پایان نامه مطالعه اثر انعطاف پذیری خاک بر توزیع آسیب پذیری لرزه ای در ساختمان

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

مهندسی عمران -  سازه

چکیده

درسالهای اخیرروشهای مختلفی برای تعیین آسیب پذیری ونیز مقاوم سازی لرزه ای ساختمان های فولادی و بتنی مسلح بسط و توسعه یافته است . نکته ای که دراکثرموارد از دیدمقاوم سازان لرزه ای دورمانده است اثر انعطاف پذیری خاک تکیه گاه ساختمان بر نحوه مقاوم سازی آن و حتی شدت وتوزیع آسیب پذیری بین اجزای باربر ساختمان می باشد. لذا در این تحقیق سعی شده است اثر انعطاف پذیری خاک تکیه گاه  ساختمان بر نحوه مقاوم سازی بنا در نظر گرفته شود و اثرات آن بررسی شود .

مراحل مختلف تحقیق به صورت زیر می باشد :

-   مرحله اول :  جمع آوری اطلاعات مربوط به روشهای مقاوم سازی و انواع آسیبهای موجود می باشد    که در سمینار ارائه شده از طرف نویسنده آورده شده است .

 -  مرحله دوم :پردازش اطلاعات مورد قبول در موضوع مورد نظرونحوه مدلسازی خاک .

-  مرحله سوم : کنترل و بررسی بناها بوسیله نرم افزاز  ٢٠٠٠  sap  به صورت در نظر گرفتن خاک به عنوان فنرهایی با سختی  Κ که به صورت سختی انتقالی و چرخشی می باشد و اثرآن بر تعدیل نیروهای زلزله وارد بر اعضای سازه ای بنا.

دراین تحقیق با مدلسازی خاک به صورت فنرهایی با سختی  k   میزان اثرآن در استهلاک انرژی زمین لرزه برای نسبتهای مختلف سختی خاک و سازه و سیستم باربر جانبی مختلف در ساختمان تعیین می گردد .

البته ذکر این نکته ضروری است که سعی شده حالات مختلف نوع خاک وشتاب ثقل زمین درزمان وقوع زلزله برای ساختمانهای چهار طبقه و هشت طبقه و دوازده طبقه در نظر گرفته شود .به این ترتیب سناریوی صحیح تری برای نحوه مقاوم سازی ( تعیین اجزایی که به مقاوم سازی نیاز دارند ) بدست می آید و ایمنی ساختمان به طرز مطمئن تری تامین می گردد . هدف اصلی تعیین محدوده ای از عوامل مؤثر ( سختی خاک   و سازه و نوع سیستم باربر ) است که درآن برای تعیین صحیح راه حل مقاوم سازی لرزه ای باید اثر انعطاف پذیری خاک را به حساب آورد .

مقدمه

در گذر ایام و در طول سالیان متمادی بعد از ظهور تمدنها همواره شاهد وقوع حوادث طبیعی از قبیل زمین لرزه بوده ایم که به تناوب در نقاط مختلف این جهان خاکی به وقوع پیوسته و هر بار عده زیادی از همنوعان ما راکشته و خسارات مادی و معنوی و اجتماعی و اقتصادی و روانی و .... بیشماری را ایجاد نموده اند . کشور عزیز ما ایران نیز به دلیل قرار گرفتن در مسیر زمین لرزه ( گستره زلزله خیز جهان ) همواره از خطرات زلزله در امان نبوده و هر از گاهی در کشور عزیز خود شاهد حوادث ناشی از زلزله و خربیها و آسیب های ناشی از آن بوده ایم . زلزله ای که در رودبار و منجیل وطبس و ناغان و اردبیل و.... رخ داده این واقعیت را به ما متذکر می شوند که باید در احداث بناهای محکم و پایدار و مقاوم سازی بناهای موجود بکوشیم تا در صورت وقوع حوادث مشابه شاهد وقوع خسارات مالی و جانی و..... زیادی نباشیم . برای  دستیابی به این هدف و همچنین پی بردن به رفتار حقیقی ساختمان های بتنی با سیستم قاب خمشی اثر اندر کنش خاک و سازه دراین تحقیق در نظر گرفته شده  وتحلیل و بررسی نتایج حاصل شده گامی موثر در تعریف رفتارحقیقی اعضای سازه ای خواهد بود ، و مسیرتازه ای از تعریف نیروهای وارد بر سازه به ما خواهد داد .

 فصل اول

 کلیات و

 مروری بر کارهای گذشته

١-١- مقدمه

با گذر ایام و پیشرفت علم مهندسی ساختمان و ایجاد امکانات بیشتر در تحلیل دقیق ساختمانها روز به روز     در محاسبه نیروهای وارد به ساختمانهابه دقت بیشتری دست یافته و امکان بررسی دقیق تر رفتار ساختمانها   در هنگام وقوع زلزله را برای مهندسان به حقیقت نزدیکتر می سازد .در گذشته نه چندان دور که حتی شاید   به بیش از چند دهه نمی رسد امکان محاسبه نیروی برش پایه وارد بر بنا و تقسیم آن بین طبقات مختلف    وجود نداشت و به صورت تجربی تقریبا برابر ده درصد نیروهای ثقلی وارد بر سازه در نظر گرفته می شد .   به تدریج با پیشرفت علم مهندسی ساختمان و علوم دیگر در راستای آن و محاسبه دقیق پارامترهائی نظیر ضریب رفتار و ضریب بازتاب ساختمان در کنار ضرائبی دیگر از قبیل ضریب اهمیت ساختمان با توجه به تقسیم بندی ساختمانها از نظر اهمیت آنها و همچنین ضریب شتاب مبنای طرح که با توجه به پهنه بندی     زلزله خیزی مناطق مختلف قابل محاسبه است اثر ساختگاه را در محاسبه نیروی زلزله لحاظ  کرده و نیروی زلزله وارد بر سازه محاسبه شد . اما آنچه که تا به امروز در محاسبات مربوط به نیروهای وارد بر سازه در   گرفته نشده است اثر اندرکنش خاک و سازه می باشد که خود می تواند نقش مهمی در تعدیل نیروهای    زلزله وارد بر سازه ایفا کند .

با تعدیل نیروهای زلزله وارد بر سازه با توجه به بحث اندرکنش خاک و سازه و اثر انعطاف پذیری خاک     می توانیم به ساخت ساختمانهایی با کیفیت مطلوب و هزینه ای کمتر از ساختمانهایی که امروزه ساخته   می شوند بپردازیم .

١-٢-  ماهیت زلزله و اثر آن بر بناهای موجود

زلزله بر اثر آزاد شدن انرژی نهفته در محل گسلها و انتقال آن به سطح زمین (پوسته خارجی زمین ) که باعث لرزش سطح بیرونی زمین می گردد ایجاد می شود .امواج زلزله سبب حرکت زمین در جهات افقی وقائم     می شود که با پیشروی این امواج به طرف مناطق مسکونی و شهرهابه فونداسیون بناها وارد شده و سپس فونداسیون نیروی زلزله را به ستونها و به تدریج سایر اعضای ساختمان می رساند .

ذکر این نکته ضروری است که انتقال نیرو از کانون زلزله تا محل ساختگاه (محل بنا ) واعضای ساختمان در کوتاهترین زمان ممکن و حداکثر چند ثانیه بطول می انجامد . این پدیده به خودی خود باعث حرکت غیر یکنواخت اعضای ساختمان نسبت به یکدیگر می شود که در تعریف کلی به عنوان تغییر تغییر شکل سازه یا پاسخ ساختمان به نیروی زلزله ای که به آن اعمال می گردد نامگذاری می شود .نحوه انتشار امواج زلزله در شکل ١-١ و مدل ریاضی و رفتار تئوریک ساختمان در شکل ١-٢ نشان داده شده است .   [ ٤ ]

قبل از بررسی کلی مو ضوع اندر کنش خاک ابتدا تعریف درستی از بحث اثر ساختگاه و اندر کنش خاک و  سازه ضروری به نظر می رسد که در بخش های بعدی به آن می پردازیم .

١-٣    اثر ساختگاه

تا به امروز در محاسبه نیروی زلزله اعمالی به سازه ؛ بطورکلی خاک را که به عنوان تکیه گاه عمل می کند    را صلب و بدون شکل پذیری در نظر گرفته می شد .وقوع زلزله در یک مکان همراه با حرکت موج    ارتعاشی در لایه های خاک می باشد که با توجه به اینکه خاک فرکانس پایین را فیلتر می کند ؛ در فواصل متفاوت اثرات متفاوتی را شاهد خواهیم بود . برای ساختمان وقتی که موج ارتعاشی زلزله به سنگ بستر    زمین زیرآن می رسد با توجه به عمق قرارگیری سنگ بستر نسبت به سطح زمینی که ساختمان در آن قرار  دارد سرعت موج برشی متفاوت بوده و انرژی وارد بر سازه نیز متغیر خواهد بود .

نیروی زلزله مؤثر بر سازه اگر چه از یک طرف به نوع سازه و مقاومت آن و از طرفی به ویژگیهای زلزله نظیر فاصله مرکز زلزله تا ناحیه مورد نظر بستگی دارد ولی عامل دیگری که وضعیت و عمق خاک و شرایط توپوگرافی روی پی سنگ می باشد نیز بر نحوه تاثیر زلزله بر سازه ها مؤثر است که به صورت تحلیلی   قابل ارزیابی است .بنا به تحقیقات انجام شده توسط زمین شناسان و زلزله شناسان خاک به عنوان عامل در تشدید یا کاهش اثر زلزله تعیین شده است . با توجه به اینکه شرایط مواد تشکیل دهنده خاک اعم از اینکه سنگی یا رسوبی یا رسی یا باقیمانده گدازه های آتشفشانی و.. باشد اثرات قابل توجهی بر امواج زلزله البته به میزان مختلف خواهند داشت . به عنوان نمونه مقایسه زمین لرزه در خاک ویا بستر سنگی بر پایه تغییر  شکلها کاملا است که مدت تداوم زلزله در خاک بزرگتر از مدت تداوم آن در بستر سنگی است که این  میزان حداکثربه دو برابر نیز می رسد .

 درنظرگرفتن اثرخاک به صورتهای فوق اثر ساختگاه نامیده می شود که در آیین نامه ها با توجه به ضرایبی   از قبیل ضریب بازتاب لحاظ شده است .

١-٤    اثر اندرکنش خاک و سازه

موج ارتعاشی زلزله پس از رسیدن به سنگ بستر زمین زیرساختمان به سمت تکیه گاه ساختمان که همان فونداسیون آن باشد حرکت می کند که نشان دهنده اثر ساختگاه می باشد . انتقال نیروی زلزله از فونداسیون

تا طبقات بالاتر ساختمان مربوط به بحث اندرکنش خاک و سازه می باشد . اگر خاک تکیه گاه ساختمان صلب در نظر گرفته شود با حالتی که خاک تکیه گاه ساختمان انعطاف پذیر باشد اثرات متفاوتی را شاهد خواهیم بود . تا به امروز خاک تکیه گاه صلب بوده و اثر اندرکنش در محاسبات زلزله ای ساختمان در نظر گرفته نمی شد . تلاش انجام گرفته در این راستا با هدف بهبود کیفیت ساخت بوده و اثبات اینکه وقتی    خاک انعطاف پذیر در نظر گرفته می شود برای ساختمانهای بتنی با قاب خمشی به خصوص  چه شرایط متفاوتی را شاهد خواهیم بود .

١- ٥   اهداف طراحی

برای طراحی سازه های ساختمانی بطور معمول روابط کنترلی برای حرکتهای دایمی خاک مانند گسلهای سطحی و زمین لغزشها وجود ندارد . در صورتی که در نظر گرفتن اثرات ناشی از نشست های زمین تحت بارهای زلزله یا روانگرایی لازم می باشد . طراحی پی های مقاوم در برابر زلزله نسبت به طرح غیر لرزه ای   آنها دارای تفاوتهای زیر می باشند:    [ ٣ ]

١- اندر کنش ساختمان و دینامیک سازه در نظر گرفته می شود .

٢-  نیروهای منتقل شده به سازه ؛ بویژه نیروهایی در حد تسلیم شدن سازه نوع آنها مشخص شده و وقوع    پی در پی نیروهای بلند کننده  یا UPLIFT در پی در گرفته می شود .

٣-  برای تغییر شکلهای دینامیکی در خاک تدابیر خاصی در نظر گرفته می شوند .

حرکت زمین که به صورت برش افقی در آن رخ می دهد معمولا در طراحی در نظر گرفته می شوند و اگر خرابی ازاین دست رخ بدهد در ساختمانهای کوچک و صلب بوده و گسیختگی برشی بین پی و زمین در زمان زلزله جز در ساختمانهای با ویژگی گفته شده وجود ندارد .پی ها چون در محدوده ارتجایی طرح  می شوند لذا شکل پذیری در پی ها در نظر گرفته نمی شود . البته  محققان راههایی را برای احداث چنین     پی های انعطاف پذیری را مطرح کرده اندولی چون تعمیر سطوح ترک خورده مدفون در پی ها در اثر وقوع زلزله کار دشوار بلکه غیر ممکن می باشد از آن صرفنظر می شود

 فصل دوم

معرفی خصوصیات خاک

 به عنوان یک عامل تعیین کننده

 دربحث اندرکنش خاک و سازه

٢-١-   مقدمه

نیروی زلزله موثر بر سازه اگرچه از یک طرف به نوع سازه و مقاومت آن و از طرفی به ویژگیهای زلزله نظیر فاصله مرکز زلزله تا ناحیه مورد نظر بستگی دارد ولی عامل دیگری که وضعیت و عمق خاک و شرایط توپوگرافی روی پی سنگ می باشد نیز بر نحوه تاثیر زلزله بر سازه ها موثر است که به صورت تحلیلی قابل ارزیابی است . بنا به تحقیقات انجام شده توسط زمین شناسان و زلزله شناسان خاک به عنوان عامل مهم در تشدید یا کاهش اثر زلزله تعیین شده است . با توجه به اینکه شرایط مواد تشکیل دهنده خاک اعم از اینکه سنگی یا رسوبی یا رسی یا باقیمانده گدازه های آتشفشانی و... باشد اثرات قابل توجهی بر امواج زلزله البته     به میزان مختلف خواهند داشت .به عنوان نمونه مقایسه ای زمین لرزه در خاک و یا بستر سنگی بر پایه تغییر شکلها کاملا مشهود است که مدت تداوم زلزله در خاک بزرگتر از مدت تداوم آن در بستر سنگی است که این میزان حداکثر به دو برابر نیز می رسد .

 کارشناسان زلزله با در نظر گرفتن یک پارامترنود درصدبرای طول مدت تداوم زلزله (T RRIFUNAC- BRADY  )

 چنین نتیجه گرفتند که متوسط مدت تداوم زلزله در خاک در حدود ١٠  تا  ١٢  ثانیه بیشتر از مدت مشابه    در بستر سنگی است . آنها همچنین نتیجه گرفتند که برای هرده کیلومتر افزایش فاصله از کانون وقوع زلزله مدت تداوم زلزله

؛  ١ تا  ١.٥  ثانیه افزایش می یابد 

 Abstract

In recent years many patterns for determination of vulnerability and rehabilitation of  building

seismic specially in steel and concrete ones have been developed the point which is hidden  in

most of the times from the rehabilitants is the flexibility of the base soil of the building on  the

rehabilitation  and  even  it's  intensity and distribution  of vulnerability of loading elements of

the building so in this survey its been  tried  to  study  the  flexibility  of  the  support  soil   on

 rehabilitation and it effect different stages of survey are as below :

- first stage : collecting the in formations about different patterns of rehabilitation  and different

 vulnerability which  is handed  in  the conference by the author.

- second stag : finishing the approved information in the mentioned subject and the way of soil

 modeling .

-thread  stage  :  control  and  surveying  of  building  by  soft  wares SAP2000 on the purpose

of soil as a spring with the  stiffness  of   K  which  is set  translational and  rotational  springs

 and  its effect on balancing the seismic power  on the  structural elements  of  the building .

In this survey  ; we have used  soil  modeling as the springs  with stiffness of  K  and its effect

 in consumingof seismic energy for different ratios of soil stiffness and structure and lateral load .

Of course mentioning this is  necessary we  have  tried  to  conduct different  types of  soil and

earth   haste   gravity  in  earthquake happening  for  and eight story and  twelve story buildings

so  the more  correct  scenario  for  rehabilitations achieves and the  building  safety takes  port

more definite the  main  goal for  determine the special border of effective elements   (  soil

stiffness ;  structure and   the type of loading system ) is to find a correct solution for seismic

 rehabilitation which the flexibility of soil should be counted.