فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده1
فصل اول :طرح مسئله
1-1- بیان مسئله3
2-1- اهداف تحقیق4
فصل دوم : مروری بر تاثیر انعطاف پذیری خاک بر عملکرد لرزه ای سازه 
2-1- مقدمه7
2-2- تأثیر زمین بر واکنش سازه در زمان زلزله8
2-3- خاک9
2-3-1- مقدمه 9
2-3-2- مفهوم خاک در مهندسی عمران9
2-4- رفتار سازه در برابر زلزله 10
2-5- سیستم‌های مقاوم در برابر بار جانبی 14
2-5-1- سیستم قاب های خمشی16
2-6- بررسی پدیده اندرکنش خاک و سازه17
2-6-1- مقدمه17
2-6-2- تعریف اندرکنش18
2-6-3- تأثیر اندرکنش بین خاک و سازه بر روی پارامترهای سازه22
2-6-4- روشهای تحلیل اندرکنش25
2-6-4-1- روش جرم، فنر، میراگر 25
2-6-4-2- روش مستقیم27
2-6-4-3- روش زیر سازه 28
2-6-4-4- روش های حل مختلط31
2-6-4-4-1- المانهای محدود + المانهای نامحدود32
2-6-4-4-2- المانهای محدود + اجزای مرزی34
2-6-4-4-3- روشهای پیوندی 36
2-6-5- نتیجه گیری و مقایسه روشهای تحلیل38
2-7- مروری بر تحقیقات گذشته40
2-7-1- محمد ملکی و علی محمد سیف زاده 40
2-7-2-کوشیک بتاچاریا، سِخار چاندرا دوتا 43
2-7-3- مجید علی نژاد و علی شفیعی 45
2-7-4- عماد قدرتی، حسین جهانخواه، محمدعلی قناد 46
2-7-5- یوچوآن تانگ و جیان ژانگ48
2-7-6-کربُناری، دزی و لِئونی 49
فصل سوم : روش تحقیق و مدل سازی
3-1- مقدمه52
3-2- آشنایی با روش اجزا‌ی محدود53
3-2-1- مقدمه53
3-2-2- روش اجزاء محدود56
3-3- آشنایی با ABAOUS60
3-3-1- مقدمه60
3-3-2- محصولات ABAQUS62
3-3-3- مقایسه‌ی روش‌های ضمنی و صریح در مسائل وابسته به زمان62
3-4- مشخصات سازه‌های مورد بررسی64
3-5- مشخصات مصالح و اعضای سازه‌ها65
3-5-1- فولاد65
3-5-2- بتن 67
3-6- بارگذاری و طراحی سازه‌ها67
3-7- مشخصات ساختگاه69
3-7-1- خاک‌های مورد مطالعه69
3-7-2- مشخصات و عمق خاک‌ها از سنگ بستر72
3-7-3- معیار گسیختگی موهر- کولمب73
3-7-4- مدل خاک‌ها78
3-8- بارگذاری دینامیکی زلزله80
3-9- تعریف تماس بین سازه و خاک83
3-10- تعیین ابعاد بهینه‌ی خاک86
3-10-1- میرایی خاک86
3-10-2- میرایی هندسی90
فصل چهارم : تجزیه و تحلیل داده ها
4-1- مقدمه94
4-2- تحلیل فرکانسی95
4-3- تحلیل دینامیکی 96
4-3-1- مقدمه96
4-3-2- بررسی عملکرد لرزه ای سازه های فولادی قرار گرفته بر روی خاک رسی97
4-3-2-1- برش پایه97
4-3-2-2- تغییر مکان جانبی نسبی طبقات100
4-3-3-بررسی عملکرد لرزه ای سازه های فولادی قرار گرفته بر روی خاک ما سه ای متراکم102
4-3-3-1- برش پایه102
4-3-3-2- تغییر مکان جانبی نسبی طبقات105
4-3-4- بررسی عملکرد لرزه ای سازه های فولادی قرار گرفته بر روی سنگ بستر110
4-3-4-1- ضریب زمین ساختگاه111
4-3-4-1-1- مقادیر ضرایب زمین ساختگاه حاصل از نرم افزار Abaqus111
4-3-4-1-2- مقادیر ضرایب زمین ساختگاه بر اساس آئین نامه 2800115
4-3-4-2- تغییر شکل سازه 117
فصل پنجم : نتایج و پیشنهادات
5-1- مقدمه122
5-2- نتایج123
5-2-1- نتایج حاصل از تعیین ابعاد بهینه مدل‌های خاکی123
5-2-2- نتایج حاصل از تحلیل فرکانسی123
5-2-3- نتایج حاصل از تحلیل دینامیکی 124
5-2-3-1- نتایج حاصل از بررسی عملکرد لرزه ای سازه های فولادی قرار گرفته بر روی خاک رسی124
5-2-3-2- نتایج حاصل از بررسی عملکرد لرزه ای سازه های فولادی قرار گرفته بر روی خاک ماسه ای124
5-2-3-3- نتایج حاصل از بررسی عملکرد لرزه ای سازه های فولادی قرار گرفته بر روی سنگ بستر125
5-3- پیشنهادات126
منابع127
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول (2-1)- مقایسه ای بین سیستم های مختلف سازه ای بر حسب تعداد طبقات16
جدول (2-2)- مقایسه‌ی روش‌های حل اندرکنش خاک و سازه39
جدول (3-1)- مشخصات الاستیک فولاد مصرفی66
جدول (3-2)- مشخصات محدوده پلاستیک فولاد66
جدول (3-3)- مشخصات الاستیک بتن مصرفی67
جدول (3-4)- نتا یج طراحی قاب محور 2 مربوط به ساختمان 4 طبقه69
جدول (3-5)- نتا یج طراحی قاب محور 2 مربوط به ساختمان 8 طبقه69
جدول (3-6)- طبقه بندی نوع زمین بر اساس استاندارد 280070
جدول (3-7)- مشخصات خاک‌های مورد مطالعه73
جدول (3-8)- مشخصات خاک ها بر اساس معیار موهر- کولمب78
جدول (3-9)- مشخصات شتابنگاشت81
جدول (3-10)- مقادیر μ برای خاک‌های مورد مطالعه85
جدول (3-11)- ضرایب β و α نهایی88
جدول (4-1)- نتایج تحلیل فرکانسی4 مود اول سازه قرار گرفته بر روی خاک با ارتفاع 10 متر و مقایسه با حالت گیردار95
جدول (4-2)- نتایج تحلیل فرکانسی4 مود اول سازه قرار گرفته بر روی خاک با ارتفاع 40 متر و مقایسه با حالت گیردار96
جدول (4-3)- مقادیر برش پایه سازه فولادی 4 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک رسی با ارتفاع 10 متر98
جدول (4-4)- مقادیر برش پایه سازه فولادی8 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک رسی با ارتفاع 10 متر98
