محاسبه و آشنایی با ضریب باز تاب ساختمان

ضریب بازتاب ساختمان

به طور کلی در علم مهندسی زلزله فرض می شود که در هنگام وقوع زمین لرزه، سنگ بستر زمین که در زیر لایه های خاک قرار دارد، با شتاب  a نوسان می کند  و این ارتعاش پس از عبور از خاک به سازه رسیده و باعث ارتعاش  سازه می گردد . از سوی دیگر می دانیم که در محاسبات ساختمان تحت امواج زلزله، شتاب ایجاد شده در سازه بسیار حائز اهمیت است و می بایست مقدار آن تعیین شود زیرا که حاصل ضرب شتاب سازه در جرم آن، نیروی جانبی ایجاد شده در سازه را نتیجه می دهد. در مهندسی زلزله، شتاب سازه را به صورت ضریبی از شتاب سنگ بستر و  به صورت ضریب بازتاب ساختمان، نشان می دهند که این ضریب مفهومی از رابطه ای به فرم کلی زیر به دست می آید:

شتاب سنگ بستر*ضریب بازتاب=شتاب سازه

در یک نگاه مفهومی می توان گفت انتقال امواج ناشی از زلزله از سنگ بستر تا بالای سازه در دو فاز انجام می شود:

فاز اول:انتقال امواج از سنگ بستر تا سطح زمین.
فاز دوم: انتقال امواج از سطح زمین تا بالای سازه.
بنابراین برای تعیین شتاب سازه که به صورت ضریبی از شتاب سنگ بستر است، ویژگی های لایه های خاک و  ویژگی های سازه هر دو تاثیر گذار می باشند.

 تحقیقات نشان می دهد که مهمترین عوامل تأثیر گذار روی ضریب بازتاب ساختمان و در نتیجه روی شتاب سازه در هنگام زلزله، موارد زیر می باشند:

نوع خاک: امواج زلزله برای رسیدن به سازه باید از لایه های خاک عبور کنند. با توجه به مفاهیم ژئوتکنیک لرزه ای، ویژگی های خاک می تواند بر روی این امواج تأثیر گذاشته و شتابی که به سازه می رسد را نسبت به شتاب سنگ بستر تغییر دهد. 

ویژگی های سازه: سختی سازه بر روی نحوه ارتعاش و شتاب آن تأثیر می گذارد. به عنوان مثال ساختمان های بلند در مقایسه با ساختمان های کوتاه با زمان تناوب بیشتری نوسان می کنند که این موضوع می تواند باعث تفاوت شتاب این سازه ها نسبت به سازه های کوتاه شود.

به بیان ساده در جریان زلزله زمین به حرکت در می آید و به پای ساختمان شتاب وارد می کند. حرک زمین منجر به حرکت سازه می شود و در جرم های سازه شتاب ایجاد می کند. شتاب ایجاد شده الزاما برابر شتابی نیست که زمین به ساختمان وارد می کند زیرا که مشخصات دینامیکی ساختمان نیز وارد عمل شده و ممکن است باعث بزرگ تر شدن شتاب زمین و یا منجر به کاهش شتاب زمین شود. درواقع مشخصات دینامیکی سازه در مقایسه با مشخصات دینامیکی نیروی زلزله در میزان نیروی انتقال یافته از زمین به جرم های سازه تاثیر گذار است. 
در علم دینامیک سازه ها ثابت می شود که پارمتر مهم از ویژگی های یک سازه که در پاسخ به بار های دینامیکی آن اهمیت دارد، پریود ارتعاشات طبیعی یا زمان تناوب نوسانات طبیعی سازه است که با حرف«  T »نشان داده می شود. اگر یک سازه را از وضعیت طبیعی آن خارج کرده و رها کنیم ، آن سازه شروع به نوسان خواهد کرد و مدت زمانی که طول می کشد تا یک نوسان رفت و برگشت به طور کامل انجام شود، پریود طبیعی سازه (T) نامیده می شود. 

T=2π(m/k)^0.5

همان طور که از رابطه فوق مشخص است سختی و جرم سازه در تعیین پریود طبیعی سازه تاثیرگذار است. 

مقدار ضریب بازتاب ساختمان( پارامتر ضریب شکل طیف)، از نمودارهایی که شکل کلی آن ها به صورت زیر است بدست می آید. ضریب بازتاب که با پارامتر B نشان داده می شود و تابعی از ضریب شکل طیف(B₁)  است و مقدارش، بر حسب مقدار زمان تناوب اصلی ساختمان  «T» بیان می شود و به همین دلیل به آن اصطلاحا طیف بازتاب ساختمان یا طیف زلزله گفته می شود. 

همان طور که گفته شد نوع خاک بر روی امواج لرزه ای تاثیر گذار است و هر چه زمین سست تر باشد مقدار ماکزیمم این منحنی بیشتر می شود و در جریان زلزله شتاب بیشتری در ساختمان ایجاد می شود. در آیین نامه چهار نوع زمین تشخیص داده شده و برای هر نوع یک منحنی معرفی شده است. این منحنی ها در دو شکل زیر که به ترتیب برای مناطق با «خطر کم و متوسط» و برای مناطق با «خطر زیاد و خیلی زیاد» هستند، نشان داده شده اند.

محاسبه ضریب بارتاب ساختمان 

در یک تعریف کلی ضریب بازتاب ساختمان بیان گر نحوه پاسخ به حرکت زمین است. در تعریف جامع تر این ضریب، ضریبی است که با توجه به شرایط ژئولوژیک سایت و اثرات حوزه نزدیک تعیین خواهد کرد چند برابر فرض شده در محل سنگ بستر به شتاب در سازه تبدیل می شود. بر اساس ویرایش چهارم استاندارد 2800 ضریب B بر اساس رابطه ای به شرح زیر انجام می شود.

B=B₁*N

ضریب شکل طیف(B₁)

این ضریب، ضریب شکل طیف و یا site amplification factor  می باشد که بیان گر ویژگی های تشدید کننده سایت نیز می باشد. پدیده تشدید از بعد از سنگ بستر شروع می شود.این ضریب با در نظر گرفتن بزرگ نمایی خاک در پریود های مختلف و میزان لرزه خیزی منطقه با استفاده از روابط زیر مشخص می شود. 

در این روابط T زمان تناوب اصلی نوسان به ثانیه است. سایر پارامتر ها، پارامتر هایی هستند که به نوع زمین و میزان خطر پذیری منطقه وابسته اند. 

مطلب فوق در ارتباط با ضوابط استاندارد 2800 به زبان ساده ادامه دارد. 
 

منابع:
آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله، استاندارد 2800 ویرایش چهارم 
مبانی و کاربرد مهندسی زلزله، دکتر حسن مقدم، دانشگاه صنعتی شریف
تفسیر استاندارد 2800، دکتر اکبر ترکاشوند 
تفسیر استاندارد 2800، سری عمران