلیل بیان شده است.
فصل سوم: مشخصات کلی ساختمانها وفرضـیات طراحـی وهمچنـین طریقـه محاسـبه نیروهـاي
جانبی آورده شده ودر نهایت نتایج نهایی طراحی سازه ها بصورت جدول ارائه شده است.
فصل چهارم :نحوه ارزیابی ساختمانهاي طراحی شده ارائه شده است . مبانی وملزومات بهسـازي،
ترکیبات بارگذاري در تحلیل پوش آور در این فصل آورده شده است.
فصل پنجم:اعلام نتایج بدست آمده از تحلیل ،بررسی، مقایسه ونتیجـه گیـري آنهـا پرداختـه مـی
شود.
فصل ششم:نتیجه گیریهاي کل وپیشنهادات براي تحقیقات آتی ارائه می گردد.
2
فصل اول
کلیات
3
(1-1 مقدمه
عملکرد ساختمانها در زلزله هاي گذشته نشان داده است که معمولا ساختمانهاي نامتقارن نسـبت
به ساختمانهاي متقارن آسیب پذیرتر بوده ودر حین زلزله دچار آسیبهاي شدیدتر مـی گردنـدواحتمال
فروریزش آنها نسبت به ساختمانهاي متقارن بیشـتر مـی باشـد. خرابـی حـدود چهـل ودو درصـد از
ساختمانها در زلزله 1985 مکزیک به علت آثار پیچشی ، نشان داد که ساختمانهاي نامتقـارن از لحـاظ
سختی ومقاومت در پلان ،بسیار آسیب پذیر هستند . ارتباط موجود بین حرکات جـانبی وپیچشـی در
یک ساختمان با پلان نامتقارن که در اینجا به عنوان پیچش طبیعی معرفی می شود باعـث ایجـاد نیـاز
تغییر شکل غیر یکسان در صفحات مقاوم جانبی در سیستم می گردد.
با بررسی این نوع ساختمانها در زمان وقوع زلزله می توان نتیجه گرفت که آسیب پذیري اینگونـه
ساختمانها در نتیجه لنگرهاي پیچشی وتغییرمکانهاي دورانی اضافی است کـه در اثـر عـدم تقـارن در
دیافراگم هاي ساختمان ایجاد شده وسبب افزایش خسارات سازه اي وغیر سـازه اي بـویژه در وجـوه
بیرونی ساختمان می گردند. عدم تقارن درساختمان می تواند دراثرتوزیع نامتقـارن جـرم در دیـافراگم
هاي ساختمان یا در اثر توزیع نامتقارن سختی یا مقاومت در المانهاي باربر جانبی باشد. عـدم توزیـع
یکنواخت جرم ،سختی ومقاومت سبب می گردد تا نقطه اثر برآیند نیروهاي ناشی از زمـین لـرزه بـا
نقطه اثر برآیند نیروهاي المانهاي باربر جانبی یکی نبوده ودر صورتیکه ساختمان داراي دیافراگم هاي
صلب یا نیمه صلب باشد لنگرهاي پیچشی در این دیافراگم ها ایجاد گردد. وقتی که رفتـار سـاختمان
در محدوده الاستیک است نقطه اثر برآیند نیروهـاي مقـاوم جـانبی منطبـق بـر مرکـز سـختی (مرکـز
صلبیت)ساختمان می باشد، اما وقتی که در حین زلزله تعدادي از المانهاي بـاربر جـانبی جـاري مـی
گردند محل برآیند نیروهاي مقاوم جانبی تغییر کرده ونهایتا اگر تمامی المانهـاي بـاربر جـانبی جـاري
گردند نقطه اثر برآیند نیروهاي مقاوم جانبی بر مرکز مقاومت منطبق می گردد. بنـابراین بـا توجـه بـه
نحوه رفتار سازه در حین زلزله میزان لنگرهاي پیچشی ایجاد شده در حین زلزلـه تغییـر مـی نمایـد و
مراکز سختی ومقاومت نمایانگر وضعیت حدي این تغییرات درزمانیکـه سـازه در محـدوده خطـی یـا
غیرخطی (مصالح)رفتار می کند می باشد. بنابراین می توان نتیجه گرفت که محل مراکز جـرم،سـختی
ومقاومت از پارامترهاي اصلی می باشند که رفتار سازه هاي نامتقارن را تحـت تـاثیر قـرار میدهنـد. از
4
پارامترهاي مهم دیگري که بر رفتارپیچشی سازه ها تاثیر می گذارند سختی ومقاومـت پیچشـی سـازه
وممان اینرسی جرمی طبقات می باشند.
