فهرست مطالب
فصل 1 مقدمه 1
2
3
4
بر منابع 5
6
6
7
8
9
2-2-4معادلات انرژی در سیستم چند درجه آزادی با رفتار غیرخطی……………………………..9
10
2-2-5-1 انرژی ورودی ) 11
) 11
) 12
) 12
) 13
13
13
14
14
14
15
15
16
16
16
17
17
17
2-3-3 شاخص ­های ترکیبی 18
18

2-3-4 شاخص ­های خسارت بیشینه شکل­پذیری 19
2-3-5 میانگین وزنی شاخص ­های خسارت 20
2-3-6 تاریخچه شاخص خسارت 20
24
24
25
26
27
28
28
29
31
42
35
38
40
42
42
43
46
48
49
51
فصل 3 معرفی و مدلسازی سازه­های موردمطالعه 54
55
55
56
59
60
61
61
61
گام زمانی در آنالیز غیرخطی نرم­افزار Perform 3D 62
کنیک حل نرم­افزار Perform 3D 62
62
63
65
65
65
68
فصل 4 نتایج و تفسیر آنها 71
72
73
73
75
77
79
81
81
81
83
83
84
84

85
86
87
88
89
90
91
91
92
93
94
95
95
96
96
98
100
102
104
105
106
107
108
109
110
فصل 5 جمع‌بندی و پیشنهادها 111
112
112
113
مراجع 115
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست شکل‌ها
3
8
11
30
31
32
33
35
36
36
37
37
39
39
40
41
42
44
46
47
47
57
57
58
59
63
64
66
66
68
69
70
74
74
75
75
76
76
77
77
78
78
79
79
80
80
81
82
82
82
82
83
83
83
83
84
84
84
84
85
85
85
85
86
86
86
86
87
87
87
87
88
88
89
89
90
90
91
92
92
93
93
94
94
95
96
97
97
98
98
99
99
100
100
101
101
102
102
103
103
104
105
106
106
107
107
108
108
109
 
فهرست جدول‌ها
45
48
60
60
67
67
67
68
69
73
110
110
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست نمادها
انرژی ورودی……………………………
انرژی جنبشی …………………………..
انرژی میرایی…………………………..
انرژی کرنشی الاستیک……………………..
انرژی هیسترتیک…………………………
شاخص خسارت پارک انگ…………………..
میراگر ویسکوالاستیک…………………… VED
مدول ذخیره برشی ……………………….
مدول اتلاف برشی…………………………
مدول مرکب برشی…………………………
سختی میراگر……………………………
میرایی میراگر………………………….
نسبت میرایی معادل ……………………..
مدول اتلاف………………………………
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

فصل 1
مقدمه

1-1 مقدمه

سالانه در جهان، به‌طور متوسط 10000 نفر در اثر زلزله می­میرند (شکل (1-1)). بررسی­های سازمان یونسکو نشان می­دهد که خسارت مالی ناشی از زلزله از سال 1926 تا 1950 میلادی، چیزی در حدود 10 میلیارد دلار بوده است. در این فاصله زمانی در آسیای میانه دو شهر و 200 روستا تخریب شدند. از آن موقع به بعد نیز چندین شهر ازجمله عشق­آباد (1948)، اقادیر (1960)، اسکو پیه (1963)، ماناگوا (1972)، گمونا و تانگ شان (1976)، مکزیکوسیتی (1985)، اسپیتاکا (1988)، کوبه (1995)، شهرهایی در ترکیه و تایوان (1999) و صدها روستا در اثر زمین­لرزه با خاک یکسان شدند. نوشته­های تاریخی گواه نگرانی دیرینه بشر از خطرات ناشی از زمین­لرزه می­باشند[1]. به همین دلیل است که انسان درصدد مقابله با این پدیده طبیعی می­باشد که در این راه پیشرفت­های چشمگیری نیز کرده است. اما بااین‌وجود به دلیل پیچیدگی بیش‌ازحد این پدیده کماکان نتوانسته چه ازلحاظ جانی و چه ازلحاظ مادی به ایمنی و تضمین کامل برسد.
امروزه به‌خوبی مشخص‌شده است که سازه­های طراحی ‌شده بر اساس ضوابط آیین‌نامه‌های موجود، در برابر زلزله­های شدید، متحمل خسارات سنگین خواهند شد. ولی بااین‌وجود هنوز برخی ضوابط طراحی لرزه­ای ( خصوصاً در طراحی اولیه سازه­ها ) بر پایه تحلیل­های ارتجاعی و استفاده از یک نیروی استاتیکی معادل با زلزله بناشده‌اند[2و3].
بارهای لرزه­ای اصولاً ماهیتی قراردادی و اعتباری داشته و نیروهای طراحی لرزه­ای پیشنهادشده توسط آیین‌نامه‌ها عموماً به‌مراتب کوچک‌تر از نیروهایی می­باشند که در هنگام زلزله به سازه وارد می­گردند. نیروهای بکار گرفته‌شده به‌وسیله زلزله به ویژگی­های الاستیک و پلاستیک سازه بستگی دارند.
پژوهش­های مختلف نشان می­ دهند که در پاسخ لرزه­ای سازه­ها، پارامترهای دیگری نیز دخیل می­باشند و صرف بحث نیرو – تغییر مکان در ارتجاعی یا حتی الاستوپلاستیک کامل دوخطی نمی ­تواند توجیه‌کننده تمامی رفتارهای لرزه­ای سازه باشد. درنتیجه پژوهشگران، به دنبال پیشنهاد روشی نوین در طرح لرزه­ای سازه­ها می­باشند. در همین راستا و طی دو دهه اخیر بحث انرژی بسیار موردتوجه قرارگرفته است. زیرا با پیشرفت­های حاصل‌شده در این روش، بسیاری از پارامترها و رفتارهای مطرح در طرح لرزه­ای سازه­ها قابلیت توجیه و اعمال در فرایند طراحی را یافته­اند. بااین‌وجود، هنوز هم ناشناخته­ها و کاستی­های فراوانی درروش انرژی وجود دارد که مانع از ارائه آن به‌عنوان یک روش جامع در قالب آیین‌نامه‌ای مطمئن گشته است. با توجه به تحقیقات و پژوهش‌های گسترده‌ای که در حال حاضر روی این موضوع در سطح جهان صورت می­گیرد، آتیه­ای روشن برای آن پیش‌بینی می­گردد و چه‌بسا در آینده­ای نزدیک، اصول و ضوابط موجود فعلی در آیین‌نامه‌ها با اصول و ضوابط روش انرژی جایگزین گردند.

• خسارت جانی ناشی از زمین­لرزه­های مهم[1]

1-2 ضرورت و اهداف تحقیق

 
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 موضوع………………………………………………………………………………………………………………..5
1-3- تعریف طبقه نرم………………………………………………………………………………………………………………..6
1-4- سابقه طبقه نرم در آیین­نامه­ های مختلف………………………………………………………………………………..6
1-5- بر پیشینه تحقیقاتی…………………………………………………………………………………………………15
1-6- ویژگی­­های طبقه نرم………………………………………………………………………………………………………..18
1-7- عوامل موثر بر ایجاد طبقه نرم…………………………………………………………………………………………….19
1-7-1- اثر میانقاب­ها و دیوارهای جدا کننده………………………………………………………………………………20
1-7-2- اثر ارتفاع…………………………………………………………………………………………………………………..23
1-8- چگونگی طراحی برای جلوگیری از ایجاد طبقه نرم………………………………………………………………24
1-9- تجزیه و تحلیل نیروهای وارد به طبقه نرم…………………………………………………………………………….25
1-10- علت و مکانیسم خرابی…………………………………………………………………………………………………..27
1-11- عوامل موثر در تشدید خرابی…………………………………………………………………………………………..31
1-12- خرابی­های مشابه خرابی­های سازه­های دارای طبقه نرم………………………………………………………….32
1-13- فصل­های مختلف پژوهش………………………………………………………………………………………………36
 
فصل دوم: کلیات مدلسازی
2-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………38
2-2- معرفی قاب­های مورد مطالعه……………………………………………………………………………………………38
2-3- محاسبه ضریب زلزله در قاب­های مورد مطالعه……………………………………………………………………..40
فصل سوم: تحلیل طیفی
3-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………44
3-2- محاسبه میزان سختی طبقه در قاب­های مدلسازی شده…………………………………………………………….44
3-3- آنالیز دینامیکی خطی طیفی………………………………………………………………………………………………46
3-4- اثر طبقه نرم بر جابجایی سازه…………………………………………………………………………………………….49
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 سازه…………………………………………………………………………….73
3-8- صحت­سنجی…………………………………………………………………………………………………………………77
 
فصل چهارم: تحلیل استاتیکی غیرخطی
4-1- مقدمه……………………………………………………………………………………………………………………………80
4-2- آنالیز استاتیکی غیرخطی………………………………………………………………………………………………….80
4-3- روش ضرایب فما 356……………………………………………………………………………………………………..81
4-3-1- محاسبه ضرایب فما 356 و جابجایی هدف………………………………………………………………………86
4-3-2- مدول رفتار دوخطی نیرو-تغییر مکان در استاندارد فما 356………………………………………………….87
4-4- الگوی بار جانبی…………………………………………………………………………………………………………….87
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 سازه…………………………………………………………98
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- نتایج…………………………………………………………………………………………………………………………..116
6-3- پیشنهادهایی جهت ادامه کار……………………………………………………………………………………………120
 
منابع…………………………………………………………………………………………………………………………121
 
 
 
 
 
 
 
