–206


١

دانشگاه آزاد اسلامی
واحد تهران مرکزی
دانشکده فنی مهندسی عمران ، گروه سازه
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد (M.Sc)
گرایش : مهندسی عمران ـ سازه
عنوان :
بررسی رفتار پیچشی سازه های نامتقارن در تحلیل استاتیکی غیر خطی (پوش آور)
استاد راهنما:
دکترمحمد صادق روحانی منش
استاد مشاور:
دکتر منجمی نژاد
پژوهشگر:
رضا گل مرادی
تابستان 1390
٢
تشکروقدردانی:
از این طریق ،مراتب سپاسگذاری خود را از زحمات
اساتید ارجمند جناب آقای دکتر روحانی منش و جناب
آقای دکتر منجمی نژاد که این پژوهش با راهنمایی های
ایشان به نتیجه رسید، بیان می دارم.
٣
فرم ببسمه تعالی

فرم اطلاعات پایان نامه های کارشناسی ارشد
دانشکده فنی و مهندسی گروه عمران
نام واحد دانشگاه : تهران مرکزی کد واحد : 101 کد شناسایی پایان نامه :
نام و نام خانوادگی دانشجو : رضا گل مرادی سال و نیمسال اخذ پایان نامه :
شماره دانشجویی : 88109018700 نیم سال دوم سالتحصیلی 89-90
عنوان پایان نامه : بررسی رفتار پیچشی سازه های نامتقارن در تحلیل استاتیکی غیر خطی(پوش آور)
نام و نام خانوادگی استاد راهنما : محمد صادق روحانی منش نام و نام خانوادگی استاد مشاور : سهیل منجمی نژاد
تعداد واحد پایان نامه : نمره پایان نامه دانشجو ( از 18 نمره)
تاریخ صدور کد شناسایی : به عدد : به حروف :
تاریخ دفاع از پایان نامه : نمره مقاله دانشجو ( از 2 نمره)
تاریخ ارائه مقاله : به عدد : به حروف :

چکیده پایان نامه (شامل خلاصه ، اهداف ، روش های اجرا و نتایج بدست آمده) :
با بررسی عملکرد ساختمانها در زلزله های گذشته مشخص می شـود کـه معمـولا سـاختمانهای نامتقـارن نسـبت بـه
ساختمانهای متقارن آسیب پذیرترند . قرارگیری نامناسب مهاربندها در ساختمان می تواند یک سازه نامتقارن ایجاد کند
.اکثر تحقیقاتی که در زمینه تاثیرخروج از مرکزیت سختی در رفتار سازه انجام شده است محدود به ساختمانهای یک
یا دو طبقه و با دهانه های کم می باشد . در این تحقیق سعی شده است تا عملکرد لرزه ای چنـد سـاختمان فـولادی
متقارن 3) و 5 و 8 طبقه) با کاربری مسکونی و دارای سیستم مهاربند واگرا بر اساس آیین نامه های موجود در کشـور
تحلیل وطراحی شود . سپس در هیمن سازه ها با جابجا کردن محل مهاربند ها در یک جهـت سـاختمانهای نامتقـارن
ایجاد کرده و تحلیل و طراحی بر اساس آیین نامه های موجود کشور انجام می شود . همچنین جهت بررسی پـیچش
در سازه ها از تحلیل استاتیکی غیر خطی استفاده شده است . بر اساس توصیه دستور العمل بهسازی لرزه ای سازه ها
الگوی بارگذاری مثلثی و یکنواخت می باشد ، نتایج تحلیل استاتیکی غیر خطی با نتایج تحلیل تاریخچـه زمـانی غیـر
خطی مقایسه شده است . پارامتر مورد استفاده در این تحقیق تغییر مکانی نسبی بین طبقات و برش پایـه مـی باشـد .
نتایج نشان می دهد که جوابهای تحلیل استاتیکی غیر خطی با الگوی بارگذاری مثلثی بـه جوابهـای تحلیـل تاریخچـه
زمانی غیر خطی نزدیک است . همچنین با افزایش پیچش و ارتفاع نتایج تحلیل استاتیکی غیر خطی به نتـایج تحلیـل
تاریخچه زمانی غیر خطی نزدیک می شود .
کلمات کلیدی : تحلیل پوش آور ، تحلیل تاریخچه زمانی غیر خطی ، تغییر مکان هدف ، ساختمانهای نامتقارن .

امضاء استاد راهنما : امضاء مدیر گروه : امضاء ریاست دانشکده :
تاریخ تاریخ تاریخ
۴
فهرست مطالب

عنوانصفحه

فصل اول: کلیات
-1-1 مقدمه 4…………………………..
-2-1 تاریخچه 9…………………………..
-3-1 اصول و پایه های نظری پژوهش 11…………………………….
-4-1 تحقیقات انجام شده 15…………………………..
-5-1 ضرورت واهداف تحقیق21
-6-1 روش تحقیق 21…………………………….
-7-1 مزایای استفاده از تحلیل غیرخطی استاتیکی 22…………………………..
فصل دوم: مروری بر ادبیات موضوع
-1-2 مقدمه 25…………………………..
-2-2 تعریف اهداف عملکردی 26…………………………..
-3-2 تعریف سطوح عملکردی 27…………………………..
-1-3-2 سطوح عملکرد تعریف شده توسط 27FEMA
-4-2 تعریف سطوح مختلف خطر زمین لرزه 30…………………………..
-5-2 انتخاب اهداف عملکردی 30…………………………..
-6-2 مدلسازی 31…………………………..
-7-2 پیچش 31…………………………..
-8-2 روش تحلیل سازه 31…………………………..
-9-2 تحلیل های خطی 32…………………………..
1-9-2 روش استاتیکی خطی 33…………………………..
-2-9-2 روش دینامیکی خطی 34(LDP)
أ
-1-2-9-2تحلیل خطی شبه دینامیکی یا طیفی 35…………………………..
-2-2-9-2 معایب روش تحلیل دینامیکی طیفی 36…………………………..
-3-2-9-2 تحلیل خطی دینامیکی تاریخچه زمانی 36…………………………..
-10-2 تحلیل های غیر خطی 37…………………………..
-1-10-2 روش استاتیکی غیر خطی37
-2-10-2 مزایای روش استاتیکی غیر خطی 38(Pushover)
-3-10-2 تعیین نیاز لرزه ای 39…………………………..
-4-10-2 روش دینامیکی غیر خطی 40…………………………..
-11-2 انتخاب روش تحلیل مناسب 40…………………………..
-12-2 معیار پزیرش41
فصل سوم: مدلسازی ومطالعات مقدماتی
-1-3 مقدمه 43…………………………..
-2-3 مشخصات کلی ساختمان ها وفرضیات طراحی 43…………………………..
-3-3 محاسبه نیروی جانبی ناشی از زلزله 46…………………………..
-4-3 نحوه طراحی اجزاء ساختمانها 46…………………………..
-1-4-3 طراحی ستون ها 47…………………………..
-2-4-3 طراحی مهاربندها47
-3-4-3 کنترل تغییرمکان نسبی طبقات 47…………………………….
-4-4-3 کنترل طبقه نرم 47…………………………..
-5-3 نتایج نهایی طراحی ساختمانهای مورد مطالعه 48…………………………..
فصل چهارم: نحوه ارزیابی ساختمان های طراحی شده
-1-4 مقدمات و مبانی وملزومات بهسازی 68…………………………..
-1-1-4 انتخاب هدف بهسازی 68…………………………..
-2-1-4 روش تحلیل و قواعد مدل سازی 68…………………………..
ب
-1-2-1-4 کلیات 68…………………………..
-2-2-1-4 ملاحظات مربوط به مدل سازی کلی ساختمان 68…………………………..
-2-4 ترکیبات بارگذاری 71…………………………..
-1-2-4 بارهای ثقلی 71…………………………..
-2-2-4 بارهای جانبی 71…………………………..
-3-4 مدلسازی اعضاء 72…………………………..
-1-3-4 مدل های اجزا 72…………………………..
-4-4 رفتار اجزای سازه 75…………………………..
-5-4 تحلیل استاتیکی غیرخطی مدل ها 87…………………………..
-1-5-4 منحنی ظرفیت و پارامترهای موثر در دوخطی سازی آن 88…………………………..
-6-4 مدلسازی در نرم افزار 98Ram Perform
-1-6-4 مدلسازی المانهای قاب 98…………………………..
-1-1-6-4 مدلسازی ستون های غیرالاستیک101
-2-6-4 چگونگی مدل میرایی103
-3-6-4 رفتار غیرخطی اعضا105
-7-4 روش تحلیل دینامیکی غیرخطی106
-1-7-4 مشخصات شتاب نگاشت ها. 107
-2-7-4 نحوه مقیاس کردن شتابنگاشت ها109
فصل پنجم : نتایج وبحث
-1-5 مقدمه111
-2-5 ساختمان 3 طبقه111
-1-2-5 ساختمان 3 طبقه بدون خروج از مرکزیت 111 .(e=0)
-2-2-5 ساختمان 3 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد 114(e=10)
-3-2-5 ساختمان 3 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد 117(e=20)
ت
-3-5 ساختمان 5 طبقه120
-1-3-5 ساختمان 3 طبقه بدون خروج از مرکزیت 120 .(e=0)
-2-3-5 ساختمان 3 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد 123(e=10)
-3-3-5 ساختمان 3 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد 126(e=20)
-4-5 بررسی برش پایه ساختمان های مورد تحقیق129
فصل ششم : نتیجه گیری و پیشنهادات
-1-6 نتایج131
-2-6 پیشنهادات.. 132
فهرست منابع و مراجع133
چکیده انگلیسی154
ث
فهرست جداول

عنوانصفحه

1-2 جدول خرابی پیش بینی شده برای اعضای قائم سازه ای29
2-2 جدول شاخص های کیفی خسارت در اعضای سازه ای وغیرسازه ای30
3-2 جدول سطوح خطر زمین لرزه 31FEMA 273
1-3 جدول ستونها و مهاربند های موجود در سازه 3 طبقه بدون خروج از مرکزیت51
2-3 جدول ستونها و مهاربند های موجود در سازه 3 طبقه با 10 درصد خروج از مرکزیت52
3-3 جدول ستونها و مهاربند های موجود در سازه 3 طبقه با 20 درصد خروج از مرکزیت53
4-3 جدول ستونها و مهاربند های موجود در سازه 5 طبقه بدون خروج از مرکزیت54
5-3 جدول ستونها و مهاربند های موجود در سازه 5 طبقه با 10 درصد خروج از مرکزیت56
6-3 جدول ستونها و مهاربند های موجود در سازه 5 طبقه با 20 درصد خروج از مرکزیت58
7-3 جدول ستونها و مهاربند های موجود در سازه 5 طبقه بدون خروج از مرکزیت60
8-3 جدول ستونها و مهاربند های موجود در سازه 5 طبقه با 10 درصد خروج از مرکزیت63
9-3 جدول ستونها و مهاربندC های موجود در سازه 5 طبقه با 20 درصد خروج از مرکزیت66
1-4 جدول ضریب73
2-4 جدول ترکیبات بارگذاری در تحلیل استاتیکی غیرخطی74
3-4 جدول نوع مفاصل اعضای قابهای مهاربندی شده78
4-4 جدول پارامترهای مدلسازی ومعیارهای پذیرش در روش های غیرخطی-اجزا سازه فولادی88
5-4 جدول پارامترهای مدلسازی ومعیارهای پذیرش در روش های غیرخطی-اجزا سازه فولادی89
6-4 جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 8 طبقه با خروج از مرکزیت20 درصد96
7-4 جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 8 طبقه با خروج از مرکزیت10درصد97
8-4 جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 8 طبقه متقارن97
9-4 جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 5 طبقه با خروج از مرکزیت20 درصد98
10-4 جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 5 طبقه با خروج از مرکزیت10درصد98
ج
11-4جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 5 طبقه متقارن………………………………………………………….. 99
12-4 جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 3 طبقه با خروج از مرکزیت20 درصد………………………. 99
13-4 جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 3 طبقه با خروج از مرکزیت10درصد………………………. 100
14-4 جدول تغییرمکان هدف وبرش پایه ساختمان 3 طبقه متقارن………………………………………………………… 100
15-4 جدول مشخصات شتابنگاشت های مورد استفاده در تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی ………………….. 111
16-4 جدول ضرایب مقیاس شتابنگاشت ها ………………………….. …………………………………………………………… 113
1-5 جدول برش پایه حاصل از دو حالت تحلیل ………………………….. ……………………………………………………. 133
ح
فهرست نمودارها