جدول (4-5)- مقادیر برش پایه سازه فولادی 4 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک رسی با ارتفاع 40 متر99
جدول (4-6)- مقادیر برش پایه سازه فولادی8 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک رسی با ارتفاع 40 متر99
جدول (4-7)- مقادیر دریفت طبقات سازه فولادی 4 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک رسی با ارتفاع 10 متر100
جدول (4-8)- مقادیر دریفت طبقات سازه فولادی 4 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک رسی با ارتفاع 40 متر100
جدول (4-9)- مقادیر دریفت طبقات سازه فولادی 8 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک رسی با ارتفاع 10 متر100
جدول (4-10)- مقادیر دریفت طبقات سازه فولادی 8 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک رسی با ارتفاع 40 متر101
جدول (4-11)- مقادیر برش پایه سازه فولادی 4 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک ماسه ای با ارتفاع 10 متر103
جدول (4-12)- مقادیر برش پایه سازه فولادی 8 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک ماسه ای با ارتفاع 10 متر103
جدول (4-13)- مقادیر برش پایه سازه فولادی 4 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک ماسه ای با ارتفاع 40 متر104
جدول (4-14)- مقادیر برش پایه سازه فولادی 8 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک ماسه ای با ارتفاع 40 متر104
جدول (4-15)- مقادیر دریفت طبقات سازه فولادی 4 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک ماسه ای با ارتفاع 10 متر106
جدول (4-16)- مقادیر دریفت طبقات سازه فولادی 4 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک ماسه ای با ارتفاع 40 متر106
جدول (4-17)- مقادیر دریفت طبقات سازه فولادی 8 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک ماسه ای با ارتفاع 10 متر106
جدول (4-18)- مقادیر دریفت طبقات سازه فولادی 8 طبقه، قرار گرفته بر روی خاک ماسه ای با ارتفاع 40 متر107
جدول (4-19)- مقادیر برش پایه سازه 4 طبقه، قرار گرفته بر روی سنگ بستر112
جدول (4-20)- مقادیر برش پایه سازه 8 طبقه، قرار گرفته بر روی سنگ بستر112
جدول (4-21)- نیروی برش پایه ماکزیمم کلیه مدلها113
جدول (4-22)- مقادیر ضرایب زمین ساختگاه بدست آمده از نرم افزار Abaqus 113
جدول (4-23)- مقادبر ضرایب بازتاب کلیه مدل ها بر اساس آئین نامه 2800116
جدول (4-24)- مقادیر ضرایب زمین ساختگاه معادل سازی شده بر اساس آئین نامه 2800116
فهرست نمودارها
عنوان صفحه
نمودار (3-1)- مقایسه روش ضمنی و صریح64
نمودار (3-2)- مقادیر نسبت مدول برشی در برابر کرنش برشی71
نمودار (3-3)- پروفیل مدول برشی ساختگاه‌های با خاک NC و DS71
نمودار (3-4)- مقادیر نسبت میرایی در برابر کرنش برشی72
نمودار (3-5)- سرعت موج برشی پروفیل خاک‌های مورد بررسی72
نمودار (3-6)- تاریخچه زمانی شتاب- سرعت- تغییر مکان زلزله نورث ریج (1994)82
نمودار (3-7)- شتابنگاشت زلزله‌ی نورث ریج مقیاس شده به g 0.3583
نمودار (3-8)- شتاب ثبت شده روی سطح خاک NC با بعد عرضی 400 متر و ارتفاع 10 متر89
نمودار (3-9)- شتاب ثبت شده روی سطح خاک NC با بعد عرضی 400 متر و ارتفاع 40 متر89
نمودار (3-10)- شتاب ماکزیمم روی سطح خاک NC برای ابعاد عرضی 50 تا 450 متر و با ارتفاع 10 متر91
نمودار (3-11)- شتاب ماکزیمم روی سطح خاک NC برای ابعاد عرضی 50 تا 450 متر و با ارتفاع 40 متر91
نمودار (4-1)- مقایسه مقادیر دریفت سازه های فولادی 4 طبقه قرار گرفته بر روی خاک رسی با ارتفاع های 10 مترو 40 متر101
نمودار (4-2)- مقایسه مقادیر دریفت سازه های فولادی 8 طبقه قرار گرفته بر روی خاک رسی با ارتفاع های 10 مترو 40 متر101
نمودار (4-3)- مقایسه حداکثر مقادبر برش پایه در اثر تغییر در انعطاف پذیری خاک105
نمودار (4-4) – مقایسه مقادیر دریفت سازه های فولادی 4 طبقه قرار گرفته بر روی خاک ماسه ای با ارتفاع های10 متر و40 متر107
نمودار (4-5)- مقایسه مقادیر دریفت سازه های فولادی 8 طبقه قرار گرفته بر روی خاک ماسه ای با ارتفاع های10 متر و40 متر108
نمودار (4-6)- مقایسه مقادیر دریفت بین طبقه ای سازه های فولادی 4 طبقه قرار گرفته بر روی خاک با عمق 10 متر در اثر تغییر در انعطاف پذیری خاک108
نمودار (4-7)- مقایسه مقادیر دریفت بین طبقه ای سازه های فولادی 4 طبقه قرار گرفته بر روی خاک با عمق 40 متر در اثر تغییر در انعطاف پذیری خاک109
نمودار (4-8)- مقایسه مقادیر دریفت بین طبقه ای سازه های فولادی 8 طبقه قرار گرفته بر روی خاک با عمق 10 متر در اثر تغییر در انعطاف پذیری خاک109
نمودار (4-9)- مقایسه مقادیر دریفت بین طبقه ای سازه های فولادی8 طبقه قرار گرفته بر روی خاک با عمق 40 متر در اثر تغییر در انعطاف پذیری خاک110
نمودار (4-10)- مقایسه حداکثر مقادبر برش پایه(بر حسب کیلو نیوتن) در اثر تغییر در ارتفاع سازه114
