بار زلزله و محاسبه آن

محاسبه بار زلزله مطابق استاندارد ۲۸۰۰

محاسبه بار زلزله یکی از مهارت‌های با اهمیت مهندسین عمران به هنگام طراحی سازه به شمار می‌رود. کمتر پیش می‌آید که مهندسین محاسب و طراح سازه کم‌تجربه و یا به‌صورت کلی مهندسین عمران و معمار به دنبال علت وقوع زمین‌لرزه باشند! با توجه به موقعیت جغرافیایی لرزه‌خیز بودن کشور ایران و وقوع چندین زلزله نسبتاً بزرگ طراحی و ساخت‌وسازهای مقاوم در برابر زلزله، نیروی زلزله، یکی از بااهمیت‌ترین نیروهای وارد برسازه به شمار می‌رود که نیاز است جامعه مهندسی عمران کشور و کارفرمایان توجه ویژه‌ای به آن داشته باشند.در طول تاریخ زلزله های بزرگ با پیامد های فاجعه باری را بر خود دیده است که بعضاً در سطح بین‌المللی بودند و بعضاً در سطح کشورمان ایران مانند زلزله بم، زلزله سرپل ذهاب، زلزله رودبار، زلزله بویین‌زهرا، و در سطح بین‌المللی زلزله ارمنستان، زلزله ترکیه، و بسیاری از زلزله‌ها و زمین لرزه‌های دیگر.
دوستان عزیزم زلزله به‌گونه‌ای عمل می‌کند که ابتدا ایجاد می‌شود و یک سری تلفات و خسارت‌های مالی و جانی ایجاد می‌کند دوستان،، خانواده، جان و مال، ثروت ما را تهدید می‌کند و بعد از آنکه تمام شد و تلفاتش را داد گروه‌های تحقیقات لرزه‌ای وارد آن منطقه می‌شوند کنش و واکنش خاک و سازه را بررسی می‌کنند در مورد تجربیات افراد صحبت می‌کنند تا ببینند شتاب زلزله و شتاب زمین و فاصله کانونی‌اش به چه صورت مقایسه شده و بعدازآن یک سری نتایج کلی را می‌گیرند و بعدها از این نتایج در آیین‌نامه‌ها استفاده می‌کنند.
محاسبه بار زلزله جهت طراحی مطمئن لرزه‌ای سازه‌ها، به تسلط بر آیین‌نامه ۲۸۰۰ نیاز دارد. برای این منظور بایستی ابتدا نیروی برشی پایه ناشی از زلزله را محاسبه کرده سپس آن را در بین طبقات توزیع کنیم.در این مقاله از شهر نوین عمران ومعماری ما به شما در کمتر از چند دقیقه آموزش میدهیم که چگونه یکی از مهم‌ترین بار های وارده بر سیستم های باربر سازه ای را محاسبه کنید.

محاسبه بارهای جانبی مثل بار باد و بارزلزله یکی از مهارت‌های با اهمیت مهندسین عمران به هنگام طراحی سازه به شمار می‌رود. امروزه رشته مهندسی عمران به دلیل بازار کار مناسب یکی پر طرفدارترین رشته‌ها است. افراد بسیاری به هدف فعالیت در زمینه‌های مختلف عمران، به تحصیل دروس مختلف این رشته می‌پردازند. اما آنچه که بسیار بیشتر از گذراندن واحدهای درسی برای موفقیت در این بستر اهمیت دارد، .تسلط مهندس بر نرم افزارها و آیین‌نامه‌های مختلف است.
شما همراهان همیشگی شهر نوین عمران ومعماری میتوانید جلسه ۲۱ آموزش ایتبس شهر نوین عمران ومعماری را که در مورد محاسبه بار زلزله میباشد را مشاهده کنید.

 

 

 

 

تمایل دارید این جلسه و جزوه آموزشی آن را دانلود کنید؟
اين جلسه حاوي

1. فيلم آموزشي بالا
2. ۲ جزوه آموزشي براي درک بهتر ويديو به زبان فارسي

ميباشد، اگر تمايل داريد تمامي۴۴ قسمت آموزش ايتبس و تمامي جلسات آموزش سيف را دانلود کنيد، بايد عضو الماسي شهر نوين عمران ومعماري باشيد! چنانچه تاکنون ثبت نام نکرديد از طريق دکمه زير ثبت نام کنيد.

تاکنون بيش از ۲۰۰۰ نفر عضو الماسي شهر نوين عمران ومعماري شده اند!

