همان­گونه که در شکل ۱-۲۳ مشاهده می­ شود، در اثر مولفه افقی نیروی زلزله، در قاب بدون دیوار آجری پرکننده در ستون­ها و تیرها علاوه بر نیروی محوری، لنگر خمشی نیز ایجاد می­گردد اما در قاب با دیوار آجری پرکننده فقط نیروی محوری و اندرکنش قاب و دیوار ایجاد شده و لنگر خمشی حذف گردیده است. علت حذف لنگر خمشی وجود دیوار آجری پرکننده است چون همانند دیوار برشی عمل کرده و از انحنای تیرها جلوگیری می­ کند. این قاب­ها در بار جانبی ضعیف به صورت سیستم یکپارچه مقاومت می­ کنند ولی با افزایش بار جانبی قاب پیرامونی در انتهای قطر کششی از میان­قاب جدا شده و برعکس در انتهای قطر فشاری به میان­قاب تکیه می­ کند. به عبارت دیگر به علت تاثیر میان­قاب­های بنایی، رفتار قاب از حالت کنش خمشی در قاب بدون میان­قاب به کنش محوری (رفتار خرپایی) در قاب با میان­قاب تبدیل می­ شود. به این ترتیب مکانیزم دستک فشاری شکل می­گیرد. در این حالت جابجایی افقی ناشی از زلزله کمتر از قاب خالی بوده و اعضای قاب مجالی برای عملکرد خمشی نمی­یابند بلکه عمده انرژی کشسان به صورت تغییر شکل محوری اعضای قاب و قید فشاری ذخیره می­ شود. [۳۰]

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

مزایای تبدیل کنش خمشی به کنش محوری
سهم اندک قاب در باربری جانبی و کفایت طرح آن برای بار ثقلی و اندکی از بار جانبی
محدود شدن تغییر شکل­های جانبی
معایب تبدیل کنش خمشی به کنش محوری
افزایش نیروی محوری در ستون و پی
ایجاد برش­های متمرکز در بالا و پایین ستون
ایجاد برش­های متمرکز در ابتدا و انتهای تیر
ایجاد برش­های بزرگ در روی پی
در قاب با طبقه همکف باز، لنگر خمشی فقط در ستون­های طبقه همکف و تیرهای طبقه اول ایجاد شده و در سایر طبقات به علت وجود دیوار آجری پرکننده لنگر خمشی حذف و فقط نیروی محوری و اندرکنش قاب و دیوار دیده می­ شود، به عبارت دیگر رفتار قاب با طبقه همکف باز به صورت ترکیبی از رفتار قاب با دیوار پرکننده و قاب بدون دیوار پرکننده می­باشد.
۱-۱۰- علت و مکانیسم خرابی
در زلزله آنچه که باعث حرکت سازه می­ شود، تکان­های زمین بوده و هیچ نیروی خارجی به سازه وارد نمی­ شود. پس از تکان زمین، ابتدا پی و سپس ستون­ها و در نهایت سقف­ها تکان می­خورند بنابراین انرژی زلزله به صورت تکان به پی سازه وارد می­ شود. با تکان پی، جابجایی به اندازه Δ در سازه ایجاد می­ شود که در اثر این جابجایی ابتدا ستون­ها تغییر شکل داده و به اندازه Δ جابجا می­شوند و سپس سقف­ها دچار این جابجایی می­شوند. اگر پس از جابجایی پی به اندازه Δ در ستون­های یک طبقه، سختی طبقات دیگر آن قدر زیاد باشد که مانند یک بلوک صلب عمل کرده و ستون­ها نتوانند سقف­های بالا و پایین (در صورت قرارگیری طبقه نرم در طبقات میانی) را با خود همراه سازند، آنگاه سازه ظرفیت جذب انرژی و جابجایی محدودتری داشته و توزیع نیروی جانبی زلزله در امتداد ارتفاع سازه به درستی انجام نمی­ شود. این وضعیت موجب می­ شود که بیشتر انرژی زلزله به طبقه­ای که جابجایی بیشتری را تحمل می­ کند، وارد گردد. این طبقه همان طبقه نرم است. ستون­های طبقه نرم برای استهلاک انرژی، انرژی زیادی را جذب و جابجایی بیشتری را نسبت به سایر طبقات تحمل می­ کنند بگونه­ای که تغییر­شکل این ستون­ها از محدوده الاستیک وارد محدوده غیرالاستیک می­ شود. در نتیجه، دیگر طبقه نرم، سختی لازم برای تحمل برش تحمیلی ناشی از زلزله را نداشته و سرانجام در اثر جابجایی­های رفت و برگشتی ناشی از زلزله، در ابتدا و انتهای محل اتصال ستون­های طبقه نرم به طبقه یا طبقه ­های سخت مفصل پلاستیک ایجاد شده و طبقه نرم یا دچار تغییر شکل ماندگار و یا در اثر نیروی جاذبه دچار ریزش می­ شود که در بعضی مواقع ریزش طبقه منجر به ریزش کامل سازه نیز می­ شود. اگر چه به طور معمول وجود و تاثیر طبقه نرم در طبقه همکف با حساسیت بیشتری مورد توجه قرار می­گیرد ولی وجود این پدیده در طبقات فوقانی نیز ممکن است در عملکرد سازه تاثیر بسزای ایفا نماید.