دستورالعملها وآیین نامه هاي طراحی ساختمانها در برابر زلزله ضـوابط ویـژه اي بـراي طراحـی
سازه هاي نامتقارن دارند، این دستورات در آیین نامه ها ي طراحی بـر اسـاس عملکـرد نیزبـا وجـود
تفاوت زیادي که این آیین نامه ها با آیین نامه هاي عادي طراحی لرزه اي ساختمانها دارند تکرار شده
اند. این در حالی است که این دستورات درطراحی هاي معمول وبراي سطح خطر وعملکـرد از پـیش
تعریف شده آیین نامه هاي معمول نیز داراي کاستی هایی می باشند. با توجه بـه انتظـار رفتـار شـکل
پذیر ساختمانها در مقابل زلزله هاي متوسط وشدید که در آن با افـزایش نیرو هـاي داخلـی ، اعضـاي
مقاوم جاري شده ومقدار آن عملا در اعضا ثابت باقی می ماند، لذا خرابی عضو از آن پس با ظرفیـت
تغییر شکل پلاستیک آن (متناسب با ظرفیت شکل پذیري عضو)کنترل می گردد. بنابراین طراحی سـازه
براي سطوح عملکرد متفاوت بطور طبیعی با طراحی بر اساس تغییر مکان همخوانی بیشتري نسبت به
روشهاي معمول طراحی براساس نیرو دارد. لـذا در ایـن رابطـه روشـهاي طراحـی جدیـد بـر اسـاس
تغییرمکان توسعه داده شده اند. اما در این روشها هم عموما براي محاسبه مقاومت مـورد نیـاز عناصـر
باربر جانبی در طراحی سازه هاي جدید می بایست نیروي برش پایه بدست آمده وسـپس در طبقـات
وبین عناصر باربر جانبی توزیع گردند که مع مولا از روشهاي معمول آیین نامه هاي لرزه اي براي ایـن
منظور استفاده می گردد. ضوابط پیچشی آیین نامه ها بر این فرض اسـتوار اسـت کـه سـختی عناصـر
باربر جانبی براساس ابعاد هندسی آن قابل محاسبه می باشد ودر نتیجه در خلال تعیین مقاومت اعضـا
در سازه هایی که ابعاد هندسی ال مانهاي باربر جانبی ثابت می مانند محل مرکز سختی ثابت بـاقی مـی
ماند. نحوه رفتار المانها با این فرض در شکل (a -1) نشان داده شده است مطالعات اخیر نشـان داده
است که این فرض در مورد بخش قابل توجهی از المانها که امروزه در ساخت سـاختمانها بکـار مـی
روند معتبر نمی باشد . در این سري از المانها که از آنها با المانهاي نوع D نام برده می شود بـا تغییـر
مقاومت ولی با فرض ثابت ماندن ابعاد، عملا تغییرمکان حدجاري شدن المان دچـار تغییـرات جزئـی
شده ولذا این سختی المان است که تابع میزان مقاومت وتغییرمکان حدجاري شدن می باشد. بنـابراین
در هنگام توزیع نیرو وتعیین مقاومت المانهاي باربرجانبی ، با تغییـر مرکـز مقا ومـت سـاختمان مرکـز
5
سختی المان نیزمتناسب با آن تغییرمی نماید. نحوه رفتار اینگونه المانها در شـکل (b -1) نشـان داده
شده است
شکل – (1-1) رفتار نیرو ـ تغییر مکان المانها
ساختمانهایی که با توجه به عملکرد هاي متفاوتی که در سطوح خطر محتمل از آنهـا انتظـار مـی
رود دچار درجات متفاوتی از رفتارهاي غیر خطی می گردند ممکن است بـراي آنهـا آرایـش مناسـب
مراکز سختی،مقاومت وجرم در هر سطح عملکرد متفاوت باشد. به عنوان نمونه زمانیکه سـاختمانی در
سطح خطرمشخص براي سطح عملکرد سـکونت بـی وقفـه طراحـی مـی گـردد، در ایـن صـورت از
ساختمان انتظار رفتارغیرخطی قابل توجهی نمی رود و می توان انتظار داشت که مناسب ترین آرایـش
مراکز مقاومت، سختی وجرم آرایشی است که در آن مرکز جرم برمرکز سختی منطبق گـردد. در حـالی
که احتمالا این آرایش براي ساختمانی که ازآن انتظار عملکرد ایمنی جانی می رود یعنی ساختمانی که
حین زلزله رفتار غیرخطی قابل ملاحظه از خود نشان میدهد مناسب نمی باشد. بطور کلی براي کنترل
عملکرد سازه، میزان خسارات وارده به ساختمان در حین زلزله محدود می گردد. براي این منظـور از
6
پارامترهاي خسارت مختلف که شرایط خسارات سازه اي وغیر سازه اي را نشان می دهند استفاده می
گرددمعمولا. براي کنترل خسارات سازه اي از تغییرشکل یا دوران پلاستیک، تغییرمکان نسبی طبقـات
ویا از شکل پذیري استفاده مـی شـود. بـراي کنتـرل میـزان خسـارات عناصـر غیـر سـازه اي نیـزاز
پارامترهایی نظیر تغییرمکان نسبی طبقات ویا شتاب طبقه استفاده می گردد. از جمله عوامل دیگري که
برآرایش مناسب مرکز جرم، سختی ومقاومت تاثیر می گذارد نوع پارامترمورد بررسـی مـی باشـد. بـه
عنوان نمونه آرایشی که می تواند میزان شکل پذیري در عضو بحرانـی را بهبـود بخشـد لزومـا سـبب