عنوانصفحه

1-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه بدون خروج از مرکزیـت (e=0) در تحلیـل پـوش آور تحـت
بارمثلثی با خروج از مرکزیت اتفاقی مثبت ومنفی 115…………………………..
2-5 نمــودار Drift طبقــات در ســازه 5 طبقــه بــدون خــروج از مرکزیــت (e=0) در تحلیــل پــوش آور
تحت باریکنواخت 116…………………………..
3-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه بدون خروج از مرکزیـت (e=0) در تحلیـل تاریخچـه زمـانی
تحت سه شتاب نگاشت 116…………………………..
4-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه بدون خـروج از مرکزیـت (e=0) در تحلیـل تاریخچـه زمـانی
وتحلیل پوش آور 117…………………………..
5-5 نمودار خطای بدست آمده در Drift طبقات در سازه 5 طبقه بـدون خـروج از مرکزیـت( (e=0 در دو
حالت تحلیل پوش آور نسبت به تحلیل تاریخچه زمانی 117…………………………..
6-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیـت 10 درصـد (e=10) در تحلیـل پـوش آور
تحت بارمثلثی 118…………………………..
7-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد (e=10) در تحلیل پـوش آور
تحت باریکنواخت 119…………………………..
8-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خـروج از مرکزیـت 10 درصـد (e=10) در تحلیـل تاریخچـه
زمانی تحت سه شتابنگاشت 119…………………………..
9-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصـد ( (e=10 در تحلیـل تاریخچـه
زمانی و تحلیل پوش آور 120…………………………..
10-5 نمودار خطای بدست آمده در Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیـت 10 درصـد در دو
حالت تحلیل پوش آور نسبت به تحلیل تاریخچه زمانی 120…………………………..
11-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد ( (e=20 در تحلیل پـوش آور
تحت بار مثلثی 121…………………………..
خ
12-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد ( (e=20 در تحلیل پـوش آور
تحت بار یکنواخت 122…………………………..
13-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد ( (e=20 در تحلیـل تاریخچـه
زمانی تحت سه شتابنگاشت 122…………………………..
14-5 نمودار Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد ( (e=20 در تحلیـل تاریخچـه
زمانی و تحلیل پوش آور 123…………………………..
15-5 نمودار خطای بدست آمده در Drift طبقات در سازه 5 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد ( e=20
) دردو حالت تحلیل پوش آور نسبت به تحلیل تاریخچه زمانی 123…………………………..
16-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه بدون خروج از مرکزیت (e=0) در تحلیـل پـوش آور تحـت
بارمثلثی با خروج از مرکزیت اتفاقی مثبت ومنفی 124…………………………..
17-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه بدون خروج از مرکزیـت (e=0) در تحلیـل پـوش آور تحـت
باریکنواخت با خروج از مرکزیت اتفاقی مثبت ومنفی 125…………………………..
18-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه بدون خروج از مرکزیت (e=0) در تحلیل تاریخچه زمانی سـه
شتابنگاشت 125…………………………..
19-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه بدون خروج از مرکزیت (e=0) در تحلیـل تاریخچـه زمـانی و
تحلیل پوش آور 126…………………………..
20-5 نمودار خطای بدست آمده در Drift طبقات در سازه 8 طبقه بدون خروج از مرکزیـت ( (e=0 در دو
حالت تحلیلپوش آور نسبت به تحلیل تاریخچه زمانی 126…………………………..
21-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد (e=10) در تحلیـل پـوش آور
تحت بارمثلثی با خروج از مرکزیت اتفاقی مثبت ومنفی 127…………………………..
22-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد (e=10) در تحلیل پـوش آور
تحت باریکنواخت با خروج از مرکزیت اتفاقی مثبت ومنفی 128…………………………..
23-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد ( e=10) در تحلیـل تاریخچـه
زمانی تحت سه شتاب نگاشت 128…………………………..
د
24-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد ( (e=10 در تحلیـل تاریخچـه
زمانی و تحلیل پوش آور 129…………………………..
25-5 نمودار خطای بدست آمده در Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 10 درصد (e=10)
دردو حالت تحلیل پوش آور نسبت به تحلیل تاریخچه زمانی 129…………………………..
26-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد (e=20) در تحلیـل پـوش آور
تحت بارمثلثی با خروج از مرکزیت اتفاقی مثبت ومنفی 130…………………………..
27-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد (e=20) در تحلیـل پـوش آور
تحت باریکنواخت با خروج از مرکزیت اتفاقی مثبت ومنفی 131…………………………..
28-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصـد ( (e=20 در تحلیـل تاریخچـه
زمانی تحت سه شتابنگاشت 131…………………………..
29-5 نمودار Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد ( (e=20 در تحلیـل تاریخچـه
زمانی و تحلیل پوش آور132
30-5 نمودار خطای بدست آمده در Drift طبقات در سازه 8 طبقه با خروج از مرکزیت 20 درصد (e=20)
دردو حالت تحلیل پوش آور نسبت به تحلیل تاریخچه زمانی 132…………………………..
ذ
فهرست اشکال

