فهرست مطالبفصل اول: تئوری مساله-11- مقدمه..........21-2- اهمیت موضوع.........51-3- تعریف طبقه نرم.........61-4- سابقه طبقه نرم در آییننامههای مختلف........61-5- مروری بر پیشینه تحقیقاتی......151-6- ویژگیهای طبقه نرم......181-7- عوامل موثر بر ایجاد طبقه نرم........191-7-1- اثر میانقابها و دیوارهای جدا کننده......201-7-2- اثر ارتفاع.......231-8- چگونگی طراحی برای جلوگیری از ایجاد طبقه نرم........................................................................241-9- تجزیه و تحلیل نیروهای وارد به طبقه نرم........................................................................................251-10- علت و مکانیسم خرابی.................................................................................................................271-11- عوامل موثر در تشدید خرابی........................................................................................................311-12- خرابیهای مشابه خرابیهای سازههای دارای طبقه نرم...................................................................321-13- فصلهای مختلف پژوهش............................................................................................................36 فصل دوم: کلیات مدلسازی2-1- مقدمه.............................................................................................................................................382-2- معرفی قابهای مورد مطالعه.........................................................................................................382-3- محاسبه ضریب زلزله در قابهای مورد مطالعه................................................................................40فصل سوم: تحلیل طیفی3-1- مقدمه.............................................................................................................................................443-2- محاسبه میزان سختی طبقه در قابهای مدلسازی شده......................................................................443-3- آنالیز دینامیکی خطی طیفی............................................................................................................463-4- اثر طبقه نرم بر جابجایی سازه..........................................................................................................493-5- اثر طبقه نرم بر دریفت سازه.............................................................................................................563-6- اثر طبقه نرم بر نيروهاي داخلي سازه...............................................................................................623-7- اثر طبقه نرم بر زمان تناوب مودهای سازه........................................................................................733-8- صحتسنجی.................................................................................................................................77 فصل چهارم: تحلیل استاتیکی غیرخطی4-1- مقدمه.............................................................................................................................................804-2- آنالیز استاتیکی غیرخطی................................................................................................................804-3- روش ضرایب فما 356....................................................................................................................814-3-1- محاسبه ضرایب فما 356 و جابجایی هدف.................................................................................864-3-2- مدول رفتار دوخطی نیرو-تغییر مکان در استاندارد فما 356..........................................................874-4- الگوی بار جانبی............................................................................................................................874-5- سطوح عملکرد لرزهای سازه.........................................................................................................884-6- نحوه مدلسازی برای تحلیل استاتیکی غیرخطی (پوشآور)..............................................................894-7- تجزیه و تحلیل نمودارها.................................................................................................................904-7-1- تاثیر حرکت طبقه نرم به سمت بالا بر منحنی ظرفیت سازه.........................................................914-7-2- تاثیر افزایش ارتفاع طبقه نرم بر منحنی ظرفیت سازه..................................................................984-7-3- چگونگی پخش مفاصل پلاستیک در سازه...............................................................................1024-8- صحت سنجی...............................................................................................................................105 فصل پنجم: تاثیر خرابی طبقه نرم بر محیط زیست5-1- مقدمه...........................................................................................................................................1075-2- تاثیر سازههای بتنی دارای طبقه نرم بر آلودگی هوا پس از زلزله.....................................................1085-3- کاربرد نانوتکنولوژی برای کنترل ذرات معلق و جلوگیری از آلودگی هوا.....................................111 فصل ششم: جمعبندی و ارائه پیشنهاد6-1- خلاصه و جمعبندی.....................................................................................................................1156-2- نتایج............................................................................................................................................1166-3- پیشنهادهایی جهت ادامه کار.........................................................................................................120 منابع..........................................................................................................................................121 فهرست اشکالفصل اول: تئوری مسالهشکل 1-1: نحوه انتقال انرژی زلزله به سازه.................................................................................................3شکل 1-2: ایجاد تغییر مکان جانبی ماندگار 6 درجهای در اثر پدیده نرم......................................................4شکل 1-3: نمونهای از خرابی ناشی از پدیده طبقه نرمدر ژاپن.....................................................................4شکل 1-4: شکست طبقه نرم به علت حذف میانقابها................................................................................5شکل 1-5: زلزله 1382 بم: مدفون شدن 3طبقه از ساختمان در اثر پدیده طبقه نرم........................................8شکل 1-6: زلزله 1382 بم؛ ایجاد تغییر شکل ماندگار به علت طبقه نرم.......................................................9شکل1-7: زلزله 1994 نورتریج؛ خرابی ساختمان در اثر پدیده طبقه نرم.....................................................10شکل 1-8: شکست طبقه پنجم از ساختمان 8 طبقه................................................................................... 11شکل 1-9:کوبه 1995 ...........................................................................................................................11شکل 1-10: سطح آسیب وارده به سازههای با طبقه همکف باز در زلزله 1995 کوبه..................................11شکل 1-11:زلزله 1999 کوجائلی ..........................................................................................................13شکل 1-12: زلزله 1999 دوزجه.............................................................................................................13شکل 1-13: زلزله 2003 بینگول؛ شکستن ستونهای طبقه همکف در اثر پدیده نرم...................................13شکل 1-14: زلزله 2008 چین؛ ایجاد تغییر شکل ماندگار در ستون............................................................14شکل 1-15: زلزله 2002 بهوج؛ شکستن ستونها در اثر پدیده طبقه نرم......................................................15شکل 1-16: انعطاف پذیری بیش از حد طبقه نرم در مقایسه با سایر طبقات................................................18شکل 1-17: ایجاد مکانیسم طبقه در ساختمان در حال ساخت در آستانه ریزش (ایتالیا، 1976)..................19شکل 1-18: تغییر شکل ناشی از طبقه نرم..................................................................................................20شکل 1-19: مقایسه سازه واقعی و سازه طراحی شده در واقعیت................................................................22شکل 1-20: چگونگی عملکرد سازه دارای طبقه نرم در زلزله...................................................................23شکل 1-21: چگونگی عملکرد سازه دارای طبقه نرم در زلزله...................................................................24شکل 1-22: منحنی ظرفیت سازه..............................................................................................................26شکل 1-23: مقایسه رفتار قابهای مختلف...............................................................................................26شکل 1-24: فرآیند خرابی سازه دارای طبقه نرم........................................................................................29شکل 1-25: چیدمان نامتقارن دیوار در پلان..............................................................................................32شکل 1-26: ترکیب طبقه نرم و پیچش.....................................................................................................32شکل 1-27: ضوابط مربوط به خاموتها...................................................................................................33شکل1-28: طراحی غلط بر اساس تیر قوی-ستون ضعیف.........................................................................34شکل1-29: مقایسه دو نوع طراحی متفاوت...............................................................................................35شکل 1-30: خرابی ناشی از طراحی غلط بر اساس تیر قوی-ستون ضعیف.................................................35 فصل دوم: کلیات مدلسازیشکل 2-1: تصویر مدلسازی شده قاب 7 و 9 طبقهی دارای طبقه نرم، در حالی که طبقه نرم در طبقه اول قرار دارد.........................................................................................................................................................39 فصل سوم: تحلیل طیفیشکل 3-1: تغییر شکل قاب 7 طبقه در اثر نیروی زلزله، در حالی که طبقه نرم در طبقات سازه جابجا میشود....................................................................................................................................................47شکل 3-2: تغییر شکل قاب 9 طبقه در اثر نیروی زلزله، در حالی که طبقه نرم در طبقات سازه جابجا میشود....................................................................................................................................................48شکل 3-3: مشخصات قاب مدل شده توسط یوسف دینار..........................................................................81 فصل چهارم: تحلیل استاتیکی غیرخطیشکل 4-1: روش ضرایب برای تعیین جابجایی هدف................................................................................85شکل 4-2: معادلسازی منحنی پوشآور با منحنی دو خطی.......................................................................86شکل 4-3: منحنی ساده شده نیرو-جابجایی..............................................................................................88شکل 4-4: باند رنگی برای نمایش سطوح عملکردی در ایتبس.................................................................92شکل 4-5: نمایش سطوح عملکردی روی منحنی نیرو-تغییر مکان............................................................92شکل 4-6: نمایش توزیع بار متناسب با تحلیل استاتیکی خطی...................................................................93شکل 4-7: نمایش توزیع بار یکنواخت.....................................................................................................93شکل 4-8:مطالعات انجام شده توسط یوسف دینار در مورد چگونگی پخش مفاصل پلاستیک در سازه......................................................................................................................................................108 فصل پنجم: تاثیر خرابی طبقه نرم بر محیط زیستشکل 5-1: آلودگی هوا توسط ذرات معلق بتنی حین تخریب و بازسازیساختمانها پس از زلزله............111شکل 5-2: خرابی طبقه ششم ساختمان 8 طبقه شهرداری شهر کوبه در اثر زلزله 1995،که پس از بازسازی ساختمان جدید 5 طبقه شد.....................................................................................................................113شکل 5-3: خرابی طبقه اول مرکز خرید روکودر اثر زلزله، که پس از بازسازی ساختمان جدید تنها دارای طبقه همکف میباشد............................................................................................................................114شکل 5-4: خرابی پارکینگ طبقه همکف یک ساختمان مسکونی در اثر زلزله، که برای بازسازی کل سازه تخریب و سازه جدید بنا شد...................................................................................................................114 فهرست نمودارهافصل اول: تئوری مسالهنمودار 1-1: افزایش سختی سازه به علت وجود دیوار................................................................................21نمودار 1-2: کاهش جابجایی جانبی سازه به علت وجود دیوار...................................................................21نمودار 1-3: منحنی ظرفیت سازه در دو حالت شکست طبقه نرم و طراحی طبقه نرم ...................................30نمودار 1-4: مقایسه میزان انرژی جذب شده در دو حالت شکست معمولی و شکست طبقه نرم...................31نمودار 1-5: منحنی ظرفیت جانبی سازه در دو حالت با و بدون اثر ...............................................31 فصل سوم: تحلیل طیفی نمودار 3-1: سختی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم.........................................................................................45نمودار 3-2: سختی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم.........................................................................................46نمودار 3-3: جابجایی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر..............................................53نمودار 3-4: جابجایی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم- ارتفاع طبقه نرم 5 متر..................................................53نمودار 3-5: جابجایی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم- ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر...............................................54نمودار 3-6: جابجایی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم- ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر...............................................54نمودار 3-7: جابجایی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم- ارتفاع طبقه نرم 5 متر..................................................55نمودار 3-8: جابجایی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم- ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر...............................................55نمودار 3-9: دریفت قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر................................................59نمودار 3-10: دریفت قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5 متر.................................................59نمودار 3-11: دریفت قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر..............................................60نمودار 3-12: دریفت قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر..............................................60نمودار 3-13: دریفت قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5 متر.................................................61نمودار 3-14: دریفت قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر..............................................61نمودار 3-15: نیروی برشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر......................................67نمودار 3-16: نیروی برشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5 متر.........................................67نمودار 3-17: نیروی برشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر......................................68نمودار 3-18: نیروی برشی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر......................................68نمودار 3-19: نیروی برشی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5 متر.........................................69نمودار 3-20: نیروی برشی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر......................................69نمودار 3-21: لنگر خمشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر......................................70نمودار 3-22: لنگر خمشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5 متر..........................................70نمودار 3-23: لنگر خمشی قاب 7 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر......................................71نمودار 3-24: لنگر خمشی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5/4 متر......................................71نمودار 3-25: لنگر خمشی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5 متر..........................................72نمودار 3-26: لنگر خمشی قاب 9 طبقه دارای طبقه نرم - ارتفاع طبقه نرم 5/5 متر......................................72نمودار 3-27: نمودار دریفت به مکان طبقه نرم مستخرج از تحقیقات یوسف دینار.....................................78 فصل چهارم: تحلیل استاتیکی غیرخطینمودار 4-1: منحنیهای ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه نرم 5/4 متر تحت بار استاتیکی خطی...................92نمودار 4-2: منحنیهای ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه نرم 5 متر تحت بار استاتیکی خطی......................92نمودار 4-3: منحنیهای ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه نرم 5/5 متر تحت بار استاتیکی خطی...................93نمودار 4-4: منحنیهای ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه نرم 5/4 متر تحت بار استاتیکی خطی...................93نمودار 4-5: منحنیهای ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه نرم 5 متر تحت بار استاتیکی خطی.......................94نمودار 4-6: منحنیهای ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه نرم 5/5 متر تحت بار استاتیکی خطی...................94نمودار 4-7: منحنیهای ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه نرم 5/4 متر تحت بار یکنواخت...........................95نمودار 4-8: منحنیهای ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه نرم 5 متر تحت بار یکنواخت...............................95نمودار 4-9: منحنیهای ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه نرم 5/5 متر تحت بار یکنواخت...........................96نمودار 4-10: منحنیهای ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه نرم 5/4 متر تحت بار یکنواخت.........................96نمودار 4-11: منحنیهای ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه نرم 5 متر تحت بار یکنواخت............................97نمودار 4-12: منحنیهای ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه نرم 5/5 متر تحت بار یکنواخت.........................97نمودار 4-13: مقایسه منحنیهای ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه اول نرم تحت بار یکنواخت....................98نمودار4-14: مقایسه منحنیهای ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه هفتم نرم تحت بار یکنواخت...................99نمودار4-15: مقایسه منحنیهای ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه اول نرم تحت بار استاتیکی......................99نمودار4-16: مقایسه منحنیهای ظرفیت سازه 7 طبقه دارای طبقه هفتم نرم تحت بار استاتیکی..................100نمودار4-17: مقایسه منحنیهای ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه سوم نرم تحت بار یکنواخت..................100نمودار4-18: مقایسه منحنیهای ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه هشتم نرم تحت بار یکنواخت................101نمودار4-19: مقایسه منحنیهای ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه سوم نرم تحت بار استاتیکی...................101نمودار 4-20: مقایسه منحنیهای ظرفیت سازه 9 طبقه دارای طبقه هشتم نرم تحت بار استاتیکی................102 فهرست جداولفصل دوم: کلیات مدلسازیجدول 2-1: جزئیات مقاطع قاب 7 طبقه....................................................................................................40جدول 2-2: جزئیات مقاطع قاب 9 طبقه....................................................................................................40 فصل سوم: تحلیل طیفی جدول 3-1: مقادیر جابجایی طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 7 طبقه (متر)......................................51جدول 3-2: مقادیر جابجایی طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 9 طبقه (متر) .....................................52جدول 3-3: مقادیر دریفت طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 7 طبقه (متر) ).....................................57جدول 3-4: مقادیر دریفت طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 9 طبقه (متر)........................................58جدول 3-5: مقادیر نیروی برشی طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 7 طبقه (نیوتن).............................63جدول 3-6: مقادیر لنگر خمشی طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 7 طبقه (نیوتن.متر).......................64جدول 3-7: مقادیر نیروی برشی طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 9 طبقه (نیوتن).............................65جدول 3-8: مقادیر لنگر خمشی طبقات نسبت به مکان طبقه نرم در قاب 9 طبقه (نیوتن.متر).......................66جدول 3-9: مقادیر پریود سازه نسبت به تغییر مکان طبقه نرم در قاب 7 طبقه..............................................74جدول3-10: مقادیر پریود سازه نسبت به تغییر مکان طبقه نرم در قاب 9 طبقه.............................................75جدول 3-11: پریود تحلیلی و آییننامهای قاب 7 طبقه...............................................................................76جدول 3-12: پریود تحلیلی و آییننامهای قاب 9 طبقه...............................................................................76جدول 3-13: مقایسه نمودارها و جداول قاب 7 طبقه و 9 طبقه...................................................................77 فصل چهارم: تحلیل استاتیکی غیرخطیجدول 4-1: مقادیر ضریب ..................................................................................................................83جدول 4-2: مقادیر ضریب ................................................................................................................84جدول 4-3: مقادیر ضریب ................................................................................................................84جدول 4-4: نحوه پخش مفاصل پلاستیک در قاب 7 طبقه تحت بار استاتیکی..........................................103جدول 4-5: نحوه پخش مفاصل پلاستیک در قاب 9 طبقه تحت بار استاتیکی..........................................104جدول 4-6:مطالعات انجام شده توسط یوسف دینار در مورد چگونگی پخش مفاصل پلاستیک در سازه......................................................................................................................................................105 فصل 1تئوری مساله و اهمیت موضوع 1-1- مقدمهزلزله 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 اینکه زلزلههاهموارهدرهنگاموقوع،به دنبالنقاطضعفساختمانهستندواثرآنهابر روياینقسمتهامیتواندمشکلسازشود، بایدایننقاطضعیفکه معمولاًدراثرتغییراتسریعدرسختی،مقاومتویاشکلپذیريبه وجودمیآیند به طور کامل شناسایی شوند. آنچه که در این پایاننامه به بررسی اثر آن پرداخته شده است تغییرات سریع در سختییک 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.