بهبود پارامتر تغییرمکان نسبی بین طبقات نمی گردد. رفتار پیچشی سازه ها معمولا بـه عوامـل متعـدد
وپارامترهاي متنوع که تابع مشخصات سازه است بستگی دارد. زمانیکه مسـاله در محـدوده غیرخطـی
مورد بررسی قرار می گیرد،تعداد پارامترهاي حاکم بر مساله افزایش می یابد. این مساله با توجـه بـه
محدودیتهاي محاسباتی در گذشته سبب شده تا اکثر مطالعات پیچشی انجام شده برروي مدلهاي ساده
انجام گیرند. این مدلها معمولا یک طبقه وبا المانهاي مقاوم برشی در یک جهت می باشند ومطالعـات
کمتري برروي مدلهاي چند طبقه یا مدلهاي با سیستم مقاوم در هر دو جهت وتحت اثر نگاشـتهاي دو
مولفه اي انجام گرفته است. واضح است که رفتارپیچشی سازه ممکن است اثرات مخربی را بـر رفتـار
سازه در حین زلزله هاي شدید داشته باشد. بـه دلیـل تعـداد زیـاد پارامترهـاي مـوثربر رفتـار پیچشـی
ساختمان هاي نامتقارن هنوز رفتار این نوع ساختمانها بـه طـور کامـل درك نشـده اسـت . هـر چنـد
مطالعات نسبتا وسیعی در زمینه رفتار غیرخطی ساختمانهاي یک طبقه نامتقارن صـورت گرفتـه اسـت
1]،[2 ولی هنوز نمی توان با اطمینان نتایج حاصل از این تحقیقات را به ساختمانهاي چندطبقه تعمیم
داد واز سوي دیگر مدلهاي عددي پیچیده ، روشی کاربردي براي تحقیق باشند.
با توجه به پیشرفت علم مهندسی زلزله در سالهاي اخیـر، شـناخت فاکتورهـاي جدیـد طراحـی
ساختمانها نیاز به مطالعات بیشتري دارد.در این زمینه بیشـترین تاکیـد در گسـترش طراحـی براسـاس
عملکرد خواهد بود که شامل حرکات زمین ومطالعات جدید تجربی وتحلیلی در مورد شناخت رفتـار
اجزاي ساختمان می باشدمحققین براساس مطالعاتی که بر روي اثرات زمین لرزه هایی همچون زمین
لرزه 6.7 ریشتري نورتریج در ایالات متحده در سال 1994 وزلزله 7.1 ریشتري لوما پریتا وهمچنین
زمین لرزه کوبه ژاپن در سال 1995وموارد دیگر انجام داده اند. مشاهده کردند سازه هایی که بـا آیـین
7
نامه هاي متداول طراحی شده اند ، از لحاظ تامین امنیت وسلامت جانی ساکنین ، عملکرد خـوبی از
خود نشان داده اند، اما بدلیل گستردگی خرابیهاي ساختمانها ، زیانهاي اقتصادي ومالی زیـادي بـه بـار
آمد. این امر سبب شد تا نیاز شدید به دستورالعملها وآیین نامه هایی که قابلیـت کنتـرل کـردن میـزان
خسارات در زلزله هاي متوسط را دارا باشند احساس شود. در نتیجه مجموعه آیین نامه ها ودستورات
مبتنی بر طراحی براساس عملکرد ایجاد شدند که به عنوان نمونـه مـی تـوان از دسـتورالعملهاي- 40
ATC،FEMA 356 نام برد. [3]
امروزه اعتقاد بر این است که تنها در نظر گرفتن سطح عملکرد مصونیت جانی براي طـرح لـرزه
اي در نواحی فعال لرزه اي کافی نیست. در ضمن طرح لرزه اي را از نظرهاي دیگر، که همان هزینـه
هاي مرمت وزمان بازسازي کامل هستند باید مد نظر قرار داد. از این رو در چنـد سـال اخیـر تـلاش
وتحقیقات بسیاري توسط محققین صورت گرفته تا راهکارها و روشهایی بـراي ارزیـابی دقیـق تـر از
رفتار سازه ارائه گردد ودر واقع بتوان سازه اي طراحی کرد که در برابر زلزله مشـخص، رفتـار معینـی
داشته باشد.
عملکرد سازه ها در مقابل زمین لرزه وسطوح مختلف عملکرد در برابر زلزله ها بـا سـطح خطـر
معین مبانی اصلی روش طراحی بر اساس عملکرد می باشند. در آیین نامه طراحی ساختمانها در برابـر
زلزله (استاندارد (2800،ضوابط ومقرراتی براي طراحی واجـراي سـاختمانها در برابراثرهـاي ناشـی از
زلزله ارائه شده است.» بطور کلی با رعایت این آیین نامه انتظـارمی رود بـا حفـظ ایسـتایی سـاختمان
درزلزله هاي شدید (زلزله طرح) تلفات جانی به حداقل برسـد ونیـز سـاختمان در برابـر زلزلـه هـاي
خفیف ومتوسط (زلزله سطح بهره برداري ) بدون وارد شدن آسیب عمده سـازه اي قـادر بـه مقاومـت
باشد«[19]
در استاندارد 2800 به منظور تحلیل وطراحی سازه براي اهداف تعریف شـده، از روشـهاي خطـی
والاستیک استفاده می گردد که در آن پارامتر اصلی پاسخی که معیار کنترل سـازه واجـزاء آن در نظـر
گرفته شده،نیرو می باشد و این در حالی است که سـازه در هنگـام وقـوع زمـین لـرزه از خـود رفتـار
غیرخطی نشان می دهد. آیین نامه براي در نظر گرفتن این رفتار سازه وهمچنین اثرات حرکات زمـین
8
بر سازه از ضریب کاهش نیرو که به عنوان ضریب اصلاح پاسخ یا ضـریب رفتـارR نامیـده مـی شـود
استفاده می کند.
