زلزله ذاتاً به فرم نیرویی نبوده بلکه به صورت انرژی روی سازه تخلیه می‌شود (Deformation type loading). برای تامین پایداری سازه در برابر این تخلیه انرژی، می‌توان همزمان متوسل به ظرفیت مقاومتی و تغییرشکلی سازه شد (البته می‌توان صرفاً متوسل به ظرفیت مقاومتی سازه شد و نیاز شکل‌پذیری را به صفر رساند که موضوع بحث این مقاله نیست). سوال مهمی که در این بخش به وجود می‌آید این می‌باشد که سهم مقاومت و سهم شکل‌پذیری چگونه مشخص می‌شود؟ به عبارت بهتر برای هر سازه مشخص، چه سهمی از انرژی زلزله بایستی توسط مقاومت سازه و چه سهمی بایستی توسط شکل‌پذیری سازه مقابله شود؟ سهم مقاومتی سازه را نمی‌توان به صورت مستقل محاسبه کرد. بایستی در ابتدا حداکثر ظرفیت شکل‌پذیری سیستم مقاوم باربر جانبی مشخص شود تا با استفاده از آن، انرژی مستهلک شده توسط شکل‌پذیری محاسبه گردد. حال از این طریق حداکثر انرژی که می‌توان توسط ظرفیت شکل‌پذیری مستهلک شود در دست می‌باشد. بنابراین می‌توان در مرحله بعدی حداقل ظرفیت مقاومتی سازه را مشخص کرد. به جای وارد کردن پارامتر انرژی به محاسبات لرزه‌ای می‌توان اصل نیروی زلزله را معادل با اصل انرژی زلزله دانست. مطابق با طیف شتاب طراحی معرفی شده در استاندارد 2800 اصل نیاز لرزه‌ای به سازه‌ها دیکه می‌شود، توضیح آنکه براساس جنس خاک محل، پرید سازه، میرایی و لرزه‌خیزی سایت، مقدار شتاب طراحی سازه به دست می‌آید اگر این شتاب در جرم لرزه‌ای سازه ضرب شود اصل نیروی زلزله به دست می‌آید. مطابق با تصویر بالا حد 4 در نمودار، برابر با اصل نیروی زلزله یا نیروی ارتجاعی زلزله است. برای کسب اطلاعات بیشتر در ارتباط با جرم لرزه‌ای می‌توانی از دو کلیپ زیر استفاده کنید :

فصل اول از عصرانه مهندسی با موضوع "وزن موثر لرزه ای"

محاسبه جرم ثقلی و جرم لرزه ای در ساختمان

در صورت طراحی سازه به اصل نیروی زلزله، ابعاد سازه بسیار بزرگ شده و طرح توجیه اقتصادی و اجرایی و معماری نخواهد داشت. بنابراین منطقی است که متوسل به استفاده از ظرفیت شکل‌پذیری سازه شویم. به دلیل مفصل پلاستیکی در المان‌های مختلف لرزه‌بر می‌تواند تشکیل شود پارامتر ضریب رفتار تعریف خواهد شد که این ضریب رفتار در واقع به نوعی نشان دهنده توان اتلاف انرژی سازه است. توان اتلاف انرژی سازه به پارامترهای مختلفی نظیر جنس مصالح، سیستم مقاوم باربر جانبی، ردیف شکل‌پذیری (متوسط یا ویژه)، تعداد المان‌های لرزه‌بر و نحوه توزیع آن‌ها در پلان و ارتفاع سازه و .... بستگی دارد. برای دریافت اطلاعات بیشتر در زمینه شکل‌پذیری و توان اتلاف انرژی می‌توانید به لینک‌های زیر مراجعه کنید:

مفصل پلاستیک چیست؟

بررسی کامل منحنی ممان - انحنای یک مقطع بتنی با رویکرد طراحی عملکردی و مقاوم سازی

دانلود کلیپ کامل تشریح مفصل پلاستیک در تیرهای بتن‌آرمه

شکل‌پذیری در المان سازه‌ای چیست؟ و به عواملی بستگی دارد؟

شکل‌پذیری در سازه چیست؟ و به چه عواملی بستگی دارد؟

تشریح کامل زلزله تشدید یافته و اضافه مقاومت

ویدئویی کاملاً متفاوت از ضریب کاهش نیروی زلزله به دلیل شکل پذیری

ضریب رفتار ارائه شده براساس استانداردهای لرزه‌ای برمبنای سازو کار تسلیم در آن سیستم بخصوص می‌باشد، به عبارت ساده‌تر طراحی لرزه‌ای براساس ACI318 , AISC341 به نحوی می‌باشد که توزیع مفاصل دقیقاً براساس ضریب رفتار فرضی صورت گیرد. بنابراین توانایی استفاده از ظرفیت شکل‌پذیری سازه منوط به اعمال صحیح ضوابط طرح لرزه‌ای است. در لینک‌های زیر مکانیزم عملکردی یا سازوکار تسلیمِ مدنظر آئین‌نامه‌ها برای سیستم‌های مقاوم مختلف تشریح شده است:

مکانیزم اتلاف انرژی در سیستم قاب خمشی فولادی

مکانیزم اتلاف انرژی در سیستم مهاربندی CBF

مکانیزم اتلاف انرژی در سیستم دیواربرشی

مکانیزم عملکردی سیستم‌های EBF

برای رسید به مکانیزم عملکردی مد نظر آئین‌نامه بایستی روند تشکیل مفاصل پلاستیک کنترل گردد(البته در طراحی‌های معمول این مورد به صورت مستقیم کنترل نمی‌شود و از طریق طراحی لرزه‌ای اعمال می‌شود). در ادبیات مهندسی زلزله روند تشکیل مفاصل پلاستیک با اصطلاح "روند خرابی" عنوان می‌شود(لازم به ذکر است در مهندسی زلزله تشکیل مفصل پلاستیک با خرابی، آسیب یا خسارت هم ارز می‌باشد). برای رسیدن به توالی خرابی مطلوب آئین‌نامه‌ها، بایستی در ابتدا به کارکرد مطلوب تلاش‌های DC , FC در تک تک المان‌ها برسیم و در مرحله بعدی کارکرد مطلوب تلاش‌های DC در مجموع المان‌های کل سازه کنترل گردد (این مورد بسیار حساس بوده و معمولاً در تحلیل‌های خطی پوشیده می‌باشد). در واقع توالی تشکیل مفاصل پلاستیک، توالی خرابی و کارکرد مطلوب تلاش‌های FC , DC همگی به یک مفهوم می‌باشند. برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه به لینک‌های زیر مراجعه کنید:

کلیپ کامل و مفهومی در ارتباط با توالی خرابی در ستون‌های بتنی (بررسی ستون کوتاه)

کارکرد مطلوب و غیرمطلوب تلاش‌های FC و DC (مفهوم ستون کوتاه)

سازه‌های متوسط ذاتاً دارای اتلاف انرژی مشخصی می‌باشند برای افزایش توان اتلاف انرژی این سیستم بایستی متوسل به اعمال ضوابط شکل‌پذیری ویژه شویم تا سازه متوسط به سمت سازه‌های ویژه سوق داده شود. بخش اعظمی از توان اتلاف انرژی در سازه‌های ویژه مدیون ارضای ضابطه "تیر ضعیف - ستون قوی" می‌باشد. ستون‌های قوی باعث می‌شوند تا تیرهای بیشترین وارد حوزه غیرخطی شوند و در نتیجه توزیع خسارت در سازه‌ها بهتر اتفاق می‌افتد. این ضابطه یکی از مهمترین ضوابطی است که توالی خرابی مطلوب در سازه‌های ویژه را تضمین می‌کند. 

