بخشی از مقاله
خلاصه
نگرش نوین نسل جدید آییننامههاي طراحی و بهسازي لرزهاي با استفاده از روشهاي طراحی براساس عملکرد در مقایسه با روشهاي تجویزي آییننامههاي موجود، باعث ایجاد شیوههاي متفاوتی در طراحی شده است. شناخت رفتار لرزهاي سازه جهت تامین سطح عملکرد مناسب از محورهاي اساسی روشهاي نوین طراحی میباشد.
بنابراین بررسی اعتبار ضرایب موجود در آییننامههاي کنونی مهم بنظر میرسد. در این مقاله ضریب مربوط به کاهش نیروي متاثر از شکلپذیري - ضریب رفتار - موجود در استاندارد 2800 با ضرایب متناظر آن در شیوههاي طراحی براساس عملکرد نظیر ضرایب شکل پذیري اعضا - m - ، در دستورالعمل بهسازي لرزهاي ساختمانهاي موجود، مقایسه گردیده است. براي انجام این پژوهش چند قاب ساختمانی بتنی با انجام تحلیل استاتیکی غیر خطی مدلسازي و تحلیل شده اند. مقادیر R بدست آمده از تحلیل ها با مقادیر ارائه شده در استاندارد 2800 مقایسه و ارتباط آن با ضرایب شکل پذیري اعضا - m - مورد بررسی قرارگرفته است. نتایج حاصل از این ارزیابیها در قالب پیشنهاداتی جهت تخمین، تصحیح و تعدیل ضرایب موجود در آییننامهها ارائه گردیدهاند.
1. مقدمه
تحلیل و طراحی ساختمان ها در برابر زلزله مستلزم شناخت صحیح پدیدة زلزله و آگاهی از رفتار ساختمان در حین زلزله می باشد. طراحی مطلوب براي ساختمان را می توان دستیابی به سازهاي با عملکرد مناسب درحین زلزله، بهمفهوم امکان ایجاد خسارات کنترلشده و از قبل پیشبینی شده در ساختمان دانست. از مهمترین دلایل آسیب هاي شدید وارده به سازه درهنگام زلزله، تخمین نادرست مشخصات زلزله موردانتظار و یا عدم شناخت مناسب از رفتار سازه درمواجهه با زلزله میباشد. بنابراین شناخت صحیح از نحوة رفتار سازه در حین زلزله، از مبانی اولیه در طراحی سازههاي مقاوم در برابر زلزله است.
با توجه به تحولات زیادي که از زمان تدوین آیین نامه لرزه اي ایران در طرح ساختمان ها در برابر زلزله - استاندارد - 2800 در سال 1366 تاکنون در امر مهندسی زلزله صورت گرفته است و نیز با وجود کاربرد وسیع این آیین نامه در طراحی ساختمان هاي مختلف کشور، آگاهی از محتواي این آیین نامه و مفاهیم آن ضروري می باشد.
تدوین اغلب آیین نامه هاي کاربردي دنیا در طرح لرزه اي ساختمان ها، با هدف جلوگیري از تلفات جانی و خسارات احتمالی در هنگام زلزله و نیز دستیابی به طرحی اقتصادي و بهینه انجام گرفته است. از جمله عوامل تأثیر گذار در دستیابی به این هدف، می توان به دو عامل مقاومت و شکل پذیري سازه اشاره نمود که از مهمترین پارامترهاي مؤثر در طراحی لرزهاي بسیاري از آییننامهها، ازجمله استاندارد 2800 میباشند. تأمین این دو پارامتر در روش طراحی آیین نامه هاي مذکور باتوجه به برآورد اهداف موردنظر این آییننامهها در زلزلههاي خفیف، متوسط و شدید میباشد
در دهه هاي اخیر با بررسی نتایج زمین لرزه هاي پیشین و خسارات وارده به سازههاي موجود، پرداختن به مفاهیم شکلپذیري بسیار موردتوجه محققین قرار گرفته است. در آیین نامه هاي موجود طراحی لرزه اي نیز استفاده از قابلیت جذب انرژي زلزله با درنظر گرفتن رفتار غیر خطی سازه از اهداف اصلی طراحی می باشد. از آنجا که تعیین دقیق ظرفیت تغییر شکل سازه مستلزم تحلیلهاي غیرخطی سازه بوده و باتوجه به زمانبر بودن این تحلیلها و از طرفی سهل بودن آنالیز هاي خطی نسبت به تحلیلهاي غیرخطی، در این آییننامهها بهصورت کلی براي سیستمهاي مختلف سازهاي ضرایب کاهنده موسوم به ضریب رفتار - R - به منظور کاهش نیروي زلزله با درنظرگرفتن عملکرد غیرخطی سازهها ارائه شده است.
