پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد M.Sc.
گرایش عمران - سازه
چکیده
امروزه تعیین ضریب شکل پذیری قاب ها یکی از مباحث مهم در دنیا جهت پیش بینی و تعییین رفتار قاب ها هنگام وقوع زلزله های متوسط و شدید می باشد. به همین دلیل یه منظور ساده سازی مسایل و روابط استفاده از قابلیت شکل پذیری قاب ها در حالت یک درجه آزادی و ارتباط آن با شکل پذیری قاب ها در حالت چند درجه آزادی امری اجتناب ناپذیر می باشد. یکی از روشهای مناسب جهت تعیین این روابط استفاده از تحلیل های غیرخطی تاریخچه زمانی است. از آنجایی که تاکنون مطالعات کم و ضعیفی در این زمینه صورت گرفته است لذا در این پایان نامه چهار قاب فولادی خمشی 4 طبقه، 8 طبقه، 11 طبقه و 15 طبقه انتخاب و مورد تجزیه و تحلیل لرزه ای قرار گرفته اند.
مدل های مختلف سازه ای توسط نرم افزار SAP 2000 براساس مقررات ملی مبحث دهم و استاندارد 2800 ایران طراحی شده اند. در ادامه جهت دستیابی به ضرایب شکل پذیری با استفاده از روش های تحلیل تاریخچه زمانی غیر خطی در نرم افزار SAP 2000 اقدام شده است. همینطور با ترسیم منحنی های هیسترزیس قاب های چند درجه آزادی معادل، شکل پذیری سازه ها در خاک های نوع A و B و DوC مورد ارزیابی قرار گرفته است.
فصل اول:
مقدمه
1- 1 – لزوم مطالعه آسیب پذیری ساختمان ها در مقابل زلزله:
در طی سالهای اخیر اهمیت پدیده زلزله و اثری که بر جوامع بشری دارد بصورت تصاعدی بالا رفته است.چرا که آسیب پذیری جهان در مقابل عوامل مخرب زمین شناسی (زلزله و آتشفشان) در حال افزایش است.
این افزایش می تواند چند دلیل داشته باشد:
1) همه گیر بودن خطر زلزله در سطح جهانی
2) افزایش جمعیت جهان و تأسیس شهرهای بزرگ
3) بالا رفتن درجه اهمیت ساختمانها و تأسیسات شهری
4) جابجایی اقتصادی بعلت خسارات مالی زلزله و اثر آن بر اقتصاد جهانی
تلاش دانش مهندسی برای مقابله با اثرات مخرب زلزله چشمگیر و نتایج آن بسیار امیدوار کننده است.
تجربیات زلزله های گذشته نشان می دهد که در شهرهایی که مقررات طرح و محاسبه ساختمان در مقابل زلزله وجود نداشته و یا نحوه اجرای ساختمان ها بر اساس مقررات و محاسبات پیش بینی شده انجام نپذیرفته است حتی در زلزله های متوسط، تلفات و صدمات بزرگی بوجود آورده اند.
با تأمل بر این مسئله که ایران از نقاط لرزه خیز جهان می باشد و سالی چند بار گوشه و کنار آن دستخوش لرزش شدید زمین قرار می گیرد، اهمیت در نظر گرفتن پژوهش های لرزه شناسی برای تعیین پارامترهای طراحی مقاوم در برابر زمین لرزه نمود بیشتری پیدا می کند.
این پژوهش ها باید به صورت تفصیلی انجام شود تا بتواند ایده واقع بینانه ای از نیروهای زمین ساخت بدست آورد، دو نوع سازه متداول مقاوم در برابر زلزله، سازه های فلزی و بتن آرمه هستند.
تجربه زلزله های گذشته و آزمون های آزمایشگاهی نشان داده است که سازه های فلزی اگر با توجه به شرایط شکل پذیری طرح، محاسبه شوند و در تهیه نقشه های اجرایی دقت ویژه ای مراعات شود، در برابر زلزله مقاوم خواهند بود. از طرفی تحقیقات و تجربه ها نشان می دهد مهندسی سازه با وجود پیروی قدم به قدم از آیین نامه ها نمی تواند سازه ای بوجود آورد که در وقوع زلزله بطور مطلق نتایج رضایت بخشی از خود نشان دهد که این حاکی از وجود ابعاد مختلف در مورد علل وقوع زلزله و رفتار لرزه ای ساختمانها می باشد .