 
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 نرم………………………………………………4
شکل 1-3: نمونه ­ای از خرابی ناشی از پدیده طبقه نرم در ژاپن……………………………………………………………4
شکل 1-4: شکست طبقه نرم به علت حذف میانقاب­ها……………………………………………………………………..5
شکل 1-5: زلزله 1382 بم: مدفون شدن 3 طبقه از ساختمان در اثر پدیده طبقه نرم………………………………….8
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 کوبه…………………………….11
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 ستون……………………………………………………14
شکل 1-15: زلزله 2002 بهوج؛ شکستن ستون­ها در اثر پدیده طبقه نرم………………………………………………15
شکل 1-16: انعطاف پذیری بیش از حد طبقه نرم در مقایسه با سایر طبقات…………………………………………18
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 نرم……………………………………………………………………………………..20
شکل 1-19: مقایسه سازه واقعی و سازه طراحی شده در واقعیت……………………………………………………….22
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 سازه………………………………………………………………………………………………..26
شکل 1-23: مقایسه رفتار قاب­های مختلف…………………………………………………………………………………..26
شکل 1-24: فرایند خرابی سازه دارای طبقه نرم…………………………………………………………………………….29
شکل 1-25: چیدمان نامتقارن دیوار در پلان………………………………………………………………………………….32
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 می‌شود………………………………………………………………………………………………………………………………….47
شکل 3-2: تغییر شکل قاب 9 طبقه در اثر نیروی زلزله، در حالی که طبقه نرم در طبقات سازه جابجا می‌شود………………………………………………………………………………………………………………………………….48
شکل 3-3: مشخصات قاب مدل شده توسط یوسف دینار………………………………………………………………..81
 
فصل چهارم: تحلیل استاتیکی غیرخطی
شکل 4-1: روش ضرایب برای تعیین جابجایی هدف……………………………………………………………………..85
شکل 4-2: معادل­سازی منحنی پوش­آور با منحنی دو خطی……………………………………………………………..86
شکل 4-3: منحنی ساده شده نیرو-جابجایی………………………………………………………………………………….88
شکل 4-4: باند رنگی برای نمایش سطوح عملکردی در ایتبس………………………………………………………..92
شکل 4-5: نمایش سطوح عملکردی روی منحنی نیرو-تغییر مکان……………………………………………………92
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 سازه……………………………………………………………………………………………………………………………………108
 
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 زلزله…………111
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 می­باشد…………………………………………………………………………………………………………….114
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 دیوار……………………………………………………………………..21
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 متر……………………………………….53
نمودار 3-4: جابجایی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم- ارتفاع طبقه نرم 5 متر…………………………………………..53
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 متر…………………………………………..55
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 متر…………………………………………59
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 متر……………………………………….60
نمودار 3-12: دریفت قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر……………………………………….60
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 متر……………………………………….61
نمودار 3-15: نیروی برشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر………………………………..67
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 متر………………………………..68
نمودار 3-18: نیروی برشی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر………………………………..68
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 متر………………………………..69
نمودار 3-21: لنگر خمشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر………………………………..70
نمودار 3-22: لنگر خمشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5 متر……………………………………70
نمودار 3-23: لنگر خمشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر………………………………..71
نمودار 3-24: لنگر خمشی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر………………………………..71
نمودار 3-25: لنگر خمشی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5 متر……………………………………72
نمودار 3-26: لنگر خمشی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم – ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر………………………………..72
نمودار 3-27: نمودار دریفت به مکان طبقه نرم مستخرج از تحقیقات یوسف دینار……………………………….78
 
فصل چهارم: تحلیل استاتیکی غیرخطی
نمودار 4-1: منحنی­های ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه نرم 5/4 متر تحت بار استاتیکی خطی……………….92
نمودار 4-2: منحنی­های ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه نرم 5 متر تحت بار استاتیکی خطی………………….92
نمودار 4-3: منحنی­های ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه نرم 5/5 متر تحت بار استاتیکی خطی……………….93
نمودار 4-4: منحنی­های ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه نرم 5/4 متر تحت بار استاتیکی خطی……………….93
نمودار 4-5: منحنی­های ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه نرم 5 متر تحت بار استاتیکی خطی…………………..94
نمودار 4-6: منحنی­های ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه نرم 5/5 متر تحت بار استاتیکی خطی……………….94
نمودار 4-7: منحنی­های ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه نرم 5/4 متر تحت بار یکنواخت………………………95
نمودار 4-8: منحنی­های ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه نرم 5 متر تحت بار یکنواخت………………………….95
نمودار 4-9: منحنی­های ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه نرم 5/5 متر تحت بار یکنواخت………………………96
نمودار 4-10: منحنی­های ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه نرم 5/4 متر تحت بار یکنواخت…………………….96
نمودار 4-11: منحنی­های ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه نرم 5 متر تحت بار یکنواخت……………………….97
نمودار 4-12: منحنی­های ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه نرم 5/5 متر تحت بار یکنواخت…………………….97
نمودار 4-13: مقایسه منحنی­های ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه اول نرم تحت بار یکنواخت………………..98
نمودار4-14: مقایسه منحنی­های ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه هفتم نرم تحت بار یکنواخت……………….99
نمودار4-15: مقایسه منحنی­های ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه اول نرم تحت بار استاتیکی………………….99
نمودار4-16: مقایسه منحنی­های ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه هفتم نرم تحت بار استاتیکی………………100
نمودار4-17: مقایسه منحنی­های ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه سوم نرم تحت بار یکنواخت………………100
نمودار4-18: مقایسه منحنی­های ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه هشتم نرم تحت بار یکنواخت…………….101
نمودار4-19: مقایسه منحنی­های ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه سوم نرم تحت بار استاتیکی……………….101
نمودار 4-20: مقایسه منحنی­های ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه هشتم نرم تحت بار استاتیکی…………….102
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جداول
فصل دوم: کلیات مدلسازی
جدول 2-1: جزئیات مقاطع قاب 7 طبقه……………………………………………………………………………………….40
جدول 2-2: جزئیات مقاطع قاب 9 طبقه……………………………………………………………………………………….40
 
فصل سوم: تحلیل طیفی
جدول 3-1: مقادیر جابجایی طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 7 طبقه (متر)………………………………..51
جدول 3-2: مقادیر جابجایی طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 9 طبقه (متر) ……………………………….52
جدول 3-3: مقادیر دریفت طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 7 طبقه (متر) )……………………………….57
جدول 3-4: مقادیر دریفت طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 9 طبقه (متر)………………………………….58
جدول 3-5: مقادیر نیروی برشی طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 7 طبقه (نیوتن)………………………..63
جدول 3-6: مقادیر لنگر خمشی طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 7 طبقه (نیوتن.متر)…………………..64
جدول 3-7: مقادیر نیروی برشی طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 9 طبقه (نیوتن)………………………..65
جدول 3-8: مقادیر لنگر خمشی طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 9 طبقه (نیوتن.متر)…………………..66
جدول 3-9: مقادیر پریود سازه نسبت به تغییر مکان طبقه نرم در قاب 7 طبقه……………………………………….74
جدول3-10: مقادیر پریود سازه نسبت به تغییر مکان طبقه نرم در قاب 9 طبقه………………………………………75
جدول 3-11: پریود تحلیلی و آیین­نامه­ای قاب 7 طبقه…………………………………………………………………….76
جدول 3-12: پریود تحلیلی و آیین­نامه­ای قاب 9 طبقه…………………………………………………………………….76
جدول 3-13: مقایسه نمودارها و جداول قاب 7 طبقه و 9 طبقه………………………………………………………….77
 
فصل چهارم: تحلیل استاتیکی غیرخطی
جدول 4-1: مقادیر ضریب ……………………………………………………………………………………………………83
جدول 4-2: مقادیر ضریب ………………………………………………………………………………………………….84
جدول 4-3: مقادیر ضریب ………………………………………………………………………………………………….84
جدول 4-4: نحوه پخش مفاصل پلاستیک در قاب 7 طبقه تحت بار استاتیکی……………………………………103
جدول 4-5: نحوه پخش مفاصل پلاستیک در قاب 9 طبقه تحت بار استاتیکی……………………………………104
جدول 4-6:مطالعات انجام شده توسط یوسف دینار در مورد چگونگی پخش مفاصل پلاستیک در سازه……………………………………………………………………………………………………………………………………105
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فصل     1
تئوری مساله و
اهمیت موضوع
 
 
1-1- مقدمه
زلزله به عنوان یک پدیده مخرب در اکثر مناطق دنیا ایمنی سازه­ها و زندگی ساکنان آن را در معرض تهدید قرار داده است، به طوری که کاهش خسارات جبران­ناپذیر پدیده زلزله همواره هدف نهایی محققین و دانشمندان علم مهندسی زلزله بوده است. عامل زلزله موجب اهمیت طراحی سازه­ها در کشورهای لرزه­خیز می­باشد. اصولاً طرح لرزه­ای سازه­ها بدون داشتن درک درستی از نحوه­ خرابی‌های ایجاد شده توسط زلزله، غیر ممکن است. طرح لرزه­ای فقط عبارت از تحلیل، محاسبه و برآورده کردن شرایط آیین­نامه نیست بلکه پارامترهای متنوع دیگری نیز در آن دخالت دارند. آگاهی دقیق از رفتار ساختمان­ها در زلزله موضوع اساسی در علم مهندسی زلزله است. بررسی انواع خرابی‌های ایجاد شده بر اثر زلزله­های گذشته، همواره یکی از زمینه ­های مهم در مهندسی زلزله بوده است. دلایل این امر عبارتند از روزآمد کردن آیین­نامه­ های طراحی و نیز آموختن درس­هایی که مانع از خسارت­های مشابه در زلزله­های بعدی شود. وقوع زمین لرزه آزمونی طبیعی برای رفتار سازه بوده و همواره به عنوان مهمترین رخداد در زمینه مهندسی زلزله مورد توجه مهندسان بوده است. آشنایی و توجه دقیق به مکانیزم­ های مختلف خرابی و شکست، یکی از ابزار عمده برای روزآمد کردن آیین­نامه­ های طراحی است. از این آزمایش طبیعی می­توان برای طراحی و ساخت بهینه سازه­ها استفاده کرد.
ایران نیز به دلیل قرارگیری بر روی کمربند زلزله آلپ-­هیمالیا جزء کشورهای لرزه­خیز محسوب می­ شود که هر چند سال یکبار زلزله­ای ویرانگر در نقاط مختلف کشور رخ می­دهد. در بین سال­های 1900 تا 2010 میلادی 13655 زلزله با بزرگای بیش از 4 ریشتر در ایران رخ داده که از این تعداد 117 زلزله با بزرگای بیشتر از 6 ریشتر بوده است. ممکن است گاهی این تصور پیش آید که زلزله قاتل جان انسان­هاست. اما واقعیت چیز دیگری است: این زلزله نیست که جان انسان­ها را می­گیرد، بلکه سازه­های ضعیف مسبب آن هستند. بنابراین باید رفتار سازه­ها را در زلزله بیشتر شناخت و آیین­نامه­ ها و روش­های اجرایی را بهبود بخشید.
در اثر زلزله، انرژی زیادی از درون زمین آزاد شده که این انرژی باعث تکان خوردن صفحات پوسته می­گردد. لرزش و تکان زمین باعث به وجود آمدن پارامترهای زمین (جابجایی، سرعت و شتاب) می­ شود. در مورد زلزله آنچه که باعث حرکت سازه می­ شود تکان­های زمین بوده و هیچ نیروی خارجی به سازه وارد نمی­ شود. پس از تکان زمین، ابتدا پی و سپس ستون­ها و در نهایت سقف­ها تکان می­خورند بنابراین انرژی زلزله به صورت جابجایی به پی سازه وارد می­ شود و چون سازه­ دارای جرم قابل ملاحظه­ای می­باشد، این جرم سازه است که منجر به ایجاد شتاب، حرکت سازه و نیروی اینرسی در سازه می­گردد. با تکان پی، جابجایی به اندازه Δ در سازه ایجاد می­ شود که ابتدا ستون­ها و سپس سقف­ها دچار این جابجایی می­شوند.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

