نیروی جانبی و زلزله طرح و زلزله بهره برداری

تعیین مقدار نیروهای جانبی وارد بر سازه، یکی از گامxad های اساسی در طراحی سازهxad ها میxad باشد. برای این کار لازم است سطحی از زلزله را به عنوان زلزله مبنای طراحی در نظر بگیریم.

استاندارد 2800 زلزله ایران برای کلیه ساختمانxadهای با اهمیت زیاد و خیلی زیاد و نیز ساختمانxadهای بلندتر از 50 متر و بیش از 15 طبقه، کنترل زلزله بهرهxad برداری را الزامی دانسته است. این کنترل خصوصاً در سازهxad های با شکلxad پذیری ویژه و Ru های بزرگ تعیین کننده میxad باشد. موضوع زلزله بهره xadبرداری را کمتر در بحثxadهای عمومی طراحی دیدهxad ایم. در این مقاله تلاش میxadکنیم که برای پرسشxadهای زیر پاسخ مناسبی را پیدا کنیم:

بندهای آیینxad نامه در خصوص زلزله بهره xadبرداری چیست؟تفاوت زلزله بهرهxad برداری با زلزله طرح چیست؟مفاهیم آماری سطح خطر زلزله طرح و زلزله بهرهxad برداریچیست؟تعریف سطح عملکرد سازه چیست؟

سطح خطر زلزله:
سطح خطر به معنی درصد احتمال وقوع زلزله در یک بازه زمانی مورد نظر میxadباشد. این بازه زمانی عمدتاً طول عمر مفید سازه خواهدxadبود.

زلزله طرح (سطح خطر1)
معادل سطحی از حرکتxadهای زمین است که احتمال فراگذشت از آن 10% در 50 سال میxadباشد. این سطح خطر معادل دوره بازگشت 475 سال است. این سطح خطر را در استاندارد2800، تحت عنوان زلزله طرح میxadشناسیم.

زلزله بهره برداری:

به همین شکل سطح خطر نظیر زلزله بهرهxad برداری تعریف میxad شود. این زلزله معادل سطحی از حرکتxadهای زمین خواهدxad بود که احتمال فراگذشت از آن 99.5% در 50 سال میxad باشد. یعنی دوره بازگشت این زلزله حدود 10 سال است.

با مطالعه متن فوق متوجه میxad شویم:

طول عمر مفید سازه بر اساس آیینxad نامه 50 سال انتخاب شدهxad است.در طول این 50 سال با احتمال نزدیک به یقین سازه زلزله بهرهxad برداری را تجربه خواهد کرد.احتمال تجربه زلزله طرح در طول 50 سال عمر سازه بهxad مراتب کمتر است.

نگاهی به آیین نامه

استاندارد 2800 در بخش اهداف طراحی لرزهxad ای، بند زیر را بیان می xadکند:

کلیه ساختمان های بلندتر از 50 متر و یا بیشتر از 15 طبقه و نیز کلیه ساختمان های با اهمیت زیاد و خیلی زیاد در اثر زلزله بهره برداری آسیبی نبینند و قابلیت بهره برداری خود را حفظ کنند.

برای اینکه سازه در اثر زلزله بهرهxad برداری آسیبی نبیند و در واقع قابلیت بهرهxad برداری خود را حفظ کند؛ آیینxad نامه الزاماتی را بیان کرده است. برای این منظور ترکیب بارهای سطح بهرهxad برداری را که بدون ضریب بار هستند تعریف میxad کنیم.

در ترکیب بارهای سطح بهرهxad برداری نیروی زلزله چگونه محاسبه میxad شود؟

در بند 3-11-3 استاندارد 2800، گفته شده که مشخصات حرکت زمین در زلزله سطح بهرهxad برداری باید مشابه زلزله طرح، در نظر گرفته شود. پس فرمول کلی ضریب زلزله بهرهxad برداری نیز C=ABI/Ru خواهدبود. اما زلزله بهرهxad برداری نسبت به زلزله طرح قدرت کمتری دارد. در علم مهندسی زلزله قدرت کمتر یعنی شتاب کمتر، پس در محاسبه زلزله بهرهxad برداری شتاب مبنای طرح را به یک ششم مقدار خود کاهش میxad دهیم. همچنین چون قرار است در زلزله بهرهxad برداری سازه کاملاً قابل استفاده بماند در نتیجه تغییرشکلxadها بسیار محدود بوده و مفاصل پلاستیک نیز نباید تشکیل شوند. لذا ضریب رفتار (Ru) در محاسبه ضریب زلزله بهرهxad برداری برابر با یک منظور میxad گردد. به این ترتیب در روش استاتیکی معادل مقدار برش پایه در سطح بهرهxad برداری از رابطه زیر محاسبه میxad شود.

Vser = ABIW/6

تفاوت زلزله طرح و بهره برداری

در استاندارد 2800، دو سطح زلزله برای محاسبه نیروی زلزله وارد بر سازه در نظر گرفته شده است. همانطور که در بخش قبل خواندیم:

زلزله شدید یا زلزله طرح، زلزله xadایست که احتمال وقوع آن در ۵۰ سال عمر مفید سازه ۱۰% باشد.

زلزله خفیف یا زلزله بهره برداری ، زلزله xadایست که احتمال وقوع آن در ۵۰ سال عمر مفید سازه ۹۹٫۵% باشد.