از کاربردهاي ضریب رفتار R در این آیـین نامـه مـی تـوان تعیـین بـرش پایـه طراحـی، کنتـرل
تغییرمکان نسبی طبقات، محاسبه بیشترین تغییرمکان غیر الاستیک مورد انتظـار بـر مبنـاي تغییرمکـان
الاستیک ناشی از نیروهاي طراحی وهمچنین محاسبه نیروهاي واقعی اجزایی از سازه که عامل کنتـرل
طراحی در آنها نیرو می باشد نام برد . اما می دانیم که ضریب رفتار Rبه عوامل متعدد وپیچیده زیادي
بستگی دارد وهمچنین معیار نیرو نمی تواند عملکرد واقعی سازه واجـزاي آنهـا ویـا میـزان خسـارت
وآسیب وارده را در حالت غیرخطی نشان دهد.
حال این سوال مطرح می شود که آیا اهداف عملکر دي پیش بینـی شـده در اسـتاندارد 2800 بـا
توجه به سطوح خطر زمین لرزه ارائه شده در آن، براي ساختمانهایی که براسـاس ضـوابط ایـن آیـین
نامه طراحی می شود تامین می گردد؟
در ایــن تحقیــق تــلاش مــی گــردد بــا اســتفاده از اصــول مهندســی زلزلــه بــر اســاس ســطح
عملکرد،وضعیت سطوح عملکردي ساختمانهاي نامتقارن که داراي مهاربند واگرا هسـتند ، تحـت اثـر
سطح خطر زمین لرزه نوع یک تعیین گردد.
(2-1 تاریخچه
در دهه هاي اولیه قرن بیستم واژه هاي مقاومت و عملکرد هم معنی متصور می شدند واز حـدود
25 سال پیش بود که تفاوت این دو واژه مشخص گردید ومشاهده شد که افزایش مقاومـت لزومـا بـه
معناي ایمنی بیشتر وخرابی کمتر نیست. محققین نشان دادند که توزیع مقاومت در اجزاء سـازه،معیـار
با اهمیت تري از کل مقاومت سازه می باشد . به عنوان مثال نشان داده شد که تشکیل مفاصل خمیري
در محل اتصال تیر به ستون برروي تیر، مناسب تر از تشکیل آنها بـر روي سـتون اسـت (تیرضـعیف
وستون قوي)
دستاوردهایی از این دست را می توان آغاز عصر طراحـی براسـاس عملکـرد نامیـد .[9] مفـاهیم
طراحی بر اساس عملکرد در ایالات متحده گسترش پیدا کـرده وبصـورت گسـترده اي پایـه واسـاس
9
پروژه هاي آینده را تشکیل می دهد . بخصوص مطالبی که در قالب FEMA-356 جمع آوري شـده
است وشامل سطوح عملکرد تخریب کامل،مصونیت جانی، استقرار فوري پس از زلزله می باشد.[9]
در نیوزلنــد دســتورالعمل ) NZNSEE راهنمــاي ریســک لــرزه اي ســاختمان) معیــار ریســک
،معیارهاي عملکرد لرزه اي وبطور ضمنی اهداف عملکردي را در بر دارد . بااین وجود این اهداف بـه
جاي ادامه یافتن سرویس دهی ساختمان بعد از زلزله، بطـور انحصـاري مربـوط بـه مصـونیت جـانی
وجلوگیري از ویرانی کامل هستند. [10]
تعــداد زیــادي از محققــین در طــول ســالیان گذشــته بــر روي ایــن موضــوع کــار کــرده انــد.
