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 نحوه­ی 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 زمینه­های مهم در مهندسی زلزله بوده است. دلایل این امر عبارتند از روزآمد

 کردن آیین­نامه­های 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 مکانیزم­های مختلف خرابی و شکست، یکی از ابزار عمده برای روزآمد کردن آیین­نامه­های 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 می­شود 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 آیین­نامه­ها 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) می­شود. در مورد زلزله آنچه که باعث حرکت سازه می­شود تکان­های زمین بوده و هیچ نیروی خارجی به سازه وارد نمی­شود. 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 می­شود 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 می­شود که ابتدا ستون­ها و سپس سقف­ها دچار این جابجایی می­شوند.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
شکل 1-1: نحوه انتقال انرژی زلزله به سازه [22]
 
حال با توجه به این که زلزله­ها همواره در هنگام وقوع، به دنبال نقاط ضعف ساختمان هستند و اثر آنها بر روی این قسمت­ها می­تواند مشکل ساز شود، باید این نقاط ضعیف که معمولاً در اثر تغییرات سریع در سختی، مقاومت و یا شکل­پذیری به وجود می­آیند به طور کامل شناسایی شوند. آنچه که در این پایان­نامه به بررسی اثر آن پرداخته شده است تغییرات سریع در سختی یک طبقه است. مطابق تعریف ویرایش چهارم آیین­نامه 2800 منظور از سختی طبقه جمع سختی جانبی اعضای قائم باربر جانبی است. برای محاسبه این سختی­ها می­توان تغییر مکان جانبی واحدی را در سقف طبقه مورد نظر وارد کرد در حالتی که کلیه طبقات زیرین بدون حرکت باقی بمانند. اگر پس از جابجایی پی به اندازه Δ درستون­های یک طبقه، سختی طبقات دیگر آن قدر زیاد باشد که ستون­ها نتوانند سقف­های بالا و پایین را با خود همراه سازند، آنگاه در ابتدا و انتهای محل اتصال ستون­ها به طبقه یا طبقه­های سخت در اثر جابجایی­های رفت و برگشتی ناشی از زلزله، مفصل پلاستیک ایجاد شده و به علت ایجاد لنگرهای خمشی بزرگ در این مفاصل، طبقه یا دچار تغییر شکل ماندگار و یا دچار ریزش می­شود که در بعضی مواقع ریزش طبقه منجر به پیچش سازه و ریزش کامل سازه نیز می­شود.
 
شکل 1-2: ایجاد تغییر مکان جانبی ماندگار 6 درجه­ای در اثر پدیده نرم.[6]
شکل 1-3: نمونه­ای از خرابی ناشی از پدیده طبقه نرم در ژاپن. [4]
 
شناخت و درك رفتار سازه­های مختلف تحت اثر بارگذاری­های
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

توانایی سرویس دهی و افزایش ظرفیت باربری مصالح سازه­ای از دیر باز به عنوان یک مسئله­ی 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 می­کنند؛ 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 می­کند.
آرماتور­های فولادی, بتن را تحت کشش مسلح می­کنند؛ 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، توسعه­ی 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 می­کند ]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 می­دهند [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 می­شود.

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 ­وسیله­ی الیاف تقویت می­شود.
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 می­کند.
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 می­شود. در این شرایط استفاده از الیاف باعث جلوگیری از گسترش ترک­ها و اتصال آنها به یکدیگر می­شود.
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 می­شود. 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 کننده­ی 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 می­شود (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 می­شود [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 کرده­اند. بتن مسلح شده با الیاف فولادی می­تواند به­طور 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 می­کنند [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)

از جمله­ی موارد استفاده از الیاف فولادی عبارتند از: روکش جاده ها، شمع­ها, پی ماشین آلات, پوشش تونل­ها و سازه­های دریایی [11].
شکل ‏1‑2– استفاده از بتن مسلح به الیاف فولادی در ساخت تونل CTRL در شهر لندن [12]

1-3-3-      الیاف آرامید

آرامید نوعی الیاف مصنوعی از مواد پلیمری است که دارای مدول الاستیسیته­ی بالا است. استفاده از الیاف آرامید به سال 1970 بر­می­گردد. این الیاف اولین بار توسط دوپنت در کشور آلمان با نام کولار ساخته شد [13].
الیاف آرامید تركیب آلی حلقوی از كربن, هیدروژن، اكسیژن و نیتروژن می­باشد. دانسیته­ی کم و مقاومت کششی بالای این الیاف, موجب تشکیل یک ساختار مقاوم در مقابل ضربه می­شود. مدول کششی و استحکام این الیاف با الیاف شیشه قابل مقایسه است. اما به طور معمول دانسیته­ی الیاف آرامید در حدود نصف دانسیته­ی الیاف شیشه می­باشد. بنابراین می­توان از این الیاف به عنوان جایگزین مناسبی برای الیاف شیشه­ای که وزن پایین­تری برای آن مد نظر است, استفاده کرد [14].

