عنوان مقاله : اثرات جداسازی پایه توسط جداگرهای لغزشی ماسه ای در بهبود عملکرد لرزه ای ساختمان های بنایی

اثرات جداسازی پایه توسط جداگرهای لغزشی ماسه ای در بهبود عملکرد لرزه ای ساختمان های بناییپنجمین کنگره ملی مهندسی عمران
14 تا 16 اردیبهشت 1389 ، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران
اثرات جداسازی پایه توسط جدا گرهای لغز شی ماسه ای در بهبود عملکرد لرزه ای
ساختمان های بنایی
 حامد مهداد ، محسن اعتمادی ، مهرداد حجازی
دانشیار مهندسی سازه، گروه عمران، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اصفهان، اصفهان. 
استادیار مهندسی زلزله، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان. 
دانش آموختة کارشناسی ارشد مهندسی سازه، دانشکده عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد. 
m.hejazi@eng.ui.ac.ir
 etemaadi@cc.iut.ac.ir ***h.mehdad@ymail.com
خلاصه
استفاده از جداساز پایة ماسه ای یکی از روش های مقابله با عملکرد غیر شکل پذیر سازه های بنایی در برابر زلزله است. در این مقاله به بررسی رفتار
لرزه ای ساختمان های آجری 1 و 2 طبقه بر روی جداساز پایة ماسه ای با عملکرد اصطکاکی-لغزشی پرداخته شده است. جهت نیل به این هدف از
استفاده گردیده. مدل های مورد بررسی ساختمان هایی با پلان مربعی شکل و ANSYS Workbench آنالیزهای المان محدود توسط نرم افزار
8 متر، و پلان های مستطیلی شکل با نسبت های طول به عرض 2 به 1 و 3 به 1 بوده اند. جهت × دیوارهای نامتقارن، از لحاظ بازشوها، با ابعاد 8
رسیدن به ضخامتی مناسب برای جداساز ماسه ای برای ارتقاء عملکرد لرز های ساختمان ها با کاهش فرکانس های ارتعاشی آن ها (دور کردن
فرکانس های سازه های بنایی آجری از فرکانس های مخرب بسیاری از زلزله ها)، مدل های این سازه ها تحت مجموعه ای از آنالیزهای مودال و
دینامیکیِ طیفی، حاصله از 9 زلزلة طبس 1978 ، ناغان 1977 ، بم 2003 ، السنترو 1940 ، نرتریج 1994 ، کوبه 1995 ، سن فرناندو 1971 ، ویکتوریا
1980 و پارک فیلد 1966 ، قرار گرفته است. بدین منظور با استفاده از خواص ماسة خشک و کم تراکم، دو نوع سیستم جداساز (زیر لایه های صرفاً
ماسه ای و لایه های متناوب ماسه ای و بتنی) مورد بررسی قرار گرفته اند. در ابتدا برای پلان های مربعی ضخامت های مطلوب حاصل شده اند. این
0 متر بوده اند، سپس نتایج حاصله برای دو نوع ساختمان با پلان / 0 متر و برای ساختمان 2 طبقه 25 / ضخامت ها برای ساختمان آجری 1 طبقه 15
های مستطیل شکل نیز تست شده اند که پاسخ تقریباً مشابهی از لحاظ میزان خرابی برای آن ها بدست آمده است. از این رو می توان ضخامت های
مذکور را برای این سازه ها، در شرایط لرزه ای لحاظ شده، مناسب دانست.
کلمات کلیدی: جداساز لرزه ای ماسه ای، عملکرد اصطکاکی- لغزشی، سازه های بنایی، آنالیز المان محدود، آنالیز طیفی.
