وقتی کوتاه شدگی بادبند به حد کافی بزرگ می‌شود که می‌تواند چرخش بزرگی را در ناحیه تشکیل مفصل پلاستیک ایجاد کند، کمانش موضعی اتفاق می‌افتد و با باربرداری و اعمال کشش در ناحیه‌ای که کمانش موضعی رخ داده بود، ترک‌ها تشکیل شده و عضو گسیخته می‌شود. یعنی در صورت رعایت الزامات طراحی لرزه‌ای، با افزایش تغییر‌مکان اعمالی گسیختگی فقط در مفصل پلاستیک بادبندها و در سطح شکل‌پذیری پیش‌بینی شده صورت خواهد گرفت.
کمانش خارج از صفحه بادبند تقاضای زیادی در اتصال بادبند به وجود می ­آورد که لازم است بر اساس نتایج آزمایشگاهی و تئوریکی این تغییر شکل‌ها را پیش‌بینی کرد. از طرف دیگر، در بادبند‌هایX شکل به علت کاهش طول کمانشی، تقاضای کمانش موضعی بیشتر شده و باعث افت مقاومت و سختی بادبندها در حلقه‌های هسیترزیس می‌شود.
از جمله اثرات منفی اندر‌کنش دو بادبند کششی و فشاری در سیستم X شکل این است که با افزایش تغییرشکل جانبی در بادبند فشاری، تنش‌های خمشی در بادبند کششی تشکیل می‌شود که نتیجتاً بیشترین باربری آن در کشش کمتر از Py می‌شود[۱۱].
۲-۳-۵- اثر لاغری بر منحنی هسیترزیس بادبندهای X شکل
همان‌طور که قبلا نیز اشاره شد، در طراحی لرزه‌ای برای تعیین مقاومت فشاری بادبندها و ارزیابی ظرفیت جذب انرژی آن‌ها، از طول موثر یا نسبت لاغری بادبندها استفاده می‌شود. می‌توان چنین گفت که ویژگی‌های جذب انرژی سیستم بادبندی X شکل را با بهره گرفتن از پارامتر لاغری بادبند λ و فرض وجود اتکای جانبی در اتصال وسط بادبند می‌توان به خوبی تعریف کرد.

آزمایشات زیادی در مورد اثر لاغری بر منحنی هسیترزیس بادبندهای Xشکل صورت گرفته و این مطالعات نشان داده‌اند که با کاهش لاغری بادبندها، ظرفیت جذب انرژی آن‌ها بیشتر می‌شود همانند شکل (۲-۱۲و۲-۱۳).این نتایج قبلاً در آیین نامه‌های لرزه‌ای امریکا شمالی ۱۹۹۷ AISC & 1994 CSA برای تأمین رفتار شکل پذیر تحت زلزله­های شدید گنجانده شده بود. در این آیین نامه‌ها بیشترین لاغری بادبند برای کمترین جذب انرژی مشخص شده است. بادبندهایی که نسبت لاغری آن‌ها کمتر است، تغییرشکل‌های شدید پلاستیک پس از کمانش را متحمل می­شوند و در نتیجه انحنای ناشی از بخش غیر‌ارتجاعی، کمانش موضعی بزرگی به وجود می‌آید که منجر به گسیختگی بادبندها می‌شود.
برای بادبندهای مختلف با شرایط انتهایی متفاوت در سال‌های ۱۹۷۷ و ۱۹۸۱ تست‌هایی انجام گرفت و نشان داده شد که مفهوم طول موثر که از تئوری الاستیک توسعه یافته است در محدوده غیر‌الاستیک نیز برای تعیین توانایی بادبندها در جذب انرژی ورودی لرزه‌ای می‌تواند استفاده شود.