نمودار (4-11)- مقایسه مقادیر ضریب زمین ساختگاه بدست آمده از نرم افزار Abaqus با آئین نامه 2800116
نمودار (4-12)- نسبت تغییر شکل سازه4 طبقه با تکیه گاه انعطاف پذیر(خاک رسی با عمق 10 متر) به تکیه گاه صلب 118
نمودار (4-13)- نسبت تغییر شکل سازه4 طبقه با تکیه گاه انعطاف پذیر(خاک رسی با عمق 40 متر) به تکیه گاه صلب118
نمودار (4-14)- نسبت تغییر شکل سازه4 طبقه با تکیه گاه انعطاف پذیر(خاک ماسه ای با عمق 10 متر) به تکیه گاه صلب118
نمودار (4-15)- نسبت تغییر شکل سازه4 طبقه با تکیه گاه انعطاف پذیر(خاک ماسه ای با عمق 40 متر) به تکیه گاه صلب119
نمودار (4-16)- نسبت تغییر شکل سازه 8 طبقه با تکیه گاه انعطاف پذیر(خاک رسی با عمق 10 متر) به تکیه گاه صلب 119
نمودار (4-17)- نسبت تغییر شکل سازه 8 طبقه با تکیه گاه انعطاف پذیر(خاک رسی با عمق 40 متر) به تکیه گاه صلب119
نمودار (4-18)- نسبت تغییر شکل سازه 8 طبقه با تکیه گاه انعطاف پذیر(خاک ماسه ای با عمق 10 متر) به تکیه گاه صلب120
نمودار (4-19)- نسبت تغییر شکل سازه 8 طبقه با تکیه گاه انعطاف پذیر(خاک ماسه ای با عمق 40 متر) به تکیه گاه صلب120
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل (2-1)- رفتار ساده شده یک سازه در برابر زلزله11
شکل (2- 2)- بیان شماتیکی از نیروهای زلزله12
شکل (2- 3)- مدل ساده شده‌ی اندرکنش خاک – سازه 20
شکل (2-4)- تغییرات پریود و میرایی سازه تک درجه با پی دایره ای صلب روی نیم فضای ویسکو الاستیک 22
شکل (2-5)- تغییرات شتاب نسبت به زمان تناوب23
شکل (2-6)- تغییر مکان جانبی سازه بر اثرحرکات افقی و گهواره ای پی24
شکل (2- 7)- سهم حرکات افقی و گهواره ای پی در حرکت جانبی سقف بام سازه24
شکل (2- 8)- مشخصه های اصلی یک سیستم ساده سازه ای25
شکل (2- 9)- اثر اندرکنش در مدلسازی نوسانگر ساده 26
شکل (2-10)- مدل اجزا محدود سه بعدی خاک- سازه با مرزهای ویسکوز28
شکل (2-11)- جداسازی زیرسازه ها به منظور ساده کردن محاسبات30
شکل (2-12)- مراحل تحلیل اندرکنش یک سازه زیر زمینی با روش کوپل المانهای محدود – المانهای نامحدود32
شکل (2-13) – قلمرو دور و نزدیک در روش کوپل المانهای محدود – المانهای نامحدود32
شکل (2-14)- روش HYBRID 37
شکل (2-15)- مدل چند درجه آزادی برای سیستم خاک – سازه47
شکل (3-1)- پلان ساختمان‌های مورد بررسی 65
شکل (3-2)- لغزش خاک در امتداد صفحه‌ی گسیختگی74
شکل (3-3)- پوش گسیختگی موهر- کولمب75
شکل (3-4)- دوایر موهر ممکن و غیر ممکن76
شکل (3-5)- وضعیت گسیختگی76
شکل (3-6)- المان بندی خاک با ارتفاع 10متر79
شکل (3-7)- المان بندی خاک با ارتفاع40 متر79
شکل (3- 8)- رابطه ی فشار تماسی- فاصله برای تماس سخت84

چکیده
همان‌طور که می‌دانیم اکثر طراحان به هنگام تحلیل دینامیکی سازه، زمین بستر آن را صلب فرض می‌کنند و از انعطاف پذیری آن صرف‌نظر می‌کنند. و یا این‌که تحریک ثبت شده در میدان آزاد1 ساختگاه را به پای سازه اعمال می‌کنند. در صورتی که در هنگام وقوع زلزله، رفتار غیر خطی خاک زیرین و وقوع پدیده اندرکنش خاک- سازه2، تغییرات غیر قابل چشم پوشی را در عملکرد لرزه ای سازه به وجود می‌آورند. از این رو تصمیم گرفته شده در این پایان نامه با در نظر گرفتن خاک زیر سازه و مدل کردن آن همراه با سازه در نرم افزار آباکوس3 و با در نظر گرفتن اندرکنش خاک- سازه و رفتار غیر خطی مصالح خاک و فولاد به بررسی عملکرد لرزه‌ای سازه‌های فولادی بر روی خاک‌های انعطاف پذیر پرداخته شود. برای این منظور دو مدل قاب خمشی فولادی (طراحی شده بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ایران و آیین‌نامه‌ی 2800) بر روی دو نوع خاک به روش مستقیم و با بهره‌گیری از روش المان محدود و اعمال رکورد زلزله نورث‌ریج تحلیل شده و تغییرات ایجاد شده در عملکرد لرزه‌ای آن‌ها با تمرکز بر پارامترهای تغییر مکان جانبی نسبی طبقات و برش پایه به دست می‌آید. در ادامه بستر سازه‌های مورد نظر را به صورت صلب فرض کرده و با بدست آوردن پارامترهای ضریب بستر و تغییر شکل سازه، اهمیت در نظر گرفتن انعطاف پذیری خاک زیر سازه و اندرکنش خاک- سازه به هنگام تحلیل دینامیکی سازه‌ها نشان داده می‌شود. تحقیقات نشان می‌دهد که در خاک‌‌های انعطاف پذیر با افزایش ارتفاع سازه مقدار برش پایه افزایش می‌یابد و با افزایش عمق خاک زیر سازه، مقدار برش پایه و مقدار تغییر مکان جانبی نسبی طبقات افزایش می‌یابد. از طرفی با کاهش انعطاف پذیری خاک زیرسازه، از مقدار برش پایه کاسته می‌شود و مقدار تغییر مکان جانبی نسبی طبقات در سازه‌‌های قرار گرفته بر روی خاک کم عمق افزایش یافته و در سازه‌‌های قرار گرفته بر روی خاک عمیق با کاهش همراه است. همچنین نتایج تحقیقات بیانگر اهمیت در نظر گرفتن اندرکنش خاک- سازه و انعطاف پذیری خاک زیر سازه به هنگام تحلیل دینامیکی سازه‌ها می‌باشد.
