بخشی از مقاله
چکیده
دوره تناوب اصلی ساختمان، یکی از مهمترین پارامترهای طراحی لرزهای به شمار میآید. روشهای مختلفی همانند تحلیلهای عددی، بهکارگیری روابط آییننامهای و برداشتهای لرزهای دستگاهی جهت برآورد این پارامتر ارائه شده است. مدلسازی دقیق و طرق مختلف تحلیل سازه در روشهای تحلیل عددی، در برآورد مقدار دوره تناوب سازه بسیار تأثیرگذار میباشد. از سوی دیگر نیز روابط پیشنهاد شده دوره تناوب در آییننامههای طراحی لرزهای بسیار متنوع و متفاوت میباشد.
یکی از روشهای قابل اتکا در تعیین دوره تناوب اصلی سازهها، استفاده از متدهای مبتنی بر گذر امواج لرزهای از درون سازه همانند خردلرزهها - ابزاری کارآمد، دائمی، مانا و مقرون بهصرفه - و برداشت آن در طبقه فوقانی و تحتانی سازه میباشد. در این مقاله دوره تناوب اصلی یک سازه نمونه - ساختمان اصلی پژوهشگاه بینالمللی زلزلهشناسی و مهندسی زلزله - به هر سه روش عددی، آییننامهای و تجربی به دست آمده است. در دسترس بودن جزئیات سازهای این ساختمان، امکان مدلسازی دقیق را فراهم نموده است.
همچنین دو روش نسبت طیفی استاندارد SSR و نسبت طیفی مؤلفههای افقی به مؤلفه قائمHVSR با برداشت خردلرزهها با دستگاههای لرزهنگار، در سه تراز پی، حیاط و بام ساختمان بکار گرفته شده است. همچنین اکثر روابط دوره تناوب ارائه شده در آییننامههای لرزهای موجود نیز برای این ساختمان استخراج و محاسبه شده است. مقایسه دوره تناوبهای حاصل از این سه روش به همراه تفسیر تطابقها و اختلافهای مشاهده شده بین آنها، از مهمترین نتایج این پژوهش بوده است.
واژگان کلیدی: خردلرزه، دوره تناوب اصلی، نسبت طیفی مؤلفههای افقی به قائم، نسبت طیفی استاندارد
مقدمه
در طول چند دهه گذشته، گسترش بسیار زیاد شهرنشینی در ایران رواج یافته است. با توجه به لرزهخیز بودن اکثر مناطق ایران، مخصوصاً در حوالی کوهپایههای البرز همانند شهرهای تهران و کرج و ...، طراحی لرزهای سازهها و بررسی عکسالعمل آنها در مقابل زلزله اهمیت ویژهای دارد.هدف اصلی از وضع مقررات لرزهای، محافظت از زندگی بشر بهوسیله محدود کردن آسیب و خرابی سازهها، بهمنظور حفظ عملکرد سازه در هنگام وقوع زلزله میباشد. روابط لرزهای طراحی یک سازه در مقابل زلزله بر اساس پارامترهای دینامیکی همانند دوره تناوب اصلی، نسبت میرایی و شکل مدهای تخریب سازه تخمین زده میشود .
دوره تناوب اصلی برای ارزیابی پاسخ لرزهای یک سازه اهمیت ویژهای دارد و حاوی اطلاعات مفیدی درباره سازه میباشد. برای مثال، در روش تحلیل استاتیکی، نیروی برش پایه ساختمان و برش هر طبقه بهصورت مجزا معیار طراحی لرزهای ساختمان قرار میگیرد و در روابط ضریب برش پایه، پریود طبیعی خود را نشان میدهد.البته دو سازهای که دارای توزیع جرم و پریود اصلی یکسانی هستند ممکن است نیروی برشی متفاوتی را تجربه کنند که این موضوع مربوط به شکل مدهای متفاوت میباشد. دوره تناوب T به ثانیه با جرم M و سختی K در یک ساختمان مرتبط است.
