پایان نامه ارزیابی آسیب پذیری ومقاوم سازی لرزه ای قاب های بتن مسلح دارای طبقه نرم

 پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد”M.SC”

مهندسی عمران _ سازه 

 چکیده

در این رساله بعد از بررسی رفتار اعضای بتن مسلح دارای طبقه نرم تحت بارهای سیکلی ، توابع آسیب پذیری مورد بررسی قرار می گیرند، سپس دوازده مورد قاب بتن مسلح تحت اثرشتاب نگاشت زلزله طبس و السنترو با استفاده از برنامه (٦.١ Ver)IDARC  آنالیز دینامیکی غیر خطی شده و شاخص خسارت در کل قابها، طبقات واعضای تیر وستون بررسی خواهد شد.

نتایج حاصل از تحلیل نشان می دهد که تشکیل طبقه نرم که به واسطه طول زیاد ستونهای طبقه اول نسبت به سایر طبقات و یا سختی میانقابها ی طبقات فوقانی ایجاد می گردد می تواند در خرابی زود هنگام سازه وتشکیل مفاصل پلاستیک در پای ستونهای طبقه همکف بسیار خطر آفرین باشد همچنان که در متن این رساله بدان خواهیم پرداخت ، بسیاری از سازه های بتن مسلح وحتی سازه های دیگر درزلزله های مختلف بعلت پدیده تشکیل طبقه نرم در سازه دچار خرابی های کلی شده اند.

 درا ین رساله فرض بر این است که تمام قابهای بتن مسلح با آیین نامه داخلی طراحی شده اند ولی پارامتر های تشکیل طبقه نرم کنترل نشده است .

 بعد از طراحی قابها به کمک نرم افزار (٨.٢٧ Ver)ETABS2000  نتایج طراحی به نرم افزار IDARC  (6.1.2D)Verمنتقل شده وقابها به تفکیک مورد ارزیابی کمی (آنالیز دینامیکی غیر خطی )قرار گرفته اند نتایج به تفکیک در جداول و نمودارها آورده شده است ،اندیسهای خسارت طبقات ،تیرها وستونها در هر قاب با سایر قابها مقایسه شده اند؛ منحنی های برش تغییر مکان (هیسترتیک ) طبقه اول وتاریخجه پاسخ جابجایی طبقه اول وآخر در هر قاب به تفکیک بررسی شده است .

ونهایتاً نتایج حاصل از این تحقیق در پایان فصل چهارم ارائه شده است .

مقدمه

ارزیابی رفتار سازه ها در زمین لرزه های بزرگ نمایانگر ایجاد خسارات قابل توجه حتی در ساختمانهای طراحی شده بر پایه اصول مهندسی است و این به معنای نا کافی بودن تک پارامتر مقاومت به ویژه در زمین لرزه های بزرگ  ودر سطح فرو ریزش است .رفتار نا مطلوب سازه ها در برابر زمین لرزه محققان را بر آن داشت تا پارامترهای دیگری در طراحی سازه ای مد نظر قرار دهند.یکی از پارامترها که در نگرش نوین پژوهشگران به رفتار  سازه ها مد نظر قرار گرفته است ، مفهوم انرژی در سازه ها است .

در سال ١٩٨٤ پارک - انگ با استفاده از رابطه معروف شاخص خسارت پارک - انگ روشی در جهت طراحی سازه ها ارائه دادند در این روش عمده ترین پارامترهای اولیه طرح ،برش پایه و شاخص شدت زمین لرزه است که بر اساس آن شکل پذیری سازه بدست می آید. [١]

آکی یاما در کتاب خود (١٩٨٥) روشی را برای طراحی سازه ها ارائه داد که مبتنی بر طیف انرژی ورودی (از طریق طیف سرعت معادل )و توزیع بهینه خسارت در کل سازه است .[٢]

