دستنامه مهندسی زلزله 8:مهندسی زلزله کاربردی در طراحی و بهسازی

کتاب برگزیده سال دانشجویی 1389

در کشور ایران، ضرورت وجود مدوّنی از کتاب‌های مهندسی زلزله و طراحی ساختمان‌های مقام، برکسی پوشیده نیست. آموزش مبتنی بر سرفصل‌های مناسب در دانشگاه‌ها و مراکز آموزشی، ارتقاء دانش و تجربه‌ی مهندسان، تعریف و طرح مسائل پژوهشی مورد نیاز در این زمینه، مستلزم وجود کتاب‌هایی است که علاوه بر کیفیت علمی، با نیاز‌های بومی انطباق کاملی داشته باشد. در راستای رسیدن به هدف بزرگ جامعه‌ی ایمن که لازمه‌ی حیات بشری برای سیر تکامل است، طی تلاشی مستمر در بیش از یک دهه، دوره‌ی «دستنامه‌ی مهندسی زلزله»، تدوین شده است.

پیشگفتار مؤلف اول
 هر چند شدت لرزه خیزی کشور ایران از آسیای شرقی (به عنوان مثال کشور ژاپن) به‌مقدار قابل‌ملاحظه‌ای کمتر است، با وجود این، آمار تلفات زلزله در کشور ایران در مقایسه با جمعیت آن در همه‌ی جهان بی‌نظیر است. علت این امر، بی‌توجهی عمومی به ساخت و ساز مقاوم در برابر زلزله است. یکی از کارهای اساسی در جهت حل این مشکل، تدوین و تألیف مراجع آموزش مهندسی برای جامعه دانشگاهی و مهندسی کشور است. به‌منظور انجام وظیفه در راستای این رسالت، اینجانب بر آن شدم تا بر اساس دستاوردهای مهندسی زلزله و با توجه به تجربیات مربوط به زلزله های گذشته دوره‌ی «دستنامه‌ی مهندسی زلزله» را به جامعه‌ی مهندسی عمران و معماری کشور تقدیم کنم. این دوره شامل مجموعه نسبتاً کاملی از مطالب علمی این زمینه است. کتاب حاضر هشتمین کتاب از این سری بوده که با همکاری آقای ابراهیمیان از برجسته‌ترین دانشجویان دکترای سازه و در شانزده فصل تدوین شده است.
 در دهه‌های آخر قرن نوزدهم که برخی از مهندسان در کشورهای اروپایی مأمور تدوین آیین‌نامه‌های لرزه ای شدند، معلوم بود که سازه ها در هنگام زلزله‌های شدید، وارد ناحیه غیر‌خطی میشوند. چند دهه بعد بایوت مفهوم طیف پاسخ را بیان کرد و راه علمی و مهندسی برای بارگذاری لرزه ای را تدوین کرد. بایوت به خوبی با حل مسایل ارتعاش غیر‌خطی آشنا بود. حیطه‌ی کاری بایوت طوری نبود که مجال پرداختن به مسایل مهندسی زلزله را بیابد. به‌همین دلیل مفهوم طیف پاسخ بیش از یک دهه، مغفول واقع شد و حدود 60 سال طول کشید تا مختصر تغییری در شکل طیف بایوت صورت گیرد. از نقطه نظر ارزش ایده‌ی اولیه و امکان طرح ساده و قابل اطمینان، می‌توان گفت که کار بایوت به تنهایی به‌اندازه‌ی تمام کارهای ایده‌پردازانه که در مهندسی زلزله انجام شده، برابری می کند و حتی بیشتر است.
 سرفصل کتاب حاضر برای دروس مبانی مهندسی زلزله، مهندسی زلزله پیشرفته، طرح لرزه‌ای سازه‌ها و بهسازی لرزه‌ای سازه‌های موجود، قابل استفاده است. با توجه به استانداردهای موجود در ایران، مطالب تکمیلی در برخی از قسمت های کتاب اضافه شده است تا ارتباط منطقی بین مطالب علمی و آیین نامه‌های لازم الاجرا در ایران حفظ گردد.
 از همکاری و مساعدت صمیمانه‌ی آقای فرید قهاری که از برجسته‌ترین دانشجویان دکترای کشور بوده و ویرایش کتاب را با دقت فراوانی انجام دادند، سپاسگزاری می‌شود. از زحمات سرکار خانم‌ها ناهید و ندا تابش‌پور صمیمانه تشکر میشود. همچنین از همکاری و مساعدت سرکار خانم احتشام‌فر سپاسگزاری میشود. تهیه این اثر بیش از هرچیز مرهون همراهی و مساعدت همسر اینجانب بوده که از ایشان تشکر به عمل می‌آید.
 از اساتید، دانشجویان و مهندسان محترم تقاضا می‌شود که نظرات و پیشنهادات خود را برای اصلاح و رفع نقایص کتاب برای نویسندگان ارسال فرمایند. پیشاپیش از تمامی منتقدان و پیشنهاد‌دهندگان که اینجانبان را مورد منت قرار داده و زحمت ارسال نظرات خود را تقبل می‌کنند، صمیمانه تشکر می‌شود.