مطالعات تحلیلی که ۱۹۸۹ Stoman& 1999 Hohbachانجام دادند به این نتیجه رسیدند که بادبند کششی می‌تواند اتکای موثری در نقطه اتصال وسط برای بادبند فشاری تأمین نماید. برای شکل بادبندی متقارن و دو سر مفصلی، ضریب طول موثر K هم برای داخل صفحه و هم برای خارج صفحه ۵/۰ پیشنهاد شد.
تست‌های ۱۹۷۴ Wakabayashiدر قاب‌های خمشی با بادبندی‌های Xشکل و مقطع Hشکل نشان داد که طول موثر بادبند می‌تواند طول میان نقطه اتصال وسط و انتهای ورق Gusset گرفته شود (ملاحظه کاری غیر ضروری است). این محقق در سال ۱۹۷۷ چنین پیشنهاد کرد که طول موثری که پاسخ غیر‌الاستیک را مشخص می‌کند می‌تواند ۶/۰ در کمانش داخل صفحه و ۷/۰ در کمانش خارج صفحه باشد. در سال ۱۹۹۲ همین محقق در گزارش خود در مورد بادبندهای Xشکل چنین نتیجه گیری کرد که مقدار Kبسته به نوع اتصالات و صفحه کمانشی می‌تواند از ۴/۰ ~ ۶۵/۰ تغییر یابد.
هم‌چنین تست‌های انجام شده توسط (۱۹۹۵ ~ ۱۹۸۶ ElTayem & Goel) نشان داد که طول موثر در بادبندهای Xشکل را می‌توان ۸۵/۰ بر ابر نصف طول بادبند قطری گرفت. وی در آزمایشات تجربی دیگری نیز با فرض اینکه بادبند کششی % ۹۰ ~ % ۸۳ نصف طول بادبند پیشنهاد کرد[۱۱].

شکل۲- ۱۲٫ الف) بر اساس مدل تجربی ب) بر اساس مدل عددی و تئوریکی

شکل۲- ۱۳٫الف) بر اساس مدل تجربی ب) بر اساس مدل عددی
۲-۴- بررسی تفاوت ضوابط آیین نامه مبحث دهم در ویرایش سال ۸۴ و ۸۷ در بادبند­ها [۳و۴]
یکی از تغییرات بسیار اساسی در بخش ۱۰-۳ مربوط به ضوابط ویژه لرزه‌ای است. اولین تغییر در این زمینه تقسیم سیستم سازه‌ای مهار بند‌های هم محور به شکل‌پذیری‌های زیاد و کم است. در مورد مهاربندهای با شکل­پذیری کم محدودیت­های کمتری در نظر گرفته شده است.
یکی از مهم‌ترین و متداول‌ترین سیستم‌های سازه‌ای که برای ساختمان‌های کوتاه و نسبتاً کوتاه بویژه در شهرهای کوچک‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرد و در این ویرایش ضوابط آن دچار تغییر شده است سیستم قاب ساده فولادی و مهاربندهای با شکل‌پذیری کم می‌باشد، تغییرات این سیستم به شرح زیر است:
تغییر بسیار مهم در این زمینه این است که پس از دو ویرایش دو و سه آیین نامه ۲۸۰۰ و ویرایش قبلی مبحث دهم که بطور کلی طراحی بادبندها با نیروی کششی محض ممنوع شده بود، در این ویرایش دوباره همانند ویرایش اول طبق بند ۱۰-۳-۹-۳-۱-۳ طراحی بادبندهای قطری و ضربدری با نیروی محوری کششی مجاز دانسته شده است. مطابق این بند استفاده از مقطع تک نبشی، تسمه و میلگرد یا کابل برای این بادبندها مجاز دانسته شده است. این مسئله شامل بادبندهای ۷ و ۸ نمی‌شود.