فهرست مطالب
عنوان                                                                                                                                                                                
فهرست مطالب هشت
چکیده…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….1                        
   فصل اول: بررسی کلیات و اهداف تحقیق
1-1- مقدمه   2
1-2- بتن الیافی 3
1-3- الیاف مورد استفاده در بتن 3
1-3-1- الیاف طبیعی 4
1-3-2- الیاف فولادی 4
1-3-3- الیاف آرامید 5
1-3-4- الیاف کربن 5
1-3-5- الیاف شیشه 5
1-4- اهداف تحقیق 6
1-5- خلاصه­ی فصل و بررسی محتویات فصل­های بعد 7
فصل دوم: ویژگی­های بتن مسلح به الیاف شیشه
2-1- مقدمه   8
2-2- بتن مسلح به الیاف شیشه (GFRC) 8
2-2-1- ملاحظات اقتصادی استفاده از بتن مسلح به الیاف شیشه 9
2-3- روش­های ساخت بتن مسلح به الیاف شیشه 9
2-3-1- روش پیش مخلوط 9
2-3-2- روش اسپری 10
2-4- عمل­آوری بتن مسلح به الیاف شیشه 11
2-4-1- عمل­آوری مرطوب 12
2-4-2- عمل­آوری با هوا 12
2-5- خواص مکانیکی 13
2-5-1- مقاومت فشاری 13
2-5-2- مقاومت کششی 13

2-5-3-   مقاومت خمشی 14
2-5-4- مقاومت ضربه 16
2-5-5- مدول الاستیسیته 16
2-5-6- طاقت     17
2-6- دوام     17
الف- بررسی ﺗﺄثیر محیط قلیایی 17
ب- بررسی ﺗﺄثیر فرایند هیدراسیون سیمان 17
2-7- ﺗﺄثیر گذر زمان بر خواص مکانیکی GFRC 18
2-7-1- خصوصیات مکانیکی وابسته به ملات 18
2-7-2- خصوصیات مکانیکی وابسته به الیاف شیشه 18
2-8- مواد پوزولانی 19
2-8-1- انواع پوزولان­ها 20
2-8-2- ﺗﺄثیر مواد پوزولانی بر خصوصیات مکانیکی بتن 20
2-8-3- میکروسیلیس 21
2-8-4- متاکائولین 22
2-9- فناوری نانو 22
2-9-1- کاربرد فناوری نانو در بتن 22
2-10- خلاصه­ی فصل 26
بر پیشینه­ی علمی موضوع
3-1- مقدمه   27
3-2- تاریخچه­ی تولید الیاف مقاوم در محیط قلیایی 27
3-3- استفاده از مواد پلیمری در بتن مسلح به الیاف شیشه 28
3-4- بررسی مقاومت فشاری بتن مسلح به الیاف شیشه 32
3-5- استفاده از میکروسیلیس و متاکائولین در بتن مسلح به الیاف شیشه 34
3-5-1- ﺗﺄثیر مواد پوزولانی بر رفتار خمشی بتن مسلح به الیاف شیشه 34
3-5-2- ﺗﺄثیر مواد پوزولانی بر رفتار کششی بتن مسلح به الیاف شیشه 36
3-5-3- ﺗﺄثیر مواد پوزولانی بر روی طاقت بتن مسلح به الیاف شیشه 38
3-5-4- بررسی مکانیزم شکست بتن مسلح به الیاف شیشه 38
3-6- استفاده از نانوسیلیس به عنوان جایگزین بخشی از سیمان در بتن 40
3-7- خلاصه­ی فصل 41

فصل چهارم: مشخصات مصالح و چگونگی ساخت نمونه­ها
4-1- مقدمه   42
4-2- مشخصات و ویژگی­های مصالح به کار رفته 42
4-2-1- سنگدانه­ها 42
4-2-2- مصالح ریز دانه 43
4-2-3- سیمان       45
4-2-4- آب         46
4-2-5- مواد پوزولانی 47
الف- میکروسیلیس 47
ب- متاکائولین 48
ج- نانوسیلیس 48
4-2-6- فوق روان­کننده 49
4-2-7- الیاف شیشه 50
4-3- طرح اختلاط 51
4-3-1- نحوه­ محاسبه­ی طرح­های اختلاط 52
4-4- نحوه­ اختلاط مواد و ساخت نمونه­ها 53
4-4-1- ساخت نمونه­ها در روش پیش مخلوط 53
4-4-2- ساخت نمونه­ها در روش اسپری 56

4-5- نام­گذاری طرح­های اختلاط 58
4-6- بیرون آوردن نمونه­ها از قالب و عمل­آوری نمونه­ها 60
4-7- خلاصه­ی فصل 61
فصل پنجم: نحوه­ انجام آزمایش­ها و بیان نتایج
5-1- مقدمه   62
5-2- مقاومت فشاری 63
5-2-1- نتایج مربوط به مقاومت فشاری 63
5-2-2- ﺗﺄثیر استفاده از مواد پوزولانی بر روی مقاومت فشاری 64
5-2-3- ﺗﺄثیر استفاده از الیاف شیشه بر روی مقاومت فشاری 65
5-3- آزمایش مقاومت خمشی 69
5-3-1- نتایج آزمایش خمش چهار نقطه­ای 70
5-3-2- بررسی ﺗﺄثیر استفاده از مواد پوزولانی بر روی مدول گسیختگی بتن مسلح به الیاف شیشه 74

5-3-3- بررسی ﺗﺄثیر الیاف شیشه و روش­های تولید بتن مسلح به الیاف شیشه بر مدول گسیختگی 77
5-4- سهم پوزولان از مقاومت بتن 82
5-4-1- سهم پوزولان از مقاومت فشاری 83
5-4-2- سهم مواد پوزولانی از مدول گسیختگی 86
5-5- طاقت خمشی 90
5-5-1- بررسی شاخص ­های طاقت 91
در بتن مسلح به الیاف شیشه 94
در بتن مسلح به الیاف شیشه 95
در بتن مسلح به الیاف شیشه 97
5-5-5- نحوه­ شکست نمونه­های خمشی 100
5-6- خلاصه­ی فصل 102
فصل ششم: خلاصه, نتایج و پیشنهادات
6-1- مقدمه   103
اجمالی بر فعالیت­های انجام گرفته در تحقیق حاضر 104
6-3- نتایج به­دست آمده در این تحقیق 105
6-3-1- مقاومت فشاری 105
6-3-2- مدول گسیختگی 105
6-3-3- سهم مواد پوزولانی از مقاومت بتن 106
6-3-4- شاخص ­های طاقت 106
6-4- پیشنهادات جهت انجام تحقیقات آینده 107
پیوست: نمودارهای بار- تغییر مکان. 108
مراجع…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..138

 
 
 
 
 
 