دیگر تفاوتxadهای اساسی زلزله بهره xadبرداری و زلزله طرح را میxadتوان به صورت زیر بیان کرد:

زلزله بهره برداری در آیین نامه 2800، تنها برای ساختمان های با اهمیت خیلی زیاد و زیاد مطرح می xadشود در حالی که زلزله طرح برای کلیه ساختمانxadها بایست اعمال شود.تفاوت دیگر در سطح عملکرد سازه می باشد (سطوح عملکرد سازه در بخش تکمیلی به تفصیل آورده شده است.)، یعنی در زلزله بهره برداری باید از سطح عملکرد بی وقفه استفاده گردد تا در هنگام وقوع زلزله خللی در کاربری سازه بوجود نیاید.در سازهxad های بتنxad آرمه بایست ممان اینرسی مقطع ترکxad خورده با ضرایبی اصلاح شود. در زلزله طرح برای تیرها ضریب اصلاح 0.35، برای ستونها 0.7 و برای دیوارهای نسبت به میزان ترکxadخوردگی 0.35 یا 0.7 میxad باشد. اما برای زلزله بهرهxad برداری مقادیر این ممان اینرسیxad ها را میxadتوان تا 1.5 برابر افزایش داد.

ضرایب ترک خوردگی:

زلزله طرح :

تیر: 0.35ستون: 0.7دیوار ترک نخورده: 0.7دیوار ترک خورده: 0.35

زلزله بهره برداری :

تیر: 0.5ستون: 1دیوار ترک نخورده: 1دیوار ترک خورده: 0.5با تغییراتی که در ضرایب ترکxad خوردگی بهxad وجود آوردیم، سازه سختxad تر شده و متعاقباً دوره تناوب اصلی آن کاهش خواهد یافت. با کاهش پریود ضریب بازتاب و برش پایه بیشتر میxad شود.در زلزله بهره xadبرداری میxadتوان از اثر پی- دلتا نیز صرف نظر کرد. ولی در زلزله طرح باید اثر آن منظور شود.نحوه محاسبه و الزامات تغییرمکان جانبی نسبی در زلزله طرح و بهرهxad برداری متفاوت می xadباشد. این تفاوت را در مقاله کنترل زلزله بهره برداری در ایتبس کامل توضیح داده ایم.

آیا به غیر از زلزله طرح و بهرهxad برداری سطح زلزله دیگری هم وجود دارد؟

قطعاً سطوح دیگری از خطر نیز وجود دارند؛ بطور مثال در کشوری همچون ژاپن که احتمال رخداد زلزله xadهای قوی در بازهxad های زمانی کم وجود دارد میxad توان سطح دیگری از خطر را بهxad صورت زیر معرفی نمود:

سطح خطر2. معادل سطحی از حرکتxadهای زمین است که احتمال فراگذشت از آن 2% در 50 سال میxad باشد. این سطح خطر معادل دوره بازگشت 2475 سال خواهد بود. سطح خطر 2 بیشینه زلزله محتمل MPE) Maximum Probable Earthquake) نامیده میxad شود.

لازم به ذکر است سطوح خطر دیگری نیز قابل تعریف هستند که به علت اهمیت کم به آنها نمیxad پردازیم.

سطح عملکرد سازه

مفهوم طراحی لرزهxad ای ساختمانxadها با دو تعریف مهم قابل بررسی است. تعریف اول را که سطح خطر میxad باشد پیشxadتر بررسی نمودیم؛ تعریف دیگر سطح عملکرد سازه است. در واقع همواره تلاش میxad کنیم در ازای یک سطح خطر مشخص بسته به کاربری سطح عملکرد مناسبی را ایجاد کنیم. مثلاً برای یک بیمارستان که در کشوری همچون ژاپن واقع شده، اولاً باید سطح خطر بالایی را برای ساختمان در نظر بگیریم، ثانیاً به علت کاربری بیمارستان، سطح عملکرد بصورت قابلیت استفاده بیxad وقفه باشد تا بتوان امداد و نجات را انجام داد. سطوح عملکرد اجزای سازهxad ای به شرح زیر میxad باشد:

قابلیت استفاده بیxad وقفه؛ یعنی در اثر وقوع زلزله محتمل، مقاومت و سختی اجزای سازهxadای تغییر قابل توجهی پیدا نکند و استفاده بیxad وقفه از ساختمان ممکن باشد.ایمنی جانی؛ یعنی در اثر وقوع زلزله محتمل، خرابی در سازه ایجاد شود، اما میزان خرابی به اندازهxad ای نباشد که منجر به خسارت جانی شود.آستانهxad فروریزش؛ یعنی در اثر وقوع زلزله محتمل، خرابی گسترده ایجاد شود ولی ساختمان فرو نریزد.خرابی محدود؛ یعنی در اثر وقوع زلزله محتمل، خرابی در سازه به میزان محدود ایجاد شود و با انجام تعمیر بتوان بخشxad های آسیبxad دیده را اصلاح کرد و بهرهxad برداری را ادامه داد.ایمنی جانی محدود؛ یعنی در اثر وقوع زلزله محتمل، خرابی در سازه ایجاد شود اما میزان خرابی به اندازهxad ای باشد که خسارت جانی حداقل شود.