از جمله ایـن محققـین [11] Potuan Chen مـیبا شـند کـه تحقیقـاتی بـرروي طراحـی براسـاس
عملکردCollins R .,Kevin لرزه اي ساختمانهاي فـولادي نامتقـارن بااسـتفاده ازتحلیلهـاي اسـتاتیکی
ودینامیکی غیرخطی انجام داده اند. آنها با تعریف یک سیستم یک درجـه آزاد معـادل، رفتـار لـرزه اي
یک ساختمان نامتقارن دو طبقه را مو رد ارزیابی قرار دادند وبه این نتیجه رسیدند کـه اثـر نـوع خـاك
وسطح خطر زلزله بیش از پیچش در طراحی موثر است والبته ذکـر کردنـد کـه ایـن تحقیقـات کـافی
نیست وباید ساختمانهایی با طبقات وپیچیدگی هاي بیشتر مورد ارزیـابی قـرا ر گیرنـد .از محققـیندیگري که بر روي این موضوع کار کرده اند می توان به [3] Ahmed Ghobarahاشاره کـرد
که ذکر می کند هدف طراحی در آیین نامه هاي رایج ایمنی جانی است یعنی در زلزله هاي کوچک و
متوسط، آسیب محدود ودر زلزله هاي بزرگ ، جلوگیري از فروریزش مد نظر است . ولی میزان قابل
اعتماد بودن طراحی ،براي رسیدن به آن اهداف مشخص نیست وپیش بینی می کند که طراحـی لـرزه
اي در آینده باید مبتنی بر معیارهاي عملکردي مشخص باشد، که سطوح خطـر مختلـف را نیـز در بـر
گیرد که البته این امر بستگی مستقیم دارد به تعریف دقیق از اهداف عملکـرد ، روش یکسـان در مـدل
کردن حرکات زمین، ارزیابی دقیق ظرفیت اعضاء، تعیین دقیق معیارهاي عملکرد وارتباط دادن آنها بـه
پارامترهاي پاسخ مانند : تنش،کرنش،جابجایی وشتاب.
در تحقیقــی دیگــر [12] کــه G.H.Brameld ,D.P.Thambiratnam,M.N.Bugeja بــر
روي اثر خروج از مرکزیت سختی ومقاومت بر پاسخ غیرخطی ساختمانهاي نامتقارن انجام داده اند بـا
ارائه یک مدل تحلیلی که پارامترهاي کلیدي و ویژگیهاي دینامیکی سازه هاي واقعی را منظور می کند
10
به این نتیجه رسیده اند که خروج از مرکزیت مقاومت بیشـتر از خـروج از مرکزیـت سـختی بـرروي
پاسخ غیرخطی ساختمان نامتقارن اثر می گذارد.
[13]A.S.Moghadam. نیــز بــا مطالعــه بــر روي یــک ســاختمان بتنــی هفــت طبقــه
نامتقارنTso.k.w به این نتیجه رسیده اند که در ساختمانهاي نامتقارن که اثر پیچش در آنها مهم اسـت
بجاي استفاده از آنالیز پوش آور سه بعدي می توان ابتدا با استفاده از تحلیل دینامیکی خطی سه بعدي
،چندین تغییرمکان هدف که هر کدام مربوط به یکی از قابهاي بـاربر جـانبی اسـت را تعیـین کـرده و
سپس براي هر کدام از این قابها به تنهایی تحلیل پوش آور دوبعـدي انجـام داد. دقـت ایـن روش در
تخمین پاسخهاي لرزه اي ساختمان بسیار بالاست وحتی درسمت سخت ساختمان دقـت بیشـتري را
نسبت به آنالیز پوش آور سه بعدي دارا می باشد.
بطورکلی مفاهیم طراحی براساس عملکرد در دستورالعملهاي FEMA-356 وA TC-40معرفـی
شده اند این اسناد ومدارك بهترین جزئیات تجربی را جهت شناخت ومقاوم سازي سـاختمانها در بـر
دارند.
(3-1 اصول وپایه هاي نظري پژوهش
براي سالیان متمادي روش استاتیکی جهت تحلیل وطراحی سازه هاي متداول مورد اسـتفاده قـرار
گرفته است. در این روش نیروي جانبی ناشی از حرکت پایه که معمولا به عنوان نیروي جانبی زلزلـه
شناخته می شود به صورت ضریبی از وزن سازه معرفی مـی گـردد. در روش تحلیـل خطـی حـداکثر
نیروي محتمل زلزله با توجه به نوع زمین وخطر نسـبی زلزلـه در منطقـه مـورد نظـر توسـط ضـریب
رفتار((R کاهش داده شده و فرض می گردد که سازه نیروي مورد نظر را با رفتار خطی خـود تحمـل
خواهد کرد.
مقدار ضریب رفتار که تابع پارامترهایی چون شکل پـذیري سازه،اضـافه مقاومـت سـازه ودرجـه
نامعینی سازه است ،براي کلیه سازه ها با سیستم سازه اي یکسان ،مقداري ثابـت در نظـر گرفتـه مـی
شود. اما تحقیقات نشان می دهد مقدار ضریب رفتار براي سازه هایی با سیستم سـازه اي یکسـان امـا
متفاوت در پیکر بندي وارتفاع ،متفاوت می باشـد. عـلاوه بروجـود پـارامتر سـوال برانگیـز ضـریب
11
رفتار،روش خطی قادر به ارائه هیچ گونه اطلاعاتی در مورد رفتار سازه در حوزه غیـر ارتجـاعی نمـی
باشد.