افزایش صنعت ساخت و ساز در کشور ایران و استفاده از ساختمان های فلزی در ایران لزوم بررسی آسیب پذیری ساختمان های فلزی را آشکارتر می کند. واقع بودن اکثر شهرهای ایران در پهنه بندی لرزه ای زیاد و خیلی زیاد و گرایش به ساختمان سازی با طبقات بالا و توجه به اینکه یکی از بهترین راه حل ها برای احداث ساختمان های مقاوم در برابر زلزله در مناطق مذکور استفاده از سیستم های قاب های خمشی با مهاربند می باشد، بکار بردن مهاربند در قابهای خمشی اهمیت قابل توجهی می یابد، از طرفی ناشناخته بودن آسیب های احتمالی وارد بر سازه و تأثیر مشخصه های زلزله بر روی آن لزوم بررسی شکل پذیری را در سازه های فوق ضروری می نماید.
ارزیابی مقدار شکل پذیری در سازه در تصمیم گیری آینده در طراحی اینگونه سازه ها کمک فراوانی خواهد نمود.
1-2- مختصری از تاریخچه تعیین آسیب پذیری و ارزیابی سازه ها:
کشور ایران بر روی کمربند زلزله آلپ – هیمالیا قرار دارد و در طی سالیان گذشته همواره در معرض زلزله های ویران کننده قرار داشته است.
سهم ایران از زلزله های دنیا 17٫6درصد می باشد، که به علت عدم رعایت ساخت و ساز ایمن و با کیفیت، تلفات و خسارات جانی و مالی فراوانی داشته ایم که می توان به زلزله های اخیر در استان کرمان از جمله منطقه بم در دی ماه 82 و منطقه زرند در اسفند ماه 83 و منطقه اهر و ورزقان در مرداد ماه سال 91 اشاره کرد.
گشودگی دریای سرخ و در نتیجه حرکت پهنه عربستان بسوی ایران و جابجایی بستر اقیانوس هند در نواحی عمان و حرکت به سمت شمال – شمال خاوری و حرکت دیگر صفحات لیتوسفری پیرامون ایران موجب آزاد شدن انرژی ناشی از تمرکز تنشها در راستای گسلهای فعال شده و شاهد زمین لرزه های ویرانگر در سرزمین عزیزمان می باشیم.
با توجه به وقوع زلزله های گذشته در می یابیم که هیچ نقطه ای از ایران مصون از امواج زمین لرزه نبوده است، علاوه بر آثار تخریبی زلزله خطرات القایی متعدد دیگری مانند روانگرایی، رانش و زمین لغزه سرزمین ما را تهدید می کند.
شرایط طبیعی ایران و نحوه احداث بناهای کشور ایجاب می کند مسئله مصون سازی جامعه از هر لحاظ در مقابل آثار زلزله به طور جدی در دستور کار قرار گیرد. نابودی سرمایه های ملی و انسانی بر اثر زلزله های مخرب لزوم توجه به مقاوم سازی (یا به عبارتی صحیح تر بهسازی) سازه های موجود در برابر زلزله را اجتناب ناپذیر می کند.
بسیاری از ساختمانهای اسکلت فلزی در ایران به علت بدی مصالح، کیفیت بد جوشهای کارگاهی، نداشتن سیستم باربر جانبی مناسب و بدی کیفیت اجرا، مقاومت کافی در برابر تکانهای شدید زلزله را ندارند ، به همین خاطر خطر بروز خسارت مالی و جانی بسیار زیاد است.
با برنامه ریزی دقیق و کار مهندسی خوب می توان عملکرد ساختمانهای معمولی ایران در مقابل زلزله به مقدار قابل توجهی بهبود بخشید و این کار با بهسازی ساختمانها امکانپذیر است، حتی اقدام ساده ای همچون اصلاح جوش و افزایش ابعاد آن در اتصالات ممکن است باعث تقویت قابل ملاحظه ساختمان شود.