کلید واژه‌ها : انعطاف پذیری خاک، اندرکنش خاک – سازه، رفتار غیر خطی خاک، تحلیل دینامیکی، تحلیل فرکانسی، نرم افزار آباکوس، قاب خمشی فولادی
فصل اول
« طرح مسئله »

1-1- بیان مسئله
توجه به اثر خاک در عملکرد سازه حین زلزله موضوعی است که در دهه‌های اخیر مورد توجه تحقیقات بسیاری قرار گرفته است. خاک عاملی است که می‌تواند به طرز چشم گیری بر عملکرد سازه تأثیر‌گذار باشد. مطالعات انجام شده در مورد اثر خاک در عملکرد سازه‌ها بیشتر در حوزه‌ی اثر ساختگاه4 انجام گرفته و به پدیده‌ی اندرکنش خاک – سازه کمتر توجه شده است.
اعمال رکورد زلزله به پای سازه با فرض قرار گیری آن بر بستر صلب روشی است که معمولاً برای ارزیابی پاسخ سازه و بررسی عملکرد آن به کار می‌رود. گرچه فرض صلبیت خاک، تغییر عمده‌ای در عملکرد سازه‌های واقع بر بستر سنگی ایجاد نمی‌کند، ولی با افزایش انعطاف پذیری خاک، تغییرات غیر قابل چشم‌پوشی در اثر اندرکنش خاک- سازه و رفتار غیر خطی خاک، در این رفتار حاصل می‌گردد.
در واقع اندرکنش خاک و سازه باعث دو تغییر مهم در عوامل مؤثر بر رفتار سازه در زلزله می‌گردد. اولین آن‌ها مربوط به تغییر در تحریک مؤثر اعمالی به پای سازه است، بدین معنی که تحریکی که سازه تجربه می‌کند، متفاوت از تحریکی است که در سطح خاک عاری از سازه و پی (خاک دست نخورده) ثبت شده‌است. این اثر، اندرکنش سینماتیکی5 نام دارد.
و دومین اثر اندرکنش اینرسی نام دارد که این اثر از مهم‌ترین اثرات اندرکنش خاک- سازه محسوب می‌گردد و ناشی از انعطاف پذیری خاک زیر پی و انتشار امواج ناشی از حرکت سازه و پی دارای جرم به سمت بی‌نهایت خاک است. که در مورد اندرکنش خاک و سازه و اثرات و روش‌های در نظر گرفتن آن در سیستم خاک- سازه در فصل آینده به طور مفصل توضیحاتی داده شده است.
لذا همان‌طور که اشاره شد توجه به انعطاف پذیر بودن خاک یا همان تکیه‌گاه سازه، یکی از عوامل بسیار مؤثر در تعیین پاسخ سیستم می‌باشد که قصد داریم در این تحقیق با ورود اطلاعات و داده‌هایی همچون نوع خاک و ارتفاع آن از سنگ بستر، ارتفاع سازه و اعمال رکورد زلزله، طیف وسیعی از حالت‌های گوناگون را پوشش دهیم تا به این مهم دست پیدا کنیم.

1-2- اهداف تحقیق
هدف از این تحقیق بررسی اثرات انعظاف پذیری خاک بر روی سازه‌های فولادی با سیستم قاب خمشی می‌باشد. بدین منظور اهداف این پایان نامه به صورت زیر شرح داده می‌شود:
1) مطالعه و بررسی پیشینه مبحث اندرکنش خاک و سازه، مطالعات انجام گرفته، تجارب زلزله‌های گذشته و اثرات آن و روش‌های محاسبه.
2) انتخاب نرم افزار المان محدود مناسب که کلیه‌ی جوانب این مطالعه همچون مدل‌سازی، شرایط مرزی، مش بندی، توان انجام تحلیل‌ها به روش‌های گوناگون و غیره را بتواند پوشش دهد و دارای توانایی بالای گرافیکی، ارائه‌ی انواع نتایج به صورت جدول و نمودار و توانایی بالای برنامه نویسی با چندین زبان مختلف را داشته باشد. بدین منظور در این پایان نامه از نرم‌افزار المان محدود Abaqas v.6.12 که کلیه‌ی خصوصیات ذکر شده را دارا می‌باشد، استفاده شده است.
3) بررسی و مشاهده ی تغییرات ایجاد شده در عملکرد لرزه‌ای قاب‌های فولادی 4 و 5 طبقه قرار گرفته بر روی خاک نوع NC (رس پیش تحکیم یافته معمولی که یک خاک انعطاف‌پذیر می‌باشد)، با تمرکز بر پارامترهای تغییر مکان جانبی نسبی طبقات و برش پایه.
4) بررسی و مشاهده ‌ی تغییرات ایجاد شده در عملکرد لرزه‌ای قاب‌های فولادی 4 و 8 طبقه‌ی قرار گرفته بر روی خاک نوع DS (ماسه‌ی متراکم که یک خاک سخت می‌باشد)، با تمرکز بر پارامترهای تغییر مکان جانبی نسبی طبقات و برش پایه.