ازطرفی در نسل جدید آیین نامه هاي طراحی و بهسازي لرزهاي که از روش طراحی براساس عملکرد براي جایگزینی با روشهاي تجویزي استفاده می شود، بررسی دقیق تر این موضوع مدنظر قرار گرفته است. در این فرایند با توجه به رفتار واقعی اعضا تحت اثر نیروهاي وارده و با در نظرگرفتن کلیهي پارامترهاي موثر؛ نظیر ویژگیهاي مصالح، هندسه و مشخصات اعضا، شکل پذیري متناظر با هر تلاش در هر المان محاسبه میگردد. در برخی از آیین نامه ها مانند آیین نامه ASCE41-06 و نیز دستورالعمل بهسازي لرزه اي ساختمانهاي موجود ایران - نشریه - 360، در محدودة رفتار خطی با معرفی پارامتر "m" ، موضوع شکلپذیري موردتوجه قرارگرفته و به عنوان معیاري براي ارزیابی و پذیرش عملکرد هریک از اعضا در سازه استفاده شدهاست.
بررسی در مورد تحقیقات انجام شده در این زمینه، نشاندهندة مطالعات فراوان در این خصوص در دهههاي اخیر است. از آنجمله میتوان به مطالعات Kunnath و همکاران [2] اشاره کرد که در تحقیقات خود با بررسی سازههاي مختلف، ارتباط بین ضرایب شکلپذیري عنوانشده در آییننامههاي طراحی لرزهاي و میزان تغییرشکل سازهها را مورد بررسی قرار دادهاند . همچنین Miranda و همکاران [3] در تحقیقات خود با برآورد میزان تغییرشکل سازه و ضرایب کاهش نیرو، به بررسی پارامترهاي موثر پرداختهاند. Repapis و همکاران [4] نیز در زمینهي میزان شکلپذیري در ساختمانهاي بتنی گوناگون، با در نظر گرفتن اثرات ناشی از قابلیت تغییرشکل و نیز مقاومت سازه تحقیقاتی را انجام دادهاند.
در این مقاله به منظور بررسی دو دیدگاه متفاوت طراحی لرزهاي - طراحی لرزهاي براساس نیروي کاهشیافته و طراحی براساس عملکرد - و ارزیابی ضرایب شکلپذیري متناظر مورد استفاده در آییننامههاي مربوطه، در ابتدا نحوة برخورد دو روش طراحی فوقالذکر بررسی و در ادامه سه ساختمان بتنی 3، 5 و 7 طبقه منظم با پلان و بارگذاري مشابه موردبررسی قرارگرفتهاست. در بررسی ساختمانهاي موردمطالعه، ضریب رفتار ساختمانها محاسبه و با مقادیر پیشنهادي استاندارد 2800 مقایسه شدهاست. همچنین ضریب شکلپذیري اعضا نیز با توجه به مقادیر و ضوابط عنوانشده در دستورالعمل بهسازي لرزهاي ساختمانهاي موجود محاسبه و مورد بررسی قرار گرفته است.
2. مقایسه آییننامههاي طراحی و بهسازي لرزهاي موجود
امروزه آیین نامه هاي طراحی لرزه اي مرسوم در بسیاري از کشورها همچون ایران بر مبناي طراحی بر اساس نیرو با استفاده از روش تجویزي توصیه شده در آن میباشد. روش استفادهشده در این آییننامهها براساس روشی کمی و با بکارگیري مقادیر ثابتی در کاهش نیروي واقعی زلزله است. در این آییننامهها در روش خطی، نیروي زلزله به صورت درصدي از وزن سازه در نظرگرفته میشود. ضرایب بکارگرفته شده در تعیین نیروي زلزله، با توجه به مشخصات ساختمان به لحاظ نوع سیستم سازهاي و نوع کاربري و مشخصات ساختگاه تعیین میگردد. ضوابط ارائهشده در این آییننامهها با هدف تأمین ایمنی جانی ساکنین دربرابر خطرهایی همچون زلزله، پیشنهاد شدهاست.