شکل ۱-۲۴: فرایند خرابی سازه دارای طبقه نرم
در نمودار ۱-۳ به صورت شماتیک منحنی ظرفیت سازه در دو حالت شکست طبقه نرم و طراحی طبقه نرم و در نمودار ۱-۴ مقایسه میزان انرژی جذب شده در دو حالت شکست معمولی و شکست طبقه نرم نشان داده شده است. منحنی مربوط به شکست طبقه نرم در نمودارهای ۱-۳ و ۱-۴ با خط­چین قرمز و نمودار طراحی طبقه نرم در شکل ۱-۳ و شکست معمولی در نمودار ۱-۴ با خط آبی نشان داده شده است. همان­طوری که ملاحظه می­ شود، در حالت طراحی طبقه نرم در نمودار ۱-۳ و شکست معمولی در نمودار ۱-۴، در اثر نیروی برشی پایه، سختی سازه تغییر نکرده و سازه شکل­پذیری و قابلیت جذب انرژی خوبی را دارا می­باشد اما در حالت شکست طبقه نرم در نمودارهای ۱-۳ و ۱-۴ در اثر نیروی برشی پایه، افزایشی در سختی و مقاومت رخ داده است. ولی باید توجه کرد که مقدار این افزایش­ها آن­قدر نیست که منجر به کاهش شکل­پذیری مورد نیاز تا حدی از شکل­پذیری موجود در سازه با طبقه نرم شود. همچنین در شکست طبقه نرم سطح زیر منحنی که بیانگر میزان جذب انرژی است، شدیداً (حدود ۲ تا ۳ برابر) کاهش پیدا می­ کند. [۲۳]
نمودار ۱-۳: منحنی ظرفیت سازه در دو حالت شکست طبقه نرم و طراحی طبقه نرم. [۲۳]
نمودار ۱-۴: مقایسه میزان انرژی جذب شده در دو حالت شکست معمولی و شکست طبقه نرم. [۲۳]
۱-۱۱- عوامل موثر در تشدید خرابی
۱- اثر : مطابق ویرایش چهارم آیین­ نامه ۲۸۰۰، در کلیه سازه­ها تاثیر بار محوری در عناصر قائم بر روی تغییر مکان جانبی آنها، برش­ها و لنگرهای خمشی در اعضا و نیز تغییر مکان­های جانبی طبقات را افزایش می­دهد. این افزایش که به اثر ثانویه یا اثر معروف است، موجب خرابی بیشتری در سازه دارای طبقه نرم می­ شود. یکی از نکات مهم در خصوص شکست طبقه نرم اثر تشدید کننده است. به علت تمرکز تغییر شکل­های جانبی در یک طبقه (طبقه نرم)، اثر باعث تشدید تغییر شکل­های جانبی و احتمالاً انهدام کامل طبقه می­ شود. در نمودار ۱-۵ منحنی ظرفیت جانبی سازه در دو حالت با و بدون اثر رسم شده است.
نمودار ۱-۵: منحنی ظرفیت جانبی سازه در دو حالت با و بدون اثر .
