عمران فایل

نحوه محاسبه ضریب زلزله شهرهای ایران طبق ضوابط آیین نامه ای

محاسبه نیروی زلزله یکی از مهم ترین مهارت های مهندسین عمران می باشد که آیین نامه هایی مانند استاندارد ۲۸۰۰ و ASCE آمریکا با کمک روش های آماری یکسری ضرایب برای هر منطقه ارائه داده اند که با این ضرایب توانایی محاسبه ضریب زلزله را خواهیم داشت اما کاربرد ضریب زلزله چیست؟ این ضریب به چه عواملی وابسته است؟

در این مقاله ضمن معرفی ضریب زلزله و  نحوه محاسبه آن و ضوابط آیین نامه ای حاکم برآن، به پاسخ سوالات زیر خواهیم پرداخت:

  1. ضریب زلزله چیست؟
  2. پارامتر های تاثیر گذار بر ضریب زلزله کدام اند؟ نحوه محاسبه ضریب زلزله چگونه است؟
  3. منظور از شتاب مبنای طرح چیست؟
  4. ضریب بازتاب سازه چیست؟ و چه تاثیری در ضریب زلزله دارد؟
  5. منظور از ضریب اهمیت سازه چیست؟
  6. ضریب رفتار سازه چیست ؟ چه عواملی بر آن تاثیر دارند؟
  7. ضوابط آیین نامه ای مربوط به ضریب زلزله کدام اند؟

 

مقاوم سازی ساختمان در برابر زلزله

منظور از ساخت سازه مقاوم این است که تحت اثر نیروی زلزله فرو نپاشد

ضریب زلزله چیست؟

یکی از چالش های پیش روی مهندسین عمران طراحی و ساخت سازه ای مقاوم در برابر نیروی زلزله می باشد. روش های مختلفی برای طراحی لرزه ای سازه وجود دارد که در آیین نامه ها مورد استفاده قرار می گیرد، در آیین نامه ی ۲۸۰۰ ویرایش چهارم از روش استاتیکی معادل برای طراحی لرزه ای سازه استفاده می شود. در این روش برای محاسبه ی نیروی زلزله، ابتدا نیروی برش پایه را محاسبه می کنند.

نیروی برش پایه، مجموع نیروهای جانبی زلزله می باشد، که در تراز پایه (منظور از تراز پایه قسمتی است که از آن تراز به بالا بین زمین و سازه اختلاف حرکتی وجود داشته باشد، به عنوان مثال تراز پایه برای ساختمانی که دارای زیر زمین نیست تراز فونداسیون و برای ساختمانی که دارای زیر زمین است تراز سقف اول می باشد) به سازه وارد می شود. چناچه بیان شد این نیرو از پارامتر های مهم و تاثیرگذار در محاسبه ی نیروی زلزله و توزیع آن در ارتفاع سازه می باشد و با فرمول زیرمحاسبه می گردد:

V= C ∗ W

در فرمول بالا V نیروی برش پایه، C ضریب زلزله و W وزن موثر سازه (شامل مجموع بارهای مرده، وزن تاسیسات ثابت، وزن دیوارهای تقسیم کننده به اضافه ی

درصدی از بار زنده و بار برف وارد بر سازه می باشد که مقدار بار زنده و برف مطابق جدول ۱– ۳ آیین نامه ۲۸۰۰ ویرایش چهارم برآورد می شود.) مطابق

فرمول فوق برای محاسبه ی نیروی برش پایه، نیاز به محاسبه ضریبی به نام ضریب زلزله داریم. ضریب زلزله اولین بار در سال ۱۳۴۴ از طرف موسسه

استاندارد و تحقیقات صنعتی کشور در بخشی از آیین نامه ی ۵۱۹ معرفی شد. می دانیم که طبق قانون دوم نیوتن نیروی وارد بر جسم متحرک برابر است

با حاصل ضرب شتاب جسم در جرم آن، نیروی زلزله نیز از این قانون پیروی می کند در نتیجه می توان گفت که نیروی زلزله وابسته به دو پارامتر وزن سازه

و شتاب آن می باشد. با مطابقت دادن این تعریف با فرمول نیروی زلزله، می توان ضریب زلزله را این گونه تعریف کرد که ضریب زلزله بیانگر شتابی است

که به هنگام وقوع زلزله در آینده به سازه وارد می شود.