5) بررسی و مشاهده‌ی تغییرات ایجاد شده در عملکرد لرزه‌ای قاب‌های فولادی 4 و 8 طبقه بدون در نظر گرفتن خاک زیر سازه و صلب فرض کردن بستر آن و مقایسه‌ی نتایج آن‌ با دو مورد 3 و 4 با تمرکز بر پارامترهای ضریب بستر و تغییر شکل سازه، جهت نمایش اهمیت در نظر گرفتن اندرکنش خاک- سازه و انعطاف پذیری خاک زیر سازه هنگام تحلیل دینامیکی سازه ها.

فصل دوم
« مروری بر تاثیر انعطاف پذیری خاک بر عملکرد لرزه ای سازه »

2-1- مقدمه
با توجه به این‌که رفتار زمین در رابطه با تأسیسات مهم و سازه‌های بلند و به طور کلی ابنیه‌ی فنی از ارکان اساسی هر طرح به شمار می‌آید، شناخت هرچه دقیق‌تر و کامل‌تر و مطالعه‌ و بررسی مسائل جنبی آن از ملزومات پایه‌ای بود، و ابزار انگار ناپذیر طراحی و ساخت اطمینان‌بخش و اقتصادی آن می‌باشد.
با توجه به پیشرفت‌های شگرف در زمینه‌های مختلف زمین شناسی مهندسی و لرزه‌شناسی در سال‌های اخیر، دسترسی به شناخت صحیح‌تر و مناسب‌تر زمین هموار گردیده‌است، لذا آگاهی از چگونگی رفتار زمین در رابطه با سازه‌ها در دراز مدت، نقش حیاتی در طراحی پروژه‌های عمرانی ایفا می‌نماید و هرچه این سازه‌ها از اهمیت و پیچیدگی بیشتری برخوردار باشند الزاماً دامنه‌ی کاوش و تحقیقات برای شناخت دقیق‌ رفتار زمین گسترش می‌یابد.
اصولاً بررسی‌های زمین شناسی نه تنها از نظر شناخت محل کلیه‌‌ی طرح‌های بزرگ، ضروری می‌باشد، بلکه در مورد طرح‌های با مقیاس کوچک نیز نتایج مطلوبی در بر دارد. این بررسی‌ها می‌بایست از نخستین مراحل شناسایی محل اجرای طرح‌ها شروع شده و هم‌زمان با سایر مطالعات و آزمایش‌های مربوط به ژئوفیزیک، حفر گمانه‌ها، چاه‌ها، گالریها، مکانیک سنگ و … ادامه یابد.
پس از اشاره‌ی مختصر به اهمیت مسأله‌ی زمین‌شناسی و اهمیت پروژه‌ی طرح سازه در برابر زلزله، به جزئیات این مسأله از نقطه نظر فنی پرداخته می‌شود.
2-2- تأثیر زمین بر واکنش سازه در زمان زلزله
زمین به دو طریق کلی بر رفتار و نحوه‌ی انهدام سازه در مقابل زلزله مؤثر می‌باشد]9[:
1) زمین به عنوان تکیه‌گاه، ممکن است در حین وقوع زلزله پایداری و مقاومت اولیه‌ی خود را از دست بدهد.
2) زمین بر خصوصیات نیروی زلزله وارد بر سازه اثر می‌گذارد.
حالت اول:
با توجه به جنس لایه‌های موجود در زیر سازه، ممکن است در اثر زلزله خرابی‌های ذیل به وجود آید:
نشست کلی و یا نامساوی (Total & differential settlement)
ناپایداری پی به علت تقلیل باربری
افزایش فشار منفذی و کاهش مقاومت برشی خاک و در نتیجه وقوع روان‌گرایی6
ناپایداری شیروانی‌ها و شیب‌ها به علت وقوع زمین لغزه
تمام این حالات، ناپایداری پی سازه را همراه خواهد داشت.
حالت دوم:
وضعیت عمق و خصوصیات خاک، لرزش‌های ناشی از زلزله را تقویت نموده و در نتیجه نیروهای وارده بر سازه را ممکن است افزایش دهد.
در این حالت با فرض این‌که خود خاک بر خلاف حالت قبل کاملا در مقابل زلزله پایدارمی باشد، ولی با تأثیر بر مشخصه‌های لرزه‌ای زمین نظیر شتاب زلزله، حداکثر سرعت، حداکثر تغییر مکان در سطح زمین و مدت زمان ارتعاشات مؤثر بر زلزله بر واکنش سازه در برابر زلزله اثر می‌گذارد.
2-3- خاک]1[
2-3-1- مقدمه
خاک به عنوان یکی از مصالح که در مهندسی عمران مطرح است، همان اهمیتی که فولاد و بتن دارند را دارا می‌باشد. در کارهای عمرانی، خاک ممکن است مورد حفاری قرار گرفته و یا روی هم انباشته یا پخش گردد. تمام سازه‌های انسان ساز، جز آن‌هایی که شناورند یا در پرواز، بر روی خاک یا سنگ قرار دارند.
برای مشخصات مصالح مهندسین عمران درگیر طراحی و اجرای پروژه‌های عمرانی بوده و مجبور به انجام محاسباتی هستند که ایمنی و امکان بهره‌برداری (سرویس دهی) سازه‌ی مورد نظر را نشان می‌دهد، و لیکن قبل از آن که چنین محاسبات بتواند انجام پذیرد، رفتار مکانیکی مصالح مهندسی از قبیل فولاد، بتن و خاک باید کاملاً درک شود.

2-3-2- مفهوم خاک در مهندسی عمران
بسیاری لغت « خاک» را برای لایه‌ی نسبتاً نازک سطحی که برای رشد و نمو گیاه استفاده می‌شود به کار می‌برند. ولی در مهندسی عمران مراد از خاک، مصالح این لایه نیست، چون در کارهای مهندسی این لایه قبل از شروع به کار از محل برداشته می‌شود. لذا در وهله‌ی نخست باید منظور از خاک در مهندسی عمران را تعریف کرد تا بتوان بین سنگ و خاک تمییز قائل شد.