هزينه عضويت تنها ۲۹ هزار تومان

خيلي سريع من را عضو الماسي کن!

 

زلزله چیست؟
زلزله یک اتفاق غیرقابل پیش‌بینی است که در صورت بروز آن اگر اصول ایمنی به‌درستی رعایت نشود می‌تواند خطرات و عواقب جبران‌ناپذیری داشته باشد.زلزله انسان‌ها را نمی‌کشد، اما سازه‌ها ضعیف طراحی‌شده را چرا!

زلزله می‌تواند اثاثیه داخل ساختمان‌ها را با کسری و یا حتی با شتابی نزدیک به‌شتاب زمین به اطراف پرتاب نماید. مسلماً چنین پرتابه‌هایی می‌تواند بسیار خطرناک باشند و حتی وقتی ساختمان هیچ آسیبی از زلزله نبیند باعث تلفات جانی گردد!

درواقع وقتی فشار در لایه‌های درونی زمین زیاد باشد، باعث گسستگی در سنگ‌های زمین می‌شود.
لرزش ساختمان‌ها و فروریختن آن و درنهایت از بین رفتن ساختمان‌ها و جان انسان‌ها و نابودی از مشکلاتی است که باوجود زلزله اتفاق میفتد.
تلفات جانی و مالی ازجمله خساراتی است که با زلزله همراه است.
قبل و بعد از زلزله ممکن است لرزه‌هایی وجود داشته باشد که به آن پیش‌لرزه و پس‌لرزه گفته می‌شود.
لرزه‌هایی که قبل از زلزله اصلی اتفاق میفتد را پیش‌لرزه و لرزه‌های پس از زلزله اصلی را پس‌لرزه می‌گویند.
هر زلزله ممکن است پیش زلزله و پس‌لرزه داشته باشد.
به‌طورکلی صفحات پوسته زمین یک تکه نیستند و به‌وسیله شیارهایی از هم جداشده‌اند. این صفحات دارای سه نوع حرکت هستند که میزان حرکت آن‌ها ۵۰ میلی‌متر در سال است و هر نوع حرکت منجر به بروز پدیده‌ای می‌شود. بنابراین حرکات پوسته زمین به‌طورکلی شامل حرکات همگرا، واگرا و انتقالی هستند که در حرکات همگرا، صفحات به هم نزدیک می‌شوند و کوه‌ها را شکل می‌دهند. در حرکات واگرا صفحات از هم دور می‌شوند و دره‌ها را پدید می‌آورند و در حرکات انتقالی که نقش مهمی در ایجاد زلزله دارند، صفحات در کنار هم می‌لغزند.در جریان این حرکات آهسته و نسبی که بین صفحات پوسته زمین (صفحات تکتونیک یا زمین‌ساخت) به وجود می‌آید، ترک‌ها و شکاف‌هایی در نقاط مرزی صفحات شکل می‌گیرد که به آن‌ها گسل می‌گویند. گسل‌ها نسبت به هم تمایل حرکت دارند و در قسمت‌هایی که دارای سطوح نامنظم و سنگی هستند باهم چفت‌وبست می‌شوند. این چفت‌وبست در دو طرف شکاف مانع از حرکت دو امتداد پوسته می‌شود و درنتیجه نیروی زیادی در این محل‌ها انباشت می‌گردد. هرگاه این سنگ‌ها مقاومت خود را از دست بدهند یا دچار ضعف شوند، چنانچه لغزشی در این نقاط ضعیف رخ دهد، گسیختگی ایجاد شده و لغزش ناگهانی منجر به آزاد شدن نیروی زیادی که انباشت شده بود، می‌شود که می‌تواند به صفحات بالایی پوسته زمین و سازه‌ها برسد و ما آن را به شکل زلزله مشاهده کنیم.

دلیل اصلی وقوع زلزله را می‌توان، افزایش بیش‌ازحد فشار درونی لایه‌های سنگ‌ها و طبقات درونی زمین دانست. وقتی‌که سنگ‌های درون زمین شروع به شکسته شدن می‌کنند باعث آزاد شدن انرژی زیادی می‌شوند به‌طوری‌که ممکن است در ابتدا زلزله باعث ایجاد یکسری لرزه‌های خفیف و کوچک در سنگ‌ها شود که به این پدیده پیش‌لرزه گفته می‌شود بعدازاینکه فشار درونی بر مقاومت سنگ‌ها غلبه کرد انرژی نهفته آزاد می‌شود و زمین‌لرزه اصلی رخ می‌دهد. بعد از وقوع زلزله امکان پس‌لرزه هم بافاصله زمانی چند دقیقه وجود دارد که اثراتش می‌تواند به میزان زلزله مهم باشد.