محاسبه ضریب زلزله

همانطور که بیان شد ضریب زلزله نشانگر شتاب زلزله ای است که در آینده به سازه وارد خواهد شد، خود این ضریب به چهار عامل وابسته است عواملی چون:

  • شتاب مبنا طرح( A)
  • ضریب بازتاب سازه( B)
  • ضریب اهمیت سازه( I)
  • ضریب رفتار ساختمان(Ru)

و از فرمول زیر محاسبه می شود:

C= (A ∗ B ∗ I) / Ru

در ادامه به توضیح مختصری از هر یک از عوامل موثر بر ضریب زلزله خواهیم پرداخت.

شتاب مبنای طرح در زلزله

طبق مطالعات لرزه ای انجام شده میزان فاصله از گسل بر شدت زلزله تاثیر می گذارد، در نتیجه در محاسبه ی نیروی زلزله میزان دوری یا نزدیکی سازه به گسل جزء پارامتر های مهم و تاثیرگذار می باشد.

آیین نامه ۲۸۰۰ با بررسی زلزله های گذشته و با توجه به محل گسل های موجود، ایران را به چهار منطقه ی زیر تقسیم کرده است:

  • منطقه با خطر زلزله خیزی خیلی زیاد
  • منطقه با خطر زلزله خیزی زیاد
  • منطقه با خطر زلزله خیزی متوسط
  • منطقه با خطر زلزله خیزی کم

که برای هر یک از این مناطق مقدار شتاب سطح مبنا (A) متفاوت می باشد، در پیوست ۱ آیین نامه ۲۸۰۰ مشخص شده است که هر شهر ایران با ضریب زلزله متفاوت در کدام منطقه قرار می گیرد. شتاب مبنای طرح برای منطقه با خطر نسبی خیلی زیاد برابر ۰٫۳۵، برای منطقه با خطر نسبی زیاد ۰٫۳، برای منطقه با خطر نسبی متوسط ۰٫۲۵ و برای منطقه با خطر نسبی کم ۰٫۲ می باشد.

همانطور که بیان شد شتاب مبنای طرح در زلزله برای هر شهر یک عدد خاص می باشد با توجه به اینکه نوع زمین موجود در هر شهر و نوع ساختمان های موجود در آن متفاوت می باشد می توان نتیجه گرفت که شتاب مبنای طرح نمی تواند شتاب زمین یا شتاب ساختمان باشد چرا که با وجود متفاوت بودن زمین و ساختمان- های شهر، شتاب مبنای طرح در زلزله برای آن شهر یک عدد خاص می باشد به عنوان مثال شتاب مبنای طرح شهر بیرجند با توجه به اینکه در منطقه با خطر نسبی زیاد قرار گرفته است برای تمام ساختمان های موجود در آن مقدار g = 0.3 A و برای قائن که در منطقه ی خطر نسبی خیلی زیاد قرار دارد برابر g = 0.35 A میباشد.

در نتیجه می توان گفت که منظور از شتاب مبنای طرح همان شتاب گسل می باشد یعنی زمانی که می گوییم شتاب مبنای طرح برای شهر بیرجند A=0.3g است یعنی بیشترین شتاب محتمل گسل ۰٫۳g می باشد به عبارت دیگر (۰٫۳g =PGA ( Pick Ground Acceleration است.