برای تعریف خاک در مهندسی عمران می‌توان آن‌چه را که ترزاقی و پک گفته‌اند]37[ ذکر کرد:

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

خاک مجموعه‌ای طبیعی از دانه‌های معدنی است که می‌تواند در آب با کار مکانیکی آرامی مانند به هم زدن آب از هم جدا شوند. از طرف دیگر، سنگ نیز مجموعه‌ای طبیعی از کانی‌هایی است که به وسیله‌ی نیروهای چسبنده‌ی قوی و دائمی به یک‌دیگر متصل شده‌اند. از آن‌جا که اصطلاحات «قوی» و «دائمی» در معرض برداشت‌های مختلف هستند لذا مرز بین خاک و سنگ یک مرز اختیاری است.
اسکات ]33[ نیز تعریفی به شرح زیر ارائه کرده‌است:
در مفهوم کلی، خاک اشاره به ماده و مصالح دانه‌ای غیر سیمانی دارد. که هم از ذرات معدنی و هم آبی تشکیل شده‌است … .
در بسیاری از مواد و مصالحی که توسط مهندسین به عنوان خاک طبقه‌بندی شده‌است، بین دانه‌ها ممکن است به میزان کمی سیمان وجود داشته باشد و بنابراین ممکن است در مشخصات مکانیکی توده دانه ای موثر باشند. لذا اگر قرار است این نوع مصالح به عنوان خاک طبقه بندی گردند، این سیمان نباید به نحوی باشد که مصالح دانه ای، سخت و شبیه به سنگ شود.

2-4- رفتار سازه در برابر زلزله]2[
رفتار سازه در برابر زلزله یک مسئله از نوع ارتعاشات و دینامیک سازه‌ها است. هرچند بارهای ناشی از باد و زلزله هر دو ماهیت دینامیکی دارند لیکن لازم است تفاوت‌های اساسی بین رفتار سازه در برابر زلزله با رفتار سازه در برابر باد، کاملاً مورد توجه قرار گیرد.
بار باد به صورت نیروهای خارجی به بدنه و سطحی از سازه که در برابر آن قرار گرفته، اعمال می‌شود. به عبارتی بزرگی بار باد مستقیماً به سطح و شکل هندسی سازه که در معرض وزش باد قرار دارد، بستگی دارد. مشخصه‌های دینامیکی بار باد نیز در تعیین میزان نیروی آن مؤثر است. این در حالی است که میزان نیروی زلزله نه تنها به فاصله‌ی محل وقوع آن تا سازه و میزان بزرگی و به عبارتی مشخصه‌های دینامیکی امواج ناشی از آن بستگی دارد، بلکه شدیداً به پارامترهای دینامیکی سازه از قبیل جرم، سختی و استهلاک سازه و نیز نوع زمین و خاکی که سازه روی آن بنا شده وابسته است. مجموعه‌ی این عوامل همراه با عدم قطعیت در خصوص نوع و مشخصات زلزله‌ای که قرار است هر سازه‌ای در طول عمر خود آن را تجربه کند شرایطی را فراهم می‌کند که تخمین دقیق نیروهای زلزله به آسانی میسر نباشد.
شاید بتوان تفاوت عمده بارهای باد ونیروهای زلزله را در این واقعیت جست‌وجو کرد که بارهای ناشی از باد به سازه اعمال می‌شوند در حالی که نیروهای ناشی از زلزله در سازه ایجاد می‌شود.
بزرگی نیروهای ناشی از زلزله شدیداً متأثر از جرم سازه است. در طراحی سازه در اثر باد، شاید بتوان با انتخاب مقاطع قوی‌تر حاشیه ایمن ایجاد نمود، لیکن این امر در خصوص طراحی لرزه‌ای سازه‌ها لزوماً به یک طرح مطمئن در برابر نیروی ناشی از زلزله منجر نخواهد شد.
نیروهای زلزله اصولاً از نوع نیروهای داخلی هستند که در نتیجه مقاومت سازه در برابر تکان و حرکت شدید زمین و در اثر زلزله حاصل می‌شوند. برای درک بهتر از ایده‌ی رفتار سازه در برابر زلزله، واکنش ساده شده‌ی یک سازه که تحت امواج زلزله مطابق شکل (2-1) قرار گرفته‌است در نظر بگیرید. با حرکت زمینی که سازه در روی آن بنا شده‌است، پایه‌ی سازه نیز تمایل به حرکت با زمین متصل به خود دارد. لیکن سازه‌ی قرار گرفته در بالای پایه به دلیل مقاومت ذاتی حاصل از جرم و سختی خود تمایلی به حرکت همراه با زمین ندارد و این عدم تمایل حرکت همسو با زمین، موجب ایجاد تغییر شکل‌هایی در سازه خواهد شد.(شکل 2-1) با ادامه حرکت زمین که کاملاً دینامیکی و وابسته به زمان است، تغییر شکل‌ها در ارتفاع سازه گسترش یافته و موجب خواهد شد سازه نوسانات پیچیده‌ای را تجربه کند. این نوسانات و ارتعاشات پیچیده همراه با تغییر شکل‌های ایجاد شده در اعضا و اتصالات، نیروهای داخلی را در جرم سازه پدید می‌آورد.
شکل (2-1) رفتار ساده شده یک سازه در برابر زلزله
افزایش جرم علاوه بر تشدید نیروی زلزله ایجاد شده در سازه، باعث وقوع پدیده‌ی کمانش در ستون‌ها و کاهش مقاومت آنان در برابر بارهای جانبی خواهد شد. به این پدیده اثر p – Delta گفته می‌شود.
همان‌گونه که اشاره شد مشخصه‌های دینامیکی سازه تأثیر زیادی در نحوه‌ی رفتار آن در برابر بارهای زلزله دارد. به عبارت دیگر میزان نیروی ایجاد شده در اثر زلزله علاوه بر جرم سازه به پارامترهایی از قبیل شتاب زمین، نوع و مشخصات ژئوتکنیکی آن و نیز مشخصه‌های دینامیکی سازه از قبیل سختی، پریود سازه و میزان استهلاک آن بستگی دارد. بنابراین رفتار سازه‌های بلند و کوتاه با یک‌دیگر کاملاً متفاوت خواهد بود.
شکل (2-2) بیان شماتیکی از نیروهای زلزله

شکل (2-2) سه نوع سازه با جرم یکسان و با مشخصات دینامیکی متفاوت را نشان می‌دهد. چنان‌چه هرکدام از سازه‌ها تحت اثر شتاب زمین به میزان u ̈_g قرار گیرند رفتار هریک را تحت تأثیر این شتاب بررسی می‌کنیم.
