پایان نامه مقایسه آسیب پذیری لرزه ای سازه های بتنی موجود به روش JICA (ژاپن ) ودستورالعمل های مقاوم سازی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد "M.SC"

مهندسی عمران - سازه

چکیده :

ارزیابی سریع سازه های موجود قبل از زلزله – که بصورت کیفی می باشد- مدت زمانی است جای ارزیابی دقیق و کمی را برای سازه های کم ارتفاع به جهت کوتاه بودن زمان بررسی سازه ، گرفته است . لازم به ذکر است که این روش از نظر دقت با روش های کمی برابری نمی کند و فقط به جهت سرعت ، این روش ها مورد توجه می باشد چرا که در مباحث بررسی آسیب پذیری علاوه بر دقت ، سرعت نیز مهم می باشد. در این راستا موسسه JICA (Japan International Cooperation Agency) ژاپن ، روشی را برای ارزیابی سازه های بتنی ، فلزی و مصالح بنائی ارائه نموده است که در این بخش سازه های بتنی مورد بررسی قرار می گیرند. در این روش معیار اصلی تصمیم گیری ، شاخص مقاومت طبقه (GIs) می باشد که برای هر طبقه نسبتی از ظرفیت به تقاضای همان طبقه می باشد. روابط ارائه شده برای تقاضای طبقه ، برگرفته از استاندارد ٢٨٠٠ ایران بوده و ظرفیت هر طبقه بر اساس سطح مقطع ستون های آن طبقه محاسبه می گردد.

پروژه حاضر به بررسی سازه های بتنی چهار- شش و هشت طبقه با دو نوع طراحی (طراحی با بار ثقلی و طراحی با بار ثقلی و زلزله ) می پردازد که هدف از این بررسی ها، مقایسه میان نتایج حاصل از روش ارزیابی سریع ژاپنی و نتایج تحلیل های دینامیکی و استاتیکی غیرخطی می باشد، بطوریکه بتوان از نتایج حاصله حدود استفاده از این روش ارزیابی سریع را تعیین نموده و در صورت امکان روش اصلاح گردد. در این میان با استفاده از تحلیل استاتیکی غیرخطی که با تعیین تغییر مکان هدف برای بام سازه ها بر اساس دستور العمل بهسازی حاصل می شود، به ارزیابی سازه ها پرداخته خواهد شد. علاوه بر این روش ، بر پایه دستورالعمل بهسازی ، تحت هفت رکورد زلزله سازه ها با تحلیل دینامیکی غیر خطی نیز بررسی می گردند. نتایج دو تحلیل انجام شده ، اعم از Drift حداکثر طبقات و حداکثر چرخش پلاستیک مفاصل تیرها و ستون ها با ارائه نمودارهایی ، با یکدیگر مقایسه خواهند شد و علل اختلاف های احتمالی در این دو روش بررسی می گردند. با استفاده از دو روش تحلیلی ذکر شده ، می توان ظرفیت و تقاضاهای متفاوتی را برای سازه ها در سطوح مختلف زلزله بدست آورد که این مقادیر به محاسبه شاخص های متفاوت جدیدی از سازه ، منجر می گردد.

با محاسبه شاخص های جدید، می توان آنها را با شاخص روش ژاپنی مقایسه نموده و در نتیجه تشابه و تفاوت های مقادیر این روش ها را با یکدیگر بررسی نمود. که این مقایسه ها را می توان با مبنا قرار دادن روش دینامیکی غیر خطی به علت دقیق و کامل بودن این روش به نسبت روش های دیگر، دنبال نمود. با این نتایج حاصله می توان ضریب اصلاحی برای تمام روش ها بر اساس روش ژاپنی ارائه نمود که مقادیر حداکثر این ضرایب می تواند قابل توجه باشد.

در پایان روشی بر پایه تحلیل دینامیکی غیرخطی بر اساس نتایج حاصله ، جهت محاسبه شاخص خسارت ارائه نمود.

از مهم ترین نتایج حاصله می توان به موارد ذیل اشاره نمود:

افزایش تغییرمکان هدف سازه با افزایش ارتفاع سازه (از چهار طبقه به هشت طبقه ) به علت افزایش زمان تناوب -  کمتر بودن مقاومت و شکل پذیری سازه طراحی شده با بار ثقلی در تمام سطوح زلزله به نسبت سازه E&G- هم پایه بودن تغییرات مقادیر Drift حداکثر و چرخش مفاصل پلاستیک حاصل از تحلیل استاتیکی و دینامیکی غیرخطی در تیرها که با در نظر گرفتن این دو پارامتر به عنوان یک نوع آسیب پذیری ، هر طبقه ای که دارای حداکثر Drift و چرخش پلاستیک مفاصل تیرها باشد، آسیب پذیرترین طبقه می باشد که در این طبقه باید شاخص مقاومت حاصله حداقل گردد.

مقدمه :

از بدو پیدایش انسانها ، توجه بسیار زیادی به امر خانه و مسکن بوده است و به فکر افتاده اند که محل آرام و امنی را برای خود و خانواده خود تشکیل دهند تا هم بتوانند از نفوذ موجودات بیگانه به این محیط جلوگیری نمایند و هم اینکه آنها را در برابر تغییرات جوی محفوظ نگهدارد و بطور کلی بتوانند آن جامعه خصوصی خود را پیوسته امن نگهدارند. در این میان با استفاده از مصالح و مواد گوناگون توانستند این مامن خود را از نظر استحکام و پایداری ، بهبود بخشند. پس از تغییر و تحولات فراوان و یافتن علل بسیاری از پدیده های طبیعی چون سیل ، باد، باران ، زلزله و ... توانستند راههای مقابله با آنها را نیز به مرور زمان کشف کرده و آنها را در جهت مقاومتر کردن ساختمانهای خود استفاده نمایند.

حال به موقعیتی دست یافته ایم که توانسته ایم به کلیات ناشناخته ای که قبلاً وجود داشته است پاسخ داده و نیز علاوه بر آن راه حل هایی نیز برای آن مشکلات ارائه نماییم .

پدیده های طبیعی به گونه ای در تمام جوامع ودرطول دوران تکامل آنها آثار سوء و ویرانگری برجا گذاشته است که می توان از این پدیده ها به اثر باد و زلزله در ویران کردن شهرها و کشورهای مختلفی یاد کرد.

حال اگر این اثر را بر روی ساختمانها بررسی نمائیم ، خواهیم دید که با توجه به پیشرفت چشمگیر علوم در تمام زمینه ها بالاخص در علوم مهندسی ساختمان ، نیاز به ارائه روشهای مناسبی جهت ساخت مقاوم اجزاء سازه ای می باشد.

با ارائه این روشها، می توان ساختمانها را به دو دسته تقسیم بندی نمود. دسته اول ساختمانهایی که در گذشته بنا شده اند و دستاوردهای جدید علمی در طراحی آنها بکار نرفته است و دسته دوم ساختمانهای جدید که با علم روز بنا شده اند. با توجه به این تقسیم بندی ، در این مرحله نیاز به بررسی ساختمانهای جدید نخواهیم داشت تا زمانی که یافته های جدید، دانش امروز را زیر سؤال برد. حال در رابطه با ارتقاء ساختمانهای قدیمی در ابتدا صحبت از آسیب پذیری این ساختمانها در برابر نیروی زلزله که معمولاً برای ساختمانها مشکل ساز می باشد، می نمائیم و در گام بعدی اگر سازه آسیب پذیر باشد در رابطه با مقاوم سازی آن صحبت می نمائیم .

چون تمام این مطالعات از نظر زمانی بطول می انجامد سعی بر آن شد تا بتوان راههای سریعی را جهت به نتیجه رسیدن ایجاد کرد که این نتیجه مغایرتی با واقعیت امر نداشته باشد. در این بین مؤسسات و جوامع مختلفی راههای گوناگون با روشهای متفاوتی ارائه کرده اند که هدف از بررسی آنها، رسیدن به همان امر عدم مغایرت با روش آسیب پذیری غیر سریع می باشد تا بتوان آنها را با شرایط هر جامعه و اصول پایه مشابه در آئین نامه های طراحی استفاده نمود.

فصل اول :

مقدمه و کلیات 

بر اساس گزارش دسامبر سال ٢٠٠٣، که این موسسه برای سازه های شهر تهران بررسی آسیب پذیری نموده است ، شاخصی به عنوان شاخص مقاومت (GIs) ارائه شده ، که این معیار نسبتی از ظرفیت سازه به تقاضای زلزله وارده به سازه می باشد. در رابطه (١-١) این شاخص ارائه شده است .

GIs =Qu                                                 (1-1)

αQun

که پارامتهای فوق به قرار زیر می باشند:

GIs : شاخص مقاومت ساختمان

Qu : ظرفیت سازه

Qun : تقاضای زلزله

α : ضریب اصلاح

در بخش های بعد هر یک از پارامتهای معرفی شده ، محاسبه می گردد.

١-٣-١- محاسبه تقاضای زلزله :

چون این موسسه بر اساس قرارداد با شهرداری تهران ، فعالیت می نماید، روش محاسبه تقاضا در این گزارش ، از

استاندارد ٢٨٠٠ ایران برگرفته شده است . بر این اساس خواهیم داشت :

Qun = Ds × Fes ×G ×Qud                           (2-1)

که :

Ds : ضریب کاهش بار زلزله که عکس ضریب رفتار در استاندارد ٢٨٠٠ می باشد.

Fes : شاخص نامنظمی در پلان

G : ضریب اصلاح (با فرض اثر زلزله )

Qud : بار کلی زلزله معادل (نیروی برش پایه )

جهت محاسبه بار کلی زلزله که همان نیروی برش پایه در استاندارد ٢٨٠٠ می باشد، با استفاده از روابط این استاندارد

می توان نوشت :

زمانی که :       0.7s > T

n

∑Wj hh

Qud= V j=1                                                                                                                                                                                                                   (3-1)

n

Wj hh

j i

زمانی که :    s ٠.٧ <>

برای طبقه آخر:                                                                           برای هر طبقه بجز طبقه آخر:

n                                                                                                                                                    n

∑Wi hi                                                                                                                                                                                            ∑Wi hi

Qud = (V  − Ft)j=i                                                       (4-1)                  Qud = (V  − Ft ) j=i         +Ft            (5-1)

n                                                                                                                                                                                                                                  n

∑Wj hh                                                                                                                                                                                          ∑Wj hh

h=1                                                                                                                                                                                                                           h=1

که در این روابط :

3

فصل اول                                                                                                                                                                     مقدمه و کلیات

V : نیروی برش پایه ( نیروی کلی جانبی زلزله )

Wi : وزن کلی طبقه i ام مجموعه وزن طبقه ، بار زنده و نصف وزن دیوار و ستون ، که در بالا و پایین طبقه مورد نظر قرار دارند.

hi : ارتفاع تراز i ( ارتفاع سقف در تراز i ) از سطح زمین

Ft = 0.07TV                                              (6-1)

V = A× B × I ×W                                         (7-1)

و در این روابط خواهیم داشت :

Ft : نیروی شلاقی ، حداکثر نیروی Ft،0.25V  در نظر گرفته می شود.

T : پریود طبیعی سازه

i : شماره طبقه ساختمان از تراز پایه تا بالا و n، تعداد کل طبقات

A : شتاب مبنای طرح (جدول ٢-١)

B : ضریب بازتاب ساختمان که از طیف پاسخ طرح (جدول ٢-٢ و رابطه ٢-٨) حاصل شده است .

I : ضریب اهمیت ساختمان (جدول ٢-٣)

W : وزن کلی ساختمان (کل بار مرده و وزن مؤثری از بار زنده که بر اساس استاندارد ٢٨٠٠، ٢٠% انتخاب شده است )

بر اساس قسمت (٢-٢-٣-٣) می توان ضریب کاهش زلزله (Ds) را برای ساختمان بتن مسلح ، ٠.٧٥ در نظر گرفت .

شاخص بی نظمی در سازه (Fes)، از حاصلضرب شاخص بی نظمی در پلان (Fe) و شاخص بی نظمی در ارتفاع (Fs)

حاصل می گردد. روابط مربوط به این شاخص ها در قسمت (٢-٢-٤) ارائه شده اند.

ضریب اصلاح G که منعکس کننده اثر موقعیت محلی و اثر تلفات ورودی زلزله در نظر گرفتن پیکره بندی زمین و وجود زیرزمین می باشد، با استفاده از بخش (٢-٢-٥)، برابر یک بدست می آید.

١-٣-٢- محاسبه ظرفیت سازه :

ظرفیت سازه بتنی بر اساس گزارش JICA با توجه به روابط زیر حاصل می گردند.

Qu = Max(Qu  ,Qu2) FFc                                (8-1)

co

Qu1 = τw Aw1 + τc (Ac + Aw2)                       (9-1)

Qu2 =τE Aw1 +τE Ac                                  (10-1)

که ، Aw1 : مساحت مقطع دیوار برشی ، که برای جهت مورد نظر مؤثر باشد.

Aw2 : مساحت مقطع دیوار دیگر که برای جهت بررسی مؤثر می باشد.

Ac : مساحت مقطع ستون که برای مقاومت نیروی افقی مؤثرند.

در قسمت (٢-٣-٣) شرایطی برای این دیوارها در نظر گرفته شده است که این شرایط بر اساس ضخامت دیوارها می باشند. سایر مقادیر موجود در روابط فوق نیز در قسمت یاد شده به صورت تنش های استاندارد ارائه شده اند.

١-٤- تحلیل استاتیکی غیر خطی :

4

فصل اول                                                                                                                                                                     مقدمه و کلیات

١-٤-١- مقدمه :

در این روش ، بار جانبی ناشی از زلزله ، استاتیکی وبه تدریج به صورت فزاینده به سازه اعمال می شود تا آنجا که تغییر مکان در یک نقطه خاص (نقطه کنترل ) تحت اثر بار جانبی به مقدار مشخصی (تغییر مکان هدف ) برسد یا فروریزد.

در تحلیل استاتیکی غیر خطی ، مرکز جرم بام به عنوان نقطه کنترل تغییر مکان سازه انتخاب می شود. توزیع بار جانبی بر مدل سازه باید تا حد امکان شبیه به آنچه که هنگام زلزله رخ خواهد داد، باشد و حالت های بحرانی تغییر شکل و نیروهای داخلی را در اعضاء ایجاد نماید. در این قسمت بار مثلثی را جهت تحلیل استاتیکی غیر خطی انتخاب شده است .

با توجه به دارا بودن رفتار غیر خطی سازه در این نوع تحلیل ، که ارتباط بین برش پایه وتغییر مکان نقطه کنترل را مشخص می نماید، به منظور محاسبه سختی جانبی موثر (Ke) و برش تسلیم موثر (Vy) باید با یک مدل رفتار دو خطی ساده جایگزین شود. این مدل دو خطی در شکل (١-١) ارائه شده است .

برای ساده سازی مدل رفتار غیر خطی ، نقطه B باید چنان انتخاب شود که سطح زیر مدل رفتار دو خطی برابر سطح زیر منحنی رفتار غیر خطی باشد، و همچنین طول پاره خط AD برابر 0.6AB باشد. در آن صورت نیروی مربوط به نقطه B، برش تسلیم موثر (Vy) بوده وبرای برش پایه 0.6Vy در منحنی رفتار غیر خطی ، مدول سکانت بیانگر سختی جانبی موثر (Ke) میگردد. در مدل ساده شده باید دقت شود که Vy بزرگتر از ماکزیمم برش پایه در منحنی رفتار غیر خطی نگردد. 

Abstract:

Rapid Visual Screening (RVS) in compare with other methods of structural

vulnerability evaluation, are very important because of the procedure in these

methods are very simple and fast. In this project, the method of JICA (Japan)

rapid visual screening based on linear static analysis (similar to Iran Standard