زمين لرزه پديده اي طبيعي است كه با شدت هاي گوناگون ودر نقاط مختلف كره زمين اتفاق مي افتد و به دليل عدم شناخت لايه هاي زيرين نمي توان زمان وشدت آن را پيش بيني نمود.

گستره زلزله هاي واقع شده در نقاط مختلف كره زمين، ارتباطي را بين اين نقاط نمايان مي نمايد. امروزه مشخص شده است كه اكثر زلزله هاي دنيا بر روي نوارهايي به نام كمربند زلزله خيزي واقع شده اند.با توجه به تكتونيك صفحه اي موجود، ايران در حال فشرده شدن بين صفحه اروپا،آسيا وصفحه عربستان است. بهترين نشانه اين عمل نيز رشته كوه هاي زاگرس والبرز مي باشدكه در فصل مشترك اين صفحات واقع شده اند. اكثر زلزله هاي مهم ايران نيز در حوالي اين فصل مشترك ها رخ داده است.

نقشه پهنه بندي لرزه خيزي ايران نشان دهنده اين است كه هيچ نقطه اي از كشورمان را نمي توان در مقابل اثر زلزله مصون پنداشت.در شكل( 1-1)نقشه پهنه بندي لرزه خيزي ايران طبق آيين نامه 2800 را مشاهده مي نماييد.]8[

بنابراين طراحي وساخت سازه هايي كه بطور مناسب بتوانند در مقابل زلزله ها پايدار باشد الزامي است،اين موضوع درك وشناخت رفتار سيستم هاي سازه‌اي را آشكار مي سازد.

براي طراحي يك سازه مقاوم در برابر زلزله ركورد شتاب و مشخصات زمين لرزه نيز نياز مي‌باشد، تا اثرات زمين لرزه بر سازه شناسايي گردد اثرات زمين لرزه بر سازه هاي طراحي شده از موضوعات جالب توجه مي‌باشد، زيرا نتيجه آزمايش واقعي روي سازه هاي طراحي شده براساس آخرين آيين نامه هاي تدوين شده هستند.

معمولا هر چاپ جديد از آيين نامه ساختماني بازتابي از نتايج حاصل از آخرين زمين لرزه هاي ثبت شده و تجزيه وتحليل آنها مي‌باشد.

به طور كلي دو روش براي ساخت سازه اي مقاوم در برابر زلزله موجود است:]18[

1-سازه صلب

2-سازه نرم

سازه صلب: در اينگونه سازه ها، پارامتر طراحي تغيير شكلهاي جانبي سازه تحت اثرات زلزله است بطوريكه سازه به قدري صلب ساخته مي شود كه كليه انرژي را جذب مي نمايد و بايستي با انتخاب اجزا بسيار مقاوم، توانايي جذب انرژي را به سازه داد.

سازه نرم: در اينگونه سازها، پارامتر انعطاف پذيري سازه در برابر حركات رفت وبرگشتي كه ناشي از خاصيت خميري آن است مورد استفاده قرار مي گيرد. بدين صورت كه سازه، انرژي را با حركات نوساني و درصد ميرايي آزاد مي‌كند.

با توجه به مطالب گفته شده تعيين سيستم مقاوم(اين سيستم مقاوم شامل تركيبي از عناصر سازه اي افقي وعناصر مهاربندي عمودي مي‌باشد) در برابر نيروهاي جانبي يك موضوع اساسي در طراحي سازه ها مي باشد، كه در اينجا روي سيستم هاي مهاربندي عمودي بحث خواهد شد.

شكل (1-1)- نقشه پهنه بندي خطر نسبي زمين لرزه در ايران

فصل دوم

رفتار سازه ها تحت بار زلزله

2-1-فلسفه طراحي سازه هاي مقاوم تحت بار زلزله ]13[و]9[

براي دست يافتن به سازه اي ايمن واقتصادي ،سازه هاي طراحي شده در نواحي زلزله خيز با خطر نسبي بالا بايد دو معيار عمده طراحي را تامين كنند:

الف)بايد در برابر زلزله هاي خفيف كه در طول عمر سازه اتفاق مي افتد سختي كافي به منظور كنترل تغيير مكان نسبي بين طبقات و جلوگيري از هر گونه خسا رت سازه اي و غيرسازه اي را داشته و در ضمن بايد سختي كافي براي انتقال نيروهاي زلزله به فونداسيون را دارا باشند

ب) در برابر زلزله هاي شديد بايد شكل پذيري و مقاومت كافي براي جلوگيري از خرابي كامل و فروريزي سازه را داشته باشند.