تیر ضعیف - ستون قوی و نحوه توزیع خسارت در ارتفاع سازه

1-نحوه تغییر توالی تشکیل مفاصل پلاستیک با تغییر نسبت مقاومت ستون‌ها

2-نحوه تغییر توالی تشکیل مفاصل پلاستیک با تغییر نسبت مقاومت ستون‌ها

3-نحوه تغییر توالی تشکیل مفاصل پلاستیک با تغییر نسبت مقاومت ستون‌ها

علاوه بر نکات اشاره شده در بخش‌های قبلی نکته مهمی هم در سازه‌های فولادی با سیستم EBF وجو دارد که شکل‌پذیری سازه را بسیار تحت تاثیر قرار می‌دهد. در سیستم مهاربند واگرای هشتی، المانهای مهاربند نیروی زلزله را از دیافراگم گرفته و در گوشه‌ها به ستون‌‌ها تخلیه می‌کنند و به صورت سلسه مراتب نیروها به شالوده خواهد رسید ولی در حالت هفتی، نیروی عظیم زلزله در مهاربندها، به روی تیر پیوند تخلیه می‌شود(لذا در این حالت تیر پیوند نقش تکیه‌گاه برای المان‌های مهاربند را دارد). در سیستم هفتی با تشکیل مفصل پلاستیک در تیر پیوند، به دلیل تخلیه نیروهای عظیم مهاربند بر روی این المان، مفصل تیر پیوند سریعاً دچار فروریزش شده و برعکسِ مهاربند هشتی، از ادامه اتلاف انرژی زلزله باز خواهد ماند. در پیکربندی برخی از مهاربندهای واگرا به مانند شکل روبه رو، تیرهای پیوند در ابتدا و انتهای المان مهاربند قرار می‌گیرند، در این سیستم لینکی که در قسمت پایین مهاربند قرار می‌گیرد به صورت کامل موثر نخواهد بود. اگر مقاومت برش طراحی لینک بالایی به صورت قابل ملاحظه کمتر از لینک پایینی باشد در این صورت لینک بالایی وارد حوزه غیرخطی شده و نیروی ایجاد شده در مهاربند که به تیر پیوند پایینی وارد خواهد شد را محدود خواهد کرد. در این این حالت لینک بالایی را فعال و لینک پایینی را غیر فعال می‌نامند. وجود لینک‌های غیرفعال در ساختمان دشواری آنالیز را بسیار زیاد خواهد کرد. براساس تحلیل پلاستیک قابهای مهاربندی برون محور می‌توان نشان داد که لینکهای غیر فعال توسط اثرات ترکیبی بارمرده، زنده و زلزله وارده حوزه پلاستیک خواهند شد بنابراین از مقاومت مورد انتظار آنها برای مقابله با نیروهای جانبی کاسته خواهد شد. علاوه برآن برای موثر شدن لینکهای غیر فعال بایستی جزئیات طراحی و ساخت آنها با ظرافت بیشتری مد نظر قرار گیرد. در غیر این صورت لینکهای غیر فعال قابل پیشبینی، بایستی به صورت پین طراحی گردند که در نتیجه هزینه ساخت را به صورت غیر ضروری بالا خواهند برد. بنابراین برای رهایی از این مشکلات توصیه می‌شود در طراحی سیستم‌های واگرا تماماً از لینکهای فعال استفاده شود. برای دریافت اطلاعات بیشتر در این زمینه به لینک‌های زیر مراجعه کنید:

1-سیستم‌های فعال در مهاربندهای برون‌محور (EBF)

2-سیستم‌های فعال در مهاربندهای برون‌محور (EBF)

3-سیستم‌های فعال در مهاربندهای برون‌محور (EBF)

4-سیستم‌های فعال در مهاربندهای برون‌محور (EBF)

در مهاربندهای همگرای شورون یکی از کنترل‌های مهم طراحی لرزه‌ای محاسبه نیروی نامتعادل شونده به روی تیر دهانه مهابندی است که نیروی متمرکز قابل ملاحظه‌ای می‌باشد کنترل این ضابطه نیز یکی از ضوابطی است که محقق شدن ضریب رفتار فرضی در سازه را تضمین می‌دهد. طراحی این سیستم به گونه‌ای انجام می‌شود که رفتار غیرخطی فقط محدود به مهاربند گردد:

1-مهاربندها المان‌های فیوز قاب می‌باشند.

2-مهاربندها ضعیف‌ترین المان قاب می‌باشند. (بقیه المان‌ها نظیر ستون‌ها، تیرها و اتصالات قوی‌تر از مهاربندها می‌باشند.

3-انتخاب یک المان مهاربندی با توان اتلاف انرژی و عمر گسیختگی بالا (محدود کردن فشردگی و لاغری)

4-طراحی اتصالات برای بیشترین نیرو و تغییرشکل‌های تحمیلی به وسیله مهاربندها در طی بارگذاری رفت و برگشتی زلزله (برای جاری شدن و کمانش المان مهاربند)

5-طراحی تیرها، ستون‌ها و وصله ستون‌ها برای بزرگترین نیروی تحمیلی ممکن از سوی مهاربندها

با رسم دیاگرام جسم آزاد برای تیر دهانه مهاربندی بایستی :

-لنگر حاصل از این بار متمرکز با لنگر بارهای ثقلی جمع شده و تیر برای لنگر مجموع بایستی طراحی گردد.
-نکته مهم: در تحلیل الاستیک این نیروی متمرکز صفر می‌باشد. این نیروی متمرکز همان نیروی نامتعادل شونده می‌باشد که به دلیل کمانش مهاربند و زوال مقاومتی در فشار حاصل می‌گردد.
-نرم‌افزار ایتبس قادر به محاسبات نیروی نامتعادل شونده نمی‌باشد و این مورد بایستی دستی کنترل گردد.
-مقدار حداکثر فشار و کششی که به گاست وارد می‌شود بایستی به صورت زیر محاسبه گردد.

همانطور که ملاحظه می‌شود لنگرهای حاصل از تحلیل غیرخطی قابل مقایسه با مقادیر نظیر با تحلیل خطی نبوده و بسیار بزرگتر می‌باشد.

در صورتی که این نیروی نامتعادل شونده به درستی محاسبه نشود توالی خرابی مطلوب آئین نامه اتفاق نیفتاده بنابراین شکل‌پذیری فرض طراحی محقق نخواهد شد.

شرط رسیدن به اتلاف انرژی بهینه و مطلوب استانداردهای لرزه‌ای، تحقق توالی خرابی مطلوب می‌باشد. به صورتی که با تشکیل رفتار غیرخطی در تلاش‌های DC، تلاش‌های FC کاملا در محدوده الاستیک قرار گیرد. تلاش‌های FC الزاماً ترد و شکننده نمی‌باشند بلکه بعضاً ممکن است با وجود شکل پذیر بودن رفتار ذاتی تلاش، حکم آئین نامه آن را به صورت ترد و شکننده فرض کند. بنابراین می‌توان گفت که تلاش‌های FC به دو دسته ذاتاً ترد و حکماً ترد دسته بندی می‌شوند. خمش و برش در تیر دهانه مهاربندهای شورون در آئین نامه به صورت حکماً ترد معرفی می‌شود. در صورت غیر خطی شدن تلاش‌های حکما ترد شکل‌پذیری فرض آئین‌نامه محقق نخواهد شد. زمانی که تیر دهانه مهاربندی ارتجاعی نبوده و وارد حوزه غیرخطی شود رفتار سیستم به بی‌راهه خواهد رفت تصویر چنین سیستمی را می‌توانید در لینک زیر ببینید:

5-نیروی نامتعادل شونده در مهاربندهای هم محور

نکات ارائه شده در بخش بالا همگی بخشی از ضوابطی است که دست به دست هم خواهند داد تا اتلاف انرژی فرضی آئین‌نامه را در سازه پیاده کنند. از آنجایی که در تحلیل‌های خطی کنترل توالی خرابی و سازوکار تسلیم انجام نمی‌شود بنابراین ضوابط تجویزی آئین‌نامه وظیفه اعمال این مهم را در سازه خواهند داشت. ضریب رفتار استفاده شده در تحلیل‌های خطی صرفاً ابزاری است تا حداقل مقاومت جانبی لازم برای سازه‌های شکل‌پذیر را به دست آورد. از آنجایی که در تحلیل‌های غیرخطی کل رفتار سازه اعم از بخش مقاومتی و شکل‌پذیری به صورت مستقیم شبیه‌سازی می‌شود بنابراین وجود پارامتری به نام ضریب رفتار در محاسبات مربوط به طراحی عملکردی بی معنی خواهد بود چون روند طراحی عملکردی برای به دست آوردن توالی خرابی و سازوکار مطلوب و رسیدن به سطح عملکرد مورد نظر صرفاً یک روند سعی و خطایی می‌باشد و محاسبه حداقل مفاومت جانبی لازم برای ارضای نیازهای شکل‌پذیری از این سعی و خطا به دست خواهد آمد و ضریبی که این حداقل مقاومت را به دست دهد وجود ندارد. مطابق با تصویر این مقاله ضریب رفتار استفاده شده در روش تجویزی برای طراحی از دو بخش مهم "اضافه مقاومت" و "ضریب کاهش نیروی زلزله به دلیل شکل‌پذیری" تشکیل شده است. همانطور که پیش‌تر اشاره شد فرمت مقاومتی برای کل نیروی زلزله برابر با نیروی حد ارتجاعی یا همان حد 4 در منحنی ظرفیت کلی سازه می‌باشد. این نیروی الاستیک بایستی به دو بخش مقاومتی و شکل‌پذیری تقسیم شود.

این مطالب بخش‌هایی از دوره جامع طراحی عملکردی و بهسازی لرزه‌ای می‌باشد. در این دوره به صورت کامل به بررسی این مفهوم پرداخته می‌شود. همانطور که در جدول عکس مربوط به این مقاله نشان داده شده است کنترل این ضابطه برای طراحی عملکردی و بهسازی لرزه‌ای با یکدیگر متفاوت می‌باشد. پیوست دوم استاندارد 2800 که ضوابط طراحی براساس عملکردی را مطرح می‌کند برای به دست آوردن ظرفیت کاهش نیروی زلزله به دلیل شکل‌پذیری از ضریب رفتار سازه استفاده می‌کند در حالی که استاندارد ASCE41 و نشریه 360 این پارامتر را از منحنی ظرفیت سازه به دست می‌آورند.

دوره جامع طراحی عملکردی و بهسازی لرزه‌ای براساس هر دو نرم افزار Sap2000 , Etabs آموزش داده می‌شود. در این دوره طراحی عملکردی براساس پیوست دوم استاندارد 2800 و بهسازی لرزه‌ای براساس نشریه 360 و ASCE41 انجام می‌شود. جزوه کامل کل دوره بالغ بر 1300 اسلاید در اختیار شرکت کنندگان دوره قرار داده می‌شود. در این دوره پروژه‌های کامل قاب خمشی بتنی، دیوار برشی بتنی، قاب خمشی فولادی و انواع مهاربندهای CBF و EBF به صورت گام به گام آموزش داده می‌شود.