مبناي اصلی کاهش نیرو در این روش طراحی، بر فرض عملکرد مطلوب سازه به علت قابلیت شکل پذیري و نیز وجود اضافه مقاومت در سازهي طراحی شده است، که باعث افزایش توانایی سازه در جذب و استهلاك انرژي زلزله می شود. بنابراین نقش ضریب کاهش نیرو و پارامترهاي موثر در تعیین و کنترل این ضریب، از مبانی اصلی طراحی لرزهاي ساختمانها در این آییننامهها میباشد
با استفاده از این قابلیت سازه و بکارگیري ضرایب فوقالذکر، در آییننامههاي موجود، سازهها براي نیرویی به مراتب کوچکتر از نیروي واقعی زلزله و نیز بکارگیري آنالیزهاي خطی طرح میگردند. ضریب رفتار در نظر گرفته شده در استاندارد 2800 ایران، مطابق با منحنی رفتاري نشان داده شده در شکل - 1 - شامل ضریب کاهش نیرو در اثر شکل پذیري - - Rμ ، اضافه مقاومت - - و ضریب تنش مجاز - Y - میباشد. بدینترتیب این ضریب حاصلضرب پارامترهاي عنوانشده بوده و بهصورت رابطه - 1 - بیان میگردد:
شکل – 1 منحنی رفتاري سازه
از ویژگیهاي روشهاي طراحی بر اساس عملکرد، کاربرد روشی محتمل و از پیش تعیین شده براي سازه در هنگام زلزله است. بر این اساس در این روش امکان انتخاب عملکرد هاي متفاوت سازه در حین زلزله، با درنظرگیري ملاحظات اقتصادي، فراهم می باشد. در طراحی لرزه اي به روش خطی، نیروي واقعی زلزله، بدون تأثیر ضرایب کاهش، به سازه اعمال می شود و سپس عملکرد هر یک از اعضا براي هر تلاش مورد ارزیابی قرارگرفته و روند طراحی تا دستیابی به عملکرد موردنظر، به صورت تکرار شونده ادامه خواهدداشت.
در این روش طراحی باتوجه به رفتار واقعی اعضا تحت اثر نیروي وارده، شکل پذیري متناظر با هر تلاش در هر المان برآورد می گردد. بر این اساس قابلیت استهلاك انرژي زلزله براساس شکلپذیري در سطح عضو مشخص گردیده و عملکرد هر عضو بررسی و در صورت نیاز نسبت به تغییر و یا تقویت آن ها اقدام می گردد. روش طراحی براساس عملکرد، ارزیابی دقیقی از عملکرد محتمل سازه در هنگام مواجهه با نیروهاي وارده، با در نظر گیري عدم قطعیت هاي موجود در تخمین و کمینمودن میزان خطرپذیري و نیز تعیین پاسخ واقعی سازه میباشد
از جمله تفاوتهاي دیگر در این دو شیوة طراحی میتوان به تفاوت در نحوة تعیین برش پایه، ضرایب مورد استفاده در تعیین نیروي زلزله، چگونگی توزیع نیروي زلزله در ارتفاع، روشهاي تحلیلی مجاز در دو شیوه، سطوح عملکردي لحاظ شده، ترکیبات بارگذاري مورد استفاده، معیار هاي پذیرش درنظر گرفتهشده و نیز محدودیتهاي لحاظشده درخصوص تغییرشکلهاي مجاز سازه در دو شیوة طراحی لرزهاي فوقالذکر اشاره نمود.
3. مشخصات سازه و مدلسازي نمونهها
بررسی بر روي سه ساختمان بتنی با تعداد طبقات 3، 5 و 7 طبقه و سیستم قاب خمشی متوسط انجام گرفتهاست. در هر سه نمونه پلان طبقات و نیز نحوة توزیع بار کف به تیرها مطابق شکل - 2 - درنظر گرفته شدهاست. همچنین همانطور که در شکل - 3 - نشان داده شدهاست، در کلیهي نمونهها ارتفاع طبقات برابر 3/2 متر منظور گردیده است.
بهمنظور طراحی اولیه سازهها، بارگذاري ثقلی براساس مبحث نهم مقررات ملی ساختمانها و بارگذاري لرزهاي نیز براساس آییننامه طراحی ساختمانها در برابر زلزله - استاندارد – 2800 ویرایش سوم - انجام گرفتهاست. در این تحقیق، ساختگاه ساختمانها پهنه با خطر نسبی زیاد و ساختمان با اهمیت متوسط لحاظ شدهاست. روش تحلیلی مورداستفاده در این قسمت، روش استاتیکی معادل میباشد. با توجه به سیستم باربر لرزهاي سازههاي موردمطالعه، قاب خمشی بتنی متوسط، ضریب رفتار در نظرگرفتهشده براي ساختمانها با توجه به مقادیر پیشنهادي استاندارد 2800 ایران، برابر 7 درنظر گرفتهشده و در محاسبه نیروي زلزله طراحی مورداستفاده قرار گرفته است.
شکل – 2 پلان نمونههاي موردمطالعه
شکل – 3 نمایی از نمونههاي موردمطالعه
