مکانیزم انتقال نیروی زلزله به این صورت است که نیروی افقی زلزله به مرکز جرم طبقه وارد میشود و توسط دیافراگم کف و جمع کننده ها به اعضای باربر جانبی منتقل می شود و نهایتا به فونداسیون و سپس به زمین منتقل می شود. آیین نامه ها قصد دارند برای طراحی المان ها به ویژه مجموعه ای از المان های خاص مثل ستون ها بحرانی ترین حالت را در نظر بگیرند تا هنگام وقوع زلزله و طی انتقال بار ذکرشده خسارت مورد انتظار این المان ها با توجه به نوع سیستم سازه ای آنها به حداقل مقدار خود برسد؛ بنابراین طراحی سازه فولادی و بتنی را تحت زلزله ای قوی تر از زلزله طرح انجام میدهند که زلزله تشدید یافته نام دارد.
در این مقاله که برگرفته از دوره آموزش نرم افزار ایتبس پاراپلاس و منابع دیگری که در انتها ذکر شده می باشد، مفهوم زلزله تشدید یافته مطابق با ضوابط آیین نامه ای شرح داده می شود. کاربرد زلزله تشدید یافته که با ضریب اضافه مقاومت Ω0 لحاظ میشود و نیز ترکیبات بار ویژه لرزه ای که این مفهوم را پوشش میدهند، مطابق با مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 92 و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 99 در ادامه تشریح شده است. همچنین به شرح چگونگی کنترل این مفهوم در نرم افزار ایتبس در یک نمونه سازه فولادی و بتنی پرداخته شده است.
سرفصل‌های این مقاله
- ضریب اضافه مقاومت چیست؟
- ترکیبات بار
- موارد کاربرد زلزله تشدیدیافته
- محاسبه ضریب اضافه مقاومت
- کنترل زلزله تشدید یافته در ETABS
ضریب اضافه مقاومت چیست؟
زلزله تشدید یافته به صورت ضریب اضافه مقاومت (Ω0) به سازه اعمال میشود. این ضریب یک ضریب افزایشی است که آیین نامه ها برای سازه ها یا المان هایی که احتمال وقوع رفتار پیش بینی نشده در آنها تحت بارگذاری لرزه ای وجود دارد، در نظر میگیرند. با اعمال نمودن این ضریب نیروی زلزله وارده افزایش یافته و ضریب رفتار سازه کاهش مییابد. این امر نیاز به طراحی المان های قوی تر را بوجود می آورد تا هنگام وقوع رفتار پیشبینی نشده حین زلزله، خسارت این المان ها به حداقل مقدار خود برسد.
ترکیبات بار تشدید یافته
در طراحی سازه ها با دو نوع ترکیبات بار روبه رو هستیم. دسته اول ترکیبات باری هستند که برای تمامی اجزای سازه به کار می روند و دسته دوم ترکیبات باری اند که بنابر وضعیت خاص، یک سری از المان ها برای آن ها به طور ویژه کنترل میشوند که به آنها ترکیب بار ویژه لرزه ای میگوییم. برای مثال در ستون های دهانه های مهاربندی سازه های فولادی که نیروی محوری قابل توجه است، اگر این نیرو از حدی زیادتر باشد طبق بند 10-3-5-1 مبحث دهم ویرایش 1392 باید برای ترکیب بار ویژه لرزه ای کنترل شود. ترکیبات بار عادی و ترکیبات بار ویژه لرزه ای مطابق با مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398 به شرح جدول زیر میباشد:
⇐ نکته : مطابق با بند 3-12-2 استاندارد 2800 ویرایش چهارم درصورت طراحی بر اساس مقاومت در ترکیبات بار نیازی به در نظرگرفتن ضریب اضافه مقاومت برای مولفه قائم زلزله نمی باشد.
پیشنهاد مطالعاتی: ضریب رفتار ساختمان در طراحی سازه و پارامترهای مؤثر در آن
موارد کاربرد زلزله تشدید یافته در سازه فولادی
کمانش ستون های فولادی تحت بار محوری
مطابق با بند 10-3-5-1-1 از مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش سال 1392 در طراحی ستون های فولادی، تمامی ستون ها باید دارای مقاومت کافی در برابر نیروی محوری ناشی از ترکیبات بار زلزله تشدید یافته باشند. در ادامه بند مربوطه از مبحث دهم آورده شده است:
برش پانچ پی تحت نیروی محوری تشدید یافته ستون فولادی
مطابق با تبصره 3 بند 10-3-5-1 از مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1392 که تصویر آن در بالا هم آمده است، شالوده ساختمان باید برای نیروی محوری (بدون در نظر گرفتن نیروهای برشی و لنگرهای خمشی) ناشی از ترکیبات بار زلزله تشدید یافته نیز مورد محاسبه و کنترل قرار گیرد.
موارد کاربرد زلزله تشدید یافته در سازه بتنی
برش در تیرهای بتنی با شکل پذیری متوسط
مطابق با بند 9-20-5-2-4 از مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399 در طراحی تیر بتنی برای برش، موارد زیر باید در نظر گرفته شود:
این مورد همچنین در بند 18.4.2.3 آیین‌نامه بتن آمریکا ACI31819 که مرجع مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399 بوده به شکل زیر آمده است:
برش در ستون های بتنی
مطابق با بند 9-20-5-3 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399 در طراحی ستون بتنی نیز مقاومت برشی مقطع نباید از کوچکترین دو مقدار گفته شده در زیر کمتر در نظر گرفته شود:
همچنین در بند 18.4.3.1 آیین‌نامه بتن آمریکا ACI31819 آمده است:
زلزله تشدید یافته اجزای جمع کننده
مطابق با بند 3-8-6 استاندارد 2800 ویرایش چهارم، در مواردی که تعبیه اجزای جمع کننده برای انتقال بار از دیافراگم سقف به اجزای مقاوم در برابر بارهای جانبی ضروری باشد، طراحی آن ها و اتصالاتشان باید برای زلزله تشدید یافته (EΩ0) انجام شود.
زلزله تشدید یافته در سازه های دارای نامنظمی
مطابق با بند 3-9 استاندارد 2800 ویرایش چهارم که تصویر آن در ادامه آورده شده است، در مواردی که سازه دارای نامنظمی در پلان از نوع نامنظمی خارج از صفحه یا نامنظمی در ارتفاع از نوع نامنظمی در سختی جانبی می باشد و دیوار یا ستون تا روی شالوده ادامه پیدا نمیکند، ستون ها، تیرها، خرپاها و یا کف هایی که این اعضا را تحمل میکنند، باید برای بارهای محوری اعضای ادامه نیافته تحت اثر زلزله تشدیدیافته (EΩ0) طراحی شوند.
محاسبه ضریب اضافه مقاومت (Ω0)
مطابق با جدول 3-4 استاندارد 2800 ویرایش چهارم ضریب اضافه مقاومت با توجه به نوع سیستم مقاوم در برابر نیروهای جانبی، برای سازه های فولادی و بتنی به شرح زیر است:
کنترل زلزله تشدید یافته در ETABS
کنترل زلزله تشدید یافته در نرم افزار ایتبس به دو صورت انجام میگیرد :
- سازه در دو جهت متعامد دارای سیستم مقاوم در برابر نیروی جانبی یکسان باشد .
- سازه در دو جهت متعامد دارای سیستم مقاوم در برابر نیروی جانبی متفاوت باشد.
سازه با سیستم مقاوم جانبی یکسان در دو جهت
سازه های بتنی
نرم افزار ایتبس با واردکردن ضریب (Ω0) در قسمت prefrences این مورد را کنترل میکند. برای مثال اگر سازه ما در دو جهت دارای سیستم مقاوم جانبی قاب خمشی بتن آرمه متوسط باشد این ضریب اضافه مقاومت مطابق استاندارد 2800 برابر 3 بوده و به شکل زیر اعمال میشود.
سازه های فولادی
همانطور که پیشتر اشاره شد نرم افزار ایتبس با واردکردن ضریب (Ω0) در قسمت prefrences این مورد را کنترل میکند. برای مثال اگر سازه ما در دو جهت دارای سیستم مقاوم در برابر نیروی جانبی قاب خمشی فولادی متوسط باشد این ضریب مطابق شکل زیر اعمال میشود.
نرم افزار ایتبس ستون های فولادی باربر جانبی لرزه ای را یکبار تحت ترکیب بار عادی و تحت اثر همزمان P و Mx و My کنترل میکند و بار دیگر تحت ترکیب بار تشدید یافته و تنها تحت اثر P.
سازه با سیستم مقاوم جانبی متفاوت در دو جهت
وقتی سیستم باربر جانبی در دو جهت متعامد متفاوت است، ضریب اضافه مقاومت (Ω0) برای ستون هایی که در محل تقاطع دو سیستم باربر جانبی قراردارند دو مقدار متفاوت خواهد بود؛ بنابراین در هر راستا باید ضریب اضافه مقاومت (Ω0) همان راستا در ترکیبات بار ویژه لرزه ای لحاظ شود. برای مثال اگر سازه مورد طراحی در جهت X قاب خمشی فولادی متوسط و در جهت Y مهاربند همگرای فولادی با شکل پذیری ویژه باشد باید مطابق با مراحل زیر جهت اعمال و کنترل زلزله تشدید یافته عمل کرد:
1) بعد از نهایی شدن طراحی اولیه از فایل اصلی یک SAVE AS میگیریم.
2) باتوجه به نوع سیستم باربر جانبی در هر جهت ضریب زلزله هر جهت در الگوهای بار را در ضریب Ω0 آن جهت ضرب میکنیم .برای مثال ذکر شده Ω0 در جهت X برابر با 3 و Ω0 در جهت Y برابر با 2 میباشد. اینکار معادل این است که زلزله های جهت X در ترکیبات بار را 3 برابر و زلزله های جهت Y را در ترکیبات بار 2 برابر کرده باشیم.
3) در قسمت prefrences گزینه نادیده گرفتن بار ویژه لرزه ای را روی حالت yes قرار میدهیم تا دوبار لحاظ نشود.
4) باتوجه به این که در کنترل اثر زلزله تشدید یافته فقط نیروی محوری ستون ها لحاظ می شود، باید اثرات ناشی از لنگر خمشی و نیروی برشی را ازبین ببریم .برای این امر مطابق بند 10-2-7-2-1 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان چاپ 1392 داریم:
مطابق با بالا برای اینکه فقط اثر نیروی محوری لحاظ شود باید مقادیر Mcx و Mcy بی نهایت درنظرگرفته شوند تا عبارت Mux/Mcx + Muy/Mcy برابر با صفر شود و در نامساوی فقط Pu/Pc داشته باشیم. پس مقاومت خمشی و برشی ستون ها را در نرم افزار یک عدد بزرگ وارد می کنیم تا فقط ظرفیت محوری ستون ها بررسی شود. همه ستون ها را انتخاب می کنیم و در قسمت Mn3،Mn2،Vn2 overwrites و Vn3 را برابر با یک عدد خیلی بزرگ مثل 1000000 قرارمی دهیم.
5) حال بررسی می کنیم که آیا ستون های واقع در محل تقاطع دو سیستم باربر جانبی لرزه ای کفایت لازم را دارند یا خیر.
⇐ نکته: نیازی به کنترل کفایت سایر اجزا مانند تیرها و مهاربندها نیست و فقط کفایت ستون ها کنترل می شود .
منابع
- مبحث ششم مقررات ملی ساختمان – ویرایش 1398
- مبحث نهم مقررات ملی ساختمان – ویرایش 1399
- مبحث دهم مقررات ملی ساختمان – ویرایش 1392
- آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله (استاندارد 2800)-ویرایش چهارم
- آیین نامه بتن آمریکا ACI 318-19
- پکیج جامع آموزش طراحی سازه بتنی و فولادی پاراسیویل – مهندس امیرطه نوروزی
سبد خرید
