تراز پایه از جمله تأثیرگذارترین پارامترهای مؤثر در تعیین نیروی لرزه ای و طراحی سازه است. آیین نامه های مختلف تعاریف و مفاهیم زیادی برای تعریف تراز پایه ارائه کرده اند، با این حال بسیاری از مهندسین طراح سازه تفسیرهای غلطی از این مفاهیم دارند. در این مقاله تلاش شده است که عوامل تأثیر گذار بر تراز پایه و نحوه تعیین آن در حالت های مختلف را با توجه به آیین نامه ها و پژوهش های انجام شده، جمع آوری شود.
کاربرد تراز پایه، چرا باید حتما تراز پایه را بشناسیم ؟
یکی از مهمترین کاربرد های شناخت درست تراز پایه هنگامی است که می خواهیم تعداد طبقات یک ساختمان را تعیین کنیم تا بتوانیم بر اساس آن از ضوابط آیین نامه ای مربوط به طراحی سازه ای و یا طراحی اجزاء غیر سازه ای مانند تاسیسات برقی و مکانیکی، دیوار ها و وال پست ها استفاده کنیم.
پیشنهاد آموزشی: مقاله وال پست چیست؟ بررسی جامع ضوابط اجرایی و طراحی والپست
تراز پایه چیست؟
در بند 3-3-1-2 استاندارد 2800 تراز به این صورت تعریف شده است که تراز پایه ترازی از ساختمان است که در هنگام زلزله از آن تراز به پایین اختلاف حرکتی بین ساختمان و زمین وجود نداشته باشد. این بند حالت های کلی با شرایط های مختلف، برای انتخاب تراز پایه ارائه شده است.
مطابق این بند می توان نتیجه گرفت که تنها موقعی می توانیم تراز پایه را بالاتر از تراز فونداسیون در نظر بگیریم که اولاً دورتا دور زمین در زیرزمین دیوار حائل بتن آرمه وجود داشته باشد و دوماً دور تا دور سازه در زیرزمین خاک متراکم وجود داشته باشد. تفسیر استاندارد 2800 از خاک پیرامون سازه یک تعبیر دینامیکی است، یعنی منظور از خاک متراکم با توجه به سرعت موج برشی است. با توجه به جدول 2-3 استاندارد 2800 برای تأمین شرایط خاک متراکم، خاک پیرامون سازه باید حداقل از نوع خاک تیپ III باشد.
شرایط مختلف تعیین تراز پایه مطابق با ASCE7-22
در آیین نامه ی بارگذاری آمریکا ASCE7-22 که یکی از مراجع اصلی استاندارد 2800 است، برای انتخاب تراز شرایط و محدودیت های بیشتری را برای انتخاب تراز پایه در نظر گرفته است. در فصل C11.2 این آیین نامه ضوابطی در این رابطه ارائه شده است.
مطابق این بند عوامل تأثیرگذار بر رو تراز پایه به شرح زیر است:
- موقعیت تراز زمین طبیعی نسبت به تراز طبقات
- مشخصات خاک اطراف سازه
- وجود بازشو در دیوارحائل های در تراز زیرزمین
- موقعیت و سختی المان های عمودی سیستم باربر جانبی
- موقعيت و طول درز انقطاع لرزه ای (در صورت وجود)
- عمق زیرزمین
- نحوه مهار دیوار حائل (در صورت وجود)
- نزدیکی به سازه های مجاور
- شیب زمین
در ادامه موارد گفته شده در این بند از آیین نامه ASCE7 را مورد بررسی قرار می دهیم.
تراز پایه در ساختمان بدون زیرزمین
در ساختمان های معمولی بدون زیرزمین که تقریباً در تراز سطح زمین طبیعی با خاک مناسب قرار گرفته است تراز پایه در نزدیکی سطح زمین قرار می گیرد. در این حالت تراز پایه در پایین ترین تراز محل اتصال سیستم باربر جانبی با فونداسیون و یا سرشمع (Pile Cap) قرار می گیرد.
تراز پایه در ساختمان دارای زیرزمین و بدون دیوار حائل
در ساختمان های بدون دیوار حائل پیوسته که دارای زیرزمین هستند و تراز بالاترین سقف زیرزمین نزدیک به سطح زمین است، اگر دو شرط زیر برقرار بود مناسب است که تراز پایه را در نزدیکی سطح زمین در نظر گرفت:
- خاک اطراف زیرزمین باید متراکم باشد، همچنین این خاک نباید شامل خاک های ضعیف و رس های حساس باشد.
- خاک اطراف زیرزمین نباید در زلزله MCE مستعد روانگرایی باشد.
در صورت برقرار نبودن شرایط بالا تراز پایه را باید بالای فونداسیون در نظر گرفت. همچنین در سازه های بلند و سنگین که بر روی خاک نرم واقع شده اند و در حین زلزله امکان دارد به صورت جانبی فشرده شوند نیز بهتر است تراز پایه، روی فونداسیون در نظر گرفته شود.
تراز پایه در ساختمان دارای زیرزمین و بدون دیوار حائل (تراز بالاترین سقف زیرزمین بالاتر از سطح زمین)
ساختمان هایی که دارای زیرزمین هستند و سقف بالاترین طبقه ی زیرزمین آن بالاتر از سطح زمین باشد، در صورت برقرار بودن شرط های زیر می توان تراز پایه را بالای سقف بالاترین طبقه ی زیرزمین یعنی بالاتر از سطح زمین طبیعی در نظر گفت:
- دور تا دور زیرزمین دارای دیوار حائل بتنی با سختی بالا باشد و تا تراز طبقه ای که به عنوان تراز پایه در نظر گرفته می شود ادامه داشته باشد. این دیوار حائل باید متصل به سازه باشد.
- سختی بخش پایینی سازه باید بیش از 10 برابر سختی بخش بالایی سازه باشد.
- به طور کلی ارتفاع سقف بالای سطح زمین نباید بیش از نصف ارتفاع طبقه ی زیرزمین باشد.
تراز پایه در ساختمان دارای زیرزمین و دیوار حائل
در سازه هایی که دارای زیرزمین و دیوار حائل هستند، در صورتی که دیوار حائل دارای بازشو باشد در حدی که سختی کافی را نتواند تأمین کند، بهتر است تراز پایه را نزدیک تراز روی فونداسیون و یا در تراز زیر بازشوها در نظر گرفت.
همچنین در شرایطی که دیوار برشی های طویل که در سرتاسر طول و ارتفاع ساختمان وجود دارند و سختی لازم را تأمین نمی کنند، تراز پایه را روی فونداسیون باید در نظر گرفت.
مباحث تکمیلی ساختمان دارای زیرزمین
مطابق با بند زیر از آیین نامه ASCE7 اگر در مجاورت سازه یا نزدیکی آن در یک یا چند وجه آن سازهی دارای زیرزمین وجود داشت، بهتر است که تراز پایه را روی فونداسیون در نظر گرفت.
در ادامه ی این بند برای ساختمان های دارای زیرزمین که دارای شرایط زیر هستند، تراز پایه را پایین تر از تراز سطح زمین در نظر گرفت:
- وجود درز انقطاع لرزه ای در کل ارتفاع سازه (که شامل طبقات زیرزمین هم بشود)
- طبقات زیرزمین دارای دیوار حائل متصل نباشد.
- سقف بالاترین طبقه ی زیرزمین که بالاتر از سطح زمین است به دیوار حائل وصل نباشد.
- دیاگرام سقف زیرزمین که بالاتر از سطح زمین است انعطاف پذیر باشد.
- در مجاورت سازه، سازه های دیگری وجود داشته باشد.
نکته ی دیگری که باید به آن توجه کرد این است که در اطراف زیرزمین چقدر باید خاک باید وجود داشته باشد که بتوان تراز پایه را از روی فوانداسیون بالا آورد. طبق نظر مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی، حداقل بعد افقی خاک متراکم در امتداد عمود بر دیوار آن میزان است که گوه ی گسیختگی پشت دیوار فعال شود برابر است با
در خاک های متداول شهری که زاویه ی اصطکاک خاک را بین 28-37 درجه فرض کنیم، طولی لازم در جهت عمود بر دیوار برای عمق کافی خاک به منظور فرض تراز پایه، بین 0.5H تا 0.6H می باشد.
اثر درز انقطاع لرزه ای بر تراز پایه
اگر تنها در یک راستا درز انقطاع لرزه ای سرتاسری داشته باشیم، تحت شرایط زیر می توان تراز پایه را از روی فونداسیون بالا آورد:
- خاک های اطراف زیرزمین متراکم و سفت باشد، به صورتی که نیروهای لرزه ای بین خاک و دیوارهای حائل زیرزمین در هر دو حالت باربری و اصطکاک جانبی منتقل شوند.
- دیافراگم ها از نوع صلب باشند.
در سازه های بزرگ تر که درزهای انقطاع لرزه ای در بخش هایی از دو راستا وجود دارد، تراز پایه را روی فونداسیون در نظر می گیرند.
تراز پایه در زمین شیب دار
در ساز هایی که زمین شیب دار احداث می شوند نیز همان ضوابطی که تا این جا گفته شد حاکم است. برای تکمیل مفاهیم تراز پایه در زمین های شیب دار به موارد زیر نیز باید توجه شود.
- در سازه هایی که دیوار حائل آن متصل به سازه نیست، تراز پایه روی فونداسیون است.
- در سازه هایی که فشار خاک توسط سازه و یا توسط سیستم باربر جانبی تحمل می شود نیز تراز پایه روی فونداسیون است.
مکانیزم اثر گذاری تراز پایه در طراحی سازه
اثر تراز پایه روی سازه اثری دوگانه است و در صورتی که حالت پایدار در طول عمر مفید ساختمان برقرار نباشد می بایست به طور کامل (حال یا آینده) مورد بررسی قرار گیرد، برای مثال ممکن است در آینده در مجاورت سازه خاکبرداری انجام شود و یا زیرزمین احداث شود. به این منظور می بایست هر دو حالت تراز پایه (در صورت وجود) در ضریب زلزله و وزن موثر لرزه ای پایه اعمال شود.
تاثیر برش پایه بر ضریب زلزله سازه
در اکثر موارد بالا بردن تراز پایه موجب کاهش نیروی زلزله و اقتصادی تر شدن پروژه می شود. اما بعضی از مهندسین در مواجهه با ساختمانهایی که قادر به تعیین محل دقیق تراز پایه آن ها نیستند، تراز پایین تر را به عنوان تراز بحرانی تر انتخاب می کنند.
مهندسین در برخورد با این مسائل تصور می کنند هرچه تراز پایه، پایین تر انتخاب شود سازه با نیروی بحرانی تری روبرو می-شود. کاهش و یا افزایش برش پایه علاوه بر ارتفاع سازه، به نوع خاک و ناحیه ای که دوره تناوب سازه در طیف بازتاب قرار می گیرد نیز بستگی دارد.
طیف بازتاب استاندارد 2800 از سه قسمت تشکیل شده است که در قسمت ابتدایی با افزایش دوره ی تناوب سازه ضریب بازتاب (B) افزایش، در قسمت میانی، بدون تغییر و در قسمت انتهایی طیف که شامل یک منحنی با شیب منفی است، با افزایش دوره تناوب سازه ضریب بازتاب کاهش می یابد. طبق روابط ارائه شده در استاندارد 2800 دوره تناوب سازه با ارتفاع از محل تراز پایه رابطه مستقیم دارد.
در صورتی که با تغییر ارتفاع تراز پایه، دوره تناوب سازه در ناحیه منحنی شکل نمودار طیف بازتاب جا به جا شود، همواره با افزایش ارتفاع تراز پایه، ضریب بازتاب زلزله کاهش پیدا می کند. با کاهش ضریب بازتاب، برش پایه کاهش و به دنبال آن نیروی برشی طبقات کاهش می یابد، بنابراین تنها در یک حالت با افزایش ارتفاع تراز پایه و نزدیک شدن آن به کف زیرزمین نیروی برشی طبقات افزایش می یابد و آن حالتی است که سازه در محدوده ی ابتدایی طیف طرح واقع شود.
به طور کلی برای در نظر گرفتن محافظه کارانه تراز پایه اینگونه می توان نتیجه گیری نمود:
در شرایطی که اطراف زیرزمین از دیوار حائل استفاده کرده و خاک پشت آن را بکوبیم، تراز پایه به تراز سقف زیرزمین منتقل می شود. با این کار علاوه بر آنکه از محل تراز پایه اطلاع کامل داریم، نیروی طرح را نیز تا حدودی کاهش داده ایم و سازه سبک تر طراحی می شود. کاهش برش طبقه با اجرای دیوار در شرایطی که سازه در محدوده افقی و بالارونده طیف طرح قرار دارد چشمگیرتر است.
در شرایطی که نخواهیم از دیوار حائل استفاده کنیم تراز پایه بسته به میزان اندرکنش بین خاک و دیواره زیرزمین و همچنین سایر پارامترهای سازه می تواند در ترازهای مختلف قرار گیرد. در حالتی که بخواهیم از تراز پایه محافظه کارانه استفاده کنیم، بهتر است به این صورت عمل شود:
1) در صورتی که سازه در محدوده افقی یا منحنی شکل طیف طرح قرار گیرد، بهتر است به شکل محافظه کارانه تراز پایه را کمی پایین تر از سقف زیرزمین در نظر بگیریم به گونه ای که در این تراز سقف اول نوسان کرده و در محاسبه نیروی زلزله دخالت داده می شود.
2) در شرایطی که سازه در محدوده بالارونده طیف قرار گیرد، به شکل محافظه کارانه تراز پایه را بر روی فونداسیون در نظر می گیریم و برش طبقات را محاسبه و سازه را طراحی می کنیم.
تاثیر برش پایه بر وزن موثر لرزه ای سازه
با توجه به وزن بالای سازه یکی از پارامترهایی که تأثیر بسیاری بر روی نیروی برش پایه، وزن مؤثر لرزه ای است. منظور از وزن مؤثر لرزه ای، وزن سازهی بالاتر از تراز پایه است، پس با در نظر گرفتن تراز پایه بالاتر از فونداسیون و بالای دیوار حائل وزن مؤثر به مقدار قابل توجه ای کاهش پیدا می کند چرا که قسمت پایینی سازه وزن بالایی را دارا است که نتیجتاً باعث کاهش نیروی برش می شود، اما باید توجه داشت که قاعده همیشه پابرجا نیست.
ترکیب سیستم ها در ارتفاع
در بند 3-3-5-9 استاندارد 2800 توضیحاتی برای سیستم های سازه ای که در ارتفاع تغییر می کنند بیان کرده است. در حالت کلی زمان تناوب اصلی سازه را باید با توجه به متوسط وزنی زمان های تناوب هر یک از سیستم ها بدست آورد و مقادیر Ru ، Cd و Ωo را با توجه به ضوابط گفته شده در این بند بدست آورد.
اما در بحث تراز پایه موضوع مهم و مورد استفاده قسمت دوم این بند یعنی حالت خاص آن است.
بند 3-3-5-9-2 برای حالت استفاده از حالت خاص 2 شرط بیان می کند:
- اولین شرط آن این است که سختی جانبی متوسط طبقات تحتانی (که منظور سیستم دیوارهای حائل است) حداقل 10 برابر سختی متوسط طبقات فوقانی باشد.
- دوم زمان تناوب اصلی نوسان کل سازه بیشتر از 1.1 برابر زمان تناوب اصلی قسمت فوقانی باشد.
این دو شرط را می توان در سازه کنترل کرد، در اکثر مواقع این شرایط تأمین می شود و در صورت ارضاء نشدن این دو شرط باید از ضوابط حالت کلی استفاده کرد. مطابق این بند تحلیل و طراحی سازه را مطابق دو مرحله ی زیر باید انجام داد:
1) سازه فوقانی را به صورت مجزا و با پایه های گیردار مطابق روال عادی طراحی می کنیم با بالا آمدن تراز پایه نیروهای زلزله کاهش پیدا می کند و طراحی بهینه تر می شود.
2) اما قسمت تحتانی سازه را با اثر دادن عکس العمل سازه فوقانی با ضریب نسبت Ru⁄ρ قسمت تحتانی به Ru⁄ρ قسمت فوقانی تعدیل شود و به صورت مجزا باید تحلیل کرد. از آنجایی که تراز پایه را بالای این قسمت فرض کردیم، در قسمت تحتانی نیروی زلزله ی ناشی از وزن را نداریم، اما در این بند اشاره می کند که این قسمت از سازه نیز باید با توجه به پارامترهای خودش تحلیل شود. طبق بند 7-5-5-2-5-6 مبحث هفتم ویرایش 1400 در دیوارهای زیرزمین که انتهای آن متکی به سقف هستند در شرایط بارگذاری لرزه ای باید مطابق جدول 7-5-2 و بند7-5-5-2-5-6 ، در خاک های متراکم یا سخت که در بحث تراز پایه وجود دارد علاوه بر فشار سکون، از اضافه فشار خاک هنگام زلزله از روابط مانند وود نیز استفاده گردد.
نتیجه گیری
با توجه به اینکه در بسیاری از موارد برای استفاده از انواع روش های تحلیل سازه مثل روش استاتیکی معادل استفاده می شود، بررسی و تعیین محل تراز پایه بخصوص در ساختمان های دارای طبقات زیاد در زیرزمین مهم است. با توجه به مطالب بیان شده در این مقاله و پژوهش های انجام شده در این زمینه، برای تعیین محل دقیق تراز پایه باید اندرکنش خاک و سازه و مشخصات خاک اطراف زیرزمین را مدنظر قرار داد.
منابع
پک آموزش طراحی سازه با ایتبس و سیف پاراپلاس مهندس امیرطه نوروزی
مبحث نهم مقرات ملی ساختمان، ویرایش سال 1399
جزوه ” نکات ویژه در خصوص تراز پایه و توزیع نیروی زلزله در بالا و پایین آن” دکتر علیرضا فاروغی
” بررسی تراز پایه در ساختمانهای مختلف و عوامل موثر بر آن” محسن تهرانی زاده، محمد صادق برخورداری و وحید سپهر موسوی
بدیهی است در پک آزمون محاسبات و آزمون نظارت اجرا مفصل تر به این مفاهیم پرداخته شده است.
Kelly, D. (2009). Location of base for seismic design. Structure Magazine, p. 8-11
Shahrabadi, H; Nazari, S; Ashrafigol, M. (2015). Investigation of different structural systems and base level variation effect on base shear calculation of high rise buildings. In: The International Conference on Human, Architecture, Civil Engineering and City. City: Tabriz Naghizadeh, A. (2012). Base level investigation in buildings with non-same elevated foundation using soil-structure interaction. Master of civil engineering. Shahrood University of Technology.