عنوانصفحه

1-2 شکل منحنی ظرفیت سازه بدست آمده از آنالیز 39Pushover
1-3 شکل پلان ساختمان متقارن47
2-3 شکل پلان ساختمان نامتقارن با 10 درصد خروج از مرکزیت47
3-3 شکل پلان ساختمان نامتقارن با 20 درصد خروج از مرکزیت48
1-4 شکل منحنی رفتار عضو شکل پذیر75
2-4 شکل منحنی رفتار عضو نیمه شکل پذیر76
3-4 شکل منحنی رفتار عضو شکننده76
4-4 شکل روش های تعریف معیار پذیرش اعضا79
5-4 شکل تهیه منحنی چندخطی بار – تغییرشکل برای تلاش های تحت کنترل تغییر شکل82
6-4 شکل تهیه منحنی چندخطی بار – تغییر شکل برای تلاش های تحت کنترل نیرو. 83
7-4 شکل منحنی نیرو- تغییر شکل تعمیم یافته برای اعضا و اجزا فولادی85
8-4 شکل تعر یف چرخش عضو86
9-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 3 طبقه متقارن با ترکیب بار 92(2-1)
10-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 3 طبقه متقارن با ترکیب بار 92(2-2)
11-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 3 طبقه با خروج ازمرکزیت 20 درصدبا ترکیب بار(93(2-2
12-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 3 طبقه با خروج ازمرکزیت 20 درصدبا ترکیب بار(93(2-1
13-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 8 طبقه با خروج ازمرکزیت 20 درصدبا ترکیب بار(94(2-1
14-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 8 طبقه با خروج ازمرکزیت 20 درصدبا ترکیب بار(94(1-1
15-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 8 طبقه با خروج ازمرکزیت 20 درصدبا ترکیب بار(95(1-2
16-4 شکل منحنی ظرفیت ساختمان 8 طبقه با خروج ازمرکزیت 20 درصدبا ترکیب بار(95(2-2
17-4 شکل مدل چرخش خمشی 101…………………………..
18-4 شکل مولفه های اصلی برای مدل چرخش خمشی 102…………………………..
ر
19-4 شکل مولفه های تیر با مفصل پلاستیک ……………………………………………………………………………………. 103
20-4 شکل مدل ناحیه پلاستیک ………………………………………………………………………………………………………… 104
21-4 شکل سطح تسلیم P-M-M در فولاد ……………………………………………………………………………………….. 106
22-4 شکل بیان فیزیکی میرایی ………………………………………………………………………………………… αM + βK 107
23-4 شکل نحوه تغییرات میرایی با پریود سازه ………………………………………………………………………………….. 108
24-4 شکل منحنی نیرو- تغییرمکان درRam- Perform بدون درنظرگرفتن کاهش مقاومت……………………. 109
25-4 شکل منحنی نیرو- تغییرمکان درRam- Perform بدون درنظرگرفتن کاهش مقاومت……………………. 109
26-4 شکل شتاب نگاشت ……………………………………………………………………………………………………….. kobe 111
27-4 شکل شتاب نگاشت ………………………………………………………………………………………………….. Landers 112
28-4 شکل شتاب نگاشت …………………………………………………………………………………………. Loma Prrieta 112
ز
مقدمه
بررسی زلزله های اتفاق افتاده در جهان نشان می دهد که این زلزله ها در یک موقعیت جغرافیایی
خاص ومحدودی اتفاق افتاده است . از آنجائیکه معمولا شکل این نواحی زلزلـه خیـز بصـورت یـک
کمربند می باشد بنام مناطق زلزله خیز یا کمربند زلزله نامیده می شوند. نواحی زلزله خیز جهان را می
توان در چند نوار زلزله گنجاند. نوارمحیط اقیانوس آرام از مهمتـرین آنهـا اسـت . بعـد از نـوارمحیط
اقیانوس آرام می توان به نوار زلزله آلپ – هیمالیا که به آلپاید مشهوراست، اشاره نمود. ازمناطق زلزلـه
خیزدیگر، نواروسط اقیانوس اطلس را می توان ذکر کرد. [1]
واقع شدن ایران درکمربند لرزه خیز آلپای د که یکی از لرزه خیزترین مناطق جهان اسـت و وقـوع
130 زلزله با بزرگی بیش از7/5 ریشتردر قرن گذشته وبا توجه به اینکه بطور متوسط درهرسـال یـک
زلزله با بزرگی بیش از 4 ریشتردر کشورمان رخ می دهد وخسارات مالی وجانی زیادی بـه بـار مـی
آورد اهمیت شناخت دقیق زلزله ونیروها ی ایجاد شده بوسیله زلزلـه در سـاختمان را بـیش از پـیش
نشان دهد.
در سالهای اخیر، روشهای زیادی برای آنالیز لـرزه ای سـازه هـا ارائـه شـده اسـت. یکـی از ایـن
روشها، روش تحلیل استاتیکی غیر خطـی ( پـوش آور) مـی باشـد. معمـولا اکثـر روشـها بـه مـدلهای
ساختمانی صفحه ای (دو بعدی) محدود می شوند بنابراین چنین امری تنها برای سـازه هـای متقـارن
قابل قبول می باشد. اما در سالهای اخیر تلاشهای فراوانی صورت گرفته تا این روش بـه سـازه هـای
نامتقارن که نیازمند تحلیل سه بعدی هستند نیز تعمیم داده شود، بررسی رفتار سازه ها در زمین لـرزه
های گذشته نشان می دهد که پیچش حاصل از نامتقارن بودن ساختمانها یکی از دلایل آسـیب دیـدن
شدید ساختمان می شود. علیرغم تحقیقات انجام شده دراین مورد، هنوز رفتار ساختمانهای نامتقـارن
تحت تاثیر پیچش به طور کامل درک نشده است. و دلیل آنرا میتوان تعداد زیـاد پـا رامترهـای مـوثر
دانست. تحقیقا ت وسیع انجام شده درمورد ساختمانهای نامتقارن با درنظـر گـرفتن رفتـارغیرخطی بیشـتر
محدود به ساختمانهای نامتقارن یک طبقه می باشد، بنابراین نمی توان با اطمینان نتایج حاصـل از ایـن
1
تحقیقات را به ساختمانهای چند طبقه تعمیم داد و از طرفـی دیگـر مـدلهای عـددی پیچیـده ،روشـی
کاربردی برای تحقیق نمی باشند.
هدف از این تحقیق بررسی رفتار ساختمانهای چند طبقه نامتقـارن وارائـه یـک چـارچوب قابـل
درک، بدون انجام هرگونه تحلیل دینامیکی غیرخطی پیجیده می باشد.
این تحقیق در شش فصل گردآوری شده است:
فصل اول: به کلیات موضوع پرداخته شده واصول وپا یه های نظری مربـوط بـه روش پـوش آور
وضرورت تحقیق واهداف آن آورده شده است .
فصل دوم: مروری بر ادبیات موضوع می باشد واهداف عملکردی وسطوح عملکردی وروشـهای
تحلیل بیان شده است.
فصل سوم: مشخصات کلی ساختمانها وفرضـیات طراحـی وهمچنـین طریقـه محاسـبه نیروهـای
جانبی آورده شده ودر نهایت نتایج نهایی طراحی سازه ها بصورت جدول ارائه شده است.
فصل چهارم :نحوه ارزیابی ساختمانهای طراحی شده ارائه شده است . مبانی وملزومات بهسـازی،
ترکیبات بارگذاری در تحلیل پوش آور در این فصل آورده شده است.
فصل پنجم:اعلام نتایج بدست آمده از تحلیل ،بررسی، مقایسه ونتیجـه گیـری آنهـا پرداختـه مـی
شود.
فصل ششم:نتیجه گیریهای کل وپیشنهادات برای تحقیقات آتی ارائه می گردد.
2
فصل اول
کلیات
3
(1-1 مقدمه
عملکرد ساختمانها در زلزله های گذشته نشان داده است که معمولا ساختمانهای نامتقارن نسـبت
به ساختمانهای متقارن آسیب پذیرتر بوده ودر حین زلزله دچار آسیبهای شدیدتر مـی گردنـدواحتمال
فروریزش آنها نسبت به ساختمانهای متقارن بیشـتر مـی باشـد. خرابـی حـدود چهـل ودو درصـد از
ساختمانها در زلزله 1985 مکزیک به علت آثار پیچشی ، نشان داد که ساختمانهای نامتقـارن از لحـاظ
سختی ومقاومت در پلان ،بسیار آسیب پذیر هستند . ارتباط موجود بین حرکات جـانبی وپیچشـی در
یک ساختمان با پلان نامتقارن که در اینجا به عنوان پیچش طبیعی معرفی می شود باعـث ایجـاد نیـاز
تغییر شکل غیر یکسان در صفحات مقاوم جانبی در سیستم می گردد.
با بررسی این نوع ساختمانها در زمان وقوع زلزله می توان نتیجه گرفت که آسیب پذیری اینگونـه
ساختمانها در نتیجه لنگرهای پیچشی وتغییرمکانهای دورانی اضافی است کـه در اثـر عـدم تقـارن در
دیافراگم های ساختمان ایجاد شده وسبب افزایش خسارات سازه ای وغیر سـازه ای بـویژه در وجـوه
بیرونی ساختمان می گردند. عدم تقارن درساختمان می تواند دراثرتوزیع نامتقـارن جـرم در دیـافراگم
های ساختمان یا در اثر توزیع نامتقارن سختی یا مقاومت در المانهای باربر جانبی باشد. عـدم توزیـع
یکنواخت جرم ،سختی ومقاومت سبب می گردد تا نقطه اثر برآیند نیروهای ناشی از زمـین لـرزه بـا
نقطه اثر برآیند نیروهای المانهای باربر جانبی یکی نبوده ودر صورتیکه ساختمان دارای دیافراگم های
صلب یا نیمه صلب باشد لنگرهای پیچشی در این دیافراگم ها ایجاد گردد. وقتی که رفتـار سـاختمان
در محدوده الاستیک است نقطه اثر برآیند نیروهـای مقـاوم جـانبی منطبـق بـر مرکـز سـختی (مرکـز
صلبیت)ساختمان می باشد، اما وقتی که در حین زلزله تعدادی از المانهای بـاربر جـانبی جـاری مـی
گردند محل برآیند نیروهای مقاوم جانبی تغییر کرده ونهایتا اگر تمامی المانهـای بـاربر جـانبی جـاری
گردند نقطه اثر برآیند نیروهای مقاوم جانبی بر مرکز مقاومت منطبق می گردد. بنـابراین بـا توجـه بـه
نحوه رفتار سازه در حین زلزله میزان لنگرهای پیچشی ایجاد شده در حین زلزلـه تغییـر مـی نمایـد و
مراکز سختی ومقاومت نمایانگر وضعیت حدی این تغییرات درزمانیکـه سـازه در محـدوده خطـی یـا
غیرخطی (مصالح)رفتار می کند می باشد. بنابراین می توان نتیجه گرفت که محل مراکز جـرم،سـختی
ومقاومت از پارامترهای اصلی می باشند که رفتار سازه های نامتقارن را تحـت تـاثیر قـرار میدهنـد. از
4
پارامترهای مهم دیگری که بر رفتارپیچشی سازه ها تاثیر می گذارند سختی ومقاومـت پیچشـی سـازه
وممان اینرسی جرمی طبقات می باشند.
دستورالعملها وآیین نامه های طراحی ساختمانها در برابر زلزله ضـوابط ویـژه ای بـرای طراحـی
سازه های نامتقارن دارند، این دستورات در آیین نامه ها ی طراحی بـر اسـاس عملکـرد نیزبـا وجـود
تفاوت زیادی که این آیین نامه ها با آیین نامه های عادی طراحی لرزه ای ساختمانها دارند تکرار شده
اند. این در حالی است که این دستورات درطراحی های معمول وبرای سطح خطر وعملکـرد از پـیش
تعریف شده آیین نامه های معمول نیز دارای کاستی هایی می باشند. با توجه بـه انتظـار رفتـار شـکل
پذیر ساختمانها در مقابل زلزله های متوسط وشدید که در آن با افـزایش نیرو هـای داخلـی ، اعضـای
مقاوم جاری شده ومقدار آن عملا در اعضا ثابت باقی می ماند، لذا خرابی عضو از آن پس با ظرفیـت
تغییر شکل پلاستیک آن (متناسب با ظرفیت شکل پذیری عضو)کنترل می گردد. بنابراین طراحی سـازه
برای سطوح عملکرد متفاوت بطور طبیعی با طراحی بر اساس تغییر مکان همخوانی بیشتری نسبت به
روشهای معمول طراحی براساس نیرو دارد. لـذا در ایـن رابطـه روشـهای طراحـی جدیـد بـر اسـاس
تغییرمکان توسعه داده شده اند. اما در این روشها هم عموما برای محاسبه مقاومت مـورد نیـاز عناصـر
باربر جانبی در طراحی سازه های جدید می بایست نیروی برش پایه بدست آمده وسـپس در طبقـات
وبین عناصر باربر جانبی توزیع گردند که مع مولا از روشهای معمول آیین نامه های لرزه ای برای ایـن
منظور استفاده می گردد. ضوابط پیچشی آیین نامه ها بر این فرض اسـتوار اسـت کـه سـختی عناصـر
باربر جانبی براساس ابعاد هندسی آن قابل محاسبه می باشد ودر نتیجه در خلال تعیین مقاومت اعضـا
در سازه هایی که ابعاد هندسی ال مانهای باربر جانبی ثابت می مانند محل مرکز سختی ثابت بـاقی مـی
ماند. نحوه رفتار المانها با این فرض در شکل (a -1) نشان داده شده است مطالعات اخیر نشـان داده
است که این فرض در مورد بخش قابل توجهی از المانها که امروزه در ساخت سـاختمانها بکـار مـی
روند معتبر نمی باشد . در این سری از المانها که از آنها با المانهای نوع D نام برده می شود بـا تغییـر
مقاومت ولی با فرض ثابت ماندن ابعاد، عملا تغییرمکان حدجاری شدن المان دچـار تغییـرات جزئـی
شده ولذا این سختی المان است که تابع میزان مقاومت وتغییرمکان حدجاری شدن می باشد. بنـابراین
در هنگام توزیع نیرو وتعیین مقاومت المانهای باربرجانبی ، با تغییـر مرکـز مقا ومـت سـاختمان مرکـز
5
سختی المان نیزمتناسب با آن تغییرمی نماید. نحوه رفتار اینگونه المانها در شـکل (b -1) نشـان داده
شده است

