فصل دوم - حرکت زمین
1-2 تعریف
حرکت زمین که در تحلیل سازه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، باید حداقل دارای شرایط »زلزله طرح» مطابق تعریف بند (1-2) باشد. آثار حرکت زمین به یکی از صورتهای «طیف بازتاب شتاب» و یا «تاریخچه زمانی شتاب» مشخص می‌شود. برای «طیف بازتاب شتاب » می‌توان از «طیف طرح استاندارد» و یا از «طیف طرح ویژه ساختگاه»، مطابق ضوابط بندهای (2-5-1) و (2-5-2) استفاده نمود و برای «تاریخچه زمانی شتاب» باید ضوابط بند (2-5-3) را ملحوظ داشت.
برای تعیین اثر حرکت زمین برای زلزله طرح مطابق هر یک از روش‌های فوق، پارامترهای نسبت شتاب مبنای طرح، A، و ضریب بازتاب ساختمان، B، باید مطابق ضوابط بندهای (2-2) و (2-3) تعیین شوند.
2-2 نسبت شتاب مبنای طرح، A
نسبت شتاب مبنای طرح به شتاب ثقل در مناطق مختلف کشور، بر اساس میزان خطر لرزه‌خیزی آن‌ها، به شرح جدول (2-1) تعیین می‌شود. مناطق چهارگانه عنوان شده در این جدول در پیوست (1) مشخص شده است.
جدول 2-1 نسبت شتاب مبنای طرح در مناطق با لرزه‌خیزی مختلف
| منطقه | توصیف | نسبت شتاب مبنای طرح به شتاب ثقل |
| 1 | پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد | 0.35 |
| 2 | پهنه با خطر نسبی زیاد | 0.30 |
| 3 | پهنه با خطر نسبی متوسط | 0.25 |
| 4 | پهنه با خطر نسبی کم | 0.20 |
3-2 ضریب بازتاب ساختمان، B
ضریب بازتاب ساختمان بیانگر نحوه پاسخ ساختمان به حرکت زمین با توجه به نوع آن است. این ضریب با استفاده از رابطه زیر تعیین می‌شود.
| (1-2) |
در این رابطه B1ضریب شکل طیف و N ضریب اصلاح طیف است.
1-3-2 ضریب شکل طیف، B1، با درنظر گرفتن بزرگنمایی خاک در پریودهای مختلف و میزان لرزه‌خیزی منطقه مشخص می‌شود. این ضریب با استفاده از روابط زیر و یا از شکل‌های (2-1-الف) و (2-1-ب) تعیین می‌گردد.
| (2-2) |
در این روابط:
T: زمان تناوب اصلی نوسان ساختمان به ثانیه است. این زمان طبق بند (3-3-3) تعیین می‌شود.
S, Ts, T0 و S0: پارامترهایی هستند که به نوع زمین و میزان خطر لرزه‌خیزی منطقه وابست‌هاند. مقادیر این پارامترها در جدول (2-2) و انواع زمین‌ها در بند (2-4) مشخص شده‌اند.
شکل 2-1- الف – ضریب شکل طیف طرح برای انواع زمین‌های مندرج در بند (2-4) با خطر نسبی کم و متوسط
*
شکل 2-1- ب – ضریب شکل طیف طرح برای انواع زمین‌های مندرج در بند (2-4) با خطر زیاد و خیلی زیاد
جدول 2-2 پارامترهای مربوط به روابط (2-2)
| نوع زمین | T0 | Ts | خطر نسبی کم و متوسط | خطر نسبی زیاد و خیلی زیاد | ||
| S | S0 | S | S0 | |||
| I | 0.1 | 0.4 | 1.5 | 1 | 1.5 | 1 |
| II | 0.1 | 0.5 | 1.5 | 1 | 1.5 | 1 |
| III | 0.15 | 0.7 | 1.75 | 1.1 | 1.75 | 1.1 |
| IV | 0.15 | 1.0 | 2.25 | 1.3 | 1.75 | 1.1 |
2-3-2 ضریب اصلاح طیف، N، به شرح زیر تعیین می‌شود:
الف – برای پهنه‌های با خطر نسبی خیلی زیاد و زیاد
| (3-2) |
ب- برای پهنه‌های با خطر نسبی متوسط و کم
| (4-2) |
روابط فوق برای خاک نوع II در شکل (2-2) نشان داده شده‌اند.
