فلسفه اثر 100-30 زلزله و نحوه اعمال آن

با نگاه به گذشته و تاریخ کشورمان متوجه می‌­شویم که در کشوری زلزله خیز زندگی می­‌کنیم و کشور ما در طول تاریخ همواره با زلزله های قوی و نسبتا قوی مواجه بوده است که گاها به دلیل عدم شناخت آن آثار زیان بار و تلفات بسیاری هم از خود برجای گذاشته است. زلزله یک اتفاق درونی حاصل از رفتار طبیعی زمین است و نمی­‌شود جلوی رخداد آن را گرفت. از طرف دیگر با وجود پیشرفت های بسیاری که در عرصه زلزله و لرزه شناسی اتفاق افتاده است تا به امروز امکان پیش بینی زلزله وجود ندارد. لذا با این اوصاف ما به عنوان یک طراح سازه و یا طراح معمار برای حفظ جان انسان‌­ها و سازه‌ها  در برابر زلزله چه وظایفی داریم؟

خوش‌ ­بختانه زلزله در عین حال که پدیده ای حتمی و غیر قابل پیشی بینی است، قابل کنترل است و همین قابل کنترل بودن این پدیده به وجود آورنده مباحثی تحت عنوان طراحی لرزه ای سازه‌ها است.

در علم طراحی لرزه‌­ای سازه‌ها ما به عنوان یک مهندس محاسب و طراح سازه وظیفه داریم اثر رخداد زلزله بر سازه را در طراحی المان های سازه ای ببینیم. هم چنین مهندس معمار هم موظف است با مبانی زلزله و اثرات آن بر سازه آشنا بوده و در ارائه طرح معماری خود این موارد را لحاظ کند.

یکی از موارد مهم در طراحی لرزه‌­ای سازه‌ها در نظر گرفتن جهت و زاویه وقوع زلزله است. به عبارت دیگر باید بدانیم زلزله ای که در آینده اتفاق خواهد افتاد در چه جهتی بر سازه وارد خواهد شد؟ اما چگونه از قبل جهت زلزله ای را که هنوز اتفاق نیوفتاده است پیش گویی کنیم؟

قاعده 100-30 زلزله

در این گونه موارد آیین نامه های طراحی لرزه‌­ای سازه ها به عنوان مثال آیین نامه 2800 برای در نظر گرفتن اثر زلزله در جهات مختلف بیان می‌­کند که نیروی زلزله‌­ای که مطابق آیین نامه محاسبه می‌­شود باید با زاویه مناسب که بیشترین اثر را ایجاد می‌کند بر سازه وارد شود. انجام این کار و در نظر گرفتن نیروی زلزله در جهت­‌های مختلف و تحلیل سازه برای نیروی زلزله در جهات مختلف و پیدا کردن جهت و زاویه بحرانی زلزله وارد بر سازه امری بسیار وقت گیر و زمان­‌بر خواهد بود. برای رفع این مشکل آیین نامه‌ها یک روش ساده به نام روش 100-30 ارائه می‌کند به این صورت که:

برای در نظر گرفتن اثرات زلزله در جهات مختلف نیروی زلزله هر جهت را با 30 درصد نیروی زلزله در جهت عمود بر آن باید ترکیب کرد.

موارد شامل قاعده صد سی زلزله طبق آیین نامه 2800

آیین نامه 2800 بیان می­‌دارد که سازه‌ها باید در دو امتداد عمود بر هم در برابر نیروی زلزله محاسبه شوند. همچنین آیین نامه در ادامه اشاره می­‌کند اثر صد سی زلزله برای همه سازه‌­ها لازم نیست در نظر گرفته شود و فقط برای موارد زیر است که اثر همزمانی نیروی زلزله در دو جهت باید در نظر گرفته شود:

• سازه های نامنظم در پلان
• کلیه ستون هایی که در محل تقاطع دو یا چند سیستم مقاوم جانبی قرار دارند.

در مورد ستون هایی که در محل تقاطع دو یا چند سیستم مقاوم جانبی قرار دارند، چنان چه بار محوری ناشی از زلزله در سازه کمتر از 20 درصد ظرفیت محوری ستون باشد نیازی به در نظر گرفتن اثر صد سی زلزله نیست.