شکل – (1-1) رفتار نیرو ـ تغییر مکان المانها
ساختمانهایی که با توجه به عملکرد های متفاوتی که در سطوح خطر محتمل از آنهـا انتظـار مـی
رود دچار درجات متفاوتی از رفتارهای غیر خطی می گردند ممکن است بـرای آنهـا آرایـش مناسـب
مراکز سختی،مقاومت وجرم در هر سطح عملکرد متفاوت باشد. به عنوان نمونه زمانیکه سـاختمانی در
سطح خطرمشخص برای سطح عملکرد سـکونت بـی وقفـه طراحـی مـی گـردد، در ایـن صـورت از
ساختمان انتظار رفتارغیرخطی قابل توجهی نمی رود و می توان انتظار داشت که مناسب ترین آرایـش
مراکز مقاومت، سختی وجرم آرایشی است که در آن مرکز جرم برمرکز سختی منطبق گـردد. در حـالی
که احتمالا این آرایش برای ساختمانی که ازآن انتظار عملکرد ایمنی جانی می رود یعنی ساختمانی که
حین زلزله رفتار غیرخطی قابل ملاحظه از خود نشان میدهد مناسب نمی باشد. بطور کلی برای کنترل
عملکرد سازه، میزان خسارات وارده به ساختمان در حین زلزله محدود می گردد. برای این منظـور از
6
پارامترهای خسارت مختلف که شرایط خسارات سازه ای وغیر سازه ای را نشان می دهند استفاده می
گرددمعمولا. برای کنترل خسارات سازه ای از تغییرشکل یا دوران پلاستیک، تغییرمکان نسبی طبقـات
ویا از شکل پذیری استفاده مـی شـود. بـرای کنتـرل میـزان خسـارات عناصـر غیـر سـازه ای نیـزاز
پارامترهایی نظیر تغییرمکان نسبی طبقات ویا شتاب طبقه استفاده می گردد. از جمله عوامل دیگری که
برآرایش مناسب مرکز جرم، سختی ومقاومت تاثیر می گذارد نوع پارامترمورد بررسـی مـی باشـد. بـه
عنوان نمونه آرایشی که می تواند میزان شکل پذیری در عضو بحرانـی را بهبـود بخشـد لزومـا سـبب
بهبود پارامتر تغییرمکان نسبی بین طبقات نمی گردد. رفتار پیچشی سازه ها معمولا بـه عوامـل متعـدد
وپارامترهای متنوع که تابع مشخصات سازه است بستگی دارد. زمانیکه مسـاله در محـدوده غیرخطـی
مورد بررسی قرار می گیرد،تعداد پارامترهای حاکم بر مساله افزایش می یابد. این مساله با توجـه بـه
محدودیتهای محاسباتی در گذشته سبب شده تا اکثر مطالعات پیچشی انجام شده برروی مدلهای ساده
انجام گیرند. این مدلها معمولا یک طبقه وبا المانهای مقاوم برشی در یک جهت می باشند ومطالعـات
کمتری برروی مدلهای چند طبقه یا مدلهای با سیستم مقاوم در هر دو جهت وتحت اثر نگاشـتهای دو
مولفه ای انجام گرفته است. واضح است که رفتارپیچشی سازه ممکن است اثرات مخربی را بـر رفتـار
سازه در حین زلزله های شدید داشته باشد. بـه دلیـل تعـداد زیـاد پارامترهـای مـوثربر رفتـار پیچشـی
ساختمان های نامتقارن هنوز رفتار این نوع ساختمانها بـه طـور کامـل درک نشـده اسـت . هـر چنـد
مطالعات نسبتا وسیعی در زمینه رفتار غیرخطی ساختمانهای یک طبقه نامتقارن صـورت گرفتـه اسـت
1]،[2 ولی هنوز نمی توان با اطمینان نتایج حاصل از این تحقیقات را به ساختمانهای چندطبقه تعمیم
داد واز سوی دیگر مدلهای عددی پیچیده ، روشی کاربردی برای تحقیق باشند.
با توجه به پیشرفت علم مهندسی زلزله در سالهای اخیـر، شـناخت فاکتورهـای جدیـد طراحـی
ساختمانها نیاز به مطالعات بیشتری دارد.در این زمینه بیشـترین تاکیـد در گسـترش طراحـی براسـاس
عملکرد خواهد بود که شامل حرکات زمین ومطالعات جدید تجربی وتحلیلی در مورد شناخت رفتـار
اجزای ساختمان می باشدمحققین براساس مطالعاتی که بر روی اثرات زمین لرزه هایی همچون زمین
لرزه 6.7 ریشتری نورتریج در ایالات متحده در سال 1994 وزلزله 7.1 ریشتری لوما پریتا وهمچنین
زمین لرزه کوبه ژاپن در سال 1995وموارد دیگر انجام داده اند. مشاهده کردند سازه هایی که بـا آیـین
7
نامه های متداول طراحی شده اند ، از لحاظ تامین امنیت وسلامت جانی ساکنین ، عملکرد خـوبی از
خود نشان داده اند، اما بدلیل گستردگی خرابیهای ساختمانها ، زیانهای اقتصادی ومالی زیـادی بـه بـار
آمد. این امر سبب شد تا نیاز شدید به دستورالعملها وآیین نامه هایی که قابلیـت کنتـرل کـردن میـزان
خسارات در زلزله های متوسط را دارا باشند احساس شود. در نتیجه مجموعه آیین نامه ها ودستورات
مبتنی بر طراحی براساس عملکرد ایجاد شدند که به عنوان نمونـه مـی تـوان از دسـتورالعملهای- 40
ATC،FEMA 356 نام برد. [3]
امروزه اعتقاد بر این است که تنها در نظر گرفتن سطح عملکرد مصونیت جانی برای طـرح لـرزه
ای در نواحی فعال لرزه ای کافی نیست. در ضمن طرح لرزه ای را از نظرهای دیگر، که همان هزینـه
های مرمت وزمان بازسازی کامل هستند باید مد نظر قرار داد. از این رو در چنـد سـال اخیـر تـلاش
وتحقیقات بسیاری توسط محققین صورت گرفته تا راهکارها و روشهایی بـرای ارزیـابی دقیـق تـر از
رفتار سازه ارائه گردد ودر واقع بتوان سازه ای طراحی کرد که در برابر زلزله مشـخص، رفتـار معینـی
داشته باشد.
عملکرد سازه ها در مقابل زمین لرزه وسطوح مختلف عملکرد در برابر زلزله ها بـا سـطح خطـر
معین مبانی اصلی روش طراحی بر اساس عملکرد می باشند. در آیین نامه طراحی ساختمانها در برابـر
زلزله (استاندارد (2800،ضوابط ومقرراتی برای طراحی واجـرای سـاختمانها در برابراثرهـای ناشـی از
زلزله ارائه شده است.» بطور کلی با رعایت این آیین نامه انتظـارمی رود بـا حفـظ ایسـتایی سـاختمان
درزلزله های شدید (زلزله طرح) تلفات جانی به حداقل برسـد ونیـز سـاختمان در برابـر زلزلـه هـای
خفیف ومتوسط (زلزله سطح بهره برداری ) بدون وارد شدن آسیب عمده سـازه ای قـادر بـه مقاومـت
باشد«[19]
در استاندارد 2800 به منظور تحلیل وطراحی سازه برای اهداف تعریف شـده، از روشـهای خطـی
والاستیک استفاده می گردد که در آن پارامتر اصلی پاسخی که معیار کنترل سـازه واجـزاء آن در نظـر
گرفته شده،نیرو می باشد و این در حالی است که سـازه در هنگـام وقـوع زمـین لـرزه از خـود رفتـار
غیرخطی نشان می دهد. آیین نامه برای در نظر گرفتن این رفتار سازه وهمچنین اثرات حرکات زمـین
8
بر سازه از ضریب کاهش نیرو که به عنوان ضریب اصلاح پاسخ یا ضـریب رفتـارR نامیـده مـی شـود
استفاده می کند.
از کاربردهای ضریب رفتار R در این آیـین نامـه مـی تـوان تعیـین بـرش پایـه طراحـی، کنتـرل
تغییرمکان نسبی طبقات، محاسبه بیشترین تغییرمکان غیر الاستیک مورد انتظـار بـر مبنـای تغییرمکـان
الاستیک ناشی از نیروهای طراحی وهمچنین محاسبه نیروهای واقعی اجزایی از سازه که عامل کنتـرل
طراحی در آنها نیرو می باشد نام برد . اما می دانیم که ضریب رفتار Rبه عوامل متعدد وپیچیده زیادی
بستگی دارد وهمچنین معیار نیرو نمی تواند عملکرد واقعی سازه واجـزای آنهـا ویـا میـزان خسـارت
وآسیب وارده را در حالت غیرخطی نشان دهد.
حال این سوال مطرح می شود که آیا اهداف عملکر دی پیش بینـی شـده در اسـتاندارد 2800 بـا
توجه به سطوح خطر زمین لرزه ارائه شده در آن، برای ساختمانهایی که براسـاس ضـوابط ایـن آیـین
نامه طراحی می شود تامین می گردد؟
در ایــن تحقیــق تــلاش مــی گــردد بــا اســتفاده از اصــول مهندســی زلزلــه بــر اســاس ســطح
عملکرد،وضعیت سطوح عملکردی ساختمانهای نامتقارن که دارای مهاربند واگرا هسـتند ، تحـت اثـر
سطح خطر زمین لرزه نوع یک تعیین گردد.
(2-1 تاریخچه
در دهه های اولیه قرن بیستم واژه های مقاومت و عملکرد هم معنی متصور می شدند واز حـدود
25 سال پیش بود که تفاوت این دو واژه مشخص گردید ومشاهده شد که افزایش مقاومـت لزومـا بـه
معنای ایمنی بیشتر وخرابی کمتر نیست. محققین نشان دادند که توزیع مقاومت در اجزاء سـازه،معیـار
با اهمیت تری از کل مقاومت سازه می باشد . به عنوان مثال نشان داده شد که تشکیل مفاصل خمیری
در محل اتصال تیر به ستون برروی تیر، مناسب تر از تشکیل آنها بـر روی سـتون اسـت (تیرضـعیف
وستون قوی)
دستاوردهایی از این دست را می توان آغاز عصر طراحـی براسـاس عملکـرد نامیـد .[9] مفـاهیم
طراحی بر اساس عملکرد در ایالات متحده گسترش پیدا کـرده وبصـورت گسـترده ای پایـه واسـاس
9
پروژه های آینده را تشکیل می دهد . بخصوص مطالبی که در قالب FEMA-356 جمع آوری شـده
است وشامل سطوح عملکرد تخریب کامل،مصونیت جانی، استقرار فوری پس از زلزله می باشد.[9]
در نیوزلنــد دســتورالعمل ) NZNSEE راهنمــای ریســک لــرزه ای ســاختمان) معیــار ریســک
،معیارهای عملکرد لرزه ای وبطور ضمنی اهداف عملکردی را در بر دارد . بااین وجود این اهداف بـه
جای ادامه یافتن سرویس دهی ساختمان بعد از زلزله، بطـور انحصـاری مربـوط بـه مصـونیت جـانی
وجلوگیری از ویرانی کامل هستند. [10]
تعــداد زیــادی از محققــین در طــول ســالیان گذشــته بــر روی ایــن موضــوع کــار کــرده انــد.