ضریب بازتاب سازه

با توجه به اینکه مشخصات خاک هر منطقه و ویژگی های انواع سازه متفاوت می باشد درنتیجه شتاب سازه می تواند کمتر یا بیشتر از شتاب سطح مبنا باشد، برای لحاظ کردن این تفاوت ها از ضریب بازتاب در محاسبه ی ضریب زلزله استفاده می شود. ضریب بازتاب سازه را می توان این گونه تعریف کرد که ضریبی است که شتاب سطح مبنا را به شتاب سازه تبدیل می کند و از فرمول زیر محاسبه می شود:

B = B1 ∗ N

 B1 ضریب شکل طیف و N ضریب اصلاح طیف می باشد.

به ساختمان هایی که در آن ها توزیع جرم و سختی به صورت متناسب انجام گرفته شده باشد، ساختمان متعارف گوییم و ساختمان هایی مانند مساجد، آمفی تئاتر ها، سالن های ورزشی و از این قبیل را ساختمان های غیر متعارف گوییم. ضریب B برای ساختمان های متعارف و غیر متعارف جداگانه محاسبه می شود. طبق مطالعات صورت گرفته مقدار ضریب بازتاب در آیین نامه ی ۲۸۰۰ ویرایش چهارم کمتر از مقادیر ویرایش سوم می باشد به جز مقادیر مربوط به ساختمان ها در زمین نوع IV و خطر نسبی خیلی زیاد و زیاد.

ضریب شکل طیف چیست؟

ضریب شکل طیف (B1) ضریبی است که شتاب گسل را به شتاب خاک زیر سازه تبدیل می کند و با در نظر گرفتن بزرگ نمایی خاک در دوره های (T) مختلف و میزان لرزه خیزی منطقه مشخص شده و با استفاده از روابط زیر محاسبه می گردد:

B1 = S0 + (S – S0 +1)(T/T0 )     ۰<T< T0

B1 = S+1                                T0<T<Ts

B1 = (S+1) (Ts/T)                    T> Ts

که در آن T زمان تناوب اصلی سازه برحسب ثانیه می باشد و پارامتر های T0 ،Ts ،S و S0 به عواملی چون نوع زمین و میزان لرزه خیزی منطقه بستگی دارند که از جدول ۲ـ۲ و بند ۲ـ۴ استخراج می شوند.

 

 

می توان ضریب بازتاب را با استفاده از نمودار هایی که آیین نامه در اختیار ما قرار داده نیز محاسبه کرد.

 

نمودار ضریب زلزله زمین های با خطر کم

شکل۲-۱-الف-ضریب شکل طیف طرح برای انواع زمین های مندرج در بند(۲-۴) با خطر نسبی کم و متوسط

 

نمودار ضریب زلزله زمین هایی با خطر زیاد

شکل۲-۱-ب-ضریب شکل طیف طرح برای انواع زمین های مندرج در بند (۲-۴) با خطر زیاد و خیلی زیاد

 

ضریب اصلاح طیف چیست؟

برای تبدیل کردن شتاب خاک زیر سازه به شتاب سازه از ضریبی تحت عنوان ضریب اصلاح طیف ( N) استفاده می کنیم. ضریب اصلاح طیف با استفاده از روابط زیر محاسبه می شود:

N=1                                               T< Ts

N = 0.7/(4 -Ts ) (T – Ts ) + 1        Ts<T< 4sec

N = 1.7                                         T> 4sec

روابط بالا برای خاک نوع II و برای منطقه با خطر نسبی خیلی زیاد و زیاد در آیین نامه ارائه شده اند. برای مطابقت دادن این روابط به منطقه با خطر نسبی متوسط و کم کافی است اعداد ۰٫۷ و ۱٫۷ را به ترتیب با اعداد ۰٫۴ و ۱٫۴ جایگزین کنید. هم چنین می توان مانند ضریب B ضریب N را نیز از نمودار استخراج کرد.