این پریود اصلی را میتوان از طریق مدل کردن سازه با لحاظ مشخصات مصالح محاسبه کرد؛ درحالیکه بدست آوردن آن مخصوصاً برای ساختمانهای قدیمی به دلیل عدم وجود نقشههای طراحی از این طریق ساده نمیباشد. همچنین در مدل کردن ساختمان برای انجام تحلیل عددی، بسیاری موارد طراحی را نمیتوان در نظر گرفت و سادهسازیهای بسیاری صورت میگیرد که باعث دور شدن نتایج از مقدار واقعی آنها میشود. از سوی دیگر، میتوان از طریق روابط تجربی از آییننامه های لرزهای، مقدار پریود طبیعی را محاسبه کرد. تکنیکهای آزمایشگاهی را نیز میتوان برای تخمین خواص دینامیکی یک ساختمان بکار برد، که منجر به استخراج روابط تجربی دقیقتر بین خصوصیتهای اصلی یک ساختمان - تعداد طبقات، اندازه، سن، نوع سازه، مواد - و پارامترهای دینامیکی آن میشود .
این روشها شامل تحریک کردن یک سازه بهوسیله تولید ارتعاش توسط یک منبع طبیعی مانند زلزله که مناسبترین روش برای تخمین پارامترهای دینامیکی سازه است و یا از طریق منابع مصنوعی مانند انفجار، ضربه یا حرکت یک دستگاه تولیدکننده نوسان، ارتعاش اجباری میباشد. به این دلیل که روشهای مبتنی بر منابع مصنوعی ارتعاش زمانبر و گران بوده و دارای سروصدای و مزاحمت زیاد در مناطق شهری هستند و استفاده از رکورد زلزله مستلزم انتظار تا وقوع آن میباشد؛ استفاده از روشی بر پایه اندازهگیری ارتعاشات محیطی در چند سال اخیر مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. استفاده از خردلرزهها در بررسی اثرات ساختگاه، در طول سالهای اخیر بهطور قابل توجهی در سرتاسر جهان توسعه پیدا کرده است.
این روش ساده، سریع، ارزان، قابلاعتماد و بر پایه تحریکات ناشی از ارتعاشات محیطی همانند باد یا فعالیتهای آنتروپیک انسانی همانند ترافیک و ماشینآلات و غیره میباشد. مقایسه دوره تناوب با رکورد زلزله با تحریک ضعیف و ارتعاشات محیطی بر روی یک ساختمان 5 طبقه نشان میدهد که دوره تناوب بدست آمده از رکورد زلزله، حداکثر 10 درصد از دوره تناوب بدست آمده از ارتعاشات محیطی بیشتر است. تریفونک در سال 1972 نشان داد که فرکانس طبیعی و نسبت میرایی تحت ارتعاشات محیطی و ارتعاش اجباری با تحریک کم برابر است.
این در حالی است که فرکانس طبیعی برای سازهای که در معرض ارتعاش اجباری با تحریک زیاد قرار میگیرد تا زمانی که تحت آسیب جدی قرار نگرفته باشد، 10 الی 30 درصد کمتر از مقدار بدست آمده از ارتعاشات محیطی است کاهش در فرکانس - یا افزایش در دوره تناوب - را میتوان به کاهش در سختی نسبت داد؛ زیرا با توجه به مقدار جرم ثابت میماند. بنابراین کاهش سختی باعث افزایش دوره تناوب میشود.
ترکهایی که از قبل در بتن وجود دارند بهمحض افزایش بار لرزهایمخصوصاً، در اتصالات و مرز خاک و سازه باز میشوند. ثبت کردن ارتعاشات محیطی ارزان و راحتتر از دادههای ارتعاش اجباری بدست میآید، ولی واضح است که ارتعاشات محیطی روشی عملی و قابل اعتماد برای تعیین کردن پارامترهای دینامیکی برای مدل کردن رفتار سازه تحت جابجایی کم میباشد. در طی تحقیقاتی، رابطهای توانی بر اساس تحلیل عددی 8 ساختمان بتن مسلح با نرمافزار SAP2000 برای بدست آوردن دوره تناوب اصلی ساختمانها بدست آمد و این رابطه برای 6 ساختمان واقعی با ثبت ارتعاشات محیطی - خردلرزهها - صحت سنجی شدند. نتایج حاکی از اختلاف حداقل 3 درصد و حداکثر 22 درصد با یکدیگر میباشد.