کراوینکلر طراحی لرزه ای برپایه شکل پذیری وخسارت تجمعی را مد نظر قرار داد.در این روش با فرض سطح قابل قبولی از خسارت شکل پذیری متناظر باآن بدست می آید وسپس مقاومت لازم برای محدود کردن شکل پذیری خواسته به ظرفیت موجود محاسبه می شود. این شیوه ،نگرشی کلی به رفتار سازه دارد.[٣]

 در ادامه این تحقیقات ،در سال ٢٠٠٠، شن واکباس با توجه به طراحی براساس عملکرد، یک شاخص خسارت جدید که در آن انرژی ورودی ،انرژی تلف شده وخصوصیات سازه ای ساختمان از قبیل جابجایی نسبی طبقات و شکل پذیری لحاظ شده بود،معرفی نمودند.[٤]

در این پژوهش ،سعی برآن است تا با استفاده از تحلیل دینامیکی غیر خطی بر روی قابهای بتن مسلح دارای طبقه نرم ،نحوه توزیع انرژی هیسترتیک وخسارت در طبقات واعضای تیر وستون قابهای مورد مطالعه که بارگذاری لرزه ای آنها مطابق با استاندارد٢٨٠٠ می باشد مورد ارزیابی قرار گیرد.

فصل اوّل

بررسی خسارات وارد از زلزله

 بر ساختمان های بتن مسلح دارای طبقه نرم

۱-۱-مقدمه

سازه های بتن مسلح ، بخشی از  ساختمانهای قابی را تشکیل داده و در کشور ما جزو ساختمانهای بسیار متداول می باشند استفاده از این گونه ساختمانها بصورت فراگیر از حدود سالهای ١٣٣٠ در کشورمان آغاز شده ، اما به علت عدم طراحی دقیق و مبتنی بر آئین نامه های مهندسی مربوطه ، عدم استفاده از سیستم سازه پایدار و ساخت و سازه های نامناسب ، اکثر ساختمانهای موجود را می توان جزو ساختمانهای نیمه مقاوم و یا غیرمقاوم طبقه بندی کرد .

ساختمانهای موجود که طی ٣٠ سال اخیر ساخته شده اند ، به عنوان جدی ترین مشکل در مطالعات خطر و آسیب پذیری کشورمان محسوب می شوند و با توجه به بررسی زلزله های گذشته و شرایط ساختمانهای کشور ، تعداد زیادی از ساختمانهای موجود احتمال خرابی خواهد داشت و مطالعات آسیب پذیری نیز این ادعا را تأیید می کند.

 بنابراین لزوم بکارگیری روشهای قابل اعتماد سریع و ساده جهت مقاوم سازی ساختمان های موجود ضروری بوده و برهمین اساس تدوین و ارائه روشهای مقاوم سازی قابل استفاده برای ساختمانهای آسیب پذیر ، از اهمیت ویژه ای برخوردار است .[۱]

۱-٢- وضعیت ساختمان های بتن آرمه در ایران و میزان آسیب پذیری آنها در برابر زلزله

به علت  عدم طراحی و ساخت مبتنی بر آئین نامه های مهندسی مربوطه و عدم استفاده از سیستم های سازه پایدار ، اکثر ساختمانهای موجود به علت نداشتن سیستم بار بر جانبی و یا ضعف در برآورد بارهای جانبی زلزله ،  طراحی اعضاء جزو ساختمانهای نیمه مقاوم و یا غیرمقاوم می باشند و لذا همانطور که همواره شاهد آن هستیم عده زیادی ازساکنین کشورمان کشته و یا زخمی شده و خسارت مالی و اقتصادی فراوانی برجای می گذارد.

