محاسبه پارامتر های زلزله – برش پایه

تفاوت زلزله طرح و بهره برداری؟

زلزله طرح چیست؟

این زلزله احتمال رخ دادنش کمتر از 10 درصد در 50 سال عمر مفید ساختمان است و دوره بازگشتش 475 سال است. همچنین این زلزله مبنای استاندارد 2800 میباشد و ساختمان را بر اساس این زلزله طراحی میکنیم.

زلزله بهره برداری چسیت؟

احتمال رخ دادن این زلزله 99.5 درصد توی 50 سال عمر مفید ساختمانه. طبق استاندارد 2800 همه ی ساختمان های بلند تر از 50 متر یا 15 طبقه و ساختمان های با اهمیت زیاد و خیلی زیاد در این زلزله نباید اسیبی ببیند و پس از این زلزله بدون وقفه قابلیت بهره برداری داشته باشند.

برش پایه چیست؟ نحوه ی محاسبه ی برش پایه:

فرض کنید زلزله ای با شتاب مشخصی بر سازه وارد میشود اگر این شتاب را با a نشان دهیم و جرم سازه را با m ، طبق قانون دوم نیوتون F=ma میتوانیم نیروی زلزله را بدست بیاریم.

رابطه برش پایه چگونه بدست می آید؟

اگر شتاب ناشی از سنگ بستر زمین را به شکل مضربی از شتاب جاذبه بنویسیم خواهیم داشت a_g=Axg از طرفی اگر شتابی که بر سازه وارد میشه را مضربی از شتاب سنگ بستر زمین فرض کنیم و این ضریب را B بنامیم تا اینجا رابطه نیروی زلزله به صورت V=BA * mg در میاد که mg در واقع همان وزن سازه یا w است پس داریم V=BAW

به نظر شما چه تفاوتی بین یک بیمارستان با یک ساختمان مسکونی در طراحی وجود دارد. قاعدتا بیمارستان اهمیت بیشتری داره بخاطر اینکه بیمارستان لازمه بعد از زلزله فعالیتش رو بدون وقفه ادامه بده و هم از طرفی تعداد افرادی که توی بیمارستان وجود دارن خیلی بیشتر از ساختمان مسکونیه. در نیتجه بیمارستان باید با اطمینان بیشتری طراحی بشه که برای اینکار لازمه نیروی زلزله طراحی را افزایش بدیم این کار با استفاده از ضریبی به اسم ضریب اهمیت ساختمان که با I نشان میدیم اتفاق می افند.

اگر از ظرفیت شکل پذیری سازه برای جذب و مستهلک کردن انرژی زلزله کمک بگیریم به نوعی نیروی زلزله ای که به سازه وارد میشه رو کاهش دادیم برای اعمال این کاهش از ضریب Ru یا ضریب شکل پذیری استفاده میکنیم.

در نهایت رابطه ی برش پایه تکمیل شده و برابر است با V=ABIW/Ru. حالا برای ساده سازی ضریب ABI/Ru را میتونیم با C نشان بدیم و رابطه را به صورت ساده شده ی V=CW خلاصه کنیم.

حداقل برش پایه

طبق استاندارد 2800 برش پایه نباید از مقدار زیر کمتر باشد:

وزن موثر لرزه ای چیست؟

همونطور که در رابطه ی برش پایه دیدید وزن سازه نقش مهمی در نیروی زلزله دارد. اگر بخواهم دقیق تر بگم W در واقع همان وزن موثر لرزه ایست. حالا سوال اینجاست وزن موثر لرزه ای برابر چه مقداریست؟ بند 3-3-1-1 ویرایش چهارم استاندارد 2800 به این سوال جواب میدهد.

وزن موثر لرزه ای برابرست با بار مرده + وزن تاسیسات ثابت + وزن دیوار های تقسیم کننده + درصدی از بار زنده و برف.

که این درصد بار زنده برای ساختمان های مسکونی برابر 20 درصد میباشد. اما چرا؟ چرا تمام بار زنده در وزن موثر لرزه ای حساب نمیشود؟ جواب این سوال را با یک سوال دیگر میدم. چقدر احتمال دارد در زمان زلزله در تمام قسمت های ساختمان بار زنده فعال باشه. چقدر احتمال داره در زمان زلزله یک نفر در حال پارک کردن ماشینش توی پارکینگ باشه یا در حال قدم زدن در پشت بام باشه. تقریبا نزدیک به هیچ. در نتیجه طبق محاسبات و بررسی امار و احتمالات، تنها 20 درصد از بار زنده را در وزن موثر لرزه ای مشارکت میدیم.