اثر باعث کاهش مقاومت و ایجاد شیب منفی می­ شود. [۲۳]
۲- پیچش: اگر فاصله مرکز جرم و مرکز سختی در هر طبقه در هر امتداد، بیش از ۵ درصد بعد ساختمان در آن امتداد باشد، در طراحی باید پیچش نیز در نظر گرفته شود[۱]. چیدمان نامتقارن دیوار در پلان، توزیع نامنظم دیوارهای برشی و بادبندها و یا حذف آنها در یک طبقه که مصادیق طبقه نرم هستند، باعث افزایش فاصله بین مرکز جرم و مرکز سختی می­ شود، در نتیجه تحت بار جانبی پیچش شدیدی رخ داده و خرابی تشدید می­گردد. (شکل­های ۱-۲۵ و ۱-۲۶). لازم به ذکر است که اگر دیوارها با مصالح بنایی به ستون­ها چسبیده باشند، اندرکنش بین قاب و دیوار باعث افزایش سختی و افزایش فاصله بین مرکز جرم و مرکز سختی شده و پیچش رخ می­دهد.
شکل ۱-۲۵: چیدمان نامتقارن دیوار در پلان [۲۲] شکل ۱-۲۶: ترکیب طبقه نرم و پیچش [۲۲]
۱-۱۲- خرابی­های مشابه خرابی­های سازه­های دارای طبقه نرم
در زلزله­های رخ داده در مناطق مختلف جهان مواردی وجود داشته که درنگاه اول به نظر می­رسید سازه صرفه نظر از نوع اسکلت، در اثر پدیده طبقه نرم دچار ریزش شده اما پس از بررسی علت خرابی عامل دیگری مشخص می­شد. در بعضی موارد ضعف­هایی در طراحی و اجرای سازه مخصوصاً محل اتصال تیر به ستون، موجب کاهش مقاومت ستون در مقابل نیروی برشی می­ شود. در زیر به بررسی چند نمونه از این خرابی­ها و چگونگی جلوگیری از آنها به تفکیک می­پردازیم:
۱- خاموت­بندی نامناسب در سازه­های بتنی: خاموت­بندی مناسب برای ایجاد یکپارچگی و مقاومت لازم برای عملکرد متقابل بین بتن و فولاد است. نقش خاموت در مقاومت لرزه­ای، کاهش کمانش طولی، افزایش ظرفیت باربری، افزایش مقاومت و شکل­پذیری و جلوگیری از شکست برشی است. اگر تعداد خاموت­ها کم باشد، یا فاصله خاموت­ها زیاد باشد، یا خاموت­ها در چشمه اتصال امتداد نیابند و یا قلاب­ها زاویه­ی مناسب نداشته باشند، آنگاه آرماتورهای طولی در گوشه­های خاموت­ها قرار گرفته و به صورت یک در میان، محصور شده و محصور شدگی مناسب رخ نمی­دهد. در نتیجه آرماتورها کارایی لازم را نداشته و ترک­ها گسترش پیدا کرده و عملکرد متقابل فولاد و بتن و شکل­پذیری بتن از دست می­رود. در نهایت ستون­های ساختمان دچار مفصل پلاستیک و شکست شده و ممکن است ساختمان دچار ریزش ­شود. در سازه دارای طبقه نرم نیز ابتدا ستون­ها دچار مفصل پلاستیک و شکست می­شوند، به همین دلیل در نگاه اول ممکن است علت این نوع خرابی پدیده طبقه نرم گزارش شود. با خاموت­بندی منسجم در انتهای تیر، نزدیک به ستون، می­توان مود خرابی را از شکست برشی به شکست خمشی هدایت کرد تا مفصل پلاستیک در ناحیه­ای دور از محل اتصال تیر به ستون رخ دهد. تعداد و فاصله خاموت­ها با توجه به ضوابط آیین­ نامه تعیین شده و بهترین زاویه قلاب­ها مطابق آیین­ نامه ۱۳۵ درجه می­باشد. [۳۱]
شکل ۱-۲۷: ضوابط مربوط به خاموت­ها.[۲۹]
۲- اتصال نامناسب تیر به ستون در اسکلت فلزی: وجود معایبی چون جوش نامناسب، عدم استفاده از صفحات سخت کننده، جزئیات ناکافی، کمانش و … موجب اتصال نامناسب تیر به ستون و تشکیل مفصل پلاستیک در ستون­ها می­گردد. اگر این اتفاق به صورت هم زمان در چند ستون از ستون­های یک طبقه رخ دهد، آن طبقه در مقایسه با سایر طبقات، آسیب­پذیری بیشتری داشته و بیشترین خرابی را متحمل می­ شود. در نتیجه خرابی آن شبیه به خرابی طبقه نرم به نظر می­رسد.