بنابراين طراحي در برابر زلزله به هيچ وجه به اين معني نمي باشد كه در برابر هر زلزله اي سازه اصلا خسارت نديده ووارد مرحله پلاستيك نشود،بلكه به منظور اقتصادي كردن طرح بايد در برابر زلزله هاي شديد به سازه اجازه داده شود كه وارد مرحله غيرخطي شده وبا تغيير شكل هاي پلاستيك به جذب واستهلاك انرژي پردازد و به همين منظور هم در آيين نامه هاي تحليل نيروي زلزله، نيروي بدست آمده از تحليل طيف الاستيك را به يك ضريب كاهش تقسيم كرده و سازه را براي برش پايه كمتري طرح مي كنند.

اين فلسفه ايجاب مي‌كند كه در طراحي سازه هاي مقاوم در مقابل زلزله به دو مطلب اساسي زير توجه شود:

الف) ايجاد سختي و مقاومت كافي در سازه جهت كنترل تغيير مكان جانبي، تا از تخريب اعضا سازه اي تحت زلزله هاي خفيف، جلوگيري به عمل آيد.

ب)ايجاد قابليت شكل پذيري واتلاف انرژي مناسب در سازه تا در يك زلزله شديد از فرو ريزش سازه جلوگيري گردد.

تامين سختي مناسب و بخصوص سختي جانبي سازه از عوامل اساسي طراحي ساختمانها مي‌باشد. در حد نهايي مقاومت، تغيير شكل هاي جانبي بايد طريقي محدود گردند كه اثرات ثانويه ناشي از بارگذاري قائم باعث شكست وانهدام سازه نگردند.

در حد بهره برداري ،اولا تغيير شكل ها بايد به مقاديري محدود شوند كه اعضاي غيرسازه اي نظير درها و آسانسورها، بخوبي عمل نمايند.ثانيا بايد براي جلوگيري از ترك خوردگي وافت سختي، از ازدياد و تشديد تنش در سازه جلوگيري نمود و از توزيع بار بر روي اعضاي غيرسازه اي نظير ميانقابها ونماها خودداري كرد. ثالثا سختي سازه بايد در اندازه اي باشدكه حركتهاي ديناميكي آن محدود شده و باعث اختلال ايمني وآرامش استفاده كنندگان وايجاد مشكل در تاسيسات حساس ساختمان نگردد.

كنترل تغيير مكانهاي جانبي ازاهميت بسياري برخوردار است. لازم به تاكيد است كه گرچه براي شاخص جابجايي مقاديري نظير پيشنهاد شده واستفاده از آن هم متداول است، ولي اين مقدار الزاما شرايط ايمني وآسايش ديناميكي را تامين نمي كند چنانچه جابجايي سازه بيش از حد باشد ميتوان با اعمال تغييراتي در شكل هندسي سازه، افزايش سختي خمشي اعضاء افقي يا سخت تركردن گره ها و يا حتي با شيب دادن ستونهاي خارجي، جابجايي را كاهش داد.

گاهي در شرايط بحراني از ميراگرهاي مختلف نيز استفاده ميشود. در هر صورت بايد جابجايي كاملا كنترل گردد، در غير اينصورت ساختماني كه از نظر سازه اي بدون نقض است غيرقابل بهره برداري ميگردد.

زمانيكه سازه تحت بارگذاري شتابنگاشت هاي زمين، به صورت ارتجاعي تحليل مي شود نيروهاي وارد بر سازه خيلي بيشتر از آن است كه آيين نامه ها مقرر مي دارند.بنابراين سازه هايي كه با آيين نامه هاي متداول زلزله محاسبه شده اند، تحت يك زلزله شديد و ياحتي متوسط تغيير شكل هاي زيادي خواهند داد. اين تغيير شكل هاي زياد با تسليم شدن بسياري از اعضا سازه همراه خواهد بود. به عبارت ديگر، براي اكثر ساختمانها از نظر اقتصادي قابل قبول نيست كه اندازه اعضا آنها به حدي بزرگ باشند كه در يك زلزله شديد بطور ارتجاعي عمل نمايند لذا شكل پذير بودن يك خاصيت اساسي براي سازه هاي مقاوم در برابر زلزله مي‌باشد. شكل پذيري مناسب در ناحيه غيرارتجاعي نيروهاي وارده از زلزله را مي راند واعضا ميتوانند قبل از فروريختن تغيير شكل هاي غيرارتجاعي يا خميري قابل ملاحظه اي را تحمل نمايند.

همچنين سازه در بارگذاري هاي تكراري (رفت وبرگشتي) نبايد رفتار نامناسب از خود نشان دهد و مقاومت آن در برابر بارهاي تكراري زوال نيابد و در مرحله غيرخطي نيز عملكرد خوبي داشته باشد. به عنوان مثال، قابهاي مهاربندي هم مركز داراي سختي مناسبي هستند ولي به دليل كمانش بادبندها تحت اثر نيروي فشاري داراي رفتار غيرخطي بسيار نامناسبي هستند و ظرفيت استهلاك انرژي بسيار پاييني دارد و انرژي جذب شده در مرحله حلقه هاي مختلف بر روي هم انباشته شده وباعث گسيختگي بادبند مي شود.