زمان وقوع زلزله در طول روز یکی دیگر از عوامل است، زمان وقوع مکانِ افراد را تعیین می‌کند. هنگامی‌که زلزله در طول روز اتفاق بیافتد در نرخ تلفات آن تأثیر مستقیم دارد.

وقوع چندین زلزله مهیب در دهه ۹۰ و تخریب کامل شهر بم این تصور را در برخی افراد ایجاد کرده که وقوع زلزله‌های بزرگ یک پدیده اخیر است و یا اینکه متوان با مهاجرت به شهرهایی که دور از استان کرمان و تهران است از خطرات زلزله مصون بود!با مروری کوتاه در تاریخ ایران سریعاً به این مطلب پی می‌بریم که مشکل زلزله همواره با تاریخ این سرزمین همراه بوده و آن را متأثر کرده است. با نگاهی به پراکندگی رومرکز زلزله‌های بزرگ‌تر از بزرگای ۵ در سی سال گذشته به‌سادگی می‌توان متوجه شد که تقریباً تمام ایران به‌جز کویرهای بزرگ آن متحمل زلزله‌های بزرگی شده‌اند. حتلی مناطق کویری هم از خطرات زلزله محفوظ نیستند. انرژی زلزله می‌تواند ده‌ها کیلومتر دورتر از رومرکزش ایجاد خطر کند.

زمین‌لرزه هر نوع ارتعاشی را در برمی‌گیرد چه ارتعاش طبیعی چه مصنوعی توسط انسان – که موجب ایجاد امواج ارتعاشی می‌شود. زمین‌لرزه‌ها اغلب نتیجه حرکت گسل‌ها هستند، و همین‌طور می‌تواند حاصل فعالیت‌های آتشفشانی، ریزش کوه‌ها، انفجار معدن‌ها و آزمایش‌های هسته‌ای باشد.

زمین‌لرزه‌ها توسط دستگاه زلزله‌سنج یا لرزه‌نگار ثبت می‌شوند. هرچقدر، کانون زلزله عمیق‌تر باشد، آسیب رسیدگی هم، کمتر می‌شود.

مهندسین ساختمان یک نوع لرزه‌نگار دارند که به‌جای سرعت شتاب را می‌سنجد و فقط حساس به زلزله‌های بزرگ است.

بسته به اینکه زلزله‌نگار چه قسمتی از طیف زلزله را می‌تواند ثبت کند، زلزله‌نگارها به انواع کوتاه پریود، متوسط و بلند پریود تقسیم می‌شوند. آن دسته از زلزله‌نگارهای پیشرفته امروزی که می‌توانند طیف وسیعی از امواج زلزله را ثبت کنند، زلزله‌نگارهای باند پهن نامیده می‌شوند که از دسته گرانترین زلزله‌نگارها هستند.

زلزله‌نگارهای مدرن خروجی ولتاژ می‌دهند که به یک دیجیتایزر انتقال داده‌شده و رقومی می‌گردند. خروجی دیجیتایزر توسط یک دیتالاگر بر روی یک حافظه جانبی ثبت می‌گردد. بیشتر دیجیتایز درهای امروزی خود دارای یک دیتالاگر با حافظه جانبی‌ای که می‌تواند تا چند ماه داده‌های لرزه‌ای را ثبت کند مجهز هستند.

علم زلزله‌شناسی علمی است که در آن همکاری های بین‌المللی یک اصل بسیار مهم است. مطالعه ساختار لایه‌های عمیق زمین تنها در صورتی ممکن است که لرزه‌نگارها در تمامی سطح زمین زلزله‌ها را ثبت کنند.

● امروزه زلزله‌ها توسط شبکه‌های لرزه‌نگاری جهانی، منطقه‌ای و کشوری ثبت می‌شوند. هر شبکه متشکل از عده‌ای ایستگاه است که با استفاده هم‌زمان از اطلاعات آن می‌توان زلزله‌ها را محل یابی کرد.