 محمدرضا تابش پور
 tabesh_mreza@yahoo.com
 tabeshpour@civil.sharif.ir

فهرست مطالب
 

 فصل اول: مقدمه ای بر طرح ساختمان های مقاوم در برابر زلزله 
 1.1 مقدمه 3
 2.1 انواع خرابی در زلزله 3
 3.1 راهنمایی های مهم بر اساس زلزله های گذشته 10
 4.1 کمّی سازی شدت خرابی در زلزله 15
 5.1 فعالیت های مربوط به بهبود و اصلاح آیین‌نامه های ساختمانی 16
 منابع 17
 
 فصل دوم: مفاهیم اساسی طراحی بر اساس عملکرد
 1.2 مقدمه 21
 2.2 آیین نامه های موجود: CBC (UBC)، IBC، ASCE-7 22
 3.2 توصیه های SEAOC (کتاب آبی) 22
 4.2 2000 Vision، حرکت به سمت طراحی بر اساس عملکرد 23
 5.2 انواع کاربری در Vision 2000 25
 6.2 شاخص بندی ﮐﻤّﻰ زلزله 25
 7.2 معیارهای پذیرش در Vision 2000 26
 8.2 پیشرفت های مهم در FEMA-273/356 28
 9.2 پروژه ی فولادی FEMA/SAC 29
 10.2 تحول سریع در آیین نامه ها و راهنماها بر اساس عملکرد 31
 11.2 بهبود ابزارهای مهندسی 32
 12.2 طراحی بر اساس عملکرد 33
 13.2 چار‌چوب PEER 33
 14.2 آینده ی روش طراحی بر اساس عملکرد 36
 منابع 37
 
 فصل سوم: نگرشی به روند اصلی طراحی لرزه ای
 1.3 مقدمه 41
 2.3 مراحل اصلی در روند طراحی 41
 3.3 رهیافت های طرح لرزه ای 45
 
 فصل چهارم: خصوصیات مهندسی زمین لرزه ها و تحلیل خطر
 1.4 مقدمه 57
 2.4 هدف تحلیل خطر 57
 3.4 محیط لرزه ای 57
 4.4 مرگ و میر ناشی از زلزله ها 59
 5.4 زمین لرزه های آمریکا 60
 6.4 تئوری بازگشت ارتجاعی 62
 7.4 گسلش 63
 8.4 خطر لرزه ای 65
 9.4 وابستگی حرکت زمین به مکانیزم گسلش 66
 10.4 اثرات زلزله نزدیک گسل 67
 11.4 اثرات مسیر عبور موج 68
 12.4 اثرات محلی (ساختگاهی) 69
 13.4 اندرکنش خاک و سازه 70
 14.4 بحث کیفی روی تاریخچه ی زمین 71
 
 فصل پنجم: کاربرد تحلیل خطر در مهندسی زلزله
 1.5 مقدمه 77
 2.5 مقیاس های شدت زلزله 77
 3.5 شاخص های مهندسی مربوط به شدت زلزله 78
 4.5 تخمین شدت زلزله 81
 5.5 تخمین بر اساس طول گسل 81
 6.5 تخمین آماری شدت زلزله 82
 7.5 پریود غالب تحریک 85
 8.5 بیشینه ی سرعت و جابه جایی زمین 85
 9.5 تحلیل خطر به روش قطعی(تعیّنی، متعین) 87
 10.5 تحلیل خطر به روش احتمالی 88
 11.5 داده های USGS 90
 12.5 تاریخچه ی زمانی زلزله 91
 13.5 رکوردهای مصنوعی حرکت زمین 91
 
 فصل ششم: طیف های پاسخ و طراحی
 1.6 مقدمه 99
 2.6 طیف پاسخ خطی 99
 3.6 طیف طراحی 100
 4.6 هموارکردن طیف پاسخ ناشی از رکوردهای مختلف 101
 5.6 میرایی ویسکوز (لزج) 102
 6.6 شیوه های مختلف ترسیم طیف پاسخ 104
 7.6 نمودار طیف پاسخ سه جانبه 105
 8.6 نمودار طیف پاسخ دو جانبه شبه شتاب- جابجایی 107
 9.6 روابط تحلیلی برای ایجاد منحنی طیف طرح الاستیک 108
 10.6 ایجاد منحنی طیف طرح الاستیک بر پایه ی روابط تحلیلی آماری (کاهندگی) 108
 11.6 اثر جهت گیری پیش رونده ی انتشار شکست (Forward Directivity Effect ) در نواحی نزدیک گسل بر طیف طراحی 112
 12.6 روابط تجربی ساده برای ایجاد طیف طرح الاستیک 113
 13.6 خصوصیات طیف طرح الاستیک نیومارک- هال 114
 14.6 نحوه ی ایجاد طیف طرح الاستیک نیومارک- هال 117
 15.6 مقایسه میان طیف طرح الاستیک نیومارک- هال با طیف های موجود در آیین نامه ها 121
 16.6 نکاتی پیرامون طیف طرح الاستیک نیومارک- هال 122
 17.6 تأثیر جنس خاک بستر بر طیف طرح الاستیک نیومارک- هال 123
 18.6 رفتار سازه ها در محدوده ی سرعت ثابت (محدوده ی نزولی طیف) در طیف طرح نیومارک- هال 124
 19.6 طیف های طراحی جدید در آیین نامه ها 125
 20.6 نکاتی پیرامون طیف طرح NEHRP (FEM-368) 126
 21.6 طیف طرح آیین نامه NEHRP 129
 22.6 اصلاح طیف طرح برای میرایی های غیر از 5% 130
 23.6 جمع بندی 131
 
 فصل هفتم: پاسخ دینامیکی غیر خطی سیستم های ساده
 1.7 مقدمه 135
 2.7 پاسخ غیرالاستیک به تحریک های ساده 136
 
 فصل هشتم: طیف های پاسخ غیر خطی
 1.8 مقدمه 155
 2.8 طیف پاسخ غیر خطی – کلیات 155
 3.8 نحوه ی ساخت طیف پاسخ غیر خطی با مقاومت یکسان 156
 4.8 موارد استفاده ی طیف پاسخ غیر خطی با مقاومت یکسان 158
 5.8 نکاتی در مورد طیف پاسخ غیرخطی با مقاومت یکسان 160
 6.8 طیف پاسخ غیرخطی با شکل پذیری یکسان 161
 7.8 ضریب اصلاح پاسخ غیرخطی R 161
 8.8 حداکثر جابه جایی غیرخطی 162
 9.8 ضریب اصلاح جابه جایی γ 164
 10.8 جمع بندی 164
 
 فصل نهم: طیف طرح غیر الاستیک (غیر خطی)
 1.9 مقدمه 171
 2.9 ایجاد طیف طرح غیرالاستیک 172
 3.9 روش نیومارک و هال در استخراج طیف غیر الاستیک 172
 4.9 تخمین جابه جایی 174
 5.9 ضرایب اصلاح تجربی برای طیف طرح غیرالاستیک 175
 6.9 ضریب رفتار R 176
 7.9 فرمت طیف شتاب بر حسب طیف جابه جایی 177
 منابع 178
 