 
چکیده
خرابی و انهدام بتن به شدت به تشکیل ترک­ها و ریز ترک­ها بستگی دارد. با افزایش بار­گذاری, ریز ترک­ها به هم متصل شده و ترک­ها را تشکیل می­دهند. به ‌منظور رفع این مشکل و همچنین ایجاد شرایط همگن، در چند دهه اخیر از یک­سری رشته‌های نازک که در تمام حجم بتن گسترده شده است، استفاده می­گردد؛ که به آن­ها الیاف گفته می­ شود. از جمله­ پر کاربرد­ترین الیاف مورد استفاده در بتن, الیاف شیشه می­باشد. بتن مسلح به الیاف شیشه، ماده­ای کامپوزیت شامل یک ملات از سیمان هیدرولیکی و سنگدانه­ی ریز است که با الیاف شیشه تقویت می­ شود. استفاده از الیاف شیشه در بتن باعث بهبود ویژگی­های بتن می­ شود که از جمله می­توان به افزایش مقاومت کششی, افزایش مقاومت خمشی, بهبود مقاومت ضربه, افزایش میزان جذب انرژی, بهبود رفتار بتن در ناحیه­ی غیرخطی و شکل پذیری بالا اشاره کرد. از آنجا که خواص بتن مسلح به الیاف شیشه در ارتباط مستقیم با شرایط الیاف شیشه­ی استفاده شده در سطح بتن می­باشد, موضوعات مرتبط با عملکرد الیاف شیشه در طول زمان, همواره مورد توجه محققین بوده است. عواملی همچون محیط قلیایی بتن و محصولات تولید شده ناشی از فرایند هیدراسیون سیمان, در طول زمان با تخریب الیاف شیشه, باعث ایجاد تغییر در خواص مکانیکی بتن مسلح به الیاف شیشه می­شوند. در این تحقیق به منظور کاهش ﺗﺄثیرات ناشی از محیط قلیایی بتن, از الیاف شیشه­ی مقاوم در محیط قلیایی و برای جلوگیری از ﺗﺄثیر مخرب فرایند هیدراسیون سیمان, از مواد پوزولانی با درصد­های مختلف استفاده شده است. به منظور بررسی مقاومت فشاری, مقاومت خمشی و شاخص ­های طاقت در بتن تولید شده به دو روش پیش مخلوط و اسپری, 15 طرح اختلاط حاوی درصد­های مختلف الیاف شیشه و مواد پوزولانی (میکروسیلیس, متاکائولین و نانوسیلیس) در روش پیش مخلوط و 14 طرح اختلاط در روش اسپری, مورد آزمایش قرار گرفته است. از نتایج بدست آمده چنین می­توان برداشت کرد که مقاومت فشاری در بتن مسلح به الیاف شیشه, تا حد زیادی به کیفیت ملات بستگی دارد. بر این اساس ملاحظه می­ شود که اضافه نمودن الیاف شیشه باعث کاهش مقاومت فشاری بتن می­ شود. با توجه به این نتایج, کاهش مقاوت فشاری نمونه­های تقویت شده با الیاف شیشه در حضور مواد پوزولانی به حداقل می­رسد. در این شرایط مقاومت فشاری در برخی از نمونه­های مسلح به الیاف شیشه و حاوی مواد پوزولانی, نسبت به نمونه­های شاهد افزایش یافته است. با توجه به نتایج بدست آمده, مسلح کردن بتن به الیاف شیشه, باعث افزایش قابل توجه مدول گسیختگی می­ شود. مدول گسیختگی با افزایش میزان الیاف شیشه, ابتدا روندی صعودی و سپس روندی نزولی طی می­ کند. استفاده از مواد پوزولانی در نمونه­های تقویت شده با الیاف شیشه, باعث بهبود مدول گسیختگی می­ شود. همچنین کاهش مدول گسیختگی در طول زمان و با حضور مواد پوزولانی به حداقل می­رسد. در این تحقیق به منظور بررسی طاقت نمونه­های مسلح به الیاف شیشه از سطح زیر نمودار بار- تغییر مکان استفاده شده است. به طور کلی استفاده از الیاف شیشه در بتن, باعث افزایش طاقت بتن می­ شود. با توجه به نتایج بدست آمده ملاحظه می­ شود که با افزایش الیاف شیشه, هر سه شاخص طاقت افزایش می­یابد؛ هر چند در شاخص I5 این افزایش ناچیز می­باشد. در واقع این امر نشان دهنده این است که در جابجایی بزرگتر, جذب انرژی بیشتر توسط الیاف شیشه صورت می­گیرد. در بین نمونه­های مسلح به الیاف شیشه, بیشترین مقادیر مشخصه­ی خصوصیات مکانیکی, مربوط به طرح­های حاوی 10% و 15% متاکائولین می­باشد. استفاده از نانوسیلیس در طرح­های اختلاط, باعث کاهش شدید مقاومت فشاری, مقاومت خمشی و طاقت در بتن مسلح به الیاف شیشه می­ شود.
کلمات کلیدی: بتن مسلح به الیاف شیشه، میکروسیلیس، متاکائولین، نانوسیلیس، مقاومت فشاری، مقاومت خمشی، شاخص طاقت

1

فصل اول بررسی کلیات و اهداف تحقیق

1-1-      مقدمه

توانایی سرویس دهی و افزایش ظرفیت باربری مصالح سازه­ای از دیر باز به عنوان یک مسئله­ مهم اقتصادی محسوب می­شده است.
بتن به عنوان یک ماده­ی سازه­ای پر کاربرد, امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می­گیرد. از سال 1992 تا 1993 میلادی، تنها در کشور آمریکا 63 میلیون تن سیمان پرتلند برای تولید 500 میلیون تن بتن مصرف شده است؛ که این خود پنج برابر تولید فولاد، به صورت وزنی در مدت مشابه است. در اغلب کشور­های جهان نسبت مصرف بتن به فولاد از 10 به 1 نیز فراتر رفته است[1]. تا کنون تعاریف زیادی از بتن ارائه شده است. بر اساس این تعاریف, بتن از سه ماده­ی اصلی تشکیل شده است. این مواد عبارتند از: مواد سیمانی, آب که مواد سیمانی با آن واکنش داده و خاصیت چسبندگی پیدا می­ کنند؛ و مواد پر کننده­ که حجم قابل توجهی از بتن را تشکیل می­دهند.
با وجود ویژگی­های قابل توجه این ماده از جمله شکل­پذیری بالا, مقاومت و عمر زیاد, در دسترس و ارزان قیمت بودن, بتن ماده­ای ترد است و تحت بارهای خمشی و کششی به شدت ضعیف عمل می­ کند.
آرماتور­های فولادی, بتن را تحت کشش مسلح می­ کنند؛ ولی تقریباً اثری بر روند گسترش ترک ندارند. به عبارت دیگر با رسیدن انتهای ترک به موقعیت آرماتورهای کششی، نرخ افزایش باز­شدگی دهانه­ی ترک و هم­چنین انتشار ترک کاهش یافته و سپس با عبور ترک از آرماتور، توسعه­ ترک با نرخ بیشتری افزایش می­یابد. علاوه بر آن وجود آرماتور در نواحی خاص کششی، بتن را از حالت همگن و یکنواخت خارج کرده و فرض همگنی بتن در روش­های آنالیز را با اشکال مواجه می­ کند ]1[.
به طور کلی خرابی و انهدام بتن به شدت به تشکیل ترک­ها و ریز ترک­ها بستگی دارد. با افزایش بار­گذاری, ریز ترک­ها به هم متصل شده و ترک­ها را تشکیل می­ دهند [2]. به‌منظور رفع این مشکل و همچنین ایجاد شرایط همگن، در چند دهه اخیر از یک سری رشته‌های نازک که در تمام حجم بتن گسترده شده، استفاده می‌شود؛ که به آن­ها الیاف گفته می­ شود.

1-2-      بتن الیافی

با توجه به تعریف ACI 544.2R-89 [3], بتن الیافی بتنی است كه با سیمان هیدرولیكی, مصالح سنگی ریزدانه و درشت­دانه ساخته شده و به ­وسیله­ الیاف تقویت می­ شود.
كاربرد گسترده­ی بتن الیافی از اواسط سال 1960 برای روسازی جاده­ها، كف سالن­های صنعتی، جداره­ی كوره­ها و غیره, آغاز گردید [4]. مهمترین مشخصه­ی بتن الیافی, خاصیت جذب انرژی و انعطاف پذیری آن است. به همین دلیل امروزه این بتن نقشی بسیار جدی در پیشرفت تکنولوژی بتن ایفا می­ کند.
در کل از بتن الیافی می­توان انتظار ارتقای پارامتر­های مرتبط با ضرایب باربری نظیر مقاومت فشاری، کششی، خمشی، برشی و مقاومت در برابر خزش، سایش و فرسایش را داشت.

1-3-      الیاف مورد استفاده در بتن

همان­طور که گفته شد, با رسیدن تنش­های وارده به حداکثر مقاومت ملات, ترک­ها تشکیل می­شوند. در نهایت تجمع این ترک­ها در یک ناحیه باعث انهدام بتن می­ شود. در این شرایط استفاده از الیاف باعث جلوگیری از گسترش ترک­ها و اتصال آنها به یکدیگر می­ شود.
استفاده از الیاف در بتن از حدود 50 سال پیش شروع شد و روز­ به ­روز بر استفاده از این ماده در طرح­های اختلاط بتن افزوده می­ شود. مزایای گوناگون كاربرد الیاف در بتن نظیر افزایش مقاومت خمشی, افزایش مقاومت برشی, افزایش مقاومت كششی, افزایش مقاومت در برابر بارهای ضربه­ای, افزایش میزان جذب انرژی و افزایش مقاومت مقطع در مقابل ترک خوردگی, باعث شده که از الیاف در تقویت و مرمت انواع سازه­های بتنی استفاده شود [5].
انتخاب نوع الیاف، تعیین کننده­ خواص کامپوزیت­ها است. امروزه به منظور تقویت بتن از الیاف مختلفی منجمله الیاف فولادی, الیاف پلی­پروپیلن, الیاف آرامید (کولار), الیاف کربن و الیاف شیشه استفاده می­ شود (شکل 1-1).
الیاف مورد استفاده در بتن را می­توان از نظر جنس به 4 گروه زیر تقسیم کرد [6]:

• مواد مصنوعی آلی مانند پلی­پروپیلن و کربن
• مواد مصنوعی غیر آلی مانند فولاد و شیشه
• مواد طبیعی آلی مانند سلولز
• مواد طبیعی غیر آلی مانند آزبست

شکل ‏1‑1– انواع الیاف کامپوزیتی؛ الف) الیاف شیشه؛ ب) الیاف کربن؛ ج) الیاف پلی­پروپیلن؛ د) الیاف فولاد

1-3-1-      الیاف طبیعی

الیاف طبیعی مانند نارگیل، سیسال، تفاله­ی نیشکر، بامبو، کنف، کتان، چوب و الیاف گیاهی جهت تشخیص خصوصیات مهندسی و احتمال استفاده از آن­ها در ساختمان­سازی در 40 کشور مورد آزمایش قرار گرفتند. هرچند نتایج دلگرم کننده بود, اما به دلیل فعل و انفعال بین ملات سیمان و الیاف, ضعف­هایی در دوام آن­ها مشاهده گردید. الیاف گیاهی استحکام بالایی ندارد و در اثر افزایش بارهای وارده با پارگی الیاف و یا با بیرون کشیده شدن آن­ها از درون ملات بتن، شکست در سازه بتنی ایجاد می­ شود [9].
 

