کتاب زلزله برای معماران اثر محمدرضا تابش پور ناشر فدک ایساتیس

هرچند کشور ایران ازنظر لرزه خیزی در حد کشورهایی مانند ژاپن، نیوزلند و آمریکای غربی نیست و بر خلاف برخی کشورها که به طور متوسط هر یک سالی یک زلزله شدید را تجربه می کنند، ما در ایران به طور متوسط هر ده سال یک زلزله شدید را تجربه می کنیم، ولی در ایران در آمار نسبی تلفات جانی در سطح جهان رکورددار است. هرچند در ایران اساتید و مهندسان با تجربه فراوانی در مهندسی زلزله و طراحی لرزه ای وجود دارد ولی کیفیت نامناسب ساخت و عدم نظارت صحیح برساخت و سازها باعث شده است که اکثریت سازه ها در برابر زلزله آسیب پذیر باشند. در کتاب حاضر به چیستی پدیده زلزله و نحوه اثر آن بر سازه ها و انواع خرابی های ایجاد شده به علت زلزله پرداخته شده است.

سخن مؤلف

هر چند شدت لرزه¬خیزی کشور ایران از آسیای شرقی (به¬عنوان مثال کشور ژاپن) به مقدار قابل‌ملاحظه‌ای کمتر است، با وجود این، آمار تلفات زلزله در کشور ایران در مقایسه با جمعیت آن در همه‌ي جهان بی‌نظیر است. علت این امر، بي‌توجهي عمومی به ساخت و ساز مقاوم در برابر زلزله است. یکی از کارهای اساسی در جهت حل این مشکل، تدوین و تألیف منابع مورد نیاز برای مهندس معماری کشور است.
با توجه به نقش پررنگ معماران در فرایند ساخت و ساز، باید ملاحظات لرزه¬ای در طراحی معماری نیز با جدیت مورد توجه قرار گیرد. از آن¬جا كه ملاحظات معماري به¬خصوص در حوزه ديوارها، شديداً بر رفتار لرزه¬اي سازه¬ها اثر مي¬گذارد، پرداختن هم¬زمان به هر دو مقوله معماري و زلزله جزء مسائل مهم در صنعت ساختمان مي¬باشد. هرچند تلاش¬هاي زيادي در ايران و جهان صورت گرفته ¬است تا بين تجربيات معماري و زلزله¬اي، تبادلات لازم صورت گيرد، ولي هنوز تا رسيدن به شرايط مطلوب آموزشي و حرفه¬اي فاصله زيادي داريم.
به‌منظور انجام وظيفه در راستاي اين رسالت، اينجانب بر آن شدم تا بر اساس دستاوردهاي مهندسي زلزله و با توجه به تجربيات مربوط به زلزله¬هاي گذشته كتاب «زلزله برای معماران» را به این جامعه بزرگ تقديم کنم.
چارلسون كتاب ارزشمندي در اين زمينه تدوين كرده ¬است كه بخش¬هايي از آن به وي‍ژه در فصول سیزدهم، چهاردهم و هفدهم استفاده شده است. طي برخي از دوره¬ها و سمينارهاي آموزشي، با تعدادي از مهندسان معماري مواجه شدم كه بر ضرورت وجود متني مصور و ساده در زمينه چيستي پديده زلزله و رفتارشناسي مودهاي شكست تأكيد مي¬كردند. تقريباً تمام اين مطالب به¬طور پراكنده در كتب دستنامه زلزله وجود دارد. ولي براي راحتي مراجعه، اين بخش¬ها به¬طور منسجم در اين كتاب كنار هم قرار گرفته است تا مهندسان معمار نيازي به مراجعه به چند كتاب از دستنامه را نداشته باشند.
به همراه كتاب يك لوح فشرده عرضه مي¬شود كه شامل ده¬ها فيلم است. در محل¬هاي مناسب متن كتاب، به اين فيلم¬ها اشاره شده است.
يكي از الزامات و بايدهاي مهم در صنعت ساختمان،‌ تبيين دقيق جايگاه مهندس عمران و معماري در كنار يك¬ديگر و تعريف رابطه دقيق آن دو با هم مي¬باشد. به اين منظور، ايجاد يك زبان مشترك در حوزه زلزله قدم مؤثري در مفاهمه بيش¬تر و تقسيم¬بندي شفاف¬تر وظايف مهندسي مي¬باشد. شاید این کتاب گام کوچکی در این راستا باشد.
خانم سبا سروری صفحه¬آرايي قسمت¬هایی از کتاب را برعهده داشته¬اند. از زحمات صادقانه ایشان صمیمانه تشکر می¬شود. آقاي مرتضي بهادر در اصلاح شماره¬هاي مربوط به فصول انتقال يافته از كتب دستنامه زلزله، نمونه‌خوانی فصول چهارده و هفده و صفحه¬آرايي فصول هفتم تا نهم، دوازدهم، چهاردهم و هفدهم همكاري داشته¬اند، از ايشان تشكر مي¬شود. از سركار خانم آزاده نوري¬فرد در نمونه¬خواني كتاب صميمانه تشكر مي¬شود.
آقای محمد کرمی شاهنده کمک بی¬شائبه¬ای در فرآیند تولید این کتاب داشته¬اند. از لطف ایشان صمیمانه تشکر می¬شود. آقای مجیدرضا زروئی مدیرعامل انتشاراتی فدک ایساتیس با دقت فراوانی فرآیند تولید کتاب را پی¬گیری کرده¬اند؛ از حوصله و زحمات این عزیزان تقدیر می¬شود. اساتید، دانشجویان و مهندسان بزرگواری که بر نگارنده، منت می¬نهند و پیشنهادات و انتقادات خود را ارسال می¬کنند، سهم بزرگی در افزایش کیفیت مطالب کتاب در چاپ¬های بعدی خواهند داشت.