چنان‌چه سازه و پی آن کاملاً صلب و بدون تغییر شکل در نظر گرفته شوند، شتاب سازه همان شتاب ناشی از حرکت زمین، “u”  ̈_”g” خواهد بود و در سازه نیروی “F=m” “u”  ̈_”g” ایجاد می‌شود (شکل 2-2 الف). برای سازه‌ای که دارای تغییر شکل محدودی است (شکل 2-2ب) نیروی ایجاد شده‌ی F در سازه کم‌تر از “m” “u”  ̈_”g” می‌باشد. سازه‌های بلند (شکل2-2ج) انعطاف‌پذیرتر از سازه‌های کوتاه می‌باشند و اصولاً شتاب‌های کم‌تری نسبت به سازه‌های کوتاه تجربه می‌کنند، اما این‌گونه سازه‌ها در صورتی که تحت اثر حرکت زمین که دارای پریودهای متعدد است قرار گیرند، ممکن است به دلیل فیزیکی پریود آنان به پریود امواج زلزله نیروهای بسیار زیادتری را تحمل کند (شکل 2-2ج).
بنابراین میزان نیروی زلزله‌ی ایجاد شده در سازه نه تنها تابعی از جرم آن و شتاب زمین است، بلکه بسیار متأثر از نحوه‌ی واکنش سازه و پی متصل به آن می‌باشد. پریود سازه یکی از پارامترهای مؤثر در واکنش سازه به حرکت زمین است. تعداد پریودهای یک سازه به مدل ریاضی که برای آن مدنظر گرفته می‌شود بستگی دارد. هرچند با تحلیل دینامیکی می‌توان پریودهای یک سازه را تعیین کرد، لیکن آیین‌نامه‌های طراحی روش‌های تجربی و نظری سازه‌ای برای محاسبه‌ی پریودهای سازه ارائه می‌کنند. بیشترین پریود سازه که مترادف با کم‌ترین فرکانس طبیعی آن است را پریود اصلی یا پریود پایه می‌نامند.
پریود اصلی یک سازه تابعی از جرم، سختی و میزان استهلاک آن است. به عنوان یک تقریب اولیه برای یک ساختمان فولادی با تعداد طبقات N پریود اصلی آن “T” _”1″ را می‌توان برابر “T” _”1″ “=0.15N” و پریودهای دوم و سوم “T” _”3″ ” و ” “T” _”2″ آن را به ترتیب معادل یک سوم و ویک پنجم پریود پایه در نظر گرفت. برای مثال در یک ساختمان 20 طبقه پریود اصلی معادل 3 ثانیه و پریودهای دوم و سوم به ترتیب 1 ثانیه و 6/0 ثانیه تخمین زده می‌شوند. در طول چند ثانیه اول وقوع زلزله، شتاب زمین که همراه با پریودهای نسبتاً کوتاه در محدوده‌ی صفر تا 5/0 ثانیه است، به حداکثر مقدار خود می‌رسد. لذا شتاب زمین در این محدوده‌ی زمانی بر روی واکنش اصلی مترادف با پریود اصلی، اثر چندانی ندارد.
لیکن مؤلفه‌های شتابی که با پریود طولانی در انتهای وقوع زلزله پدید می‌آید و با پریود اصلی سازه نزدیک است، اثر مؤثر و شگرفی در رفتار سازه به وجود می‌آورند.
شدت حرکت زمین با افزایش فاصله از کانون زلزله کاهش می‌یابد. آن بخش از حرکات زمین که دارای پریود کوتاه می‌باشند در فواصل کم به تدریج مستهلک می‌شوند. لیکن امواجی از زمین که دارای پریود زیاد می‌باشند ممکن است صدها کیلومتر حرکت کند. ارتعاشات با پریود زیاد با پریود طبیعی سازه‌های بلند منطبق و باعث تشدید ارتعاشات این‌گونه سازه‌ها می‌شوند. بنابراین سازه‌های بلند که دارای پریود طبیعی زیادی هستند ممکن است در فواصل خیلی دور از مرکز زلزله دچار خسارت شوند.

2-5- سیستم‌های مقاوم در برابر بار جانبی]2[
در علم مهندسی سازه سیستم‌های متعددی برای تحمل و انتقال نیروهای جانبی ناشی از زلزله شناخته شده و به کار می‌روند. در کلیه‌ی این سیستم‌ها لازم است بر این نکته توجه شود که هر سیستم باید تحت تأثیر نیروی زلزله به صورت یک واحد منسجم و یک‌پارچه رفتار کند. به عبارت دیگر طراح همواره باید به این نکته توجه کند که سازه‌ی مقاوم در برابر زلزله از اعضای مجزا و بدون ارتباط، نظیر تیرها، ستون‌ها، دیوارها و بادبندها تشکیل نشده‌است، بلکه این عملکرد مشترک و یک‌پارچه‌ی سیستم است که بار جانبی ناشی از زلزله را به طور مطمئن به زمین منتقل می‌کند. البته هر‌یک از اعضا در مسیر انتقال نیرو باید به تنهایی و بدون انهدام، قادر به تحمل و انتقال نیرو باشند. طراح باید مسیر نیرو را در هر عضو از طریق اتصال مناسب آن به عضو دیگر تعقیب کرده، و از سرانجام آن یعنی انتقال به شالوده و نهایتاً به زمین اطمینان حاصل نماید. نکته‌ای که باید همواره مورد توجه طراح قرار داشته باشد، این است که نیروهای ناشی از زلزله نیروهای استاتیکی نیستند و ماهیت دینامیکی داشته و به صورت رفت و برگشتی به سازه اعمال می‌شوند. ضمناً طراحان باید همواره به این نکته توجه کنند که تغییر شکل‌هایی که در سازه خصوصاً اعضای شکل‌پذیر ایجاد می‌شود، تغییر شکل‌هایی فراتر از محدوده‌ی الاستیک خواهند بود.
