محاسبه بار زلزله مطابق استاندارد ۲۸۰۰
محاسبه بار زلزله یکی از مهارت‌های با اهمیت مهندسین عمران به هنگام طراحی سازه به شمار می‌رود. با توجه به موقعیت جغرافیایی کشور ایران نیروی زلزله، یکی از با اهمیت‌ترین نیروهای وارد بر سازه به شمار می‌رود. 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.
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:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
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 )
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
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 :
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.
