بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به لرزهخیزی ایران، تحقیق در مورد خصوصیات زلزلهها و بررسی عوامل خرابی ناشی از آن امری ضروریست، لذا در این تحقیق یکی از خصوصیات مهم زمینلرزهها یعنی مدت دوام زلزله و تاثیر آن بر آسیبپذیری ساختمانهای بتنی مورد مطالعه قرار گرفته است
مدت زمان وقوع زمینلرزه از لحظه شروع جنبش تا خاتمه آن که توسط دستگاه لرزهنگار ثبت شده است زمان کلی جنبش و بخشی از آن که بیشترین انرژی زلزله طی آن مدت تخلیه میگردد و انتظار خرابی در آن محدوده زمانی را داریم، مدت زمان موثر یا مدت دوام زلزله نامیده میشود. بدین منظور سه مدل سازه بتنی قاب خمشی به همراه دیوار برشی با شکلپذیری متوسط، در سه تیپ کوتاه مرتبه 5 - طبقه - ، میان مرتبه 10 - طبقه - و بلند مرتبه 15 - طبقه - مدلسازی شده و مطابق آیین نامه ها و ضوابط موجود به روش استاتیکی معادل تحلیل و طراحی گردیده است.
سپس شتابنگاشتهایی که از نظر بزرگا، فاصله از منبع لرزه، ساختگاه و محتوای فرکانسی مشابه بوده و دارای مدت دوامهای متفاوت میباشند انتخاب و مقیاس شدهاند. پس از معرفی مفاصل پلاستیک و معیارهای طراحی و پذیرش آنها در کلیه اعضاء سازه، مدلها تحت تحلیل دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی قرار گرفتهاند. با بررسی پاسخ لرزهای و روند تشکیل مفاصل پلاستیک و تغییرات سطوح عملکرد اعضاء به عنوان شاخسهای خسارت، مشخص گردید افزایش مدت دوام در زلزلههای حوزه دور منجر به افزایش میزان خسارت وارد بر سازههای بتنی میگردد، اما به طور عکس در حوزه نزدیک کاهش میزان خسارت به ساختمانهای میانمرتبه و بلندمرتبه را در پی خواهد داشت.
-1 مقدمه
امروزه بخش قابل توجهی از جمعیت دنیا، در مناطقی با خطر جدی وقوع زلزله زندگی میکنند. این پدیده از منظر شدت و دوره بازگشت، از نقطهای به نقطه دیگر متفاوت است و نگاهی حتی گذرا به پهنهبندی لرزهخیزی کشورهای دنیا، موقعیت مخاطرهآمیز کشور ایران را که بر روی کمربند هیمالایا- آلپ قرار گرفته است، نمایان میسازد؟ با توجه به لرزهخیزی ایران، تحقیق در مورد خصوصیات زلزلهها و بررسی عوامل خرابی ناشی از آن امری ضروریست؛ لذا در این تحقیق یکی از خصوصیات مهم زلزله یعنی مدت دوام زلزله و تاثیر آن بر آسیبپذیری ساختمانهای بتنی مورد مطالعه قرار خواهد گرفت.
در زمان وقوع زلزله، زمین دچار جنبش و تکانهای شدید میشود. این جنبش در ایستگاههای لرزهنگاری توسط دستگاه لرزهنگار - شتابنگار - به صورت تابع شتاب بر حسب زمان ثبت میشود که به آن شتاب نگاشت یا رکورد تاریخچه شتاب زلزله مورد نظر اطلاق میگردد. مدت زمان وقوع زمین لرزه از لحظه شروع جنبش تا خاتمه آن که توسط دستگاه ثبت شده است، زمان کلی جنبش و بخشی از آن که بیشترین انرژی زلزله طی آن مدت تخلیه میگردد و انتظار خرابی در آن محدوده زمانی را داریم، مدت زمان موثر یا مدت دوام زلزله نامیده میشود. روشهایی که تعریف زمان دوام حرکات شدید را با استفاده از خصوصیات شتاب-نگاشتهای ثبت شده زمینلرزهها مطرح میکنند میتوان به سه دسته تقسیم نمود:
سادهترین تعریف زمان دوام، مدت دوام برابر است که در این تعریف فاصله زمانی بین اولین و آخرین مرتبهای که شتاب حرکات زمین از یک مقدار معین بیشتر میشود بعنوان مدت زمان زلزله تلقی میگردد. در این رابطه پیج و همکاران - 1972 - مدت زمان زلزله را بر اساس شتاب آستانه در نظر میگیرند
در این تعریف شکل رکورد در قسمت حرکات شدید به هیچ وجه لحاظ نشده و ممکن است دو زلزله کاملا" متفاوت با یک شتاب آستانه یکسان یک زمان دوام برابر را نتیجه دهند
گروه دوم تعاریف که خصوصیات کلی رکورد را در نظر میگیرد، مدت زمان یکنواخت نامیده میشود. این مدت زمان جمع فواصل زمانی است که شتاب از یک مقدار معین بیشتر میشود. بولت - 1973 - این تعریف را با دو مقدار آستانه را مطرح نموده است
اساس دسته سوم از تعریفها، توزیع تجمعی انرژی زلزله که با استفاده از شتابنگاشت تعیین میگردد، است؟ این تعریف مدت زمان معنیدار خوانده میشود؟ مدت زمان معنیدار بر اساس انتگرال مربع شتاب زمین محاسبه میشود. شدت آریاس، شدتی است که برای یک اندازهگیری غیرمخرب توسعه یافته است و برابر با مجموع تمام انرژیها در واحد وزن، ذخیره شده در نوسانگرهای یک مجموعه نوسانکننده خطی نامیرا با توزیع یکنواخت فرکانس در لحظه انتهایی زلزله یا در هر لحظه بعد از پایان حرکت میباشد.