محمدرضا تابش¬پور
تهران،1393
tabeshpour@sharif.edu

فهرست مطالب
 

بخش اول: لرزه¬شناسي 1

فصل اول: ساختار زمین 3
1.1 مقدمه 5
1.2 ساختار زمین 5

فصل دوم: زمین¬ساخت صفحه¬ای 9
2.1 مقدمه 11
2.2 زمین¬ساخت صفحه¬ای 11

فصل سوم: گسلش 21
3.1 مقدمه 23
3.2 انواع مرزها 23
3.3 شکست سنگ و گسلش 27

فصل چهارم: انتشار امواج 37
4.1 مقدمه 39
4.2 امواج 39
4.2.1 امواج دروني (حجمي) 40
4.2.1.1 موج P 41
4.2.1.2 موج S 42
4.2.2 امواج سطحي 42
4.2.2.1 موج رايلي 43
4.2.2.2 موج لاو 43
4.3 انتشار امواج 47

فصل پنجم: ثبت زلزله 55
5.1 مقدمه 57
5.2 دستگاه¬های ثبت زلزله 58
5.3 انتشار امواج و رکورد زلزله 60
5.4 تعیین محل زلزله 63
5.5 پایگاه داده¬های رکورد زلزله 66

فصل ششم: مقیاس سنجش و بزرگا 71
6.1 مقدمه 73
6.2 مقياس سنجش زلزله (بزرگا) 74
6.2.1 بزرگاي محلي ريشتر 74
6.2.2 بزرگاي موج سطحي 75
6.2.3 بزرگاي موج حجمي 76
6.2.4 ديگر مقياس¬هاي بزرگاي دستگاهي 76
6.2.5 بزرگاي گشتاوري 77
6.3 انرژي زلزله 77
6.3.1 شدت مرکالي اصلاح¬شده (Modified Mercalli Intensity, MMI) 78