امواج زلزله
در اثر شکست سنگ‌ها در امتداد یک گسل، قسمتی از انرژی الاستیک ذخیره شده به‌صورت امواج زلزله درآمده و از کانون زلزله به اطراف ساتع می‌گردد.
فشارهایی که قبل از وقوع زلزله به سنگ‌ها وارد می‌شود باعث فشرده شدن و تغییر شکل برشی سنگ‌ها می‌شود. وقتی که انرژی الاستیک سنگ‌ها در اثر گسلش آزاد می‌شود فشرد ده شدگی الاستیک سنگ‌ها باعث تولید امواج طولی و تغییر شکل برشی سنگ‌ها باعث تولید امواج عرضی می‌گردد. از آنجائیکه این امواج درون ماده تولید و منتشر می‌شوند امواج درونی نامیده می‌شوند.
وقتی که امواج درونی به سطح زمین می‌رسند، از تداخل آنها امواج سطحی درست می‌شود که معمولاً دارای دامنه بیشتری هستند و بر خلف امواج درونی که در همه زمین منتشر می‌شود فقط در یک لایه کم عمق سطحی منتشر می‌شوند.
پرسرعت‌ترین موج زلزله، موج طولی است.
سرعت امواج لرزه‌ای تابعی از حالت ماده، نوع ماده و دمای آن است.

زلزله چند ریشتری خطرناک است ؟
زلزله‌ها از کمتر از ۲ ریشتر تا ۱۰ ریشتر و یا بیشتر متغیر هستند که تاکنون زلزله ۱۰ ریشتری و یا بیشتر از ۱۰ ثبت نشده است.
زمین لرزه‌هایی با درجه کمتر از ۱ ریشتر توسط انسان غیرقابل شناسایی هستند. رنج حدودی ۲ ریشتر را اکثریت انسان‌ها احساس نمی‌کنند.
در مقیاس ۳ ریشتری، زلزله در نواحی محدوده رخداد قابل احساس است.
در زلزله‌های ۴ ریشتری، ساختمان‌ها به لرزه در می‌آیند.
زلزله‌های ۵ ریشتری می‌توانند آسیب رساننده باشند.
زلزله‌های ۴ تا ۵ ریشتر اجزای داخل ساختمان می‌لرزند ولی تلفات ندارد.
در ۶ تا ۷ ریشتر اگر ساختمان‌ها از مصالح ضد زلزله استفاده نکرده باشند، خسارات برجای می‌ماند.
زلزله‌های ۸ تا ۱۰ ریشتر خطرناک هستند و تلفات و خسارات غیرقابل جبرانی را در پی خواهند داشت و تخریب کامل اتفاق میفتد.

زمین لرزه چگونه به وجود می آید؟
به لرزش زمین در اثر آزاد شدن ناگهانی انرژی از پوسته زمین، زلزله یا زمین‌لرزه می‌گویند. به‌طورکلی زمین از سه لایه به نام‌های پوسته، گوشته (جبه) و هسته تشکیل‌شده است که بیرونی‌ترین لایه آن پوسته می‌باشد. پوسته زمین در برابر جبه و هسته دارای ضخامت اندک اما صلبیت بسیار زیاد می‌باشد که بر روی لایه‌های زیرین سیال گونه، شناور است و این پوسته از صفحاتی چسبیده به هم تشکیل‌شده است که براثر نیروهای وارد از جبه زمین به پوسته، نسبت به هم دارای حرکت می‌باشند (در سال حدود ۵۰ میلی‌متر). از همین رو است که می‌توان پوسته زمین را همانند پوست تخم‌مرغ شکسته شده دید که بر روی زرده و سفیده شناور است.
در اثر حرکات نسبی بین صفحات زمین که به آن صفحات تکتونیک یا زمین‌ساخت نامیده می‌شوند، ترک‌ها و شکاف‌هایی در مرزها و درون این صفحات به وجود می‌آید که عامل ایجاد زلزله‌ها و لرزش زمین‌اند. این شکاف‌ها گسل نام دارند.
گسل‌ها شکاف‌ها یا شکستگی‌های در پوسته زمین هستند که در لبه یا لبه‌های شکاف نسبت به هم تمایل به حرکت‌دارند. از طرفی این لبه‌ها که بخشی از پوسته سنگی و سخت زمین هستند دارای سطوح نامنظم و سنگی بوده که باهم قفل و بست شدیدی دارند. قفل و بست بین این لایه‌های عظیم سنگی در دو طرف شکاف مانع حرکت دو امتداد پوسته در گسل شده و به همین علت انرژی کرنشی عظیمی طی سالیان در محل این قفل و بست ها جمع شده تا نهایتاً سنگ‌ها در آن محل‌ها مقاومت خود را ازدست‌داده و ناگهان گسیخته می‌شوند و این قفل و بست ناگهان تبدیل به حرکت و جابجایی شده و باعث شده آن انرژی کرنشی عظیم انباشت شده به یک‌باره آزاد شود و خود را به‌صورت امواج لرزه‌ای نشان دهند.