طراحان به این نکته باید توجه کنند که به دلیل ماهیت دینامیکی نیروی زلزله و ارتباط تنگاتنگ آن با مشخصه‌های دینامیکی سازه، نیروهای ایجاد شده در سیستم مقاوم در اثر زلزله به نوع سیستم سازه‌ای که مورد استفاده قرار می‌گیرد بستگی دارد. بنابراین انتخاب سیستم سازه‌ای مناسب در برابر نیروی زلزله یکی از قدم‌های اساسی در طراحی لرزه‌ای سازه‌ها است.
برخی از سیستم‌های رایج و مورد قبول برای تحمل نیروهای زلزله عبارتند از:
1- سیستم‌ قاب‌های خمشی2- سیستم قاب‌های مهار بندی شده
3- دیوارهای برشی فولادی4- سیستم مقاوم همراه با خرپاهای متناوب
5- سیستم بازویی با تیر پیش‌آمده وخرپای کمربندی6- سیستم لوله‌ای قاب شده.
نکته‌ی حائز اهمیت در مورد کلیه‌ی سیستم‌های مقاوم در برابر بار جانبی که در بالا به آن‌ها اشاره شد نحوه‌ی عملکرد و شکل‌پذیری آن‌ها در برابر زلزله است. به عبارت دیگر سیستم‌های مقاوم در برابر زلزله علاوه بر لزوم دارا بودن مقاومت و صلبیت کافی باید قادر باشند به نحو مناسبی انرژی حاصل از زلزله را در اعضای خود جذب نموده و تغییر شکل‌های فراتر از حد الاستیک را به خوبی تجربه کنند. وجه تمایز اصلی کلیه‌ی سیستم‌های باربر در برابر زلزله در میزان شکل‌پذیری آن‌هاست. شکل‌پذیری هر سیستم مقاوم در برابر زلزله توسط پارامتر R بیان می‌شود.
طراح باید به این نکته کاملاً توجه داشته باشد که یک سیستم سازه‌ای فقط متشکل از قسمت‌های مجزا نظیر تیر، ستون، دیوار، مهاربند و مشابه آن نمی‌باشد، بلکه سامانه‌ی مقاوم در برابر زلزله باید مجموعه‌ی یک‌پارچه و هماهنگی باشد که با رفتار مناسب خود بتواند بارهای جانبی را به صورت ایمن به زمین منتقل کند.
برای مهندس طراح لازم است مسیر جریان نیروها را از محل ایجاد آن سازه تا رسیدن به زمین تعقیب و از صحت عملکرد نیروها در اعضا و اتصالات اطمینان کافی حاصل کند. در این دنبال کردن مسیر نیرو طراح همواره باید این نکته را در ذهن خود یادآوری کند که نیروهای دینامیکی با رفت و برگشت‌های بسیار سریع همراه بوده و تغییر شکل‌هایی که ایجاد می‌کند، عموماً در محدوده‌ای بسیار فراتر از حد الاستیک هستند.
همان‌گونه که در جدول زیر مشخص شده‌است تعداد طبقات ساختمان از عوامل تعیین کننده در انتخاب سیستم سازه‌ای به شمار می‌آید.

جدول (2-1) مقایسه ای بین سیستم‌‌های مختلف سازه ای بر حسب تعداد طبقات]2[
سیستم سازه ایتعداد طبقاتقاب خمشیتاحدود 30 طبقهقاب مهار بندی شدهتاحدود 30 طبقهسیستم خرپایی متناوبتاحدود 40 طبقهقاب مهار بندی شده واگراتاحدود 40 طبقهترکیب سیستم قاب خمشی و قاب مهاربندی شدهتاحدود 55 طبقهسیستم تیر پیش آمده و دارای کمربندتاحدود 70 طبقهسیستم لوله ای قاب شدهتاحدود 80 طبقه
با توجه به مطالب گفته شده در بالا و با توجه به این‌که اکثر سازه‌های فولادی کوتاه و متوسط در کشورمان دارای قاب‌های خمشی است لذا تصمیم گرفته شد، جهت انجام تحقیقات بر روی سازه‌های فولادی از این سیستم استفاده شود، تا از این رو نتایج این تحقیق مورد استفاده بیشتری قرار گیرد.

2-5-1- سیستم قاب‌های خمشی
استفاده از قاب‌های خمشی به عنوان یک سیستم باربر جانبی لرزه‌ای سال‌های متمادی است که مورد توجه طراحان و مهندسان قرار داشته‌است. دو ویژگی مهم قاب‌های خمشی را از سایر سیستم‌های باربر جانبی لرزه‌ای متمایز می‌کند.
الف- رفتار شکل‌پذیر و قابلیت جذب و استهلاک انرژی القایی ناشی از زلزله از ویژگی‌های قاب‌های خمشی است. آیین نامه‌های طراحی معمولاً ضرایب رفتار بالایی را برای این‌گونه سیستم‌های باربر جانبی در نظر می‌گیرند. به بیان دیگر رفتار شکل‌پذیر مناسب در قاب‌های خمشی موجب گردیده تا آیین‌نامه‌های طراحی، نیروهای طراحی ناشی از زلزله در قاب‌های خمشی را مقادیر کم‌تری در مقایسه با سایر سیستم‌های باربر جانبی لرزه‌ای پیشنهاد کنند.
ب- چون قاب‌های خمشی عموماً فاقد مهاربندی و میان‌قاب می‌باشند، لذا امکان تخصیص و ارتباط فضا به خوبی فراهم می‌گردد. این ویژگی مطلوب معماران و مهندسان آرشیتکت قرار گرفته‌است.
در کنار این دو ویژگی مطلوب قاب‌های خمشی به دلیل رفتار خمشی- برشی اجزای تشکیل‌ دهنده‌ی آن‌ها (تیرها، ستون‌ها و اتصالات) هنگامی که تحت اثر زلزله واقع می‌شوند تغییر مکان‌های جانبی نسبی زیادی را در طبقات خود تجربه می‌کنند.
به بیان دیگر سختی قاب‌های خمشی در مقایسه با سایر سیستم‌های بابر جانبی نظیر قاب‌های مهاربندی شده و دیوارهای برشی فولادی به مراتب کم‌تر می‌باشد.
نتیجه‌ی کمبود سختی در قاب‌های خمشی منجر به آن خواهد شدکه در بسیاری اوقات معیار سختی در این سیستم باربر جانبی لرزه‌ای کنترل کننده باشد.

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید