2-3-روش طراحی لرزه­ای براساس عملکرد سازه…………. 30
2-3-1-فواید طراحی براساس عملکرد………………. 31
2-3-2-شکل­پذیری در روش طراحی براساس عملکرد……… 32
2-3-3-معیارهای پذیرش اعضا در روش طراحی براساس عملکرد 34
2-3-4-فلسفه ی طراحی براساس عملکرد…………….. 35
2-4- بر یافته های دیگر محققین……………… 36
2-4-1-تحقیقات طاهری بهبهانی………………….. 36
2-4-2-تحقیقات Repapis و همکاران……………….. 37
2-4-3-تحقیقات Kunnath و همکاران………………. 38
2-4-4-تحقیقات Elnashai و همکاران……………….. 39
2-5-جمع بندی و نتیجه گیری…………………….. 40
فصل 3: روش تحقیق……………………………… 42
3-1-مقدمه…………………………………… 43
3-2-معرفی نمونه ها…………………………… 43
3-2-1-تعیین جزئیات سازه ای…………………… 44
3-2-1-1-مدلسازی و هندسه……………………. 44
3-2-1-2-بارگذاری………………………….. 45
3-2-1-3-نتایج طراحی نمونه ها……………….. 48
3-3-ارزیابی…………………………………. 50
3-3-1-مدلسازی……………………………… 50
3-3-1-1-مدلسازی کلی سازه…………………… 50
3-3-1-2-مدلسازی اعضا………………………. 51
3-3-1-3-مدلسازی رفتار مصالح………………… 52
3-3-1-4-مقاومت اعضای سازهای………………… 52
3-3-1-5-بررسی منحنی رفتاری اعضاء……………. 53
3-3-2-بررسی نرم افزارهای کاربردی……………… 54
3-3-3-بررسی مشخصه های تحلیل نمونه ها………….. 54
3-3-3-1-روش تحلیل…………………………. 54
3-3-3-2-بارگذاری………………………….. 55
3-3-3-2-1-الگوی بارگذاری…………………. 56
3-3-3-3-تغییر مکان هدف…………………….. 56
فصل 4: نتایج و تفسیر………………………….. 61
4-1-مقدمه…………………………………… 62
4-2-بررسی نتایج……………………………… 63
4-2-1-بررسی نتایج و تعیین ضرایب نمونه سه طبقه….. 66
4-2-2-بررسی نتایج و تعیین ضرایب نمونه پنج طبقه…. 69
4-2-3-بررسی نتایج و تعیین ضرایب نمونه هفت طبقه…. 72
4-2-4-بررسی نتایج حاصل از شکل پذیری سازه………. 72
4-3-تعیین عملکرد لرزهای اعضاء…………………. 74
4-3-1-عملکرد لرزهای اعضا در ساختمان سه طبقه……. 79
4-3-2-عملکرد لرزهای اعضا در ساختمان پنج طبقه…… 84
4-3-3-عملکرد لرزهای اعضا در ساختمان هفت طبقه…… 89
 
فصل 5: جمع بندی و نتیجه گیری…………………… 90
5-1-جمع بندی………………………………… 91
منابع و مراجع………………………………… 95
 
 
 
 
 
 
فهرست اشکال
شکل(2-1) ارتباط بین ضریب کاهش نیرو ، اضافه مقاومت ، ضریب کاهش به علت شکل پذیری و ضریب شکل پذیری ………………….. 19
شکل(2-2) منحنی نیرو- تغییر شکل عضو……………… 32
شکل(2-3) معیارهای پذیرش اعضا در سطوح مختلف عملکردی… 34
شکل(2-4) نتایج مطالعاتKunnath و همکاران………….. 38
شکل(3-1) نمایی از قاب نمونههای مورد مطالعه در تعداد طبقات 3، 5 و 7   44
شکل(3-3) منحنی رفتاری عضو……………………… 51
شکل(3-4) منحنی ساده شده برش پایه- تغییرمکان………. 58
شکل (4-1) منحنی رفتاری ساختمان سه طبقه تحت الگوی بار نوع اول   64
شکل (4-2) وضعیت رفتاری ساختمان سه طبقه تحت الگوی بار نوع یک    64
شکل (4-3)منحنی رفتاری ساختمان سه طبقه تحت الگوی بار نوع دوم    65
شکل (4-4) وضعیت رفتاری ساختمان سه طبقه تحت الگوی بار نوع دوم   65
شکل(4-5) منحنی رفتاری ساختمان پنج طبقه تحت الگوی بار نوع اول   67
شکل (4-6) وضعیت رفتاری ساختمان پنج طبقه تحت الگوی بار نوع اول  67
شکل (4-7) منحنی رفتاری ساختمان پنج طبقه تحت الگوی بار نوع دوم  68
شکل (4-8) وضعیت رفتاری ساختمان پنج طبقه تحت الگوی بار نوع دوم  68
شکل (4-9) منحنی رفتاری ساختمان هفت طبقه تحت الگوی بار نوع اول  70
شکل (4-10) وضعیت رفتاری ساختمان هفت طبقه تحت الگوی بار نوع اول 70
شکل (4-11) منحنی رفتاری ساختمان هفت طبقه تحت الگوی بار نوع دوم 71
شکل (4-12) وضعیت رفتاری ساختمان هفت طبقه تحت الگوی بار نوع دوم 71
شکل(4-13) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت X 75
شکل(4-14) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت X 75
شکل(4-15) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت Y 76
شکل(4-16) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت Y 76
