بخشی از مقاله
چکیده
وجود طبقه نرم گرچه بلحاظ توزیع و استفاده از فضاهاي طبقه مناسب میباشد، ولی از دیدگاه لرزهاي، آسیبپذیري ساختمان و میزان خسارت وارده را بسیار افزایش میدهد بگونهاي که شکست طبقه نرم را به رایجترین نوع خرابی در زلزله تبدیل میکند. الگوهاي بدست آمده از خرابیهاي زلزلههاي مخرب جهان سبب شده تا محققان متوجه بروز پدیده طبقه نرم در برخی از سازهها شوند و تلاش کنند با بررسی اثر طبقه نرم بر رفتار سازه، نواقص آییننامهها را در این زمینه رفع و سازهها را در برابر این پدیده مقاومسازي کنند.
در این مطالعه، براي بررسی اثر طبقه نرم بر رفتار سازه با استفاده از نرمافزار ایتبس، دو قاب خمشی بتن مسلح تک دهنه با تعداد طبقات 7 و 9 که داراي طبقهي نرم - ایجاد شده در اثر افزایش ارتفاع - هستند، مدلسازي و اثر حرکت طبقه نرم به سمت بالا بر منحنی ظرفیت سازه و همچنین تاثیر افزایش ارتفاع طبقه نرم بر منحنی ظرفیت سازه مورد بررسی قرار گرفت .
در نهایت این نتیجه حاصل شد که تحت بار استاتیکی خطی، بدترین مکان براي طبقه نرم، ارتفاع میانی سازه و بهترین مکان، طبقه آخر می باشد. تحت بار یکنواخت، بدترین مکان براي طبقه نرم، ارتفاع میانی سازه و بهترین مکان، طبقه آخر می باشد. تحت بار یکنواخت، بدترین مکان براي طبقه نرم، اطبقه اول سازه و بهترین مکان، طبقه آخر می باشد. همچنین با افزایش ارتفاع طبقه نرم، هم تحت بار یکنواخت و هم تحت بار استاتیکی خطی، منحنی ظرفیت سازه - یا به عبارتی میزان شکلپذیري سازه - کاهش مییابد. که این نتیجه با خصوصیات طبقه نرم کاملا منطبق است.
مقدمه
یکی از رایجترین مدهاي شکست ساختمانها در زلزلههاي گذشته، شکست طبقه نرم بوده استدرحال. حاضر در کلان شهرهاي ایران، تقریباً تمامی ساختمانها به علت ضوابط شهرداري براي تامین پارکینگ، بگونهاي ساخته میشوند که طبقهي همکف و یا حتی طبقهي منهاي یک، فاقد هر گونه میانقاب بوده که این امر احتمال ایجاد طبقه نرم در سازه را بالا میبرد. همچنین در بعضی موارد با سازههایی روبرو هستیم که طبقه همکف آنها به علت ایجاد فضاي تجاري، علاوه بر حذف میانقابها - البته در بعضی موارد - ، داراي ارتفاع بیشتر نیز نسبت به سایر طبقات میباشد.
بنابراین باز هم احتمال ایجاد طبقه نرم در سازه وجود دارد. از طرف دیگر، امروزه، قرار دادن یک طبقه به عنوان سالن اجتماعات در بعضی از ساختمانهاي اداري در طبقات میانی سازه، امري بسیار رایج است. به هر حال اجتناب از ملاحظات معماري غیر ممکن است، بنابراین در اکثر سازهها به احتمال زیاد با پدیده طبقه نرم روبرو خواهیم بود. لذا توجه به رفتار این سازهها در مواجه با زلزله، براي حفظ ایمنی جانی ساکنان ساختمان و تجهیزات درون آن - مثل بیمارستانها - امري ضروري است. طبقه نرم در مقابل زلزله آسیبپذیري بسیار بالایی داشته و میزان خسارت وارد به ساختمان را افزایش میدهد.
از بین ساختمانهاي بتنی و فولادي داراي طبقه نرم، احتمال تخریب در ساختمانهاي بتنی بیشتر است. زیرا در ساختمانهاي فلزي کلیه اعضاي سازهاي - تیرها و ستونها - در کارخانه به صورت استاندارد ساخته شده و تنها اتصالات در محل کارگاه انجام میگیرد. اما در سازههاي بتنی به علت آن که کلیهي این مقاطع در محل کارگاه ساخته میشوند احتمال خطا و عدم رعایت اصول فنی در اجرا، افزایش یافته، درنتیجه احتمال شکست این اعضا افزایش مییابد.