دومین تغییر مهم در طراحی این سیستم آن است که دیگر اجباری به کاهش تنش مجاز فشاری بادبندها با اعمال ضریب کاهش B نیست و بادبندها برای این حد شکل‌پذیری می‌توانند با تنش‌های مجاز فشاری بر اساس ضوابط بخش ۱۰-۱ مبحث دهم همانند بقیه اعضای فشاری طراحی شوند. همچنین دیگر محدودیتی برای نحوه توزیع نیروهای برشی طبقات بین بادبندهای کششی و فشاری نیست و می‌توان حتی ۱۰۰ درصد نیروها را به بادبندهای کششی و یا به بادبندهای فشاری اختصاص داد. مورد دیگر هم محدودیت فاصله قیدهای متصل کننده بادبندهای دوبل بود که در این ویرایش این محدودیت برای بادبندها در این حد شکل‌پذیری حذف شده است و تنها ضوابط ذکر شده در بخش ۱۰-۱ و ۱۰-۲ آیین نامه کفایت می‌کند.
تغییر دیگر در مورد این بادبندها این است که برای بادبندهای شورون(۷و۸) نیازی به ۵/۱ برابر کردن نیروی بادبند جهت طراحی نیست. البته برای این بادبندها مطابق بند ۱۰-۳-۹-۳-۲-۱ باید محدودیت حداکثر لاغری (برای فولاد ST37 عدد ۱۲۳) رعایت گردد. تیرهایی که به این بادبندها متصل هستند نیز باید مطابق بند ۱۰-۳-۹-۳-۴ ضوابط قاب‌های با مهار بندی ویژه مطابق ضابطه بند ۱۰-۳-۹-۲-۴ را ارضاء نمایند. بر این اساس همانند ویرایش قبلی این تیرها باید بتوانند بدون حضور مهاربند نیروهای ثقلی را تحمل نمایند و در فاصله بین دو ستون به صورت پیوسته اجرا شوند و مهار جانبی کافی هم برای جلوگیری از کمانش پیچشی - جانبی در هر دو بال پایین و بالا آن‌ها پیش‌بینی شود (این قید در این ویرایش به صراحت ذکر شده است و در ویرایش قبلی چیزی در این مورد ذکر نشده است) ضوابط محدود کننده دیگری هم برای این تیرها ذکر شده است که بر اساس آن تیر دهانه این بادبند باید اثر توزیع نامتعادل نیروها در دو بادبند یک قاب باید برای یک نیروی برشی و لنگر خمشی ناشی از این موضوع طراحی شوند. بر این اساس باید نیروی محوری در بادبند کششی برابر ظرفیت کششی آن و در بادبند فشاری ۳۰ درصد مقدار مجاز آن بر اساس حاصل ضرب تنش مجاز فشاری در سطح مقطع آن در نظر گرفته شود و بر این اساس نیرو در تیر محاسبه شده و برای تحمل آن تدابیر لازم اندیشیده شود.
نکته دیگر در این زمینه که البته برای مهار‌بندهای با شکل‌پذیری زیاد هم ذکر شده است توصیه در مورد ضریب طول بادبندها است که در بند ۱۰-۳-۹-۲-۳-۲ اشاره شده است. بر این اساس بادبندهای ۷ و ۸ و قطری برابر یک و در مهار‌بندهای ضربدری برای جهت اصلی برابر ۰٫۵ و برای کمانش در راستای جانبی برابر ۷۰/۰ توصیه شده است. (این ضریب معمولاً تا قبل از این برای صفحه جانبی برابر ۶۶/۰ در نظر گرفته می‌شد)
یک مساله دیگر در این زمینه مربوط به بادبندهای ساختمان‌های یک و دو طبقه است که بر اساس ویرایش جدید نیازی به در نظر گرفتن ضوابط ویژه لرزه‌ای در طراحی آن‌ها نیست و همان ضوابط عادی در طراحی آن‌ها کفایت می‌کند. البته در ویرایش قبلی اشاراتی به این مسئله شده بود که برای آن شرایطی ذکر شده بود که این شرایط در این ویرایش حذف شده است.