1-3-2-      الیاف فولادی

امروزه الیاف فولادی به منظور بهبود بخشیدن به خواص مکانیکی بتن، کاربرد وسیعی را در سازه‌های بتنی و بتن الیافی پیدا کرده ­اند. بتن مسلح شده با الیاف فولادی می ­تواند به­ طور موضعی و یا کلی جایگزین بتن مسلح شده با میلگرد­های فولادی گردد.
الیاف فولادی دارای اشکال متفاوتی می­باشند و به طور معمول بر اساس روش تولید, این الیاف را به 4 دسته تقسیم می­ کنند [10]:

• کشیدن و بریدن سیم­های فولادی (الیاف سیمی)
• نورد و برش ورق­های فولادی (الیاف برشی یا نواری)
• استخراج شده از حالت مذاب (الیاف ریخته­گری)
• تراشیدن سطح ورق­های فولادی (الیاف ماشینی)

 
فهرست مطالب
فصل 1: 1
مقدمه و کلیات  1
1-1- مقدمه.. 2
1-2- ضرورت تحقیق.. 5
1-3- هدف تحقیق.. 6
1-4- شیوه تحقیق.. 7
1-5- ساختار پایان نامه .. 7
فصل 2: 10
ادبیات و پیشینه­ی تحقیق  10
2-1- مقدمه.. 11
2-2- تعریف آسیب سازهای.. 11
2-3- تعریف فروپاشی پیش­رونده.. 11
2-4- بارهای غیرعادی.. 12
2-4-1- انفجار گاز.. 13
2-4-2- انفجار بمب.. 14
2-4-3- ضربه­ی ناشی از برخورد.. 15
2-4-4- آتش سوزی.. 15
2-4-5- خطای ساخت.. 16
2-5- مفاهیم اولیه در فروپاشی پیش­رونده.. 16
2-6- تاریخچه پیدایش استانداردهای مربوط به فروپاشی پیش­رونده   17
2-7- ترکیب بارهای فروپاشی پیش رونده در استانداردها   19
2-7-1- ترکیب بار شامل بارگذاری­های نامشخص.. 19
2-7-2- ترکیب بارهای اسمی با بهره گرفتن از تنش مجاز طراحی   20
2-7-2-1- ترکیب بارهای مبنا.. 20
2-7-3- ترکیبات بار برای حوادث فوق­العاده و استثنائی   20
2-7-3-1- ظرفیت تحمل بار.. 21
2-7-3-2- ظرفیت باقیمانده.. 21
2-7-3-3- شرایط ثبات و پایداری سازه.. 21
2-8-ترکیبات بارگذاری مورد نیاز درتحلیل فروپاشی پیش­رونده   22
2-9- بررسی انواع فروپاشی پیش­رونده در سازه­ها.. 23
2-9-1- فروپاشی پنکیکی.. 23
2-9-2- فروپاشی دومینویی.. 25
2-9-3- فروپاشی زیپی.. 25
2-9-4- فروپاشی برشی.. 27
2-9-5- فروپاشی ناشی از ناپایداری.. 27
2-9-6- فروپاشی ترکیبی.. 28
2-10- فروپاشی پیش­رونده پل­ها.. 29
2-10-1- فروپاشی ناشی از گسیختگی تکیه­گاه.. 29
2-10-2- فروپاشی ناشی گسیختگی موضعی.. 32
2-11- روش های تحلیل سازه­ها در مقابل فروپاشی پیش­رونده   34
2-11-1- تحلیل استاتیکی الاستیک خطی.. 34
2-11-2- تحلیل استاتیکی غیرخطی.. 35
2-11-3- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی الاستیک خطی   36
2-11-4- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیرخطی.. 37
2-12- روش­های مقابله با فروپاشی پیش­رونده در پل­ها   38
2-12-1- کنترل حادثه.. 39
2-12-2- طراحی غیرمستقیم.. 39
2-12-3- مقاومت موضعی مشخصه.. 40
2-12-4- مسیر بار جایگزین.. 40
2-12-5- جداسازی.. 40
2-13- تاریخچه­ی فروپاشی پیش­رونده.. 41
فصل 3: 44
روش تحقیق  44
3-1- مقدمه.. 45
3-2- مدل تحلیلی.. 47
3-2-1- کلیاتی پیرامون نمونه­ آزمایشگاهی.. 47
3-2-1- صحت­سنجی مدل آزمایشگاهی.. 50
3-2-2- نحوه مدل­سازی.. 51
3-3- بارگذاری.. 55
3-4- تعیین اعضای کلیدی.. 57
3-5- نتیجه ­گیری.. 62
فصل 4: 64
محاسبات و یافته­ ها  64
4-1- مقدمه.. 65
4-2- معیار انتخاب سناریوی حذف اعضای کلیدی.. 65
4-3- تعیین روش تحلیل مناسب.. 71
4-3-1- اثر حذف اعضای B10 و B9. 71
4-3-2- اثر حذف اعضای T4 و T5. 74
4-4- ضریب افزایش دینامیکی.. 77
فصل 5: 80
نتیجه ­گیری و پیشنهادات  80
5-1-مقدمه.. 81
5-2- نتیجه ­گیری.. 81
5-3- ارائه پیشنهادات.. 82
منابع و مآخذ………………………………………………………………………………………………….  83
 
        
 
 
 
فهرست اشکال
شکل (1-1) فروپاشی پیش رونده پل [6] I-35W… 4
شکل (1-2) فروپاشی پیش رونده پل جیاندونگ جینگ جیانگ [7]   4
شکل (1-3) فروپاشی پیش رونده پل جیاندونگ جینگ جیانگ [8] 5
شکل (2-1) تاریخچه زمانی فشار ناشی از انفجار گاز [12]   13
شکل (2-2) تاریخچه زمانی فشار ناشی از انفجار : (a فاصله 1 متر، (b فاصله 5 متر، (c فاصله 10 متر[12].. 14
شکل (2-3) ساختمان آلفرد پ. مورا قبل از انفجار و بعد از انفجار[18].. 18

شکل (2-4) مراحل فروپاشی پیش رونده پنکیکی [27].. 24
شکل (2-5) فروپاشی برجهای دو قلو در اثر فروپاشی پیش رونده پنکیکی [28].. 24
شکل (2-6) مراحل فروپاشی پیش رونده دومینوئی[27].. 25
شکل (2-7) مراحل فروپاشی پیش رونده زیپی[27].. 26
شکل (2-8) فروپاشی پیش رونده زیپی پل کابلی[26].. 26
شکل (2-9) فروپاشی پیش رونده برشی اسلیپر پیش تنیده [29]   27
شکل (2-10) مراحل فروپاشی پیش رونده ناشی از ناپایداری[27]   28
شکل (2-11) فروپاشی پیش رونده ترکیبی ساختمان مورا [26]   28
شکل (2-12) فروپاشی پیشرونده پل کوآنگ دونگ در اثر آسیب دیدگی پایه میانی[7].. 30
شکل (2-13) فروپاشی پیشرونده پل هانگجو در اثر حذف ناگهانی ستون موقت[5].. 31
شکل (2-14) فروپاشی پیشرونده پل بآیهوا در اثر آسیب دیدگی ستونهای آن [7].. 31
شکل (2-15) فروپاشی پیشرونده پل کبک در اثر کمانش مهارهای جانبی آن[7].. 32
شکل (2-16) فروپاشی پیشرونده پل زایاوتانمن در اثر گسیختگی مهارهای آن[7].. 33
شکل (2-17) فروپاشی پیشرونده پل پرچم سرخ در اثر تخریب غیر اصولی[7].. 33
شکل (3-1) ابعاد هندسی نمونه آزمایشگاهی[35].. 48
شکل (3-2) نمونه آزمایشگاهی پل خرپائی [35].. 48
شکل (3-3) تکیه گاه های نمونه آزمایشگاهی (a) تکیه گاه غلتکی و (b) تکیه گاه مفصلی.. 50
شکل (3-4) شکل مدلسازی پل خرپایی در حالت نیمرخ پل.. 51
شکل (3-5) شکل مدلسازی شده در نمای 3 بعدی از پل خرپایی   52
شکل (3-6) مشخصات و جنس مصالح.. 52
شکل (3-7) نحوه تعریف سطح مقطع ( 2x25x50 ). 53
شکل (3-8) مشخصات مصالح سطح مقطع ( 3×30 ). 53
شکل (3-9) مشخصات سطح مصالح ( 6/1×20 ). 54
شکل (3-10) مشخصات مفصل پلاستیک محوری.. 55
شکل (3-11) بارگذاری غیرخطی با در نظر گرفتن اثر تغییر شکل­های بزرگ……………………………….56
شکل (3-12) سناریوهای حذف اعضای یال پائینی(گروه اول)    59
شکل (3-13) شاخص تغییرات گروه اول.. 59
شکل (3-14) سناریوهای حذف اعضای یال بالائی(گروه دوم).. 59
شکل (3-15) شاخص تغییرات گروه دوم.. 60
شکل (3-16) سناریوهای حذف اعضای قائم(گروه سوم).. 60
شکل (3-17) شاخص تغییرات گروه سوم.. 61
شکل (3-18) سناریوهای حذف اعضای مورب(گروه چهارم).. 61
شکل (3-19) شاخص تغییرات گروه چهارم.. 62
شکل (4-1) سناریوهای حذف اعضای یال پائینی.. 67
شکل (4-2) پارمترهای آماری  اعضای سازه در گروه اول سناریوی آسیب.. 67
شکل (4-3) سناریوهای حذف اعضای یال بالائی.. 68
شکل (4-4) پارمترهای آماری  اعضای سازه در گروه دوم سناریوی آسیب.. 68
شکل (4-5) سناریوهای حذف اعضای قائم.. 69
شکل (4-6) پارمترهای آماری  اعضای سازه در گروه سوم سناریوی آسیب.. 69
شکل (4-7) سناریوهای حذف اعضای مورب.. 70
شکل (4-8) پارمترهای آماری اعضای سازه در گروه چهارم سناریوی آسیب.. 70
شکل (4-9) بیشینه میزان تغییرات نیرویی در اعضای کلیدی یال پائینی   72
شکل (4-10) مفدار میانگین نیرویی اعضای کلیدی در اعضای یال پائینی   72
شکل (4-11) میزان واریانس نیروها در اعضای کلیدی یال پائینی   73
شکل (4-12) میزان انحراف معیار نیروها در اعضای کلیدی یال پائینی   73
شکل (4-13) بیشینه میزان تغییرات نیرویی در اعضای کلیدی یال بالائی   75
شکل (4-14) مفدار میانگین نیرویی اعضای کلیدی در اعضای کلیدی یال بالائی.. 75
شکل (4-15) بیشینه میزان تغییرات نیرویی در اعضای کلیدی یال بالائی   76
شکل (4-16) بیشینه میزان تغییرات نیرویی در اعضای یال بالائی   76
فهرست جداول
جدول (2-1) ترکیبات بارگذاری آئین نامه ها در ارزیابی پتانسیل فروپاشی پیش رونده سازه ها. 31
جدول (3-1) تاریخچه ی فروپاشی پیش رونده پل ها به همراه میزان تلفات و برآورد خسارت ناشی از آسیب وارده به پل. 53
جدول (3-2) مشخصات اجزای خرپا. 58
جدول (3-3) جدول مربوط به صحت سنجی فرکانسهای 3 مد اول  64
جدول (4-1) برنامه ریزی آزمایشهای انجام شده برای عضو ; 80
جدول (4-2) برنامه ریزی آزمایشهای انجام شده برای عضو شماره 49  81
 