تفاوت مرکز جرم و مرکز سختی

مرکز جرم چیست؟

مرکز جرم یک طبقه دقیقا جایی هست که میتونیم نیروی زلزله اون طبقه رو به صورت متمرکز بهش وارد کنیم. اگر وزن طبقه به صورت یکنواخت پخش شده باشه مرکز جرم معادل مرکز سطح میشه. اما از آن جایی که در ساختمان بازشو ، بار زنده ی متفاوت و غیره این اتفاق نمی افته و مرکز جرم با مرکز سطح یکی نمیشه.
برای تعیین مرکز جرم از رابطه های زیر استفاده میکنیم:

مرکز سختی چیست؟

وظیفه تحمل بار های حانبی در ساختمان به عهده ی سیستم باربر جانبی هستش. ما چندین سیستم مختلف باربر جانبی داریم که در زیر سیستم های متداول نام برده شده.

1- دیوار برشی 2- قاب مهاربندی شده 3- قاب خمشی 4- سیستم دوگانه

زمانی که نیروی زلزله به ساختمان وارد میشه ساختمان مقاومت میکنه، در واقع نیروی مقاومی در برابر نیروی زلزله به وجود میاد. برایند این نیروی مقاوم برای هر طبقه در محل مرکز سختی سازه وارد میشه در واقع مرکز سختی سیستم های باربرجانبی ای که توی ساختمان استفاده کردیم و وظیفشون مقاومت در برابر نیروی جانبی ای مثل باد و زلزله است.برای محاسبه ی دستی مرکز سختی از روابط زیر استفاده میکنیم.

همونطور که در قسمت های بالا توضیح دادیم در هر طبقه برایند نیروی زلزله در مرکز جرم آن طبقه وارد میشه و نیروی مقاوم در برابر زلزله در محلی به نام مرکز سختی وارد میشه. حالا اگر محل مرکز جرم و مرکز سختی یکی نباشن چه اتفاقی می افته؟ پاسخ خیلی واضحه، همونطور که در عکس پایین میبینید سازه دچار پیچش میشه.

تعیین محل تراز پایه ساختمان

برش پایه وارد بر سازه که در بند های بالا توضیح دادیم در بالای تراز پایه مستقیم به خاک اطراف سازه منتقل میشه. اما تراز پایه کجاست ؟ بر اساس استاندارد 2800 تراز پایه به ترازی میگن که ساختمان از آن تراز به پایین رفتار صلب داشته باشه و هنگام وقوع زلزله تغییر شکلی نسبت به زمین نداشته باشه.

1- در هر یک از حالات زیر تراز پایه رادر بالای سطح پی در نظر میگیریم.
- ساختمان روی زمین است
- دارای زیرزمین که دیوار نگهبان به سازه متصل نیست.

2- اگر همه شرایط زیر بر قرار باشد تراز پایه را در نزدیک ترین سقف زیر زمین به زمین طبیعی در نظر میگیرم.
- دیوار حائل به سازه متصل باشد.
- دیوار های نگهبان زیرزمین بتن آرمه بوده و آخرین سقف زیرزمین دارا صلبیت کافی باشد.
- فضای بین دیوار حائل و خاکبرداری زیرزمین با خاک متراکم پر شود.

ارتفاع محاسباتی ساختمان - مشارکت جرمی خرپشته

ارتفاع محاسباتی ساختمان میشه از تراز پایه تا بالا ترین طبقه. اما آیا خرپشته را به عنوان بالاترین طبقه در نظر بگیریم یا بام را؟ طبق بند 7-9 و همچنین بند 3-3-6 استاندارد 2800 اگر وزن لرزه ای خرپسته بیشتر از 25 درصد از وزن لرزه ای بام باشد به عنوان یک طبقه مجزا باید شناخته شود در غیر اینصورت از ارتفاع خرپشته صرف نظر میکنیم و بالاترین طبقه بام میشود که در 99 درصد ساختمان های متعارف خرپشته یک طبقه مجزا نیست.

در کنترل بالا و همانطور که بند 7-9 توضیح داده است بجای مقایسه وزن لرزه ای خرپشته با بام میتوانیم مساحت زیربنای خرپشته و بام را با هم مقایسه کنیم. اینکار به سادگی با استفاده از دستور Area در نرم افزار اتوکد امکان پذیر است.

محاسبه زمان تناوب ساختمان

در اثر زلزله سازه نوساناتی را انجام میده که زمان یک رفت و برگشت سازه را زمان تناوب میگیم و با T نشان میدهیم.