عملکرد صحیح لرزهاي یک سازه مستلزم آن است که مقاومت قابل دسترسی و ظرفیتهاي تغییرشکل اعضا بیش از نیازهاي تحمیل شده به سازه بر اثر زمین لرزه باشد. تغییر نگرش از طراحی بر اساس نیرو به سمت طراحی بر مبناي رفتار و عملکرد سازه، روش جدیدي را در زمینه طراحی به وجود آورده است که اصطلاحاً طراحی بر اساس عملکرد نامیده میشود.
براي دستیابی به ظرفیت سازه در آن سوي محدوده الاستیک احتیاج به استفاده از تحلیلهاي غیرخطی میباشد. آنالیز پوشآور یک تحلیل استاتیکی غیرخطی تحت بارهاي جانبی فزاینده است. هدف از تحلیل استاتیکی غیرخطی فزاینده، برآورد رفتار مورد انتظار یک سیستم سازهاي به کمک تخمین مقاومت و تغییرشکل مورد نیاز با ظرفیتهاي موجود در سطح رفتاري یا عملکردي مورد نظر است.
روشهاي تحلیلی که در طراحی بر اساس عملکرد و بهسازي لرزهاي سازهها مطرح میشوند، عمدتاً برمبناي آنالیز استاتیکی غیرخطی میباشند. دلیل استفاده از این نوع آنالیز، سرعت بالاي انجام آن، سادگی تفسیر نتایج و دقت قابل قبول آن میباشد. یکی از مهمترین نتایج این تحلیل تعیین نمودار نیرو-تغییرمکان یا منحنی ظرفیت است که با مشخص کردن نیروي برش پایه و تغییرمکان جانبی بالاترین سطح سازه - بام - در هر گام و رسم این دو پارامتر در مقابل هم بدست میآید که به منحنی پوشآور معروف میباشد.
در زمینه آنالیز استاتیکی غیرخطی در سالهاي اخیر تحقیقات بیشماري صورت گرفته است . رادینکلر1 و سنوایرنا 2 به توصیف جامعی از آنالیز استاتیکی غیرخطی پرداختند. کالن3 و کانث4 به مقایسه روشهاي استاتیکی غیرخطی مختلف پرداختند. بسیاري از مطالعات در این زمینه مربوط به چگونگی توزیع بار جانبی و چگونگی در نظر گرفتن اثرات مودهاي بالاتر به خصوص در سازههاي با پریود بالاتر میباشد . در این زمینه به عنوان نمونه میتوان به مطالعات چوپرا5 و گویل 6 اشارهکرد که توزیع بار جانبی بر مبناي مشارکت مودهاي اساسی سازه بدست میدهد. از دیگر مطالعات میتوان به مطالعات جن و همکاران اشاره کرد که یک توزیع جانبی بار براساس دو مود اول ارتعاش سازه پیشنهاد کردند.
در این مطالعه، با استفاده از نرمافزار ایتبس ورژن 79.7.2 دو قاب خمشی بتن مسلح تک دهنه با تعداد طبقات 7و 9که داراي طبقهي نرم - ایجاد شده در اثر افزایش ارتفاع - هستند، مدلسازي و اثر حرکت طبقه نرم به سمت بالا بر منحنی ظرفیت سازه و همچنین تاثیر افزایش ارتفاع طبقه نرم بر منحنی ظرفیت سازه مورد بررسی قرار گرفت. علت مدلسازي قابهاي بتن مسلح به صورت 7و 9طبقه، بررسی اثر طبقه نرم بر سازههاي میان مرتبه میباشد.
معرفی قابهاي مورد مطالعه
مطابق ویرایش سوم آییننامه 2800 این قابها داراي ضریب رفتار 7 و درجه اهمیت 3 بوده و در منطقهاي با خاك نوع 3 و میزان لرزهخیزي خیلی زیاد واقع شدهاند. براي بارگذاري ثقلی قابها از مبحث ششم مقررات ملی ساختمان - آییننامه 512 بارهاي وارد بر ساختمان - و بارگذاري لرزهاي از ویرایش سوم آییننامه 2800 استفاده شده است. با احتساب عرض باربر 3 متر براي هر تیر، بار مرده و بار زنده براي هر تیر در کلیه طبقات به ترتیب 1600 نیوتن بر متر و 2500 نیوتن بر متر در نظر گرفته شد.
اتصالات تیر به ستون در این قابها صلب و در مراحل تحلیل سازه اثرات P- و کاهش ممان اینرسی تیر و ستون - تركخوردگی - در نظر گرفته شده است. ارتفاع کلیه طبقات بغیر از طبقه نرمی که ناشی از افزایش ارتفاع ایجاد شده، 3 متر فرض گردید. مشخصات مقاطع در قابهاي 7 و 9 طبقه در جدول 1 و 2 قابل مشاهده است . براي محاسبه جابجایی هدف براي هر قاب از نشریه 360 استفاده شد
جدول :1 جزئیات مقاطع قاب 7 طبقه
جدول :2 جزئیات مقاطع قاب 9 طبقه - کتیراء، - 1393
شکل :1 تصویر مدلسازي شده قاب 7و 9 طبقهي داراي طبقه نرم، در حالی که طبقه نرم در طبقه اول قرار دارد.
محاسبه میزان سختی طبقه در قابهاي مدلسازي شده
در این بخش براي اطمینان از نحوه مدلسازي صحیح طبقه نرم در نرمافزار، طبق تعریف سختی طبقه 8، سختی هر یک از طبقات در قابهاي مدلسازي شده، محاسبه گردیده است. همانطور که در شکل 2 و 3 نشان داده شده است، به ازاي افزایش ارتفاع در یک طبقه، افت شدید سختی در آن طبقه مشاهده میشود که این امر سبب بروز طبقه نرم در آن طبقه میگردد.
به طور طبیعی با حرکت در ارتفاع سازه - از طبقه اول به طبقه آخر - مشاهده میشود که به دلیل کاهش مقاطع تیرها و ستونها، سختی طبقات کاهش مییابد. بنابراین طبقات پایینی سازه سختی بیشتري نسبت به طبقات بالایی داشته و قرارگیري طبقه نرم در طبقات پایینی باعث کاهش شدید مقدار سختی میگردد و چون در اثر زمین لرزه نیروي جانبی بیشتري به طبقات پایینی وارد میشود، قرارگیري طبقه نرم در طبقات پایینی حالت بحرانیتري را ایجاد میکند. همچنین بررسی نرمی آخرین طبقه از سازه طبق آییننامه 2800 میسر نیست زیرا بالاي آن طبقهاي وجود ندارد. در ادامه، اثر طبقه نرم بر جابجایی و دریفت سازه مورد بررسی قرار میگیرد.
شکل :2 سختی قاب 7 طبقه داراي طبقه نرم - کتیراء، - 1393 شکل :3 سختی قاب 9 طبقه داراي طبقه نرم
نحوه مدلسازي براي تحلیل استاتیکی غیرخطی - پوش آور -
براي تحلیل پوشآور، در مرحله اول باید براي اعضایی که در تحمل بار زلزله نقش عمدهاي ایجاد میکنند، مفاصل پلاستیک تعریف گردد. در این پایاننامه مفاصل براي تیرها از نوع خمشی - M - و براي ستونها از نوع محوري- دو لنگري - PMM - میباشند. در مرحله بعد مفاصل تعریف شده به اعضا اختصاص داده شد. ترکیب بارهاي ثقلی و الگوي بار جانبی نیز مطابق دستورالعمل بهسازي لرزهاي ایران - نشریه - 360 به صورت زیر انجام گرفته است.
توزیع متناسب با تحلیل استاتیکی خطی - مثلثی درج شده در استاندارد - 2800 به عنوان توزیع اول: در این روش مطابق شکل 4 توزیع نیروي جانبی ساختمان متناسب با روابط آییننامهاي توزیع برش پایه در ارتفاع میباشد.
٨ سختی طبقه که عبارتست از: نیروي لازم براي ایجاد جابجایی واحد در مرکز جرم طبقه مورد نظر در صورتی که طبقات زیرین در برابر حرکت جانبی مقید شده باشند
