1- سیستم قاب‌های خمشی 2- سیستم قاب‌های مهار بندی شده
3- دیوارهای برشی فولادی 4- سیستم مقاوم همراه با خرپاهای متناوب
5- سیستم بازویی با تیر پیش‌آمده وخرپای کمربندی 6- 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 ای
تعداد طبقات
قاب خمشی
تاحدود 30 طبقه
قاب مهار بندی شده
تاحدود 30 طبقه
سیستم خرپایی متناوب
تاحدود 40 طبقه
قاب مهار بندی شده واگرا
تاحدود 40 طبقه
ترکیب سیستم قاب خمشی و قاب مهاربندی شده
تاحدود 55 طبقه
سیستم تیر پیش آمده و دارای کمربند
تاحدود 70 طبقه
سیستم لوله ای قاب شده
تاحدود 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.
2-6- بررسی پدیده اندرکنش خاک و سازه
2-6-1- مقدمه
هنگامی که صحبت از خرابی زلزله می‌شود نمی توان نقش خاك را نا دیده گرفت، برای اولین بار پروفسور wood(1908) پس از زلزله مخرب سانفرانسیسکو(1906) نتیجه مطالعات خود را اینگونه بیان کرد: “تحقیقات نشان می‌دهد که خسارت وارد بر ساختمانها در 18 آوریل، در نقاط مختلف منطقه، ارتباط عمیقی با مشخصات خاك محل دارد”. در رکوردهایی که در زلزله 1957 سانفرانسیسکو ثبت گردید این صحبت wood مورد تأیید قرار گرفت. مدتها حذف اثرات اندرکنش خاك و سازه از نگاه مهندسان در جهت اطمینان بیان می‌شد ولی با افزایش مقیاس پروژه‌ها و افزایش قیمت آن به دلیل ضرایب اطمینان از یک رو و مطالعات دقیق تر و رد فرضیه فوق از طرف دیگر، مطالعات اندرکنش از اهمیت بیشتري در علم مهندسی زلزله برخوردار شد. از دهه‌ي 1970 تاکنون گام هاي زیادي جهت حل دقیق مسئله اندرکنش خاك و سازه برداشته شده است و اهمیت این موضوع بر همگان مشخص گردیده است. امروزه تاثیر اندرکنش خاك و سازه در آیین نامه هاي کشورهاي مختلف دیده می‌شود. در ادامه به بررسی مساله اندرکنش خاك و سازه و تاثیر آن بر روي پارامترهاي سازه پرداخته می‌شود.
2-6-2- تعریف اندرکنش
در تحلیل‌‌های متداول دینامیکی یک سازه، روش معمول به این صورت است که حرکت میدان آزاد زمین در محل ساختگاه تعیین می‌شود سپس حرکت بدست آمده به پای سازه، زمانی که به صورت صلب نظر گرفته شده است واز انعطاف پذیری خاک زیر سازه صرفنظر شده است، اعمال می‌گردد. این مورد در حالتی صحیح است که ساختمان بر سنگ بنا شده باشد. درحالت قرار گرفتن سازه بر خاک نرم، وضعیت کاملا متفاوت است در این حالت، در هنگام وقوع زلزله، رفتار غیر خطی خاک زیرین و وقوع پدیده اندرکنش خاک و سازه، در پاسخ سازه ای به صورتی نتیجه می‌دهد که می‌تواند کاملا متفاوت از پاسخ یک سازه با پای صلب قرار گرفته تحت اثر حرکت میدان آزاد زمین باشد.
در بیان دیگر هنگامیکه یک موج از یک منبع به داخل محیط خاك تابیده می‌شود بسته به نوع محیط تغییر ماهیت داده که دو نکته مهم در اصلاح این موج باید مد نظر قرار گیرد اول آنکه حرکت میدان آزاد در محل مورد نظر در غیاب سازه شدیدا تحت تأثیر قرار گرفته و تغییر می‌کند و دوم آنکه وجود سازه روي خاك باعث می‌شود که سیستم دینامیکی مورد نظر دیگر سیستمی با پایه صلب نباشد و سازه مورد نظر با خاك اطراف خود یک رفتار اندرکنشی نشان دهد که این باعث می‌گردد که حرکت اعمال شده به پایه این سازه تحت تأثیر قرار بگیرد.
این حرکت ممکن است شامل مولفه هایی به جز مولفه هاي انتقالی باشد، اندرکنش خاك و سازه ممکن است به ایجاد حرکت هاي گهواره اي7 و پیچشی8 که به واسطه انعطاف پذیري محیط زیر پی بسیار محتمل است منجر شود. اندرکنش دینامیکی از دو مکانیزم اندرکنش بین سازه، پی و خاك به شرح زیر ناشی می‌شود]30[ :
الف – اندرکنش اینرسی: این نوع اندرکنش که از نیروهاي اینرسی سازه ناشی می‌شود به این روال می‌باشد که پس از اینکه نیروي ناشی از زلزله به سازه اعمال شد، نیروهاي اینرسی سازه منجر به تولید لنگرهاي خمشی و نیروهاي برشی در تراز پایه سازه می‌شوند که این خود سبب تغییر مکان پی سازه نسبت به سطح آزاد می‌گردد.
ب – اندرکنش سینماتیکی: تفاوت میان سختی پی و خاك زیر آن باعث می‌شود که پی نسبت به سطح آزاد تغییر مکان پیداکرده و با حالتی که پی بر روي سنگ بستر است تفاوت داشته باشد، مسبب این تغییر مکانها عبارتند از قیود سینماتیکی مربوط به حرکت جسم صلب پی، مدفون بودن و اختلاف سطح آزاد با سطح پی و میزان تفرق امواج لرزه اي از اطراف پی. وجود پی سخت روی خاک باعث تغییر حرکات پی نسبت به سطح آزاد می‌شود. سه عامل می‌تواند سبب تغییر این حرکات باشد. عامل اول قیود سینماتیکی مربوط به حرکت جسم صلب پی است که در آن تمام نقاط سطح تماس پی- خاک حرکات یکسانی را تجربه می‌کنند. عامل دوم به مدفون بودن پی مربوط می‌شود طوری که با افزایش عمق مدفون بودن، حرکات لرزه‌ای زمین کاهش پیدا می‌کند. عامل سوم نیز به تفرق امواج لرزه‌ای از گوشه‌ها و ناهمواری‌های پی مربوط می‌شود. اثرات سینماتیکی با توابع انتقال وابسته به فرکانس بیان می‌شود که حرکات سطح آزاد را به حرکات پی مربوط می‌کند.
توابع امپدانس و انتقال اغلب بر حسب توابع مختلف بیان می‌شوند. قسمت موهومی توابع امپدانس بیانگر میرایی هیسترزیس خاک به علاوه میرایی تشعشعی امواج لرزه ای منتشره از پی به داخل خاک نیمه بینهایت است. این توابع به مشخصات سختی و میرایی خاک بستگی دارند. در صورتی که خاک صلب فرض شود، دامنه‌ی تابع انتقال حرکت افقی پی برابر واحد و فاز آن برابر صفر خواهد بود (حرکات پی و سطح آزاد یکسان اند). در این حالت قسمت حقیقی تابع امپدانس بینهایت و قسمت موهومی آن برابر صفر بوده و اثرات اندرکنش اینرسی نیز صرف نظر می‌شود ]34[.
شکل (2- 3)- مدل ساده شده‌ی اندرکنش خاک – سازه ]35[
اگر اثرات اندرکنش سینماتیکی صرفنظر شود، سیستم ساده شده برای تحلیل اثرات اندرکنش اینرسی مطابق شکل (2- 3) خواهد بود. این سیستم شامل یک سازه‌ی تک در جه به ارتفاع h، جرم m، سختی k و میرایی c که روی پایه‌ی نرم با سختی افقی (“k” _”u” ) ̅ و سختی پیچشی (“k” _” ” ) ̅_”θ” قرار گرفته‌است. توابع امپدانس پی‌های صلب متکی بر نیم فضای ویسکوالاستیک در حالت کلی به شکل زیر است]35[:
(2-1) “k” ̅_”j” “=” “k” _”j” (“a” _”0″ ” , v” )”+iω” “c” _”j” (“a” _”0″ ” , v” )
در معادله‌ی فوق j بیانگر مد حرکت افقی (“u” _”f” ) یا چرخشی (θ) پی، ω فرکانس زاویه‌ای، “a” _”0″ فرکانس بدون بعد (“a” _”0″ “=” “ωr” ⁄”V” _”s” )، مقادیر سختی و میرایی واقعی فنرهای افقی و پیچشی پی صلب متکی به نیم‌فضا از معادلات زیر محاسبه می‌شوند]35[:
(2-2) “k” _”u” “=” “α” _”u” “k” _”u” ” , ” “c” _”u” “=” “β” _”u” (“k” _”u” “r” _”u” )/”V” _”s”
(2-3) “k” _”θ” “=” “α” _”θ” “k” _”θ” ” , ” “c” _”θ” “=” “β” _”θ” (“K” _”θ” “r” _”θ” )/”V” _”s”
در معادلات فوق “β” _”θ” ” , ” “α” _”θ” ” , ” “β” _”u” ” , ” “α” _”u” ضرایب بدون بعد سختی و میرایی‌اند که وابسته به فرکانس هستند. “K” _”θ” ” و ” “K” _”u” نیز بیانگر سختی استاتیکی پی هستند که از معادلات زیر به دست می‌آیند ]35[:
(2-4) “K” _”u” “=” “8” /”2-v” 〖”Gr” 〗_”u”
(2-5) “K” _”θ” “=” “8” /”3″ (“1-v” ) 〖”Gr” 〗_”θ” ^”3″
در معادلات فوق G مدول برشی دینامیکی خاک است.
حال اگر سیستم تک درجه‌ی شکل (2- 3) به صورت یک سیستم تک درجه‌ی معادل با پایه‌ی گیردار دارای پریود مؤثر “T” ̃ و میرایی مؤثر “ξ” ̃ در نظر گرفته شود داریم]22و24[ :
(2-6) “T” ̃/”T” “=” √(“1+” “K” /”K” _”u” “+” 〖”Kh” 〗^”2″ /”K” _”θ” )
(2-7) “ξ” ̃”= ” “ξ” ̃_”0″ “+” “ξ” /(“T” ̃⁄”T” )^”3″
در معادلات فوق T پریود سازه با پایه‌ی گیردار (“T=2π” √(“K” ⁄”m” ))، “T” ̃پریود مؤثر با پایه‌ی انعطاف‌پذیر، ξ نسبت میرایی سازه با پایه‌ی گیردار، “ξ” ̃_”0″ نسبت میرایی پی (میرایی چرخه‌ای خاک ومیرایی تشعشعی پی) و “ξ” ̃ میرایی مؤثر سازه با پایه‌ی انعطاف‌پذیرند. این معادلات مبنای ضوابط آیین‌نامه‌های (NEHRP, 1997) و (ATC , 1978) برای محاسبه‌ی نیروها و تغییر