شکل 2-2 ضریب اصلاح طیف، N، خاک نوع II
4-2 طبقه‌بندی نوع زمین
1-4-2 زمین ساختگاهها از نظر نوع سنگ و خاک به شرح جدول (2-3) طبقه‌بندی می‌شوند. در این جدول:
: متوسط سرعت موج برشی در لایه‌های مختلف خاک تا عمق 30 متری از تراز پایه
:متوسط N1(60) در لایه‌های مختلف خاک تا عمق 30 متری
N1(60): تعداد ضربات نفوذ استاندارد (اصلاح شده برای فشار مؤثر سربار و انرژی)
: متوسط Cu در لایه‌های مختلف خاک تا عمق 30 متری
Cu: مقاومت برشی زهکشی نشده در خاک‌های چسبنده
تعیین طبقه‌بندی نوع زمین، در این جدول، باید براساس مقدار سرعت موج برشی صورت گیرد، لیکن در صورت دسترسی نداشتن به آن می‌توان در خاک‌های دانه‌ای با اندازه کوچکتر از شن متوسط از تعداد ضربات نفوذ استاندارد و در خاک‌های چسبنده از مقاومت برشی زهکشی نشده استفاده نمود.
جدول 2-3 طبقه‌بندی نوع زمین
| نوع زمین | توصیف لایه‌بندی زمین | پارامترها | ||
| (kPa) | ||||
| I | سنگ و شبه سنگ، شامل سنگهای آذرین، دگرگونی و رسوبی و خاک‌های سیمانته بسیار محکم با حداکثر 5 متر مصالح ضعیف‌تر تا سطح زمین | 750 < | – | – |
| II | خاک خیلی متراکم یا سنگ سست. شامل- شن و ماسه خیلی متراکم، رس بسیار سخت با ضخامت بیشتر از 30 متر که مشخصات مکانیکی آن با افزایش عمق به تدریج بهبود یابد.
سنگهای آذرین و رسوبی سست، مانند توف ویا سنگ متورق و یا کاملاً هوازده |
750- 375 | 50 < | 250 < |
| III | خاک متراکم تا متوسط، شامل شن و ماسه متراکم تا متوسط یا رسهای سخت با ضخامت بیشتر از 30 متر | 375- 175 | 15-50 | 70-250 |
| IV | خاک متوسط تا نرم، لایه‌های خاک غیرچسبنده یا با کمی خاک چسبنده با تراکم متوسط تا کم، لایه‌های خاک کاملاً چسبنده نرم تا محکم. | 175> | 15> | 70> |
2-4-2 برای تعیین متوسط سرعت موج برشی، می‌توان از رابطه (2-5) یا از رابطه معتبر دیگری استفاده کرد:
| (5-2) |
در این رابطه، di و νsiبه ترتیب ضخامت لایه و سرعت موج برشی تا عمق 30 متری از تراز پایه است.
3-4-2 در مواردی که در انطباق مشخصات محل ساختگاه با انواع مندرج در جدول (2-3) تردیدی وجود داشته باشد، باید نوع زمینی که ضریب بازتاب بزرگتری به دست می‌دهد، انتخاب گردد.
4-4-2 در مواردی که جزئیات خصوصیات خاک به حد کافی برای تعیین نوع زمین محل شناخته شده نباشد و داده‌های ژئوتکنیکی خصوصیاتی شبیه زمین نوع IV را در محل نشان ندهد و طبق بند (6-1) انجام مطالعات ژئوتکنیکی در محل مورد نظر ضروری نباشد و ساختمان مورد نظر با حداکثر چهار سقف (ارتفاع کمتر از 12 متر) و سطح اشغال حداکثر 300 متر مربع باشد، می‌توان زمین مورد نظر را نوع III از جدول (2-3) انتخاب کرد.