 

نمودار ضریب اصلاح طیف در ضریب زلزله

 

نحوه محاسبه دوره تناوب سازه(T)

در هنگام وقوع زلزله، سازه دچار یک رفتار نوسانی می شود چرا که نیروی زلزله یک نیروی رفت و برگشتی می باشد. دوره ی تناوب سازه، مدت زمان مورد نیاز برای انجام یک نوسان کامل توسط سازه است.

از پارامتر های تاثیر گذار در محاسبه دوره تناوب سازه سختی سازه K می باشد، که خود وابسته به عواملی چون ممان اینرسی مقطع، مدول الاستیسیته مصالح مصرفی و ارتفاع سازه است. با توجه به اینکه در مرحله ی طراحی سازه هیچ یک از پارامتر های ممان اینرسی مقطع، مدول الاستیسیته مصالح مصرفی و ارتفاع دقیق سازه در دست نیست در نتیجه نمی توان سختی سازه را محاسبه کرده و دوره ی تناوب سازه را به دست آورد. از این رو آیین نامه ۲۸۰۰ برای محاسبه دوره ی تناوب سازه دو راه حل تجربی و تحلیلی را بیان کرده است:

  • در راه حل تجربی آیین نامه با ارائه ی روابطی برای سیستم های مهاربندی مختلف مقادیری را به عنوان حدس اولیه برای T بیان کرده است. در بند ۳- ۳- ۳ آیین- نامه ۲۸۰۰ مقادیر T برای انواع مهاربندی و ساختمان های متعارف و غیر متعارف بیان شده است.
  • در روش تحلیلی با استفاده از نرم افزار های  ETABS و SAP می توان دوره تناوب سازه را محاسبه کرد. در استفاده از این راه حل ابتدا دوره تناوبی که از راه حل تجربی به دست آمده است را برای سازه در نظر می گیریم پس از آنالیز سازه و طراحی نهایی دوره ی تناوب سازه که توسط نرم افزار محاسبه شده است را استخراج کرده و با دوره تناوب تجربی مقایسه می کنیم. در صورتی که دوره ی تناوب محاسبه شده توسط نرم افزار کمتر از ۱٫۲۵ برابر تناوب تجربی باشد، برای سازه همان دوره تناوب تجربی را در نظر می گیریم و اگر دوره تناوب به دست آمده از نرم افزار بیشتر از ۱/۲۵ برابر تناوب تجربی باشد، دوره ی تناوب جدید را به سازه اختصاص داده و دوباره مراحل طراحی و آنالیز را انجام می دهیم.

منظور از ضریب اهمیت ساختمان چیست؟

چنانچه می دانید اهمیت سازه ها با هم برابر نیست به عنوان مثال اهمیت ساختمان هایی مانند بیمارستان، آتشنشانی و ساختمان های نظامی قابل مقایسه با اهمیت سازه هایی چون ساختمان مسکونی، کارگاه صنعتی و دامداری نیست و سازه ای مانند بیمارستان از اهمیت ویژه ای برخوردار است چراکه بعد از زلزله کاربری این سازه بیشتر مورد نیاز است.

آیین نامه ۲۸۰۰ برای بیان این تفاوت اهمیت ضریب اهمیت سازه را تعریف کرده است، به این معنا که هر چه اهمیت سازه بیشتر باشد باید در مرحله ی مدل- سازی نیروی زلزله ی بیشتری به سازه وارد کرد و در نتیجه سازه را مقاوم تر ساخت. از این رو آیین نامه ۲۸۰۰ انواع ساختمان را براساس میزان اهمیت آن ها به چهار گروه دسته بندی کرده است:

  • ساختمان ها با اهمیت خیلی زیاد
  • ساختمان ها با اهمیت زیاد
  • ساختمان ها با اهمیت متوسط
  •  ساختمان ها با اهمیت کم

در بخش ۶ـ۱ آیین نامه ۲۸۰۰ انواع ساختمان با توجه به تعریف گروه بیانش شده است.

