مفاهیم طراحی لرزه ای سازه ها

پیشگفتار

جهان درطول تاریخ شاهد نابودی شهرها و حتی بعضی تمدن های خود بر اثر زلزله بوده است. ابعاد فاجعه بار اقتصادی، اجتماعی، فرهنگی، سیاسی و... در یک زلزله کوتاه مدت چند ثانیه ای می تواند حاکم بر سرنوشت چند نسل باشد. بنابراین طبعاً تامین ایمنی لرزه ای سازه ها باید در اولویت برنامه‌ریزی کشورها قرار گیرد.
در طی چند دهه اخیر تحقیقات زیادی در زمینه مهندسی زلزله شکل گرفته که بی شک منشأ تحولاتی بنیادی در آیین نامه ها و موجب ارتقای دانش مهندسین شده است. افزایش اطلاعات در مورد نحوه رفتار سازه ها در زلزله که از طریق این تحقیقات و تجارب زلزله-های اخیر به‌دست آمده، باعث نگرانی در مورد وضعیت لرزه ای حجم وسیعی از ساختمان-های موجودکه بدون اعمال ضوابط جدید ساخته شده اند، می باشد. این مهم که برخی ساخت و سازها نیز بدون طراحی و نظارت مناسب و اصولاً بدون توجه به هیچ ضابطه فنی ساخته شده اند تشدیدکننده‌ی این نگرانی است. بنابراین کاهش خسارت‌های جبران ناپذیر زلزله همواره هدف نهایی محققین و دانشمندان علم مهندسی زلزله بوده است. با محاسبات و اجرای صحیح ساختمان ها، ترس و نگرانی از خطرهای زلزله می تواند جای خود را به امید و اعتماد بدهد. تفکر مقاوم سازی ساختمان ها به دلیل موفقیت چشمگیر در نجات جان  انسان ها، همچنان بی وقفه و با شتابی روزافزون درحال پیشروی است. به طوری که هم اکنون در سطح جهان تحقیقات وسیعی بر روی رفتار سیستم های موجود و ابزار و سیستم-های جدید در حال انجام است. در کشورهای جهان سوم متاسفانه ضعف عمده و اساسی در بخش اطلاع رسانی می باشد. به طوری که نتایج تحقیقات خیلی دیر به بخش صنعت منتقل می-شود و بسیاری از ساخت و سازها هنوز با اطلاعات و دانش چند دهه قبل انجام می شود و تناسبی با دستاورد های علم جدید مهندسی زلزله ندارد. این در حالی است که علم مهندسی زلزله در این مدت با تحولات و تغییرات قابل توجهی روبرو بوده است.
نگرش فعلی مهندسی زلزله، تاکید بر شکل پذیری بالا برای ساختمان می باشد به طوری که این معیار در کنار دو معیار سختی و مقاومت قرار گرفته است. در این راستا موسسات و ارگان های تحقیقاتی خارجی، قوانین و ضوابط گسترده ای را پیشنهاد کرده‌اند. ولی متاسفانه این نتایج در کشورمان عملا کمتر به دفاتر طراحی و پروژه های اجرایی راه پیدا کرده اند. سهم عمده ای از این نابسامانی ها و ناهماهنگی ها به عدم آگاهی مهندسین جوان به  مسائل پایه و اصول لرزه ای سازه برمی‌گردد. متاسفانه با وجود لرزه خیزی بالای بیشتر مناطق پرجمعیت کشور و آسیب‌پذیری ساختمان های موجود در برابر زلزله و همچنین بر اساس تجربیات زلزله ای اخیر، هنوز توجه کافی به ساخت و ساز صحیح نشده است. اگرچه با توجه به پیشرفت های دانش بشری در مهندسی زلزله، در حال حاضر احداث بناهای مقاوم در برابر زلزله براحتی امکان پذیر است، لیکن عملاً مسائلی به وجود آمده که رسیدن به ساختمان های مقاوم تضمین نمی‌شود. بیشتر ساختمان های کوچک مسکونی فاقد هرگونه دفترچه‌ی محاسبات سازه‌ای بوده و با نظارت صحیح مهندسین ساختمانی که دانش فنی لازم را دارند ساخته نمی‌شوند. همچنین ممکن است احداث آنها توسط پیمانکاران غیرحرفه‌ای و فاقد صلاحیت لازم انجام گیرد.
مشکل اصلی آسیب پذیری لرزه ای ساختمان ها، عدم استفاده صحیح از دانش فنی و دستورالعمل های آیین نامه ای در بارگذاری جانبی زلزله و آئین نامه‌ی طراحی ساختمان ا در مراحل مختلف طراحی و به‌طور کلی کم توجهی به این ضوابط در مرحله‌ی اجرا می باشد. بسیاری از مهندسین کشور نه تنها اطلاعات کاملی در مورد عملکرد، آسیب‌پذیری و مقاوم-سازی لرزهای سازه ها ندارند، بلکه در مواجهه با مسائل اجرایی معمول ساختمان نیز کوتاهی می‌کنند. لذا باید سطح آگاهی از اطلاعات فنی این افراد افزایش یافته و نیز مکانیزمی برای اعمال قاطعیت اجرایی و کنترل امر در نظرگرفته شود، البته به طوری که حقوق مهندس ناظر حفظ شده و مسئولیت ها به درستی تقسیم شود. از این رو برآن شدیم که در حد توان در جهت رفع این مشکل بکوشیم.
در این کتاب سعی شده مطالب گوناگون و مفید در زمینه‌ی اثر زلزله و راههای مقابله با آن، به ساده ترین شکل جهت استفاده دانشجویان معماری و عمران بیان شود. مسلماً با توجه به گستردگی و پراکندگی زیاد مباحث در علم مهندسی عمران، تمامی مطالب را در یک کتاب واحد نمی توان بیان کرد ولی به جهت جامع تر شدن کتاب در موضوع "مفاهیم ساده‌ی طراحی لرزه‌ای" سعی شد از مطالب بیشتر ولی با رعایت اختصار و سادگی و روانی استفاده شود تا برای عموم مهندسین دست‌اندرکار ساخت و ساز در کشور و حتی دانشجویان رشته‌های معماری و عمران به خصوص در درس‌های بارگذاری و اصول مهندسی زلزله مورد استفاده قرار گیرد. با توجه به این نکته که این کتاب به بیان مفاهیم طراحی لرزه ای سازه ها می پردازد و هدفش آشنا کردن دانشجویان با خطرات زلزله و راه‌های ساده‌ی مهار آنهاست، سعی شده مطالب روان، جامع و به‌صورت عمومی بیان شود و به جای ورود به مطالب و روابط طراحی اعضای ساختمان‌های فولادی و بتنی، به طور مصور، مشکلات رایج در سازه ها و آسیب‌های معمول محتمل در زلزله‌ها شفاف شود. امید است این مجموعه که حاصل ارائه‌ی دروس دانشگاهی مرتبط در ده سال اخیر توسط مولف اول می باشد، بتواند بخشی از نیازهای موجود در بخش مهندسی سازه را برآورده سازد. از تمام اساتید و مهندسین تقاضا داریم بر ما منت نهند و با نظرات و پیشنهادات سازنده خود، ما را در جهت رفع نقایص و کاستی های موجود یاری دهند تا انشاالله در فرصت های بعدی از آنها استفاده شود.