5-4-2 در موارد زیر برای تعیین نوع زمین انجام مطالعات ویژه ساختگاه الزامی است:
الف– برای ساختگاههایی که دارای خصوصیاتی غیراز زمین‌های نوع I تا IV هستند. برای این نوع ساختگاهها، امکان ناپایداری زمین تحت نیروی زلزله نیز بایستی مد نظر قرار گیرد.
ب– در ساختگاههایی که زمین آن‌ها متشکل از رس یا لای نرم دارای رطوبت زیاد با حداقل ضخامت 10 متر و 40 <PI (دامنه خمیری خاک) می‌باشد.
پ– در ساختگاههایی که لایه‌های خاک با سرعت موج برشی معادل خاک‌های نوع III یا IV و ضخامت بین 5 تا 20 متر بر روی یک لایه سخت با سرعت موج برشی بیش از 750m/s قرار گرفته و سرعت موج برشی این لایه سخت حداقل 3 برابر متوسط سرعت موج برشی لایه فوقانی باشد. در این مورد، در صورت عدم دسترسی به طیف طرح ویژه ساختگاه، می‌توان از طیف زمین نوع IV استفاده کرد.
6-4-2 در کلیه ساختگاهها چنانچه عواملی وجود داشته باشد که منجر به ناپایداری زمین گردد، لازم است در مطالعات ژئوتکنیکی کنترل‌های مطرح شده در فصل ششم مدنظر قرار گیرد.
5-2 حرکت زمین
اثر حرکت زمین در ساختگاه به یکی از روش‌های زیر تعیین می‌شود:
1-5-2 طیف طرح استاندارد
این طیف منعکس کننده اثر حرکت زمین برای زلزله طرح در آئین‌نامه است و از حاصلضرب مقادیر ضریب بازتاب ساختمان B در پارامترهای: نسبت شتاب مبنای A، ضریب اهمیت I موضوع بند (3-3-4) و عکس ضریب رفتار l/Ru موضوع بند (3-3-5) و با در نظر گرفتن محدودیت رابطه (3-3) به دست می‌آید. در تعیین این طیف نسبت میرائی 5 درصد در نظر گرفته شده است.
طیف طرح استاندارد را می‌توان در کلیه ساختمان‌ها بجز مواردی که در بند (2-5-2) عنوان شده، به کار برد.
2-5-2 طیف طرح ویژه ساختگاه
این طیف با استفاده از مشخصات زلزله‌های منطقه ساختگاه و با توجه به ویژگی‌های زمین‌شناسی، تکتونیکی، لرزه شناسی، میزان خطرپذیری و مشخصات خاک در لایه‌های مختلف ساختگاه، و با به‌کارگیری نسبت میرائی 5 درصد تعیین می‌گردد. در صورتی که نوع ساختمان و سطح زلزله مورد نظر نسبت میرائی متفاوتی را ایجاب کند، می‌توان آن را مبنای تهیه طیف قرار داد. مقادیر محاسبه شده این طیف باید در ضریب اهمیت I و عکس ضریب رفتار l/Ru ضرب گردد.
مقادیر طیف طرح ویژه ساختگاه نباید کمتر از 80 درصد مقادیر طیف طرح استاندارد اختیار شود.
طیف طرح ویژه را می‌توان در کلیه ساختمان‌ها به کاربرد، ولی استفاده از آن در ساختگاههایی که مطابق بند (2-4-5) مطالعات ویژه ساختگاه برای آن‌ها الزامی است و نیز در مورد ساختمان‌هایی که طبق بند (3-2-2) مشمول استفاده از روش تحلیل دینامیکی می‌شوند و در آن‌ها یکی از شرایط زیر موجود است، الزامی است.
الف – ساختمان‌های با ارتفاع بیش از 150 متر از تراز پایه و یا دارای زمان تناوب اصلی نوسان T، بیشتر از 3.5 ثانیه
ب– ساختمان‌های «با اهمیت خیلی زیاد و زیاد» که بر روی زمین‌های غیراز نوع I، II یا III جدول (2-3)، ساخته می‌شوند.
پ– ساختمان‌های بلندتر از 50 متر که بر روی زمین‌های غیراز نوع I، II یا III جدول (2-3)، ساخته می‌شوند.
