آموزش جامع و کنترل تغییر مکان جانبی طبقات (کنترل دریفت) در نرم افزار ایتبس به صورت گام به گام

پس از اتمام فرآیند طراحی سازه، برای آنکه سازه مورد تایید واقع شود باید یک سری کنترل‌های سازه‌ای را طی کند. یکی از مهم ترین آن کنترل‌ها تغییر مکان جانبی نسبی طبقات یا کنترل دریفت می‌باشد. این کنترل از مهمترین و تأثیرگذارترین کنترل‌های سازه است که در بسیاری از سیستم های باربر جانبی به ویژه در قاب‌های خمشی، کنترل‌ کننده ابعاد مقاطع سازه می‌باشد. به عبارت دیگر آیین‌نامه‌ها با تعیین مقدار حداکثر مجاز برای تغییر مکان‌های جانبی، سختی جانبی سازه را مورد ارزیابی قرار می‌دهند.

سرفصل‌های مقاله

1. تعریف و هدف از کنترل دریفت
2. کنترل دریفت در استاندارد 2800 ویرایش چهارم
3. کنترل دریفت در آیین‌نامه ASCE 7-22
4. کنترل دریفت سازه بتنی
5. کنترل دریفت سازه فولادی
6. راه‌های پاسخ گرفتن از دریفت 

کنترل دریفت چیست؟

کنترل دریفت یا کنترل تغییر مکان‌های جانبی نسبی طبقات یکی از مهم‌ترین کنترل‌های سازه می‌باشد که باید بر اساس استاندارد 2800 پس از طراحی سازه انجام گردد و از آن جواب گرفته شود. دریفت تغییر مکان نسبی هر طبقه است، به عبارت دیگر دریفت در واقع اختلاف بین تغییر مکان‌های جانبی مراکز جرم کف‌های بالا و پایین آن طبقه است. نسبت دریفت، نسبت تغییر مکان جانبی نسبی طبقه تقسیم بر ارتفاع طبقه تعریف می‌شود.

هدف از کنترل دریفت چیست؟

دریفت برای محدود کردن خسارات دیوارهای داخلی، باکس راه‌ پله و آسانسور، پنجره‌ها و شیشه‌های طبقات و … کنترل می‌شود. به عبارت دیگر هدف از کنترل دریفت، تأمین سختی جانبی مناسب برای سازه می‌باشد تا اثرات پی دلتا در زمان ارتعاش سازه در هنگام وقوع زلزله بتوان آسیب‌های وارده به ساختمان را به نحوی کنترل کرد.

کنترل دریفت در استاندارد 2800

تغییر مکان جانبی نسبی

تغییر مکان مطلق سازه، تغییر مکانی است که از پای ستون سازه تا طبقه آخر سازه در نظر گرفته می‌شود اما تغییر مکان نسبی اختلاف میان تغییر مکان‌های دو طبقه سازه نسبت به هم می‌باشد. به عنوان مثال دیوارهای داخلی تحت تغییر مکان نسبی صدمه می‌بینند یعنی زمانی که دو طبقه با هم اختلاف تغییر مکان دارند. لذا لازم است تا مقدار این تغییر مکان از مقدار مجازی که آیین نامه برای مشخص می کند بیشتر نشده تا بتوان در صورت وقوع زلزله از صدمات وارد بر سازه جلوگیری کرد.

پیشنهاد مطالعاتی: زلزله چیست و چگونه اتفاق می افتد؟

کنترل های سازه ای باید برای بحرانی‌ترین و بدترین شرایط بارگذاری در سازه در نظر گرفته شود. به همین علت باید نهایت توان سازه را مد نظر قرار داد. بیشترین تغییر مکان جانبی در سازه زمانی رخ می دهد که سازه وارد مرحله رفتار غیرخطی شده باشد پس لذا برای تعیین میزان تغییر مکان جانبی در سازه نیاز به تحلیل غیر خطی سازه می باشد. آیین‌ نامه با معرفی ضریبی تحت عنوان ضریب بزرگنمایی تغییرمکان قصد دارد رفتار سازه واقعی را به رفتار مدل (حالت خطی) نزدیک کند. در واقع این ضریب تبدیل کننده‌ ی تغییر­مکان خطی به غیرخطی بدون انجام تحلیل­‌های غیرخطی‌ می ­باشد.

در سازه‌های بلند، به علت ارتفاع زیاد ساختمان، دامنه نوسانی سازه بیشتر شده و در نتیجه تغییر مکان بیشتری نسبت به ساختمان‌های کوتاه‌تر دارند و کنترل دریفت در این ساختمان‌ها سختگیرانه‌ تر می‌باشد.

طبق بند 3-5-1 آیین‌نامه 2800، تغییر مکان جانبی نسبی واقعی هر طبقه، که اختلاف بین تغییر مکان‌های جانبی واقعی مراکز جرم کف‌های بالا و پایین آن طبقه است، نباید از مقدار مشخصی که در این بند تعیین شده، تجاوز کند. این تغییر مکان تنها با استفاده از تحلیل غیرخطی سازه قابل محاسبه است ولی می‌توان با در نظر گرفتن تقریب در محاسبات از رابطه زیر به دست آورد:

Δ_M = C_d * Δ_eu

در این رابطه:

Δ_M: تغییر مکان جانبی نسبی غیرخطی و یا تغییر مکان نسبی واقعی طبقه

C_d: ضریب بزگ نمایی مطابق جدول (3-4) استاندارد 2800

Δ_eu: تغییر مکان جانبی نسبی طبقه تحت اثر زلزله طرح

هنگام کنترل دریفت، مقادیر تغییر مکان جانبی نسبی طبقه تحت اثر زلزله طرح را از نرم‌افزار ایتبس می‌توان برداشت نمود.

ضریب بزرگنمایی برخی از سیستم های ساختمانی رایج در جدول زیر آورده شده است:

طبق بند 3-5-2 از استاندارد 2800 مقدار Δ_M که با لحاظ کردن اثر P-delta به‌دست می‌آید نباید از مقدار مجاز خود که آیین نامه آن را Δ_a  نام گذاری کرده است تجاوز نماید. Δ_a  برای ساختمان های مختلف از روابط زیر به دست می آید:

• در ساختمان‌های تا 5 طبقه برابر است با: Δa = 0.025h                            
• در سایر ساختمان‌ها Δa = 0.02h    

در این روابط منظور از h ارتفاع طبقه است. لذا می‌توان رابطه را به شکل ساده زیر درآورد:

مطابق بند 3-5-3 از استاندارد 2800 که بند تخفیفی این آیین نامه نیز هست، در محاسبه تغییر مکان جانبی نسبی Δ_eu هر طبقه برای تعیین مقدار برش پایه زلزله که از حاصل ضرب ضریب زلزله در وزن موثر لرزه ای ساختمان به دست می آید، زمان تناوب ساختمان را باید مطابق زیر در نظر گرفت:

ساختمان با اهمیت کم، متوسط یا زیاد                     تحلیلی T=T

ساختمان با اهمیت خیلی زیاد                       (تحلیلیT , تجربی1.25T)T=min

یعنی در ساختمان‌های با اهمیت کم، متوسط یا زیاد باید از دوره تناوب تحلیلی که از نرم‌افزار ایتبس بدست می‌آید استفاده نمود و در ساختمان‌های با اهمیت خیلی زیاد باید از دوره تناوب کوچک‌ تر میان دوره تناوب تحلیلی و 1.25 برابر دوره تناوب تجربی استفاده نمود.

بر اساس بند 3-5-4 جریمه استاندارد 2800 ویرایش چهارم برای ساختمان‌های دارای نامنظمی پیچشی بیان می‌شود. در ساختمان‌های نامنظم زیاد پیچشی و یا نامنظم شدید پیچشی برای محاسبه تغییر مکان نسبی هر طبقه، به جای تفاوت بین تغییر مکان‌های جانبی مراکز جرم کف‌ها، باید تفاوت بین تغییر مکان‌های جانبی کف‌های بالا و پایین آن طبقه در امتداد محورهای کناری ساختمان مد نظر قرار گیرد.

کنترل دریفت در آیین نامه ASCE7-22

در ویرایش 2022 آیین‌نامه ASCE7 یک تغییر بسیار مهمی در کنترل دریفت صورت گرفت که در ویرایش‌های قبلی ASCE7 این مورد وجود نداشت.

طبق بند 12-8-6 این آیین‌نامه، در هنگام كنترل دريفت بايد از تركيب بار D+0.5L+E كه در آن L=0.8L0 در زمانی كه بار زنده بیشتر از حدودا 5 کیلونیوتن بر متر مربع (مانند بار زنده پله) و L=0.4L0 برای همه‌ی بارهای زنده دیگر (مانند بار زنده مسکونی) است، استفاده نمود.

در این روابط L0 بار زنده کاهش نیافته می‌باشد. بر اساس توضیحات آیین‌نامه دلیل استفاده از ترکیب بار در کنترل دریفت، ایجاد وحدت رویه میان کنترل دریفت و کنترل شاخص پایداری می‌باشد.

در شکل بالا

Δi دریفت طبقه،Δi/L نسبت دریفت طبقه، δi جابه جایی کل طبقه می باشد که مقدار آن از رابطه زیر محاسبه می شود:

در رابطه بالا δ1e جابه جایی الاستیک تحت اثر نیروی زلزله وارد بر طبقه اول یوده و I نیز بیان گر ضریب اهمیت سازه می باشد. هم چنین Cd مشابه با روابط استاندارد 2800 ضریب بزرگنمایی ساختمان می باشد.

بر اساس آیین نامه ASCE مقدار مجاز جابه جایی Δ_a را با توجه به نوع ساختمان می‌توان از جدول زیر برداشت کرد:

پارامتر hsx در این جدول، بیانگر ارتفاع طبقه است.

اين نكته قابل ذكر است كه در استاندارد 2800 برای كنترل دريفت از ضريب اهميت ساختمان استفاده نمي‌شود اما در آیین‌نامه بارگذاری آمریکا، این ضریب در محاسبات دریفت لحاظ شده است.

آموزش کنترل دریفت سازه بتنی

در ابتدا برای محاسبه زمان تناوب اصلی ساختمان، از فایل ETABS پروژه مورد نظر Save as گرفته و فایل جدید را در این مرحله Period مینامیم. سپس ضرایط سختی ستون‌ها و تیرها را در فایل جدید اصلاح می‌کنیم. طبق بند 3-5-5 استاندارد 2800 ویرایش چهارم، در سازه‌های بتن آرمه در تعیین تغییر مکان جانبی نسبی طرح، ممان اینرسی مقطع ترک خورده قطعات را می‌توان مطابق توصیه آیین نامه بتن ایران برای تیرها  0.35I_g  و برای ستون‌ها 0.7I_g و برای دیوارها 0.35I_g یا 0.7I_g نسبت به میزان ترک خوردگی آنها، منظور کرد.

هم چنین مطابق بند 3-3-3-3 استاندارد 2800 ویراش چهارم در ساختمان‌های بتن آرمه برای محاسبه زمان تناوب ضرایب سختی ستون‌ها و دیوارها را برابر 1 و ضرایب سختی تیرها را برابر 0.5 قرار می‌دهیم.

برای انجام موارد گفته شده ابتدا تمامی ستون های سازه را از طریق مسیر زیر انتخاب می کنیم:

Select → Select → Object Type → Columns

سپس از طریق مسیر زیر ضرایب سختی ستون های را مطابق تصویر 1 قرار می دهیم:

Assign → Frame → Property Modifiers

هم چنین بار دیگر عملیات بالا را برای تیرها انجام داده و مقدار سختی تیر در جهت قوی را مطابق استاندارد 2800 برابر 0.5 وارد می کنیم:

حال سازه را با فشردن دکمه F5 آنالیز کرده و دوره تناوب اعلامی نرم افزار (دوره تناوب تحلیلی) را از جدول مربوطه برداشت می‌کنیم. برای این کار از مسیر زیر اقدام می کنیم:

Display → Show Table → Analysis → Results → Modal Results → Modal participating Mass Ratios

بنابراین مطابق گزارش بالا داریم:

Tx=1.396s , Ty=1.098s

حال با استفاده از دوره تناوب‌های تحلیلی در هر راستا ضراب زلزله جهت کنترل دریفت محاسبه می‌گردند. در اين پروژه، ساختمانی مسكونی واقع در شهر اراک و با فرض خاک نوع 2 مورد بررسی قرار می‌گيرد.

I=1 , A=0.25

هم چنین مطابق با استاندارد 2800 داریم:

سازه مذکور دارای سیستم قاب خمشی بتن آرمه متوسط فرض شده‌ است. بنابراين ضریب رفتار آن برابر با 5 می‌باشد.

ضریب بازتاب ساختمان از رابطه زیر محاسبه می‌گردد

B=B1N

که در این رابطه B1 ضریب شکل طیف و N ضریب اصلاح طیف است.

ضریب شکل طیف از طريق زير بدست می‌آيد:

همچنین ضریب اصلاح طیف برای پهنه‌های با خطر نسبی کم و متوسط بصورت زير بدست می‌آيد:

پس از انجام محاسبات فوق، در فایل سازه اصلی، نیروهای EXDrift و EYDrift تعریف شده و ضرایب زلزله مربوطه را از طریق مسیر زیر تعریف کرده و مقادیر آن را مطابق تصاویر زیر وارد می‌کنیم:

Define → Load Pattern

پس از تحلیل سازه اصلی، جابه‌جایی مراکز طبقات از مسیر زیر برداشت می‌گردد:

Display → Show Table → Analysis → Results → Displacements → Diaphragm Max/Avg drift  

در این جدول، در ستون Load Case/Combo کلیک راست کرده و به عنوان مثال زلزله‌های EXDrift را انتخاب می‌کنیم.

نتایج را به Excel منتقل کرده و مقادیر ستون Avg Drift را با مقدار مجاز 0.025 بخش بر Cd مقایسه می‌کنیم. ساختمان پنج طبقه می‌باشد و مقدار Cd بر اساس استاندارد 2800 ویرایش چهارم برای ساختمان با قاب خمشی بتنی متوسط برابر 4.5 می‌باشد

آموزش کنترل دریفت سازه فولادی

برای محاسبه زمان تناوب تحلیلی سازه، از فایل ETABS سازه Save as گرفته و در فایل جدید که به منظور برداشت زمان تناوب و کنترل دریفت است، تغییرات مربوطه را برای عدم کاهش سختی اعمال می‌کنیم تا به دوره تناوب اصلی سازه برسیم.

Design → Steel Frame Design → View/Revise Preferences :

سپس سازه را تحلیل و طراحی کرده و دوره تناوب تحلیلی سازه را مشابه با سازه بتنی، از جدول مربوطه برداشت می‌کنیم:

Tx=1.1847s , Ty=0.6147s

حال با استفاده از دوره تناوب‌های تحلیلی در هر راستا ضرایب زلزله محاسبه می‌گردند: سیستم باربر جانبی

در جهت X: قاب خمشی فولادی متوسط سیستم باربر جانبی

و در جهت Y: مهاربند همگرای ویژه

در اين پروژه، ساختمانی مسكونی واقع در شهر تهران و با فرض خاک نوع II مورد بررسی قرار می‌گيرد.

مشابه با کنترل دریفت در سازه بتنی، پس از انجام محاسبات فوق، در فایل سازه اصلی، نیروهای EXDrift و EYDrift تعریف شده و ضرایب زلزله مربوطه را وارد می‌کنیم و سپس سازه را تحلیل کرده و نتایج جدول جابه‌جایی مراکز طبقات را به Excel منتقل کرده و دریفت با توجه به مقدار مجاز کنترل می‌کنیم.

راه های جواب گرفتن از کنترل دریفت:

اگر نتوانستیم در کنترل دریفت از سازه جواب بگیریم می‌توان بسته به ویژگی های پروژه از راه‌های زیر استفاده کرد:

1) اگر سازه نامنظم پیچشی بود، سعی شود سازه منظم گردد. با افزایش سختی لبه نرم و کاهش سختی لبه سخت و … می‌توان این کار را انجام داد. می‌توان دریفت را در مرکز جرم خواند که این راه خود به بهبود مقادیر کمک می‌کند.

2) در سازه بتنی با افزایش مقاومت مشخصه بتن، مدول الاستیسیته زیاد شده و باعث افزایش سختی و در نتیجه کاهش دریفت خواهد شد.

3) افزایش ابعاد تیرها و ستون‌ها در قاب‌های خمشی و افزایش تعداد مهاربندها در قاب‌های ساده فولادی و اگر دیوار برشی داشته باشیم، افزایش طول آن باعث افزایش سختی و کاهش دریفت می‌شود. در این حالت باید به اصل تیر ضعیف ستون قوی توجه نمود زیرا افزایش ابعاد تیر باعث افزایش سختی بیشتری نسبت به افزایش مقطع ستون می‌شود.

4) راهکار دیگری که در کاهش نیروی زلزله در کنترل دریفت موثر است، استفاده از دوره تناوب تحلیلی به جای دوره تناوب تجربی می‌باشد.

5) در قاب‌های خمشی جابه‌جایی جانبی به علت خمش و برش ایجاد می‌شود. اگر قاب خمشی را به صورت یک ستون یک سر گیردار در نظر بگیریم، زمانی که نیرویی بصورت جانبی به آن وارد شود، سهم برش ناچیز می‌شود ولی اگر ستون کوتاه داشته باشیم، در ایجاد این تغییر مکان‌ها سهم برش میتواند مقداری قابل توجه باشد.

6) بطور کلی مقادیر تغییر مکان جانبی یک قاب خمشی به عوامل زیر بستگی دارد:

• تغییر مکان طره‌ای به نسبت تغییر طول ستون‌ها (15 الی 20 درصد)
• خمش در تیرها (50 الی 60 درصد)
• خمش در ستون‌ها (15 الی 20 درصد)
• تغییر شکل چشمه اتصال (حدود 5 درصد)

تغییر شکل‌های ناشی از برش در چشمه اتصال هم نقش زیادی دارند و باید در نظر گرفته شوند. سختی ناشی از تیرها حدود 50 درصد سختی قاب را تأمین می‌کند بنابراین با افزایش مقطع تیرها می‌توان دریفت سازه را کم کرد اما باید به این نکته توجه داشت که امکان ایجاد تیرقوی ستون ضعیف و تشکیل مفصل پلاستیک در حین بارهای لرزه‌ای در ستون‌ها وجود دارد و ممکن است باعث آسیب جدی به سازه شود.

منابع

• آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله، استاندارد 2800 ویرایش چهارم
• آیین‌نامه بارگذاری آمریکا ASCE 7-22
• دوره آموزش طراحی سازه پاراپلاس، مهندس امیرطه نوروزی
• راهنمای استاندارد 2800 ، کارگروه سازه مدیریت کنترل و نظارت ساختمان، شهرداری شیراز

• 15 آوریل, 2024