 

ضریب اهمیت ساختمان در ضریب زلزله

 

ضریب رفتار ساختمان (r) چیست؟ چه عواملی بر آن تاثیر دارند؟

از دیدگاه آیین نامه مبنای طراحی لرزه ای سازه ها به این گونه است که سازه ها در برابر زلزله های کوچک بدون آسیب، در برابر زلزله های متوسط با آسیب های غیر سازه ای باقی بمانند و در برابر زلزله های بزرگ با توجه به آسیب های سازه ای و غیر سازه ای فرو نریزند و به طور کامل تخریب نشوند.

البته موارد ذکر شده به این معنا نیست که در طراحی همیشه رفتار خطی سازه مد نظر گرفته شود، چرا که اگر طراحی تنها بر مبنای رفتار خطی سازه صورت پذیرد طرح به شدت غیر اقتصادی خواهد بود. از نظر آیین نامه اینکه سازه در برابر زلزله های شدید رفتار غیر خطی از خود بروز دهد کاملا قابل قبول بوده و امری طبیعی تلقی می شود. با توجه به اینکه تحلیل و طراحی سازه بر اساس رفتار غیر خطی آن امری بسیار سخت و پیچیده است، آیین نامه با معرفی ضریب رفتار سازه سعی در گنجاندن تاثیر رفتار غیر خطی سازه بر ضریب زلزله دارد.

ضریب رفتار سازه Ru نشان دهنده ی شکل پذیری، نا معینی و اضافه مقاومت به وجود آمده به سبب رفتار غیر خطی سازه می باشد. یعنی هرچه میزان این ضریب بیشتر باشد درنتیجه قابلیت جذب انرژی سازه افزایش یافته، انرژی بیشتری در هنگام زلزله تلف شده و می توان گفت کاربرد ضریب رفتار سازه کاهش نیروی طراحی لرزه ای سازه با در نظر گرفتن رفتار غیر خطی سازه می باشد. نوع مصالح و سیستم باربری سازه در تعیین این ضریب تاثیر گذارند.

به بیان دیگر ضریب رفتار سازه Ru طیف ارتجاعی را به طیف غیر ارتجاعی تبدیل می کند. در جدول ۳ـ۴ آیین نامه ۲۸۰۰ این ضریب برای سیستم های مختلف بیان شده است. به عنوان مثال ضریب رفتار برای دیوار های برشی بتن آرمه متوسط ۵ بیان شده که این به معنای کاهش ۸۰ درصدی نیروی زلزله است.

 

تاثیر ارتفاع ساختمان در محاسبه ضریب زلزله

 

ضوابط آیین نامه ای مربوط به ضریب زلزله کدام اند؟

  • برای استفاده از جدول ۳ـ۴ باید به نکات زیر توجه داشت:
    ساخت ساختمان های با ارتفاع بیش از Hm که در جدول ۳ـ۴ ذکر شده است در همه ی مناطق کشور غیر مجاز است.
    در مناطق با خطر نسبی خیلی زیاد برای ساختمان ها با اهمیت خیلی زیاد فقط مجاز به استفاده از سیستم های ویژه می باشیم.
    در ساختمان های بلند از ۵۰ متر باید از سیستم قاب خمشی ویژه و یا سیستم دو گانه استفاده کرد.
  • در مواردی که مشخصات محل ساخت با محتوای جدول ۲ـ۳ منطبق نبوده یا ترددی در مورد آن وجود داشته باشد باید نوع زمینی که ضریب بازتاب بزرگتری را حاصل می شود انتخاب کرد.
  • کلیه ساختمان ها به جز ساختمان ها با مصالح بنایی می توان با استفاده از روابط ذکر شده طراحی کرد.
  • در ساختمان های ۳ طبقه یا کوتاه تر از ۵۰ متر می توان از روش تحلیل استاتیکی معادل استفاده کرد.
  • روش طراحی سازه های خاص مانند سازه های دریایی، سد ها، نیروگاه های هسته ای، پل ها و اسکله ها متفاوت بوده و با توجه به ضوابط خاصی که در آیین- نامه های آن ها آمده باید انجام گیرد.
  • نیروی زلزله باید در دو امتداد عمود بر هم محاسبه گردد. به بند ۳ـ۱ـ۴ آیین نامه ۲۸۰۰ مراجعه شود.
  • نیروی جانبی زلزله در شرایط خاص باید افزایش داده شود. مراجعه شود به
    ضریب نامعینی سازه p، موضوع بند ۳ ـ ۳ – ۲
    ضریب اضافه مقاومت ۰Ω، موضوع بند ۳ ـ ۳ – ۱۰