در مورد طراحی اتصالات بادبندها نسبت به ویرایش قبلی برای این سیستم تغییر قابل توجهی مشاهده نمی‌شود.
یک بحث مهم که در این ویرایش در بحث طراحی لرزه‌ای دچار تغییر شده است بحث ترکیب بار ویژه کنترل ستون‌ها برای بارهای محوری است. در ویرایش جدید، اول اینکه حد مجاز برای مقایسه به جای حداکثر ظرفیت ستون در حد تسلیم (حاصل ضرب تنش تسلیم در سطح مقطع ستون برای بارهای محوری کششی و حاصل‌ضرب ۷/۱ در تنش مجاز فشاری در سطح مقطع ستون) به حد تنش مجاز (برای روش طراحی تنش مجاز) مشابه روش بخش ۱۰-۱ مبحث دهم تغییر یافته است.
تغییر دیگر در مقادیر ضریب (ضریب تشدید نیروی زلزله) است که مقادیر این ضریب نسبت به ویرایش قبلی کاهش یافته است و به طور مثال برای سیستم با مهاربند هم‌محور از عدد ۴/۲ به عدد ۲ کاهش یافته است. مقادیر دقیق این ضرایب در جدول ۱۰-۳-۲ ذکر شده است.
غیر از آن در ترکیب بارهای محاسبه این نیروها هم یک ضریب ۷۵/۰ ضرب شده است. با این شرایط با توجه به کاهش مقادیر مجاز (تقسیم مقادیر مجاز به ضریب اطمینان حدود۷/۱) و مواردی که ذکر شد مقادیر محاسبه شده توسط این ترکیب بارها نسبت به ویرایش قبلی اندکی بیشتر خواهد بود. اما یک استثنا در این زمینه در بند ۱۰-۳-۶-۱ ب وجود دارد که بر این اساس مقدار بار محوری محاسبه شده در بالا لازم نیست که از ۲۵/۱برابر حداکثر نیرویی که اعضای متصل به سازه بر اساس تنش‌های مجاز آن‌ها می‌توانند به آن منتقل نمایند و یا حداکثر نیرویی که پی نگهدار نده ستون می‌تواند در برابر واژگونی تحمل نماید بیشتر در نظر گرفته شود.
به نظر می‌رسد که با رعایت ضابطه این بند بتوان اندکی بار محوری طراحی ستون را نسبت به ویرایش قبلی تعدیل نمود. البته در اینجا توضیحات کافی در مورد حداکثر نیرویی که تیرها به ستون منتقل می‌کنند داده نشده است. آیا این نیرو باید بر اساس مقاومت برشی تیر در نظر گرفته شود یا مقاومت خمشی آن؟ و یا اینکه باید مقاومت اتصال را در نظر گرفت و نه مقاومت تیر (که البته منطقی‌تر است که مقاومت تیر را در نظر گرفت)
فصل سوم
مفاهیم روش طراحی بر مبنای عملکرد و روش تحلیل دینامیکی فزاینده (IDA)
۳-۱- طراحی بر مبنای عملکرد
تقریباً روش طراحی تمام آیین نامه‌های موجود که در طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله از آن‌ها استفاده می‌گردد. بر مبنای مقاومت اجزای سازه است، این روش شامل تخمین برش پایه در سازه و توزیع آن در ارتفاع ساختمان و تعیین مقاومت اجزای سازه در برابر این بار است. صرف نظر از کاستی‌هایی که در این روش وجود دارد و با توجه به زلزله‌های رخ داده در سال‌های اخیر و بررسی‌های انجام شده، محققین به این نتیجه رسیده‌اند که طراحی لرزه‌ای سازه‌ها بر مبنای مقاومت و در محدوده‌ی ارتجاعی نمی­تواند پاسخ‌گوی نیازهای واقعی سازه و بیان کننده‌ رفتار واقعی آن در هنگام وقوع زلزله باشد. از طرف دیگر مشخص گردیده که افزایش مقاومت در اجزای یک سازه الزاماً به معنای افزایش ایمنی در آن نمی‌باشد. با توجه به موارد فوق و دلایل دیگری که می‌توان در عدم کار آمدی روش طراحی بر مبنای مقاومت بر‌شمرد روش طراحی بر مبنای عملکرد جایگزین این روش قدیمی طراحی گردید. در حقیقت هدف از طراحی لرزه‌ای بر اساس عملکرد این است که طراح را قادر می‌سازد تا سازه‌هایی طراحی کند که عملکرد آنها قابل پیش‌بینی باشد، از طرف دیگر این روش طراحی به کارفرما اختیار انتخاب میزان خطر پذیری سازه‌ی خود را تحت سطح خطر خاص می­دهد[۱۲].