دکتر سید مهدی زهرایی محمدرضا محمدیان
دانشیار دانشکده عمران دانشگاه تهران کارشناس ارشد سازه
 

فهرست مطالب

فصل 1 شناخت پدیده زلزله 1
1.1 مقدمه 1
2.1 زلزله مهم‌ترین خطر طبیعی 2
3.1 افزایش خطر زمین‌لرزه 4
4.1 دلیل وقوع زلزله 4
5.1 انواع لرزش زمین و انتقال آن 7
6.1 بزرگی و شدت زلزله 11
7.1 بررسی موردی: زمین‌لرزه بم 15

فصل 2 ملاحظات معماری و سازه‌ای ساختمان‌ها در برابر زلزله 17
1.2 تاثیر مشخصه‌های معماری طی زمین‌لرزه بر ساختمان 17
1.1.2 لزوم همکاری بین مهندس معمار و محاسب 17
2.1.2 ابعاد و پلان ساختمان ها 18
3.1.2 همجواری ساختمان ها 20
4.1.2 مجزا کردن ساختمان‌های نزدیک به هم، توسط درز انقطاع 21
2.2 لزوم پیروی از ملاحظات لرزه ای موجود در آیین‌نامه ها 22
3.2 اثرات زمین‌لرزه بر ساختمان 25
1.3.2 علت ایجاد پیچش در ساختمان 28
2.3.2 لزوم اجتناب از مهاربند نامتقارن 33
3.3.2 لزوم اجتناب از جابه‌جایی مهاربندها 36
4.3.2 حفاظت از پی 39
5.3.2 پدیده روان‌گرایی 40

فصل 3 نقش شکل‌پذیری سازه‌ها 45
1.3 فلسفه‌ی طراحی لرزه‌ای ساختمان‌ها 45
2.3 لزوم تأمین شکل‌پذیری در سازه ها 49
1.2.3 مفهوم طراحی ظرفیت 49
2.2.3 طراحی ساختمان های مقاوم در برابر زلزله 51
3.3 تأثیر انعطاف‌پذیری ساختمان بر رفتار لرزه‌ای 52
4.3 طراحی سازه‌های فولادی شکل‌پذیر 56
5.3 ضوابط شکل‌پذیری سازه‌های بتنی 59
1.3.5 استفاده از فولاد شکل پذیر با و 59
2.3.5 استفاده از خاموت به منظور ایجاد شکل‌پذیری در سازه‌های بتنی 61
6.3 روش طراحی لرزه‌ای سازه‌ها بر اساس عملکرد آنها 63
7.3 روش های نوین برای مقابله با زلزله در ساختمان 67
1.7.3 طراحی سازه ها با جداسازی لرزه‌ای 68
2.7.3 بررسی انواع میراگرها 74

فصل 4 طبقه‌ی نرم در سازه 83
1.4 تأثیر ایجاد طبقه‌ی نرم در همکف 83
2.4 تخریب ناشی از طبقه نرم در طبقات 91

فصل 5 اثر دیوارهای آجری بر روی قاب در زلزله 95
1.5 لزوم اجتناب از اتصال کامل قاب با دیوارهای غیرسازه‌ای 95
2.5 لزوم اجتناب از پرکردن قاب‌ها با مصالح بنایی 97
3.5 پرهیز از ساختمان‌های نیمه اسکلت 100

فصل 6 بررسی ساختمان‌های بنایی در برابر زلزله 101
1.6 بررسی رفتار دیوارهای آجری 101
2.6 عملکرد جعبه ای در سازه های بنایی 104
3.6 ویژگی‌های سازه‌های مقاوم در برابر زمین‌لرزه 107
4.6 ضرورت وجود کلاف های افقی و قائم برای ساختمان های بنایی 109
5.6 ضرورت وجود آرماتورهای عمودی برای ساختمان های بنایی 116
6.6 حفاظت از بازشوها در دیوارها 117
7.6 مهار ساختمان های بنایی با دیوار های بتن آرمه 118

فصل 7 بررسی ستون کوتاه در زلزله 123
1.7 پدیده ستون کوتاه 123
2.7 رفتار ستون کوتاه 124
3.7 پیشگیری از خسارات ستون کوتاه 126

فصل 8 نکات طراحی و اجرای سازه‌های بتن مسلح 131
1.8 مزایا و معایب ساختمان های بتن مسلح 131
2.8 بررسی اثر زلزله بر سازه های بتنی 131
3.8 تیرهای بتن آرمه 135
4.8 ستون های بتن آرمه 138
5.8 اتصالات تیر و ستون 141
6.8 دیوار برشی برای مقاومت در برابر بارهای جانبی 144
7.8 عدم وجود بازشو در نواحی پلاستیک 149
8.8 ضعف‌های اجرایی ساختمان های بتن آرمه 153

فصل 9 نکات طراحی و اجرایی سازه‌های فولادی 159
1.9 مقدمه 159
2.9 مزایا و معایب ساختمان‌های فولادی 160
3.9 خسارت‌های ساختمان‌های فولادی در زلزله های گذشته 161
4.9 ضعف های طراحی و اجرای ساختمان های فولادی 168

فصل 10 اجرای غیرسازه‌ای و مهار آنها در برابر زلزله 183
1.10 لزوم هماهنگی بین عناصر سازه ای و غیر سازه‌ای 183
2.10 مهار المان های نمای ساختمان در برابر نیروهای جانبی 185
3.10 لزوم مهار جان پناه‌ها 187
4.10 مهار سقف‌های کاذب 187
5.10 لزوم در نظر گرفتن تمهیدات لازم برای وسایل و تجهیزات 189

منابع و مراجع 193
فهرست الفبایی 197