مولفه قائم زلزله چیست و چگونه محاسبه می شود؟

انرژی آزاد شده توسط زلزله در محل کانون زلزله به صورت امواج لرزه ای در جهت های مختلف مطابق شکل زیر درون زمین منتشر می شود.

این امواج پس از عبور از لایه های مختلف به سطح زمین رسیده و باعث ایجاد تکان و حرکت زمین می شوند. این امواج به صورت امواج قائم و افقی در سطح زمین ظاهر می شوند. مطالعات انجام شده روی امواج زلزله نشان می دهد که مشخصات فیزیکی مولفه قائم زلزله که با انتشار امواج که در راستای قائم ایجاد می شوند با مشخصات فیزیکی مولفه افقی زلزله که با انتشار امواج زلزله در راستای افقی ایجاد می گردند متفاوت است.

مطابق با نتایج تحقیقات و پژوهش های انجام شده مشخص شده است که هرچه سازه به گسل نزدیک تر بوده و عمق کانونی زلزله کمتر باشد، اثر قائم زلزله بیشتر خواهد شد و سازه بیشتر تحت اثر مولفه قائم زلزله خواهد بود. برای روشن شدن این مطلب استخری را در نظر بگیرید که پر از آبِ ساکن است. هنگامی که سنگی را به داخل آب پرتاب کنیم، در آب موج تشکیل می شود. مشاهده می شود که هرچه به محل برخورد سنگ با آب نزدیکتر شویم موج در آب تغییر شکل های بزرگتری ایجاد می کند و هرچه از محل برخورد سنگ با آب دور شویم تغییر شکل های موج کمتر و کمتر می شود.

مشابه مثال فوق در بحث زلزله هم وجود دارد و همان طور که قبلا اشاره کردیم هرچه سازه به گسل زلزله نزدیک تر باشد و عمق کانونی زلزله کمتر باشد، شتاب قائم زلزله بیشتر است. بررسی ها نشان می دهند که یکی از مشخصه هاي زلزله هاي نزدیک گسل، افزایش شتاب مولف قائم زلزله به میزان مولفه افقی و یا حتی بیشتر از آنها می باشد که اثرات هم زمانی این مولفه ها می تواند منجر به خرابی و تخریب سازه شود.

مولفه قائم زلزله آیین نامه های طراحی لرزه ای

آیین نامه های مختلف طراحی لرزه ای سازه ها برخوردهای مختلفی با شتاب قائم زلزله دارند. در آیین نامه های قدیمی به طور کلی از اثر شتاب قائم زلزله بر سازه به دلیل کمبود دانش در این زمینه صرف نظر می شد. با رشد دانش و پژوهش های انجام گرفته و مشاهده زلزله های مختلف کم کم بحث زلزله قائم به آیین نامه های طراحی لرزه ای وارد شد.

استاندارد 2800 ویرایش 4 در بند (3-3-9) می گوید که نیروی قائم ناشی از زلزله که اثر مولفه قائم شتاب زلزله در ساختمان است در موارد زیر باید در محل گفته شده در نظر گرفته شود. این موارد عبارتند از:

• در صورت قرار گیری سازه در منطقه با خطر لرزه خیزی خیلی زیاد، زلزله قائم باید به کل سازه اعمال شود.
• در صورت وجود تیرهایی با دهانه بیش از  15 متر در سازه، زلزله قائم باید به آن تیر و ستون ها و دیوارهای تکیه گاهی آن وارد شود.
• در صورت اعمال بار متمرکزی برابر مقدار حداقل نصفِ مجموع بارهای وارد بر تیر،زلزله قائم باید به آن تیر و ستون ها و دیوارهای تکیه گاهی آن وارد شود.
• در صورت وجود بالکن ها و پیش آمدگی هایی که به صورت طره ساخته می شوند، زلزله قائم باید به آن طره وارد شود.

همان طور که پیشتر نیز گفتیم شتاب قائم زلزله در مناطق نزدیک گسل بحرانی است و باید حتما در نظر گرفته شود. به همین دلیل در اولین مورد از مواردی که زلزله قائم باید در تحلیل و طراحی سازه در نظر گرفته شود، استاندارد 2800 به سازه هایی که در منطقه با خطر لرزه خیزی خیلی زیاد قرار دارند اشاره می کند. در موارد بعدی هم استاندارد 2800 شرایط اعضا و المان هایی را بیان می کند که حتی اگر ساختمانی که عضوی از آن هستند در منطقه با خطر لرزه خیزی خیلی زیاد نبود، به واسطه شرایطشان زلزله قائم باید بر آن ها وارد شود.

مقدار نیروی زلزله قائم در استاندارد 2800 از رابطه زیر محاسبه می شود:

Fvu=0.6AIWp

پارامترهای موثر بر مولفه قائم زلزله

مطابق رابطه بالا از استاندارد 2800 از جمله پارامترهای موثر بر مقدار نیروی زلزله قائم به شرح زیر است:

• میزان خطر لرزه خیزی منطقه
• ضریب اهمیت ساختمان
• مقدار بار مرده وارد بر سازه
• مقدار بار زنده وارد بر سازه

اعمال زلزله قائم بر سازه

مطابق رابطه استاندارد 2800 در شرایطی که سازه در منطقه با خطر لرزه خیزی خیلی زیاد قرار دارد مقدار Wp برابر با بار مرده سازه بوده و باید به کل سازه اعمال شود. یعنی نیروی قائم زلزله وارد به کل سازه، در این حالت تنها ناشی از بار مرده سازه است. در سایر موارد هم مطابق با استاندارد 2800 مقدار Wp برابر با مجموع بار مرده و زنده است.

اعمال بار زلزله قائم سازه در منطقه با لرزه خیزی خیلی زیاد

همان طور که گفتیم در این حالت بار زلزله قائم وارد بر سازه ناشی از بار مرده سازه است. محاصبه بار مرده تک تک اعضا و المان های سازه و اعمال بار زلزله قائم آن ها کار بسیار وقت گیری و زمان بری خواهد بود. پس راه حل چیست؟

برای حل این مشکل با فرض در نظر گرفتن ضریب اهمیت برابر با 1 (ساختمان مسکونی و اداری) برای ساختمان به رابطه زیر دقت کنید:

0.21=1×0.35×0.6=0.6AI

در نتیجه مطابق بالا به جای آن که بار مرده هر عضو تک تک محاسبه شده و در رابطه زلزله قائم جایگذاری شود و عدد حاصله تحت عنوان الگوی بار Ez که همان مولفه قائم زلزله هست به سازه اعمال شود، می توان ضریب بار مرده در ترکیب بارهای لرزه ای را تغییر دهیم. با این کار هنگام طراحی اعضای سازه نرم افزار ظرف چند ثانیه این مقدار را محاسبه کرده و در طراحی سازه اعمال می کند. ممکن است این سوال مطرح شود که ترکیب بارهای لرزه ای کدام ترکیب بارها است؟

ترکیبات بارگذاری با حضور نیروی قائم زلزله

به طور کلی برای طراحی اعضای یک سازه، لازم است نیروها و لنگرهای ناشی از بارهای مختلف با یکدیگر با ضرایب مناسبی ترکیب شوند. به این کار ساخت ترکیبات بارگذاری می گویند. ضرایب مورد استفاده در ترکیبات بارگذاری، بر اساس آیین نامه های مرتبط با طراحی سازه به دست می‌آیند.

ترکیب بار شماره 5 و 7 از مبحث ششم مطابق تصویر بالا، که بصورت مشترک برای طراحی سازه های بتنی و فولادی بکار می بریم در ترکیب بار های طراحی سازه، ترکیب بارهای لرزه ای محسوب می شوند به این دلیل که در آن ها بار زلزله در کنار سایر بارها وجود دارد. حال سوال دیگری که ممکن است مطرح شود این است که بار زلزله قائم چگونه و در چه جهتی باید در ترکیب بارهای طراحی سازه اعمال شود؟

استاندارد 2800 بیان می کند که نیروی قائم زلزله باید همزمان با بارهای مرده و زنده ترکیب شود، که در ترکیب بارهایی که اشاره شد این اتفاق انجام می شود. در نتیجه جهت اعمال آن همان طور که از نام آن هم مشخص است در جهت قائم است. سپس سازه باید برای بیشینه اثر این ترکیب طراحی شود. به عبارت دیگر ترکیب نیروی قائم زلزله با بار مرده و زنده طوری باشد که بحرانی ترین حالت برای سازه به وجود آید. حال سوال اینجاست در کدام ترکیب بار زلزله قائم در جهت رو به بالا و در کدام ترکیب بار زلزله قائم باید در جهت رو به پایین اعمال شود؟

در ترکیب بار شماره 5 از مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، بار مرده و زنده با هم و همزمان حضور دارند. هنگامی که این دو الگوی بار همزمان حضور دارند، یعنی کل بار ثقلی ممکن در ساختمان وجود دارد. پس در این حالت برای رسیدن به حالت بحرانی نیروی ناشی از زلزله قائم باید در جهت پایین اعمال شود تا در ترکیب با بار مرده و زنده مقدار بیشینه بار رو به پایین شده و حالت بحرانی به وجود آید. اگر در این حالت نیروی ناشی از زلزله قائم رو به بالا بر سازه اثر داده شود در این ترکیب بار، بار زلزله قائم و بار مرده و زنده اثر همدیگر را خنثی می کنند.

در ترکیب بار شماره 7، از بارهای ثقلی، فقط بار مرده حضور دارد و خبری از بار زنده نیست. در این حالت بار قائم رو به پایین ساختمان کم شده است. در این حالت باید بار زلزله قائم رو به بالا بر سازه وارد شود تا این بار به این شکل حالت بحرانی برای سازه به وجود بیاید. پس در این حالت داریم:

(0.9-0.21)D=0.69D

البته لازم به ذکر است این ترکیبات بارگذاری هنوز خام بوده و لازم است تا تغییراتی در آن ها صورت گیرد. تغییراتی مثل در نظر گرفتن اثر 100-30 زلزله از جمله تغییراتی است که در این ترکیبات بارگذاری مطابق با آیین نامه های طراحی لرزه ای باید صورت گیرد که برای آشنایی با فلسفه و نحوه اعمال آن پیشنهاد می شود مقاله مربوطه خوانده شود.

در صورتی که علاوه بر شرط قرارگیری سازه در منطقه با خطر لرزه خیزی خیلی زیاد، سازه دارای سایر شرایطی که در آیین نامه 2800 برای زلزله قائم گفته شده است مثل وجود طره یا پیش آمدگی باشد، بار قائم زلزله به صورت جداگانه به عضو هایی که مطابق آیین نامه در آن باید اثر زلزله قائم دیده شود، وارد گردد.

در این صورت مقدار بار زلزله قائم به دو قسمت تقسیم می شود. قسمت 0.21×Dead Load در ترکیبات بارگذاری منظور شده است و کافی است مقدار 0.21×Live Load تحت الگوی بار Ez به المان های مورد نظر آیین نامه 2800 وارد شود.

در صورتی که سازه ما در منطقه با خطر لرزه خیزی زیاد، متوسط یا کم باشد و در آن سایر شرایط زلزله قائم مثل طره و پیش آمدگی وجود داشته باشد، لازم است تا مطابق زیر بار زلزله قائم طره محاسبه و اعمال شود. به عنوان مثال با فرض وجود یک بالکن از جنس دال بتنی در ساختمانی که در منطقه لرزه خیزی با خطر زیاد قرار دارد و بار مرده کف  500 کیلوگرم بر مترمربع و بار زنده 300 کیلوگرم بر متر مربع باشد. آنوقت داریم :

(Ez = 0.6 × A × I × (Dead loads + Live loads) = 0.6 × 0.3 × I × (500 + 300      

مقدار بار به دست آمده از رابطه بالا به کف بالکن و یا پیش آمدگی از نوع Ez و رو به پایین باید وارد شود.