ازجمله توانایی‌های مورد انتظار از یک مهندس عمران به‌خصوص افرادی که درزمینه ساختمان فعالیت دارند توانایی طراحی سازه است. امروزه با گسترش کاربرد رایانه به‌منظور سرعت بخشیدن در انجام محاسبات، تسلط به نرم‌افزار های طراحی اهمیت ویژه‌ای پیداکرده است. ولی نکته بسیار مهمی که در این مقوله می‌بایستی موردتوجه قرار گیرد استفاده از این نرم‌افزارها به‌صورت اصولی و منطبق با آیین نامه‌های طراحی است.

آنچه که از یک مهندس عمران توانا انتظار می‌رود این است که بتواند طراحی سازه‌ها را با انطباق کامل نسبت به آیین‌نامه‌های داخلی به انجام برساند. برای یک طراحی سازه‌ای موفق نخستین چیزی که نیاز است این است که فرد طراح انواع بارهای وارد بر سازه را شناخته و محاسبه کند. با توجه به موقعیت جغرافیایی کشور ایران، و قرارگیری آن بر روی گسل‌های مختلف، نیروی زلزله و نیروی باد ، یکی از با اهمیت‌ترین نیروهای وارد بر سازه به شمار می‌رود. محاسبه بار زلزله جهت طراحی مطمئن لرزه‌ای سازه‌ها، به تسلط زیاد بر آیین‌نامه ۲۸۰۰ نیاز دارد. ما در این مقاله به شما مهندس گرامی نحوه به کارگیری این آیین‌نامه را برای محاسبه نیروی زلزله، آموزش می‌دهیم.

 

نکات اولیه پیش از شروع محاسبه بار زلزله :

این بخش نخستین قدم برای شروع محاسبه نیروی زلزله برای طراحی لرزه‌ای سازه‌ها، محسوب می‌شود. برای اینکه بتوانیم با سرعت بیشتری با استاندارد ۲۸۰۰ به محاسبه بار زلزله بپردازیم، لازم است که در ابتدا با مفاهیم آشنایی نسبی پیدا کرده و نکاتی را در نظر بگیریم. این نکات به تفکیک در زیر آمده‌اند:

1. به طور کلی برای تحلیل یک سازه جهت محاسبه بار زلزله در آن، می‌توان به دو روش خطی و غیرخطی عمل نمود. روش خطی خود شامل روش‌های «تحلیل استاتیکی معادل»، و «تحلیل دینامیکی طیفی» و «تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی»، و روش غیرخطی شامل «تحلیل استاتیکی غیرخطی» و «تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی» است. در اینجا نحوه محاسبه نیروی زلزله به روش خطی «تحلیل استاتیکی معادل»، توضیح داده شده است. این روش در ساختمان‌های سه طبقه و کوتاه‌تر با ارتفاع کمتر از ۵۰ متر، که یا منظم بوده و یا دارای نامنظمی کمی باشد، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
2. روش محاسبه بار زلزله گفته شده در زیر، برای ساختمان‌های بتن آرمه، فولادی و چوبی به کار می‌رود. طراحی سازه‌های خاص همچون سازه‌های دریایی، سدها، نیروگاه‌های هسته‌ای، پل‌ها، و اسکله‌ها بر طبق ضوابطی که در آیین‌نامه‌های آن‌ها آمده است، انجام می‌گیرد. همچنین ساختمان‌های با مصالح بنایی نیز روش طراحی متفاوتی دارند.
3. محاسبه نیروی زلزله باید در هر دو امتداد عمود بر هم صورت گیرد. این محاسبات را مگر در مواردی که در بند ۳-۱-۴ آیین‌نامه ۲۸۰۰ ویرایش ۴ آمده است، می‌توان به صورت جداگانه انجام داد. همچنین در هر امتداد، نیروی زلزله بایستی در هر دو جهت، یعنی رفت و برگشت، محاسبه شود.
4. پس از محاسبه نیروی جانبی زلزله، در شرایطی خاصی نیاز است تا آن را افزایش داد. این شرایط در بندهای ۳-۳-۲ و ۳-۳-۱۰ آیین‌نامه ۲۸۰۰ توضیح داده شده‌است.