در نظر گرفتن اثر صد سی تقریبا در تمامی موارد باعث سنگین تر شدن سازه می‌­شود و شاید اکثر کارفرمایان و مهندسان به دنبال فرار از آن هستند و در یک نگاه سطحی شاید به نظر برسد که در سازه‌­های منظم در پلان لازم به در نظر گرفتن اثر 100-30 زلزله نیست. اما آیین نامه در بند دوم می­‌گوید برای ستون هایی که در محل تقاطع دو سیستم مقاوم جانبی هستند باید اثر همزمانی مولفه­‌های زلزله در نظر گرفته شود مگر آن که تحت اثر زلزله از کمتر از 20 درصد ظرفیت ستون استفاده شود. در اکثریت سازه ها ستون های­ سازه در محل تقاطع دو سیستم باربر جانبی مختلف هستند به عنوان مثال در یک سازه فولادی که در یک جهت دارای مهاربند و درجهت دیگر قاب خمشی است ستون ها در تقاطع دو سیستم باربر جانبی مختلف قرار دارند لذا باید در این سازه اثر صد سی زلزله لحاظ شود و مثال های دیگر از این دست که اگر تک تک مورد بررسی قرار گیرند متوجه خواهیم شد که تقریبا در تمامی موارد باید اثر 100-30 زلزله لحاظ شود.

ممکن است این فرضیه در ذهن شکل گرفته شده باشد که در مواردی که ستون ها در محل تقاطع دو یا چند سیستم مقاوم جانبی هستند، ستون ها را به نحوی طراحی می­کنیم که بیشتر از 20 درصد از ظرفیت محوری ستون استفاده نشود. طراحی سازه که به این شکل صورت گرفته باشد کاملا غیر اقتصادی بوده و مهندس محاسب و طراح سازه که این چنین طرحی را ارائه دهد تمام اعتبار خود به عنوان طراح سازه از دست می‌­دهد.

می‌دانیم زلزله­‌ نیرویی است که به صورت رفت و برگشتی بر سازه وارد می‌­شود. حال این اثر رفت و برگشتی در اثر 100-30 زلزله به چه صورت باید لحاظ شود؟ نقش برون مرکزی اتفاقی در اثر 100-30 چیست و به صورت باید در نظر گرفته شود؟

آموزش نحوه اعمال قاعده و اثر صد سی در ایتبس

همان طور که گفتیم برای در نظر گرفتن نیروی زلزله در تحلیل سازه در نرم افزار ETABS لازم است تا به هنگام تعریف حالت های بار زلزله (Load Patterns) در ایتبس 2 حالت بار مختلف تعریف شود. تعریف حالت های بار در نرم افزار ایتبس از طریق منوی Define و زیر منوی Load Patterns مطابق شکل زیر انجام می‌شود.

پس از کلیک بر روی گزینه Load Patterns لازم است تا 6 حالت بار مختلف زلزله در این منو تعریف شود. ممکن است این سوال مطرح شود که چرا باید 6 حالت بار زلزله تعریف کنیم. مطابق استاندارد 2800 ویرایش 4 در اعمال نیروی جانبی زلزله به سازه باید اثر برون مرکزیت اتفاقی زلزله دیده شود. این برون مرکزی اتفاقی اثر احتمال تغییر محل مرکز جرم و مرکز سختی سازه، تحت اثر زلزله را درنظر می‌گیرد. این برون مرکزی مطابق آیین نامه 2800 باید حداقل برابر 5 درصد و به دو صورت مثبت و منفی در نظر گرفته شود. 6 حالت بار مختلف زلزله مطابق زیر باید تعریف شوند:

• Ex : نیروی زلزله در راستای x بدون برون مرکزیت اتفاقی
• Ey: نیروی زلزله در راستای y بدون برون مرکزیت اتفاقی
• Exp: نیروی زلزله در راستای x با در نظر گرفتن برون مرکزیت اتفاقی به صورت مثبت
• Exn: نیروی زلزله در راستای x با در نظر گرفتن برون مرکزیت اتفاقی به صورت منفی
• Eyp: نیروی زلزله در راستای y با در نظر گرفتن برون مرکزیت اتفاقی به صورت مثبت
• Eyn: نیروی زلزله در راستای y با در نظر گرفتن برون مرکزیت اتفاقی به صورت منفی

پس از باز کردن منوی Load Patterns برای تعریف این حالت بارها باید در قسمت Load نام حالت بار مورد نظر به عنوان مثال Ex نوشته شود. در قسمت نوع بار یا Type باید روی Seismic کلیک کرد. مقدار Self Weight برای بارهای زلزله 0 و Auto Lateral Load باید روی User Coefficient تنظیم شود. بدین صورت باید هر 6 حالت بار مطابق زیر تعریف شوند.

حال با کلیک بر روی گزینه Modify Lateral Load باید پارامترهای مربوط به هرکدام از این حالت های بار وارد شود. برای حالت بار Ex تنظیمات به صورت زیر می‌باشد:

در قسمت Direction and Eccentricity باید جهت زلزله و مقدار برون محوری آن مشخص شود. برای زلزله Ex که زلزله بدون برون محوری است گزینه X dir (زلزله راستای X بدون برون محوری) مطابق شکل بالا باید انتخاب شود. (Ecc.Ratio (All Diaph  مقدار برون محوری بار زلزله است که برای زلزله Ex نیازی به وارد کردن مقدار نداریم.
در قسمت Story Range باید برای ایتبس تعریف کنیم بار زلزله در چه طبقاتی از سازه باید اعمال شود. مطابق استاندارد 2800 ویرایش 4 در صورتی که وزن خرپشته کمتر از 25 درصد وزن بام باشد نیازی نیست تا بار زلزله به خرپشته وارد شود. به همین منظور در صورت وجود این شرایط نیروی زلزله باید به طبقات روی تراز پایه تا بام وارد شود.

در قسمت Factors هم باید مقدار ضریب زلزله و ضریب توزیع نیروی زلزله در ارتفاع وارد شود. این پارامترها در مقاله ضریب زلزله مورد بررسی  قرار گرفته است.

Direction and Eccentricity و (Ecc.Ratio (All Diaph برای تمامی زلزله های تعریف شده به صورت زیر باید تعریف شود:

ساخت ترکیب بار با اثر 100-30 زلزله

پس از تعریف تمامی حالت های بار مرده و زنده لازم است تا مطابق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ترکیبات بارگذاری طراحی سازه در نرم افزار ایتبس تعریف شود. برای تعریف ترکیبات بار از منوی Define، زیر منوی Load Combination را انتخاب کرد.

ترکیب بارهای طراحی برای سازه های فولادی و بتنی در مبحث ششم مقررات ملی ساختمان آورده شده است. این ترکیب بار ها مطابق تصویر زیر است:

در این ترکیبات بار منظور از E بار زلزله است. در نظر گرفتن اثر 100-30 زلزله در ترکیب بارهای طراحی سازه صورت می‌گیرد. برای در نظر گفتن این اثر در هنگام تعریف ترکیب بارهای دارای زلزله هر ترکیب بار لرزه ای به 24 ترکیب بار مختلف در ایتبس تبدیل می‌شود. این 24 ترکیب بار به دلیل وجود اثر 100-30 زلزله و هم چنین در نظر گرفتن اثر رفت و برگشتی زلزله می باشد.  به عنوان مثال برای ترکیب بار شماره 5 در تصویر بالا که ترکیب بار لرزه ای محسوب می شود با در نظر گرفتن اثر 100-30 زلزله و اثر رفت و برگشتی زلزله به صورت زیر تغییر می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند:

1. 1.2D+Ex+0.3Ey+L+0.2S
2. 1.2D+Exp+0.3Ey+L+0.2S
3. 1.2D+Exn+0.3Ey+L+0.2S
4. 1.2D+Ex-0.3Ey+L+0.2S
5. 1.2D+Exp-0.3Ey+L+0.2S
6. 1.2D+Exn-0.3Ey+L+0.2S
7. 1.2D-Ex-0.3Ey+L+0.2S
8. 1.2D-Exp+0.3Ey+L+0.2S
9. 1.2D-Exn+0.3Ey+L+0.2S
10. 1.2D-Ex-0.3Ey+L+0.2S
11. 1.2D-Exp-0.3Ey+L+0.2S
12. 1.2D-Exn-0.3Ey+L+0.2S
13. 1.2D+Ey+0.3Ex+L+0.2S
14. 1.2D+Eyp+0.3Ex+L+0.2S
15. 1.2D+Eyn+0.3Ex+L+0.2S
16. 1.2D+Ey-0.3Ex+L+0.2S
17. 1.2D+Eyp-0.3Ex+L+0.2S
18. 1.2D+Eyn-0.3Ex+L+0.2S
19. 1.2D-Ey-0.3Ex+L+0.2S
20. 1.2D-Eyp+0.3Ex+L+0.2S
21. 1.2D-Eyn+0.3Ex+L+0.2S
22. 1.2D-Ey-0.3Ex+L+0.2S
23. 1.2D-Eyp-0.3Ex+L+0.2S
24. 1.2D-Eyn-0.3Ex+L+0.2S

لازم به ذکر است مطابق استاندارد 2800 ویرایش 4 منظور کردن برون مرکزی اتفاقی در امتدادی که 30 درصد نیروی زلزله وارد می‌شود الزامی نیست.