۳- طراحی تیر قوی-ستون ضعیف صرفه نظر از نوع اسکلت: همان­گونه که از نام این نوع طراحی مشخص است، این نوع طراحی براساس تیرهای قوی و ستون­های ضعیف صورت می­گیرد. پس از برخورد موج زلزله با سازه، ستون­ها در اثر انرژی زلزله که به صورت جابجایی به سازه وارد می­ شود، تمایل به جابجایی برای استهلاک انرژی دارند. اما در سازه­ای که این­گونه طراحی شده، ستون­ها بسیار ضعیف­تر از تیرها بوده و نمی ­توانند تیرها و به عبارت دیگر سقف­ها را در این جابجایی با خود همراه سازند. بنابراین ستون­ها نتوانسته بر صلبیت سقف­ها غلبه کنند، در نتیجه در محل اتصال تیر به ستون مفصل پلاستیک تشکیل شده و یک طبقه از کل سازه و یا کل سازه بسته به نوع طراحی و میزان انرژی آزاد شده از زلزله دچار ریزش می­ شود. در این نوع انهدام نیز به علت تشکیل مفصل پلاستیک در ستون­ها قبل از انجام تحقیقات به نظر می­رسد که سازه در اثر پدیده طبقه نرم دچار ریزش شده است.
البته لازم به ذکر است که طراحی بر اساس تیر قوی-ستون ضعیف با توجه به آیین­ نامه غیر­مجاز است. زیرا در طراحی، هدف جلوگیری از ریزش ساختمان برای حفظ جان، مال و امنیت انسان­ها در اثر زلزله بوده که با این روش طراحی، احتمال ریزش ساختمان بسیار بالاست و این هدف محقق نمی­ شود.
شکل۱-۲۸: طراحی غلط بر اساس تیر قوی-ستون ضعیف [۲۲]
شکل۱-۲۹: مقایسه دو نوع طراحی متفاوت [۲۲]
شکل ۱-۳۰: خرابی ناشی از طراحی غلط بر اساس تیر قوی-ستون ضعیف. [۳۱]
۴- استفاده از سیستم­های ترکیبی یا دوگانه در ارتفاع سازه: خرابی ساختمان­های دارای این سیستم، که فقط در زلزله ۱۹۹۵ کوبه مشاهده شد، بسیار شبیه خرابی طبقه نرم واقع در طبقات میانی ساختمان بود. در کوبه ساختمان­هایی قبل از سال ۱۹۸۱ ساخته شده بود که در آنها سیستم ترکیبی سازه بتن مسلح[۳۱] در طبقات بالایی و سازه بتن مسلح فولادی[۳۲] در طبقات پایینی استفاده شده بود. ۲۷ سازه از ۳۲ سازه­ی موجود با این سیستم در زلزله کوبه دچار شکست طبقه­ای که در آن تغییر در سیستم باربری رخ داده بود، شدند. چون این آسیب با شکست ستون­های طبقه­ای که در آن تغییر در سیستم باربری وجود داشت، همراه بود، بنابراین به نظر شبیه شکست طبقه نرم در طبقات میانی می­رسید. ویژگی­های این آسیب، خرد شدن بتن در پایه ستون، شکستگی بولت­ها، شکستگی بال صفحات فولادی، شکستگی صفحات در محل اتصال، ترک برشی بتن در محل اتصال تیر به ستون و شکست دیوارهای برشی بتن مسلح اطراف قاب­های بتن مسلح فولادی می­باشند. [۴]
۱-۱۳- فصل­های مختلف این پژوهش
همانطور که گفته شد، یکی از عوامل ایجاد کننده طبقه نرم، افزایش ارتفاع یک طبقه نسبت به سایر طبقات می­باشد. همین امر، یکی از شایع­ترین مشکلات حال حاضر ساختمان­های ساخته شده و یا در حال ساخت در ایران می­باشد. این ساختمان­ها عموماً به علت ایجاد فضای تجاری در طبقه یا طبقات اول، ایجاد یک شهربازی در طبقات بالایی یک مرکز تجاری و یا ایجاد یک مرکز همایش در طبقات اول یا میانی یک ساختمان اداری دچار نامنظمی در ارتفاع و پدیده طبقه نرم می­شوند. بنابراین بررسی تاثیر افزایش ارتفاع یک طبقه نسبت به سایر طبقات بر رفتار سازه به هنگام مواجه با زلزله، با توجه به گسترش روزافزون استفاده از آن امری حیاتی است.