همچنین در تحقیقی که توسط هاتزیگورگیو صورت پذیرفت، رابطهای بر اساس تحلیل عددی تعدادی ساختمان بدست آمد که این رابطه مقادیر دوره تناوب به مراتب بالاتری را نسبت به روابط تجربی بهدستآمده بهوسیله اندازهگیری خردلرزهها توسط سایر محققین ارائه میدهد روابط تجربی تعیین دوره تناوب ساختمانها بر مبنای خردلرزهها،اکثراً ساده و وابسته به تنها یک پارامتر ارتفاع یا تعداد طبقات میباشد. مقادیر بدست آمده از این روابط بسیار به هم نزدیک میباشند.
بررسیهایی بر روی تأثیر نسبت طول به عرض ساختمان بر روی تفاوت دوره تناوب در دو جهت افقی عمود صورت پذیرفت که اکثر قریب به اتفاق آنها از عدم تأثیرپذیری دوره تناوب از طول و عرض ساختمان بخصوص در قابهای خمشی حکایت میکند؛ الویرا و ناوارو ؛ گویلر ؛ سالومه ولی در تحقیقی هم کاسته شدن دوره تناوب به دلیل افزایش طول ساختمان مطرح گردیده است.هدف این مقاله مطالعه موردی در رابطه با بدستآوردن دوره تناوب اصلی ساختمان پژوهشگاه زلزلهشناسی و مهندسی زلزله به سه روش آییننامهای، آزمایشگاهی و عددی و مطالعه ارتباط مقادیر آییننامههای لرزهای و مقادیر عددی با رفتار واقعی ساختمان پژوهشگاه میباشد. تحلیل عددی انجام گرفته توسط نرمافزار ETABS صورت گرفته و با تعدادی از روابط موجود در آییننامه-های لرزهای مختلف جهان مقایسه شده است.
معرفی ساختمان پژوهشگاه بینالمللی زلزلهشناسی و مهندسی زلزله ساختمان پژوهشگاه زلزلهشناسی و مهندسی زلزله در شهر تهران و در محله فرمانیه احداث گردیده است. در این تحقیق ساختمان غربی مدنظر میباشد. این ساختمان دارای ارتفاع 26/21 متر از سطح زمین و دارای دو طبقه زیرزمین با ارتفاع 7/79 از سطح پی میباشد. ساختمان دارای اسکلت فولادی با سیستم مهاربندی در دو جهت است. پیرامون دو طبقه زیرزمین، دیوار حائل 35 سانتیمتری احداث شده و خاک اطراف نیز از نوع خاک سخت میباشد. طبقات همکف تا طبقه پنجم دارای سیستم مهاربندی میباشند و طبقه ششم بهصورت نیمطبقه ساخته شده است.
روابط موجود در آییننامههای لرزهای
دوره تناوب اصلی ساختمان یک پارامتر مهم در ارزیابی عملکرد لرزهای سازه میباشد. آییننامههای لرزهای روابط مختلفی را برای تخمین دوره تناوب سازهها را تعریف کردهاند که این روابط بر حسب نوع اسکلت، وجود یا عدم وجود میانقاب متفاوت میباشد. این روابط برای تخمین مقدماتی و ساده دوره تناوب استفاده میشود. در جدول1 به دلیل اینکه ساختمان پژوهشگاه زلزلهشناسی و مهندسی زلزله دارای قاب مهاربندی است، تنها رابطههای مربوط به ساختمانهای با قاب مهاربندی آورده شده است.