1-3-4-      الیاف کربن

الیاف کربن از جمله­ی الیاف مصنوعی است که از سال 1959 به صورت صنعتی تولید شد. از آن زمان تا به امروز, این الیاف در زمینه­­های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. این الیاف به دلیل وزن مخصوص کم, مقاومت بالا در محیط­های قلیایی, مقاومت حرارتی بالا و …., به عنوان یکی از اجزای مهم در تولید مواد کامپوزیت در صنعت هوا فضا, مورد استفاده قرار می­گیرد [15].

1-3-5-      الیاف شیشه

الیاف شیشه به عنوان مشهورترین تقویت کننده­ی مورد استفاده در بتن شناخته می­شود. كاربرد این الیاف از سال 1950 در شوروی و انگلستان به‌طور همزمان آغاز شد [16]. به دلیل مقاومت کششی بالا, وزن مخصوص کم, جذب آب پایین, مدول الاستیسیته و وزن بالا, این الیاف از پتانسیل بالایی برای استفاده در بتن برخوردار است. با توجه به کاربرد­های مختلف الیاف شیشه, این الیاف را به 4 دسته­ی A-GLASS, E-GLASS, S-GLASS و AR-GLASS تقسیم می­کنند [17].
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

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 می­شود 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 می­تواند 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 هزینه­های فراوانی صرف ساخت و نگهداری آن­ها می­شود. 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 می­شود. 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 می­شود[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 منطقه­ی لرزه ­خیز، وقوع زلزله­های متعدد می­تواند سبب بروز آسیب­های شدید در انواع مختلف سازه­ها شود. علاوه بر این ترافیک روزانه و افزایش آن می­تواند 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 می­تواند 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 می­شود [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، می­تواند سبب مقاومت سازه در برابر فروپاشی پیش­رونده در مواجهه عوامل غیرعادی شود. در مقابل، افزایش شکل­پذیری، می­تواند 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 شده­اند[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 پایه­های کناری بوده و در نتیجه آن، فروپاشی پیش­رونده رخ داده است[7].

• فروپاشی پیش رونده پل جیاندونگ جینگ جیانگ [7]

نمونه­ای 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]

• ضرورت تحقیق

تامین امنیت جانی انسان­ها و وسایل نقلیه­ی عبوری از روی پل­ها و همچنین حفظ سلامت سازه­ی پل و همچنین جلوگیری از بروز حوادث احتمالی همچون نشست در اثر وزن سازه، ایجاد ترک در سازها و یا فروپاشی قسمتی از سازه به علت پوسیدگی، فرسودگی، خوردگی، خطای ساخت، برخورد وسایل عبوری رو یا زیر پل و یا برخورد با پایه­ی پل، انفجار و یا حملات تروریستی و موارد مشابه، به یکی از مسائل حائز اهمیت در زمینه ساخت و نگهداری پل­ها، که شامل پل­های خرپایی و یا کابلی معلق تبدیل شده است. راهکارهای مختلفی برای حل اینگونه مشکلات توسط محققیق ارائه شده است. اما یکی از مسائل مهم در زمینه­ پل­های خرپائی، حذف ناگهانی یک یا چند عضو از اعضای پل در اثر یک عامل خارجی می­باشد که سبب فروپاشی بخشی از پل شده و یا گاهی به صورت پدیده­ی فروپاشی پیش­رونده ظاهر گشته و منجر به فروریزش کل پل می­گردد. امروزه آیین­نامه­ها و به خصوص، آیین­نامه­ی طراحی پل­ها و سازه­های معلق در برابر فروپاشی پیش­رونده در سراسر دنیا با ارائه راهکارهای ویژه طراحی، در جهت کاهش احتمال فروپاشی پیش­رونده، این ضعف­ها را تا حدودی پوشش داده­اند. با این وجود، همواره طراحی با ضرایب اطمینان بالا مقرون به صرفه نمی­باشد. لذا در این پایان­نامه تلاش شده است که به ارائه­ی روشی کاربردی در جهت شناخت اعضای بحرانی و تقویت آن­ها به منظور کاهش احتمال فروپاشی پیش­رونده­ی پل پرداخته شود.
[1] Progressive Collapse
[2] Minnesota
[3] Guangdong Jiujiang
[4] Biahua
[5] Wenchuan
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