شکل(4-17) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت X 77
شکل(4-18) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت X 77
شکل(4-19) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت Y 78
شکل(4-20) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت Y 78
شکل(4-21) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت X 80
شکل(4-22) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت X 80
شکل(4-23) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت Y 81
شکل(4-24) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت Y 81
شکل(4-25) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت X 82
شکل(4-26) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت X 82
شکل(4-27) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت Y 83
شکل(4-28) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت Y 83
شکل(4-29) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت X 85
شکل(4-30) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت X 85
شکل(4-31) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت Y 86
شکل(4-32) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت Y 86
شکل(4-33) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت X 87
شکل(4-34) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت X 87
شکل(4-35) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت Y 88
شکل(4-36) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت Y 88
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جداول
(3-1) مقادیر ضریب بازتاب ( ) و ضریب زلزله ( ) در نمونه های مورد مطالعه 47
جدول(3-2) مقاطع تیر، ستون و بادبند نمونه 3 طبقه 48
جدول(3-3) مقاطع تیر، ستون و بادبند نمونه 5 طبقه 49
جدول(3-4) مقاطع تیر،ستون و بادبند نمونه 7 طبقه 49
جدول (3-5) مقادیر 59
جدول (3-6) مقادیر ضریب . 60
جدول (3-7) مقادیر ضریب 60
جدول(4-1) پارامترهای رفتاری ساختمان سه طبقه 66
جدول(4-2) پارامترهای رفتاری ساختمان پنج طبقه 69
جدول(4-3) پارامترهای رفتاری ساختمان پنج طبقه 72
 

 
 
 
 
 
 
فصل 1: مقدمه
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1-1-مقدمه
در سالهای اخیر فلسفه روش­های سنتی که در طراحی سازه در مقابل مخاطرات طبیعی بر مبنای آنها صورت میگرفت، دچار تغییرات عمده­ای شده است. تخریب گسترده سازه­های طراحی شده بر مبنای آئین­نامه­های قدیمی در زلزله­های اخیر، پیشرفت­های به وجود آمده در روشهای تحلیل و نیازهای عملکردی پیچیده­تر مورد انتظار صنایع ساختمانی منجر به معرفی روشهای موثرتری در طراحی سازه­ها شده­است. یکی از این روش­ها که در بسیاری از آئین­نامه­ها وجود دارد و سبب ساده­سازی مراحل طراحی میشود، روش تحلیل استاتیکی معادل میباشد که در آن نیروهای طراحی به وسیله ضریب رفتار کاهش داده میشوند. این روش بر این فرض استوار است که مقاومت سازه از مقداری که طراحی بر اساس آن صورت میگیرد، بزرگتر است و به علاوه سازه تحت زلزله با ورود به مرحله غیر خطی، بخشی از انرژی زلزله را جذب می­کند. طراحی لرزه­ای مطلوب برای ساختمان را می­توان دستیابی به سازه­ای با عملکرد مطلوب، به مفهوم امکان ایجاد خسارت کنترل شده و از قبل پیش­بینی شده در حین زلزله برای ساختمان دانست ضمن آنکه تخمین نادرست مشخصات زلزله و رفتار سازه و عملکرد آن در مواجهه با زلزله از دلایل مهم آسیب­های شدید وارد بر سازه میباشد. به جهت شناخت هر چه بهتر این مشخصات و ویژگی ها، در قبال روش­های تجویزی مرسوم در آئین­نامه­های پیشین که طراحی را بر اساس نیروهای کاهش یافته زلزله بیان میکرد، آئین­نامه­های طراحی و بهسازی لرزه­ای ارائه گردید که طبق آن طراحی لرزه­ای سازه به روش طراحی بر اساس عملکرد پیشنهاد میگردد.
به دلیل غیر اقتصادی بودن رفتار الاستیک سازه تحت زلزله، هدف اصلی در طراحی لرزه­ای ساختمان­ها بر این مبناست که رفتار ساختمان، در مقابل نیروی ناشی از زلزله­های کوچک بدون خسارت و در محدوده خطی مانده و در مقابل نیروهای ناشی از زلزله شدید، ضمن حفظ پایداری کلی خود، خسارت­های سازه­ای و غیر سازه­ای را تحمل کند. به همین دلیل مقاومت لرزه­ای که مورد نظر آئین­نامه­های طراحی در برابر زلزله است، عموما کمتر و در برخی موارد، خیلی کمتر از مقاومت جانبی مورد نیاز برای حفظ پایداری سازه در محدوده ارتجاعی، در یک زلزله شدید است. بنابر این، رفتار سازه­ها به هنگام رخداد زلزله های متوسط و بزرگ وارد محدوده غیر ارتجاعی میگردند و برای طراحی آنها نیاز به یک تحلیل غیر ارتجاعی است. ولی به دلیل پر هزینه بودن این روش و عدم گستردگی برنامه­های غیر ارتجاعی و سهولت روش ارتجاعی، روشهای تحلیل و طراحی متداول، بر اساس تحلیل ارتجاعی مورد نیاز عموما با استفاده از ضرایب کاهش مقاومت انجام میشود[2].
یکی از مشکلات موجود در زمینه ضریب رفتار در آئین­نامه­های قدیمی، مربوط به تجربی بودن مقادیر پیشنهاد شده بود. یعنی با وجود اینکه ضرایب رفتار تعیین شده در آئین­نامه­های لرزه­ای در نظر داشتند بیانگر رفتار هیستریک، شکل پذیری، مقاومت افزون، میرایی و ظرفیت استهلاک انرژی باشند، مقادیر این ضرایب در آئین نامه های زلزله، اصولا بر اساس مشاهدات عملکرد سیستم­های ساختمانی مختلف، در زلزله­های قوی گذشته، بر مبنای قضاوت مهندسی بود. بر این اساس، پژوهش­های زیادی در این زمینه صورت گرفت تا مقادیری مبتنی بر مطالعات تحقیقاتی و پشتوانه محاسباتی در آئین­نامه­های زلزله بیان شود که در نهایت منجر به اصلاح این ضرایب بر اساس مطالعات علمی شد.
ضریب رفتار اولین بار در گزارش 06-3 ATC در سال 1978 ارائه گشت. در این گزارش، مقادیر پیشنهاد شده برای ضریب رفتار بر اساس نظر مجموعه­ای از مهندسان خبره استوار بود. به همین دلیل روش مشخصی برای تعیین مقدار آن ارائه نشده بود. همچنین در مقررات NEHRP مربوط به سالهای 1997 و 2000 (FEMA369 و FEMA303) که الهام گرفته از 06-3 ATC بود، بر تجربی بودن ضرایب کاهش تاکید شده است[11و13]. در برخی از آئین نامه های طراحی لرزه­ای، مطلبی ناظر در محاسبه این ضرایب ارائه شده، حال آن که در بیشتر آئین­نامه­ها مقادیر آنها بر مبنای قضاوت مهندسی، تجربه و مشاهده عملکرد ساختمان­ها در زلزله­های گذشته و چشم پوشی از تراز مقاومت افزون آن­ها استوار است[15]. از این رو و با توجه به مطالب فوق، ارزیابی ضرایب رفتار و بررسی ارتباط میان پارامترهای مؤثر در آن برای سازه­هایی که مطابق آئین­نامه­های طراحی میشوند، اهمیت ویژه­ای دارد. لذا در اکثر آئین­نامه­های طراحی لرزه­ای جدید، روش­های تعیین آن ذکر شده است.
در این پژوهش بر خلاف آئین­نامه ایران، ضرایب رفتار برای فهم بهتر به اجزای تشکیل دهنده آن تجزیه میشود. البته امروزه در اکثر آیین­نامه­ها، به جای تعریف یک مقدار معین برای یک نوع قاب سازه­ای، اجزای ضریب رفتار برای قاب­های با شکل­پذیری­های مختلف و بسته به لرزه­خیزی منطقه تعریف می شوند، که از جمله آن­ها میتوان به آیین­نامه کانادا اشاره نمود.
با توجه به تحولات زیادی که از زمان تدوین آئین­نامه ایران در طرح ساختمان­ها در برابر زلزله (استاندارد 2800) در سال 1366 تاکنون در امر مهندسی زلزله صورت گرفته است و نیز با وجود کاربرد وسیع این آئین­نامه در طراحی ساختمان­های مختلف کشور، آگاهی از محتوای این آئین­نامه و مفاهیم آن امری مهم میباشد. تدوین اغلب آیین­نامه های کاربردی طرح لرزه­ای ساختمان­ها، با هدف جلوگیری از تلفات جانی و خسارات احتمالی و نیز دستیابی به طرحی اقتصادی برای سازه انجام گرفته­است. از جمله عوامل تأثیر­ گذار در دستیابی به این هدف می­توان به دو عامل مقاومت و شکل­پذیری سازه اشاره کرد. عوامل مذکور از مهمترین پارامترهای موثر در طراحی لرزه­ای بسیاری از آئین­نامه­ها، از جمله استاندارد 2800 است. تأمین این دو پارامتر در روش طراحی آئین­نامه­های مذکور با توجه به برآورد اهداف مورد نظر این آئین­نامه­ها در زلزله­های خفیف، متوسط و شدید میباشد. این اهداف با توجه به انتظاراتی که از رفتار سازه­ها در هنگام وقوع زلزله­هایی که ممکن است در طول مفید ساختمان اتفاق بیافتد و نیز میزان خسارات احتمالی وارده به سازه در حین زلزله در نظر گرفته شده­است.
در دهه­های اخیر با بررسی نتایج زمین لرزه­های پیشین و خسارات وارده به سازه­های موجود، پرداختن به مفاهیم شکل­پذیری بیش از پیش مورد توجه محققین قرار گرفته­است. از آن جمله، پس از وقوع زلزله در شهر سان­فرناندو در ایالات کالیفرنیای آمریکا در سال 1971 و با توجه به خرابی­های زیاد ایجاد شده در اثر این زلزله، تحولات بسیاری در ضوابط آیین­نامه­های طراحی لرزه­ای آمریکا حاصل گردید و مفاهیم شکل­پذیری مورد توجه ویژه قرار­گرفت. همچنین بررسی­ها بر علل خرابی­های زلزله­های رخ داده در سال­های اخیر از جمله زلزله­ی نور­تریج (لس آنجلس) در سال 1993، زلزله­ی سال 1994 در کوبه (ژاپن) و نیز زلزله رودبار­– منجیل (ایران) در سال 1369 اهمیت قابلیت شکل­پذیری سازه در استهلاک انرژی زلزله را نمایان ساخت و ضوابط طراحی بسیاری از آیین­نامه­های لرزه­ای با نگرشی جدید در جهت تأمین این پارامتر در سازه مورد باز بینی و تحول قرار گرفت.
در آئین­نامه­های موجود طراحی لرزه­ای نیز استفاده از قابلیت جذب انرژی زلزله با در نظر گرفتن رفتار غیر­خطی سازه از اهداف اصلی طراحی میباشد. از آنجا که تعیین دقیق ظرفیت تغییر شکل سازه مستلزم تحلیل­های غیر خطی سازه بوده و با توجه به زمان بر بودن این نوع تحلیل­ها و از طرفی سهل بودن آنالیزهای خطی نسبت به تحلیل­های غیر خطی، در این آئین­نامه­ها به صورت کلی برای سیستم­های مختلف سازه­ای ضرایب کاهنده­ای موسوم به ضریب رفتار ® ارائه گردیده­است که این ضرایب به منظور کاهش نیروهای زلزله با در نظر گرفتن عملکرد غیر خطی سازه­ها میباشد. تعیین ضریب مذکور در آئین­نامه­های طراحی لرزه­ای با توجه به عوامل متعددی از جمله شکل­پذیری سازه، اضافه مقاومت، میرایی و نیز ضرایب اطمینان بکار گرفته شده در ضوابط طراحی ساختمان­ها می­باشد. بدین ترتیب در این آئین­نامه­ها اجازه داده میشود با استفاده از این قابلیت سازه و بکارگیری ضرایب فوق الذکر، سازه را برای نیرویی به مراتب کوچکتر از نیروی واقعی زلزله طرح نمود. در این آئین­نامه­ها این ضرایب با توجه به مشخصات سازه مورد نظر، به لحاظ سیستم باربر جانبی، مشخص و در قالب جداولی به عنوان ضرایب کاهش نیروی پیشنهادی آئین­نامه، به منظور تعیین نیروی زلزله طراحی سازه در اختیار طراح قرار داده شده­است.