قدیمی ترین فعالیتها در زمینه آسیب پذیری به سالهای اول دهه هفتاد بر می گردد زمانی که تازه مدل خطی رایج گردیده بود.
احتمالاً اولین محققی که اقدام به تعیین آسیب پذیری ساختمانهای یک منطقه نموده است ((ویتمن)) می باشد که قریب به سی سال قبل با ارائه روشی مبادرت به تعیین اندیس خسارت لرزه ای نمود. در این روش شدت حرکت زمین با مقیاس مرکالی اصلاح شده و خسارت زمین لرزه با نسبت هزینه تعمیرات به هزینه ساخت مجدد ساختمان بیان می گردید.
از این زمان به بعد تحقیقات گسترده ای در این زمینه آغاز گردید که منجر به دو روش متفاوت تعیین میزان آسیب پذیری گردید که عبارت بودند از: روشهای ارزیابی آسیب پذیری کیفی و کمی. امروزه باتوجه به اهمیت و هدف از برآورد آسیب پذیری لرزه ای ساختمانها، یکی از این روشها انتخاب و میزان آسیب پذیری آنها تعیین می گردد.
بعد از کارهای انجام شده توسط ویتمن در سال 1972 می توان به کارهای ((کالور)) و همکارانش در سال 1975 اشاره نمود. روش به کار گرفته شده توسط این محققین که برای همه نوع ساختمان قابل کاربرد است به عواملی مانند: نوع عناصر مقاوم در برابر زلزله، تقارن این عناصر در سازه، تعداد عناصرمقاوم، وضعیت فعلی عناصر مقاوم، صلبیت سازه، اتصال و مهارهای بین عناصر سازه ای و وجود یا عدم وجود کلاف یا بست های سازه ای بستگی دارد. روشی مشابه این روش بوسیله ((ویگین)) در سال 1974 پیشنهاد گردیده بود که بعدها مورد توجه قرار گرفت.
پژوهشگری به نام ((بلومه)) و همکارانش در سال 1975 روش ماتریس طیفی را برای برآورد پتانسیل خسارت ساختمان یا گروهی از ساختمانها ارائه دادند. در این روش خصوصیات حرکت زمین با طیف پاسخ سرعت بیان شده است. ظرفیت سازه با برش پایه در نقطه تسلیم تشریح شده و سرعت طیفی در برابر برش پایه محاسبه می گردد. در این روش خسارت کلی با نسبت هزینه تعمیرات به هزینه کل ساختمان و جایگزینی ساختمان بدست می آید.
در مطالعه دیگری توسط کالور و همکارانش در سال 1980 ، از یک برنامه کامپیوتری رد جهت در نظر گرفتن پاسخ دقیق سازه تحت حرکات زمین بهره گرفته شد. ولی به هر حال در ارزیابی ایمنی ساختمانها، معیار خسارت بر اساس قضاوت مهندسی تعیین گردید.
برترر و برسلر در سال 1977 با تعریف خسارت پذیری موضعی، خسارت پذیری کلی و خسارت پذیری تجمعی در تعیین میزان خسارت کوشیدند.خسارت پذیری موضعی، میزان خسارت در اعضا به عنوان نسبتی از پاسخ حداکثر به ظرفیت تغییر شکل نهایی بیان می گردد .خسارت پذیری کلی یا سراسری، میزان خسارت ساختمان است که به صورت مجموع خسارات محلی با در نظر گرفتن ضریب اهمیت اعضا تعریف می شود.
خسارت پذیری تجمعی، میزانی از خسارت کلی ساختمان است که از خسارت متحمل شده گذشته نتیجه می شود.
بر اساس این تعاریف بیجاوس و برسلر در سال 1979 با استفاده از روش تحلیل استاتیکی معادل سازه ها، یک روش ارزیابی خسارت پیشنهاد نمودند. در به کارگیری از این روش برای ساختمانهای واقعی، دو معیار کمی یعنی ظرفیت تغییر شکل نهایی اعضا و ضرایب تأثیر اهمیت در نظر گرفته می شود. همچنین استفاده از اطلاعات تجربی برای خسارت پذیری ساختمانهای پیشین و قضاوت مهندسی برای خسارت پذیری ساختمانها در آینده پیشنهاد گردید. در روشهای پیشنهاد شده در مطالعات فوق الذکر، خسارت سازه ای با نسبت ((تقاضا demand )) یا پاسخ تحت زمین لرزه ها به ((ظرفیت capacity)) نهایی سازه تعریف شده است. جهت در نظر گرفتن تقاضا با استفاده از تحلیل پاسخ دینامیکی، مطالعات بسیاری صورت گرفته است. از طرف دیگر محاسبه ظرفیت با وجود اهمیت بحرانی آن همچنان محدود باقی مانده است.
در سال 1976، ((مارک)) برای نخستین بار مدلهای میکروسکپی را که شامل مدل های فیبری، لایه ای و یا رشته ای بودند در تحلیل دینامیکی غیر ارتجاعی سازه های بتن مسلح استفاده کرد.
((گوسین)) و همکارانش در سال 1977 برای میزان ظرفیت انرژی جذب شده در اعضای بتن مسلح تحت بارهای نوسانی، شاخص کار را پیشنهاد کردند. در این مطالعه خسارات افزایشی در هر سیکل به صورت تابعی از نسبت شکل پذیری، بار محوری و نسبت دهانه برشی تشریح می شود.
((بانون)) و همکارانش در سال 1980 یک مدل خسارت پیشرفته ای را پیشنهاد کردند که در آن خسارت بر اساس یک سطح گسیختگی دو بعدی از مجموع انرژی جذب شده و نسبت خسارت تعریف شده توسط ((لیباس)) و ((سوزن)) (1977) بیان گردیده است. از آنجایی که این مدلها، رفتار غیر خطی اعضای بتن مسلح را تحت بارهای رفت و برگشتی به درستی و به صورت کامل در نظر نمی گیرند و اثراتی چون برش و لغزش آرماتور نادیده گرفته می شود، ارتباط ضعیفی بین ظرفیت محاسباتی سازه و گسیختگی های نمونه های آزمایش شده بیان می نمود.
در سال 1984، ((پارک)) و همکارانش با ارائه یک شاخص خسارت، کمبودهای تحقیقات گذشته را پوشش داده و ارزیابی آسیب پذیری را دستخوش تحولی بزرگ کردند. آنان با در نظر گرفتن مدلهای جامع تری از رفتار غیر خطی اعضای بتن مسلح تحت بارهای نوسانی، شکل پذیری و انرژی تلف شده توسط اعضای سازه ای را در خسارات متحمل شده توسط اعضا دخالت داده و عملاً جایگاه آسیب پذیری کمی را تحکم بخشیدند.
مدلهای المان محدود در سال 1987 توسط ((رستونز)) و همکارانش با استفاده از المان تنش مسلح برای برش رفت و برگشتی پیشنهاد شد.
در سال 1992، ((کارانتونی)) و ((فردیس)) برای برآورد آسیب پذیری سه ساختمان بنایی سنگی که در زلرله سال 1986 ((کالاماتا)) آسیب دیده بودند از سه مدل مکانیکی متفاوت استفاده کرد:
مدل المان محدود با استفاده از المانهای ترکیبی: در این مدل به طور متوسط 1700 المان (تقریباً 11000 درجه آزادی) برای هر ساختمان دو طبقه لازم بود.
مدل قاب معادل: که خواص هندسی (ارتجاعی) ستونها در محورهای مرکزیشان منظور می شد.
مدل تجربی که در آن برش لرزه ای بین ستونهای سازه به نسبت سختی آنها توزیع می شد. نتیجه ای که از آنها گرفتند این بود که تنشهای کششی اصلی در مدل المان محدود با آسیب مشاهده شده به خوبی سازگار است. قاب معادل تنشهای کشش حداکثر را بسیار بیشتر از مقدار واقعی محاسبه می کند و مدل تجربی آنها را کمتر از مقدار واقعی بدست می آورد.
((کاپوس)) در سال 1992 روشهای مختلف دسته بندی اندیسهای آسیب گوناگون که ارائه شده بود، مورد بررسی قرار داد. نتیجه حاصل این بود که از لحاظ ارزیابی آسیب پذیری باید قسمتی از سازه که به آن آسیب وارد شده، مشخص شده و مورد بررسی قرار گیرد و با توجه به آن اندیس آسیب برآورد گردد. از این رو با توجه به اینکه آسیب وارده، به یک عضو منفرد، یک جز از سازه ( از قبیل یک طبقه یا به طور کلی یک زیر سازه) و یا به کل سازه اعمال می شود، به ترتیب اندیسهای موضعی، میانی و کلی به کار می روند. بدون توجه به سطحی که اندیسهای آسیب در آن سطح تعریف می شوند. اندیس های آسیب می توانند بر پایه پارامترهای حداکثر پاسخ (ضرایب شکل پذیری و .....) یا پارامترهای جمعی پاسخ (ضرایب شکل پذیری رفت و برگشتی، استهلاک انرژی و مقادیر خستگی) و یا ترکیبی از آنها تعریف شوند.
از مطالعاتی که مربوط به آسیب پذیری با استفاده از مدلهای مکانیکی انجام گرفته است مطالعه و تحقیق ((شاه)) و ((گانتوری)) در سال 1992 می باشد. این مطالعه به یک ساختمان بتن مسلح هفت طبقه در کالیفرنیا مربوط می گردد. ورودی در این تحلیل مربوط به رکورد زلزله سال 1971 ((سن فرناندو)) در ناحیه مورد بررسی بود که آسیب های غیر سازه ای مهمی به سازه وارد کرد. مشخصات مکانیکی قاب و دال تخت بتن مسلح به صورت مدلهای گسسته بصورت المان به المان مدلسازی شدند.
((پتروفسکی)) و همکارانش در سال 1990 تا 1992 آسیب پذیری دو نوع ساختمان بتن مسلح تغییر شکل پذیر (چهار طبقه و هشت طبقه) را مطالعه کردند. آنها از المانهای مسطح با پسماند دو خطی استفاده کردند و اعضای بتن مسلح و پانلهای پرکننده در تراز هر طبقه را به صورت جداگانه مدلسازی نمودند. پاسخ غیر ارتجاعی این مدلها از تعدادی از شتابنگاشتهای ثبت شده در یوگسلاوی و آمریکا محاسبه شده اند. این پاسخ به منظور ارزیابی امکان شکست در اثر خمش، برش، نیروی محوری و یا اندر کنش با دیوارهای قوی استفاده شده است.
((کارامورا)) و همکارانش در سال1992 با ارائه روشی، از یک شبکه به منظور طراحی لرزه ای که شامل برآورد آسیب می باشد استفاده کردند این شبکه در مورد ساختمان های بتن مسلح بکار می رود. در این روش از رفتار احتمالی ورودی لرزه ای که به شکل طیف پاسخ شتاب بیان می شود استفاده می گردد.
در ایران پس از وقوع زلزله رودبار و منجیل در سال 1369 تحقیقات اندکی در زمینه آسیب پذیری ساختمانها و بررسی روشهای مقاوم سازی صورت گرفته است که می توان به تهیه شناسنامه فنی ساختمانهای شهر تهران توسط ((تسنیمی)) و ((مالک)) اشاره نمود. این محققین در این تحقیق اقدام به برداشتهای میدانی از مناطق مختلف شهر تهران در قالب گونه های بتنی، فولادی، بنایی و مختلط نمودند و با استناد به ارزیابی های کیفی و کمی اقدام به ارائه راهکارهای عملی در جهت ارتقای کیفیت ساخت ساختمانهای متداول شهر نمودند.
در سالهای اخیر در مراکز تحقیقاتی و دانشگاههای کشور تحقیقاتی صورت گرفته است که می توان به تحقیق انجام شده توسط آریا اشاره کرد. در این تحقیق بعد از برداشتهای میدانی از تخریبهای انجام شده در منطقه رودبار و منجیل با توجه به وضعیت ساخت و ساز کشور اقدام به ارائه یک روش میزان آسیب پذیری کیفی گردیده است.
همچنین در کتابی پژوهشی تحت عنوان ارزیابی لرزه ای ساختمانها به روش ATC (مطابق با استاندارد 2800 زلزله ایران ویرایش اول) توسط دکتر ناطقی الهی در سال 1377 تألیف گردیده است. در این کتاب کلیه مراحل ارزیابی انواع ساختمانهای موجود براساس استانداردهای رایج در کشور تشریح و گردآوری شده است. استخوانبندی روش ارزیابی پیشنهادات در این کتاب بر اساس روش ارزیابی ATC-22 قرار دارد.
سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور طی قراردادی در سال 1379 پروژه تدوین دستورالعمل ملی جهت بهسازی ساختمانهای موجود را به پژوهشکده بین المللی زلزله شناسی واگذار کرد.
در این راستا گروهی از همکاران در پژوهشگاه، پیش نویس اولیه دستورالعمل را به عهده گرفتند.
در تهیه دستورالعمل اصول فلسفه طراحی بر اساس عملکرد به عنوان چهارچوب کلی کار برگزیده شده است.
چهارچوب پیش نویس اولیه دستورالعمل، بر اساس گزارشات FEMA بخصوص FEMA273و FEMA274 و FEMA356 وFEMA357 قرار داشت. گروهای تخصصی، از منابع دیگر بخصوص آئین نامه 2800 آبا،مقررات ملی ساختمان ایران ، گزارشهای ATC ، گزارشهای NEHRP و... استفاده نمودند. در مورد اجزای سازه ای و غیر سازه ای خاص در ایران معیارهای پذیرش و بهسازی مناسب عرضه شده است و روشهای جمع آوری اطلاعات سازگاریهای لازم را با شرایط کشور یافته است.
دستورالعمل، ابزارهای لازم را برای ارزیابی ساختمانهای موجود برای هر سطح عملکرد انتخابی فراهم نموده است. با توجه به نتایج ارزیابی که بر مبنای تعیین مشخصات واقعی ساختمان، تعیین نقاط ضعف و ... قرار داده شده است، بهسازی توسط دستورالعمل این امکان را برای استفاده از ظرفیت اجزای سازه در طرح بهسازی فراهم آورده است.
تحلیل های غیر خطی برای شناخت خصوصیات مورد انهدام در ارزیابی لرزه ای ساختمانها بخصوص در محدوده تغییر شکلهای غیر خطی لازم می باشد. در این راستا برای عملی شدن انجام تحلیل های غیر خطی از برنامه های کامپیوتری استفاده می شود. برنامه های کامپیوتری ((SAP )) در سال 1995 در دانشگاه برکلی ((Berkly)) در ایالت کالیفرنیای آمریکا زیر نظر ((پروسور ادوارد. ویلسون)) نوشته شده که یک برنامه عمومی برای تحلیل به روش المان محدود می باشد. این برنامه و برنامه های مشابه همچون ((ETABS)) در ویرایش های جدید خود قابلیت تحلیلهای غیر خطی (استاتیکی و دینامیکی) را دارا می باشند و قادر هستند محل تشکیل مفصلهای پلاستیک و مورد انهدام و همچنین نقطه عملکرد سازه را محاسبه کرده و نشان دهند.
Abstract
Nowadays, designating of frames ductility factor, is one of the world s most important discassions for predicting and defining the reaction of frames in strong or average earthquake. For this reason, to simplify the issues and the relations, using the ductility capacity of frames in state of single degree of freedom and it’s relouion with frames ductility in multi-degree of freedom is inevitable. One suitable method for figuring this relation out is using the nonlinear time-series analysis. Since, there has been a few poor studies in this connection, there for, foure steel bending frame (4 story, 8 story, 11 story, 15story) were selected in this thesis and vibratory analyzed.
Various structure models have been designed by SAP2000 software on the basis of national regulation on tenth chapter and Iranian 2800 standard. To acheive the ductility index nonlinear time-series analysis methods have been used. and so by drawing historical diagrams produced from multi-degree of freedom frames in soils A , B , C , D ductility factors analyzed.