این پایان نامه منحصراًً به بررسی تاثیر افزایش ارتفاع یک طبقه نسبت به سایر طبقات بر عملکرد سازه در مقابل با نیروی جانبی ناشی از زلزله، پرداخته است. در ابتدا کلیات مدلسازی در فصل دوم بیان می­ شود و در ادامه، در فصل سوم و چهارم مدل­ها تحت آنالیز دینامیکی طیفی و آنالیز استاتیکی غیرخطی قرار می­گیرند. در نهایت نیز نتایج مورد تجزیه و تحلیل قرار می­گیرند.
فصل ۲
کلیات مدلسازی
۲-۱- مقدمه
برنامه ایتبس[۳۳] ابزار پیشرفته و کاملی برای مدلسازی و طراحی قاب­های ساختمانی به صورت یکپارچه است. منظور از یکپارچه این است که این برنامه در مراحل مختلف مدلسازی مانند بارگذاری، محاسبه جرم طبقات، محاسبه محل مرکز جرم و مرکز سختی، محاسبه و پخش نیروی زلزله، محاسبه بار باد و تحلیل ساختمان به همراه پی­ها و دال­ها، طراحی عضوهای قابی را به صورت خودکار و براساس آخرین پیشرفت­های علمی انجام می­دهد و مهندس محاسب را یاری می­نماید. برنامه ایتبس خصوصیات منحصر به فرد مدل ریاضی ساختمان را در نظر می­گیرد به طوری که مدل ساخته شده در این برنامه همانند ساختمان واقعی خواهد بود. در برنامه ایتبس گزینه ­هایی وجود دارد که عملیات ساخت مدل، تحلیل و طراحی ساختمان را راحت­تر و سریع­تر می­ کند. با وجود سادگی استفاده از این برنامه، ایتبس قابلیت ­های تحلیل و طراحی زیادی را دارا می­باشد. در این برنامه امکان تحلیل دینامیکی خطی و تحلیل استاتیکی غیرخطی به طور کامل وجود دارد. بعلاوه ایتبس هر دو قابلیت تحلیل و طراحی را دارا می­باشد و نیازی به تبادل اطلاعات بین نتایج تحلیل و طراحی وجود ندارد.
در این بخش از پایان نامه با بهره گرفتن از نرم­افزار ایتبس ورژن ۹٫۷٫۲[۳۴] کلیات مدلسازی دو قاب خمشی بتن مسلح با تعداد طبقات ۷ و ۹ که دارای طبقه­ی نرم (ایجاد شده در اثر افزایش ارتفاع) هستند، مورد بررسی قرار می­گیرد.
۲-۲- معرفی قاب­های مورد مطالعه
مطابق ویرایش سوم آیین­ نامه ۲۸۰۰ این قاب­ها دارای ضریب رفتار ۷ و درجه اهمیت ۳ یا متوسط (مسکونی، اداری، تجاری، هتل­ها و …) بوده و در منطقه­ای با خاک نوع ۳ و میزان لرزه­خیزی خیلی زیاد واقع شده ­اند. برای بارگذاری ثقلی قاب­ها از مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (آیین­ نامه ۵۱۲ بارهای وارد بر ساختمان) و بارگذاری لرزه­ای از ویرایش سوم آیین­ نامه ۲۸۰۰ استفاده شده است. با احتساب عرض باربر ۳ متر برای هر تیر، بار مرده و بار زنده برای هر تیر در کلیه طبقات به ترتیب ۱۶۰۰ نیوتن بر متر و ۲۵۰۰ نیوتن بر متر در نظر گرفته شد. اتصالات تیر به ستون در این قاب­ها صلب در نظر گرفته شده و در مراحل تحلیل سازه اثرات و کاهش ممان اینرسی تیر و ستون (ترک­خوردگی) در نظر گرفته شده است. ارتفاع کلیه طبقات بغیر از طبقه نرمی که ناشی از افزایش ارتفاع ایجاد شده، ۳ متر فرض گردید. مشخصات مقاطع در قاب­های ۷ و ۹ طبقه در جدول ۲-۱ و ۲-۲ قابل مشاهده است.
(الف) (ب)

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت