کارشناسی مفهوم علمی ۶ دی ۱۳۹۶ زمان خواندن: ۷ دقیقه

با اثر زلزله بر ساختمان و نیروهای زلزله آشنا شوید

در این پست می‌خوانید:

در این نوشتار تصمیم داریم به بررسی اثر زلزله بر ساختمان ها بپردازیم. با توجه به اینکه اکثر نقاط کشور ما زلزله خیز است، شناخت اثر زلزله بر ساختمان ها از اهمیت فراوانی برخوردار است. زلزله یک پدیده طبیعی است که در بسیاری از نقاط جهان رخ می دهد، ما انسان ها بایستی سرپناه های خود را به گونه ای بسازیم که این پدیده ی طبیعی (همانند سایر پدیده ها از جمله باران و برف و …) را مهار کنیم. با ما همراه باشید.

پیشنهاد مطالعه: معرفی پارامترهای لرزه ای و تشریح نحوه وقوع زلزله

نیروی اینرسی در سازه‌ها

اثر زلزله بر ساختمان به این صورت است که ساختمان‌ها در محل فونداسیون خود، تحریک شتاب دار زمین را تجربه خواهند کرد. مطابق با قانون اول نیوتن با اینکه فونداسیون ساختمان به همراه زمین حرکت می‌کند ولی طبقات بالایی ساختمان تمایل به ماندن در وضعیت اولیه خود دارند، لیکن تا زمانی که دیوار‌ها و ستون‌ها متصل به زمین می‌باشند طبقات بالایی را به همراه خودشان می‌کشند. این مورد شبیه به حالتی است که شما در اتوبوس ایستاده اید و اتوبوس شروع به حرکت می‌کند در این شرایط پاهای شما به همراه اتوبوس حرکت کرده ولی بخش بالایی بدن شما تمایل به ماندن در شرایط اولیه داشته و قصد دارد شما را به سمت عقب واژگون کند. این تمایل برای ماندن در شرایط اولیه با لفظ اینرسی شناخته می‌شود. تا زمانی که ستون‌ها و دیوارهای ساختمان عملکرد انعطاف پذیری دارند حرکت طبقات بالایی و بام متفاوت از حرکت فونداسیون ساختمان خواهد بود. (شکل 1)

شکل 1- اثرات اینرسی در ساختمان، زمانی که فونداسیون دچار تحریک می‌شود

مطابق با شکل ۲ ساختمانی را در نظر بگیرید که سقف آن از طریق ستون‌ها به زمین متصل می‌باشد به مثال اتوبوس برگردیم …. به هنگام حرکت ناگهانی اتوبوس، شما به عقب پرت خواهید شد به مانند حالتی که شخصی به بخش بالایی بدن شما نیرویی وارد کند. مشابه همین حالت در زمان تحریک ناگهانی فونداسیون، ساختمان به عقب پرت شده و در تراز بام نیروی اینرسی ایجاد می‌شود. لذا اگر بام دارای جرم M و شتاب a باشد مطابق با قانون دوم نیوتن مقدار نیروی اینرسی برابر با M.a بوده و جهت آن خلاف جهت شتاب وارده خواهد بود. واضح است که با افزایش جرم مقدار نیروی اینرسی نیز افزایش خواهد یافت. بنابراین تحمل زلزله برای ساختمان های سبک‌تر به مراتب راحت‌تر و بدون آسیب و خسارت خواهد بود.

اثرات تغییرشکل جانبی ناشی از زلزله بر روی سازه‌ها

نیروی اینرسی ایجاد شده در تراز بام برای رسیدن به فونداسیون از ستون‌ها عبور می‌کند. این نیروی ایجاد شده در ستون‌ها را می‌توان از طرق دیگری نیز درک نمود. در طی یک زمین لرزه ستون‌ها مابین ابتدا و انتهای خود دچار تغییرشکل نسبی خواهند شد. در شکل ۲ این تغییرشکل نسبی مابین بام و فونداسیون با U نشان داده شده است. تحت اثر این تغییرشکل های نسبی، ستون‌ها تمایل برگشت به حالت ایستاده و قائم اولیه خود را دارند بنابراین ستون‌ها در برابر تغییرشکل های نسبی مقاومت نشان می‌دهند. در موقعیت ایستاده و قائم به دلیل عدم وجود تغییرشکل نسبی مابین ابتدا و انتها، ستون‌ها متحمل نیروی زلزله نخواهندبود. بنابراین در نتیجه ایجاد U ، ستون‌ها بالاجبار خم شده و متحمل نیروهای ناشی از این تغییرشکل نسبی خواهند شد. مقدار نیروی ایجاد شده در ستون‌ها وابسته به مقدار U خواهد بود. مشخصات ستون های با سختی بیشتر (ابعاد بزرگ‌تر) نیروی بیشتر خواهند داشت. به همین دلیل این نیروهای داخلی را نیروهای ناشی از سختی یا نیروهای فنری می‌نامند (نیروهای مقاوم در برابر تغییرمکان.) که مقدار این نیرو برابر با حاصل ضرب سختی ستون در جابجایی نسبی مابین گره ابتدا و انتهای آن می‌باشد.

شکل 2 – نیروی اینرسی و تغییرشکل های نسبی ایجاد شده مابین گره ابتدا و انتهایی ستون‌ها

ارتعاش افقی و قائم ناشی از زلزله

به سبب زلزله، زمین در هر سه راستای y، x و z دچار ارتعاش شده و متحمل حرکات رفت و برگشتی در جهات مثبت و منفی هر کدام از راستا خواهد شد (شکل 3) در طراحی سازه‌ها بایستی مولفه های زلزله هر سه راستا لحاظ شود. همه سازه‌ها در مرحله اول برای بارهای ثقلی طرح می‌شوند (بارهایی شامل بارهای مرده، زنده، برف و تاسیسات موجود) بارهای ثقلی از حاصل ضرب جرم های مذکور در شتاب ثقل حاصل می‌شوند. در این میان شتاب قائم ناشی از زلزله بسته به جهت ارتعاش قائم ممکن است با شتاب ثقل هم جهت شده، به آن اضافه گردد و یا از آن کم شود. به دلیل ضرائب اطمینان های موجود در طراحی برای بارهای ثقلی، معمولا اکثر سازه‌ها مقاومت کافی در برابر ارتعاشات قائم را دارا می‌باشند.

شکل 3 – جهات اصلی در یک ساختمان

از ویرایش چهارم استاندارد 2800 سازه هایی که در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد می‌باشند بایستی کل سازه در برابر ارتعاش قائم زلزله طرح شوند. به همین دلیل برای لحاظ کردن اثرات رفت و برگشتی زلزله قائم، یک بار حالت جمع اثرات با شتاب ثقل در نظر گرفته شده و بار دیگر حالت تفاضلی آن محاسبه می‌شود. در زیر ترکیب بارهای شماره 1 و 2 هر دو ترکیب های زلزله دار می‌باشد و زلزله هر کدام شامل زلزله افقی و قائم بوده که بایستی اثرات هر کدام تفکیک گردند.

پیشنهاد دانلود: آیین نامه ۲۸۰۰ زلزله ویرایش چهارم

پیشنهاد مطالعه: آموزش نحوه محاسبه ضریب زلزله ویرایش ۴ آیین نامه ۲۸۰۰

که در آن‌ها E به صورت زیر می‌باشد:

با جایگذاری موارد بالا در ترکیب بارهای 1 و 2 داریم:

با فرض کاربری مسکونی و پهنه خطر نسبی خیلی زیاد خواهیم داشت:

بدین ترتیب کل اجزای سازهای برای ارتعاش قائم طراحی خواهند شد. البته در بند ت از ضابطه نیروی قائم ناشی از زلزله در ویرایش چهارم 2800 به این نکته اشاره شده است که «بالکن‌ها و پیش آمدگی هایی که به صورت طره ساخته می‌شوند» هم بایستی به صورت جداگانه برای زلزله قائم طراحی گردند که نیازی به آن نیست چون از طریق ترکیب بارهای بالایی همه المان های سازه ای برای زلزله قائم پوشش داده می‌شوند. (ASCE7-10 نیز چنین ضابطه ای ندارد). با توجه به ترکیب بارهای ارائه شده به دلیل مقدار قابل توجه نیروهای ناشی از زلزله، سازه‌ها علاوه بر اثرات ثقلی بایستی برای اثرات زلزله نیز طراحی شده و در ‌‌نهایت توان اتلاف انرژی و شکل پذیری سازه برای سطح زلزله مورد نظر کنترل گردد.

جریان نیروهای اینرسی تا فونداسیون

به دلیل تمرکز بیشترین جرم در محل تراز طبقات، در هنگام ارتعاش افقی زمین، نیروهای افقی اینرسی در محل تراز طبقات ایجاد شده و به وسیله دیافراگم صلب به المان های مقاوم باربر جانبی نظیر دیوارهای برشی، مهاربند‌ها و ستون‌ها منتقل می‌شوند و ‌‌نهایت از طریق فونداسیون به سمت خاک هدایت خواهند شد (شکل 4)

شکل 4- نیروهای اینرسی در المان های سازه ای

بنابراین هر المانی که در این مسیر باربری لرزه ای از دیافراگم کف تا به فونداسیون قرار گیرد بایستی حداقل مقاومت لازم برای بهبود عملکرد لرزه ای سازه را داشته باشد. از میان همه این المان های باربر برای نیروی اینرسی، دیوار‌ها و ستون‌ها بحرانی‌ترین المان‌ها می‌باشند، چون انهدام هر یک از این المان‌ها در ‌‌نهایت باعث فروریزش کل سیستم خواهد شد. این در حالی است که در طراحی های قدیمی و سنتی تمرکز اصلی روی سیستم سقف و تیر‌ها بوده و دیوار‌ها و ستون‌ها از اهمیت کمتری برخوردار بودند. دیوار‌ها غالبا کم ضخامت بوده و در بیشتر موارد از مصالح ترد بنایی تشکیل می‌شدند. دیوارهای بنایی در جهت عمود بر صفحه خود قابلیت باربری زلزله های افقی را نداشته و در روند باربری زلزله از این جهت دچار گسیختگی می‌شوند. شکست دیوارهای بنایی در اغلب زلزله‌ها اتفاق می‌افتد (شکل 5a).

به صورت مشابه، طراحی ضعیف ستون های بتن آرمه نیز می‌تواند فاجعه بار باشد. در شکل 5b نمونه از شکست ستون های طبقه اول، که باعث فروریزش کل ساختمان در اثر زلزله بوج سال 2001 شده است را نشان می دهد.