در روش طراحی بر مبنای عملکرد دو ویژگی دارای اهمیت بسیار زیادی می‌باشند.
۱-سطح خطر زلزله‌ی طرح.
۲- سطح عملکرد مورد انتظار از سازه
در روش طراحی بر اساس مقاومت، نیروی داخلی اعضا به عنوان شاخص طراحی و مقاومت اعضا به عنوان حدود این نیرو در نظر گرفته می­شوند. اما در روش طراحی بر اساس عملکرد، که بر رفتار غیرخطی سیستم­های سازه­ای در زلزله­های شدید تاکید می­ کند تغییر مکان به عنوان مناسب­ترین شاخص رفتار شناخته می­ شود.
۳-۱-۱- مفهوم طراحی لرزه‌ای بر اساس عملکرد
طراحی لرزه‌ای بر اساس عملکرد مستلزم انتخاب معیارهای طراحی صحیح، سیستم­های سازه­ای مناسب، تعیین محل قرارگیری سازه، تعیین هندسه اعضا، ارائه جزئیات برای سازه و اجزای سازه­ای، محتویات ساختمان و کنترل و اطمینان از کیفیت ساخت و نگهداری در دراز مدت می­باشد، به‌طوری که سازه در برابر سطوح مشخص حرکت زمین، با قابلیت اطمینان مشخص، رفتار کند. بر اساس این تعریف، واضح است که مهندسی زلزله بر اساس عملکرد روشی است که با تعریف پروژه شروع می­ شود و در مدت عمر ساختمان ادامه می­یابد. مفهوم طراحی بر اساس عملکرد تنها به ساختمان محدود نمی­ شود بلکه به صورت کلی برای همه سازه­ها و اجزای الحاقی غیر سازه‌ای متصل به آن‌ها و محتویات ساختمان قابل استفاده می­باشد. در چارچوب پیشنهاد شده توسط SEAOC^[1] همه جنبه­ های مهندسی بر اساس عملکرد، شامل طراحی سازه­ای و غیر‌سازه‌ای، اطمینان از کیفیت اجزاء و نگهداری مجموعه ساختمان در مدت عمر مفید آن در بر گرفته می­ شود[۱۳].
در طراحی لرزه‌ای ساختمان­ها هیچ‌گاه هدف این نیست که سازه در مقابل شدیدترین زلزله ممکن دچار هیچ­گونه خرابی نشود، زیرا این امر نه ضروری به نظر می­رسد و نه از لحاظ اقتصادی منطقی می­باشد. به عبارت دیگر در طراحی لرزه‌ای سازه­ها، طراح این واقعیت را می­پذیرد که سازه در طول زلزله­های بزرگ مقداری از عملکرد خود را از دست بدهد. با توجه به این واقعیت هدف اصلی در طراحی لرزه‌ای این است که خرابی یک سازه تحت زلزله­های مختلف در حد قابل قبولی محدود شود[۱۴].