1. مقدمه
سازه های بنایی به دلیل رفتار غیر شکل پذیر خود توانایی عبور از زلزله های قوی و مخرب با بزرگی بیش از 6 ریشتر را نداشته و بر حسب میزان استفاده
از مصالح مناسب و طرح و اجرای اصولی دچار خسارت کم و یا زیادی می شوند. استفاده از سیستم های جدا ساز پایه به سبک مدرن در سازه های
بنایی، چه جهت بهسازی و چه جهت ساخت مقاوم لرزه ای آن ها، مگر در برخی موارد خاص، مقرون و به صرفه نیست. از این جهت در این پژوهش به
بررسی رفتار سازه های بنایی (با آجر فشاری و ملات ماسه و سیمان) جدا سازی شده با لایه ای از جنس ماسه پرداخته شده که در عین ارزانی و سادگی
[ به راحتی و بدون نیاز به فناوری پیچیده ای توسط افراد آموزش دیده و بومی محل احداث، قابل نصب و اجرا می باشد. [ 1
به دلیل آن که هدف اصلی در این پژوهش بررسی و انتخاب ضخامت لایه ماسه مناسب جهت ساختما نهای بنایی آجری با ارتفاع 1 و 2 طبقه
0 متر در مقابل مد لهای فاقد جداساز / 0 و 55 /45 ،0/35 ،0/25 ،0/ بوده است، مدل های با پلان مربعی بر روی جداساز ماسه ای-بتنی با ضخامت های 15
(پایة ثابت) بررسی شده اند.
پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران
14 تا 16 اردیبهشت 1389 ، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران
2. هندسه مدل های مورد بررسی
8 متر و با دیوارهای بنایی و سقف ها و فونداسیون های گستردة × مد ل های اصلی مورد بررسی قرار گرفته شامل 2 تیپ ساختمان 1 و 2 طبقه با پلان مربعی 8
[ بتنی هستند. فرض بر آن بوده که سازه بنایی غیر مسلح است، ولی کلیة ضوابط و اصول سازه های بنایی غیرمسلح در آن ها رعایت شده است. [ 1
1.2 . مدل های با پلان مربعی
در دستة مدل های 1 طبقه با پلان مربعی، ابعاد و اندازه ها مطابق شکل های 1 و 2 است.
شرایط هندسی در دستة مدل های 2 طبقه عیناً مانند مدل های 1 طبقه بوده؛ با این تفاوت که سازة 2 طبقه در طبقة دوم خود تکرار همان طبقه اول می
[ باشد. [ 1
[ 0 متر است). [ 1 / 8 متر (ضخامت دیوار ها 35 × شکل 1- پلان ساختمان مربعی شکل با ابعاد 8
[ 8 متر. [ 1 × شکل 2- نمای ارتفاعی ساختمان 1 طبقه و مربعی شکل با ابعاد 8
2.2 . مدل های کنترلی
3 متر) استفاده شده است. ×9) ، 4 متر) و 1 به 3 ×8) ، جهت کنترل و تعمیم نتایج نیز از دو ساختمان با پلان مستطیل شکل با نسبت های طول به عرض 1 به 2
ابعاد پلان در این مدل ها در شکل های 3 و 4 قابل مشاهده است؛ همین طور ابعاد ارتفاعی آن ها نیز مطابق مدل های با پلان مربعی (شکل 2) می باشد.
پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران
14 تا 16 اردیبهشت 1389 ، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران
[ 0 متر است). [ 1 / 8 متر (ضخامت دیوار ها 35 × شکل 3- پلان ساختمان مستطیل شکل با ابعاد 4
[ 0 متر است). [ 1 / 9 متر (ضخامت دیوار ها 35 × شکل 4- پلان ساختمان مستطیل شکل با ابعاد 3
3.2 . مدل سیستم جداساز
سیستم جداساز ماسه ای مورد استفاده در این پژوهش برای رسیدن به دو هدف اولیه و یک هدف ثانویه تنظیم گردیده است. اهدف اولیه در این سیستم
یکی قابلیت تغییر شکل (لغزش داخلی دانه های ماسه) و دیگری لغزش بین دانه های ماسه و سطوح بتنی است. جلوگیری از تغییر شکل های نامطلوب
قائم که در اثر کاهش سختی قائم (مدول الاستیسیته پایین) رخ می دهد، هدف ثانویه در تعیین شکل و فُرم این سیستم بوده است. به بیان دیگر معرفی
مدول برشی پایین برای ماسه باعث ایجاد تغییر شکل های برشی در لایة ماسه ای می شود؛ همین طور برای مدل سازی اثرات لغزش بین دانه ای نیاز به
تقسیم لایة جداساز به تعدادی زیر لایه بوده تا در مرز بین لایه ها این لغزش که توام با اصطکاک است، مدل گردد. از طرف دیگر با کاهش مدول برشی
که ارتباط مستقیمی با مدول الاستیسیته دارد، سختی قائم کاهش یافته که بعضاً (در ضخامت های بالای جداساز) عملکرد جداساز را مختل می سازد؛ از
این رو تصمیم به استفاده از زیر لایه های بتنی در بین لایه های ماسه ای گرفته شد تا هم به سبب مدول الاستیسیته بالای بتن، سختی قائم جداساز بالا رود
و هم تعداد سطوح لغزش بین زیر لایه های ماسه ای با سطوح بتنی بیشتر شود. این مطالب به صورت نمونه در شکل 5 برای جداساز ماسه ای با زیر لایه
[ های ماسه ای و بتنی نشان داده شده است. در شکل 6 نیز جداساز ماسه ای با زیر لایه های صرفاً ماسه ای برای نمونه آورده شده است. [ 1
0 متر با زیر لایه های 50 میلیمتریِ ماسه ای-بتنی. در این شکل زیر لایه های ماسه ای و بتنی به طور / شکل 5- جداساز ماسه ای به ضخامت 15
[ متناوب در میان فونداسیون های رویی و زیرین قرار گرفته اند. [ 1
پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران
14 تا 16 اردیبهشت 1389 ، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران
0 متر با زیر لایه های 50 میلیمتریِ صرفاً ماسه ای. در این شکل فونداسیون های رویی و زیرین / شکل 6- جداساز ماسه ای به ضخامت 15
[ جداساز ماسه ای را در بر گرفته اند. [ 1
3. خصوصیات مصالح مورد استفاده در آنالیزها
خصوصیات مکانیکی و دینامیکی مصالح مورد استفاده در جدول 1 ذکر شده است.
.[ 12 و 13 ،11 ،10 ،9 ،8 ،7 ،6 ،5 ،4 ،3 ، جدول 1- خصوصیات مکانیکی و دینامیکی دیوار بنایی [ 2
پارامتر/مصالح آجر و ملات ماسه-سیمان بتن ماسه
1.35 MPa 23 GPa 14 GPa (E) مدول الاسیته
0.5 MPa - - (G) مدل برشی
0.35 0.2 0.17   ضریب پواسون
زاویة اصطکاک داخلی - - ° 35
- - (F'c) مقاومت فشاری 28 روزه نمونة استوانه ای
(f' مقاومت فشاری مشخصه واحد آجر کاری
- - 14 MPa m)
- - 4.62 MPa (Fb) تنش فشاری مجاز
- - 1.6 MPa (Fv) تنش برشی مجاز
1550 kg/m3 2400 kg/m3 1850 (kg/m وزن مخصوص ( 3
10% 5% میرایی % 7
مقادیر درج شده در جدول 1، برای آجر و ملات ماسه سیمان به صورت ترکیبی است. جهت رسیدن به اهداف مطلوب در این پژوهش از ماسه ای
خشک، ریزدانه و با تراکم پائین استفاده شده است؛ در واقع فرض شده است که تراکم پائین ماسه فقط تحت اثر وزن سازه حاصل می شود و نیاز به
[ کوبیدن آن نمی باشد. [ 1
4. نوع آنالیزها
آنالیزهای صورت گرفته بر روی مدل ها شامل دو دسته آنالیز می باشند:
-1 آنالیزهای مودال، که جهت تعیین پاسخ های مودی و پریودهای ارتعاشی سازه و جداساز انجام گردیده است.