علاوه بر شكل پذيري سازه، بايد از مصالح شكل پذير نيز استفاده گردد. به عنوان نمونه شكل (2-1)نمودار نيرو- تغيير شكل مصالح شكننده مانند بتن وآجر ومصالح شكل پذير مانند فولاد وآلومينيوم را نشان مي‌دهد.]15[

2-2-رفتار مناسب سازه تحت بارگذاري متناوب

سطح زيرمنحني تنش –كرنش، متناسب با انرژي جذب شده توسط جسم مي‌باشد. هر قدر سطح زيرمنحني بزرگتر باشد قابليت جذب انرژي جسم بيشتر مي‌باشد، بنابراين مقاومت جسم در مقابل گسيختگي بيشتر خواهد شد.

از تمام انرژي كه به جسم وارد مي شود فقط بخشي مربوط به ناحيه ارتجاعي باز پس گرفته مي‌شود و باقي انرژي به صورت فرم هاي خميري در جسم تلف شده وعملا غيرقابل برگشت مي‌باشد

اگر جسم ارتجاعي نباشد ويا بارگذاري از حد ارتجاعي گذشته باشد، تغيير فرم بصورت داخلي در جسم باقي مي ماند. در چنين حالتي پس از باربرداري كاملا به نقطه شروع برنگشته وبه نقطه ديگري مانند نقطه O1 در شكل (2-2) مي رسد و اگر نيروي فشار به كششي تبديل شود به نقطه B مي رسد و پس از باربرداري نيز به نقطه O2 مي رسد.

سطح داخلي منحني حلقه اي شكل (هيسترزيس) عبارت از مقدار انرژي تلف شده مي‌باشد وهر قدر هسيترزيس چاق تر باشد اين انرژي تلف شده بيشتر خواهد بود.]15[

رفتارمنحني هيسترزيس به دو دسته تقسيم بندي مي شود كه عبارت است از:

الف) هيسترزيس ثابت(خوب)

ب)هيسترزيس كاهنده(بد)

شكل (2-3) رفتار خوب يا ثابت را در برابر زلزله نشان ميدهد،كه نشان دهنده شكل پذيري زياد، ظرفيت اتلاف انرژي زياد وچرخه هاي پسماند پايدار مي‌باشد. همچنين عدم كاهش مقاومت وعدم كاهش سختي در اثر تناوب بارگذاري وجابجايي هاي زياد از خصوصيت هاي اين رفتار مي‌باشد.

شكل (2-4) رفتار كاهنده يا بد را در برابر زلزله نشان ميدهد. ظرفيت اتلاف انرژي كوچك بوده ومقاومت قاب براثر تكرار بارگذاري كاهش پيدا مي‌كند. در اين حالت بعد از اينكه جابجايي از مقدار متناظر با مقاومت حداكثر افزايش مي يابد، مقاومت رو به زوال رفته وشكل پذيري سازه نيز كم مي شود.

2-3-ضريب رفتار سازه ها

طراحي در برابر زلزله به هيچ عنوان به اين معني نيست كه سازه در برابر زلزله هيچ خسارتي نديده ويا وارد مرحله پلاستيكي نشود، بلكه به منظور اقتصادي بودن طرح بايد در برابر زلزله هاي شديد به سازه اجازه وارد شدن به مرحله غيرخطي داده شود و با تغيير شكل هاي پلاستيك به جذب واستهلاك انرژي پردازد و به همين منظور هم در آيين نامه هاي تحليل نيروي زلزله، نيروي بدست آمده از تحليل طيف الاستيك را به يك ضريب كاهش تقسيم نموده و سازه را براي برش پايه كمتري طرح مي كنند. ]25[و]18[

اين ضريب عبارت است از:

(2-1)

كه:

:مقاومت الاستيك مورد نياز زلزله

:مقاومت طراحي شده سازه

مي‌باشد.

با توجه به روشهاي طراحي بارنهايي وبار مجاز به ترتيب برابر خواهد

بود وداريم:

(2-2) =روي بار نهايي

(2-3) =روش بار مجاز

حال با توجه به شكل (2-5) تعاريف زير را خواهيم داشت:

الف)ضريب شكل پذيري كل سازه عبارت است از نسبت تغيير شكل حداكثر به تغيير شكل جانبي نسبي

(2-4)

ب)ضريب كاهش در اثر شكل پذيري عبارت است از نسبت نيروي نهايي وارده به سازه در صورتيكه سازه كاملا الاستيك بماند به نيروي متناظر با حد تسليم كلي سازه در هنگام تشكيل مكانيزم خرابي

(2-5)

ج)ضريب كاهش در اثر اضافه مقاومت عبارت است از نسبت نيروي متناظر با حد تسليم كلي سازه در هنگام تشكيل مكانيزم خرابي ) ( به نيروي متناظر با تشكيل اولين مفصل خميري در سازه