بخش دوم: سازه و ژئوتكنيك 85

فصل هفتم:اصطلاحات فني سازه¬ 87
7.1 پارامترهاي اساسي در مهندسي زلزله 89
1.1.7 سختی 89
2.1.7 مقاومت 89
3.1.7 شکل¬پذیری 90
7.2 موضوع مهندسي زلزله 91
7.3 موضوع طراحي سازه¬هاي مقاوم در برابر زلزله 91
7.4 اثر 91
7.5 اتصال خورجيني 91
7.6 بناهاي ضروري (Essential Facilities) 91
7.7 برش طبقه (Story Shear) 91
7.8 برش پايه (Base Shear) 92
7.9 تراز پايه (Base) 93
7.10 تغيير مکان نسبي طبقه (Story Drift) 93
7.11 ديافراگم (Diaphragm) 93
7.12 مرکز سختي (Center of Rigidity) 102
7.13 روانگرايي (Liquefaction) 103
7.14 سختي طبقه 103
7.15 سيستم مهاربندي افقي (Horizontal Bracing System) 103
7.16 طبقه (Story) 105
7.17 طبقه¬ي¬نرم (Soft Story) 105
7.18 طبقه ضعيف (Weak Story) 106
7.19 قاب مهاربندي شده (Braced Frame) 107
7.20 شکست ستون کوتاه (Short Column) 108
7.21 اثر ساختگاه (Site Effect) 108
7.22 آسيب سازه‌اي و آسيب عمده¬ی سازه‌اي 109
7.23 قابليت بهره‌برداري بدون¬وقفه 109
7.24 قابليت استفاده¬ي بدون¬وقفه 110
7.25 ايمني جانی 110

فصل هشتم: انواع سیستم‌های باربر جانبی 115
8.1 مقدمه 117
8.2 سيستم باربر جانبي (Lateral Force Resisting System) 117
8.2.1 سيستم ديوارهاي باربر (Bearing Wall System) 118
8.2.2 سيستم قاب ساختماني ساده (Building Frame System) 118
8.2.2.1 سیستم ساده¬ی دارای دیوار برشی 119
8.2.2.2 سیستم ساده¬ي مهاربندي¬شده (Braced Frame) 120
8.2.2.2.1 قاب بادبندي¬شده¬ي هم¬محور (CBF) 120
8.2.2.2.2 قاب مهاربندي¬شده¬ي برون¬محور (EBF) 123
8.2.2.3 سيستم مهاربندي کمانش¬تاب 125
8.2.3 سیستم قاب خمشی (Moment Resisting Frame) 127
8.2.3.1 قاب خمشي معمولي (OMRF) 132
8.2.3.2 قاب خمشي متوسط (IMRF) 132
8.2.3.3 قاب خمشي ويژه (Special Moment Resisting Frame) 133
8.2.4 سيستم دوگانه يا ترکيبي (Dual System) 135
8.3 چيدمان و تركيب مختلف انواع سيستم باربر لرزهاي 136
8.4 ساير سيستم‌هاي سازه‌اي 138

فصل نهم: ديافراگم سقف 143
1.9 مقدمه 145
2.9 رفتارشناسي ديافراگم و تغييرشكل‌هاي آن 146

فصل دهم: ملاحظات ژئوتكنيكي 155
10.1 مقدمه 157
10.2 روان¬گرايي 157
10.3 زمين لغزش 165
10.4 شکست خاک زير پی تحت بار زلزله و رفتار پي¬ها 168
10.5 نشست 170
10.6 اثرات ساختگاه 173
1.6.10 اندرکنش خاک و سازه 173
2.6.10 افزایش دامنه حرکت در ساختگاه نرم 174
3.6.10 افزایش پریود حرکت و نزدیک شدن به پریود خاک (فیلتراسیون) 174
10.7 شكستگي سطح زمين به علت گسيختگي گسل 176

بخش سوم: مودهاي شكست 179

فصل يازدهم: انواع خسارات وخرابی¬ها 181
11.1 مقدمه 183
11.2 نحوه¬ی اثر نیروی زلزله بر سازه 183
11.3 تقسيم‌بندي صدمات زلزله 185
11.3.1 خرابي¬هاي فيزيكي مستقيم 186
11.3.2 صدمات اجتماعي 186
11.3.3 زيان¬هاي اقتصادي 186
11.4 عوامل مؤثر بر خسارات ناشي از زلزله 187
11.5 نوع سازه 187
11.6 سازه بتني 187
11.7 سازه فولادي 192
11.8 سازه¬های بنایی 198
11.8.1 مودهای شکست سقف 198
11.8.2 وزن زیاد سقف 207
11.8.3 مود شکست گوشه 208
11.8.4 شکست درون¬صفحه¬ی دیوار 210
11.8.4.1 شکست برشي 210
11.8.4.2 شکست برشي- لغزشي 211
11.8.4.3 شکست خمشي 211
11.8.5 شکست برون¬صفحه¬ی دیوار 214
11.8.6 شکست جرز 217
11.8.7 شکست برشی جرزها 218
11.8.8 شکست¬های مرتبط با بازشو 220
11.8.9 مودهای شکست کلاف 224
11.9 مودهای شکست ساختمان¬های نیمه¬اسکلتی 231
11.10 قاب و ديوار پرکننده¬ي آجري 235
11.10.1 شکست طبقه¬ي نرم (يا ضعيف) 236
11.10.2 شکست پيچشي 237
11.10.3 شکست ستون کوتاه 240
11.11 اجزاي غيرسازه¬اي 241
11.12 شريان¬هاي حياتي 242
11.13 اثرات ساختگاهي و پي 245
11.14 خطرات جانبي 245
11.14.1 گسيختگي زمين 245
11.14.2 گسيختگي گسل 250
11.14.3 سيل 251
11.14.4 آتش‌سوزي 251
11.15 تدابیر ضروری برای مقابله با زلزله 252
11.16 بیمه 252
11.17 لزوم مطالعات لرزه¬شناسی در پروژه¬های عمرانی 253
پرسش¬ها 253

بخش چهارم: ملاحظات معماري 259

فصل دوازدهم: ملاحظات معماري و فرم سازه 261
12.1 مقدمه 263
12.2 مسائل معماري و شکل¬بندي (ترکیب¬بندی) سازه 264
12.3 شکل‌بندي هندسي 265
12.3.1 مسائل شکل بندي در پلان 266
12.3.1.1 ابعاد سازه 266
12.3.1.2 تمرکز تنش به¬علت پلان‌هاي پيچيده 267
12.3.2 مسائل شکل¬بندي در ارتفاع 268
12.3.2.1 تورفتگي 268
12.3.3 شکل‌بندي سازه‌اي 268
12.3.3.1 تمرکز جرم 268
12.3.3.2 ستون ضعيف 269
12.3.3.3 طبقه نرم 270
12.3.3.4 کمبود مقاومت افزونگي مربوط به درجات نامعيني 270
12.3.3.5 انعطاف‌پذيري بيش از حد سازه 271
12.3.3.6 انعطاف‌پذيري بيش از حد ديافراگم 271
12.3.3.7 پيچش 276
4.12 گروه‌بندي ساختمان‌ها بر حسب شكل 278
1.4.12 ساختمان‌هاي منظم 278
1.1.4.12 منظم بودن در پلان 278
2.1.4.12 منظم بودن در ارتفاع 282
2.2.12 ساختمان‌هاي نامنظم 285
12.5 جمع بندي 278

فصل سيزدهم: ملاحظات معماري و جزئيات اجرايي ديوار 287
13.1 مقدمه 289
13.2 اندركنش بين ديوار و قاب 291
13.3 تفاوت بين ديوارپركننده و ديوار در سازه¬ي بنايي كلاف¬دار 294
13.4 طبقه¬ي نرم (انقطاع ديوارها در ارتفاع) 296
13.5 پيچش 301
13.6 ستون كوتاه 303
13.7 رفتار خارج از صفحه¬ي ديوار 308
13.8 حل مشكلات مربوط به ديوارپركننده 312
13.9 نما 318
13.10 پانل¬هاي نما 321
13.11 ديافراگم¬ها 322

فصل چهاردهم: اجزاي غيرسازه¬اي 325
14.1 مقدمه 327
14.2 نما 328
14.3 بنايي 328
14.4 پانل‌ها 332
14.5 ساير مصالح 336
14.6 پنجره‌ها و ديوارهاي نما 337
14.7 جان‌پناه و ملحقات 340
14.8 ديوارهاي تيغه‌اي 341
14.9 سقف كاذب و طبقات بلند 343
14.10 تجهيزات مكانيكي و الكتريكي 345
14.11 وسايل داخل ساختمان 346
14.12 راه‌پله 348

بخش پنجم: بهسازي لرزه¬اي 351

فصل پانزدهم: بهسازي لرزه¬اي ديوار پرکننده و قاب آن 353
15.1 مقدمه 355
15.2 مقاوم¬سازي ديوارهاي پرکننده¬ی موجود 356

فصل شانزدهم: بهسازی لرزه¬ای سازه¬های دارای دیوار پرکننده 365
16.1 مقدمه 367
16.2 روش‌هاي بهسازي لرزهاي 367
16.2.1 بهسازي کلي يا عمومي 367
16.2.1.1 استفاده از بادبندهاي فولادي 368
16.2.1.2 اضافه كردن ديوار برشي بتني 370
16.2.1.3 اضافه كردن ديوار برشي فولادي 370
16.2.1.4 استفاده از جداگرهاي لرزهاي 371
16.2.1.5 استفاده از ميراگرها 373
16.2.2 بهسازي موضعي 373
16.2.2.1 استفاده از ژاکت بتني 376
16.2.2.2 استفاده از ژاکت فولادي 376
16.2.2.3 استفاده از الياف مسطح پلاستيکي يا غلاف FRP 379
16.3 میراگر اصطکاکی 381
16.4 ميراگر اصطکاکي مورد استفاده در اين مطالعه 382
16.5 اجزای ميراگر 382
16.6 راه‌هاي جلوگيري از تشکيل ستون کوتاه 383


بخش ششم: فناوري¬هاي نوين 387

فصل هفدهم: فناوري¬هاي نوين 389
17.1 مقدمه 391
17.2 جداسازي لرزه¬اي 391
17.3 ميراگر 400

فصل هجدهم: معرفي ميراگر و كاربرد آن در بهسازي لرزه¬اي 405
18.1 مقدمه 407
18.2 انواع ميراگر 408
18.2.1 ميراگر اصطکاکي 408
18.2.1.1 ميراگر اصطکاکي پال 408
18.2.1.2 نيروي لغزش بادبند اصطکاکي 409
18.2.1.3 ميراگر اصطکاکي چرخشي 411
18.2.2 ميراگر سيال لزج 411
18.2.3 ميراگرهاي فلزي 414
18.3 مقايسه حلقه‌هاي چرخه‌اي انواع ميراگر 415
18.4 مقايسه ميراگر اصطکاکي با ميراگر سيال لزج 416
18.5 معيار طراحي 416
18.6 تحليل ديناميکي غيرخطي 417
18.7 موارد کاربردي 417
18.7.1 بهسازي كارخانه هواپيماي بوئينگ (آمريكا) 417
18.7.2 Moscone West Convention (سانفرانسيسكو، آمريكا) 418
18.7.3 بهسازي مركز توسعه شركت بوئينگ و برخي از ساختمان‌هاي وابسته 419
18.7.4 ساختمان‌هاي مركز مراقبت بيمارستان Sharp Memorial (كاليفرنيا) 419
18.7.5 بهسازي مخزن 3 ميليون گالني (كاليفرنيا) 420
18.7.6 ساختمان كتابخانه دانشگاه Concordia (كانادا) 421
18.7.7 بهسازي لرزه‌اي ساختمان مركزي دادگستري (كانادا) 422
18.7.8 ساختمان مركزي آژانس فضايي (كانادا) 423
18.7.9 بهسازي لرزه‌اي ساختمان C. de Montreal (كانادا) 423
18.7.10 بهسازي ساختمان مركزي پليس ايالتي كبك 423
18.7.11 بهسازي ساختمان One McGill Street 424
18.7.12 هتل Atami Korakuen (استان شيزوکا) 426
18.7.13 ساختمان اداره دولتي شن يانگ (چين) 426
18.7.14 مرکز پزشکي سانبرناردينو 426
18.7.15 هتل بيجينگ (چين) 428
18.7.16 برج مرکز تجارت جهانی تبریز 428

فصل نوزدهم: معرفي نوعي ديوار جديد به¬صورت كامپوزيت مسلح 431
19.1 مقدمه 433
19.2 پانل كامپوزيت مسلح 434
19.3 اجراي پانل 436