از جمله ایـن محققـین [11] Potuan Chen مـیبا شـند کـه تحقیقـاتی بـرروی طراحـی براسـاس
عملکردCollins R .,Kevin لرزه ای ساختمانهای فـولادی نامتقـارن بااسـتفاده ازتحلیلهـای اسـتاتیکی
ودینامیکی غیرخطی انجام داده اند. آنها با تعریف یک سیستم یک درجـه آزاد معـادل، رفتـار لـرزه ای
یک ساختمان نامتقارن دو طبقه را مو رد ارزیابی قرار دادند وبه این نتیجه رسیدند کـه اثـر نـوع خـاک
وسطح خطر زلزله بیش از پیچش در طراحی موثر است والبته ذکـر کردنـد کـه ایـن تحقیقـات کـافی
نیست وباید ساختمانهایی با طبقات وپیچیدگی های بیشتر مورد ارزیـابی قـرا ر گیرنـد . از محققـین
دیگری که بر روی این موضوع کار کرده اند می توان به [3] Ahmed Ghobarah اشاره کـرد
که ذکر می کند هدف طراحی در آیین نامه های رایج ایمنی جانی است یعنی در زلزله های کوچک و
متوسط، آسیب محدود ودر زلزله های بزرگ ، جلوگیری از فروریزش مد نظر است . ولی میزان قابل
اعتماد بودن طراحی ،برای رسیدن به آن اهداف مشخص نیست وپیش بینی می کند که طراحـی لـرزه
ای در آینده باید مبتنی بر معیارهای عملکردی مشخص باشد، که سطوح خطـر مختلـف را نیـز در بـر
گیرد که البته این امر بستگی مستقیم دارد به تعریف دقیق از اهداف عملکـرد ، روش یکسـان در مـدل
کردن حرکات زمین، ارزیابی دقیق ظرفیت اعضاء، تعیین دقیق معیارهای عملکرد وارتباط دادن آنها بـه
پارامترهای پاسخ مانند : تنش،کرنش،جابجایی وشتاب.
در تحقیقــی دیگــر [12] کــه G.H.Brameld ,D.P.Thambiratnam,M.N.Bugeja بــر
روی اثر خروج از مرکزیت سختی ومقاومت بر پاسخ غیرخطی ساختمانهای نامتقارن انجام داده اند بـا
ارائه یک مدل تحلیلی که پارامترهای کلیدی و ویژگیهای دینامیکی سازه های واقعی را منظور می کند
10
به این نتیجه رسیده اند که خروج از مرکزیت مقاومت بیشـتر از خـروج از مرکزیـت سـختی بـرروی
پاسخ غیرخطی ساختمان نامتقارن اثر می گذارد.
[13]A.S.Moghadam. نیــز بــا مطالعــه بــر روی یــک ســاختمان بتنــی هفــت طبقــه
نامتقارنTso.k.w به این نتیجه رسیده اند که در ساختمانهای نامتقارن که اثر پیچش در آنها مهم اسـت
بجای استفاده از آنالیز پوش آور سه بعدی می توان ابتدا با استفاده از تحلیل دینامیکی خطی سه بعدی
،چندین تغییرمکان هدف که هر کدام مربوط به یکی از قابهای بـاربر جـانبی اسـت را تعیـین کـرده و
سپس برای هر کدام از این قابها به تنهایی تحلیل پوش آور دوبعـدی انجـام داد. دقـت ایـن روش در
تخمین پاسخهای لرزه ای ساختمان بسیار بالاست وحتی درسمت سخت ساختمان دقـت بیشـتری را
نسبت به آنالیز پوش آور سه بعدی دارا می باشد.
بطورکلی مفاهیم طراحی براساس عملکرد در دستورالعملهای FEMA-356 وA TC-40معرفـی
شده اند این اسناد ومدارک بهترین جزئیات تجربی را جهت شناخت ومقاوم سازی سـاختمانها در بـر
دارند.
(3-1 اصول وپایه های نظری پژوهش
برای سالیان متمادی روش استاتیکی جهت تحلیل وطراحی سازه های متداول مورد اسـتفاده قـرار
گرفته است. در این روش نیروی جانبی ناشی از حرکت پایه که معمولا به عنوان نیروی جانبی زلزلـه
شناخته می شود به صورت ضریبی از وزن سازه معرفی مـی گـردد. در روش تحلیـل خطـی حـداکثر
نیروی محتمل زلزله با توجه به نوع زمین وخطر نسـبی زلزلـه در منطقـه مـورد نظـر توسـط ضـریب
رفتار((R کاهش داده شده و فرض می گردد که سازه نیروی مورد نظر را با رفتار خطی خـود تحمـل
خواهد کرد.
مقدار ضریب رفتار که تابع پارامترهایی چون شکل پـذیری سازه،اضـافه مقاومـت سـازه ودرجـه
نامعینی سازه است ،برای کلیه سازه ها با سیستم سازه ای یکسان ،مقداری ثابـت در نظـر گرفتـه مـی
شود. اما تحقیقات نشان می دهد مقدار ضریب رفتار برای سازه هایی با سیستم سـازه ای یکسـان امـا
متفاوت در پیکر بندی وارتفاع ،متفاوت می باشـد. عـلاوه بروجـود پـارامتر سـوال برانگیـز ضـریب
11
رفتار،روش خطی قادر به ارائه هیچ گونه اطلاعاتی در مورد رفتار سازه در حوزه غیـر ارتجـاعی نمـی
باشد.
ازمیان کلیه روشهای موجود برای تحلیل سازه هـا ،روش تحلیـل غیرخطـی دینـامیکی بـه عنـوان
بهترین ودقیق ترین روش شناخته شده است. پیچیدگی های خاص این روش که مستلزم صرف زمان
وهزینه های قابل توجهی بوده ونیاز به یک نرم افزار مناسب دارد تا بتوانـد رفتـار غیرخطـی را بطـور
صحیح نشان دهد ،استفاده از آنرا در عمل محدود ساخته است . به این ترتیب نیاز به یک روش ساده
و کارا با حداقل تلاش که قادر به توصیف رفتار سازه در ورای محـدوده خطـی نیـ ز باشـد منجـر بـه
تحقیق وبسط روش غیرخطی استاتیکی گردید.
به کمک تحلیل غیرخطی استاتیکی می توان اطلاعات مفیدی در مورد سازه از قبیـل مسـیر تغییـر
شکل سازه در ورای رفتارخطی، ترتیب وچگونگی تشکیل مفاصل در اعضاء ، اعضایی که در پایداری
نهایی سازه موثرند و… را بدست آورد .
فرض اصلی در تحلیل غیرخطی استاتیکی تغییر شکل سازه براثر یک یـا چنـد الگـوی بارگـذاری
افزایش یابنده است ،برای مثال این الگوی بارگذاری می تواند متناسب با مـد اول تغییـر شـکل سـازه
باشد.
اگرچه کاربرد روش تحلیل غیرخطی استاتیکی در سازه های منظم وکوتاه باعث می شود با صرف
زمان وتلاشهای محاسباتی اندک به نتایج قابل قبولی از رفتـار غیرخطـی اسـتاتیکی دسـت یافـت امـا
مطالعات نشان می دهد کاربرد این روش در سازه های بلند ونیز سازه های نامنظم ونامتقارن از لحاظ
پیچشی نیاز به بحث ومطالعات گسترده دارد. از این رو بحـث دامنـه اعتبـار نتـا یج تحلیـل غیرخطـی
استاتیکی سه بعدی در کانون توجه محققان قرار گرفته است.
زلزله های چند دهه اخیر وآسیب های جدی وارد شده به ساختمانها ،ناکارآمدی سـاختمانهایی را
که در دهه های 60 و70 میلادی طراحی واجرا شده اند مشخص ساخته است.
در آمریکا و اروپا چون قریب به یک قرن از یک ساختمان بهـره بـرداری مـی گردد،بحـث تـرمیم
وتقویت ساختمانهای موجود با رفتار نامناسب لرزه ای بسیار مورد توجه قرار گرفته اسـت ،اکثـر ایـن
12
ساختمانها بدون توجه به جزئیاتی که باعث شکل پذیری واستهلاک انـرژی در سـاختمان مـی شـوند
طراحی شده اند.
در هنگام ارائه روش بهسازی لرزه ای بـرای یـک سـاختمان تحـت مطالعـه ،مسـاله مهـم تعیـین
کارآمدی روش ارائه شده می باشد وبه این دلیل که روش غیرخطـی اسـتاتیکی دیـد مناسـبی ازرفتـار
سازه از ابتدای تغییر شکل تا رسیدن به یک حد معین از تغییرمکان ارائه می دهد وسیله بسیار مناسبی
است که موثر بـودن یـا ناکارآمـدی روش بهسـازی را معلـوم مـی سـازد . بـه ایـن ترتیـب در تمـام
دستورالعملها و راهنمایهایی که در سالهای پایانی دهه 90 میلادی جهت بهسـازی لـرزه ای و تقویـت
ساختمانها ارائه شدند،روش غیرخطی استاتیکی به عنوان یک روش مجزا وقابـل اعتمـاد ،در محـدوده
ای خاص وبا ملاحظات خاص شناخته شده است.
البته مدتی بعد این روش به آیین نامه های طراحی ساختمانهای جدید نیـز راه یافـت . زیـرا ایـن
روش علاوه برحذف پارامتر سوال برانگیز ” ضریب “R ، قادر اسـت مسـیر خرابـی ونحـوه تشـکیل
مفاصل پلاستیک در اعضاء مختلف را نیز معلوم سازد ، از این رو استفاده ا ز این روش طـراح را قـادر
می سازد تا با انجام اصلاحات لازم بهترین رفتار لرزه ای را در سازه بوجود آورد .
بطور کلی مسیر نگرش محققان ومهندسان در خلال این بحثها تغییر نگـرش از طراحـی براسـاس
نیرو به سمت طراحی براساس عملکرد می باشد . در روش طراحی براسـاس عملکـرد ، نکتـه بسـیار
مهم کنترل تغییرمکان کلی سازه وتغییر شکلهای اعضاء مـی باشـد. در هنگـام کـار بـا روش طراحـی
براساس عملکرد با مفاهیم جدیدی چون : ظرفیت، تقاضا، منحنی ظرفیـت، سـطوح عملکـرد اعضـاء
سازه ای ، سطوح عملکرد اعضاء غیر سازه ای و سطوح عملکرد ساختمان روبرو هستیم کـه اسـتفاده
مناسب از روش مذکور در گرو آشنایی وشناخت این مفاهیم می باشد.
از مهمترین منابع ومآخذی کـه در آنهـا پایـه مربـوط بـه طراحـی براسـاس عملکـرد ونیـز روش
غیرخطی استاتیکی ذکر شده است می توان به موارد زیر اشاره کرد:
(1گزارش شماره 40 کمیته فن آوری کاربردی (کالیفرنیا – آمریکا) [14]
این گزارش که بیشتر با نام ATC-40 از آن یاد می شود در سال 1996 در دو جلد منتشـر شـده
وتمرکز آن روی سازه های بتن مسلح قرار دارد ، دلیل تهیه این گزارش تعدد ساختمانهای بتن مسـلح
13
قدیمی در کالیفرنیا ست. که با توجه به لرزه خیز بودن منطقه مذکور، لـزوم تهیـه دسـتورالعملی بـرای
بهسازی آنها ارائه شده است. در فصول ابتدایی جلد اول ایـن دسـتورالعمل مفـاهیم ابتـدایی طراحـی
براساس عملکرد همچون سطوح عملکرد ساختمان و انواع حرکت زمین وسطوح مختلف زلزله طرح
و… شرح داده شده وسپس یک فصل به تشریح روش غیرخطی استاتیکی اختصـاص یافتـه اسـت. در
فصل های انتهایی نیز ملاحظات خاص در مورد نحوه مدلسـازی وتعریـف مشخصـات اعضـاء ونیـز
حدود مجاز انواع پاسخ های سازه ای ماننـد تغییرمکانهـای جـانبی سـازه وچرخشـها وتغییرشـکلهای
اعضاء آورده شده است. جلد دوم نیز به ارائه چند مثال واقعی از بهسازی ساختمان موجـود پرداختـه
است.
(2گزارش شماره 273 آژانس فدرال مدیریت اضطراری (واشنگتن – آمریکا) [9]
این راهنما که بیشتر با نامFEMA – 273 شناخته می شود در سال 1997 منتشر شده وبـر مبنـای
طراحی براساس عملکـرد قـرار دارد . امـا بـرخلاف ATC – 40 کـه بـه سـاختمانهای بـتن مسـلح
اختصاص داشت. در برگیرنده کلیه ساختمانها با اسکلت فولادی ، بتن مسلح، چوبی یا ساخته شده بـا
مصالح بنایی است. با توجه به گسترده شدن این راهنما به کلیه سـاختمانها ،در فصـلهای مختلـف آن
الزامات ونکات مرتبط با هرگونه تفصیل شرح داده شده است.
تفاوت بسیار مهم روش غیرخطی ذکرشده در این راهنما با روش مندرج درATC -40، روالهـای
ذکر شده برای رسیدن به “نقطه عملکرد” مـی باشـد. ایـن روش در ATC-40 بـه کمـک نمودارهـا
وروندی گرافیکی انجام می شود وممکن است برای رسیدن به جواب نهایی تکـرار عملیـات در چنـد
مرحله لازم باشد، اما روش که درFEMA -273برای رسیدن به نقطه عملکرد ارائه شده است ، روشی
عددی است که با اعمال یک سری ضرایب روی تغییرمکان طیفی ، مقدار” تغییرمکـان ” بـه صـورت
مستقیم معلوم می گردد.
به همراه این گزارش ، گزارش دیگـری بـه نـام [15] FEMA-274 نیـز منتشـر گردیـد کـه در
حقیقت تفسیر گزارش FEMA-273 می باشد و در مواردی علاوه برتفسیر به تشریح مبـانی مربـوط
به طراحی براساس عملکرد و روش غیرخطی استاتیکی پرداخته است.
(3گزارش شماره 356 آژانس فدرال مدیریت اضطراری (واشنگتن – آمریکا)[16]
14
این گزارش که در واقع نسخه تکمیل شده وحاوی آخرین دستاوردهای بحـث طراحـی براسـاس
عملکرد میباشد در کلیات مشابهFEMA – 273 می باشد وهمچنین مشابه سایر مراجع منتشـر شـده
می باشد ابتدا به صورت پیش استاندارد ونسخه پیشنهادی در اختیار جامعه مهندسی قرار گرفته اسـت
وپس از طی روال معمول با انجام اصلاحات لازم به صورت متن نهایی منتشر شد.
این گزارش به نامFEMA -356 شناخته می شود ودر نوامبر سـال 2000 مـیلادی منتشـر یافتـه
است .
(4دستورالعمل بهسازی لرزه ای ساختمانهای موجود[22]
این دستورالعمل به طور کلی ترجمه واقتباسFEMA -356 می باشد که درمـواردی بنـدهایی از
آیین نامه بتن ایران ، مبحث 10 مقررات ملی ساختمان ایران ونیز آیین نامه 2800 اشاره کـرده اسـت .
با توجه به اهمیت مقاوم سازی وبهسازی ساختمانها در نقاط زلزله خیز ایر ان، این دستورالعمل جهـت
استفاده مهندسان انتشار یافته است ودر حقیقت اولین گام برای آشنا کردن جامعه مهندسی و طراحـان
سازه با مفاهیم طراحی براساس عملکرد به شمار می رود.
تلاشهایی که در سالهای ابتدایی دهه 90 میلادی جهت بسط وتوسعه استفاده از تحلیـل غیرخطـی
استاتیکی انجام شد، منجر گردید در سالهای پایانی همـین دهـه آیـین نامـه هـا وراهنمایهـایی جهـت
استفاده از این روش منتشر گردد. پس از انتشار راهنمای ATC-40 در سال 1996 با تمرکز بـر سـازه های بتن مسـلح و نیـز دسـتورالعملFEMA – 273 در سـال 1997 و در نهایـت FEMA-356 در
سال 2000 با درنظر گرفتن کلیه سیستم های سـازه ای بـا مصـالح مختلـف توجـه بخـش زیـادی از
محققان به روش تحلیل غیرخطی استاتیکی معطوف شد وتـلاش هـای بسـیاری جهـت تعیـین دامنـه
اعتبار وصحت نتایج حاصل از تحلیل غیرخطی استاتیکی انجام گردید که تاکنون نیز ادامه دارد .
( 4-1 تحقیقات انجام شده
اکثر روشهایی که در ابتدا برای تحلیل غیرخطی استاتیکی ارائه گردید محدود به سازه های صفحه
ای دوبعدی بو ده وبدیهی است چنین امری تنها برای سازه های متقارن قابـل قبـول مـی باشـد.امـا در
سالهای اخیر تلاشهای زیادی صورت گرفته تا این روش به سازه های نامتقارن که نیازمند تحلیل سـه
15
بعدی هستند نیز تعمیم داده شود. برای مثال می توان بـه مطالعـات فـائلا وکـیلار [6] در سـال 1998
اشا ره کرد که با استفاده از آنالیز پوش آور معمولی با الگوی بارگذاری مثلثی بـه بررسـی رفتـار سـازه
های نامتقارن پرداختند. در این روش برای در نظر گرفتن تاثیر پیچش،بارگذاری براساس تغییـر محـل
اثــر آن در چهــار نقطــه از ســازه ، بــه ترتیــب بــا وارد شــدن بــه مرکــز جــرم ســازه (CM)،
(CM+0.05L)،((CM-0.05L ، (CM+0.15L) صورت می گرفت (در این روابط L نشـانگر بعـد
سازه در جهت عمود بر بار جانبی می باشد). این تحقیق بر روی یک سازه بتن آرمه که از نظـر پـلان
متقارن بوده ولی با استفاده از این بارگذاری رفتار سازه بصورت نامتقارن مدلسـازی شـده بـود انجـام
گرفت . آنها با استفاده از این روش ومقایسه نتایج تحلیل غیرخطی دینامیکی نتیجه خوبی را در حالت
تغییرمحل اثر نیروی جانبی برای سازه بدست آوردند.
همچنین می توان به مطالعات مقدم و تسو [7] روی تحلیل سه بعدی اشـاره کـرد کـه آنهـا یـک
روش اصلاح شده برای در نظر گرفتن تاثیرات پیچش در سازه های نامتقارن پیشنهاد کردنـد. در ایـن
روش تغییرمکان هدف از آنالیز الاستیک سازه حاصل می شود و برا ی المانهای مقاوم در برابـر زلزلـه
تغییرمکانهای مختلفی بدست می آید که به این طریق تعداد زیادی تغییرمکان هدف برای سازه حاصل
میشود ،در ادامه برای آنالیز پوش آور ،از بارگذاری براساس نیروهای حاصل از آنالیز طیفـی الاسـتیک
استفاده شد که با این نوع بارگذاری در واقع تا ثیر مدهای بالاتر نیز تا حد زیـادی لحـاظ مـی شـود و
برای تحلیل سه بعدی سازه ،آنرا به قابهای مجزا از هم تقسیم کرده و آنها را تحت بارگذاری الاستیک
طیفی بصورت دوبعدی مورد تحلیل قرار می دادند بطوریکه این آنالیز را تا زمانیکـه المانهـا بـه تغییـر
مکان هدف برسند یا تا زمانی که با این روش سه سازه بتنی با مشخصات قاب خمشی ،سازه با دیوار
برشی بطور متقارن در پلان قرار داشتند وهمچنین سیستم سازه ای با المانهای مقـاوم خمشـی توزیـع
شده در پیرامون سازه را مورد بررسی قرار دادند و با استفاده از ایـن روش نتـایج خـوبی را در مـورد
سازه با سیستم قاب خمشی بدست آوردند.
درسال 2003 منوئل لوپزو و روی پینهو [8] در روشی که در پیش گرفته بودند یک ساختمان بتن
آرمه را به صورت سه بعدی مدل کرده و تحت آنالیز پوش آور سه بعدی با دو نوع بارگـذاری مثلثـی
وثابت قرار دادند که در این تحقیق برای مدلسازی دقیق رفتار غیرخطی اعضاء بتنـی از مدلسـازی بـه
16
روش المانهای فیبری استفاده کردند که با این نوع مدلسازی رفتـار غیرخطـی بـتن در کـل المـان بـه
صورت گسترده وغیر متمرکز در نظر گرفته می شود.
البته لازم به یادآوری است که انتخاب یک نرم افزار مناسب که بتواند قادر به انجام تحلیـل هـای
غیرخطی سه بعدی باشد نیز یک مساله مهمی است . زیرا در مورد سازه هـای بـتن آرمـه کـه شـامل
مواردی مانند بتن و فولاد می باشند تحلیلهای سه بعدی غیرخطی کار دشواری است کـه ایـن مسـاله
توسط منوئل لوپزو و روی پینهو در سال 2003 حل شد . این افراد در یک پایان نامه دکتری در رشـته
زلزله با استفاده از مدلهای فیبری گسترده در طول المانها و در مقاطع المانهـا توانسـتند ایـن مسـاله را
حل کنند بطوریکه یک ساختمان بتن آرمه را که مقاطع آن شامل مواردی مانند بتن وفولاد اسـت را بـا
استفاده از این مدل تحلیل پوش آور، سه بعدی کردند.
در زلزله های گذشته آسیب پذیری بیشترساختمانهای نامتقـارن نسـبت بـه سـاختمانهای متقـارن
مشهود بود و براساس آن ضوابط طراحی لرزه ای ویژه ای بـرای سـاختمانهای نامتقـارن وضـع شـده
است. هازنر وآتینن [3] در سال 1958 نشان دادند که نتایج حاصل از آنالیز استاتیکی که در آن خروج
از مرکزیت نیروی برش طراحی برابـر بـا فاصـله مرکـز سـختی از مرکـز جـرم ( خـروج از مرکزیـت
استاتیکی) در نظر گرفته می شود عملا در حاشیه اطمینان نبوده وتاثیر ممـان اینرسـی جرمـی طبقـه و
رفتار دینامیکی پیچشی سبب بوجود آمدن لنگرهای پیچشی بزرگتری نسبت به لنگر پیچشی استاتیکی
می گردد. در سالهای 1960 و پس از آن محققین با تعریف مفهوم خروج از مرکزیت دینـامیکی سـعی
کردند تا با استفاده از نتایج آنالیز دینامیکی وکالیبره کردن نتایج آن با نتایج آنالیز اسـتاتیکی خـروج از
مرکزیت طراحی را با تشدید خروج از مرکزیت استاتیکی تعریف نمایند [4]، این امر منجر به معرفـی
روابط متداول خروج از مرکزیت طراحی گشت. اکثر ساختمانها به شکلی طراحـی مـی شـوند کـه در
زلزله وارده محدوده غیرخطی شده والمانهای آنها جاری شوند . رفتار غیرخطی سازه های نامتقارن از
سالهای 1970 مورد توجه قرارگرفت . در اکثر مطالعات انجام شده بر روی رفتـار غیرخطـی ،پـارامتر
شکل پذیری به عنوان معیار خسارت و رفتار غیرخطی سازه در نظر گرفته شده است . اشـکال بـزرگ
این پارامتر این است که قادر به ملحـوظ نمـودن اثـرات زوال مقاومـت وکـاهش سـطح حلقـه هـای
هیسترزیس نمی باشد. در این مطالعات معمولا رفتار المانها بصورت دو خطی با سخت شـدگی پـس
17
از جاری شدن و یا الاستو پلاستیک در نظر گرفته شده است. البته برخی مطالعات دقیق تر با اسـتفاده
از مدلهای هیسترزیس با در نظر گرفتن اثرات کاهش سختی ،زوال مقاومت وکاهش سطح حلقه هـای
هیسترزیس نشان داده است که شکل پذیری محاسبه شده بوسیله این مدلها تفاوت چندانی با مـدلهای
دو خطی ندارند. [4] مطالعه رفتار غیرخطی سازه های نامتقارن نشان داده که برخلاف نتایج مطالعـات
در محدوده خطی ،پارامتر نسبت زمان تناوب مود انتقالی به مود دورانی تاثیر کمتـری در تغییـر میـزان
شکل پذیری نیاز المانها ی مقاوم جانبی دارند. در مقابل نشان داده شده که میزان خـروج از مرکزیـت
مرکز سختی نسبت به مرکز جرم تاثیر قابل توجه در شدت تقاضای شکل پـذیری داشـته ونیـز نحـوه
توزیع مقاومت تاثیر قابل توجه در کنترل شکل پذیری نیازحداکثر در اعضاء باربر جانبی دارد. بنابراین
نتیجه گرفته شد که خروج از مرکزیتهای مرکز سختی ومرکز مقاومت از پارامترهـای ی هسـتند کـه مـی
بایست در حین طراحی سازه های نامتقارن مورد توجه قرار گیرند..[4]
سو ویینگ [5] پیشنهاد کردند که برای کاهش شکل پذیری تقاضا در سمت نرم در ساختمانهای با
توزیع نامتقارن سختی بهتر است تا مرکز مقاومت تا حد امکان به مرکز جرم نزدیـک گـردد. همچنـین
آنها خروج از مرکزیت مقاومت را پارامتری کم اثر در سیستمهای بـا توزیـع نامتقـارن جـرم تشـخص
دادند. در مقابل میتال و جین[ 6] با تعریف خروج از مرکزیت مقاومت موثرسعی کردنـد تـا آن را بـه
عنوان پارامتری موثربرای هر دو سیستم نامتقارن جرم وسختی تعریف کنند.
دی استفانو وهمکاران درسال [7] 1993 به بررسی محل بهینه مرکزمقاومـت بـرای کنتـرل شـکل
پذیری تقاضا در مدلهای یک طبقه با المانهای مقاوم جانبی در هر دو جهت اصلی سازه پرداختند. آنها
مطالعات خود را با این فرض اصلی انجام دادند که سختی المانها مستقل از مقاومت می باشد ونتیجـه
گرفتند که مناسبترین محل مرکز مقاومت بین مرکز سختی و مرکز جرم و در فاصله مساوی بـین آنهـا
می باشد.
چندلر و دوان نیز در سال [ 9-8]1997 به بررسی محل بهینه مرکـز مقاومـت پرداختنـد و نتیجـه
گرفتند که محل بهینه مرکز مقاومت به خروج از مرکزیت سختی ، شعاع ژ یراسـیون سـختی ، ضـریب
رفتار(متناسب با ظرفیت شکل پذیری) ساختمان و زمان تناوب سازه در جهت اعمـال زلزلـه بسـتگی
دارد.
18
پالی در سالهای 1996 و[11-10] 1997 به بررسی رفتار پیچشی ساختمانهای یـک طبقـه در حـد
نهایی با استفاده از بررسی مکانیسم های پلاستیک پرداخت . او با توجه به شرایط المانهـای مقـاوم در
جهت عمود بر تاثیر زلزله ، سازه های نامتقارن را به دو دسـته سـازه هـای مهـار شـده ومهـار نشـده
پیچشی تقسیم کرد. از نظر این محقق سازه هایی که در حد نهـایی ، المانهـای مقـاوم جـانبی آنهـا در
جهت عمود بر تاثیر زلزله ، سختی پ یچشی برای سازه تامین نمایند مهار شده پیچشی می باشـند. ایـن
محقق ضوابط پیچشی آیین نامه های لرزه ای که بر مبنای روشهای استاتیکی می باشـند را نامناسـب
دانسته و روشهای دیگر برای توزیع مقاومت در بین عناصر باربر جانبی پیشنهاد نموده است. در ادامـه
ایشان به بررسی رفتار سازه های نامتقارن تحت اثر مولفه مایل زلزله پرداخته ونتیجه گرفته اسـت کـه
در این حالت میزان تقاضای شکل پذیری المانها کمتر از حـالتی اسـت کـه زلزلـه در جهـات اصـلی
ساختمان تاثیر نماید اما در این حالت ممکن است ساختمان دچار دورانهای بزرگتر گـردد . او پیشـنهاد
کرد که بهتر است در طراحی سازه های نامتقارن با تعبیه المانهایی که در حد نهایی الاستیک باقی مـی
مانند میزان تغییر شکلهای پیچشی سازه را محدود کرد.
تا سال 1998 تقریبا تمامی مطالعات انجام شده برروی سازه های نامتقارن بر ایـن فـرض اسـتوار
بود که سختی المانهای سازه ای مستقل از مقاومت آنها می باشد و درنتیجه در خـلال طراحـی محـل
مرکز سختی ومیزان خروج از مرکزیت سختی ثابت می باشد. اما مطالعاتی در سالهای 1998 تـا 2000
انجام شد نشان داد که در بسیاری از المانهای سازه ای کـه امـروزه در سـاختمانها بکـار مـی رونـداز
جمله المانهای بتن مسلح این فرض صحیح نمی باشد،براین اساس پالی در ادامـه مطالعـات خـود بـه
بررسی رفتار پیچشی سازه های مهار شده ومهار نشده نامتقارنی که دارای این نوع المانهـا مـی باشـند
پرداخت. او نتیجه گرفت که دراین سازه ها بحرانـی تـرین المـان، دورتـرین المـان بـاکمترین میـزان
تغییرمکان حد جاری شدن میباشد ومهمترین عامل کـه رفتـار پیچشـی سـازه را کنتـرل مـی نمایـد
خروج از مرکزیت مقاومت می باشد که می بایست با بررسی و تشخیص مکانیسـم مناسـب پیچشـی
مقدار آن تغیین گردد. اکر چه کاهش ویا حذف خ روج از مرکزیت مقاومت لزوما سـبب بهبـود رفتـار
پیچشی سازه نمی گردد.همچنین پالی استراتژی توزیع مقاومت آیین نامه ها را مناسب تشخیص نداد
19
وپیشنهاد نمود تا به جای آن از توزیع مقاومت دلخواه با توجـه بـه شـرایط سـاختمان در حـد نهـایی
استفاده شود.
مایسلیماج و سو در سال [16] 2002 به بررسی آرایشهای متفاوت مراکز سختی ، مقاومت وجـرم
با مدلهای یک طبقه پرداختند . آنها چنین استدلال کردند که زمانیکه سازه در مرحله خطی رفتـار مـی
کند رفتارسازه بستگی به موقعیت مرکز سختی دارد اما زمانیکه یکی ازالمانهای مقـاوم جـانبی جـاری
می شود با جابجایی محل برآیند نیروهای مقاوم جانبی از مرکـز سـختی بـه سـمت مرکـز مقاومـت،
اهمیت مرکز مقاومت در پاسخ سازه افزایش می یابد . بنابراین هـر دوی مراکـز مقاومـت وسـختی در
پاسخ سازه در مقابل زلزله از اهمیت برخوردار بوده و می بایست در طراحی مورد توجه قرار گیرنـد .
آنها نتیجه گرفتند که بهترین پیکربندی ، آن است که مراکز سختی ومقاومـت در دو مرکـز جـرم قـرار
گیرند ، آنها این آرایش را آرایش بالانس نامیدند . مطابق با بررسیهای انجام شده توسـط ایـن محققـین
آرایش بالانس تغییرمکان نسبی و دوران سازه را کاهش داده بود امـا میـزان شـکل پـذیری نیـاز را در
سمت سخت افزایش داده بود. آنها همچنین موقعیت مراکز سختی ومقاومت و ارتباط آنها با یکـدیگر
را مورد بررسی قرار داده ونتیجه گرفتند که فاصـله مرکـز سـختی ومقاومـت در یـک سـ ازه بـا تغییـر
مقاومت اعضاء بدون تغییر ابعاد آنها ثابت بوده و برابر با فاصله مرکز تغییر مکان حد جاری شـدن تـا
مرکز جرم می باشد.
سیامال وپیکائو در سال [17] 1985 به بررسی دو المان در دو جهت اصلی ساختمان تحـت تـاثیر
تحریکات سینوسی پرداختند . آنها نیز نتیجه گرفتند که خروج از مرکزیت سختی تاثیر قابل توجه بـر
تقاضای شـکل پـذیری المانهـای بـاربر جـانبی دارد . در مطالعـه ای دیگـر در سـال 1990 گوئـل و
چوپرا[18] به بررسی رفتار مدلهای نامتقارن با المانهای مقاوم در هر دو جهت اصلی پرداختند . آنهـا
نتیجه گرفتند که المانهای عمود بر جهت زمین لرزه تاثیر بسـزائی در کـاهش حـداکثر شـکل پـذیری
تقاضا وتغییرمکان حداکثر دارند و نیز آنکه تاثیر این المانها در مدلهای با زمان تناوب کوتـاه بیشـتر از
مدلهای با زمان تناوب متوسط وبزرگ است.
20
(5-1 ضرورت واهداف تحقیق
با توجه به اهمیت بررسی عملکرد لرزه ای ساختمانها بـه هنگـام وقـوع زلزلـه وتـاثیر خـروج از
مرکزیت سختی در رفتار سازه ها وهمچنین دشوار بودن آنالیز های غیرخطی والزامی بودن مدلسـازی
سه بعدی برای درک بهتر رفتـار سـاختمانهای نامتقـارن در ناحیـه غیرخطـی باعـث شـده اسـت کـه
تحقیقات کمی در این زمینه صورت گیرد . بیشتر مطالعات انجام شده در ایـن زمینـه نیـز محـدود بـه
ساختمانهای یک یا دو طبقه و با تعداد دهانه های کم می باشند. از این رو در این تحقیق سـعی شـده
است عملکرد لرزه ای ساختمانهای فولادی متقارن ونامتقارن چند طبقه به صـورت سـه بعـدی مـدل
گردیده و تاثیر خروج از مرکزیت در عملکرد لرزه ای آنها مورد بررسی قرار گیرد.
(6-1 روش تحقیق
در این تحقیق ساختمانهای فولادی سه ، پنج ، هشت طبقه بـا پـلان متقـارن وکـاربری مسـکونی
دارای سیستم مهاربندی واگرا براساس ضوابط استاندارد 2800 ویرایش سـوم تحلیـل وطراحـی شـده
وکلیه ضوابط ذکر شده در این استاندارد وپیوست های آن در مورد این سـاختمان ها کنتـرل مـی گـردد
سپس با جابجایی محل بادبندها در یک جهت ، ساختمانهای نامتقارنی بوجود می آیـد کـه همـه آنهـا
مجددا براساس این استاندارد (2800) تحلیل وطراحی می گردند.
برای تحلیل وطراحی سازه ها از نـرم افـزارSAP 2000 اسـتفاده شـده اسـت . بارگـذاری ثقلـی
ساختمانها براساس آیین نامه بارگذاری (استاندارد (519 ، بارگذاری جانبی براسـاس اسـتاندارد 2800
وطراحی ساختمانها براساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمانی ایران (طراحی ساختمانهای فولادی)
انجام گرفته است.
برای تعیین سطح عملکرد لرزه ای از روشهای تحلیل اسـتاتیکی غیرخطـی ( پـوش آور) وتحلیـل
دینامیکی غیرخطی استفاده شده است . در روش اسـتاتیکی غیرخطـی از دو نـوع الگـوی بـار جـانبی
مطابق با ضوابط » دستورالعمل بهسازی لـرزه ای سـاختمانهای موجـود [20] « و در روش دینـامیکی
غیرخطی نیز از سه شتابنگاشت ثبت شده بر روی خاک نوع دو استفاده شده است. این شتابنگاشت ها
21
مطابق با ضوابط استاندارد 2800 ویرایش سوم و با استفاده از طیف طرح ارائه شده در آن مقیاس شده
اند.
دو نوع الگوی بارهای جانبی اعمال شده به ساختمانها در روش استاتیکی غیرخطی شامل الگـوی
یکنواخت متناسب با جرم و دیگری الگوی متناسب با بار جانبی در روش استاتیکی خطی مـی باشـد
درFEMA -356 و دستورالعمل بهسازی تابعی از سطوح عملکردی و سطوح خطر زلزلـه اسـت. بـا
توجه به اینکه سازه های مورد بررسی را برای سطح عملکردی k ارزیابی می کنیم ، بنـابراین منحنـی
طیف پاسخ باید برای سـطح خطـر- 1 در FEMA-356 ، (BSE 1) و در اسـتاندارد 2800 ایـران ،
زلزله طرح (DBE) نامیده می شود.
(7-1 مزایای استفاده از تحلیل غیرخطی استاتیکی
با توجه به مطالبی که بیشتر به آنها اشاره شد می توان از روش غیرخطی استاتیکی و انجام تحلیل
بار افزون برای رسیدن به دید مناسبی از رفتار واقعی سـازه اسـتفاده کـرد. روش غیرخطـی اسـتاتیکی
نسبت به روش خطی استاتیکی که در سالهای اخیر بیشتر مورد استفاده قرار گرفته است دارای مزیـت
های قابل توجهی است . البته در کنار این مزیت ها به دلیل ماهیت و فـرض هـ ای اصـلی آن ، روش
مذکور دارای محدودیتهایی در برآورد رفتار لرزه ای برخی سازه ها می باشد.
مهمترین مزیت های روش تحلیل غیرخطی استاتیکی عبارتند از:
الف ) در روش خطی استاتیکی طراحی براساس نیرو انجـام مـی گیـرد ، امـا در روش غیرخطـی
استاتیکی طراحی را بر مبنای عملکرد سازه وجابجایی وتغییرشکلها انجام می دهند.
ب )در روش خطی استاتیکی از پارامتر ضریب رفتار((R برای کاهش نیروهای واقعـی ناشـی از
زلزله و اعمال آنها بر سازه استفاده می شود، اما اگر دو ساختمان کاملا متفاوت و با سیسـتم سـازه ای
یکسان تحت مطالعه دقیق قرار گیرند معلوم خواهد شد به خاطر عملکردهای متفاوت سازه ای ناشـی
از مسائلی چون پیکربندی ، ارتفاع سازه ، توزیع نیرو و… سـاختمانها دارای سـطو ح خرابـی متفـاوتی
خواهند بود که این نقض فلسفه طراحی براساس ریسک یکنواخت در ساختمانها با سیسـتم سـازه ای
22
یکسان است ، در روش غیرخطی استاتیکی از پارامتر ضریب رفتار استفاده نشده و با اعمال نیروهـای
جانبی ، ساختمان تا رسیدن به یکی از حالتهای حدی تحلیل می شود.
پ ) انجام تحلیل بار افزون در روش غیرخطی استاتیکی باعث می شود طراح بـا رفتـار سـازه در
ورای حد ارتجاعی آشنا شده و با اصلاح رفتار سازه باعث بهبود رفتـار لـرزه ای سـازه هنگـام پاسـخ
های غیرخطی گردد.
ت ) به کمک قابلیتهای نرم افزارهای جدیدی در خلال تحلیـل بـارافزون ترتیـب و محـل ایجـاد
مفصل در اعضای مختلف معلوم می شود و با ایجا د تغییرات مناسب می توان نوع مکانیسم خرابـی را
تغییر داد. همچنین میتوان جزئیاتی را در اعضای بحرانی اعمال کرد تا شکل پذیری سازه تامین شود.
ث ) در پروژه های عملی بهسازی و تقویـت سـاختمانهای موجـود بـا انجـام تحلیـل غیرخطـی
استاتیکی می توان به کارآیی روش ارائه شده بـرای بهسـازی پـی بـرد و در صـورت لـزوم تغییـرات
مناسب را اعمال کرد.
با توجه به دستورالعملهای منتشر شده و تعریف سطوح مختلف عملکرد می توان با ترکیـب آنهـا
یک هدف طراحی را تعیین کرد ، در این میان می توان با نظر کارفرمـا سـطح عملکـرد بـالاتری را کـه
منجر به کاهش خسارات خواهد شد انتخاب کـرد . ایـن روال تنـوع بیشـتری را در طراحـی بوجـود
خواهد آورد و ممکن است در مواردی به اقتصادی شدن طرحها منجر شود.
23
فصل دوم
مروری بر ادبیات موضوع
(1-2 مقدمه
عملکرد ساختمانها در مقابل زلزله برای سازه هایی که براساس آیین نامـه هـای متـداول طراحـی
شده اند فقط در بعضی موارد توجیه اقتصادی دارند و در بعضی موارد دیگر که از لحـاظ اقتصـادی و
یا نوع کارآیی مانند بیمارستان ها ، ایستگاههای آتش نشانی ، اورژانس ، مـوزه هـا و… دارای اهمیـت
بالایی هستند توجیه اقتصادی نداشته و ضرر و زیان و هزینه های بالایی را به اقتصـاد کشـور تحمیـل
می کند.
علت چنین رفتاری از سازه ها در مقابل زلزله را می توان در نحوه و روش طراحی آیین نامه های
متداول جستجو کرد. درطراحی با آیین نامه های متداول انتظـارمی ر ود کـه سـاختمانها در برابرزلزلـه
های خفیف و متوسط آسیب جزیی ببینند و در برابر زلزله های قوی در آستانه فروریزش قرار گیرند.
می بینیم که این آیین نامه ها حفظ جان ساکنین را مد نظر قرار می دهند و فاقـد مکـانیزم لازم جهـت
کنترل ساختمانها در سطوح عملکرد دیگر می باشند . از اینرو نیاز به مهندسی زلزله براساس عملکـرد
(PBEE)، ( که مخفـفPerformance Based Earthquake Engineering مـی باشـد) ویـا روش
طراحی براساس عملکرد به خوبی احساس می شود.
عملکرد صحیح لرزه ای یک سازه مستلزم آن است که مقاومت موجـود وظرفیـت تغییـر شـکل
اعضاء بیشتر از نیروهای وارد شده به سازه براثر زمین لرزه باشد. با توجه به رفتار سازه در زمان وقـوع
زمین لرزه، ارزیابی عملکرد دقیق سازه باید با استفاده از تحلیل تاریخچه زمانی غیر خطی وبا انتخـاب
زمین لرزه های مناسب صورت بگیرد. چرا که در اکثر موارد، در زمان وقوع زلزله رفتار اعضـاء سـازه
وارد محیط غیر خطی می شود وجابجایی نسبت به نیروها توصیف بهتری از پاسخ سازه ارائه می دهد
بنابراین کنترل تغییر مکان سازه نتیحه بهتری را نسبت به کنترل نیرو می دهد.
بر اساس مطالعات انجام شده بر روی زمین لرزه های همچون زمین لـرزه نـور تـریچ آمریکـا در
سال 1994 و زمین لرزه کوبه ژاپن در سال 1995 وزلزله های دیگر، مشاهده شد سـازه هـایی کـه بـا
آیین نامه های متداول طراحی شده اند از لحاظ تامین امنیت وسلامت جانی ساکنین عملکـرد خـوبی
دارند ولی میزان خسارت وآسیب وارده بر سازه ها ، مخصوصا برای سـازه هـایی کـه از لحـاظ نـوع
25
کارایی مهم بودند به طور قابل ملاحظه ای بالا بوده است بنابراین تنها در نظر گـرفتن سـطح عملکـرد
مصونیت جانی و بررسی رفتار سازه در محدوده خطی برای طرح لرزه ای در نـواحی فعـال لـرزه ای
کافی نمی باشد. در آیین نامه های موجود حداقل معیار لازم حفظ جـان سـاکنین سـاختمان در زمـان
وقوع زلزله می باشد . در واقع در این آیین نامه ها رفتار واقعی سازه در مرحله غیر خطـی وهمچنـین
کنترل ساختمان ها بر اساس عملکرد ( سطوح عملکرد بالاتر وزلزله های بزرگتری که رفتـار سـازه در
آن خطی نیست) اعمال نشده است. یکی از روشها برای جبران این نقیصه روش تحلیل استاتیکی غیر
خطی می باشد. بررسی رفتار سازه در محدوده غیر خطی وتغییـر نگـرش از طراحـی براسـاس نیروبـه
سمت طراحی برمبنای رفتار وعملکرد سازه ، روش جدیدی در زمینـه طراحـی اسـت کـه اصـطلاحا
طراحی بر اساس عملکرد نامیده می شود.طراحی براساس عملکرد بر مبنای طراحی در حالات حدی
می باشد. برای دستیابی به ظرفیت سازه در آن سوی محدوده الاسـتیک احتیـاج بـه اسـتفاده از تحلیـل
استاتیکی غیر خطی می باشد.
(2-2 تعریف اهداف عملکردی
هدف عملکردی سازه همواره تابع شدت حرکات زمین وسطح عملکرد سازه می باشد.درطراحـی
سازه ها پارامتر های اقتصادی شامل هزینه های مربوط به تعمیر و بازسـازی خسـارات وارد آمـده در
ساختمان براثر زلزله ، ضررهای ناشی از قطع مبادلات تجاری پس از زلزلـه و یـا اهمیـت تـاریخی ،
فرهنگی و اجتماعی بالای ساختمان مانند موزه ها ، مکانهای تاریخی و غیره و همچنین اهمیت جانی
ساختمانها بعد از زلزله مانند بیمارستانها ، مراکز آتش نشانی و مخابرات و غیره موثر هستند.

این نوشته در مقالات ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *