با تکیه بر روشهاي سنتی، نمی توان سازه بلندی ساخت که در برابر زلزله هاي مخرب مقاوم باشد. حتی اگر همه ضوابط آیین نامه زلزله از نظر طراحی و محاسبات رعایت شده باشد، با اجراي سنتی و دخالت انسان در اجزاي مقاوم کننده ساختمان همانند بتن ریزي ها و جوشکاري ها هرگز نمی توان به یک سازه مناسب دست پیدا کرد. فن آوريهاي نو تلاش می کنند تا دخالت انسان را در حین ساختن به حداقل رسانده و با صنعتی کردن اجرا، یک ساختمان همگن و مطمئن بنا نمایند.

ساختمان مسکونی از نظر اسکلت باید نه تنها مقاوم در برابر نیروهاي زلزله ساخته شود، بلکه باید داراي دوام لازم در مدت زمان پیش بینی شده براي بهره برداري از آن نیز باشد. اگرچه از نظر کارکرد اقتصادي می توان بخشهایی از ساختمان را از مصالح سبک بنا نمود، اما اسکلتی که بتواند کارکرد درست داشته باشد معمولاً وزن قابل ملاحظه اي از ساختمان را به خود اختصاص می دهد. با افزایش ارتفاع و به تبع آن نیروهاي حاصل از زلزله مقاطع باربر ساختمان بسیار بزرگ شده و تکانهاي ناشی از نیروي زلزله، در طبقات فوقانی شدید می شود. براي پیشگیری از این رویدادها، روشی تحت عنوان سوپرفریم R.C براي اسکلت ساختمان، در کشور ژاپن، ابداع شده و به عنوان جدیدترین  فناوري به مورد اجرا گذاشته شده است. در این روش ضمن کاهش مقاطع باربر، با پیش ساخته نمودن ستون ها و همچنین کنترل حرکات ساختمان در حین زلزله و جذب انرژي به وسیله میراگرهاي هیدرومکانیکی، یک ساختمان مطمئن از نظر رفتار در برابر نیروها و بسیار مناسب براي سکونت ساخته می شود.

فصل اول مقدمه و کلیات

تعیین مشخصات ساختمان هایی که در گروه سازه های بلند قرار می گیرند بسیار مشکل است، زیرا بلندی خود یک حالت نسبی است و ساختمان ها را نمی توان بر حسب ارتفاع یا تعداد طبقات، دسته بندی و تعریف نمود. بلندی یک ساختمان بستگی به شرایط اجتماعی و تصورات فرد از محیط دارد، بنابراین ارائه یک معیار قابل قبول همگانی برای تعریف بلندی سازه غیرممکن است. از نظر مهندسی هنگامی می توان سازه را بلند نامید که ارتفاع آن باعث شود که نیروهای جانبی ناشی از باد و زلزله، بر طراحی آن اثر قابل توجهی گذارند. همچنین نمانند نیروهای ثقلی، تأثیر نیروهای جانبی در سازه ها کاملاً متغیر بوده و به سرعت با افزایش ارتفاع شدت می یابد. سه عامل اساسی که باید در طراحی تمام سازه های بلند در نظر گرفته شوند عبارتند از : 1- مقاومت  2- صلبیت  3- پایداری که در طراحی سازه های بلند سیستم سازه ای باید متناسب با این نیازها باشد. نیاز به مقاومت عامل غالب در طراحی سازه های کوتاه است، اما با افزایش ارتفاع صلبیت و پایداری اهمیت بیشتری می یابد. بنابراین در یک سازه بلند، سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی و قائم بر حسب ارتفاع سازه و نوع کاربری و نیز ماهیت و نوع نیروها متفاوت خواهد بود.   

یکی از مسائل مهم در مهندسی عمران مقاوم کردن ساختمان ها در برابر نیروی ناشی از زلزله است. روش های معمول برای این منظور در سازه های فلزی، استفاده از بادبند و در سازه های اسکلت بتنی استفاده از دیوار برشی است. علاوه بر این دو، از توان قاب خمشی نیز در مقاومت در برابر نیروی زلزله بویژه برای سازه های بلند می توان استفاده کرد. آنچه تاکنون بطور جدی بدان پرداخته نشده بطوری که ضوابط آیین نامه ای برای آن وجود داشته باشد استفاده از بادبند در سازه های اسکلت بتنی برای نیروی زلزله است. در مقابل، استفاده از دیوار برشی در ساختمان های اسکلت فلزی رایج است و از نظر آیین نامه زلزله ایران، استاندارد 2800 مورد تأیید است. هر چند استفاده از دیوار برشی به جای بادبند در ساختمان های اسکلت فولادی در سال های اخیر رواج پیدا کرده اما بادبند مقاوم در برابر زلزله، از نظر اقتصادی، سرعت و سهولت اجرا همچنین از دیدگاه معماری و نیز بدلیل شکل پذیری بهتر عناصر فولادی می تواند در بسیاری از موارد، از دیوار برش مناسب تر باشد.

