ارزیابی و بهبود عملکرد لرزه ای ساختمان های بتن مسلح نامنظم موجود

چکیده
امروزه با پیشرفت علم در صنعت ساختمان روش های زیادی برای بهسازی سازه های بتن مسلح ارائه گردیده است که از جمله این روشها افزایش سختی به کمک سیستم دیوار برشی بتن مسلح می باشد. در بهسازی سازه، سعی بر آن است که سازه علاوه بر داشتن سختی لازم در مقابل ارتعاشات زمین ناشی از زلزله قادر به مستهلک نمودن انرژی ناشی از این ارتعاشات نیز باشد.
در سیستم دیوار برشی بتن مسلح، سازه بهسازی شده علاوه بر تامین سختی مورد نیاز توسط دیوار برشی, قابلیت بالایی در جذب و استهلاک انرژی را خواهد داشت. در این تحقیق ابتدا مدل هائی با استفاده از ویرایش اول آئین نامه 2800 طراحی و پس از بررسی آسیب پذیری (توسط دستورالعمل بهسازی لرزه ای ساختمانهای موجود در ایران)، با استفاده از این سیستم دیوار برشی بهسازی گردیده و ضمن بررسی خروجی ها به عملکرد مناسب این سیستم بر روی سازه به عنوان یک سیستم کارا و قابل قبول پرداخته شده است.
در این تحقیق جهت بررسی تاثیر سیستم دیوار برشی در سازه های بتنی ابتدا سه مدل ، سه بعدی توسط ویرایش اول آئین نامه2800در نرم افزارEtabs v9.5 طراحی و سپس توسط نرم افزار PERFORM 3D V4 پس از بررسی آسیب پذیری توسط سیستم دیوار برشی بتن مسلح بهسازی گردید.
نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهد استفاده از سیستم دیوار برشی عملکرد لرزه ای هر سه مدل را بهبود بخشیده بطوریکه با اضافه نمودن سیستم دیوار برشی به مدل های مورد مطالعه شکل پذیری سازه 19 تا76 درصد، میزان اتلاف انرژی 23 تا 37 درصد افزایش و برش پایه طبقات 33 تا 50 درصد کاهش یافته است. ضمناً تغییر مکان نسبی طبقات عمدتاً کاهش یافته و یکنواخت می گردد. در حقیقت استفاده از سیستم دیوار برشی علاوه بر افزایش شکل پذیری باعث کاهش نیاز لرزه ای سازه ها گردیده و عملکرد سازه ها را بهبود می بخشد.
کلمات کلیدی
بهسازی لرزه ای، سازه های بتن مسلح، دیوار برشی بتن مسلح، طراحی بر اساس سطح عملکرد.




فهرست مطالب
عنوان صفحه

چکیده
فصل اول (کلیات تحقیق) ...................................................................................................1
1-1-مقدمه.......................................................................................................................................................1
1-2-بررسی خسارت ساختمان های بتنی مسلح در زلزله....................................................................................5
1 -2-1- مقدمه...........................................................................................................................................5
1-2-2-عوامل موثر بر میزان آسیب دیدگی ساختمان ها ..............................................................................5
1-2-2-1-اختلاف بین طیف طرح و طیف پاسخ زلزله ..........................................................................6
1-2-2-2- ستون های ترد ....................................................................................................................7
1-2-2-3- آرایش نامتقارن عناصر سختی در پلان.................................................................................7
1-2-2-4- طبقه همکف نرم .................................................................................................................8
1-2-2-5- ستون های کوتاه.................................................................................................................9
1-2-2-6-شکل پلان طبقات .............................................................................................................10
1-2-2-7- شکل ساختمان در ارتفاع ..................................................................................................10
1-2-2-8 -دال های بدون تیر (دال تخت)...........................................................................................11
1-2-2-9-آسیبهای وارده در اثر زلزله های پیشین...............................................................................11
1-2-2-10- سیستمهای قاب خمشی تنها ...........................................................................................12
1-2-2-11- تعداد طبقات..................................................................................................................12
1-2-2-12- اثر شالوده ها..................................................................................................................13
1-2-2-13- محل قرارگیری سازه های مجاور هم در بلوک ساختمانی................................................14
1-2-2-14-تاثیر مقاومت مشخصه بتن ...............................................................................................14
1-2-2-15-تاثیر زمان نوسان.............................................................................................................15
1-2-2-16- خسارات ناشی از ضعف عناصر سازه ای.........................................................................17
1-2-2-16-1- ضعف ستون ها ......................................................................................................17
1-2-2-16-2- ضعف تیرها ...........................................................................................................18
1-2-2-16-3- اتصال تیر و ستون ...................................................................................................18
1-3-ساختار پایان نامه.................................................................................................................................19
فصل دوم(راهکارهای بهسازی و کنترل ارتعاش لرزه ای سازه)..........................................21
2-1-مقدمه ..............................................................................................................................................21
2-2- سازه های مقاوم در برابر زلزله...........................................................................................................22
2-3- معرفی راهکارهای بهسازی...............................................................................................................23
2-3-1-کاهش نیروی زلزله..................................................................................................................24
2-3-2- افزایش مقاومت و سختی.........................................................................................................25
2-3-3- افزایش شکل پذیری. .............................................................................................................27
2-3-4- کاهش سختی موضعی.............................................................................................................28
2-3-5- تغییر کاربری سازه ..................................................................................................................28
2-3-6-روش ارزیابی بر اساسا عملکرد....................................................................................................28
2-4-اعضای کنترل شونده توسط نیرو و تغییر شکل ....................................................................................33
2-4-1-مزایای روش کنترل بر اساس عملکرد ......................................................................................36
2-5- بررسی ضوابط دستورالعمل بهسازی...................................................................................................37
2-5-1-مبانی بهسازی...........................................................................................................................37
2-5-2-مراحل بهسازی.........................................................................................................................37
2-5-3- هدف بهسازی..........................................................................................................................37
2-5-4- سطح عملکرد ساختمان ...........................................................................................................37
2-5-4-1- سطوح عملکرد اجزای سازه ای ........................................................................................37
2-5-4-1-1-سطح عملکرد 1-قابلیت استفاده بی وقفه...................................................................38
2-5-4-1-2- سطح عملکرد 2-خرابی محدود...............................................................................38
2-5-4-1-3-سطح عملکرد 3- ایمنی جانی...................................................................................38
2-5-4-1-4- سطح عملکرد 4-ایمنی جانی محدود......................................................................39
2-5-4-1-5- سطح عملکرد 5- آستانه فروریزش..........................................................................39
2-5-4-1-6- سطح عملکرد 6-لحاظ نشده ..................................................................................39
2-5-4-2- سطوح عملکرد اجزای غیر سازه ای..................................................................................39
2-5-4-2-1- سطح عملکرد A-خدمت رسانی بی وقفه ................................................................40
2-5-4-2-2-سطح عملکرد D- ایمنی جانی محدود ......................................................................40
2-5-4-2-3- سطح عملکرد E- لحاظ نشده ...................................................................................40
2-5-4-3- سطوح عملکرد کل ساختمان ............................................................................................40
2-5-5- اطلاعات وضعیت موجود ساختمان ...........................................................................................41
2-5-5-1- جمع آوری اطلاعات در سطح حداقل...............................................................................41
2-5-5-2-جمع آوری اطلاعات در سطح متعارف..............................................................................42
2-5-5-3- جمع آوری اطلاعات در سطح جامع .................................................................................42
2-5-5-4- ضریب آگاهی....................................................................................................................43
2-5-6-راهکارهای بهسازی......................................................................................................................43
2-5-7- مقاومت مصالح............................................................................................................................44
2-5-7-1- مقاومت مورد انتظار مصالح ..............................................................................................44
2-5-7-2- حدپایین مقاومت مصالح...................................................................................................44
2-5-7-3-مقاومت مشخصه مصالح ...................................................................................................44
2-5-8- ظرفیت اجزای سازه ....................................................................................................................44
2-5-8-1- روشهای خطی....................................................................................................................44
2-5-8-2- روشهای غیر خطی...............................................................................................................45
2-5-9-روشهای تحلیل غیر خطی..................................................................................................................46
2-5-9-1- تحلیل استاتیکی غیر خطی(pushouers).............................................................................46
2-5-9-1-1-تغییر مکان هدف................................................................................................................48
2-5-9-1-2-روش ضرایب ..................................................................................................................48
2-5-9-1-3-روش طیف ظرفیت ........................................................................................................51
2-5-9-2-2-شکل توزیع بار جانبی در ارتفاع ساختمان.........................................................................52
2-5-9-2-1- محدودیت های تحلیل استاتیکی غیر خطی (Pushover)..............................................54
2-5-9-2-2-مزیت های تحلیل استاتیکی غیر خطی(pushover)...........................................................55
2-5-9-2-3-تحلیل دینامیکی غیر خطی....................................................................................................57
2-5-9-2-4-معیارهای پذیرش روشهای غیر خطی....................................................................................57
2-5-10-اضافه نمودن دیوار برشی در ساختمان بتن آرمه موجود...................................................................61
2-5-11-تاثیر افزودن دیوار برشی برای کاهش نامنظمی سازه ای در ساختمان ...............................................61
2-5-12-تاریخچه استفاده از دیوار برشی درساختمان بتنی.............................................................................64
2-5-13-ضوابط استفاده از دیوار برشی در ساختمان بتنی موجود.............................................................................66
2-5-13-1-اضافه کردن دیوارهای برشی و میانقاب............................................................................................66
2-5-13-2- دیوار برشی بتنی ..............................................................................................................................67
فصل سوم(ساختمان مورد مطالعه و ارزیابی آسیب پذیری آن)......................................................71
3-1- مقدمه..............................................................................................................................................................71
3-2- ساختمانهای مورد مطالعه .................................................................................................................................72
3-3- مشخصات ساختمان موجود ...........................................................................................................................73
3-3-1- مشخصات هندسی ساختمان...................................................................................................................73
3-3-2-سیستم سازه ای ساختمان ........................................................................................................................74
3-3-3- مشخصات مصالح ..................................................................................................................................74
3-4- بارگذاری ثقلی................................................................................................................................................74
3-5-سیستم انتقال بار ثقلی......................................................................................................................................75
3-5-1-سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی........................................................................................................75
3-5-2-مشخصات مصالح مصرفی در سازه..........................................................................................................75
3-5-3بارگذاری ثقلی و جانبی..............................................................................................................................76
3-6- بارگذاری جانبی ............................................................................................................................................80
3-6-1- ساختمان های10طبقه نامنظم مورد مطالعه ..................................................................................................80
3-6-2- ساختمان های15طبقه نامنظم مورد مطالعه .................................................................................................80
3-6-3- ساختمان های20طبقه نامنظم مورد مطالعه ..................................................................................................82
3-6-2-انجام تحلیل.................................................................................................................................................83
3-6-4-1-مقاطع تیرهای ساختمان مورد مطالعه........................................................................................................87
3-7- ارزیابی کیفی آسیب پذیری ساختمان های مورد مطالعه .........................................................................88
3-7-1- هدف بهسازی .............................................................................................................................88
3-7-1-1- سطح خطر ..........................................................................................................................88
3-7-1-1-1- سطح خطر 1................................................................................................................88
3-7-1-1-2- سطح خطر 2................................................................................................................89
3-7-2-سطح عملکرد ساختمان ................................................................................................................89
3-7-2-1- سطح عملکرد اجزای سازه ای .................................................................................................89
3-7-2-2- سطح عملکرد اجزای غیر سازه ای ..........................................................................................89
3-7-2-3- سطح عملکرد کل ساختمان ....................................................................................................90
3-7-3-تعیین سطح اطلاعات و ضریب آگاهی..........................................................................................90
3-7-4-مشخصات مصالح ............................................................................................................................91
3-7-4-1- مصالح بتنی...............................................................................................................................91
3-7-5-شتاب نگاشت ها................................................................................................................................91
3-7-5-1-مشخصات شتاب نگاشت ها...................................................................................................91
3-7-5-1-مشخصات شتاب نگاشت ها...................................................................................................91
3-7-5-1-1-مقياس کردن شتاب نگاشت ها...........................................................................................91
3-7-5-1-2-هم پایه کردن شتاب نگاشت ها........................................................................................93
3-7-5-1-3-رکوردهای زمین لرزه مورد استفاده در تحلیل..................................................................93
3-8- ارزیابی کمی آسیب پذیری ساختمان ها ..............................................................................................94
3-8-1- تحلیل استاتیکی غیر خطی (Pushover) .................................................................................95
3-8-1-1- تعیین تغییر مکان هدف ........................................................................................................95
3-8-1-1-1- تغییر مکان هدف برای ساختمان های 20طبقه مورد مطالعه..............................................95
3-8-1-1-2-تغییر مکان هدف برای ساختمان 15طبقه مورد مطالعه ....................................................97
3-8-1-1-3-تغییر مکان هدف برای ساختمان 10طبقه مورد مطالعه...................................................99
3-8-1-2-انجام تحلیل........................................................................................................................101
3-8-1-2-1-تعریف مفاصل پلاستیک ...........................................................................................101
3-8-1-2-1-1-تعریف مفاصل پلاستیک در تیرهای بتنی............................................................101
3-8-1-2-1-2-تعریف مفاصل پلاستیک در ستون های بتنی .......................................................103
3-8-1-3- پارامترهای مدل سازی و معیارهای پذیرش برای روش های غیر خطی –اعضای کنترل شونده توسط خمش.........................................................................................................................................................104
3-8-1-3-تعریف حالت های مختلف تحلیل(case) .................................................................................105
3-8-1-4- نتایج تحلیل استاتیکی غیر خطی (pushover) ........................................................................107
3 -8-1-4-1- نتایج تحلیل pushover ساختمان 20طبقه مورد مطالعه ......................................................107
3-8-1-4-2- نتایج تحلیل pushover ساختمان 15طبقه مورد مطالعه ......................................................109
3-8-1-4-3- نتایج تحلیل pushover ساختمان 10طبقه مورد مطالعه ......................................................110
3-8-1-5- اثر همزمان مولفه های زلزله .....................................................................................................111
3-8-1-6- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیر خطی ..............................................................................111
3-8-1-6-1-انجام تحلیل ........................................................................................................................111
3-8-1-6-2-نتایج تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیر خطی ..................................................................112
3-8-1-6-2-1- منحنی های نسبت کاربردی تحت زلزله های مختلف برای ساختمان 20طبقه مورد
مطالعه..................................................................................................................................................................112

3-8-1-6-2-2- منحنی های نسبت کاربردی تحت زلزله های مختلف برای ساختمان 15طبقه مورد
مطالعه..............................................................................................................................................................114
3-8-1-6-2-3- منحنی های نسبت کاربردی تحت زلزله های مختلف برای ساختمان 10طبقه مورد
مطالعه................................................................................................................................................................115
3-9-نتیجه گیری .............................................................................................................................................117
فصل چهارم(بهسازی لرزه ای ساختمان های مورد مطالعه) ....................................................118
4-1 مقدمه ........................................................................................................................................................118
4-2- اضافه نمودن دیوار برشی برای بهبود نامنظمی در ساختمان های بتنی موجود .............................................119
4-3-انجام تحلیل ............................................................................................................................................120
4-3-1- تعیین تغییر مکان هدف ...............................................................................................................120
4-3-1-1-تغییر مکان هدف برای ساختمان های مورد مطالعه.......................................................................120
4-3-2-نتایج تحلیل استاتیکی غیر خطی ((pushover)................................................................................121
4-3-2-1-نتایج تحلیل pushover ساختمان 20 طبقه مورد مطالعه بعد از بهسازی......................................121
4-3-2-2-نتایج تحلیل pushover ساختمان 15 طبقه مورد مطالعه بعد از بهسازی.....................................123
4 -3-2-3-نتایج تحلیل pushover ساختمان 10 طبقه مورد مطالعه بعد از بهسازی....................................125
4-3-3- تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیر خطی.......................................................................................126
4-3-3-1- انجام تحلیل..........................................................................................................................126
4-3-3-2- نتایج تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی غیر خطی....................................................................127
4-3-3-2-1-منحنی های نسبت کاربردی تحت زلزله های مختلف برای ساختمان 20 طبقه مورد مطالعه
بعد از بهسازی.................................................................................................................................127

4-3-3-2-2-منحنی های نسبت کاربردی تحت زلزله های مختلف برای ساختمان 15 طبقه مورد مطالعه
بعد از بهسازی...............................................................................................................................129
4-3-3-2-3-منحنی های نسبت کاربردی تحت زلزله های مختلف برای ساختمان 10 طبقه مورد مطالعه
بعد از بهسازی....................................................................................................................................130
4-3-3-3- نتیجه گیری........................................................................................................................132
4-4- مقایسه نتایج ...................................................................................................................................... 132
4-5- مقایسه شاخص های ارزیابی ..............................................................................................................133
4-5-1 – بررسی تغییر شکل نسبی طبقات................................................................................................133
4-5-1-1-نمودار مقایسه تغییر شکل ساختمان های 20،15،10مورد مطالعه قبل و بعد از بهسازی.............134
4-5-1-1- مقایسه نتایج تغییر شکل ساختمان های 20 و 15 و 10 طبقه مورد مطالعه.......................................134
4-5-2- منحنی هیسترزیس............................................................................................................................136
4-5-2-1-منحنی هیسترزیس سازه 20 طبقه مورد مطالعه قبل از بهسازی تحت رکورد طبس.......................136
4-5-2-2-منحنی هیسترزیس سازه 20 طبقه مورد مطالعه بعد از بهسازی تحت رکورد طبس.........................137
4-5-2-3-مقایسه نتایج منحنی های هیسترزیس رسم شده برای ساختمان 20 طبقه مورد مطالعه......................137
4-5-2-4-منحنی هیسترزیس سازه 15 طبقه مورد مطالعه قبل از بهسازی تحت رکورد طبس و منجیل..........137
4-5-2-5-منحنی هیسترزیس سازه 15 طبقه مورد مطالعه بعد از بهسازی تحت رکورد طبس و منجیل...........138
4-5-2-6-مقایسه نتایج منحنی های هیسترزیس رسم شده برای ساختمان 15 طبقه مورد مطالعه......................139
4-5-2-7-منحنی هیسترزیس سازه 10 طبقه مورد مطالعه قبل از بهسازی تحت رکورد طبس و منجیل.............140
4-5-2-8-منحنی هیسترزیس سازه 10 طبقه مورد مطالعه بعد از بهسازی تحت رکورد طبس و منجیل..............141
4-5-2-9-مقایسه نتایج منحنی های هیسترزیس رسم شده برای ساختمان 10 طبقه مورد مطالعه........................142
4-5-3-نمودار تاریخچه زمانی..........................................................................................................................142
4-5-4- بررسی مکانیزم اتلاف انرژی در سازه..................................................................................................146
4-5-4-1-ساختمان 20 طبقه قبل از بهسازی................................................................................................146
4-5-4-2-ساختمان 20 طبقه بعد از بهسازی................................................................................................147
4-5-4-3-ساختمان 15 طبقه قبل از بهسازی...............................................................................................147
4-5-4-4-ساختمان 15 طبقه بعد از بهسازی...............................................................................................148
4-5-4-5-ساختمان 10 طبقه قبل از بهسازی..............................................................................................148
4-5-4-6-ساختمان 10 طبقه بعد از بهسازی..............................................................................................149
4-5-4-7-مقایسه نتایج نمودار اتلاف انرژی برای ساختمان 20 و 15 طبقه و 10 مورد مطالعه.......................150
4-5-5-تغییر مکان نسبی طبقات ....................................................................................................................150
4-5-5-1-ساختمان 20 طبقه نامنظم...............................................................................................................151
4-5-5-2- ساختمان 15 طبقه نامنظم .............................................................................................................153
4-5-5-3- ساختمان 10 طبقه نامنظم ............................................................................................................155
4-6-نتیجه گیری..........................................................................................................................................156
فصل پنجم(نتیجه گیری و پیشنهادات ) ..............................................................................157
5-1- مقدمه ...............................................................................................................................................157
5-2- نتیجه گیری .......................................................................................................................................158
5-3- پیشنهادها جهت ادامه کار تحقیق ........................................................................................................159
منابع ................................................................................................................................160
چکیده انگلیسی..................................................................................................................163