 

مقدمه و کلیات
 

• مقدمه

پس از جنگ جهانی دوم صنعت ساخت و ساز به شدت در سراسر جهان توسعه یافت. با این وجود، گذر زمان و وجود عوامل مختلف داخلی و خارجی باعث می­ شود که اجزای سازه دچار آسیب شده و سازه تحت بارهای بهره برداری دچار مشکلات جدی و حتی انهدام شود. در نظر گرفتن تمامی جوانب در طراحی و کشف زود هنگام و اقدام مناسب در جهت رفع آسیب­های می ­تواند از فروپاشی فاجعه بار سازه جلوگیری کند. از این رو، در دهه­های اخیر تحقیقات فراوانی در زمینه­ شناسایی آسیب در سازه­ها صورت گرفته است.
خطوط ارتباطی و سازه­های زیر بنایی نقش اساسی در تمامی کشورها دارند و سالیانه هزینه­ های فراوانی صرف ساخت و نگهداری آن­ها می­ شود. در این میان، پل­ها نقش کلیدی در شرایط اقتصادی، اجتماعی و سیاسی یک کشور ایفا کنند. از این رو، در سال­های اخیر میزان توجه به پایش سلامتی پل­ها به شدت افزایش یافته است، زیرا نیاز اساسی به ارزیابی شرایط بسیاری از پل­ها در جهان احساس می­ شود. مطالعات نشان می­دهد که بیش از 40 درصد از پل­های موجود در کانادا نیازمند ترمیم و مقاوم سازی هستند[1]. از میان 57000 پل بزرگراهی موجود در آمریکا در سال 1997، 187000 مورد از آن­ها معیوب گزارش شده و بیان شده که سالیانه به میزان 5000 پل دیگر به این تعداد اضافه می­ شود[2]. در سال 2001 عنوان شد که ژاپن دارای 147000 پل می­باشد که زمان ساخت اکثر آن­ها به پیش از سال 1980 بر­می­گردد. بنابراین بسیاری از آن­ها به شدت به نگهداری نیاز دارند[3].
با توجه به قرار­گیری ایران در یک منطقه­ لرزه ­خیز، وقوع زلزله­های متعدد می ­تواند سبب بروز آسیب­های شدید در انواع مختلف سازه­ها شود. علاوه بر این ترافیک روزانه و افزایش آن می ­تواند عاملی برای آسیب­دیدگی پل­ها باشد. همچنین طول عمر بسیاری از پل های موجود در کشور، به بیش از 30 سال می­رسد. از طرفی میزان ساخت انواع مختلف پل در ایران رو به افزایش است. در نتیجه نگهداری و کنترل پل­ها می ­تواند نقش موثری در کشور ارائه کند[4].
یک پدیده نادر اما بسیار زیانبار در سازه­ها، پدیده فروپاشی پیش­رونده[1] است. این پدیده، اثر دینامیکی حاصل از گسترش و توسعه متوالی گسیختگی اولیه در یک سازه، که نشان دهنده عدم تطابق شدید بین عامل به وجود آورنده و فروپاشی شدید است، می­باشد. عامل به وجود آورنده فروپاشی پیش­رونده، یک عامل موضعی و متمرکز مانند عدم مقاومت موضعی است که سبب بروز یک پدیده فاجعه بار می­ شود [5].
به علت وقوع حوادث غیر قابل پیش بینی از قبیل زلزله، انفجار، برخورد و تصادف و نیز کاهش احتمالی ظرفیت سازه در اثر گذر زمان و تاثیر این عوامل بر وقوع فروپاشی پیش­رونده در پل­ها، بررسی اثرات تقویت اجزای سازه­ای بر مقاومت در برابر فروپاشی پیش­رونده مورد توجه قرارگرفته است. مطالعات گذشته نشان می­دهد که مقاوم­سازی لرزه­ای سازه، می ­تواند سبب مقاومت سازه در برابر فروپاشی پیش­رونده در مواجهه عوامل غیرعادی شود. در مقابل، افزایش شکل­پذیری، می ­تواند سبب تسریع در مکانیسم فروپاشی پیش­رونده شود[4, 5].
یکی از حوادث معروف در زمینه فروپاشی، فروپاشی پل خرپایی فولادی I-35W بر روی رودخانه می­سی­سی­پی، واقع در ایالت مینه سوتا[2]، در ایالات متحده آمریکا می­باشد. همانطور که در شکل (1-1) مشهود است، این پل به طور ناگهانی، در یکم اوت سال 2007 دچار فروریزش شد و 13 کشته و بیش از 100 زخمی قربانی این حادثه شدند. گزارش بررسی عوامل فروریزش پلI-35W نشان می­دهد که بار مرده­ی عرشه چند بار به خاطر تعمیر و تقویت دال افزایش یافته بود و ضخامت گاست پلیت­های بکار رفته در پل نیز تنها نیمی از ضخامت مقدار طراحی شده بود. علاوه بر این، در روز سقوط، مصالح ساختمانی و ماشین آلات سنگین نیز بر روی پل جهت تعمیر و نگهداری وجود داشتند. این عوامل، سبب فروپاشی پل I-35W شده ­اند[6].

• فروپاشی پیش­رونده پل [6] I-35W

با توجه به شکل (1-2)، در سال 2007، در چین، برخورد یک کشتی باری با پایه پل جیاندونگ جینگ جیانگ[3]، سبب فروپاشی چهار دهانه مجاور پایه گردید. بررسی­های نشان می­دهد که نیروی برخورد کشتی، بیش از نیروی مجاز طراحی بوده و در نتیجه سبب آسیب دیدگی پایه پل شده است. در اثر این آسیب، نیروهای داخلی تغییر کرده و نیروهای باز توزیع شده بیش از ظرفیت پایه­ های کناری بوده و در نتیجه آن، فروپاشی پیش­رونده رخ داده است[7].

• فروپاشی پیش رونده پل جیاندونگ جینگ جیانگ [7]

نمونه ­ای دیگر از فروپاشی پیش رونده در پل بای­هوآ[4] در شکل (1-3) در اثر زلزله ونچوآن[5] اتفاق افتاده است. در این پل در اثر آسیب تکیه­­گاه­ها، عرشه پل به همراه تغییر شکل­های پیچشی دچار فروریزش شده است[7, 8].

• فروپاشی پیش رونده پل جیاندونگ جینگ جیانگ [8]

2-2-1-2-1-ضریب مقاومت افزون………………. 27
2-2-2-شکل پذیری در روش طراحی براساس روش تجویزی…. 29
2-3-روش طراحی لرزه­ای براساس عملکرد سازه…………. 30
2-3-1-فواید طراحی براساس عملکرد………………. 31
2-3-2-شکل­پذیری در روش طراحی براساس عملکرد……… 32
2-3-3-معیارهای پذیرش اعضا در روش طراحی براساس عملکرد 34
2-3-4-فلسفه ی طراحی براساس عملکرد…………….. 35
2-4- بر یافته های دیگر محققین……………… 36
2-4-1-تحقیقات طاهری بهبهانی………………….. 36
2-4-2-تحقیقات Repapis و همکاران……………….. 37
2-4-3-تحقیقات Kunnath و همکاران………………. 38
2-4-4-تحقیقات Elnashai و همکاران……………….. 39
2-5-جمع بندی و نتیجه گیری…………………….. 40
فصل 3: روش تحقیق……………………………… 42
3-1-مقدمه…………………………………… 43
3-2-معرفی نمونه ها…………………………… 43
3-2-1-تعیین جزئیات سازه ای…………………… 44
3-2-1-1-مدلسازی و هندسه……………………. 44
3-2-1-2-بارگذاری………………………….. 45
3-2-1-3-نتایج طراحی نمونه ها……………….. 48
3-3-ارزیابی…………………………………. 50
3-3-1-مدلسازی……………………………… 50
3-3-1-1-مدلسازی کلی سازه…………………… 50
3-3-1-2-مدلسازی اعضا………………………. 51
3-3-1-3-مدلسازی رفتار مصالح………………… 52
3-3-1-4-مقاومت اعضای سازهای………………… 52
3-3-1-5-بررسی منحنی رفتاری اعضاء……………. 53
3-3-2-بررسی نرم افزارهای کاربردی……………… 54
3-3-3-بررسی مشخصه های تحلیل نمونه ها………….. 54
3-3-3-1-روش تحلیل…………………………. 54
3-3-3-2-بارگذاری………………………….. 55
3-3-3-2-1-الگوی بارگذاری…………………. 56
3-3-3-3-تغییر مکان هدف…………………….. 56
فصل 4: نتایج و تفسیر………………………….. 61
4-1-مقدمه…………………………………… 62
4-2-بررسی نتایج……………………………… 63
4-2-1-بررسی نتایج و تعیین ضرایب نمونه سه طبقه….. 66
4-2-2-بررسی نتایج و تعیین ضرایب نمونه پنج طبقه…. 69
4-2-3-بررسی نتایج و تعیین ضرایب نمونه هفت طبقه…. 72
4-2-4-بررسی نتایج حاصل از شکل پذیری سازه………. 72
4-3-تعیین عملکرد لرزهای اعضاء…………………. 74
4-3-1-عملکرد لرزهای اعضا در ساختمان سه طبقه……. 79
4-3-2-عملکرد لرزهای اعضا در ساختمان پنج طبقه…… 84
4-3-3-عملکرد لرزهای اعضا در ساختمان هفت طبقه…… 89
 