ازمیان کلیه روشهاي موجود براي تحلیل سازه هـا ،روش تحلیـل غیرخطـی دینـامیکی بـه عنـوان
بهترین ودقیق ترین روش شناخته شده است. پیچیدگی هاي خاص این روش که مستلزم صرف زمان
وهزینه هاي قابل توجهی بوده ونیاز به یک نرم افزار مناسب دارد تا بتوانـد رفتـار غیرخطـی را بطـور
صحیح نشان دهد ،استفاده از آنرا در عمل محدود ساخته است . به این ترتیب نیاز به یک روش ساده
و کارا با حداقل تلاش که قادر به توصیف رفتار سازه در وراي محـدوده خطـی نیـ ز باشـد منجـر بـه
تحقیق وبسط روش غیرخطی استاتیکی گردید.
به کمک تحلیل غیرخطی استاتیکی می توان اطلاعات مفیدي در مورد سازه از قبیـل مسـیر تغییـر
شکل سازه در وراي رفتارخطی، ترتیب وچگونگی تشکیل مفاصل در اعضاء ، اعضایی که در پایداري
نهایی سازه موثرند و… را بدست آورد .
فرض اصلی در تحلیل غیرخطی استاتیکی تغییر شکل سازه براثر یک یـا چنـد الگـوي بارگـذاري
افزایش یابنده است ،براي مثال این الگوي بارگذاري می تواند متناسب با مـد اول تغییـر شـکل سـازه
باشد.
اگرچه کاربرد روش تحلیل غیرخطی استاتیکی در سازه هاي منظم وکوتاه باعث می شود با صرف
زمان وتلاشهاي محاسباتی اندك به نتایج قابل قبولی از رفتـار غیرخطـی اسـتاتیکی دسـت یافـت امـا
مطالعات نشان می دهد کاربرد این روش در سازه هاي بلند ونیز سازه هاي نامنظم ونامتقارن از لحاظ
پیچشی نیاز به بحث ومطالعات گسترده دارد. از این رو بحـث دامنـه اعتبـار نتـا یج تحلیـل غیرخطـی
استاتیکی سه بعدي در کانون توجه محققان قرار گرفته است.
زلزله هاي چند دهه اخیر وآسیب هاي جدي وارد شده به ساختمانها ،ناکارآمدي سـاختمانهایی را
که در دهه هاي 60 و70 میلادي طراحی واجرا شده اند مشخص ساخته است.
در آمریکا و اروپا چون قریب به یک قرن از یک ساختمان بهـره بـرداري مـی گردد،بحـث تـرمیم
وتقویت ساختمانهاي موجود با رفتار نامناسب لرزه اي بسیار مورد توجه قرار گرفته اسـت ،اکثـر ایـن
12
ساختمانها بدون توجه به جزئیاتی که باعث شکل پذیري واستهلاك انـرژي در سـاختمان مـی شـوند
طراحی شده اند.
در هنگام ارائه روش بهسازي لرزه اي بـراي یـک سـاختمان تحـت مطالعـه ،مسـاله مهـم تعیـین
کارآمدي روش ارائه شده می باشد وبه این دلیل که روش غیرخطـی اسـتاتیکی دیـد مناسـبی ازرفتـار
سازه از ابتداي تغییر شکل تا رسیدن به یک حد معین از تغییرمکان ارائه می دهد وسیله بسیار مناسبی
است که موثر بـودن یـا ناکارآمـدي روش بهسـازي را معلـوم مـی سـازد . بـه ایـن ترتیـب در تمـام
دستورالعملها و راهنمایهایی که در سالهاي پایانی دهه 90 میلادي جهت بهسـازي لـرزه اي و تقویـت
ساختمانها ارائه شدند،روش غیرخطی استاتیکی به عنوان یک روش مجزا وقابـل اعتمـاد ،در محـدوده
اي خاص وبا ملاحظات خاص شناخته شده است.
البته مدتی بعد این روش به آیین نامه هاي طراحی ساختمانهاي جدید نیـز راه یافـت . زیـرا ایـن
روش علاوه برحذف پارامتر سوال برانگیز ” ضریب “R ، قادر اسـت مسـیر خرابـی ونحـوه تشـکیل
مفاصل پلاستیک در اعضاء مختلف را نیز معلوم سازد ، از این رو استفاده ا ز این روش طـراح را قـادر
می سازد تا با انجام اصلاحات لازم بهترین رفتار لرزه اي را در سازه بوجود آورد .
بطور کلی مسیر نگرش محققان ومهندسان در خلال این بحثها تغییر نگـرش از طراحـی براسـاس
نیرو به سمت طراحی براساس عملکرد می باشد . در روش طراحی براسـاس عملکـرد ، نکتـه بسـیار
مهم کنترل تغییرمکان کلی سازه وتغییر شکلهاي اعضاء مـی باشـد. در هنگـام کـار بـا روش طراحـی
براساس عملکرد با مفاهیم جدیدي چون : ظرفیت، تقاضا، منحنی ظرفیـت، سـطوح عملکـرد اعضـاء
سازه اي ، سطوح عملکرد اعضاء غیر سازه اي و سطوح عملکرد ساختمان روبرو هستیم کـه اسـتفاده
مناسب از روش مذکور در گرو آشنایی وشناخت این مفاهیم می باشد.