این پارامتر یکی از مهمترین ویژگی های دینامیکی سازه است و برای محاسبه نیروی زلزله نقش اساسی ای دارد . اگر حرم سازه برابر m و سختی سازه برابر k باشد زمان تناوب سازه از رابطه ی زیر بدست می آید.

محاسبه زمان تناوب تجربی

اما مشکل اینجاست که مقدار جرم و سختی سازه قبل از طراحی سازه مشخص نیست و از طرفی برای طراحی سازه و محاسبه ی نیروی زلزله به زمان تناوب سازه نیاز داریم. برای حل این مشکل می توانیم از فورمول های تجربی که در استاندارد 2800 آمده استفاده کنیم.

این روابط بر اساس آزمایش های متعدد بدست آمده است اما زمان تناوب اصلی سازه پس از طراحی و با استفاده از نرم افزار Etabs قابل برداشت می باشد.

محاسبه زمان تناوب تحلیلی

زمان تناوب اصلی سازه با استفاده از روش تحلیلی تعیین می شود. و مرسوم ترین روش برای تعیین زمان تناوب تحلیلی استفاده از نرم افزار ETABS و SAP میباشد. که با مدلسازی دقیق در این نرم افزار ها، میتونیم زمان تناوب مود اصلی سازه و سایر مود ها را بردشت کنیم.

نکته : بر اساس بند 3-3-3-1 استاندارد 2800 اگر زمان تحلیلی بدست آمده بیشتر از 1.25 برابر زمان تناوب تجربی بدست آمد، 1.25 برابر زمان تناوب تجربی را به عنوان تناوب اصلی سازه انتخاب میکنیم.

در نتیجه زمان تناوبی که در نرم افزار ایتبس قبل از طراحی وارد میکنیم بهتر است 1.25 برابر زمان تناوب تجربی باشد تا در ادامه و پس از مدلسازی کامل و طراحی اگر زمان تناوب تحلیلی از این مقدار بیشتر شد نیازی به تغییر زمان تناوب نداشته باشیم.

ضریب ترک خوردگی سازه های بتنی برای محاسبه زمان تناوب سازه

برای محاسبه زمان تناوب اصلی نوسان در سازه های بتنی ، لازم است اثرات ترک خوردگی مقطع بر روی سختی اعضا در نظر گرفته شود

نسبت شتاب مبنای طرح چیست؟

آیا در محاسبه نیروی زلزله بین شهر های خوزستان و تهران چه تفاوتی است؟ مشخص است که تهران یک شهر لرزه خیز است و چندین گسل در نزدیکی این شهر قرار دارد اما خوزستان در منطقه لرزه خیز قرار ندارد. ضریب A یا نسبت شتاب مبنای طرح این عامل را در نظر میگیره.

شتاب مبنای طرح برابر است با نسبت شتاب زلزله مورد نظر به شتاب ثقلی زمین g و این مقدار به محل احداث ساختمان و میزان لرزه خیزی منطقه بستگی دارد.

استاندارد 2800 کشور ایران را به چهار منطقه از نظر لرزه خیزی تقسیم میکند:
1- خیلی زیاد 2- زیاد 3- متوسط 4- کم
نکته : برای اینکه مشخص شود شری مانند رشت در کدام تقسیم بندی قرار میگیرد فقط کافی است به پیوست 1 استاندارد 2800 مراجعه کنیم.

براساس اینکه شهر ما در کدام منطقه ی لرزه خیزی قرار دارد و با استفاده از حدول 2-1 در استاندارد 2800 میتوانیم نسبت شتاب مبنای طرح (A) را بدست بیاوریم:

ضریب بازتاب ساختمان چیست؟

این ضریب نشان دهنده ی نحوه ی پاسخ ساختمان به حرکت زمین است و تابعی از زمان تناوب ساختمان و جنس زمین میباشد. این ضریب با استفاده از ضریب شکل طیف B1 و ضریب اصلاح طیف N، برای در نظر گرفتن اثر زلزله حوزه نزدیک و دور، محاسبه میشود.

محاسبه ی ضریب شکل طیف B1

ضریب شکل ظیف بر اساس پارامتر های مرتبط با خاک، زمان تناوب سازه و میزان لرزه خیزی منطقه بدست می آید.