از طرفی در نسل جدید آیین­نامه­های طراحی و بهسازی لرزه­ای که از روش طراحی بر اساس عملکرد در جایگزینی با روش­های تجویزی استفاده می شود، بررسی دقیق­تر این موضوع مد نظر قرار­ گرفته­است. در این فرآیند با توجه به رفتار واقعی اعضا تحت اثر نیروهای وارده و با در نظرگیری کلیه­ی پارامتر­های اثر گذار، از جمله مصالح، هندسه و مشخصات اعضا، شکل­پذیری متناظر با هر تلاش در هر المان برآورد می گردد. در این آیین­نامه­ها (از جمله آیین­نامه و نیز دستورالعمل بهسازی لرزه­ای ساختمان­های موجود) در تحلیل خطی، با معرفی پارامتر ” “m، موضوع شکل­پذیری مورد توجه قرار گرفته­­­است و به عنوان معیاری برای ارزیابی و پذیرش عملکرد هر یک از اعضا در سازه استفاده شده­است. در روش تحلیل غیر خطی طراحی بر اساس عملکرد نیز رفتار مورد انتظار هر یک از اعضا سازه و نیز قابلیت­های شکل­پذیری آن در حین زلزله مدنظر قرار گرفته و با تعیین منحنی رفتاری عضو و نیز معیار­های در­نظر گرفته­ شده برای سطوح عملکردی مختلف سازه در حین زلزله، اعضاء سازه مورد بررسی قرار می گیرد. بدین ترتیب در این روش طراحی لرزه­ای ، قابلیت استهلاک انرژی زلزله در سطح عضو و با توجه به میزان این توانایی در تک تک اعضای سازه­ای مورد بررسی و ارزیابی قرار می گیرد و بر این اساس رفتار کلی سازه در حین زلزله تعیین می گردد.
امروزه روش رایج و مرسوم طراحی لرزه­ای کشور، استفاده از روش طراحی بر اساس نیروهای کاهش یافته و استفاده از ضرایب پیشنهادی آئین­نامه طراحی لرزه­ای ایران، با توجه به سیستم باربر جانبی سازه مورد نظر، می­باشد. بر این اساس بررسی اعتبار ضرایب عنوان شده در آئین­نامه های لرزه­ای مورد استفاده امری مهم است.از طرف دیگر با توجه به کاربرد روز افزون از روش طراحی لرزه­ای بر اساس عملکرد در طراحی سازه­ها، پرداختن به مفاهیم این روش طراحی و استفاده از نحوه نگرش آن در بررسی اعتبار ضرایب کاهش نیروی پیشنهادی آئین­نامه لرزه­ای مرسوم و در صورت لزوم تعدیل و تصحیح این ضرایب، مؤثر می­باشد.
بر این اساس در این پایان­نامه با بهره­گیری از نتایج مطالعات انجام شده در این زمینه، مفاهیم شکل پذیری و ضرایب کاهش نیروی متأثر از شکل­پذیری و همچنین ضرایب شکل­پذیری مورد استفاده در آئین­نامه­های طراحی لرزه­ای به دو شیوه فوق­الذکر مورد تحقیق قرار گرفته­است. بدین منظور سه ساختمان 3، 5 و 7 طبقه منظم با سیستم قاب مهاربندی شده با استفاده از مهاربند­های هم محور (CBF) مورد بررسی قرار کرفته است. در بررسی این ساختمان­ها، پارامتر­های رفتاری محاسبه و با مقادیر پیشنهادی آن در نتایج آئین­نامه لرزه­ای ایران (استاندارد 2800) مقایسه شده و همچنین ضریب شکل­پذیری اعضاء برای نمونه­های مورد مطالعه محاسبه و ارتباط بین این ضریب و ضریب کاهش نیروی زلزله متأثر از شکل­پذیری سازه، تعیین شده­است و در نهایت در جهت تصحیح و تعدیل ضریب کاهش، پیشنهاداتی ارائه میگردد.