 فصل دهم: اثر و نوع رفتار چرخه ای
 1.10 مقدمه 181
 2.10 ضرورت اصلاح طیف غیر خطی 181
 3.10 مشاهداتی در منحنی های چرخه ای 182
 4.10 مدل های کاهندگی سختی 182
 5.10 مدل الاستیک- کاملاً پلاستیک (EPP) 187
 6.10 اثر زوال مقاومت 189
 7.10 اثر 190
 
 فصل یازدهم: نکاتی پیرامون زلزله نزدیک گسل
 1.11 مقدمه 209
 2.11 خصوصیات رکورد زلزله ی نزدیک گسل 209
 3.11 طیف ضربه (Shock Spectrum) 210
 4.11 مشاهدات مربوط به زلزله ی نزدیک گسل 212
 
 فصل دوازدهم: استفاده از طیف پاسخ غیر ارتجاعی در طراحی
 1.12 مقدمه 225
 2.12 تقلیل سیستم MDOF به سیستم معادل SDOF 225
 3.12 مفهوم تبدیل پاسخ SDOF به سیستم غیر الاستیک MDOF 226
 4.12 مروری بر طیف غیرالاستیک طرح 226
 5.12 برونیابی طیف های غیرالاستیک به سیستم های MDOF 227
 6.12 روش متداول تحلیل مودی 227
 7.12 نکاتی پیرامون تحلیل مودی 228
 8.12 کاربردهای آیین نامه ای 229
 9.12 روش استاتیکی خطی در FEMA-273/356 229
 10.12 روش دینامیکی خطی در FEMA-273/356 231
 11.12 روش استاتیکی غیرخطی در FEMA-273/356 232
 12.12 تحلیل پوش اور 233
 13.12 بعضی از عبارات در FEMA- 273/356 234
 14.12 ضوابط FEMA-350 در تحلیل پوش اور 235
 15.12 روشهای غیرخطی در FEMA-273/356 236
 16.12 تقلیل سیستم MDOF به SDOF 237
 17.12 سیستم SDOF معادل 237
 18.12 یادآوری سیستم SDOF 240
 19.12 پیشرفتهای تجربی 240
 منابع 241

 فصل سیزدهم: روشهایی ساده برای برآورد لرزهای سازه ها
 1.13 مقدمه  245
 2.13 ارزیابی عملکرد لرزه ای سازه ها 245
 3.13 تحلیل استاتیکی غیرخطی، مبانی 256
 منابع 264

 فصل چهاردهم: روش اصلاح جابجایی یا ضریب جابجایی برای تعیین نقطه عملکرد سازه ها
 1.14 مقدمه 267
 2.14 روش های مختلف دو خطی کردن منحنی نیرو جابه جایی 269
 3.14 ضریب 271
 4.14 ضریب 272
 5.14 ضریب 279
 6.14 ضریب 281
 7.14 جمع بندی 286
 منابع 286
 
 فصل پانزدهم: روش خطی سازی معادل یا طیف ظرفیت
 1.15 مقدمه 289
 2.15 روش طیف ظرفیت ارائه شده در دستورالعمل ATC-40 289
 3.15 جمع بندی روش طیف ظرفیت ارائه شده در دستورالعمل ATC-40 305
 4.15 روش خطی سازی معادل در دستورالعمل FEMA-440 306
 5.15 روش N2 320
 6.15 روش کلی طیف ظرفیت مبتنی بر طیف غیرالاستیک 327
 منابع 331
 
 فصل شانزدهم: روش های ساده تحلیل غیرخطی سازه ها با در نظر گرفتن اثر مودهای مختلف
 1.16 مقدمه 335
 2.16 روش تحلیل تاریخچه ی زمانی مودال غیردرگیر 335
 3.16 روش تحلیل استاتیکی فزاینده ی مودال 339
 4.16 گام های انجام روش تحلیل تاریخچه ی زمانی مودال غیردرگیر 345
 5.16 گام های انجام روش تحلیل استاتیکی فزاینده ی مودال 346
 6.16 مقایسه ی میان روش های تحلیل استاتیکی فزاینده ی مودال و تحلیل تاریخچه ی زمانی مودال غیردرگیر 346
 منابع 348
 
 واژه‌نامه‌ی انگلیسی به فارسی 349
 واژه‌نامه‌ی فارسی به انگلیسی 355
 فهرست الفبایی 361
 مجموعه‌ی تصاویر رنگی 369