در رابطه - 1 - ، g شتاب گرانش زمین، T زمان کل شتابنگاشت و a - t - شتاب در زمان t بوده که توسط رکورد شتابنگاشت مشخص میشود وIA نشاندهنده میزان انرژی وارد بر سازه میباشد. نمودار تغییرات شدت آریاس بر حسب زمان را نمودار هیوسید مینامند که روند تخلیه انرژی زلزله بر حسب زمان بوده، محور عمودی درصد انرژی را نشان داده و مقطع زیر نمودار بر روی محور افقی، مدتدوام زلزله را مشخص میسازد.
زمان دوام معنیدار بصورت فاصله زمانی که درصد معینی از شدت آریاس را شامل میشود تعریف میگردد. این درصد توسط محققین مختلف بصورتهای متفاوتی در نظر گرفته شده است؟ متداولترین آنها تعریفی است که برادی و تریفناک بر اساس فاصله زمانی بین % 5 تا % 95 شتاب آریاس ارائه نموده اند
-2 پیشینه تحقیق
با توجه به وجود چندین تعریف متفاوت از مدت دوام و همچنین عدم توجه آئیننامههای طراحی به مدت دوام زلزله، مطالعات زیادی در این خصوص وجود نداشته و پیشینه تحقیقاتی چندانی ندارد. در ادامه به برخی از تحقیقات اشاره میگردد:
• تحقیقات انجام شده در داخل کشور
حامدی و تهرانیزاده - 1378 - تحقیقی را تحت عنوان "تعیین مدت زمان دوام زلزلههای ایران و ارتباط آن با پارامترهای مختلف" ارائه دادند. در این پژوهش برای 108 مورد از شتابنگاشتهای زلزلههای ایران با شرایط مختلف خاک بستر، مدت دوام معنیدار تعیین گردیده و نمودارهای بدست آمده نشاندهنده همبستگی مناسب بین مدت زمان ثبت شده توسط شتابنگاشت و مدت دوام حرکات شدید بوده است.
همچنین مشخص گردید زمان دوام حرکات شدید کسر کوچکی - حدود 30 تا 50 درصد - از کل زمان ثبت حرکات توسط شتابنگاشت میباشد. با سستشدن نوع خاک، مدت دوام حرکات شدید افزایش مییابد. لگاریتم مدت دوام زلزله با پارامترهای مختلف در کلیه حالات وابسته است. با افزایش بزرگای زلزله Ms به میزان 1 واحد، مدت دوام حرکات شدید حدود 5/6 ثانیه افزایش مییابد. در خاکهای نوع II و IV با افزایش فاصله تا مرکز زمینلرزه مدت زمان حرکات شدید افزایش مییابد.
تهرانیزاده و حامدی - 1380 - تحقیقی با نام " تاثیر میرایی و پارامترهای منبع زلزله بر طیف پاسخ" ارائه نمودند که در آن تاثیر زمان دوام، شرایط خاک و مقدار شتاب بر طیف شتاب الاستیک مورد برسی قرار گرفت. تعداد 106 رکورد زلزلههای ایران با شرایط مختلف خاک و میرایی و مدت دوام مطالعه شده و با تقسیمبندی آنها به پنج گروه بر اساس مدت دوام زمینلرزه، تاثیر مدت دوام بر منحنی طیف پاسخ برسی گردیده و مشاهده شد افزایش زمان دوام موثر منجر به کاهش شیب منحنی پاسخ میگردد.