ت– ساختمان‌های بلندتر از 50 متر که بر روی زمین‌های نوع II و III، با ضخامت لایه خاک بیش از 60 متر ساخته می‌شوند.
3-5-2 تاریخچه زمانی شتاب، شتاب‌نگاشت
1-3-5-2 حرکت زمین در تعیین اثر زلزله بر ساختمان‌ها را می‌توان مستقیماً با منظور نمودن تغییرات شتاب با زمان در تحلیل دینامیکی سازه به دست آورد. استفاده از این روش در کلیه ساختمان‌ها مجاز است. شتاب‌نگاشت‌های مورد استفاده باید دارای خصوصیات مندرج در بندهای زیر باشند.
2-3-5-2 شتاب‌نگاشت‌هایی که در تعیین اثر حرکت زمین مورد استفاده قرار می‌گیرند باید تا حد امکان نمایانگر حرکت واقعی زمین در محل احداث بنا، در هنگام زلزله، باشند. برای نیل به این هدف لازم است حداقل سه زوج شتاب‌نگاشت متعلق به مؤلفه‌های افقی سه زلزله مختلف ثبت شده که دارای ویژگی‌های زیر باشند انتخاب گردند:
الف– شتاب‌نگاشت‌ها متعلق به زلزله‌هایی باشند که شرایط زلزله طرح را ارضا کنند و در آن‌ها اثر: بزرگا، فاصله از گسل، سازوکار چشمه لرزه‌زا در نظر گرفته شده باشد.
ب– ساختگاه‌های شتاب‌نگاشت‌ها باید به لحاظ ویژگی‌های زمین‌شناسی، تکتونیکی، لرزه‌شناسی و بخصوص مشخصات لایه‌های خاک با زمین محل ساختمان، تا حد امکان، مشابهت داشته باشند.
پ– مدت زمان حرکت شدید زمین در شتاب‌نگاشت‌ها حداقل برابر با 10 ثانیه یا سه برابر زمان تناوب اصلی سازه، هر کدام بیشتر است، باشد. مدت زمان حرکت شدید شتاب‌نگاشت‌ها را می‌توان از روش‌های معتبر مانند روش توزیع تجمعی انرژی، تعیین کرد.
در مواردی که تعداد مورد نیاز از زوج شتاب‌نگاشت‌های مناسب ثبت شده در دسترس نباشد، می‌توان از زوج شتاب‌نگاشت‌های شبیه‌سازی شده مناسب برای تکمیل تعداد آن‌ها استفاده کرد.
3-3-5-2 زوج شتاب‌نگاشت‌های انتخاب شده برای تحلیل سه بعدی سازه‌ها باید به روش زیر به مقیاس در آورده شوند:
الف – هر زوج شتاب‌نگاشت به مقدار حداکثر خود مقیاس شوند. بدین معنی که حداکثر شتاب در مؤلفه‌ای که دارای بیشینه بزرگتری است، برابر با شتاب ثقل g گردد.
ب– طیف پاسخ شتاب هر یک از زوج شتاب‌نگاشت‌های مقیاس شده با منظور کردن نسبت میرائی 5 درصد تعیین گردد.
پ– طیف‌های پاسخ هر زوج شتاب‌نگاشت با استفاده از روش جذر مجموع مربعات با یکدیگر ترکیب شده و یک طیف ترکیبی واحد برای هر زوج ساخته شود.
ت– هر زوج شتاب‌نگاشت چنان مقیاس شود که برای هر پریود در محدوده 0.2T الى 1.5T، مقدار متوسط طیف جذر مجموع مربعات مربوط به تمام زوج مؤلفه‌ها، بیش از ده درصد از 1/3 برابر مقدار متناظر طیف طرح استاندارد کمتر نشود. آن زمان تناوب اصلی ساختمان بر طبق بند (3-3-3) است.
ث– ضریب مقیاس تعیین شده باید در شتاب‌نگاشت‌های مقیاس شده در بند (الف) ضرب شود و در تحلیل دینامیکی مورد استفاده قرار گیرد.
در مواردی که تحلیل سازه به صورت دوبعدی انجام می‌شود، طیف مؤلفه بزرگتر شتاب‌نگاشت باید با طیف استاندارد مقایسه گردد.
