کتاب دستنامه مهندسی زلزله 3: مبانی مهندسی زلزله (ویرایش ششم)

در این کتاب می‌خوانید:
• مروری بر لرزه‌شناسی مهندسی/ • ارتعاش سیستم‌های چند درجه آزادی
• بررسی مودهای شکست/ • پارامترهای لرزه‌ای
• سختی و پریود/ • ضریب بازتاب
• سیستم‌های یک‌درجه آزادی خطی/ • ضریب رفتار سازه‌ها و ضریب تغییر مکان‌های غیر خطی
• طیف پاسخ/ • مروری بر نگرش بارگذاری لرزه‌ای در آیین‌نامه‌های مختلف

قابل استفاده برای دروس دانشگاهی:
مبانی مهندسی زلزله
مهندسی زلزله پیشرفته
طراحی سازه‌های مقاوم در برابر زلزله
بهسازی لرزه‌ای سازه‌های موجود

نظام مهندسی
بارهای وارده به سازه

CD همراه کتاب شامل:
فایل ارائه‌ی کتاب
چندین فیلم آموزشی
نرم‌افزارهای Nonlin و Bispec


سخن مؤلف
تدوین کتاب آموزشی مبتنی بر سرفصل درس «مبانی مهندسی زلزله» نیازی اساسی در جامعه‌ی مهندسی عمران کشور است. به‌منظور انجام وظیفه در راستای این رسالت، اینجانب بر آن شدم تا بر اساس دستاوردهای مهندسی زلزله و با توجه به تجربیات مربوط به زلزله‌های گذشته سومین کتاب از دوره‌ی «دستنامه‌ی مهندسی زلزله» را به جامعه مهندسی عمران کشور تقدیم کنم.
بعد از مشاهده استقبال قابل‌ملاحظه از کتاب «مبانی مهندسی زلزله» و دریافت بازخوردهای متعدد از طرف دانشجویان و اساتید محترم، مبنی بر ضرورت تکمیل قسمت‌هایی از کتاب به صورت پرسش و مسأله شبیه آنچه در دوره «تفسیر مفهومی کاربردی استاندراد 2800» انجام داده بودم، بر آن شدم تا با اضافه کردن و تغییراتی در کتاب، آن را در قالب جدید ارائه کنم.
در ویرایش و چاپ دوم (1391) بیش از 240 صفحه مطالب جدید شامل حدود 206 پرسش و مسأله به کتاب اضافه شد که با پرسش‌ها و مسائل موجود در متن، بیش از 300 پرسش و مسأله در کتاب وجود دارد.
در تدوین این کتاب به سرفصل درس مبانی مهندسی زلزله توجه خاصی شده است، به‌نحوی که بتواند پاسخ‌گوی نیاز دانشجویان باشد.
حروف‌چینی قسمت‌هایی از متن کتاب را سرکار خانم هانیه عمرانی انجام داده‌اند، که از تلاش ایشان تشکر می‌شود. از زحمات سرکار خانم مونا سروری در صفحه‌آرایی و بازخوانی قسمت‌هایی از کتاب تقدیر می‌گردد. همچنین از همراهی و مساعدت صمیمانه خانواده‌ام صمیمانه تشکر می‌کنم.
آقای فرید قهاری از دانشجویان ممتاز دوره دکترا در دانشگاه صنعتی شریف، زحمت ویرایش کتاب را تقبل کردند. از تلاش صادقانه و ارزشمند ایشان تقدیر می‌شود.
آقای مصطفی اخوات از دانشجویان کارشناسی ارشد، بازخوانی پیوست اول را انجام دادند. از ایشان صمیمانه تشکر می شود. آقای محمد کرمی شاهنده کمک بی‌شائبه‌ای در فرآیند تولید این کتاب داشته‌اند. از لطف ایشان صمیمانه تشکر می‌شود. آقای رضا کرمی شاهنده علاوه بر مدیریت تولید انتشاراتی فدک ایساتیس، تلاش‌های زیادی در راستای افزایش کیفیت چاپ کتاب و صفحه‌آرایی آن انجام داده‌اند. آقای مجیدرضا زروئی مدیرعامل این انتشاراتی با دقت فراوانی فرآیند تولید کتاب را پی‌گیری می‌کنند؛ از حوصله و زحمات این عزیزان تقدیر می‌شود.
اساتید، دانشجویان و مهندسان بزرگواری که بر نگارنده، منت می‌نهند و پیشنهادات و انتقادات خود را ارسال می‌کنند، سهم بزرگی در افزایش کیفیت مطالب کتاب در چاپ‌های بعدی خواهند داشت.
محمدرضا تابش‌پور
tabeshpour@yahoo.com
tabeshpour@sharif.edu