۱-٣- انواع مهم خسارات ناشی از زلزله

١-٣-١- خسارت به اجزای سازه ای

ساختمانها بسته به نوع ساختار سازه ای مربوطه ، در هنگام وقوع زلزله دچار خسارت می شوند . فاکتورهای مهم در تشخیص و تمایز رفتار ساختمانها در برابر زلزله بیشتر به نوع اسکلت سازه بستگی دارند و لذا می توان انواع خسارت های قابل پیش بینی را برای دو دسته ساختمانهای قابی و بدون قاب مشاهده کرد .

۱-۳-۲- خسارت بر اجزای غیرسازه ای

در یک ساختمان ، به علت تأثیر حرکات زمین ، اجزای مستقر در ساختمان ، چه بخاطر سختی زیاد و چه بخاطر داشتن فرکانس طبیعی نزدیک به فرکانس ساختمان ، نیروهای بزرگتر از مقداری که اگر در تراز زمین قرار داشتند به آنها وارد می شود و لذا در اغلب زلزله ها ، اجزای غیر ساختمانی که می تواند دارای ارزش های اقتصادی قابل توجهی نیز باشند ، دچار آسیب دیدگیهای جدی می گردند .

-۴- انواع خسارات ناشی از زلزله در ساختمان های بتن مسلح

بی شک شناسایی انواع خسارت در ساختمانهای بتنی امری مهم تلقی می شود . انواع خسارت وارده بر اعضاء این گونه

ساختمانها به شرح زیر است :

ترکهای مورب در هسته مرکزی بتن

از بین رفتن پوشش بتن

 قطعه ، قطعه شدن هسته مرکزی بتن در اثر ترکهای مورب حاصل از نیروهای رفت و برگشتی زلزله در رفتن خاموتها به سمت خارج (باز شدن خاموتها)

کمانش آرماتورهای اصلی

ضمن اینکه شرایط و حالتهای شکست زیر نیز در ساختمانهای آسیب دیده بتنی قابل مشاهده هستند :

الف ) شکست در چسبندگی و در رفتن آرماتورها بخصوص در نواحی تنهشای متناوب زیاد

ب ) شکست برشی مستقیم در اعضای کوتاه یا عضوهایی که به اطراف متصل می شوند و فقط طول کوتاهی از آنها بطور مؤثر آزاد است .

ج ) ترکهای برشی در ناحیه اتصال  تیربه ستون

د) پاره شدن دالها در لبه های غیرممتد و تقاطع با اعضای قائم سخت

ه ) ترک خوردگی مورب در دیوارهای برشی ، بخصوص بطور متمرکز در اطراف بازشوها

 فصل اول                                                                                                               

     بررسی خسارتهای وارده از زلزله بر ساختمانهای بتن مسلح دارای طبقه نرم

۱-۵- طبقه نرم

با توجه به کاربریهای مختلف ساختمانها ، طبقه همکف ، ممکن است دارای ارتفاع کمتر یا بیشتر از سایر طبقات باشد. به عنوان مثال ، در صورتیکه به عنوان پارکینگ استفاده  شود، دارای ارتفاع کمتری از سایر طبقات است . و یا زمانی که به عنوان کاربری تجاری مد نظر می باشد دارای ارتفاع بیشتری نسبت به طبقات فوقانی می باشد.

این تغییر سختی باید کنترل شده باشد، در غیر اینصورت باعث آسیب دیدگی ساختمان در هنگام زلزله می گردد. در این گونه سازه ها ،وجود طبقه نرم ، به عّلت ارتفاع زیاد طبقه و وجود طبقه سخت به عّلت ارتفاع کم طبقه ،باعث آسیب دیدگی ساختمان می گردد.[۲]

همچنین به علت استفاده از میانقابها آجری ، سفالی و... در قابهای بتن مسلح به علت ایجاد سختی زیاد در طبقات فوقانی همکف در سازه طبقه نرم تشکیل می گردد وتغییر مکان روی طبقه همکف متمرکز می گردد و باعث آسیب های جدی به سازه می گردد.

۱-۶- تصاویر خرابی های ساختمانهای بتن مسلح دارای طبقه نرم وتاثیر میانقابها

درتصاویر زیر سازه هایی را مشاهده می کنید که به علت زلزله های اخیر(زلزله ازمیت ترکیه وزلزله بم ایران ) تشکیل طبقه نرم به علت ضعف در سازه وتاثیر میانقاب ها باعث آسیب دیدگی و خرابی در آنها شده است .[۳]و[۱۰] 

(تصاویر و نمودار در فایل اصلی موجود است)

در تصاویر فوق مشاهده می شود که تشکیل طبقه نرم در ساختمانها می تواند بسیار مخاطره آمیز باشد وباعث خرابی های زود هنگام در سازه شود با رعایت معیارهای آیین نامه های طراحی و داشتن درک درست از رفتار سازه مهندس طراح می تواند با طراحی صحیح سازه از وقوع چنین خرابی ها جلوگیری کند همچنین در نظر گرفتن اثر اندرکنش قاب ومیانقاب (تاثیرات مثبت ومنفی میانقابها) در سازه وسختی هایی که به سیستم سازه اعمال می کند بسیار مهم می باشد .

 این در حالی است که در اکثر طراحی های ساختمانها اثر میانقابها لحاظ نمی شود در حالی که تاثیر سختی های میانقابها در ساختمانها می تواند باعث تشکیل طبقه نرم وخرابی های زود هنگام در زمان وقوع زلزله گردد.

در فصل بعدی به بررسی روشهای ارزیابی آسیب پذیری لرزه ای ساختمان ها خواهیم پرداخت .

فصل دوم

روشهای ارزیابی آسیب پذیری لرزه ای ساختمان ها

۲-۱-مقدمه

ساختمان آسیب پذیر در برابر زمین لرزه به ساختمانی اطلاق می شود که از نظر طراحی و ساخت دارای اشکالات فنی و اصولی بوده است به طوری که وجود این نقاط ضعف باعث کاهش مقاومت ساختمان در برابر زلزله و بارهای وارده می گردد .

ارزیابی آسیب پذیری لرزه ای سازه های موجود موضوعی است که در دهه اخیر مطرح شده و به سرعت در نواحی شهری ، پیش بینی آسیب پذیری سازه های موجود در اثر زلزله های احتمالی در آینده از ضروری ترین اقدامات مهندسی می باشد . بسیاری از سازه های موجود ارزش فراوانی داشته و یا در هر حال به علل مختلفی نمی توان آنها را تخریب کرد و مجددًا اقدام به ساخت آنها نمود به همین دلیل باید پس از تعیین نقاط ضعف اینگونه سازه ها ، آسیب پذیری لرزه ای را برآورده نموده و در صورت لزوم جهت مقاوم سازی آنها در برابر زلزله اقدام نمود .

در بررسی آسیب پذیری یک ساختمان کلیه المانهایی که به واسطه ضعف در طراحی و یا اجرا ممکن است باعث وقوع تخریب در سازه گردند ، تعیین شده سپس در مبحث مقاوم سازی به نحوه بهبود این نقاط ضعف پرداخته می شود .

با توجه به مطالعات انجام شده در دو دهه اخیر ، یافته های جدیدی در این زمینه به عنوان ابزار مناسب برای شناخت مشکلات ، معایب و آسیب پذیری لرزه ای سازه های موجود در مقابل نیروهای زلزله ارائه گردیده است . ازطرفی با بکارگیری این ابزار می توان به مقاوم سازی سازه های موجود پرداخت و از طرف دیگر با شناخت وضعیت سازه های موجود می توان اقدام به اصلاح طرح و اجرای سازه های جدید نمود به گونه ای که در مقابل زلزله های احتمالی مقاومت لازم را داشته باشند . 

۲-۲- روش های ارزیابی آسیب پذیری

در هنگام زلزله ، انهدام یا هر گونه خسارت ساختمانها از نقاط ضعیف آنها ( Weak links ) شروع می شود بعد از شکست اولین نقاط  ضعیف ،  نیروهای زلزله نقاط بعدی را به خطر می اندازد بنابراین شناسایی نقاط ضعف ساختمانها یا به عبارتی استاندارد تشخیص ضعف ( Diagnosis Standard ) به عنوان گام اول و سپس بررسی روشهای مناسب ترمیم و تقویت و یا به عباراتی استاندارد درمان ( Therapy Standard ) به عنوان گام دوم اساسی مطالعات آسیب پذیری سازه ها در مقابل خطرات زلزله مطرح می شود . طی بیست سال گذشته تلاش فزاینده ای برای ارزیابی مقاومت لرزه ای انواع ساختمانها به عمل آمده است .

اما با توجه به تنوع ساختمانها و پیچیده بودن اثر عوامل و پارامترهای مختلف در آسیب پذیری لرزه ای ساختمانها تهیه و تدوین استانداردهای تشخیص ضعف و درمان بسیار مشکل می باشد بر مبنای تحقیقات انجام گرفته در سطح جهان روشهای تعیین آسیب پذیری سازه ها را  می توان به دو گروه روشهای کیفی و کمی طبقه بندی کرد .

۲-۲-١- روشهای کیفی

در روشهای کیفی با توجه به شرایط لرزه ای خیزی و شرایط ساختمان سازی و بر اساس تجربه زلزله های گذشته فرم های ویژه ای تهیه می شوند بازرسان ساختمان با استفاده از این فرم ها اطلاعاتی ازقبیل سیستم باربر قائم ، سیستم مقاوم لرزه جانبی ، کیفیت اتصالات ، شکل پذیری اعضاء ، نحوه ساخت شرایط محل ساختمان , وضعیت پی و ... را جمع آوری نموده و در یک بانک اطلاعاتی ذخیره می کنند . از این روشها می توان برای برآورد اولیه و تقریبی ظرفیت مقاومت لرزه ای ساختمانهای یک منطقه خاص استفاده نمود . اما در عمل قضاوت در مورد تقویت و یا تخریب ساختمان با استفاده از این روشها کمی دشوار می باشد .

در اکثر موارد دستیابی به اطلاعاتی نظیر وضعیت اعضای موجود ، پریود طبیعی سازه آسیب پذیر نحوه توزیع بار زلزله در اعضای خمشی و اعضای مقاوم در برابر بار افقی ، میزان شکل پذیری سازه ، و به طور کلی اطلاعات اساسی لازم برای برآورد و وضعیت مقاومت لرزه ای ساختمان ، مشکل و غیر قابل دسترس می باشد . برای سهولت در تصمیم گیری در این گونه موارد ، روش کیفی ارزیابی می تواند جایگزین روش تحلیلی گردد . 

(تصاویر و نمودار در فایل اصلی موجود است)

Abstract

Most of the reinforced concrete buildings which have been designed in Iran

before 1970 are designed for gravitional loads and have not enough seismic

strength.

In this thesis are studied and the behaviour of reinforced concrete buildings with

soft story are studied and the damage functions is evaluated for twelve model of

reinforced concrete frames under the Tabas and Elcentro  earthquakes .

Idarc (Ver 6.1) Software nonlinear dynamic analysis is done by Idarc software

and damage index in all frames ,floors ,beam and column of base floor are

calculate.

Results show that for soft story because of high Column at first floor or stiffness

of infills on upper floors can cause plastic hings on the bottom of columns and

the building collapse earlier .

Most of  the building with soft story have been damaged during earthquake.

In this thesis control all reinforced concrete frames are designed by code Iran

but the control parameters for soft story  not be checked.

Frame are designed by Etabs2000(Ver 8.27) software and the results imported to

Idarc2D(Ver 6.1) Software.

The hysteretic diagram of frames have studied and the results are represented in

tables.