ارزیابی رفتار سازه ها در زمین لرزه هاي بزرگ نمایانگر ایجاد خسارت های قابل توجه حتی در ساختمانهاي طراحی شده بر پایه اصول مهندسی است و این به معناي ناکافی بودن پارامتر مقاومت به ویژه در زمین لرزه هاي بزرگ و در سطح فرو ریزش است. رفتار نامطلوب سازه ها در برابر زمین لرزه محققان را بر آن داشت تا پارامترهاي دیگري در طراحی سازهاي مد نظر قرار دهند. یکی از پارامترها که در نگرش نوین پژوهشگران به رفتار سازه ها مدنظر قرار گرفته است، مفهوم انرژي در سازه ها است. ایده برقراري مطلوب توازن انرژي در سازه از طریق بهینه سازي خسارت در حال گسترش است. خسارت های ناشی از زلزله ها، پژوهشگران را بر آن داشته است تا همواره به دنبال راه حل هایی برای جلوگیری از این خسارت ها باشند. مدت ها پیش در نظر گرفتن قابلیت شکل پذیری و اتلاف انرژی در سازه ها مطرح گشت و خود را توسط ضریبی به نام ضریب رفتار R در آیین نامه ها نشان داد.

زلزله های مختلف آسیب های کم یا زیادی بر حسب مقاومت و پایداری سازه ها در برابر زلزله به سازه ها وارد می سازد، لذا پایدار و مقاوم بودن سازه ها در برابر زلزله برای جلوگیری از تخریب های کلی و یا جزیی سازه ها و همچنین از دست رفتن سرمایه های مالی و جانی افراد از اهمیت زیادی برخوردار می باشد. روش های مختلفی برای پایدار کردن سازه های فلزی در برابر نیروهای جانبی باد و زلزله وجود دارد. در این تحقیق نخست به معرفی و تشریح انواع سازه های باربر در سازه های بلند می پردازیم سپس به تمرکز بر روی سازه های باربر پرکاربرد و معمول در ساختمان های بلند خواهیم پرداخت. سازه هایی که در ساختمان های بویژه فولادی به منظور مقاومت در برابر بارهای جانبی وارد بر ساختمان شامل نیروی باد یا زلزله طراحی می شوند از نظر خواص مصالح مورد استفاده مانند سختی، شکل پذیری، مدول الاستیسیته، مدول پلاستیک یا میزان جذب انرژی زلزله مورد بررسی قرار می گیرند. هر چه سازه باربر جانبی دارای شکل پذیری بیشتری باشد دارای توان جذب انرژی بالاتری می باشد بدین معنا که نیروی جانبی زلزله باعث ایجاد تغییر شکل های بیشتری پیش از گسیختگی در سازه می شود و همین باعث کاهش تلفات جانی ناشی از زلزله می شود.

تجربه طراحان و سازندگان ساختمان های تجاری و اداری بلند در سال های اخیر نشان داده است که استفاده از دیوارهای برشی می تواند به سازه برای مقاومت در برابر نیروی جانبی زلزله کمک کند و با توجه به گسترش اجرای دیوار برشی همراه با قاب خمشی متوسط و ویژه در ساختمان های بلند در سال های اخیر مشکلات مربوط به اجرای آن نیز برطرف شده است و دیگر نمی توان ادعا کرد که اجرای سیستم ترکیبی دیوار برشی همراه با قاب خمشی دشوار است، هر چند هزینه اجرای سیستم ترکیبی زیادتر از اجرای قاب خمشی ویژه است. در این تحقیق می خواهیم رفتار چند سیستم رایج در ساخت و ساز را از لحاظ میزان جذب انرژی و مقاومت در برابر زلزله مورد بررسی قرار دهیم. برای این کار نخست باید به تشریح خواص و ویژگی های سیستم های مختلف باربر در سازه های بلند بپردازیم و نقاط ضعف و قوت آنها را بر می شمریم. در نظر داریم که سیستم های مختلف باربر در سازه های بلند وجود دارد که هر یک ویژگی های خود را دارد. برای نمونه قاب خمشی ویژه با وجود کاربرد کمتر نسبت به قاب خمشی متوسط دارای ضریب رفتار بالاتری است، از این رو می تواند انرژی بیشتری جذب کند و در برابر زلزله مقاومت بیشتری از خود نشان می دهد. اما جریان غالب استفاده از دیوارهای برشی همراه با قاب های خمشی متوسط همراه با آسان شدن اجرای آن در ساختمان ها مانع از مطالعه بیشتر روی قاب های خمشی از لحاظ میزان مقاومت در برابر زلزله گردید.

هدف از انجام تحقیق پیش رو بررسی کارایی سیستم های مقاوم در برابر نیروهای جانبی در ساختمان های بلند شامل قاب های خمشی متوسط و ویژه و سیستم ترکیب دیوارهای برشی و قاب های خمشی، سیستم هاي لوله اي در سازه برج و فن آوري مدرن سوپر فریم R.C در ساختمانهاي بلند مسکونی از لحاظ میزان جذب انرژی و مقاومت در برابر زلزله است. از این رو پس از معرفی اجمالی انواع سیستم های مقاوم در برابر نیروهای جانبی زلزله برای ساختمان ها با کاربری ها و ارتفاع های مختلف، روی سیستم های متداول قاب های خمشی ویژه و ترکیب دیوار برشی تمرکز می کنیم و به بررسی کارایی آنها در مهار نیروهای جانبی زلزله از لحاظ میزان انرژی جذب شده می پردازیم. برای این کار باید به بررسی دقیق تر ویژگی های ساختاری و اجرایی انواع سازه های باربر بپردازیم و نقاط ضعف و قوت هر یک را از لحاظ مقاومت در برابر زلزله و میزان جذب و اتلاف انرژی حاصل از اعمال بارهای جانبی زلزله برشماریم تا از این طریق بتوانیم اولاً آنها را از منظر میزان جذب انرژی و مقاومت در برابر زلزله با یکدیگر مقایسه کنیم ثانیاً راهکارهایی برای تقویت هر یک از لحاظ ساختاری یا نحوه اجرا ارائه کنیم تا بتوانیم به سیستم های مقاوم تر و قابل اعتمادتری در برابر زلزله دست یابیم که دارای قابلیت جذب انرژی زلزله بیشتری باشند.  

در این پژوهش به مطالعه  سیستم های متداول براي سازه هاي بلند می پردازیم و میزان جذب انرژی و مقاومت در برابر زلزله را در هر یک مورد بررسی قرار می دهیم. همچنین انواع روش های اجرا، اتصال به سازه باربر قائم و محل قرارگیری سیستم باربر در اسکلت فولادی یا بتنی را مورد مطالعه قرار می دهیم و اثر هر یک در تعیین میزان جذب انرژی زلزله را مشخص می کنیم. پس از آن به معرفی سیستم باربر جانبی دیوار برشی می پردازیم و روش های مختلف اجرای دیوار برشی در انواع ساختمان ها، اتصال و محل قرارگیری آن در اسکلت ساختمان را بر می شمریم و اثر هر یک را در میزان جذب انرژی و مقاومت در برابر زلزله مورد بررسی قرار می دهیم.

برای این کار نخست، انواع سيستمهاي مقاوم در برابر بارهای جانبي در سازه های بلند معرفی می گردد. سپس به بررسی کارایی قاب های خمشی و دیوارهای برشی و سیستم ترکیبی از منظر میزان انرژی جذب شده و مقاومت در برابر زلزله می پردازیم. به‌طور کلی عناصر مقاوم در برابر نیروهای زلزله می‌توانند به‌صورت قاب خمشی، دیوار برشی ، بادبند و یا ترکیبی از قاب خمشی با یکی از این دو سیستم باشند. استفاده از قاب خمشی به‌عنوان عنصر مقاوم در برابر زلزله احتیاج به رعایت جزئیات خاصی دارد که شکل‌پذیری قاب را تأمین نماید. این جزئیات از لحاظ اجرائی غالباً دست و پا گیر بوده و در صورتی می‌توان از اجزاء دقیق آنها مطمئن شد که کیفیت اجراء و نظارت در کارگاه بسیار بالا باشد. از این‌رو استفاده از دیوار برشی به‌عنوان روشی مطمئن‌تر برای مقابله با نیروهای جانبی در سازه‌ ها مورد استفاده قرار گرفته است.

انواع مختلف سيستم هاي متداول مقاوم در برابر زلزله عبارتند از : سيستم مهاربندي جانبي، سيستم ديوار برشي، سيستم قاب مقاوم خمشي و سيستم دو گانه. سیستم قاب مقاوم خمشی  به خاطر نوع رفتاری که در برابر بارهای جانبی دارد ، در بسیاری از سازه های فولادی بلند به کار برده می شود . مهمترین مشخصه آن، نحوه اتصال اعضاء می باشد، به نحوی که اتصالات در قاب مقاوم خمشی دارای چنان سختی می باشد که زاویه میان اعضاء تحت اثر بار ، بدون تغییر باقی می ماند. قاب خمشی از نظر سختی رفتار مناسبی نداشته آنچنان که برای جوابگویی به نیاز های تغییر شکل نسبی نیاز به مقاطع بزرگ و پر هزینه پیدا می کند.

یکی از متداول ترین روش ها برای مقابله با نیروهای جانبی در سازه هاي فولادي غیربلند استفاده از بادبند است. بادبندها به شکل هاي گوناگونی اجرا می شوند. پیکربندي سیستمهاي مهاربندي عموماً از نوع هم مرکز (هم محور) یا خارج از مرکز (برون محور) می باشد . مهاربندهاي هم مرکز سختی سازه را نسبت به قاب خمشی معادل به شدت افزایش داده و تغییر مکان جانبی سازه را محدود می نمایند. سیستم مهاربندي برون محور دو ویژگی سختی مناسب جانبی و جذب انرژي بالا را با یکدیگر ترکیب کرده و بکار می گیرد. در این سیستم، برون محوري اتصال مهاربندي سبب پدید آمدن لنگرهاي خمشی و نیروهاي برشی بزرگی در ناحیۀ تیر نزدیک به مهار می شود . به این ترتیب، تنشهاي این ناحیه از تیر وارد محدودة غیر ارتجاعی شده و سبب اتلاف انرژي ناشی از زمین لرزه می شود. این ناحیه از تیر، پیوند نام دارد. بادبندها به دلایل مختلف از قبیل سختی زیاد، سادگی اجرا و ارزان بودن، همواره مورد توجه طراحان و سازندگان قرار داشته اند. در سیستم مهاربندی هم محور ، بادبند ها از محل تقاطع تیر و ستون عبور می نمایند و در بعضی از فرم های این نوع مهاربندی، محور دو بادبند در یک نقطه مشترک بر روی تیر با هم تلاقی می کنند . این سیستم دارای سختی جانبی بسیار بالایی بوده و به علت اینکه نیروهای جانبی توسط اعضاء به صورت محوری منتقل می شوند سیستمی اقتصادی می باشند . مهار بندی هم محور علی رغم سختی بالا و مناسب و نیز سهولت طراحی و اجرا دارای اشکالاتی هم می باشد که از جمله مهمترین آن ها محدودیت معماری در مورد درب ها و پنجره ها و نیز شکل پذیری و ظرفیت اتلاف انرژی کم آن به دلیل کمانش بادبند ها می باشد. در قاب بادبندی شده برون محور به جای برخورد بادبند به محل اتصال تیر و ستون یا تقاطع محورهای دو بادبند در یک نقطه، با ایجاد یک انحراف بادبند به تیر متصل می شود. قسمتی از تیر که بین تیر و ستون یا بین دو بادبند قرار می گیرد، تیر پیوند نامیده می شود و به صورت یک فیوز شکل پذیر عمل می نماید. در این سیستم تیر پیوند در حالی که از وارد شدن نیروی بیش از حد به بادبندها و کمانش آن جلوگیری می کند، خود با تغییر شکل های پلاستیک در مود خمشی یا برشی، مقدار زیادی انرژی وارد شده از زلزله را مستهلک می نماید. در واقع می توان گفت که سیستم بادبندی برون محور ترکیب کننده سختی مناسب که خاصیت عمده سیستم بادبندی هم محور است و شکل پذیری بالا که ویژگی عمده قاب خمشی مقاوم می باشد. در بادبندهای واگرا پیوندهای کوتاه با قابلیت تغییر شکل های پلاستیک در خمش یا برش دارای ظرفیت استهلاک انرژی بالایی می باشند. در این سیستم حدود 5 تا 15 درصد از مصرف فولاد در مقایسه با قاب خمشی شکل پذیر کاسته می شود، اما به هر حال سیستم واگرا دارای نقاط ضعفی نیز می باشد. برای نمونه می توان گفت که استهلاک انرژی توسط تیر پیوند که بخشی از اعضای اصلی قاب است، انجام می شود که در نتیجه تعمیر یا تعویض آن بعد از یک زلزله شدید مشکل و پر هزینه خواهد بود. همچنین به منظور فعال کردن تیرهای پیوند، نیاز به اتصالات صلب در قاب می باشد. از دیگر معایب این سیستم می توان به اعوجاج بیش از حد سقف در اثر تغییر شکلهای زیاد تیرهای پیوند اشاره کرد.

