معيار محاسبه نيروي زلزله براي ساختمانها در آئين نامه 2800

مقدمه :

ويرايش دوم آيين نامه 2800 در آذرماه 78 ارائه گرديده است . بعد از انتشار اين ويرايش افراد متخصص و صاحبنظران زيادي در اين مورد اضهار نظر كرده اند . موارد بسياري اشاره شده و نكات زيادي نيز به نقد و بررسي گذاشته شده است . يكي از موارد موجود كه متاسفانه در آيين نامه به درستي بيان نگرديده و كاربران آيين نامه را گمراه مي كند بحث سطوح عملكرد و ملزومات آن است . در اين مقاله سعي بر آن شده تا با بيان چند نكته به روشن تر شدن موضوع پرداخته تا مهندسان طراح با ديد بازتري از آيين نامه استفاده كنند .

EXrozblog.comEXآنچنانكه مي دانيم برآورد يا پيش بيني نيروي وارد بر سازه از سوي زمين در هنگام زلزله كه به واقع به طور يك تغيير مكان ناگهاني و با سرعت زياد به سازه اعمال مي شود و اثر آن بر سازه به صورت يك نيروي ماند يا انرسي پديدار مي شود ، به بررسي ميزان خطر هر زلزله يا احتمال وقوع آن در يك بازه زماني خاص و نيز ميزان خطر پذيري سازه دارد. بر اين اساس با تعريف سطوح مختلف خطر و يا احتمال وقوع زمين لرزه مشخص مي شود . سپس با بيان انتظار ما از عملكرد يك سازه در هنگام وقوع زمين لرزه و نيز بعد از آن ، سطوح عملكرد و پيش بيني ما از رفتار سازه نمايان شده ، مباني طرح و محاسبه نيروي زلزله منتج خواهد گرديد.

حال در اينجا به ذكر چند تعريف و سپس توضيح آنها خواهيم پرداخت :

1- سطوح خطر زلزله ( SEISMIC HAZRAD ) :

الف ) سطح خطر 1 ( آيين نامه 2800 ) يعني زلزله اي با خطر ( يا احتمال وقوع ) 10% در 50 سال ( MPE)

( دوره 475 ساله )

ب ) سطح خطر 2 يعني زلزله اي با خطر ( يا احتمال وقوع ) 2% در 50 سال (MCE) ( دوره 2500 ساله )

روش محاسبه دوره بازگشت با احتساب درصد احتمال وقوع :

475 سال دوره بازگشت زلزله در طول 50 سال عمر سازه 10%=1 – e^(50/T) T = 475 : با احتمال وقوع زلزله احتمال وقوع در طول 50 سال 1/475=0.0021( APE) 50*0.0021=0.105 كه با تقريب برابر 10% مي باشد .

آنچنانكه مشخص شده فرض آيين نامه براي طراحي ايمن و اقتصادي سازها زلزله اي با دوره بازگشت 475 ( 500 سال ) و احتمال وقوع 10% در عمر مفيد سازه (50 سال ) است .

2- سطوح عملكرد ( PERFOMANCE ) :

اين سطوح عبارتند از :

2-1: خدمات رساني بي وقفه ( Operational (O) ) : بدون وقفه در بهره برداري از ساختمان و تنها ايجاد خرابي هاي جزئي .

2-2 : قابليت استفاده بي وقفه ( Immediate Occupancy (IO) ) : ايجاد خرابي جزئي اما با حفظ قابليت بهره برداري .

2-3 : ايمني جاني ( Life Safety (LS) ) : خسارتهاي جاني وجود نداشته اما اعضاي سازه اي آسيب مي بيند .

2-4 : آستانه فروريزش ( Collapse Prevention (CP) ) : خرابي گسترده ساختمان ؛ ولي بدون فروريختن كلي ، خسارت جاني ممكن است وجود داشته باشد .

فرضيه آيين نامه 2800 براي محاسبه نيرو ( خطر ) زلزله ، سطح خطر زلزله 1 ( 10% در 50 سال ) و همچنين سطح عملكرد سازه ها سه دستهً IO براي سازهاي با اهميت زياد ، LS براي سازه هايي با اهميت متوسط و CP براي سازه اي با اهميت كم مي باشد.

با اين احتمال و براي زلزله اي با دوره بازگشت 475 سال و سطح عملكرد LS شتاب براي مناطق مختلف از 0.35g تا 0.2g در نظر گرفته شده است .

آيين نامه 2800 براي افزايش سطح عملكرد سازه اي با اميت زياد به IO و يا كاهش آن براي سازه اي با اهميت كم ، ضريبي به نام ضريب اهميت تعريف كرده است كه به ترتيب برابر 1.2 و 0.8 مي باشد كه به عنوان مثال براي سازه هايي با اهميت زياد با ضرب اين عدد در A و افزايش 20% آن ، به عبارتي كارايي اين دسته از ساختمانها را بالاتر برده به طوري كه در زلزله هايي كه سازه هاي متوسط آسيب سازه اي مي بينند اين دسته از سازه ها تا حدي كمتر آسيب ديده و تا حدي عملكرد خود را حفظ كنند و يا به بياني ديگر در زلزله هاي بزرگتري (1.2A ) آسيب سازه اي ببينند.

در اينجا ذكر يك مطلب مهم جلوه مي كند :

در ايين نامه 2800 ذكر شده كه در مناطق با خطر نسبي زياد و خيلي زياد براي سازه هاي ضروري از دسته ابنيه با اهميت زياد بايد از سيستمهاي ويژه با شكل پذيري زياد استفاده كرد و در ادامه ظرايب رفتار اين نوع سازه ها را اغلب بين 20% تا 50% بيشتر از ضريب رفتار سازهاي معمولي و متوسط معرفي مي كند.

الف : هدف از اجبار در اين مبحث تعيين شكل پذيري بالا براي استهلاك بيشتر و پايداري بالاتر در برابر زلزله هاي بزرگتر بوده است تا چنانچه آنچه كه اتفاق مي افتد بيشتر از محاسبات ما شود از خرابي و تلفات و خسارات بالا جلوگيري شود و همچنين رفتار سازه در طول يك زلزله مخرب و غير قابل پيش بيني مطلوب بوده ، در صورت عدم عملكرد برخي قسمتها ، سازه با شكل پذيري بالا باز هم مانع از خرابي زود هنگام سازه مي شود ؛ ولي با برداشت غلط از ضريب رفتار اين قبيل سازه ها ما با كاهش نيروي زلزله مواجه هستيم C=AB/R . نتيجتا نيروي زلزله طرح يك سازه مشابه با درجه اهميت زياد ، كمتر از همان سازه با درجه اهميت متوسط و يا حتي كم خواهد شد و ما با افزايش R به سازه القا كرده ايم كه تنها 1/R نيروي زلزله را با مقاومت و سختي جذب كرده ( تحليل و طراحي ابعاد بر مبناي اي نيرو انجام مي گيرد! ) و (R-1)/R نيروي زلزله را با شكل پذيري و اضافه مقاومت و در حقيقت با تشكيل مفاصل پلاستيك متعدد و تغيير مكانهاي غير خطي بزرگ مستهلك كند .

در واقع نيروي زلزله دو سازه يكسان با شكل پذيري هاي متفاوت تقريبا با هم برابر است ولي در يك سازه شكل پذير اكثر نيرو با شكل پذيري و رفتار غير خطي مستهلك شده و در سازه ديگر با سختي ، مقاومت در برابر زلزله صورت مي پذيرد . به طور مثال براي يك سازه با R=10 تنها 10% نيروي زلزله براي تحليل و طراحي ابعاد مقاطع اعضاي سازه اي منظور مي شود و فرض بعدي بر اين قرار مي گيرد كه با رعايت موارد و شرايط شكل پذيري ، سازه خواهد توانست ( يا بايد بتواند ) 90% نيروي زلزله را مستهلك كند! اين عمل در يك سازه با سطوح عملكرد بالاتر از ايمني جاني ( LS ) مغاير بوده و ضوابط شكل پذيري و كنترولها ي تغيير مكانها نيز اغلب نا كافي و ناكارآمد مي نمايد ، چنانچه به طور مثال در يك سازه بيمارستاني كه جدا از مسئله تلفات بالا عملا سازه نيروي زلزله را با تغيير شكل و مكانيزم شدن بسياري از اعضا متحمل شده است ، نمي توان عملكرد بي وقفه را انتضار داشت .

ب : آيين نامه 2800 براي جبران اين نقيصه با استفاده از ضريب اهميت 1.2 براي سازه هايي با اهميت زياد سعي بر اين داشته است تا سطوح عملكرد اين سازه ها را تا سطح IO بالا برده و يا به عبارتي با افزايش نيروي زلزله و يا كاهش 20 درصدي R توان سازه را در مقابله با زلزله بالا ببرد .

حال در اينجا بايد اشاره كرد كه دسته بندي سطوح عملكرد برخي مراكز و سازه ها كه در آيين نامه 2800 از آنها به عنوان بناهاي ضروري نام برده شده است و اهميت آنها نه فقط به علت تلفات جاني بالا بوده كه با بالا بردن نيروي زلزله آن از خرابي سريع و آسانتر آن جلوگيري كنيم ، بلكه اين مراكز بايد از حادثه تبديل به پايگاهاي امداد و نجات شوند .

از اين رو ، اين دسته از سازه ها با مراكز تجمع مردم در هنگام زلزله تخليه شده و ارزش كاربري خود را از دست مي دهند متفاوت هستند ، لذا بايد سطوح عملكرد اين سازه ها تا سطح خدمات رساني بي وقفه Operational (O) بالا برده شود . براي اين منظور پيشنهاد مي گردد يك ضريب ضرورت ( از 1.1 تا 1.2 ) علاوه بر ضريب اهميت سازه هايي با درجه اهميت زياد در نظر گرفته شود تا از ميزان خرابي اعضاي سازه اي و غير سازه اي كاسته شده قابليت بهربرداري بي وقفه از اين مركز ميسر شود.

به روش ديگر در اين سازه ها بايد قيد لازم استفاده از سازه هايي با شكل پذيري بالا ، تنها در روابط شكل پذيري لحاظ گردد و براي منظور نمودن هر دو اثر ضريب ضرورت ، از افزايش مقدار R از مثلا متوسط به ويژه صرفه نظر شود .