هدف طراحی در آیین نامه­ های فعلی حفظ ایمنی جانی تحت زلزله­های شدید می­باشد به طوری که شرایط خدمت پذیری نیز به طور ضمنی کنترل می­ شود. به عنوان مثال آیین نامه ۲۸۰۰ هدف خود را این چنین بیان می‌کند. تعیین حداقل ضوابط و مقررات برای طرح و اجرای ساختمان­ها در برابر اثرات ناشی از زلزله به طوری که با حفظ ایستایی ساختمان در زلزله­های شدید، تلفات جانی به حداقل برسد و نیز ساختمان در برابر زلزله­های خفیف و متوسط بدون وارد شدن آسیب عمده سازه­ای قادر به مقاومت باشد. همان طور که دیده می­ شود این هدف یک هدف حداقل است که برای سازه­های معمولی لازم ‌الاجرا می­باشد. برای سازه­های خاص احتیاج به اهداف کامل­تری می­باشد که سعی شده است با وارد کردن ضریب اهمیت این مسئله در نظر گرفته شود که البته این ضریب نمی­تواند به طور کامل نیازهای مختلف طراحـــی را برآورده سازد[۱۵].
عوامل مورد استفاده در روش طراحی عملکردی عبارتند از[۱۴]:
- هدف طراحی: نشان دهنده سطح عملکرد مورد نیاز برای سازه تحت وقوع زلزله­هایی با شدت­های مختلف (دوره بازگشت مشخص) می­باشد. اهداف طراحی باید بر اساس کاربری سازه، نوع سیستم و رفتار سازه، عوامل اقتصادی (شامل هزینه­ های ساخت و تعمیرات آتی) و عوامل اجتماعی- سیاسی انتخاب شود.
- سطح عملکردی: نشان‌دهنده حداکثر خرابی مورد انتظار سازه است به‌طوری که اگر خرابی از این حد افزایش پیدا کند، سطح عملکردی سازه نیز تغییر پیدا خواهد کرد. وضعیت کلیه اجزای سازه­ای و غیر سازه­ای در تعریف این سطوح عملکردی دخیل می­باشند.
- عوامل ناشی از زلزله: شامل تمام عوامل طبیعی که مربــوط به حرکت و لغـزش زمیـــن ناشی از زلــزله می­باشند، از قبیل: شکست گسل، روان گرایی، لغزش زمین و نشست­های نامساوی. هر یک از این عوامل می­توانند موجب خرابی سازه و لذا کاهش عملکرد آن گردند. مقدار خرابی ناشی از این عوامل بستگی به شدت و بزرگی آن عامل دارد که آن نیز وابسته به بزرگی زلزله، فاصله سازه از گسل، جهت گسترش گسل، جنس زمین منطقه و شرایط خاص محل مورد نظر است. در یک طراحی ایده­آل عملکردی باید اثرات کلیه این عوامل در طراحی در نظر گرفته شود.
۳-۱-۲- سطوح عملکرد
یک سطح عملکرد بیانگر محدوده­ای از تخریب است که برای یک ساختمان مشخص و زلزله معین مناسب باشد. سطوح عملکردی برای اجزای سازه­ای و غیر سازه‌ای به صورت مجزا تعیین می­شوند[۱۶].در دستورالعمل بهسازی لرزه‌ای ساختمان­های موجود، سطوح عملکردی اجزای سازه­ای با شماره و اجزای غیر سازه‌ای با حروف انگلیسی مشخص شده ­اند. سطوح عملکرد کل ساختمان ترکیبی از این دو سطح عملکرد بوده و با ترکیب حروف و اعداد نام‌گذاری می­شوند.
۳-۱-۲-۱- سطوح عملکرد اجزای سازه­ای
سطوح عملکرد اجزای سازه­ای شامل چهار سطح عملکرد اصلی و دو سطح عملکرد میانی است. سطوح عملکرد اصلی براساس نشریه ۳۶۰سازمان مدیریت وبرنامه ریزی کشور عبارتند از[۱۶]:
الف– سطح عملکرد ۱: قابلیت استفاده بی وقفه
ب– سطح عملکرد ۳: ایمنی جانی