نتیجه گیری

در آیین نامه ۲۸۰۰ طراحی سازه بر اساس روش تحلیل استاتیکی معادل انجام می پذیرد که در آن برای اعمال نیروی زلزله بر طبقات سازه نیازمند محاسبه ی نیروی برشی پایه می باشیم که خود وابسته به دو پارامتر ضریب زلزله و وزن موثر سازه می باشد.

ضریب زلزله از رابطه ی C = (A ∗ B ∗ I)/Ru محاسبه می شود که در آن پارامتر های شتاب مبنای سطح( A)، ضریب بازتاب B)، ضریب اهمیت سازه( I) و ضریب رفتار ساختمان( Ru ) نقش دارند.

شتاب مبنای سطح همان شتاب گسل می باشد و ضریب بازتاب در واقع تبدیل کننده ی این شتاب گسل به شتاب سازه است، با توجه به اینکه ساختمان ها از نظر اهمیت متفاوت می باشند، این مهم با ضریب اهمیت سازه بیان می شود.

با توجه به اینکه اگر بخواهیم سازه را تنها با رفتار خطی آن مدل سازی کنیم نیروی زلزله ی وارد بر آن بسیار بزرگ شده و طرح به شدت غیر اقتصادی و غیر معقول خواهد بود آیین نامه مایل است تا سازه را در محدوده ی غیر خطی آن مدل کند با توجه به اینکه بیشتر ظرفیت سازه در محدوده ی غیر خطی می باشد مدل سازی آن در این محدوده منجر به کاهش نیروی زلزله ی وارد بر سازه می شود همانطور که می دانید خواست آیین نامه طراحی سازه ای است که در برابر زلزله های شدید بتواند آسیب های غیر سازه ای و سازه ای را تحمل کرده و تخریب نشود در نتیجه استفاده از ظرفیت غیر خطی سازه بلامانع می باشد. برای اعمال این ظرفیت غیر خطی، ضریب رفتار سازه عنوان شده است.

منابع

  1. آیین نامه ۲۸۰۰ـ ویرایش چهارم
  2. فصلنامه آنالیز سازه دوره ۱۴ شماره ۱
  3. موسی پور موسی ، حقیقی فر مونا ، مرداد ۱۳۹۴ ، مقایسه ی ضریب بازتاب در ویرایش چهارم و سوم آیین نامه طراحی شاختمان ها در برابر زلزله (آیین نامه ۲۸۰۰)، همایش ملی عمران و معماری با رویکردی بر توسعه ی پایدار
  4. قنادی اصل امین ، مرتضوی سعید ، سال ۱۳۹۸ ، ارزیابی تاثیر ضریب نامعینی بر رویکرد لرزه ای ساختمان های قاب خمشی بتنی ، نشریه علمی ـ پژوهشی مهندسی سازه و ساخت دوره ۶ شماره ۱ صفحه ی ۱۹۹ تا ۲۱۶

 

 

 

 

 

مهندس فاطمه محمدی

    نوشته‌های مرتبط

    قوانین ارسال دیدگاه

    • دیدگاه های فینگلیش تایید نخواهند شد.
    • دیدگاه های نامرتبط به مطلب تایید نخواهد شد.
    • از درج دیدگاه های تکراری پرهیز نمایید.
    دیدگاه‌ها

    *
    *

    0