-2 آنالیزهای دینامیکی طیفی، که جهت تعیین پاسخ های تنش، شتاب و تغییرمکان در سازه و جداساز صورت گرفته . این دسته آنالیزها تحت طیف
[ 7 ریشتر) مطابق شکل 7 استفاده شده است. [ 1 / 6 تا 5 / متوسط حاصله از 9 زمین لرزة متوسط و شدید دنیا (با بزرگی 1
14 ] و به صورت سه بعدی انجام شده اند. اثر زلزله در هر دو جهت ] ANSYS Workbench (v: کلیة آنالیزها توسط نرم افزار المان محدود ( 11.0
و به طور همزمان به سازه اعمال شده؛ بنابراین مقادیر حاصله در هر دو جهت قابل بررسی می باشد.
پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران
14 تا 16 اردیبهشت 1389 ، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران
[1] .% شکل 7- دیاگرام طیف های شبه شتاب 9 زلزله، طیف میانگین و میانگین+ انحراف معیار برای میرائی 7
5. بررسی و نتایج آنالیزهای مدل ها
8 متر با جداگر ماسه ای و لایه ای میانی بتن × 1.5 . نتایج آنالیز مودال و دینامیکی طیفی بر روی مدل های با پلان مربعی 8
1.1.5 . مدل های 1 طبقه
مطابق نتایج حاصله در جدول 2 و شکل 8 مدل با پایه جدا نشده دچار خسارات شدید شده که تخریب کامل سازه را به همراه دارد؛ در حالی که با
X برشی در جهت ،(Sy) 11 و 12 برای تنش های قائم ،10 ، 0 متری پاسخ لرز های به شدت کاهش م ییابد. این امر در شکل های 9 / افزودن جداساز 15
و حداکثر شتاب طبقات نسبت به زمین قابل برداشت است. جهت اطلاعات بیشتر در این زمینه به مرجع شمارة 1 مراجعه (Sxy) Z برشی در جهت ،(Sxy)
شود.
[ 8 متر. [ 1 × جدول 2- نتایج آنالیز مودال و دینامیکی-طیفی برای ساختمان 1 طبقه به ابعاد 8
0.55 0.45 0.35 0.25 پایه ثابت 0.15 (m) ضخامت جداساز
6 5 4 3 تعداد زیر لایه های ماسه ای - 2
5 4 3 2 تعداد زیر لایه های بتنی - 1
1.18 1 0.84 0.67 0.52 مود اول 0.04
1.17 1 0.84 0.67 0.52 مود دوم 0.03 (s) پریود ارتعاشی سازه
1.12 0.97 0.81 0.65 0.5 مود سوم 0.03
3.7 3.8 4.5 5.4 4.3 24 (Sy) تنش قائم
0.9 1.1 1.27 1.53 1.6 7.7 (Sxy) X تنش برشی در جهت (MPa) تنش در دیوار ها
0.9 1 1.1 1.3 1.7 8.8 (Szy) Z تنش برشی در جهت
0.24 0.3 0.35 0.42 0.75 حداکثر شتاب سازه نسبت به زمین بام 3.4
[ 8 متر) و پایه ثابت. [ 1 × شکل 8- مدل سه بعدی از خرابی ساختمان 1 طبقه با پلان مربعی ( 8
پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران
14 تا 16 اردیبهشت 1389 ، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران
[ 8 متر. [ 1 × در ساختمان 1 طبقه با ابعاد 8 (Sy) شکل 9- دیاگرام مقایسة تنش قائم
[ 8 متر. [ 1 × در ساختمان 1 طبقه با ابعاد 8 (Sxy) شکل 10 - دیاگرام مقایسة تنش برشی
[ 8 متر. [ 1 × در ساختمان 1 طبقه با ابعاد 8 (Szy) شکل 11 - دیاگرام مقایسة تنش برشی
[ 8 متر. [ 1 × شکل 12 - دیاگرام مقایسة حداکثر شتاب طبقات نسبت به زمین در ساختمان 1 طبقه با ابعاد 8
پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران
14 تا 16 اردیبهشت 1389 ، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران
2.1.5 . مدل های 2 طبقه
با افزودن جداساز به سازه ای که به خودی خود تحت زلزلة برآیند دچار تخریب می شود (شکل 13 )، پاسخ های شتاب و تنش مانند مدل 1 طبقه کاهش
،( یافته و با افزایش ضخامت جداساز تغییرات اندکی در آن ها ایجاد می شود. ضخامت مناسب برای جداساز نیز با توجه به شکل خرابی سازه (شکل 14
0/25 متراست. جهت اطلاعات بیشتر در این زمینه به مرجع شمارة 1 مراجعه شود.
[ 8 متر) و پایه ثابت. [ 1 × شکل 13 - مدل سه بعدی از خرابی ساختمان 2 طبقه با پلان مربعی ( 8
[ 0 متری. [ 1 / 8 متر) و پایه جداشده با جداساز 25 × شکل 14 - ساختمان 2 طبقه با پلان مربعی ( 8
8 متر تحت زلزلة برآیند با جداگر ماسه ای × 2.5 . نتایج آنالیز مودال و دینامیکی طیفی بر روی مدل های با پلان مربعی 8
خالص
0 متر برای مدل 2 طبقه بررسی شده اند. مقادیر پاسخ سازه در حالت / 0 متر برای مدل 1 طبقه و ضخامت 25 / در این مجموعه مد لها نیز تنها ضخامت 15
جداساز ماسه ای تنها با اختلاف جزئی مطابق جداساز ماسه ای -بتنی است. بنابراین می توان برداشت نمود که رفتار لرز های ساختمان های 1 و 2 طبقه در
هر دو حالت (جداساز ماسه ای-بتنی و صرفاً ماسه ای) تقریباً مطابق با همدیگر است و وجود سختی جانبی و قائم لایه های بتنی هیچگونه اثری بر روی
عملکرد لرزه ای جداساز ماسه ای نداشته و همان طور که در قبل نیز بیان گردید، مزیت وجود این لایه ها تنها جهت افزایش سختی قائم و کاهش تغییر
شکل های قائم جداساز است. جهت اطلاع از وضعیت خرابی ها و مقایسه آنها به مرجع شمارة 1 مراجعه شود.
3 متر با جداگر ماسه ای و لایه های × 4 و 9 × 3.5 . نتایج آنالیز مودال و دینامیکی طیفی بر روی مدل های با پلان مستطیلی 8
میانی بتنی
0 متر / 0 متر جداساز) و مدل ساختمان 2 طبقه این مجموعه (ضخامت 25 / با مقایسة نتایج حاصله در مدل ساختمان 1 طبقه این مجموعه (ضخامت 15
8 متر)، مشاهده م یشود که میزان خسارات تقریباً یکسان است؛ × جداساز) با نتایج حاصله برای مدل های 1 و 2 طبقه در ساختمان با پلان مربعی ( 8
بنابراین در این دسته مد لها نیز ضخامت های جداساز می تواند مشابه به آنچه برای ساختمان با پلان مربعی حاصل شده باشد. جهت اطلاع از وضعیت
خرابی ها و مقایسه آن ها به مرجع شمارة 1 مراجعه شود.
پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران
14 تا 16 اردیبهشت 1389 ، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران
6. نتیجه گیری
[ نتایج حاصله از این پژوهش را می توان به طور مختصر و به صورت ذیل برشمرد: [ 1
-1 نتایج حاصله برای جداساز ماسه ای با عملکرد اصطکاکی-لغزشی (با زیر لای ههایی از ماسه و دال بتنی) از لحاظ پاسخ لرزه ای تفاوتی با جداساز
ماسه ای با زیر لایه های صرفاً ماسه ای ندارد.
-2 ابعاد پلان بر روی نتایج نهایی بی تأثیر است.
0 متر / 0 متر ولی برای ساختمان 2 طبقه ضخامت 25 / -3 ارتفاع سازه بر روی نتایج نهایی مؤثر بوده؛ به طوری که برای ساختمان 1 طبقه، ضخامت 15
برای جداساز حاصل شده است.
-4 ساختمان های جداسازی شده با کاهش در تعداد نوسانات ناشی از زلزله روبرو می شوند؛ در واقع سازه های سخت که دارای فرکانس ارتعاشی بالا
هستند دیگر به تعداد نوسان های زمین، نوسان نخواهند داشت؛ این برای سازه های بنایی که فاقد شکل پذیری و توان استهلاک انرژی زلزله هستند،
بسیار مفید است. البته این امر تغییر شکل های سازه را در تراز جداساز بیشتر می کند؛ ولی با وجود یک جداساز گسترده اصطکاکی این تغییر شکل ها با
میرایی اصطکاکی (میرایی کولمب) باعث اتلاف انرژی زلزله می شوند.
7. مراجع
١. مهداد، ح، اثرات جداسازی پایه توسط جدا گرهای لغزشی ماسه ای در بهبود عملکرد لرزه ای ساختمان های بنایی، پایان نامه کارشناسی ارشد
. مهندسی عمران-سازه، شهریور 1388
. ٢. ناطقی الهی، ف، معتمدی، م ، طراحی واجرای ساختمان های بنایی مقاوم در برابر زمین لرزه، چاپ دوم، انتشارات نو پردازان، تابستان 1385
. ٣. مقدم ، ح، طرح لرزه ای ساختمان های آجری، چاپ چهارم، انتشارات دانشگاه صنعتی شریف، 1385
٤. مبحث هشتم از مقررات ملی ساختمانی ایران، طرح و اجرای ساختمان های با مصالح بنایی، چاپ اول، انتشارات دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی
. ساختمان، 1384
. ٥. آیین نامه طراحی ساختمان های آجری مسلح و نامسلح (نشریة ض- 449 )، انتشارات مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، چاپ اول، 1387
. ٦. طاحونی، ش، طراحی سازه های بتن مسطح، جلد دوم، چاپ چهارم، انتشارات پارس آئین، تابستان 1379
. ٧. مبحث ششم از مقررات ملی ساختمان ایران، بارهای وارد بر ساختمان، چاپ اول، انتشارات دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی ساختمان، 1385
8. ACI 318-02, American Concrete Institute, International Committee 318, 2002.
. ٩. طاحونی، ش، دینامیک سازه ها و تعیین نیروهای زلزله (نظریه و کاربرد)-آنیل چوپرا، چاپ چهارم، انتشارات علم و ادب، پائیز 1385
. ١٠ . میر حسینی، م، دینامیک خاک، چاپ اول، موسسه بین المللی زلزله شناسی ومهندسی زلزله، زمستان 1372
١١ . صالح زاده، ح، اصول مهندسی خاک-مکانیک خاک (برا. جام. داس)، جلد اول، ویرایش دوم، چاپ پنجم، انتشارات دانشگاه علم وصنعت،
.1380
. ١٢ . طاحونی، ش، اصول مهندسی ژئو تکنیک-مهندسی پی(برا. جام. داس)، جلد دوم، چاپ هفتم، انتشارات پارس آئین، بهار 1382
. ١٣ . نائینی، ا، دینامیک خاک (برا. جام. داس)، چاپ اول، انتشارات دانشگاه بین المللی امام خمینی ، بهار 1375
14. ANSYS and ANSYS Workbench User Manual, Revision 11.0.