از مهمترین منابع ومآخذي کـه در آنهـا پایـه مربـوط بـه طراحـی براسـاس عملکـرد ونیـز روش
غیرخطی استاتیکی ذکر شده است می توان به موارد زیر اشاره کرد:
(1گزارش شماره 40 کمیته فن آوري کاربردي (کالیفرنیا – آمریکا) [14]
این گزارش که بیشتر با نام ATC-40 از آن یاد می شود در سال 1996 در دو جلد منتشـر شـده
وتمرکز آن روي سازه هاي بتن مسلح قرار دارد ، دلیل تهیه این گزارش تعدد ساختمانهاي بتن مسـلح
13
قدیمی در کالیفرنیا ست. که با توجه به لرزه خیز بودن منطقه مذکور، لـزوم تهیـه دسـتورالعملی بـراي
بهسازي آنها ارائه شده است. در فصول ابتدایی جلد اول ایـن دسـتورالعمل مفـاهیم ابتـدایی طراحـی
براساس عملکرد همچون سطوح عملکرد ساختمان و انواع حرکت زمین وسطوح مختلف زلزله طرح
و… شرح داده شده وسپس یک فصل به تشریح روش غیرخطی استاتیکی اختصـاص یافتـه اسـت. در
فصل هاي انتهایی نیز ملاحظات خاص در مورد نحوه مدلسـازي وتعریـف مشخصـات اعضـاء ونیـز
حدود مجاز انواع پاسخ هاي سازه اي ماننـد تغییرمکانهـاي جـانبی سـازه وچرخشـها وتغییرشـکلهاي
اعضاء آورده شده است. جلد دوم نیز به ارائه چند مثال واقعی از بهسازي ساختمان موجـود پرداختـه
است.
(2گزارش شماره 273 آژانس فدرال مدیریت اضطراري (واشنگتن – آمریکا) [9]
این راهنما که بیشتر با نامFEMA – 273 شناخته می شود در سال 1997 منتشر شده وبـر مبنـاي
طراحی براساس عملکـرد قـرار دارد . امـا بـرخلاف ATC – 40 کـه بـه سـاختمانهاي بـتن مسـلح
اختصاص داشت. در برگیرنده کلیه ساختمانها با اسکلت فولادي ، بتن مسلح، چوبی یا ساخته شده بـا
مصالح بنایی است. با توجه به گسترده شدن این راهنما به کلیه سـاختمانها ،در فصـلهاي مختلـف آن
الزامات ونکات مرتبط با هرگونه تفصیل شرح داده شده است.
تفاوت بسیار مهم روش غیرخطی ذکرشده در این راهنما با روش مندرج درATC -40، روالهـاي
ذکر شده براي رسیدن به “نقطه عملکرد” مـی باشـد. ایـن روش در ATC-40 بـه کمـک نمودارهـا
وروندي گرافیکی انجام می شود وممکن است براي رسیدن به جواب نهایی تکـرار عملیـات در چنـد
مرحله لازم باشد، اما روش که درFEMA -273براي رسیدن به نقطه عملکرد ارائه شده است ، روشی
عددي است که با اعمال یک سري ضرایب روي تغییرمکان طیفی ، مقدار” تغییرمکـان ” بـه صـورت
مستقیم معلوم می گردد.
به همراه این گزارش ، گزارش دیگـري بـه نـام [15] FEMA-274 نیـز منتشـر گردیـد کـه در
حقیقت تفسیر گزارش FEMA-273 می باشد و در مواردي علاوه برتفسیر به تشریح مبـانی مربـوط
به طراحی براساس عملکرد و روش غیرخطی استاتیکی پرداخته است.
(3گزارش شماره 356 آژانس فدرال مدیریت اضطراري (واشنگتن – آمریکا)[16]
14
این گزارش که در واقع نسخه تکمیل شده وحاوي آخرین دستاوردهاي بحـث طراحـی براسـاس
عملکرد میباشد در کلیات مشابهFEMA – 273 می باشد وهمچنین مشابه سایر مراجع منتشـر شـده
می باشد ابتدا به صورت پیش استاندارد ونسخه پیشنهادي در اختیار جامعه مهندسی قرار گرفته اسـت
وپس از طی روال معمول با انجام اصلاحات لازم به صورت متن نهایی منتشر شد.
این گزارش به نامFEMA -356 شناخته می شود ودر نوامبر سـال 2000 مـیلادي منتشـر یافتـه
است .
(4دستورالعمل بهسازي لرزه اي ساختمانهاي موجود[22]
این دستورالعمل به طور کلی ترجمه واقتباسFEMA -356 می باشد که درمـواردي بنـدهایی از
آیین نامه بتن ایران ، مبحث 10 مقررات ملی ساختمان ایران ونیز آیین نامه 2800 اشاره کـرده اسـت .
با توجه به اهمیت مقاوم سازي وبهسازي ساختمانها در نقاط زلزله خیز ایر ان، این دستورالعمل جهـت
استفاده مهندسان انتشار یافته است ودر حقیقت اولین گام براي آشنا کردن جامعه مهندسی و طراحـان
سازه با مفاهیم طراحی براساس عملکرد به شمار می رود.