 

محاسبه بار زلزله به صورت عملی :

پس از اینکه با نکات اولیه پیش از شروع محاسبه بار زلزله آشنا شدیم، نوبت به محاسبه نیروی برشی پایه می‌رسد. منظور از نیروی برشی پایه، مجموع نیروهای جانبی زلزله است. این نیرو در تراز پایه به ساختمان وارد می‌شود. لازم به ذکر است که تراز پایه، ترازی از ساختمان است که به هنگام وقوع زلزله، از آن تراز به پایین‌تر بین ساختمان و زمین اختلاف حرکتی وجود نداشته باشد. در حالت کلی در ساختمان‌های بدون زیرزمین، تراز پایه سطح بالای پی بوده، و در ساختمان‌های دارای زیرزمین که در آن دیوار نگهبان به سازه متصل است، تراز پایه نزدیک‌ترین سقف زیرزمین به زمین طبیعی اطراف است. نیروی برشی پایه از رابطه زیر بدست می‌آید.

 

Vu=CW

 

در این رابطه Vu نیروی برشی در حد مقاومت، W وزن موثر لرزه‌ای و C ضریب زلزله می‌باشد. لازم به ذکر است که برای محاسبه نیروی برشی در حد تنش مجاز، بایستی آن را بر ۱/۴(یک چهارم) تقسیم کرد. همچنین وزن موثر لرزه‌ای برابر مجموع بارهای مرده و وزن تاسیسات ثابت و وزن دیوارهای تقسیم کننده، به علاوه درصدی از بار زنده و بار برف می‌باشد. در جدول زیر، درصد میزان مشارکت بار زنده و بار برف در محاسبه نیروی جانبی زلزله برای انواع ساختمان‌ها نشان داده شده است. در ادامه نکات مربوط به محاسبه C آمده است.

 

محاسبه ساختمان در برابر نيروهاي زلزله و باد به تفكيك انجام مي شود و در هر عضو سازه اثر هر يك كه بيشتر باشد، ملاك عمل قرار مي گيرد. ولي ر عايت ضوابط ويژه طراحي براي زلزله، مطابق نياز سيستم سازه در كليه اعضاء الزامي است.

ساختمان باید در دو امتداد عمود بر هم در برابر نیروی زلزله محاسبه شود. به‌طورکلی می‌توان محاسبه در هر یک از این دو امتداد را جز در موارد زیر به‌طور مجزا و بدون در نظر گرفتن نیروی زلزله در امتداد دیگر انجام داد.
الف- ساختمان‌های نامنظم در پلان
ب- کلیه ستون‌هایی که در محل تقاطع دو و یا چند سیستم مقاوم باربر جانبی قرار دارند.در این موارد چنانچه بارمحوری ناشی از اثر زلزله در ستون، در هریک از دو امتداد موردنظر، کمتر از ۲۰ درصد ظرفیت بارمحوری ستون باشد، این ضابطه را می‌توان نادیده گرفت.

در موارد فوق امتداد نیروی زلزله باید با زاویه مناسبی که حتی المقدور بیشترین اثر را ایجاد می‌کند، انتخاب شود و یا می‌توان صد درصد نیروی زلزله هر امتداد را با ۳۰ درصد نیروی زلزله در امتداد عمود بر آن را ترکیب کرد.

نحوه محاسبه ضریب زلزله ( C )

ضریب زلزله مورد استفاده در محاسبه بار زلزله، از رابطه زیر محاسبه می‌شود. در این رابطه A نسبت شتاب مبنای طرح، B ضریب بازتاب ساختمان، I ضریب اهمیت ساختمان و R_u ضریب رفتار ساختمان هستند. نحوه محاسبه هر یک از این چهار پارامتر به تفکیک در ادامه توضیح داده شده است.

C=ABI/Ru

نکته‌ای که ذکر آن در این قسمت مهم می‌نماید این است که پس از محاسبه مقدار برش پایه، بایستی آن را نسبت به حداقل مقدار آن که در زیر گفته شد است، سنجید. در صورتی که مقدار بدست آمده V_u از حداقل آن یعنی (Vu min) کمتر باشد، مقدار حداقل اتخاذ می‌گردد.

Vu( min)=0.12 AIW

۱ . محاسبه نسبت شتاب مبنای طرح ( A )

ضریب A مورد استفاده به هنگام محاسبه بار زلزله، در حقیقت نسبت شتاب مبنای طرح به شتاب ثقل است. قسمت‌های مختلف کشور با توجه به میزان خطر لرزه‌خیزی آن‌ها، به چهار دسته مناطق با خطر نسبی خیلی زیاد، مناطق با خطر نسبی زیاد، مناطق با خطر نسبی متوسط و مناطق با خطر نسبی کم تقسیم می‌گردند. ضریب A برای هر یک از این مناطق مطابق جدول زیر محاسبه می‌گردد.

 

برای اینکه بدانید هر یک از مراکز جمعیتی کشور جزو کدام یک از دسته بندی‌های گفته شده قرار می‌گیرند، به پیوست (۱) آیین‌نامه ۲۸۰۰ مراجعه نمایید. ما در اینجا برای نمونه به چند مورد اشاره می‌کنیم.

 

۲ . محاسبه ضریب بازتاب ساختمان ( B )

ضريب بازتاب ساختمان بيانگر نحوه پاسخ ساختمان به حركت زمين با توجه به نوع آن است.و تابعی از زمان تناوب اصلی ساختمان و جنس زمین است.

هر ساختمانی با توجه به نوع آن، نسبت به زمین‌لرزه به یک صورت پاسخ می‌دهد. ضریب بازتاب ساختمان مورد استفاده در هنگام محاسبه بار زلزله نشان‌دهنده نحوه پاسخ ساختمان به حرکت زمین بوده و طبق فرمول زیر محاسبه می‌شود. در این رابطه B_1 ضریب شکل طیف و N ضریب اصلاح طیف هستند.

B=B1 N

 

الف) محاسبه ضریب شکل طیف، B1
بر اساس مطالعاتی که تاکنون بر روی زلزله‌های گذشته صورت گرفته، مشاهده‌شده است که فاصله محل ساختمان نسبت به گسل منبع تولیدکننده زلزله، در بسیاری از موارد تأثیر قابل‌توجهی بر روی رفتار سازه‌ها دارد به‌گونه‌ای که اگر ساخت گاه موردنظر به گسل نزدیک باشد، در سازه‌های بازمان تناوب زیاد (سازه‌های بلند) تخریب بیشتری صورت می‌گیرد.

به همین دلیل در استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش جدید، ضریب اصلاح طیف برای در نظر گرفتن اثر حوزه دور از گسل و حوزه نزدیک به گسل واردشده است.

ضریب شکل طیف، ضریبی است که با توجه به بزرگ‌نمایی خاک در پریودهای مختلف و همچنین میزان لرزه خیزی هر ناحیه، محاسبه می‌گردد. این ضریب را می‌توان هم با استفاده از روابط زیر و هم با کمک تصاویر، بدست آورد.

 

T(0) > T > 0	B1 = S0 + (S – S0 + 1)( T/T0
T(0) > T >  Ts	B1 = S+ 1
T >  Ts	B1 =( S+1 )(T0/T

 

 

در روابط ارائه شده، پارامترهای T0 ، Ts ، S و S0 که به نوع زمین و میزان خطر لرزه خیزی منطقه وابسته‌اند، مطابق جدول و شکل زیر محاسبه می‌گردند.

 

T ، که در رابطه محاسبه ضریب شکل طیف مورد استفاده قرار گرفته، زمان تناوب اصلی نوسان ساختمان بر حسب ثانیه است. در آیین‌نامه ۲۸۰۰ ، زمانی که میخواهیم برای محاسبه بار زلزله اقدام کنیم ، این ضریب برای ساختمان‌های متعارف و غیر متعارف به صورت جداگانه محاسبه می‌گردد. منظور از ساختمان‌های متعارف، ساختمان‌هایی هستند که در آن‌ها توزیع جرم و سختی به صورت متناسب تغییر می‌کند. بر خلاف آن‌ها، ساختمان‌های غیر متعارف بوده که عموما سازه‌هایی چون مساجد، سالن‌های ورزشی، گنبد‌ها، آمفی تئاترها و غیره را شامل می‌شوند. با توجه به هدف ما از نگارش این مقاله برای محاسبه بار زلزله، تنها به ساختمان‌های متعارف می‌پردازیم. متغیر H مورد استفاده در روابط، ارتفاع ساختمان از تراز پایه می‌باشد.

 

 

• برای ساختمان‌ها با سیستم قاب خمشی، اگر جداگرهای میان‌قابی مانع حرکت قاب نشوند:

قاب فولادی	T = 0/08H”‘0.75
قاب بتن آرمه	T = 0/05H'”0.9

 

نکته: اگر جداگرهای میان قابی مانعی برای حرکت قاب‌ها ایجاد کنند، مقدار  برابر ۸۰ درصد مقادیر ذکر شده، است.