محاسبه ی ضریب اصلاح طیف N

فاصله ی ساختمان نسبت به گسل، تاثیر قابل توجهی بر روی رفتار ساه دارد. اگر ساختمان به گسل نزدیک باشد،، در سازه های بلند تخریب بیشتری رخ میدهد. و برای در نظر گرفتن این موضوع در استاندارد 2800 از این ضریب استفاده میکنیم. مطابق این استاندارد ضریب اصلاح طیف (N) به صورت زیر تعریف میشود:

طبقه بندی نوع خاک در استاندارد 2800

در استاندارد 2800، زمین ها از نظر نوع خاک به چهار گروه تقسیم میشوند. مشخصات خاک زمین پروژه با استفاده از آزمایشگاه مکانیک خاک تعیین میشود.

ضریب اهمیت ساختمان چگونه بدست می آید؟

تقاوت طراحی یک ساختمان مسکونی با بیمارستان چیست؟ واضح است که بیمارستان از اهمیت بیشتری نسبت به ساختمان مسکونی برخوردار میباشد چراکه اولا بیمارستان باید پس از وقوع زلزله و بدون وقفه به فعالیت خودش ادامه دهد و بتواند به بیماران و مجروحان احتمالی زلزله خدمت رسانی کند. از طرفی تعداد افرادی که در بیمارستان در حال فعالیت و استفاده از خدمات هستند بسیار بیشتر از یک ساختمان مسکونی میباشد و در صورت خرابی ساختمان بیمارستان جان های بیشتری در خطر قرار میگیرد.

این موضوع با استفاده از ضریب اهمیت ساختمان (I) در استاندارد 2800 مورد توجه قرار گرفته است. در این استاندارد ساختمان ها به 4 گروه مختلف بر اساس اهمیت تقسیم میشوند. که به شرح زیر میباشد:
گروه یک : ساختمان های با اهمیت خیلی زیاد - گروه دو : ساختمان های با اهمیت زیاد - گروه سه: ساختمان هایی با اهمیت متوسط - گروه 4: ساختمان هایی با اهمیت کم

ضریب اهمیت ساختمان با توجه به اینکه ساختمان ما در کدام یک از گروه های بالا قرار میگیرد و با استفاده از جدول زیر تعیین میشود.

ضریب رفتار ساختمان به چه معناست؟

سازه ها به گونه ای طراحی میشوند تا تحت اثر نیروی زلزله وارد ناحیه غیر الاستیک شوند ، ولی مقدار این تغییر شکل باید حدی باشد که عملکرد سازه حفظ بشه و نریزد. در اثر این رفتار نیروی وارد بر زلزله تحت اثر زلزله کاهش میابد. برای تاثیر این کاهش نیرو در محاسبه ی نیروی زلزله از ضریب رفتار ساختمان یا Ru استفاده میکنیم. این ضریب بر اساس نوع مصالح و سیستم باربر سازه در جدول 3-4 استاندارد 2800 ویرایش چهارم تعیین میشود.

در رابطه با این جدول نکات زیر را باید رعایت کنیم:
1- در مناطق با خطر نسبی زیاد، برای ساختمان های با اهمیت خیلی زیاد، فقط باید از سیستم های ویژه استفاده کینم.
2- در ساختمان هایی با بیشتر از 15 طبقه، استفاده از سیستم قال خمشی ویژه و یا سیستم دو گانه الزامی است. در این ساختمان ها نمیتوان برای مقابله با نیروی زلزله فقط از یک سیستم دیوار برشی یا قاب مهاربندی شده استفاده کرد.

تعیین ضریب نامعینی سازه

شکل a مهاربند در دو دهانه وجود دارد اما در شکل b مهاربند فقط در یک دهانه قرار گرفته است در شکل a ، اگر درزمان وقوع زلزله مهاربند یکی از دهانه ها تخریب شود، مهاربند دهانه دیگر پایداری سازه را حفظ میکند و مانع ریزش ساختمان میشود. اما در شکل b اگر مهار بند این دهانه تخریب شود دیگر سازه پایدار نیست و سازه تخریب میشود. در نتیجه هرچقدر تعداد عناصر باربر جانبی بیشتر باشه سازه نامعین تره و عملکرد بهتری هم در زلزله داره.

بر اساس استاندارد 2800 ویرایش چهارم، نیروی برش پایه در هر یک از امتداد های اصلی ساختمان باید در ضریب نامعینی مربوط بهش ضرب بشه. این ضریب بر اساس بند های 3-3-2-2 و 3-3-2-3 استاندارد 2800 تعیین میشود.

شاید مطالب زیر برای شما مفید باشد :
بار مرده وارده بر ساختمان
بار زنده ساختمان
محاسبه بار برف بام
تعریف مشخصات مصالح در ایتبس