فصل 5: جمع بندی و نتیجه گیری…………………… 90
5-1-جمع بندی………………………………… 91
منابع و مراجع………………………………… 95
 
 
 
 
 
 
فهرست اشکال
شکل(2-1) ارتباط بین ضریب کاهش نیرو ، اضافه مقاومت ، ضریب کاهش به علت شکل پذیری و ضریب شکل پذیری ………………….. 19
شکل(2-2) منحنی نیرو- تغییر شکل عضو……………… 32
شکل(2-3) معیارهای پذیرش اعضا در سطوح مختلف عملکردی… 34
شکل(2-4) نتایج مطالعاتKunnath و همکاران………….. 38
شکل(3-1) نمایی از قاب نمونه های مورد مطالعه در تعداد طبقات 3، 5 و 7   44
شکل(3-3) منحنی رفتاری عضو……………………… 51
شکل(3-4) منحنی ساده شده برش پایه- تغییرمکان………. 58
شکل (4-1) منحنی رفتاری ساختمان سه طبقه تحت الگوی بار نوع اول   64
شکل (4-2) وضعیت رفتاری ساختمان سه طبقه تحت الگوی بار نوع یک    64
شکل (4-3)منحنی رفتاری ساختمان سه طبقه تحت الگوی بار نوع دوم    65
شکل (4-4) وضعیت رفتاری ساختمان سه طبقه تحت الگوی بار نوع دوم   65
شکل(4-5) منحنی رفتاری ساختمان پنج طبقه تحت الگوی بار نوع اول   67
شکل (4-6) وضعیت رفتاری ساختمان پنج طبقه تحت الگوی بار نوع اول  67
شکل (4-7) منحنی رفتاری ساختمان پنج طبقه تحت الگوی بار نوع دوم  68
شکل (4-8) وضعیت رفتاری ساختمان پنج طبقه تحت الگوی بار نوع دوم  68
شکل (4-9) منحنی رفتاری ساختمان هفت طبقه تحت الگوی بار نوع اول  70
شکل (4-10) وضعیت رفتاری ساختمان هفت طبقه تحت الگوی بار نوع اول 70
شکل (4-11) منحنی رفتاری ساختمان هفت طبقه تحت الگوی بار نوع دوم 71
شکل (4-12) وضعیت رفتاری ساختمان هفت طبقه تحت الگوی بار نوع دوم 71
شکل(4-13) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت X 75
شکل(4-14) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت X 75
شکل(4-15) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت Y 76
شکل(4-16) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت Y 76
شکل(4-17) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت X 77
شکل(4-18) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت X 77
شکل(4-19) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت Y 78
شکل(4-20) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت Y 78
شکل(4-21) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت X 80
شکل(4-22) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت X 80
شکل(4-23) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت Y 81
شکل(4-24) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت Y 81
شکل(4-25) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت X 82
شکل(4-26) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت X 82
شکل(4-27) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت Y 83

شکل(4-28) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت Y 83
شکل(4-29) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت X 85
شکل(4-30) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت X 85
شکل(4-31) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت Y 86
شکل(4-32) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع اول، جهت Y 86
شکل(4-33) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت X 87
شکل(4-34) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت X 87
شکل(4-35) شکل پذیری متناظر اعضای فشاری در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت Y 88
شکل(4-36) شکل پذیری متناظر اعضای کششی در طبقات در توزیع بار نوع دوم، جهت Y 88
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فهرست جداول
(3-1) مقادیر ضریب بازتاب ( ) و ضریب زلزله ( ) در نمونه های مورد مطالعه 47
جدول(3-2) مقاطع تیر، ستون و بادبند نمونه 3 طبقه 48
جدول(3-3) مقاطع تیر، ستون و بادبند نمونه 5 طبقه 49
جدول(3-4) مقاطع تیر،ستون و بادبند نمونه 7 طبقه 49
جدول (3-5) مقادیر 59
جدول (3-6) مقادیر ضریب . 60
جدول (3-7) مقادیر ضریب 60
جدول(4-1) پارامترهای رفتاری ساختمان سه طبقه 66
جدول(4-2) پارامترهای رفتاری ساختمان پنج طبقه 69
جدول(4-3) پارامترهای رفتاری ساختمان پنج طبقه 72
 
 
 
 
 
 
 
فصل 1: مقدمه
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1-1-مقدمه
در سالهای اخیر فلسفه روش­های سنتی که در طراحی سازه در مقابل مخاطرات طبیعی بر مبنای آنها صورت میگرفت، دچار تغییرات عمده­ای شده است. تخریب گسترده سازه­های طراحی شده بر مبنای آئین­نامه­های قدیمی در زلزله­های اخیر، پیشرفت­های به وجود آمده در روش های تحلیل و نیازهای عملکردی پیچیده­تر مورد انتظار صنایع ساختمانی منجر به معرفی روش های موثرتری در طراحی سازه­ها شده­است. یکی از این روش­ها که در بسیاری از آئین­نامه­ها وجود دارد و سبب ساده­سازی مراحل طراحی میشود، روش تحلیل استاتیکی معادل میباشد که در آن نیروهای طراحی به وسیله ضریب رفتار کاهش داده میشوند. این روش بر این فرض استوار است که مقاومت سازه از مقداری که طراحی بر اساس آن صورت میگیرد، بزرگتر است و به علاوه سازه تحت زلزله با ورود به مرحله غیر خطی، بخشی از انرژی زلزله را جذب می­ کند. طراحی لرزه­ای مطلوب برای ساختمان را می­توان دستیابی به سازه­ای با عملکرد مطلوب، به مفهوم امکان ایجاد خسارت کنترل شده و از قبل پیش ­بینی شده در حین زلزله برای ساختمان دانست ضمن آنکه تخمین نادرست مشخصات زلزله و رفتار سازه و عملکرد آن در مواجهه با زلزله از دلایل مهم آسیب­های شدید وارد بر سازه میباشد. به جهت شناخت هر چه بهتر این مشخصات و ویژگی ها، در قبال روش­های تجویزی مرسوم در آئین­نامه­های پیشین که طراحی را بر اساس نیروهای کاهش یافته زلزله بیان میکرد، آئین­نامه­های طراحی و بهسازی لرزه­ای ارائه گردید که طبق آن طراحی لرزه­ای سازه به روش طراحی بر اساس عملکرد پیشنهاد میگردد.
به دلیل غیر اقتصادی بودن رفتار الاستیک سازه تحت زلزله، هدف اصلی در طراحی لرزه­ای ساختمان­ها بر این مبناست که رفتار ساختمان، در مقابل نیروی ناشی از زلزله­های کوچک بدون خسارت و در محدوده خطی مانده و در مقابل نیروهای ناشی از زلزله شدید، ضمن حفظ پایداری کلی خود، خسارت­های سازه­ای و غیر سازه­ای را تحمل کند. به همین دلیل مقاومت لرزه­ای که مورد نظر آئین­نامه­های طراحی در برابر زلزله است، عموما کمتر و در برخی موارد، خیلی کمتر از مقاومت جانبی مورد نیاز برای حفظ پایداری سازه در محدوده ارتجاعی، در یک زلزله شدید است. بنابر این، رفتار سازه­ها به هنگام رخداد زلزله های متوسط و بزرگ وارد محدوده غیر ارتجاعی میگردند و برای طراحی آنها نیاز به یک تحلیل غیر ارتجاعی است. ولی به دلیل پر هزینه بودن این روش و عدم گستردگی برنامه ­های غیر ارتجاعی و سهولت روش ارتجاعی، روش های تحلیل و طراحی متداول، بر اساس تحلیل ارتجاعی مورد نیاز عموما با بهره گرفتن از ضرایب کاهش مقاومت انجام میشود[2].
یکی از مشکلات موجود در زمینه ضریب رفتار در آئین­نامه­های قدیمی، مربوط به تجربی بودن مقادیر پیشنهاد شده بود. یعنی با وجود اینکه ضرایب رفتار تعیین شده در آئین­نامه­های لرزه­ای در نظر داشتند بیانگر رفتار هیستریک، شکل پذیری، مقاومت افزون، میرایی و ظرفیت استهلاک انرژی باشند، مقادیر این ضرایب در آئین نامه های زلزله، اصولا بر اساس مشاهدات عملکرد سیستم­های ساختمانی مختلف، در زلزله­های قوی گذشته، بر مبنای قضاوت مهندسی بود. بر این اساس، پژوهش­های زیادی در این زمینه صورت گرفت تا مقادیری مبتنی بر مطالعات تحقیقاتی و پشتوانه محاسباتی در آئین­نامه­های زلزله بیان شود که در نهایت منجر به اصلاح این ضرایب بر اساس مطالعات علمی شد.
ضریب رفتار اولین بار در گزارش 06-3 ATC در سال 1978 ارائه گشت. در این گزارش، مقادیر پیشنهاد شده برای ضریب رفتار بر اساس نظر مجموعه ­ای از مهندسان خبره استوار بود. به همین دلیل روش مشخصی برای تعیین مقدار آن ارائه نشده بود. همچنین در مقررات NEHRP مربوط به سالهای 1997 و 2000 (FEMA369 و FEMA303) که الهام گرفته از 06-3 ATC بود، بر تجربی بودن ضرایب کاهش تاکید شده است[11و13]. در برخی از آئین نامه های طراحی لرزه­ای، مطلبی ناظر در محاسبه این ضرایب ارائه شده، حال آن که در بیشتر آئین­نامه­ها مقادیر آنها بر مبنای قضاوت مهندسی، تجربه و مشاهده عملکرد ساختمان­ها در زلزله­های گذشته و چشم پوشی از تراز مقاومت افزون آن­ها استوار است[15]. از این رو و با توجه به مطالب فوق، ارزیابی ضرایب رفتار و بررسی ارتباط میان پارامترهای مؤثر در آن برای سازه ­هایی که مطابق آئین­نامه­های طراحی میشوند، اهمیت ویژه­ای دارد. لذا در اکثر آئین­نامه­های طراحی لرزه­ای جدید، روش­های تعیین آن ذکر شده است.
در این پژوهش بر خلاف آئین­نامه ایران، ضرایب رفتار برای فهم بهتر به اجزای تشکیل دهنده آن تجزیه میشود. البته امروزه در اکثر آیین­نامه­ ها، به جای تعریف یک مقدار معین برای یک نوع قاب سازه­ای، اجزای ضریب رفتار برای قاب­های با شکل­پذیری­های مختلف و بسته به لرزه­خیزی منطقه تعریف می شوند، که از جمله آن­ها میتوان به آیین­نامه کانادا اشاره نمود.
با توجه به تحولات زیادی که از زمان تدوین آئین­نامه ایران در طرح ساختمان­ها در برابر زلزله (استاندارد 2800) در سال 1366 تاکنون در امر مهندسی زلزله صورت گرفته است و نیز با وجود کاربرد وسیع این آئین­نامه در طراحی ساختمان­های مختلف کشور، آگاهی از محتوای این آئین­نامه و مفاهیم آن امری مهم میباشد. تدوین اغلب آیین­نامه های کاربردی طرح لرزه­ای ساختمان­ها، با هدف جلوگیری از تلفات جانی و خسارات احتمالی و نیز دستیابی به طرحی اقتصادی برای سازه انجام گرفته­است. از جمله عوامل تأثیر­ گذار در دستیابی به این هدف می­توان به دو عامل مقاومت و شکل­پذیری سازه اشاره کرد. عوامل مذکور از مهمترین پارامترهای موثر در طراحی لرزه­ای بسیاری از آئین­نامه­ها، از جمله استاندارد 2800 است. تأمین این دو پارامتر در روش طراحی آئین­نامه­های مذکور با توجه به برآورد اهداف مورد نظر این آئین­نامه­ها در زلزله­های خفیف، متوسط و شدید میباشد. این اهداف با توجه به انتظاراتی که از رفتار سازه­ها در هنگام وقوع زلزله­هایی که ممکن است در طول مفید ساختمان اتفاق بیافتد و نیز میزان خسارات احتمالی وارده به سازه در حین زلزله در نظر گرفته شده­است.
در دهه­های اخیر با بررسی نتایج زمین لرزه­های پیشین و خسارات وارده به سازه­های موجود، پرداختن به مفاهیم شکل­پذیری بیش از پیش مورد توجه محققین قرار گرفته­است. از آن جمله، پس از وقوع زلزله در شهر سان­فرناندو در ایالات کالیفرنیای آمریکا در سال 1971 و با توجه به خرابی­های زیاد ایجاد شده در اثر این زلزله، تحولات بسیاری در ضوابط آیین­نامه­ های طراحی لرزه­ای آمریکا حاصل گردید و مفاهیم شکل­پذیری مورد توجه ویژه قرار­گرفت. همچنین بررسی­ها بر علل خرابی­های زلزله­های رخ داده در سال­های اخیر از جمله زلزله­ی نور­تریج (لس آنجلس) در سال 1993، زلزله­ی سال 1994 در کوبه (ژاپن) و نیز زلزله رودبار­– منجیل (ایران) در سال 1369 اهمیت قابلیت شکل­پذیری سازه در استهلاک انرژی زلزله را نمایان ساخت و ضوابط طراحی بسیاری از آیین­نامه­ های لرزه­ای با نگرشی جدید در جهت تأمین این پارامتر در سازه مورد باز بینی و تحول قرار گرفت.
در آئین­نامه­های موجود طراحی لرزه­ای نیز استفاده از قابلیت جذب انرژی زلزله با در نظر گرفتن رفتار غیر­خطی سازه از اهداف اصلی طراحی میباشد. از آنجا که تعیین دقیق ظرفیت تغییر شکل سازه مستلزم تحلیل­های غیر خطی سازه بوده و با توجه به زمان بر بودن این نوع تحلیل­ها و از طرفی سهل بودن آنالیزهای خطی نسبت به تحلیل­های غیر خطی، در این آئین­نامه­ها به صورت کلی برای سیستم­های مختلف سازه­ای ضرایب کاهنده­ای موسوم به ضریب رفتار ® ارائه گردیده­است که این ضرایب به منظور کاهش نیروهای زلزله با در نظر گرفتن عملکرد غیر خطی سازه­ها میباشد. تعیین ضریب مذکور در آئین­نامه­های طراحی لرزه­ای با توجه به عوامل متعددی از جمله شکل­پذیری سازه، اضافه مقاومت، میرایی و نیز ضرایب اطمینان بکار گرفته شده در ضوابط طراحی ساختمان­ها می­باشد. بدین ترتیب در این آئین­نامه­ها اجازه داده میشود با بهره گرفتن از این قابلیت سازه و بکارگیری ضرایب فوق الذکر، سازه را برای نیرویی به مراتب کوچکتر از نیروی واقعی زلزله طرح نمود. در این آئین­نامه­ها این ضرایب با توجه به مشخصات سازه مورد نظر، به لحاظ سیستم باربر جانبی، مشخص و در قالب جداولی به عنوان ضرایب کاهش نیروی پیشنهادی آئین­نامه، به منظور تعیین نیروی زلزله طراحی سازه در اختیار طراح قرار داده شده­است.
از طرفی در نسل جدید آیین­نامه­ های طراحی و بهسازی لرزه­ای که از روش طراحی بر اساس عملکرد در جایگزینی با روش­های تجویزی استفاده می شود، بررسی دقیق­تر این موضوع مد نظر قرار­ گرفته­است. در این فرایند با توجه به رفتار واقعی اعضا تحت اثر نیروهای وارده و با در نظرگیری کلیه­ پارامتر­های اثر گذار، از جمله مصالح، هندسه و مشخصات اعضا، شکل­پذیری متناظر با هر تلاش در هر المان برآورد می گردد. در این آیین­نامه­ ها (از جمله آیین­نامه و نیز دستورالعمل بهسازی لرزه­ای ساختمان­های موجود) در تحلیل خطی، با معرفی پارامتر ” “m، موضوع شکل­پذیری مورد توجه قرار گرفته­­­است و به عنوان معیاری برای ارزیابی و پذیرش عملکرد هر یک از اعضا در سازه استفاده شده­است. در روش تحلیل غیر خطی طراحی بر اساس عملکرد نیز رفتار مورد انتظار هر یک از اعضا سازه و نیز قابلیت­های شکل­پذیری آن در حین زلزله مدنظر قرار گرفته و با تعیین منحنی رفتاری عضو و نیز معیار­های در­نظر گرفته­ شده برای سطوح عملکردی مختلف سازه در حین زلزله، اعضاء سازه مورد بررسی قرار می گیرد. بدین ترتیب در این روش طراحی لرزه­ای ، قابلیت استهلاک انرژی زلزله در سطح عضو و با توجه به میزان این توانایی در تک تک اعضای سازه­ای مورد بررسی و ارزیابی قرار می گیرد و بر این اساس رفتار کلی سازه در حین زلزله تعیین می گردد.
امروزه روش رایج و مرسوم طراحی لرزه­ای کشور، استفاده از روش طراحی بر اساس نیروهای کاهش یافته و استفاده از ضرایب پیشنهادی آئین­نامه طراحی لرزه­ای ایران، با توجه به سیستم باربر جانبی سازه مورد نظر، می­باشد. بر این اساس بررسی اعتبار ضرایب عنوان شده در آئین­نامه های لرزه­ای مورد استفاده امری مهم است.از طرف دیگر با توجه به کاربرد روز افزون از روش طراحی لرزه­ای بر اساس عملکرد در طراحی سازه­ها، پرداختن به مفاهیم این روش طراحی و استفاده از نحوه نگرش آن در بررسی اعتبار ضرایب کاهش نیروی پیشنهادی آئین­نامه لرزه­ای مرسوم و در صورت لزوم تعدیل و تصحیح این ضرایب، مؤثر می­باشد.
بر این اساس در این پایان نامه با بهره­ گیری از نتایج مطالعات انجام شده در این زمینه، مفاهیم شکل پذیری و ضرایب کاهش نیروی متأثر از شکل­پذیری و همچنین ضرایب شکل­پذیری مورد استفاده در آئین­نامه­های طراحی لرزه­ای به دو شیوه فوق­الذکر مورد تحقیق قرار گرفته­است. بدین منظور سه ساختمان 3، 5 و 7 طبقه منظم با سیستم قاب مهاربندی شده با بهره گرفتن از مهاربند­های هم محور (CBF) مورد بررسی قرار کرفته است. در بررسی این ساختمان­ها، پارامتر­های رفتاری محاسبه و با مقادیر پیشنهادی آن در نتایج آئین­نامه لرزه­ای ایران (استاندارد 2800) مقایسه شده و همچنین ضریب شکل­پذیری اعضاء برای نمونه­های مورد مطالعه محاسبه و ارتباط بین این ضریب و ضریب کاهش نیروی زلزله متأثر از شکل­پذیری سازه، تعیین شده­است و در نهایت در جهت تصحیح و تعدیل ضریب کاهش، پیشنهاداتی ارائه میگردد.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
فصل 2: بر ادبیات موضوع