• برای ساختمان با سیستم مهاربندی واگرا، مشابه قاب فولادی ذکر شده در بالا محاسبه می‌گردد.
• برای ساختمان‌های با سیستم دیوارهای باربر، سیستم قاب ساختمانی، و سیستم دوگانه یا ترکیبی:

T=0.05H^0.75

 

ب) محاسبه ضریب اصلاح طیف ( N )
ضریب اصلاح طیف نیز که پیش از این در روند  محاسبه بار زلزله  مورد استفاده قرار گرفت، برای مناطق با خطر نسبی خیلی زیاد و زیاد، و همچنین مناطق با خطر نسبی متوسط و کم، به صورت زیر محاسبه می‌گردد:

• مناطق با خطر نسبی خیلی زیاد و زیاد

T>Ts	N=1
T > Ts > 4s	N = (0.7/( 4-Ts))(T -Ts)+1
T > 4s	N=1.4

• مناطق با خطر نسبی متوسط و کم

Ts > T	N = 1
Ts > T > 4s	N = (0.4 / ( 4 – Ts))( T – Ts ) + 1
T > 4s	N = 1.4

۳ . محاسبه ضریب اهمیت ساختمان ( I ) در محاسبه بار زلزله :

همان‌گونه که گفته شد، در فرمول محاسبه بار زلزله ضریبی تحت عنوان ضریب امنیت ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای تعریف این مقدار، ابتدا باید به طبقه‌بندی صورت گرفته در آیین‌نامه ۲۸۰۰ بر روی ساختمان‌ها اشاره کنیم. در این آیین‌نامه ساختمان‌ها با توجه به نوع کاربری و میزان آسیب رسانی ناشی از خرابی آن‌ها، در چهار گروه «ساختمان‌های با اهمیت خیلی زیاد»، «ساختمان‌های با اهمیت زیاد»، «ساختمان‌های با اهمیت متوسط» و «ساختمان‌های با اهمیت کم» طبقه بندی می‌گردند. برای آشنایی بیشتر با این طبقه بندی، به بخش ۱-۶ آیین‌نامه ۲۸۰۰ ویرایش چهار مراجعه نمایید. پس از اینکه نوع سازه مشخص گردید، ضریب اهمیت آن مطابق جدول زیر محاسبه می‌شود.

۴ . محاسبه ضریب رفتار ساختمان ( Ru ) در محاسبه بار زلزله :

ضریب رفتار ساختمان دربرگیرنده خصوصیاتی مانند شکل پذیری، نامعینی و اضافه مقاومت موجود در سازه ساختمان است. این ضریب با توجه به نوع سیستم باربر ساختمان و تمهیداتی که برای شکل پذیرکردن آن به‌کاربرده شده است .

به هنگام محاسبه بار زلزله ، برای در نظر گرفتن خصوصیاتی مانند شکل پذیری، نامعینی و همینطور اضافه مقاومت موجود، از ضریبی تحت عنوان ضریب رفتار ساختمان استفاده می‌گردد. مقدار این ضریب با توجه به نوع سیستم باربر ساختمان، برای انواع مختلف سازه‌های متفاوت است. در جدول زیر مقدار Ru آورده شده است.

 

توزیع نیروی جانبی زلزله در بین طبقات :

در مسیر محاسبه بار زلزله ، تاکنون توانسته ایم نیروی برشی پایه را در تراز پایه، محاسبه کنیم. حال وقت آن رسیده است این نیرو در بین طبقات و در حالت کلی در ارتفاع ساختمان، توزیع گردد. مقدار نیروی جانبی ناشی از زلزله در هر یک از طبقات با رابطه زیر بدست می‌آید. در این رابطه Fui برابر نیروی جانبی در تراز طبقه i، Wi برابر وزن طبقه i شامل وزن سقف و بخشی از سربار و نصف وزن دیوارها و ستون‌های قرار گرفته در بالا و پایین سقف، hi ارتفاع تراز سقف طبقه i از تراز پایه، و n تعداد طبقات ساختمان از تراز پایه به بالا می‌باشند.

 

زلزله در نرم‌افزارایتبس (ETABS ) :

زمانی که بار زلزله را محاسبه کردیم کار ما به انتها نرسیده است و حال باید این ضریب را در نرم‌افزار های طراحی و تحلیل وارد کنیم.یکی از نرم‎‌افزار های طراحی نرم ، ETABS میباشد.

شما میتوانید آموزش ویدیویی این موضوع را در آموزش های رایگان شهر نوین عمران و معماری مشاهده بفرمایید.