سرفصل درس «مبانی مهندسی زلزله»
زلزله‌شناسی: علل وقوع زلزله، پدیده‌های همراه زلزله، مقیاس سنجش زلزله، لرزه‌خیزی ایران (فصل اول این کتاب).
روش کاهش پیامدهای زلزله: مکانیزم تخریب زلزله، تدابیر ضروری برای مقابله با زلزله، آسیب‌های احتمالی زلزله در شهرهای بزرگ، نقش بیمه در کاهش خسارتهای زمین‌لرزه، لزوم مطالعات لرزه‌شناسی در پروژه‌های عمرانی (فصل دوم این کتاب).
تعیین زلزله طرح: عوامل مؤثر بر روی حرکات زلزله، تأثیر فاصله‌‌و خصوصیات خاک منطقه و بزرگی زلزله، مطالعات زلزله از نظر احتمالات و ریسک زلزله، روش‌های قطعی و احتمالی تعیین زلزله طرح (فصل سوم این کتاب و فصل اول دستنامه‌ی 4).
روش معادل استاتیکی (آیین‌نامه‌ای) جهت تحلیل سازه‌ها در برابر زلزله، بررسی مبانی روش، فلسفه روش و عوامل مؤثر، ساختار آیین‌نامه‌های زلزله، بررسی کامل آیین‌نامه زلزله ایران و مقایسه آیین‌نامه‌های مختلف زلزله (فصل نهم این کتاب، فصل‌های سوم، چهارم و پنجم دستنامه‌ی 4).
روش دینامیکی تحلیل سازه‌ها در برابر زلزله (یک و چند درجه آزادی) مبانی تحلیل دینامیکی سازه‌ها، مدل‌سازی و درجات آزادی ارتعاش آزادسازه‌ها، پدیده تشدید و تأثیر میرایی، انتگرال دوهامل مودهای ارتعاش آزاد، اصول و روش آنالیز مودال در بارگذاری زلزله (فصل ششم و نهم این کتاب و فصل پنجم دستنامه‌ی 4).
روش شبه دینامیکی (طیفی) تحلیل سازه‌ها در برابر زلزله تغییرمکان و شتاب و شبه-سرعت طیفی، طیف‌های پاسخ و طرح، تعداد مودهای مؤثر در تحلیل، اشاره‌ای به طیف-های غیرخطی (فصل نهم این کتاب و فصل‌های اول و دوم و پنجم دستنامه‌ی 4).
انواع سیستم‌های مقاوم سازه‌ای برای بار افقی زلزله و رفتار آن‌ها: قاب‌های خمشی، قاب-های بادبندی‌شده، دیوار برشی، سیستم‌های مرکب (فصل چهارم این کتاب).

برای سهولت استفاده‌ی دانشجویان و مدرسان، برنامه‌ی هفتگی منطبق با سرفصل مصوب ارائه شده است.
برنامه‌ی هفتگی (هر هفته یک جلسه‌ی 3 ساعته یا دو جلسه‌ی 1/5 ساعته):

تکلیفصفحاتهفته
پاسخ به پرسش‌های صفحه‌ی 21صفحه‌ی 1 تا 20 این کتاباول
پاسخ به پرسش‌های صفحه‌ی 48صفحه‌ی 25 تا 48 این کتابدوم
پاسخ به پرسش‌های صفحه‌ی 68صفحه‌ی 51 تا 68 این کتابسوم
پاسخ به پرسش‌های صفحه‌ی 95صفحه‌ی 71 تا 94 این کتابچهارم
حل مسائل صفحه‌ی 120 و 121صفحه‌ی 99 تا 110 این کتابپنجم
حل مسائل صفحه‌ی 122 و 123صفحه‌ی 111 تا 120 این کتابششم
تکلیف: حل مسائل صفحه‌ی 153 و 156صفحه‌ی 127 تا 143 این کتابهفتم
حل مسائل صفحه‌ی 157 و 162صفحه‌ی 144 تا 152 این کتابهشتم
حل مسائل صفحه‌ی 190صفحه‌ی 167 تا 185 این کتابنهم
حل مسائل صفحه‌ی 204 و 259 و260صفحات 186 تا 189، 193 تا 204 و 207 تا 215 این کتابدهم
حل مسائل صفحه‌ی 261 و 262صفحه‌ی 216 تا 258 این کتابیازدهم
حل مسائل صفحه‌ی 283صفحه‌ی 265 تا 282 این کتابدوازدهم
پاسخ به پرسش‌ها و حل مسائل فصل‌های 1، 2، 3 و 4 از دستنامه‌ی 4فصل‌های 1، 2، 3 و 4 از دستنامه‌ی 4سیزدهم
حل مسائل فصل 5 از دستنامه‌ی 4فصل 5 از دستنامه‌ی 4چهاردهم
روش حل و ارائه‌ی تمرین‌های آخر فصل
یک هفته بعد از تدریس هر قسمت که شامل تمرین نیز هست.
همچنین حدود نیمی از مسائل حل‌شده و مثال‌های متن کتاب و حدود 20% مسایل پیوست اول نیز به تمارین هفتگی افزده می‌شود.
قسمتی از تمرین‌ها را می توان بر مبنای دستنامه‌ی 6 تنظیم کرد.

فهرست مطالب
فصل اول: مقدمه‌ای بر زلزله‌شناسی مهندسی
1.1 مقدمه 1
2.1 نحوه‌ی ایجاد زلزله 1
3.1 امواج لرزه‌ای 10
4.1 مقیاس سنجش زلزله (بزرگا) 12
1.4.1 بزرگای محلی ریشتر 13
2.4.1 بزرگای موج سطحی 13
3.4.1 بزرگای موج حجمی 13
4.4.1 دیگر مقیاس‌های بزرگای دستگاهی 15
5.4.1 بزرگای گشتاوری 15
1.5 انرژی زلزله 16
1.5.1 شدت مرکالی اصلاح‌شده (Modified Mercalli Intensity, MMI) 17
پرسش‌ها 21

فصل دوم: خرابی‌های ناشی از زلزله و کاهش پیامدهای ناشی از آن
1.2 مقدمه 25
2.2 نحوه‌ی اثر نیروی زلزله بر سازه 25
3.2 تقسیم‌بندی صدمات زلزله 27
1.3.2 خرابی‌های فیزیکی مستقیم 28
2.3.2 صدمات اجتماعی 28
3.3.2 زیان‌های اقتصادی 28
4.2 عوامل مؤثر بر خسارات ناشی از زلزله 29
1.4.2 نوع سازه 29
1.1.4.2 سازه بتنی 29
2.1.4.2 سازه فولادی 34
3.1.4.2 اجزای غیرسازه‌ای 36
4.1.4.2 شریان‌های حیاتی 37
2.4.2 اثرات ساختگاهی و پی 40
1.2.4.2 رفتار پی‌ها 40
3.4.2 خطرات جانبی 40
1.3.4.2 گسیختگی زمین 40
2.3.4.2 گسیختگی گسل 44
3.3.4.2 سیل 45
4.3.4.2 آتش‌سوزی 46
5.2 تدابیر ضروری برای مقابله با زلزله 47
6.2 بیمه 47
7.2 لزوم مطالعات لرزه‌شناسی در پروژه‌های عمرانی 48
پرسش‌ها 48

فصل سوم: مقدمه‌ای بر تحلیل خطر زلزله
1.3 مقدمه 51
2.3 خطر لرزه‌ای 51
3.3 وابستگی حرکت زمین به مکانیزم گسلش 52
4.3 اثرات مسیر عبور موج 53
5.3 بحث کیفی روی تاریخچه‌ی زمین 54
6.3 شاخص‌های مهندسی مربوط به شدت زلزله 56
7.3 تخمین شدت زلزله 58
8.3 تخمین بر اساس طول گسل 59
9.3 تخمین آماری شدت زلزله 59
1.9.3 رابطه‌ی بور، جوینر و فیومال (Boore, Joyner and Fumal) 60
2.9.3 رابطه‌ی کمپل و بزرگ نیا 61
10.3 بیشینه‌ی سرعت و جابه‌جایی زمین 63
11.3 تحلیل خطر به روش قطعی(تعیّنی، متعین) 64
12.3 تحلیل خطر به روش احتمالی 66
13.3 داده‌های USGS 67
پرسش‌ها 68

فصل چهارم: انواع سیستم‌های باربر جانبی
1.4 مقدمه 71
2.4 سیستم باربر جانبی (Lateral Force Resisting System) 72
1.2.4 سیستم دیوارهای باربر (Bearing Wall System) 72
2.2.4 سیستم قاب ساختمانی ساده (Building Frame System) 73
1.2.2.4 سیستم ساده‌ی دارای دیوار برشی 73
2.2.2.4 سیستم ساده‌ی مهاربندی‌شده (Braced Frame) 74
1.2.2.2.4 قاب بادبندی‌شده‌ی هم‌محور (Concentric Braced Frame) 75
2.2.2.2.4 قاب مهاربندی‌شده‌ی برون‌محور (EBF) 77
3.2.2.4 سیستم مهاربندی غیرکمانشی 79
3.2.4 سیستم قاب خمشی (Moment Resisting Frame) 81
1.3.2.4 قاب خمشی معمولی (Ordinary Moment Resisting Frame) 86
2.3.2.4 قاب خمشی متوسط (Intermediate Moment Resisting Frame) 86
3.3.2.4 قاب خمشی ویژه (Special Moment Resisting Frame) 86
4.2.4 سیستم دوگانه یا ترکیبی (Dual System) 88
3.4 چیدمان و ترکیب مختلف انواع سیستم باربر لرزه‌ای 89
4.4 سایر سیستم‌های سازه‌ای 91
پرسش‌ها 95

فصل پنجم: سختی و پریود سازه‌ها
1.5 مقدمه 99
2.5 سختی عناصر سازه‌ای 100
مسائل 101

فصل ششم: دینامیک سیستم‌های یک‌درجه‌آزادی خطی
6.1 مقدمه 127
2.6 سازه‌ی یک‌درجه‌آزادی 127
3.6 معادله‌ی حرکت 128
4.6 ارتعاش آزاد سیستم نامیرا 131
5.6 روش تقریبی تعیین پریود سازه (ASCE 7-05) 132
6.6 ارتعاش آزاد سیستم میرا 135
7.6 اندازه‌گیری میرایی با تست ارتعاش آزاد 137
8.6 پاسخ سیستم نامیرا تحت بارگذاری هارمونیک 138
9.6 بارگذاری هارمونیک روی سیستم میرا 144
10.6 مفهوم انرژی ذخیره‌شده و انرژی تلف‌شده 147
11.6 بارگذاری دینامیکی عمومی 147
1.11.6 روش قطعه‌ای 148
2.11.6 روش نیومارک 149
12.6 تعیین نیروی زلزله 150
مسائل 153

فصل هفتم: طیف پاسخ
1.7 مقدمه 167
2.7 طیف‌های پاسخ 168
1.2.7 طیف پاسخ جابه‌جایی الاستیک 168
2.2.7 طیف پاسخ شبه‌سرعت 174
3.2.7 طیف شبه‌شتاب 175
4.2.7 طیف پاسخ شبه‌شتاب بر حسب جابه‌جایی 181
5.2.7 طیف پاسخ چهارجانبه 182
3.7 طیف پاسخ الاستیک هموار 185
1.3.7 طیف نیومارک هال 185
2.3.7 طیف ASCE 7 189
مسائل 190

فصل هشتم: ضریب بازتاب و اثر خاک
1.8 مقدمه 193
2.8 پریود خاک 194
3.8 فیلتراسیون در خاک 197
4.8 ضریب بازتاب B 198
1.4.8 لزوم وابستگی ضریب بازتاب به شدت زلزله 200
5.8 طیف بازتاب 201
1.5.8 رفتار سازه‌های بسیار سخت و بسیار نرم در زلزله 201
2.5.8 موقعیت مختصات شتاب بیشینه‌ی زمین روی منحنی طیف بازتاب 201
3.5.8 نقطه‌ی شروع طیف ( ) 202
4.5.8 قسمت ابتدایی منحنی طیف بازتاب ( ) 202
5.5.8 مقدار بیشینه‌ی طیف بازتاب و بازه‌ی مربوطه 203
6.5.8 مقدار طیف در پریودهای بیشتر از پریود خاک 203
7.5.8 مقدار طیف در پریودهای بالا (مثلاً ) 203
پرسش‌ها 204

فصل نهم: ارتعاش سیستم‌های چنددرجه‌آزادی
1.9 مقدمه 207
2.9 سیستم دوبعدی چنددرجه‌آزادی 208
1.2.9 استخراج ماتریس نرمی 210
2.2.9 مفهوم ترکیب خطی شکل‌ها (نرمی) 211
3.2.9 تراکم استاتیکی 212
3.9 ماتریس‌های سیستم 213
4.9 تحلیل ارتعاش آزاد سیستم چنددرجه‌آزادی غیرمیرا 215
5.9 تحلیل ارتعاش اجباری سیستم چنددرجه‌آزادی میرا 217
6.9 تعریف ضرایب مشارکت مدی 220
7.9 ماتریس میرایی مدی 223
1.7.9 میرایی متناسب رایلی 223
2.7.9 میرایی ویلسون 226
8.9 حل معادله‌ی حرکت سیستم چنددرجه‌آزادی 228
9.9 روش طیف پاسخ مدی 235
10.9 روش استاتیکی معادل 253
مسائل 259

فصل دهم: ضریب رفتار سازه‌ها
1.10 مقدمه 265
2.10 منحنی ظرفیت سازه 266
3.10 نسبت شکل‌پذیری 269
4.10 ضریب کاهش نیرو (ضریب رفتار، R) 269
1.4.10 ضریب کاهش به‌علت شکل‌پذیری 271
2.4.10 ضریب کاهش به‌علت مقاومت افزون 273
3.4.10 ضریب کاهش به‌علت نامعینی 273
4.4.10 ضریب کاهش به‌علت میرایی، 275
5.10 نگرش‌های طراحی 277
1.5.10 طراحی به روش حالت حدی و یا ضرایب بار و مقاومت نهایی 278
6.10 ضریب تبدیل جابه‌جایی خطی (طرح) به غیرخطی (واقعی) 279
1.6.10 طراحی به روش حالت حدی و یا ضرایب بار و مقاومت نهایی 279
7.10 روش‌های آیین‌نامه‌ای در تخمین 280
1.7.10 UBC-97 280
2.7.10 استاندارد 2800 280
مسائل 282
منابع 283

پیوست‌ها
پیوست 1: مسائل تکمیلی 289
پیوست 2: زندگی‌نامه‌ی بنیان‌گذار طیف پاسخ 518
واژه‌نامه‌ی انگلیسی به فارسی 527
واژه‌نامه‌ی فارسی به انگلیسی 533
فهرست الفبایی 539