تلاشهایی که در سالهاي ابتدایی دهه 90 میلادي جهت بسط وتوسعه استفاده از تحلیـل غیرخطـی
استاتیکی انجام شد، منجر گردید در سالهاي پایانی همـین دهـه آیـین نامـه هـا وراهنمایهـایی جهـت
استفاده از این روش منتشر گردد. پس از انتشار راهنماي ATC-40 در سال 1996 با تمرکز بـر سـازه هاي بتن مسـلح و نیـز دسـتورالعملFEMA – 273 در سـال 1997 و در نهایـت FEMA-356 در
سال 2000 با درنظر گرفتن کلیه سیستم هاي سـازه اي بـا مصـالح مختلـف توجـه بخـش زیـادي از
محققان به روش تحلیل غیرخطی استاتیکی معطوف شد وتـلاش هـاي بسـیاري جهـت تعیـین دامنـه
اعتبار وصحت نتایج حاصل از تحلیل غیرخطی استاتیکی انجام گردید که تاکنون نیز ادامه دارد .
( 4-1 تحقیقات انجام شده
اکثر روشهایی که در ابتدا براي تحلیل غیرخطی استاتیکی ارائه گردید محدود به سازه هاي صفحه
اي دوبعدي بو ده وبدیهی است چنین امري تنها براي سازه هاي متقارن قابـل قبـول مـی باشـد.امـا در
سالهاي اخیر تلاشهاي زیادي صورت گرفته تا این روش به سازه هاي نامتقارن که نیازمند تحلیل سـه
15
بعدي هستند نیز تعمیم داده شود. براي مثال می توان بـه مطالعـات فـائلا وکـیلار [6] در سـال 1998
اشا ره کرد که با استفاده از آنالیز پوش آور معمولی با الگوي بارگذاري مثلثی بـه بررسـی رفتـار سـازه
هاي نامتقارن پرداختند. در این روش براي در نظر گرفتن تاثیر پیچش،بارگذاري براساس تغییـر محـل
اثــر آن در چهــار نقطــه از ســازه ، بــه ترتیــب بــا وارد شــدن بــه مرکــز جــرم ســازه (CM)،
(CM+0.05L)،((CM-0.05L ، (CM+0.15L) صورت می گرفت (در این روابط L نشـانگر بعـد
سازه در جهت عمود بر بار جانبی می باشد). این تحقیق بر روي یک سازه بتن آرمه که از نظـر پـلان
متقارن بوده ولی با استفاده از این بارگذاري رفتار سازه بصورت نامتقارن مدلسـازي شـده بـود انجـام
گرفت . آنها با استفاده از این روش ومقایسه نتایج تحلیل غیرخطی دینامیکی نتیجه خوبی را در حالت
تغییرمحل اثر نیروي جانبی براي سازه بدست آوردند.
همچنین می توان به مطالعات مقدم و تسو [7] روي تحلیل سه بعدي اشـاره کـرد کـه آنهـا یـک
روش اصلاح شده براي در نظر گرفتن تاثیرات پیچش در سازه هاي نامتقارن پیشنهاد کردنـد. در ایـن
روش تغییرمکان هدف از آنالیز الاستیک سازه حاصل می شود و برا ي المانهاي مقاوم در برابـر زلزلـه
تغییرمکانهاي مختلفی بدست می آید که به این طریق تعداد زیادي تغییرمکان هدف براي سازه حاصل
میشود ،در ادامه براي آنالیز پوش آور ،از بارگذاري براساس نیروهاي حاصل از آنالیز طیفـی الاسـتیک
استفاده شد که با این نوع بارگذاري در واقع تا ثیر مدهاي بالاتر نیز تا حد زیـادي لحـاظ مـی شـود و
براي تحلیل سه بعدي سازه ،آنرا به قابهاي مجزا از هم تقسیم کرده و آنها را تحت بارگذاري الاستیک
طیفی بصورت دوبعدي مورد تحلیل قرار می دادند بطوریکه این آنالیز را تا زمانیکـه المانهـا بـه تغییـر
مکان هدف برسند یا تا زمانی که با این روش سه سازه بتنی با مشخصات قاب خمشی ،سازه با دیوار
برشی بطور متقارن در پلان قرار داشتند وهمچنین سیستم سازه اي با المانهاي مقـاوم خمشـی توزیـع
شده در پیرامون سازه را مورد بررسی قرار دادند و با استفاده از ایـن روش نتـایج خـوبی را در مـورد
سازه با سیستم قاب خمشی بدست آوردند.
درسال 2003 منوئل لوپزو و روي پینهو [8] در روشی که در پیش گرفته بودند یک ساختمان بتن
آرمه را به صورت سه بعدي مدل کرده و تحت آنالیز پوش آور سه بعدي با دو نوع بارگـذاري مثلثـی
وثابت قرار دادند که در این تحقیق براي مدلسازي دقیق رفتار غیرخطی اعضاء بتنـی از مدلسـازي بـه
16
روش المانهاي فیبري استفاده کردند که با این نوع مدلسازي رفتـار غیرخطـی بـتن در کـل المـان بـه
صورت گسترده وغیر متمرکز در نظر گرفته می شود.
البته لازم



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید