مطالعه پیرامون عملکرد لرزه­ای قاب­های خمشی بتن مسلح دارای طبقه نرم و تاثیر آن در شکست­های میان طبقه­ای سازه­های میان مرتبه

استاد راهنما:

دکتر نعمت حسنی

تابستان 93

چکیده:
یکی از شایع­ترین مشکلات حال حاضر ساختمان­های ساخته شده و یا در حال ساخت در ایران، افزایش ارتفاع یک طبقه نسبت به سایر طبقات بوده که در مقابل زلزله به شدت آسیب­پذیر می­باشند. در این پایان ­نامه، دو قاب خمشی بتن مسلح با تعداد طبقات 7 و 9 که دارای طبقه­ی نرم (ایجاد شده در اثر افزایش ارتفاع) هستند، مدل گردید، که 48 مدل تحت تحلیل دینامیکی طیفی و 48 مدل تحت تحلیل استاتیکی غیرخطی و کلاً 96 مدل مورد آنالیز قرار گرفتند. در نهایت این نتیجه حاصل شد که قرارگیری طبقه نرم در طبقات پایینی تا ارتفاع میانی سازه بسیار خطرناک است. کم خطر­ترین موقعیت برای طبقه نرم، قرارگیری در دو طبقه آخر می­باشد. اما چون نمی­توان برای مصارفی چون پارکینگ و یا تجاری، طبقه نرم را در طبقه آخر قرار داد، باید در صورت قرارگیری طبقه نرم در این طبقات، مقاوم­سازی طبقات نرم بسیار جدی گرفته شوند.
 
کلمات کلیدی
زلزله، طبقه نرم، قاب خمشی بتن مسلح، تحلیل دینامیکی خطی طیفی، تحلیل استاتیکی غیرخطی (پوش­آور)
 
 
 
 
 
 
فهرست مطالب
فصل اول: تئوری مساله
-11- مقدمه.2
1-2- اهمیت موضوع5
1-3- تعریف طبقه نرم6
1-4- سابقه طبقه نرم در آیین­نامه­های مختلف6
1-5- مروری بر پیشینه تحقیقاتی.15
1-6- ویژگی­­های طبقه نرم.18
1-7- عوامل موثر بر ایجاد طبقه نرم19
1-7-1- اثر میانقاب­ها و دیوارهای جدا کننده20
1-7-2- اثر ارتفاع.23
1-8- چگونگی طراحی برای جلوگیری از ایجاد طبقه نرم24
1-9- تجزیه و تحلیل نیروهای وارد به طبقه نرم25
1-10- علت و مکانیسم خرابی.27
1-11- عوامل موثر در تشدید خرابی31
1-12- خرابی­های مشابه خرابی­های سازه­های دارای طبقه نرم.32
1-13- فصل­های مختلف پژوهش36
 
فصل دوم: کلیات مدلسازی
2-1- مقدمه.38
2-2- معرفی قاب­های مورد مطالعه.38
2-3- محاسبه ضریب زلزله در قاب­های مورد مطالعه40
فصل سوم: تحلیل طیفی
3-1- مقدمه.44
3-2- محاسبه میزان سختی طبقه در قاب­های مدلسازی شده44
3-3- آنالیز دینامیکی خطی طیفی46
3-4- اثر طبقه نرم بر جابجایی سازه49
3-5- اثر طبقه نرم بر دریفت سازه.56
3-6- اثر طبقه نرم بر نیروهای داخلی سازه.62
3-7- اثر طبقه نرم بر زمان تناوب مودهای سازه73
3-8- صحت­سنجی.77
 
فصل چهارم: تحلیل استاتیکی غیرخطی
4-1- مقدمه.80
4-2- آنالیز استاتیکی غیرخطی80
4-3- روش ضرایب فما 35681
4-3-1- محاسبه ضرایب فما 356 و جابجایی هدف.86
4-3-2- مدول رفتار دوخطی نیرو-تغییر مکان در استاندارد فما 35687
4-4- الگوی بار جانبی87
4-5- سطوح عملکرد لرزه­ای سازه.88
4-6- نحوه مدلسازی برای تحلیل استاتیکی غیرخطی (پوش­آور)89
4-7- تجزیه و تحلیل نمودارها.90
4-7-1- تاثیر حرکت طبقه نرم به سمت بالا بر منحنی ظرفیت سازه.91
4-7-2- تاثیر افزایش ارتفاع طبقه نرم بر منحنی ظرفیت سازه98
4-7-3- چگونگی پخش مفاصل پلاستیک در سازه.102
4-8- صحت سنجی.105
 
فصل پنجم: تاثیر خرابی طبقه نرم بر محیط زیست
5-1- مقدمه.107
5-2- تاثیر سازه­های بتنی دارای طبقه نرم بر آلودگی هوا پس از زلزله.108
5-3- کاربرد نانوتکنولوژی برای کنترل ذرات معلق و جلوگیری از آلودگی هوا.111
 
فصل ششم: جمع­بندی و ارائه پیشنهاد
6-1- خلاصه و جمع­بندی.115
6-2- نتایج116
6-3- پیشنهادهایی جهت ادامه کار.120
 
منابع121
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست اشکال
فصل اول: تئوری مساله
شکل 1-1: نحوه انتقال انرژی زلزله به سازه.3
شکل 1-2: ایجاد تغییر مکان جانبی ماندگار 6 درجه­ای در اثر پدیده نرم4
شکل 1-3: نمونه­ای از خرابی ناشی از پدیده طبقه نرم در ژاپن.4
شکل 1-4: شکست طبقه نرم به علت حذف میانقاب­ها5
شکل 1-5: زلزله 1382 بم: مدفون شدن 3 طبقه از ساختمان در اثر پدیده طبقه نرم8
شکل 1-6: زلزله 1382 بم؛ ایجاد تغییر شکل ماندگار به علت طبقه نرم.9
شکل1-7: زلزله 1994 نورتریج؛ خرابی ساختمان در اثر پدیده طبقه نرم.10
شکل 1-8: شکست طبقه پنجم از ساختمان 8 طبقه. 11
شکل 1-9: کوبه 1995 . 11
شکل 1-10: سطح آسیب وارده به سازه­های با طبقه همکف باز در زلزله 1995 کوبه11
شکل 1-11: زلزله 1999 کوجائلی 13
شکل 1-12: زلزله 1999 دوزجه.13
شکل 1-13: زلزله 2003 بینگول؛ شکستن ستون­های طبقه همکف در اثر پدیده نرم.13
شکل 1-14: زلزله 2008 چین؛ ایجاد تغییر شکل ماندگار در ستون14
شکل 1-15: زلزله 2002 بهوج؛ شکستن ستون­ها در اثر پدیده طبقه نرم15
شکل 1-16: انعطاف پذیری بیش از حد طبقه نرم در مقایسه با سایر طبقات18
شکل 1-17: ایجاد مکانیسم طبقه در ساختمان در حال ساخت در آستانه ریزش (ایتالیا، 1976)19
شکل 1-18: تغییر شکل ناشی از طبقه نرم20
شکل 1-19: مقایسه سازه واقعی و سازه طراحی شده در واقعیت22
شکل 1-20: چگونگی عملکرد سازه دارای طبقه نرم در زلزله.23
شکل 1-21: چگونگی عملکرد سازه دارای طبقه نرم در زلزله.24
شکل 1-22: منحنی ظرفیت سازه26
شکل 1-23: مقایسه رفتار قاب­های مختلف.26
شکل 1-24: فرآیند خرابی سازه دارای طبقه نرم29
شکل 1-25: چیدمان نامتقارن دیوار در پلان32
شکل 1-26: ترکیب طبقه نرم و پیچش.32
شکل 1-27: ضوابط مربوط به خاموت­ها.33
شکل1-28: طراحی غلط بر اساس تیر قوی-ستون ضعیف.34
شکل1-29: مقایسه دو نوع طراحی متفاوت.35
شکل 1-30: خرابی ناشی از طراحی غلط بر اساس تیر قوی-ستون ضعیف.35
 
فصل دوم: کلیات مدلسازی
شکل 2-1: تصویر مدلسازی شده قاب 7 و 9 طبقه­ی دارای طبقه نرم، در حالی که طبقه نرم در طبقه اول قرار دارد.39
 
فصل سوم: تحلیل طیفی
شکل 3-1: تغییر شکل قاب 7 طبقه در اثر نیروی زلزله، در حالی که طبقه نرم در طبقات سازه جابجا می‌شود47
شکل 3-2: تغییر شکل قاب 9 طبقه در اثر نیروی زلزله، در حالی که طبقه نرم در طبقات سازه جابجا می‌شود48
شکل 3-3: مشخصات قاب مدل شده توسط یوسف دینار81
 
فصل چهارم: تحلیل استاتیکی غیرخطی
شکل 4-1: روش ضرایب برای تعیین جابجایی هدف85
شکل 4-2: معادل­سازی منحنی پوش­آور با منحنی دو خطی.86
شکل 4-3: منحنی ساده شده نیرو-جابجایی88
شکل 4-4: باند رنگی برای نمایش سطوح عملکردی در ایتبس.92
شکل 4-5: نمایش سطوح عملکردی روی منحنی نیرو-تغییر مکان92
شکل 4-6: نمایش توزیع بار متناسب با تحلیل استاتیکی خطی.93
شکل 4-7: نمایش توزیع بار یکنواخت.93
شکل 4-8:مطالعات انجام شده توسط یوسف دینار در مورد چگونگی پخش مفاصل پلاستیک در سازه108
 
فصل پنجم: تاثیر خرابی طبقه نرم بر محیط زیست
شکل 5-1: آلودگی هوا توسط ذرات معلق بتنی حین تخریب و بازسازی ساختمان­ها پس از زلزله111
شکل 5-2: خرابی طبقه ششم ساختمان 8 طبقه شهرداری شهر کوبه در اثر زلزله 1995،که پس از بازسازی ساختمان جدید 5 طبقه شد.113
شکل 5-3: خرابی طبقه اول مرکز خرید روکو در اثر زلزله، که پس از بازسازی ساختمان جدید تنها دارای طبقه همکف می­باشد114
شکل 5-4: خرابی پارکینگ طبقه همکف یک ساختمان مسکونی در اثر زلزله، که برای بازسازی کل سازه تخریب و سازه جدید بنا شد.114
 
 
 
فهرست نمودارها
فصل اول: تئوری مساله
نمودار 1-1: افزایش سختی سازه به علت وجود دیوار21
نمودار 1-2: کاهش جابجایی جانبی سازه به علت وجود دیوار.21
نمودار 1-3: منحنی ظرفیت سازه در دو حالت شکست طبقه نرم و طراحی طبقه نرم .30
نمودار 1-4: مقایسه میزان انرژی جذب شده در دو حالت شکست معمولی و شکست طبقه نرم.31
نمودار 1-5: منحنی ظرفیت جانبی سازه در دو حالت با و بدون اثر .31
 
فصل سوم: تحلیل طیفی
نمودار 3-1: سختی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم.45
نمودار 3-2: سختی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم.46
نمودار 3-3: جابجایی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر53
نمودار 3-4: جابجایی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم- ارتفاع طبقه نرم 5 متر53
نمودار 3-5: جابجایی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم- ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر.54
نمودار 3-6: جابجایی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم- ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر.54
نمودار 3-7: جابجایی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم- ارتفاع طبقه نرم 5 متر55
نمودار 3-8: جابجایی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم- ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر.55
نمودار 3-9: دریفت قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر59
نمودار 3-10: دریفت قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5 متر.59
نمودار 3-11: دریفت قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر60
نمودار 3-12: دریفت قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر60
نمودار 3-13: دریفت قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5 متر.61
نمودار 3-14: دریفت قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر61
نمودار 3-15: نیروی برشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر67
نمودار 3-16: نیروی برشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5 متر.67
نمودار 3-17: نیروی برشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر68
نمودار 3-18: نیروی برشی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر68
نمودار 3-19: نیروی برشی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5 متر.69
نمودار 3-20: نیروی برشی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر69
نمودار 3-21: لنگر خمشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر70
نمودار 3-22: لنگر خمشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5 متر70
نمودار 3-23: لنگر خمشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر71
نمودار 3-24: لنگر خمشی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر71
نمودار 3-25: لنگر خمشی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5 متر72