در بهسازي لرزه اي سازه ها يكي از روش هاي كاهش نيروي جانبي ناشي از زلزله استفاده از ميراگرها مي باشد. در طي زلزله، انرژي زيادي به سازه اعمال مي گردد. اين انرژي به دو صورت جنبشي و پتانسيل (كرنشي ) بر سازه اعمال مي گردد كه به طريقي جذب يا مستهلك مي گردد. اگر سازه فاقد ميرائي باشد ارتعاش آن پيوسته خواهد بود اما بدليل وجود ميرائي در مصالح، ارتعاش كاهش مي يابد. در سيستم هاي جداسازي لرزه اي، استفاده از سيستمهاي مستهلك كننده انرژي، جايگاه ويژه اي را به خود اختصاص داده اند .افزايش ميرائي با استفاده از روشهاي مختلفي نظير جاري شدن يك فلز نرم، اصطكاك دو فلز بر روي هم، حركت يك پيستون درون يك ماده لزج و يا رفتار ويسكوالاستيك در موادي از جنس شبيه لاستيك امكان پذير مي باشد. در سالهاي اخير تلاشهاي جدي به منظور توسعه مفهوم اتلاف انرژي به عنوان يك تكنولوژي كاربردي جهت مقابله با زلزله صورت گرفته است . اساس روشهاي تحليل و طراحي امروزي بر مقاومت در برابر بارهاي جانبي استوار مي باشد . از ديدگاه انرژي نياز به بازنگري در روشهاي فعلي تحليل و طراحي ضروري مي باشد به نحوي كه مهندس طراح بايستي توجه خود را بر مديريت انرژي ورودي به سازه در اثر زمين لرزه متمركز نمايد.

جهت طراحي سيستم هاي مدرن ، براي يك طرح مقاوم لرزه اي مناسب ابتدا بايد سعي در حداقل نمودن مقدار انرژي هيسترتيك تلف شده در اعضاي اصلي سازه نمود .دو ديدگاه مهم جهت رسيدن به اين هدف وجود دارد. اولين ديدگاه شامل طرح هايي است كه در آن سعي در كاهش انرژي ورودي به سازه داريم كه به عنوان مثال سيستم هاي جداسازي پايه از آن جمله اند. دومين ديدگاه بر روي مكانيزم هاي اتلاف انرژي در خود سازه متمركز است . براي اين منظور از يك سري تجهيزات استفاده مي نماييم . اين تجهيزات به گونه اي طراحي مي شوند كه بخشي از انرژي ورودي به سازه را تلف مي نمايند و در نتيجه خسارت وارده به سازه اصلي كه ناشي از اتلاف انرژي به صورت هيسترتيك مي باشد ، كاهش مي يابد . انواع سيستم هاي مدرن مقاوم در برابر زلزله عبارتند از : 1- سيستم هاي جدا سازي پایه ای 2- سيستمهاي فعال و نيمه فعال 3- سيستمهاي منفعل.

از ميان سيستم هاي منفعل اتلاف انرژي ، ميراگرهاي فلزي به دليل عدم نياز به تكنولوژي پيچيده جهت ساخت ، عملي تر بودن كاربرد آنها در سازه ، رفتار پايدار در برابر زلزله و دخيل نبودن عوامل محيطي در رفتار مكانيكي آنها از اهميت خاصي برخوردارند . اين ميراگرها باعث افزايش ميرايي و سختي در سيستم سازه اي شده و ظرفيت اتلاف انرژي را افزايش مي دهند .افزودن ميراگرهاي فلزي به سازه باعث تمركز اتلاف انرژي در ميراگرها مي شود كه پس از وقوع زلزله مي توان ميراگرها را به راحتي تعويض نمود و جهت مقابله با زلزله هاي بعدي مقاوم نمود. اين قطعات انرژي ورودي به سازه را به انرژي كرنش پلاستيك يا انرژي هيستر