تأمین عملکرد مناسب سازه در هنگام زلزله از مهمترین اهداف در طراحی ساختمان­های مقاوم در برابر زلزله می­باشد. بر این اساس در آئین­نامه­های طراحی سازه­ها به معیارهای مقاومت، سختی و شکل­پذیری توجه ویژه­ای گردیده و ضوابط طراحی با در نظر گیری این پارامترها عنوان شده است. با توجه به اهمیت قابلیت شکل­پذیری سازه در استهلاک انرژی زلزله جذب شده، در آئین­نامه­های موجود طراحی ساختمان­ها در برابر زلزله، موضوع شکل­پذیری سازه بسیار مورد توجه است به طوری­ که در آئین­نامه­های طراحی لرزه­ای بر اساس نیروی کاهش یافته، با فرض وجود چنین قابلیتی در سازه، در هنگام تعیین مقدار نیروی زلزله طراحی به منظور تأمین مقاومت سازه، به طراح

 اجازه داده میشود مقدار نیروی وارده در اثر زلزله در حالت الاستیک سازه، با اعمال یک ضریب ® کاهش داده شود و طراحی لرزه­ای سازه با نیرویی کمتر از نیروی واقعی زلزله انجام­گیرد. در حالیکه در نسل جدید آئین­نامه­های طراحی و بهسازی لرزه­ای، این قابلیت در سطح اعضاء مورد توجه قرار میگیرد. در این فرآیند تلاش میشود مقاومت­های مورد نیاز سازه در قبال نیرو­های واقعی زلزله برآورد گردد. آنگاه با توجه به رفتار واقعی اعضاء تحت اثر نیروهای وارده و با در نظر گیری کلیه پارامترهای اثرگذار، از جمله مصالح و هندسه، شکل پذیری متناظر با هر تلاش در هر المان برآورد گردیده و بر این اساس وضعیت سازه در مواجهه با زلزله بررسی میگردد.

با توجه به اهمیت ضریب کاهش نیرو در اثر شکل­پذیری، در تعیین نیروی زلزله در روش طراحی لرزه­ای بر اساس نیروی کاهش­یافته و از طریق دیگر ضریب شکل­پذیری عضو (m) به عنوان معیار سنجش و ارزیابی وضعیت اعضاء در روش طراحی بر اساس عملکرد، در این فصل از پایان­نامه در ابتدا به نحوه نگرش دو شیوه طراحی لرزه ای در استفاده از قابلیت شکل پذیری سازه و مقایسه این دو روش پرداخته، سپس مفاهیم شکل­پذیری مورد بررسی قرار گرفته و در نهایت به بررسی و مرور یافته­های محققین در زمینه تعیین شکل­پذیری سازه و ارزیابی­های صورت گرفته در این زمینه پرداخته شده است.
 
 
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

زلـزله 17 ژانویه سال 1994 نورثـریج که در20 مایلی شمال غرب لس آنجلس اتفاق افتاد، اولین زلزله­ای بود که به تعداد زیادی از ساختمان های مقاوم خمشی در محل حادثه آسیب سازه­ای رساند. اگر چه شدت زلزله 8/6 در مقیاس ریشتر بود، که بر اساس مقدار انرژی رها شده، یک زلزله متوسط در نظر گرفته می­شد، تعداد زیادی از اتصالات تیر به ستون ساختمان های مقاوم خمشی، در آن زلزله به شدت آسیب دیدند. این اتصالات در آیین نامه Uniform Building Code) UBC) مورد تأیید قرار گرفته بودند و تصور می شد که ظرفیت کافی دارند تا تیر در خمش، به حد تسلیم برسد و یا ناحیه چشمه اتصال ستون دچار تسلیم برشی گردد. اما بر خلاف انتظار، اکثریت اتصالات، به دلایل مختلفی که ذکر خواهد شد، بصورت ترد گسیخته شدند و در موارد کمی، رفتار آنها شکل پذیر بود. یکسال بعد از زمین لرزه نورثریج، درست در 17 ژانویه 1995 زلزله ای به بزرگی 9/6 در مقیاس ریشتر، شهر کوبه در ژاپن را لرزاند که در این زلزله نیز بسیاری از اتصالات قاب­های خمشی آسیب دیدند و حتی بعضی از ساختمان­ها با قاب خمشی فرو ریختند. کشف آسیب­های جدی در ساختمان های فولادی، با قاب­های خمشی جوشی در زلزله­های دیگر نیز تأییدی بر آسیب­های اتفاق افتاده در قاب­های خمشی نورثریج بود و این نشان دهنده این مطلب بود که آسیب ها فقط به خصوصیات لرزه ای در زلزله نورثریج مربوط نمی شود و نقص، از خود اتصالات آسیب دیده می

 باشد.

زلزله نورثریج, به دلیل تحولاتی که در روند طراحی و ساخت اتصالات گیردار جوشی در سازه های فولادی ایجاد کرد, نقطه عطفی در تاریخ طراحی و اجرای این نوع سازه ها محسوب می شود. بدنبال زلزله نورثریج, تعدادی از ساختمان­های فولادی جوشی با سیستم قاب خمشی(WSMF), در ناحیه اتصالات تیر به ستون دچار شکست شدند. خرابی دور از انتظار بسیاری از ساختمان­های با سیستم‌ مقاومت جانبی قاب خمشی در این زلزله، نوع نگاه به اتصالات این قاب‌ها را دچار دگرگونی كرد. به همین دلیل مهندسان با مشاهده شكست های غیر منتظره گسترده در جوش‌ها و فلز پایه در اتصالات متعارف قاب‌های مقاوم خمشی، بر آن شدند تا اتصالاتی با شكل‌پذیری بیشتر و جزئیات اصلاح شده، معرفی كنند. یكی از بخش‌های مهم اتصالات تیر به ستون در قابهای خمشی، ناحیه چشمه اتصال می‌باشد كه سختی و مقاومت آن در رفتار و شكل‌پذیری قاب تاثیر بسزایی دارد. بخصوص رفتار چشمه اتصال در قاب‌های خمشی ویژه، كه شكل‌پذیری بالایی از این نوع قاب انتظار می‌رود، نقش بسیار مهمی را ایفا می‌كند. این موضوع، ضرورت بررسی شكل ‌پذیری، رفتار و عملكرد لرزه‌ای قاب‌های خمشی فولادی، با منظور نمودن اثر چشمه اتصال در آن‌ها، توسط روش نوین طراحی بر مبنای عملكرد (كه بر پایه تحلیل‌های غیرخطی استوار است) را مشخص می‌كند[[i]].
در طراحی ساختمانها در مناطق لرزه خیز باید به گونه ای عمل کرد که:
الف) ایجاد سختی و مقاومت کافی در سازه جهت کنترل تغییر مکان جانبی تا از تخریب اعضاء سازه ای و غیر سازه ای تحت زلزله متوسط یا کوچک جلوگیری بعمل آید.
ب) ایجاد شکل پذیری و قدرت جذب انرژی مناسب در سازه به خاطر ممانعت از فروریختگی سازه در یک زلزله شدید.
منظور از شکل پذیری، قابلیت استهلاک انرژی توسط رفتار غیرالاستیک کل سازه، یا اعضای آن، تحت اثر تغییرشکل های رفت و برگشتی، بدون کاهش قابل ملاحظه ای در مقاومت آنها می باشد. شکل پذیر بودن یک خاصیت اساسی برای سازه های مقاوم در برابر زلزله می باشد. شکل پذیری مناسب در ناحیه غیر ارتجاعی اعضاء قاب، نیروهای وارده از زلزله را به نحو موثری مستهلک کرده و اعضاء می توانند قبل از فرو ریختن، تغییر شکل ارتجاعی یا خمیری قابل ملاحظه­ای را تحمل کنند. با توجه به اینکه رفتار ساختمان در مقابل زلزله همواره به صورت ارتجاعی باقی نمی ماند، در بعضی از اجزاء ساختمان تغییر شکل های خمیری بوجود می آید که خود باعث جذب انرژی زلزله می گردد. از آنجائیکه عمده این اتلاف انرژی، در مفاصل پلاستیک رخ داده و در عناصر سازه ای (تیر و ستون و …) با هندسه ثابت، مفاصل پلاستیک، در نقاط خاصی از سازه اتفاق می افتد، لذا درصورتی که بتوان، با تمهیداتی استهلاک انرژی را به نقاط بیشتر یا به طولهائی بیشتر از اعضاء سازه سوق داد، در اینصورت می توان گفت، از ظرفیت بیشتری از عضو در این امر بهره برداری شده است. ضمناً با مشارکت بیشتر بافت عضو سازه ای، در بحث استهلاک انرژی(تحت اثر نیروهای وارده)، می­توان در شرائط برابر(مصالح مصرفی) منحنی­های هیسترزیس با سطح زیر منحنی بیشتری را نسبت به اعضاء سازه ای با هندسه ثابت ایجاد نمود.
مبنای کار در طراحی اتصالاتی که با ایده بهبود عملکرد در رفتار اتصالات طرح می شوند این است که: اولاً ظرفیت باربری براساس ممان پلاستیک تیر مشخص شوند، ثانیاً اتصال باید آنقدر مقاوم باشد تا بتواند بدون تحمل شکست به حداکثر مقاومت خود برسد. ثالثاً ظرفیت شکل پذیری نیز باید به اندازه کافی تأمین شود، تا نقاطی از سازه که تحت تغییر شکل های پلاستیک بزرگ قرار می گیرند، قادر به اتلاف انرژی باشند.
فلسفه طراحی اتصالات نیز به گونه ای در نظر گرفته می شود که مفصل پلاستیک را از بر ستون دور کرده و به داخل تیر منتقل کند تا پایداری جانبی سازه در صورت تسلیم مقاطع، حفظ شود. بدین ترتیب اتصال در بر ستون به صورت الاستیک رفتار می نماید و مفصل پلاستیک در تیر و در ناحیه ای دور از اتصال اتفاق می افتد و اتصال را از ترد شکنی مصون نگه می دارد.
تمام اتصالات که باعث تشکیل مفصل پلاستیک در ناحیه ای دور از چشمه اتصال می شود را می توان به دو دسته تقسیم کرد:

• اتصالات تقویت شده (Reinforced Connection)
• اتصالات با تیر تضعیف شده (RBS)

اتصالات تقویت شده شامل اتصالات دارای سخت کننده، اتصالات دارای صفحات پوششی، اتصالات دارای نشیمن، اتصالات دارای ورق برشی و غیره هستند، که توسط تقویتی ها موجب ایجاد مقاومت اضافی در ناحیه اتصال می شوند. اتصال با تیر ضعیف شده، با برش قسمتی از بال های تیر(یا بخشی از جان)، در فاصله ای مشخص از بَر ستون ایجاد می شود. اتصالات تقویت شده با تقویت ناحیه اتصال، اتصال را از تیر مقاوم تر می کند، ولی در اتصال RBS عمل تقویت اتصال، با ضعیف تر کردن تیر نسبت به اتصال صورت می پذیرد.
محوریت مهم دیگر در بهبود عملکرد اتصالات در سازه های فولادی پس از زلزله نورثریج, در راستای اصلاح اتصال در برابر توزیع تنش برشی عمودی در بال تیر قرار گرفت. تا معضلات اشاره شده, به علت وجود این تنش برشی حذف شود[[ii]].

1-2-      قاب های مقاوم خمشی فولادی (SMRF)

قاب خمشی، مجموعه ای از تیرها و ستون ها که دارای اتصالات ممان گیر(صلب)، می باشند که نیروهای جانبی توسط خمش و برش در تیرها و ستون ها تحمل می شود. قاب مقاوم خمشی فولادی، سیستمی می باشد که اتصالات بین تیر و ستون آن به گونه ای طراحی می شوند که انرژی زیادی تلف نمایند و کمک اساسی به شکل پذیری سیستم کنند. از مزایای این سیستم می توان به تطبیق پذیری با شرایط معماری و شکل پذیری زیاد و ایمنی، و در بحث معایب، از سختی الاستیک کم آن گفت.
[[i]] صفائی کوچکسرائی، ساسان؛ (1388)؛ ” بررسی رفتار قاب های خمشی توأم با مهاربندی واگرا دارای اتصالات تیر با جان شكاف دار “، پایان نامه كارشناسی ارشد مهندسی سازه، دانشگاه شمال.
[[ii]] شعبان زاده، احسان؛ (1385)؛ ” بررسی رفتار اتصالات گیردار تیرهای با جان شکافته به روش اجزاء محدود “، پایان نامه كارشناسی ارشد مهندسی سازه، دانشگاه مازندران.
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)