تهرانیزاده و حامدی - 1381 - طی تحقیقی به "بررسی حداکثر حرکات زمین، مدت دوام حرکات شدید و محتوای فرکانسی زلزله چنگوره - آوج" پرداخته، مدت دوام برای 46 شتابنگاشت ثبت شده آن زلزله را محاسبه نموده و نمودارهای تغییرات زمان دوام موثر بر حسب فاصله تا مرکز زلزله نشان دادند با افزایش فاصله از مرکز زلزله زمان دوام افزایش مییابد. همچنین با مقایسه مدت دوام رکوردهای این زلزله با دیگر شتابنگاشتهای ایران مشاهده شد مدت دوام حرکات شدید زلزه چنگوره-آوج بزرگ بوده که مشخص میسازد ایستگاههای ثبت این زلزله دارای خاک نرم میباشند. مقادیر مدت دوام برای 10 شتاب نگاشت مورد برسی 11/97 ثانیه و میانگین مدت زلزله 56/56 ثانیه بوده که مدت دوام حدود 0/21 زمان کل بدست آمد.
کاتبی و همکاران - 1392 - مطالعهای با عنوان "بررسی مدت دوام و طیف طرح زلزله اهر - ورزقان و مقایسه با آیین نامه 2800 زلزله ایران" ارائه نمودند. در این پژوهش شتابنگاشتهای ثبت شده در چهار ایستگاه اهر، ورزقان، خواجه و تبریز مورد برسی قرارگرفته و مدت دوام معنیدار برای آنها به روش توزیع تجمعی انرژی زلزله تعیین گردید و مشخص شد با توجه به مدت دوام زمینلرزه و بزرگی طیف طرح در هر دو جهت افقی و قائم برای ایستگاه خواجه، احتمال گذر گسل مسبب زمینلرزه از نزدیکی این شهر وجود داشته و با توجه به مدت دوام نسبتا" بالای این ایستگاه، این گسل از نظر ابعاد طولانی میباشد.
• تحقیقات انجام شده در خارج کشور
چانگ و کرانایستکی - 1977 - مدت دوام زلزلههای با بزرگاهای مختلف را مورد برسی قرار دادند. آنها با استفاده از شتاب آستانهای برابر %gِ دوام پرانتزی را برای بسترهای سنگی و خاکی در فواصل سطحی کوتاه محاسبه نمودند که مشخص گردید مدت دوام زلزله در ساختگاههای خاکی طولانیتر از بسترهای سنگی است.
بومر و مارتینز-پریارا - 1999 - به بررسی تفاوت میان تعاریف ارائهشده مدت دوام پرداختند و مدت دوام مجموعهای از رکوردهای زلزلههای قوی، متوسط و ضعیف مورد بررسی قرار گرفت. بخشی از رکوردهای زلزلهها و نتایج در جداول زیر ارائه گردیده است.
مالهوترا - 2002 - طیف نیاز چرخهای هموار، با استفاده از مدل خسارت تجمعی برای خستگی کم سیکل را فرمولبندی نمود و مشخص گردید تعداد سیکلها و نیاز چرخهای با افزایش نسبت میرایی کاهش مییابد.
هنکاک و بومر - 2005 - همبستگی مدت دوام زلزله های قوی با تعداد سیکلهای حرکت را مورد مطالعه قرار دادند و مشاهده گردید تعداد سیکلها با افزایش بزرگا، کاهش مییابد.
شکیب و احمدیزاده - 2007 - تحقیقی با نام "ارزیابی تاثیر پارامترهای زلزله بر طیف پاسخ زلزلههای ایران" ارائه نمودند که طی آن 620 رکوردهای زلزلههای ثبت شده ایران مورد برسی قرار گرفته و نتایج نشان داد با افزایش مدت دوام زلزله، انرژی وارد به سازه بیشتر شده و بیشترین مقدار انرژی وارده مربوط به ساختمانهای دارای زمان تناوب طولانیتر میباشد.
لی و گرین - 2012 - در تحقیقی با عنوان "رابطه تجربی مدت دوام پرانتزی برای مناطق شمالی قاره آمریکا" ضمن بررسی 620 رکورد زلزله مربوط به نواحی مرکزی و شمال شرقی آمریکا، رابطه جدید برای محاسبه مدت دوام پرانتزی ارائه نموده و نتایج را با تعاریف پیشین مقایسه نمودند.
-3 مواد و روشها
برای انجام تحقیق سه مدل سازه بتنی قاب خمشی به همراه دیوار برشی در سه تیپ کوتاه مرتبه 5 - طبقه - ، میان مرتبه 10 - طبقه - و بلند مرتبه 15 - طبقه - به صورت نرمافزاری مدلسازی شده و مطابق آییننامهها و ضوابط موجود به روش استاتیکی معادل تحلیل و طراحی گردیده است. سپس با انتخاب شتابنگاشتهای مناسب و پس از معرفی مفاصل پلاستیک، مدلها تحت تحلیل دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی قرار میگیرد. جهت تعیین میزان خسارت و ارزیابی عملکرد سازهها نحوه تشکیل و توزیع مفاصل پلاستیک در اعضاء و تغییرات سطوح عملکرد سازهها مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
