بررسی مفهوم زلزله تشدید یافته و نحوه طراحی اعضای بتن آرمه و فولادی برای آن

در بحث طراحی سازه ها، با دو نوع ترکیب بار مواجه هستیم. یک سری از ترکیب بارها عادی هستند. این ها همان ترکیب بارهایی می باشد که در طراحی تمامی اعضا و بخش های سازه باید کنترل شوند. دسته دوم ترکیب بارهای ویژه لرزه ای هستند. طراح باید در اعضای خاص و شرایط ویژه، علاوه بر ترکیب بارهای عادی، ترکیب بارهای ویژه لرزه ای را نیز کنترل نماید. اینکه چه اعضایی خاص تلقی می شوند و چگونه باید در آن ها اثر زلزله تشدید یافته را منظور نمود مطالبی هستند که تا انتهای مقاله پاسخ آن ها را خواهیم یافت. همچنین خواهیم دانست که:

  1. مفهوم زلزله تشدید یافته چیست؟
  2. چه ارتباطی میان زلزله تشدید یافته و ترکیب بارهای ویژه لرزه ای وجود دارد؟
  3. ضریب اضافه مقاومت چیست؟
  4. نحوه طراحی اعضای بتن آرمه و فولادی برای زلزله تشدید یافته چگونه است؟

یادآوری و تکمیل

نیروی افقی زلزله را در نظر بگیرید که به مرکز جرم طبقه وارد شده و با عملکرد دیافراگم کف به اعضای باربر جانبی منتقل می شود. نیروهای برشی زلزله در طبقات توسط اعضای باربر جانبی دریافت شده و باید به فونداسیون و نهایتاً زمین منتقل شوند. در مواردیکه این انتقال نیرو از سازه به زمین به طور منظم و بدون مشکل انجام شود، خیالمان راحت است. اما اگر در اجزایی که انتقال نیرو را بر عهده دارند مشکلی ایجاد شود، به این مفهوم است که در مسیر انتقال نیرو از طبقات سازه به پی و زمین نامنظمی رخ داده است. در صورت وجود نامنظمی در هر کجای مسیر انتقال نیرو، باید کنترل ها بر اساس زلزله تشدید یافته باشد.

گاهاً حتی بدون وجود نامنظمی در مسیر انتقال نیرو، باید از زلزله تشدید یافته استفاده کنیم. سازه های بتن آرمه و فولادی هر یک بنا به وضعیت های موجود تحت ترکیب بارهای ویژه لرزه ای کنترل می شوند. به طور مثال ستون هایی که نیروی محوری آنها از یک حدی زیادتر باشد، طبق بند 10-3-6-1 مبحث دهم باید برای ترکیب بارهای لرزه ای نیز کنترل شوند. علت این کنترلِ مضاعف این است که ستون های فلزی تحت اثر فشار خالص شکل پذیری کمتری داشته و ضربه زلزله وارد بر آنها بیشتر خواهد بود.

 

موارد کاربرد زلزله تشدید یافته

  1. مطابق ACI-318-14 در محاسبه آرماتور عرضی ستون های بتن آرمه از زلزله تشدید یافته استفاده می شود. یعنی در سازه های بتن آرمه، زلزله تشدید یافته برای کنترل برش موجود در ستون ها کاربرد دارد. توجه داشته باشید که در متن مبحث نهم مقررات ملی ساختمان از زلزله تشدید یافته استفاده نشده است.
  2. در سازه های فولادی نیز همانطور که در بخش قبل بیان شد، کنترل زلزله تشدید یافته برای جلوگیری از کمانش است. یعنی در طراحی ستون ها، باید مقاومت محوری تحت زلزله تشدید یافته و بدون حضور خمش و برش کنترل شود.
    هم چنین طبق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، کف­ ستون­ ها (Base Plate)، وصله ستون­ ها و وصله ­ی تیرها در اسکلت فولادی نیز باید برای زلزله­ ی تشدید­یافته طراحی گردند.
  3. در مواردی که شاهد نامنظمی در مسیرهای انتقال نیروی زلزله هستیم باید کنترل با زلزله تشدید یافته صورت گیرد. به طور مثال می توان به بندهای زیر در استاندارد 2800 اشاره نمود:

افزایش بار جانبی در اعضای خاص و جمع کننده ها در استاندارد 2800

جهت آشنایی بیشتر با انواع نامنظمی های پلان و ارتفاع ، حتما ویدئوهای رایگان تفسیر استاندارد 2800 ویرایش 4 قسمت دوم و قسمت سوم را ببینید.

نحوه اعمال زلزله تشدید یافته در طراحی جمع کننده های دیافراگم که در بند بالا به آن اشاره شد در مقاله” کنترل و طراحی جمع کننده ها در دیافراگم” بیان شده است. شما می توانید با مطالعه این مقاله کوتاه پیش زمینه مناسبی برای درک مطالبی که در ادامه مطرح می شود کسب کنید.

تا این بخش از مقاله بارها از واژه زلزله تشدید یافته استفاده کرده ایم. در حال حاضر می دانیم که کدام اعضای سازه باید برای زلزله تشدید یافته کنترل شوند. اما …

اساساً این زلزله تشدید یافته با زلزله معمولی چه تفاوتی دارد؟

قبل از پاسخ دادن به این سوال توصیه اکید می شود که حتما مقاله ی ” ضریب اضافه مقاومت (Ω0) ” را مطالعه نمایید!

اما در پاسخ به سوال فوق، با یک تعریف ساده می توان گفت که زلزله تشدید یافته همان زلزله عادی است که با یک ضریب بزرگنمایی، تشدید شده است. این ضریب را با Ω0 نشان می دهیم. به عبارت علمی تر برای ساختن ترکیب بارهای ویژه لرزه ای به ضریبی نیاز است که در زلزله طرح ضرب شود. یعنی داریم:

ترکیب بار زلزله تشدید یافته

1.2D+L+E+0.2S :: ترکیب بار عادی

1.2D+L+Ω0E+0.2S: ترکیب بار ویژه لرزه ای

با این کار به جای زلزله طرح (E) زلزله تشدید یافته (Ω0E) در ترکیبات بار وارد می شود. مقدار این ضریب در سازه های مختلف متفاوت است. آیین نامه برای سیستم های باربر جانبی مختلف ضرایب Ω0 را در جدول زیر آورده است.

ضریب اضافه مقاومت (Ω0) در آیین نامه 2800

سایر بندهای آیین نامه ای مرتبط با زلزله تشدید یافته :

با توجه به تسلط نسبی بر موضوع زلزله تشدید یافته به سراغ بیان و تفسیر بندهای آیین نامه ای می رویم. روش های مورد تایید آیین نامه برای طراحی سازه، یکی تنش مجاز و دیگری طراحی بر اساس مقاومت است. استاندارد2800 در شرایطی که از روش طراحی بر اساس مقاومت استفاده می کنیم بند زیر را بیان می نماید:

عدم نیاز به در نظر گرفتن ضریب اضافه مقاومت در مولفه قائم زلزله

در بند فوق منظور از جمله ” در ترکیب بارهای زلزله با سایر بارها، بارهای جانبی و قائم زلزله باید با ضریب بار 1 در نظر گرفته شوند.” همان ترکیب بارهای عادی می باشد. همانطور که پیش تر هم گفته شد برای کلیه اعضا باید کنترل براساس ترکیب بارهای عادی صورت گیرد. در ادامه بند 3-12-2 به مواردی اشاره می کند که بایست کنترل اعضا بر اساس زلزله تشدید یافته صورت گیرد. در اینجا به دو نکته می توان اشاره کرد:

نکته1. برای ایجاد ترکیب بارهای ویژه لرزه ای باید بار جانبی طرح در ضریب اضافه مقاومت (Ω0) ضرب شود.

نکته2. در کنترل سازه تحت ترکیب بارهای ویژه لرزه ای لازم نیست که مولفه قائم زلزله در ضریب اضافه مقاومت ضرب شود. به عبارت دیگر نیازی به تشدید اثر زلزله قائم وجود ندارد.

توصیه می شود برای تسلط هر چه بیشتر مقاله” بررسی فلسفه اعمال زلزله قائم در سازه­ ها و گام بندی تنظیمات نرم ­افزاری ” مطالعه شود. بعد از بررسی مقاله زلزله قائم و مطالب این مقاله متوجه خواهید شد که چرا ما در نرم افزار ETABS زلزله قائم را از نوع other تعریف می کنیم.

مطالبی که بررسی کردیم شاید این احساس را به وجود بیاورند که کنترل زلزله تشدید یافته باید بسیار پیچیده باشد. اما توجه داشته باشید که در نرم افزارهای ETABS , SAP زلزله تشدید یافته در صورت تنظیم پارامترهای آن به طور خودکار کنترل می شود. ما نیز قصد داریم در ادامه ی این مقاله به صورت گام بندی شده، نحوه تنظیم پارامترهای طراحی را برای سازه های فولادی و بتن آرمه به تفکیک بررسی نماییم.

  1. اعمال زلزله تشدید یافته در سازه های بتن آرمه

در طراحی لرزه ای سازه ها، مبحث نهم اشاره ای به اعمال زلزله تشدید یافته نکرده است. اما در ویرایش های 2011 و 2014 آیین نامه آمریکا کنترل زلزله تشدید یافته تعریف شده است. به گونه ای که حداکثر مقدار برش در ستون ها ، با ترکیب بارهایی که در آنها اثر زلزله با Ω0 تشدید شده است کنترل می شود.

در جهت محافظه کاری بیشتر اگر بر مبنای آیین نامه آمریکا عمل کنیم باید ضریب اضافه مقاومت در نرم افزار معرفی شود. با تعریف ضریب اضافه مقاومت در نرم افزار، زلزله تشدید یافته به صورت خودکار کنترل خواهد شد. نحوه کار را در قالب تصاویر زیر مشاهده می نمایید:

ویرایش آیین نامه طراحی سازه های بتن آرمه

ویرایش آیین نامه طراحی سازه های بتن آرمه

تغییر ضریب اضافه مقاومت پیش فرض نرم افزار

تغییر ضریب اضافه مقاومت پیش فرض نرم افزار

مقدار ضریب اضافه مقاومت(Ω0) را بر اساس جدول 3-4 استاندارد 2800 تعیین می نماییم. در مثال فوق چون سیستم باربر جانبی قاب خمشی بتن آرمه بود این ضریب برابر با 3 می باشد.

پرسش. با توجه به اینکه مبحث نهم اشاره ای به زلزله تشدید یافته در سازه های بتن آرمه نداشته است آیا این مساله باعث ایجاد ضعف در طراحی خواهد شد؟

در پاسخ به این سوال باید گفت : علم مهندسی سازه بیشتر از آن که آیین نامه محور باشد باید با قضاوت مهندسی همراه گردد.

با توجه به آیین نامه آمریکا در سازه های بتن آرمه، Ω0 در محاسبه آرماتورهای برشی ستون ها کاربرد دارد و می دانیم که آرماتورهای برشی ستون ها به دو شکل تنگ های بسته و دورپیچ اجرا می شوند.

هنگامی که از تنگ های بسته به عنوان آرماتورهای برشی استفاده می کنیم؛ باید گوشه بودن آرماتورهای طولی تامین شود. بنابراین معمولاً بیشتر از نیاز برشی ستون ها آرماتور عرضی قرار می گیرد. به تصویر زیر توجه نمایید:

کنترل گوشه بودن آرماتورهای طولی ستون بتنی

کنترل گوشه بودن آرماتورهای طولی ستون بتنی

برای آشنایی بیشتر با ضوابط مبحث نهم در خصوص کنترل گوشه بودن آرماتورهای طولی ستون می توانید مقاله و ویدئوی رایگان ” نحوه طراحی خاموت ستون را بیاموزیم!” از سری آموزش های سبزسازه ببینید.

همچنین برای رسیدن به شرایط دورپیچ ، مشابه تنگ بسته، ضوابط سخت گیرانه ای وجود دارد؛ که برای اطلاعات بیشتر می توانید آموزش مفهومی “پشت پرده ی طراحی سازه های بتنی – بخش دوم ستون ها ” را ببینید.

لذا در کل می توان اینطور قضاوت کرد که، عدم اعمال Ω0 مطابق نظر مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، اهمیت چندانی نخواهد داشت.

حال پس از درک نحوه ی اعمال ضریب اضافه مقاومت در طراحی سازه های بتنی، نوبت به یادگیری چگونگی اعمال زلزله تشدید یافته در سازه های فولادی می رسد…

  1. اعمال زلزله تشدید یافته در سازه های فولادی

در سازه های فولادی یکی از مدهای خرابی بسیار خطرناک، کمانش ستون هاست. در این سازه ها مقاومت محوری ستون ها باید تحت ترکیب بارهای ویژه لرزه ای کنترل شوند. علت این کنترل مضاعف جلوگیری از رخداد کمانش می باشد.

بر خلاف سازه های بتن آرمه کنترل زلزله تشدید یافته در سازه های فولادی، هم در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و هم درآیین نامه  AISC مطرح شده است. بند زیر از مبحث دهم به اعمال اثر زلزله تشدید یافته اشاره می کند:

اعمال اثر زلزله تشدید یافته طبق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان

در سازه های فولادی نیز، مشابه سازه های بتنی، با اعمال صحیح ضریب اضافه مقاومت، نرم افزار به صورت خودکار اثر آن را در طراحی سازه منظور می کند. ضریب اضافه مقاومت در جدول فوق و نیز جدول 3-4 استاندارد 2800 قابل مشاهده است.

نحوه اعمال ضریب Ω0 را در قالب تصاویر زیر مشاهده می کنید؛ روند کار کاملاً مشابه با سازه های بتن آرمه می باشد.

ویرایش آیین نامه طراحی سازه های فولادی

ویرایش آیین نامه طراحی سازه های فولادی

تغییر ضریب اضافه مقاومت پیش فرض نرم افزار

تغییر ضریب اضافه مقاومت پیش فرض نرم افزار

همانطور که مشاهده شد، روند کلی اعمال ضریب اضافه مقاومت در سازه های فولادی و بتنی بسیار ساده است.

اما در ادامه ی بحث، توجه شما را به دو نکته ی مهم و یک پرسش اساسی جلب می کنیم:

نکته1. اگر سازه ما از نوع فولادی با سیستم باربر جانبی قاب ساده توام با مهاربندی باشد. نیروهای محوری فشاری زیادی در ستون های اطراف مهاربندها به وجود خواهد آمد. به همین دلیل ضریب اضافه مقاومت در طراحی ستون های مجاور مهاربند بسیار تاثیر گذار خواهد بود. پس در جانمایی مهاربندها در پلان حتماً به این موضوع توجه داشته باشیم تا ستون های ما غیر اقتصادی نشوند.

نکته2. در سازه های فولادی بسیار معمول است که در یک جهت پلان سیستم باربر جانبی قاب ساده توام با مهاربندی و جهت دیگر قاب خمشی باشد. دلیل این کار مزاحمتی است که مهاربندها برای معماری پروژه ایجاد می کنند. توضیحات تکمیلی تر در این خصوص و راهکارهای مناسب را می توانید در مقاله” بررسی الزامات طراحی مهاربند­های همگرای ویژه فولادی ” مطالعه نمایید.

ضریب اضافه مقاومت متفاوت در دو جهت سازه

ضریب اضافه مقاومت متفاوت در دو جهت سازه

مطابق تصویر بالا، ستون های متصل به مهاربند در یک جهت با Ω0=2 و در جهت دیگر با Ω0=3 کنترل خواهند شد. این در حالیست که نرم افزار برای کل سازه تنها یک ضریب اضافه مقاومت در نظر می گیرد.

پرسش بسیار مهم. در مواردی که در یک جهت پلان سیستم باربر جانبی قاب ساده توام با مهاربندی و جهت دیگر قاب خمشی باشد، نحوه اعمال Ω0 در نرم افزار به چه صورت خواهد بود؟

برخی از مهندسین در جهت محافظه کاری بیشتر و ساده شدن کار، Ω0=3 را به نرم افزار معرفی می کنند. با این عمل در واقع زلزله در هر دو جهت با ضریب بزرگتری تشدید می شود. اما طراحانی که سعی بر اقتصادی شدن طرح خود دارند، از روش دیگری استفاده می کنند که در ادامه آن را توضیح می دهیم:

کنترل زلزله تشدید یافته در سازه های با دو سیستم باربر جانبی متفاوت

برای درک بهتر این قسمت، مطالب را درقالب یک مثالِ جامع و بصورت گام به گام آورده ایم:

مثال. کنترل دقیق Ω0 در ستون هایی که در یک جهت جزئی از قاب خمشی و در جهت دیگر جزئی از سیستم مهاربندی هستند.

گام1. از فایل اصلی نرم افزار یک Save as تحت عنوان Omega تهیه می کنیم.

گام2. در فایل جدید از منوهای زیر مقادیر Ω0 را برابر یک قرار می دهیم.

ویرایش آیین نامه طراحی سازه های فولادی

ویرایش آیین نامه طراحی سازه های فولادی

امگا=1

امگا=1

انتخاب المان ها و ویرایش آیین نامه طراحی سازه های فولادی

انتخاب المان ها و ویرایش آیین نامه طراحی سازه های فولادی

امگا=1

امگا=1

 

گام3. در قسمت load case نیروهای زلزله را بسته به جهتشان 2 یا 3 برابر می کنیم. در سازه مثال ما چون جهت X قاب خمشی و جهت Y مهاربندی است تغییرات به صورت زیر خواهد بود.

تغییرات در قسمت load case

تغییرات در قسمت load case

اعمال ضریب اضافه مقاومت در قسمت load case

اعمال ضریب اضافه مقاومت در قسمت load case

در تصویر بالا توجه داشته باشید که زلزله 30 درصد متعامد در جهت Y با ضریب  Ω0=2 تشدید می شود. زیرا در جهت Y سیستم مهاربندی داریم. ولی در جهت X به دلیل وجود قاب خمشی ضریب تشدید برابر 3 خواهد بود. به همین ترتیب تمامی بارهای لرزه ای به صورت دستی تشدید خواهد شد.

گام4. تمامی ستون های سازه را انتخاب می کنیم و در قسمت View/Revise Overwrites موارد مشخص شده را تغییر می دهیم.

افزایش مقاومت خمشی و برشی ستون ها به یک عدد بسیار بسیار بزرگ

افزایش مقاومت خمشی و برشی ستون ها به یک عدد بسیار بسیار بزرگ

با این کار، نرم افزار مقاومت خمشی و برشی ستون ها را بسیار بسیار بزرگ در نظر می گیرد. در نتیجه عملاً مقاومت محوری ستون ها تحت زلزله های تشدید یافته کنترل می شود.

گام5. سازه موجود را آنالیز و طراحی می کنیم. بایستی تمامی ستون ها جوابگوی نیروهای وارده باشند. به عبارت دیگر در ستون ها ratio<1.00 باشد. در غیر اینصورت باید مقاومت محوری ستون ها افزایش یابد.

نتیجه گیری :

  1. در بحث طراحی سازه ها، با دو نوع ترکیب بار مواجه هستیم. یک سری از ترکیب بارها عادی هستند. این ها همان ترکیب بارهایی می باشد که در طراحی تمامی اعضا و بخش های سازه باید کنترل شوند. دسته دوم ترکیب بارهای ویژه لرزه ای هستند.
  2. با یک تعریف ساده می توان گفت که زلزله تشدید یافته همان زلزله عادی است که با یک ضریب بزرگنمایی، تشدید شده است. این ضریب را با Ω0 نشان می دهیم.
  3. در سازه های فولادی مقاومت محوری ستون ها باید تحت ترکیب بارهای ویژه لرزه ای کنترل شوند. علت این کنترل مضاعف این است که ستون های فلزی تحت اثر فشار خالص شکل پذیری کمتری داشته و ضربه زلزله وارد بر آنها بیشتر خواهد بود.
  4. در طراحی لرزه ای سازه ها، مبحث نهم اشاره ای به اعمال زلزله تشدید یافته نکرده است. اما در ویرایش های 2011 و 2014 آیین نامه آمریکا کنترل زلزله تشدید یافته تعریف شده است. به گونه ای که حداکثر مقدار برش در ستون ها با ترکیب بارهایی که در آن ها اثر زلزله با Ω0 تشدید شده است کنترل می شود.
  5. در کنترل سازه تحت ترکیب بارهای ویژه لرزه ای لازم نیست که مولفه قائم زلزله در ضریب اضافه مقاومت ضرب شود.
  6. در سازه های با دو سیستم باربر جانبی در دو جهت متفاوت، ستون های متصل به مهاربند در یک جهت با Ω0=3 و در جهت دیگر با Ω0=2 کنترل خواهند شد. این در حالیست که نرم افزار برای کل سازه تنها یک ضریب اضافه مقاومت در نظر می گیرد. لذا بایست از روش های مناسبی برای اعمال ضریب اضافه مقاومت در چنین سازه هایی استفاده شود.

در نهایت، شما با مطالعه این مقاله با یکی از مباحث چالش برانگیز محاسبات آشنا خواهید شد. نحوه کنترل سازه های مختلف تحت زلزله تشدید یافته و ترکیب بارهای ویژه لرزه ای از مواردیست که در این مقاله به آن پرداخته شده است.

منابع

  1.  AISC Specification for Structural Steel Buildings (360-16)
  2. Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-14)
  3. آیین ­نامه طراحی ساختمان­ ها دربرابر زلزله، استاندارد 2800، ویرایش 4.
  4. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1392.
  5. مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران، ویرایش 1392.
  6. جزوه راهنمای طراحی ساختمان ­های بتنی و فولادی تالیف دکتر حسین ­زاده ­اصل­.

مقایسه مهاربند همگرای ویژه با سایر سیستم­ های باربرجانبی – قسمت اول

این بخش مهم را با طرح یک پرسش قبل از توضیح در مورد مهاربند همگرای ویژه آغاز می کنیم:

اساساً زمانی که از مقایسه چند سیستم باربر جانبی بحث می شود، مبانی این مقایسه چیست؟

به استناد مبحث دهم از مقررات ملی ساختمان، معیارهایی مثل پایداری، سختی و مقاومت(درحوزه الزامات عمومی طراحی) و شکل پذیری (دربخش الزامات طراحی لرزه­ ای) را می توان پارامترهای مناسبی برای مقایسه درنظر گرفت. به ویژه آن که موارد مهمی از قبیل ضریب رفتار و متعاقباً برش پایه تا حد بسیار زیادی از معیارهای فوق تاثیر می پذیرند.

قاب مهاربندی شده همگرا

مهاربند همگرا

اول بحث مقایسه­ ای خود را بر روی مفاهیم آیین نامه ­ای متمرکز می کنیم. بنا به تعریف مبحث دهم، قاب­ های مهاربندی شده در دو حد شکل­ پذیری معمولی و ویژه قرار می گیرند. اگر علاقه مندید در رابطه با مهاربندهای همگرای ویژه بیشتر بدانید مقاله چرا مهاربند همگرای ویژه را مطالعه کنید. اینکه ما تحت چه شرایطی بایست از کدام سیستم استفاده کنیم بستگی به شرایط پروژه و پهنه ­لرزه­ خیزی آن دارد.

در استاندارد2800 زلزله ایران ویرایش شماره4، در زیر جدولی انواع سیستم ­های باربرجانبی را معرفی و پارامترهای لازم و نیز حد ارتفاع مجاز را برای آنها مشخص کرده است. بنابر جدول که بخشی از آن در ادامه آورده شده است مشاهده می کنید که برای مهاربندهای همگرای معمولی ما با مشکل ارتفاع مجاز مواجه هستیم و امکان کاربرد چنین سیستمی برای سازه ­هایی حتی با ارتفاع متوسط نیز امکان پذیر نمی باشد. این در حالیست که قاب هایی با سیستم مهاربند همگرای ویژه فولادی در حالت عادی امکان رسیدن به ارتفاع 50متر را دارند.

جدول ضریب رفتار

جدول ضریب رفتار

شاید با مشاهده محدودیت ارتفاعی برای مهاربند همگرای ویژه این سوال مطرح شود که اساساً کاربرد چنین سیستم­ هایی برای سازه­ های بلند مرتبه مقدور نباشد اما بایست دو نکته را متذکر شد و آن تبصره ه­اییست که استاندارد 2800 برای مهاربندهای همگرای ویژه قرار داده و دیگری سیستم­ های ترکیبی که در قسمت بعد به آنها خواهیم پرداخت.

نکته1.

تبصره مذکور اشاره به وضعیتی دارد که:

  • سازه ما در زمین نسبتاً مقاومی قرار داشته باشد
  • و اصطلاحاً تیپ خاک یک، دو یا سه باشد
  • و نیز سازه دارای نامنظمی در پلان از نوع شدید پیچشی نباشد،
  • بعلاوه سیستم ­های مقاوم جانبی توزیع مناسبی در امتداد­های اصلی داشته باشند، بگونه­ ای که در هرطرف مرکز جرم سیستم مقاوم جانبی وجود داشته باشد.

در اینصورت امکان افزایش محدودیت ارتفاع تا 75 متر وجود خواهد داشت.

قاب مهاربندی شده همگرا

قاب مهاربندی شده همگرا

نکته2.

در مواردی که نیاز به افزایش محدودیت ارتفاع به میزانی بیش از 75متر داشته باشیم تغییر سیستم باربرلرزه ­ای چاره ­ساز خواهد بود. بعنوان یکی از این سیستم­ های جایگزین می توان به سیستم­ های ترکیبی قاب و مهاربند اشاره نمود.

حال که با رویکرد مقایسه ­ای آشنا شده­ ایم، پروسه کاری خود را به شکل مثال محور تغییر خواهیم داد تا جذابیت مسئله نیز افزون گردد. در مقاله قسمت بعد مثال زیر را با هم بررسی خواهیم کرد:

طرح یک مثال.

برای یک پروژه فرضی با ارتفاع کمتر از 50متر انواع سیستم­ های باربرجانبی فولادی را از حیث الزامات آیین­ نامه ­ای و رفتار لرزه ­ای ارزیابی نمایید. سیستم ­هایی که بعنوان کاندیدا مورد ارزیابی قرارخواهند گرفت:

مهاربند همگرای ویژه –قاب خمشی فولادی ویژه – مهاربند واگرای ویژه

 

سخت کننده های تیر پیوند

چرا تیرپیوند روی کار آمد؟

شاید بتوان گفت هدف نهایی هر سیستم سازه ای در پاسخ لرزه ای به زلزله، دستیابی همزمان به سختی و شکل پذیری باشد، به گونه ای که:

  • قاب های خمشی را می توان سمبل شکل پذیری بالا
  • و قاب های مهاربندی شده ی هم محور (ضربدری) را سمبل سختی بالا دانست.

در این بین نیاز به سیستمی که هر دو ویژگی مذکور را به طور همزمان دارا باشد، قابل احساس است. در اوایل دهه 70 میلادی مهندسین ژاپنی سیستم جدیدی را معرفی نمودند که از نظر شکل پذیری و سختی حالت بینابینی قاب خمشی و مهاربند همگرا را دارا بود. بعدها با مطالعات و آزمایشات پروفسور پوپوف و رودِر در سال 1978، زمینه ی ورود این سیستم سازه ای جدید را با نام «سیستم قاب مهاربندی شده برون محور» به آیین نامه ها و استانداردهای آمریکایی فراهم نمود. این سیستم در آیین نامه های کشورمان و در میان مهندسین عمران، با نام «مهاربند واگرا» شناخته می شود که ما نیز در این یادداشت بر این نام پایبند خواهیم بود.

تیر پیوند

مهاربند واگرا

مهاربند واگرا شکل پذیری بسیارمناسب (در حد قاب خمشی ویژه) و سختی مطلوب (نزدیک به قاب مهاربندی شده ی همگرا) خود را مدیون تعبیه ی یک عضو فولادی به نام «تیر پیوند» یا «لینک» در پیکربندی این سیستم سازه ای است. اگر مایلید در مورد تیر پیوند بدانید مقاله 3 نکته جامع تیر پیوند را مطالعه کنید. وجود همین المان  سبب بهبود خواصی چون استهلاک انرژی(به سبب ضریب رفتار Ru=7)، رفتار لرزه ای کنترل شده­ تر، انطباق با معماری بازشوها و … در مقایسه با سیستم قاب خمشی و مهاربند همگرا شده است.

تیر پیوند

تیر پیوند

سخت کننده های تیر پیوند

تحت بارهای چرخه ای (رفت و برگشتی) زلزله، تیر پیوند نیروی برشی بسیار بزرگی را نسبت به سایر اجزای سیستم تحمل می کند. برای جلوگیری از کمانش موضعی جان قبل از تسلیم برشی تیر پیوند بایستی سخت کننده هایی را در جان به منظور افزایش مقاومت برشی تعبیه نمود.

نتایج آزمایشات و مقایسه ی نمودارهای هیسترزیس بین تیر پیوندِ با و بدون سخت­ کننده حاکی از آن است که افزودن سخت کننده نه تنها افزایش مقاومت برشی تیر پیوند، بلکه افزایش شکل پذیری و جذب انرژی آن را نیز در پی دارد.

کمانش قطری جان تیر پیوند

کمانش قطری جان

کمانش قطری جان تیر پیوند فاقد سخت­ کننده که نهایتاً منجر به پارگی ورق جان در مرکز پانل خواهد شد

خرابی تیر پیوند

خرابی تیر پیوند

شکل سمت چپ: ایجاد میدان کشش قطری در  تیر پیوند با سخت کننده

شکل سمت راست: پارگی ورق جان بعد کمانش سخت کننده ­های عرضی

  • سخت کننده های انتهایی در دو انتهای محل اتصال مهاربند(اعضای مایل) به تیر تعبیه می شود که آیین نامه آن ها را به صورت یک جفت در دو طرف جان و در تمام ارتفاع جان در نظر می گیرد. توجه شود که محل این سخت کننده ها ثابت و مشخص است و امکان جابجایی آن توسط طراح یا مجری وجود ندارد.
سخت کننده

سخت کننده

اجرای سخت کننده های انتهایی به صورت تمام ارتفاع

  • از آنجایی که زلزله به صورت رفت و برگشتی اعمال می شود، لازم است استیفنرها در کل ارتفاع جان ادامه داشته باشند.
  • سخت کننده های میانی در حد فاصل دو سخت کننده انتهایی قرار می گیرند که با توجه ضوابط آیین نامه امکان طراحی به صورت تکی و در یک سمت جان را دارد. از آیین نامه می توان استنباط کرد که در طول تیرپیوند که ناحیه حفاظت شده است، فقط جوشکاری سخت کننده های میانی به تیر پیوند قابل انجام است.

 

3 نکته جامع در مورد تیر پیوند مهاربند واگرا

1- تیر پیوند از نظر آیین نامه چیست؟

طبق بند 10-3-12 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، به ناحیه ­ای که بین نقاط تلاقی محورهای دو عضو قطری مهاربندی روی تیر یا بین نقطه تلاقی محور عضو مهاربندی تا گره اتصال تیر به ستون قرار دارد، تیر پیوند یا رابط گفته می­ شود.

در شکل (1) سه نمونه از قاب­ های مهاربندی شده واگرا یا EBF نشان داده شده ­است که فاصله e مشخص شده در روی شکل بیان­گر طول تیر پیوند می­ باشد. قاب­های مهاربندی شده واگرا در واقع ترکیبی مناسب از قاب­های خمشی و قاب­های مهاربندی هم­گرا بوده که هر دو خاصیت سختی و شکل­ پذیری را توأمان دارا می­ باشد.

نمونه ­ای از قاب­های مهاربندی شده واگرا

نمونه ­ای از قاب­های مهاربندی شده واگرا

شکل (1)

در سیستم­ های مهاربندی واگرا، نقش اساسی جذب و استهلاک انرژی القایی ناشی از زلزله توسط تیر پیوند ایفا می­شود. به بیان دیگر این تیرها مانند فیوز عمل می­کنند و با رفتار شکل­ پذیر خود:

  • اولاً ضریب رفتار Ru  را در سیستم باربر جانبی لرزه­ ای تأمین می ­کنند.
  • ثانیاً تلاش­های طراحی در سایر اعضا (تیر خارج از ناحیه پیوند، مهاربندها و ستون­ها) توسط تیر پیوند تعیین می­ گردد.

2- تغییر طول؟

رفتار تیر پیوند به طول آن e بستگی دارد. برای طول کوتاه e رفتار از نوع برشی، طول­ های متوسط e رفتار آن برشی – خمشی و طول­ های بلند e رفتار خمشی را برای تیر پیوند به همراه خواهد داشت. در قاب­ های مهاربندی شده واگرا جزئیات­ بندی تیر پیوند و تناسب بندی سایر اعضا باید به گونه­ ای انجام شود تا شکل ­پذیری مناسب آن تأمین گردد.

متر مهندسی

متر

شکل (2)

3- برشی یا خمشی؟

نقش مهم تیر پیوند این است که عمل تسلیم در برابر بارهای جانبی را در خود متمرکز ساخته و مهاربند را از ناپایداری ناشی از کمانش حفظ کند. با طراحی صحیح تیر پیوند می­ توان شکست را به­ صورت کنترل شده و مطلوب درآورد و در نتیجه شکل­ پذیری سازه را در برابر بارهای جانبی بالا برد. در حالت کلی تیر پیوند دارای دو حالت شکست می­ باشد:

  1. شکست خمشی
  2. شکست برشی

در شکست خمشی، عمل تسلیم و جذب انرژی به صورت باز و بسته شدن مفاصل پلاستیک (لولاهای خمیری) در تیر پیوند تحت اثر نیروهای جانبی متناوب انجام می­ گیرد.

در شکست برشی این عمل با تسلیم برشی ورق جان و ایجاد مفاصل پلاستیک در بال تیر پیوند صورت می­ پذیرد. تحقیقات در این زمینه نشان می­ دهد شکست برشیِ تیر پیوند مطلوب­ تر از شکست خمشی آن است که به منظور دست­یابی به این هدف می­ توان با کاهش طول تیر پیوند تا یک حد خاص، شکست برشی را به آن اعمال نمود.

 تیرهای پیوند

تیرهای پیوند

شکل (3)

در سیستم­ های مهاربندی شده واگرا این انتظار می­ رود که تغییر شکل­ های غیر ارتجاعی (پلاستیک) زیادی در ناحیه تیر پیوند آن­ ها ایجاد گردد. برای حصول شرایط شکل­ پذیر در نظر گرفته شده برای این ناحیه، لازم است ضمن رعایت الزامات ویژه برای تیر پیوند، قسمت­ هایی از تیر دهانه مهاربندی که در خارج از ناحیه پیوند قرار دارند و نیز ستون­ های طرفین دهانه مهاربندی، مهاربندها و کلیه اتصالات طوری طراحی شوند که عموماً در محدوده الاستیک باقی بمانند. با توجه یه این موضوع تیر ناحیه پیوند تحت اثر بارهای لرزه ­ای شدید می­ تواند مانند یک فیوز سازه ­ای در نظر گرفته­ شود که با تغییر شکل پلاستیک کنترل شده در آن باعث جذب انرژی می­ شود.

سخت کننده های تیر پیوند

سخت کننده های تیر پیوند

شکل (4)

مراجع

[1] ازهری، مجتبی. و میرقادری، رسول. 1393. طراحی سازه‌‌های فولادی، جلد چهارم. انتشارات ارکان دانش.

[2] American Institute of Steel Construction. 2016. ANSI/AISC 341-16, Seismic Provisions for Structural Steel Buildings.

[3] دفتر مقررات ملی ساختمان. 1392. مبحث دهم، طرح و اجرای ساختمان‌‌های فولادی. نشر توسعه ایران.

[4] مقدم، حسن. 1387. مهندسی زلزله: مبانی و کاربرد.

 

با تشکر از مهندس وامق حجازی

آشنایی با مقاطع نوین مهاربندها

مقاطع ساختمانی توخالی نوعی پروفیل فولادی با ظاهر لوله ای هستند که با توجه به خواص ویژه و منحصر به فردشان به شکل های مختلف، مورد استفاده قرار می گرفته اند. یکی از برجسته ترین نمونه ها، پل «فُرس آو فِرس» است که در سال ۱۸۹۰ میلادی در اسکاتلند با استفاده از این مقاطع ساختمانی ساخته شده‌ است. در سال های اخیر نیز استفاده از این مقاطع شاهد پیشرفت چشمگیری بوده است به طوری که مهندسان به خاطر خواص ویژه اش به آن لقب متریال قرن بیست و یک را داده اند.

پل «فُرس آو فِرس»

پل «فُرس آو فِرس»

ایده ساخت این نوع مقاطع برای نخستین بار از گیاه بامبو گرفته شد که ساقه ای توخالی و در عین حال مقاوم دارد. مقاطع HSS کارآمدترین شکل را برای تحمل بارهای محوری دارند به همین جهت برای ساخت اعضای کششی و فشاری مورد توجه قرار می گیرند. یکی از این اعضا مهاربند است که به وفور در ساخت سازه های فولادی استفاده می شود.

بامبو

بامبو

مهاربندهایی که با این مقاطع ساخته می شوند، عملکرد بسیار خوبی داشته و به راحتی به ورق گوشه(Gusset plate) متصل می شوند. در واقع دو انتهای این اعضا به گونه ای قالب ریزی شده که دارای شکاف می باشد و در هنگام اتصال، ورق گوشه داخل این شکاف قرار گرفته و نیاز به هیچ ورق مضاعف یا جوشی برای اتصال نمی باشد در نتیجه عضو و ورق اتصال، به صورت یکپارچه عمل می کنند و ضعف های اتصالات پیشین در آن ها مرتفع می شود.

قسمت انتهایی مهاربند برای اتصال به ورق گوشه

قسمت انتهایی مهاربند

متاسفانه ثابت شده طراحی این مقاطع برای مقاومت در برابر زلزله های بسیار شدید دشوار است. اخیرا به علت عدم درک درست از رفتار این مهاربندها در زلزله های شدید، شکست های تردی از آنها مشاهده شده که مهندسان را ملزم می دارد تحقیقات و آزمایشات بیشتری در خصوص این مقاطع داشته باشند.

مقاطع توخالی برای مهاربند

مقاطع توخالی برای مهاربند

مقاطع توخالی برای مهاربند

مقاطع توخالی برای مهاربند

برگرفته از آموزش تحلیل و طراحی مهاربندهای همگرا

ده نکته کاربردی در مورد ستون گذاری که هر مهندس عمرانی بایستی بداند!

سلام من کتایون قلاسی هستم و قصد دارم درباره ستون گذاری نکاتی برای شما ذکر کنم!

همانطور که در بازی شطرنج انتخاب موقعیت مهره ها حائز اهمیت می باشد، و برد یا باخت شما را تعیین می کند، در طراحی ساختمان، انتخاب موقعیت ستون ها( ستون گذاری ) نیز می تواند تفاوت بارزی را بین شما و دیگر مهندسان ایجاد کند. البته بحث به همن جا ختم نمی شود؛ چرا که شما بعنوان یک مهندس خبره، در گام های بعدی باید درمورد جانمایی دیوار برشی ، مهاربند ها ، انتخاب جهت تیر ریزی بهینه و… تصمیماتی شایسته بگیرید.

ستون گذاری نیز مانند دیگر قسمت های طراحی سازه، نیازمند رعایت الزامات و معیار هایی است؛ اگرچه می توان ستون ها را بدون اطلاعات کافی هم در سازه قرار داد، اما به احتمال زیاد اختلالاتی در ساختمان بوجود خواهد آمد که دیگر قابل ترفیع نمی باشند.
بنابرین اگر شما هم یک طراح سازه هستید توصیه می کنم با الزامات ستون گذاری آشنا باشید تا بتوانید:

  1. با انتخاب بهترین محل برای ستون ها، کاهش قابل توجهی را در هزینه های پروژه ایجاد کنید.
  2. سازه را به صورتی ایمن، زیبا و کارآمد طراحی کنید.
  3. پیش از طراحی ستون برخی از الزامات مربوط به آیین نامه ۲۸۰۰ را رعایت کنید.

در تعیین محل مناسب برای ستون ها بایستی به ضوابط معماری و سازه ای ساختمان توجه داشت. به همین منظور نکاتی را برای شما گردآوری کرده ایم که امیدواریم مفید واقع شوند:

نکات ستون گذاری در معماری :

  1. وظیفه ستون انتقال بارهای ساختمان به پی می باشد. بنابراین انتخاب محل ستون ها و فاصله آن ها از یکدیگر اهمیت پیدا می کند. محل و فاصله ستون ها باید به گونه ای باشد که با حداقل تعداد ستون، کل بارهای ساختمان به زمین منتقل شود.
    structure

    نحوه انتقال بارها به ستون ها و سپس به پی و زمین

    اگر فاصله بین ستون ها کمتر از حد معمول باشد، کیفیت فضاها از نظر معماری کاهش می یابد.
    و اگر این فاصله بیشتر از حد معمول باشد، مقاطع تیر و ستون افزایش می یابد که این مورد، نه تنها از نظر اقتصادی به صرفه نمی باشد، بلکه ایجاد آویز در تیرها را نیز به همراه خواهد داشت.

  2. محل ستون ها بایستی به نحوی باشد که از زیبایی ساختمان و ارتباط بین آن ها نکاهد. برای مثال در نمای ساختمان، ستون ها نباید به گونه ای قرار داده شوند که با بازشو ها تداخل داشته باشند.
  3. بهتر است ستون ها حتی الامکان درون دیوارها، جرز ها و کمد های دیواری مخفی شوند و داخل فضاها قرار نگیرند. گرچه در بعضی موارد این مورد اجتناب ناپذیر است.
  4. به هنگام ستون گذاری بایستی عرض مورد نیاز برای راه پله، آسانسور و سایر فضاهای این چنینی را تامین کرد. در بعضی موارد دیده شده ستون گذاری نامناسب، باعث از بین رفتن فضای مفید آسانسور و راه پله شده و مجبور به استفاده از آسانسوری با ظرفیت کمتر می شویم.
    برای زمین های بالای ۲۰۰ متر، ابعاد داخل به داخل باکس آسانسور ۱۶۰ در ۲۰۰ سانتیمتر و ابعاد داخل به داخل باکس راه پله ۲۴۰  در ۴۸۰ سانتیمتر می باشد.
  5. محل قرارگیری ستون ها در پارکینگ بایستی به گونه ای باشد که مانع حرکت ماشین ها نباشد و فضای پرت ایجاد نکند.
    فضای مورد نیاز برای پارک یک ماشین ( فاصله بین نازک کاری دو ستون مجاور ): ۵ در ۲٫۵ متر
    فضای مورد نیاز برای پارک دو ماشین در مجاورت یکدیگر: ۵ در ۴٫۵ متر

index_parking

 ستون گذاری بر مبنای ضوابط سازه ای:

  1. همانطور ک می دانید بهتر است قاب های باربر جانبی در هر راستا، نیروی زلزله همان راستا را تحمل کنند. از آنجایی که نیروی زلزله در دو جهت عمود بر هم x و y به سازه وارد می شود، جهت ستون گذاری نیز بایستی به نحوی باشد که قاب های موجود در سازه، عمود بر هم باشند. به عبارتی بایستی به بحث نامنظمی سیستم های غیر موازی در آیین نامه ۲۸۰۰ توجه نمود. شاید ویدئوی رایگان آموزشی تفسیر ویرایش چهارم استاندارد ۲۸۰۰ به کارتان آید. در قسمت دوم این مجموعه رایگان با انواع نامنظمی در پلان از جمله نامنظمی سیستم های غیر موازی آشنا می شوید.
    unhibited

    نامنظمی سیستم های غیر موازی

     

  2. در قسمت هایی از ساختمان که دارای پیش آمدگی می باشند (مثل بالکن)، لازم نیست حتماً چهار طرف آن، ستون تعبیه شود، بلکه می توان بالکن را به صورت طره مدل کرد.
    ولی دقت داشته باشید که طبق آیین نامه ۲۸۰۰ بایستی از احداث طره های بزرگتر از ۱٫۵ متر حتی المقدور احراز شود.و نیروی قائم زلزله در طراحی شان لحاظ گردد.
  3. در چهار طرف اتاق پله بایستی ستون قرار داده شود. همچنین توصیه می شود در صورت امکان در چهار طرف آسانسور نیز ستون قرار گیرد.
  4. نحوه قرار دادن مناسب ستون در پلان اگر در هر سمت، از یک نوع سیستم باربر جانبی استفاده شده باشد به شرح زیر می باشد:
    نحوه ستون گذاری در سازه ای که دریک امتداد دارای قاب خمشی و درامتداد دیگر دارای مهاربند می باشد.

    نحوه ستون گذاری در سازه ای که در یک امتداد دارای قاب خمشی و در امتداد دیگر دارای مهاربند می باشد.

     

  5. اگر پلان دارای فرو رفتگی یا شکستگی بود، بایستی در محل تقاطع اضلاع آن از ستون استفاده شود. توجه کنید این پس رفتگی در پلان موجب ایجاد نامنظمی هندسی در پلان سازه نشود.

 

آیا می خواهید در این مورد بیشتر بدانید؟

در این مقاله تنها بخشی از اطلاعات لازم برای جانمایی ستون ها در پلان را ارائه داده ایم. در دوره ویدئویی ستون های فولادی در مورد نحوه ستون گذاری در پلان و همچنین نحوه قرار دادن مناسب آن بیشتر توضیح داده ایم.

 

چرا مهاربند همگرای ویژه

مطمئنا این نکته را تایید می کنید که مهاربندهای همگرا به وفور در سازه های فولادی اجرا می شوند. سوال اینجاست که چرا مهاربندهای همگرای ویژه برای نخستین بار قد علم کردند؟ در این مقاله رایگان که در راستای دوره طراحی مهاربندهای همگرا تولید شد، قصد داریم علت بوجود آمدن اولین مهاربندهای همگرای ویژه را ذکر کرده و مزیت های آن را نسبت به نوع معمولی بیان کنیم. هر چند دید مهندسی شما عزیزان قابل ستایش است.

علت پیدایش مهاربند همگرای ویژه

خسارت شدید مهاربندهای همگرای معمولی در زلزله هایی از قبیل لوما پریتا ۱۹۸۹، نورثریج ۱۹۹۴ و مکزیکو ۱۹۸۵ که ناشی از سختی بالای این نوع مهاربندها و عدم شکل­ پذیری مناسب آن­ها بود منجر به بازبینی در طراحی این سیستم­ ها شد. در نتیجه پس از وقوع این زلزله­ ها مهاربندهای همگرای ویژه معرفی شدند.

هولناک ترین معضل برای اعضای مهاربندی، پدیده کمانش می باشد که برای یک عضو تحت فشار ممکن است اتفاق بیفتد. مهاربند ها بسته به معمولی یا ویژه بودنشان دو نوع رفتار ممکن است داشته باشند. چون از مهاربندهای معمولی انتظار رفتار فرا ارتجاعی محدودی داریم در نتیجه پس از کمانش، این مهاربندها ظرفیت باربری خود را از دست داده و دچار ضعف شدیدی در تحمل نیروی فشاری می شوند؛ در صورتی که مهاربندهای همگرای ویژه در حکم فیوز سازه بوده و بعد از کمانش ، رفتار غیر ارتجاعی خوبی از خود نشان می دهند. پس از رخداد کمانش با تشکیل مفصل پلاستیک در سه نقطه از مهاربندها، ظرفیت باربری مهاربند حفظ شده و عضو هنوز هم می تواند با شکل پذیری خود در برابر نیروهای زلزله مقاومت کند.

علاوه بر تفاوت رفتاریِ مهاربندهای معمولی و ویژه، اعضای این مهاربندها در طراحی نیز با هم تفاوت دارند:

  • به دلیل تفاوت در نیروی زلزله که به علت وارد کردن ضریب زلزله های متفاوت ایجاد می شود، این مهاربندها شکل پذیری های متفاوتی از خود نشان می دهند؛ به این صورت که مهاربند معمولی دارای ضریب رفتار کمتری(۳/۵) بوده در نتیجه ضریب زلزله و نیروی زلزله بیشتری را در طراحی برای آن متصوریم در صورتی که مهاربند ویژه ضریب رفتار بیشتری(۵/۵) و نیروی زلزله کمتری دارد. پس این کمتر در نظر گرفتن نیروی زلزله برای مهاربند ویژه باعث می شود سبک تر و شکل پذیرتر طراحی شود و رفتار خوبی در زلزله از خود نشان دهد. و این رفتار خوب به واسطه تشکیل مفصل پلاستیک در سه نقطه از طول مهاربند رخ می دهد.
  • تفاوت بعدی اعضای مهاربندی در فشردگی مقاطع آن ها می باشد(جدول۱۰-۴-۳-۱ مبحث دهم مقررات ملی ساختمان)
این عکس نمونه ای از خرابی زلزله لوما پریتا را نشان می دهد

زلزله لوما پریتا

این عکس نمونه ای از خرابی زلزله نورتریج را نشان می دهد

زلزله نورتریج

این عکس نمونه ای از خرابی زلزله مکزیکو را نشان می دهد

زلزله مکزیکو

مکانیزم رفتاری مهاربند همگرای ویژه :

طراحی این مهاربندها به گونه­ ای است که در هنگام وقوع زلزله تغییرشکل­ های غیرارتجاعی قابل ملاحظه­ ای در مهاربندهای فشاری و کششی آن­ها به وجود می ­آید؛ به گونه ای که در مهاربندهای کششی، ناحیه شکل ­پذیر در تمام طول عضو به وجود می ­آید. در مهاربندهای تحت فشار نیز، کمانش غیرارتجاعی باعث ایجاد مفصل پلاستیک در دو انتها و همچنین وسط مهاربند می­ شود.

بنابراین این مهاربندها به علت شکل پذیری مناسب خود پس از سیکل های متوالی بارگذاری در عضو کششی به تسلیم و در عضو فشاری به کمانش غیر ارتجاعی می رسند.

کمانش عضو فشاری و تسلیم عضو کششی

اعضای بادبندی

مزایای مهاربند ویژه نسبت به مهاربند معمولی :

کمانش اعضای بادبندی در مهاربند همگرای معمولی منجر به کاهش باربری و شکل­ پذیری محدود این سیستم می­ شود. در نتیجه این سیستم­ ها ایمنی جانی را آنچنان که باید تامین نمی­ نمایند. درصورتی که برای قاب­ مشابه با مهاربند ویژه، تشکیل مفصل پلاستیک در اثر کمانش و نهایتا وقوع خرابی پس از سیکل­ های بارگذاری بیشتر، تامین ایمنی جانی را به همراه دارد. در واقع استفاده از مهاربند همگرای معمولی در سازه های بلند تر از ۴ طبقه در مناطق با لرزه خیزی بالا توصیه نمی شود؛ که این خود محدودیت بزرگی محسوب می شود. مهاربند شکل­ پذیر نه تنها موجب بهبود رفتار لرزه ­ای سازه می­ شود بلکه از لحاظ اقتصادی نیز کاهش در وزن ستون­ ها و مهاربندها منجر به سبک ­تر شدن فونداسیون می­ شود.

استفاده از مهاربند همگرای ویژه علاوه بر کاهش برش پایه ساختمان و افزایش شکل پذیری منجر به کاهش سختی سازه به مقدار ناچیزی نسبت به همگرای معمولی می شود.

 

نمونه تصویری از مهاربند هشتی

مهاربند همگرا

آنچه درباره معضلات بادبندها باید بدانیم – قسمت سوم

در قسمت های قبل دو موضوع کمانش و معضلات ورق گوشه بادبند را بررسی کردیم و دانستیم طراحی عضو بادبندی و نیز ورق گوشه حساسیت هایی را می طلبد که گاه طراح و یا مجری از آن چشم پوشی می کنند و عواقب این سهل انگاری ها در هنگام وقوع زلزله خود را نشان می دهد. در این قسمت نکات مربوط به ورق میانی بادبند را با هم مرور می کنیم.

۸۵۳۴۱۱۵-۷۸۱۸-l

ورق میانی بادبند

فلسفه وجودی ورق میانی بادبند چیست ؟

در گام اول بررسی می کنیم که اصلا فلسفه وجودی ورق میانی چیست و به چه کار این جهان هستی می آید!

اتصال دو عضو بادبندی به همدیگر گاهی بدون واسطه امکان پذیر نیست. بسته به مقطع انتخابی برای عضو بادبندی استفاده از ورق میانی می تواند صورت بگیرد یا نگیرد.

مثلا مقطع نبشی، یکی از مقاطعی است که برای اتصال بسیار مناسب بوده و نیازی به عنصر سوم برای اتصال دو نبشی به هم وجود ندارد. ولی برای اتصال دو ناودانی استفاده از ورق میانی الزامی می باشد.

حال اگر در مجموعه بادبندی سازه خود ورق میانی داشته باشیم باید نکاتی را جهت عملکرد درست این ورق رعایت کنیم که در هنگام وقوع زلزله با مشکلاتی مثل مشکل زیر روبرو نشویم:

bam-earthquake-4

جدایی ورق میانی از دو عضو بادبندی

نکات طراحی ورق میانی بادبند :

  • اگر دو انتهای عضو بادبندی روی ورق در امتداد هم جوش داده نشوند و راستای آنها دارای خروج از مرکزیت باشد؛ عضو بادبندی قادر نخواهد بود به اندازه ظرفیت خود نیرو جذب کند و تنها نیروی کمی برای جدایی این دو عضو از ورق کافی خواهد بود.
zaf15

خروج از مرکزیت در راستای عضو بادبندی

دقت کنید؛ در شکل فوق اشتباهات دیگری نیز وجود دارد.
استفاده از تیر لانه زنبوری در دهانه مهاربند همگرا ؛ و بدتر از آن، استفاده از تیر زنبوری بعنوان تیر پیوند در مهاربند واگرا.

  • اگر در یک بادبند ضربدری، ورق میانی به صورتی اجرا شود که فاصله دو عضو بادبندی بریده شده از هم زیاد باشد. ممکن است در حد فاصل انتهای اعضای بریده شده، اثر فشار بر اعضای بادبندی موجب کمانش آنها شود و  فرصت از بادبند جهت جذب نیرویی در حد ظرفیتش گرفته شود.
zaf15

فاصله زیاد دو عضو بریده شده

  • در طراحی و اجرای ورق میانی، علاوه بر حساسیت اتصال اعضای بادبندی روی ورق، خود وسیله اتصال نیز بسیار مهم است و بسته به پیچ یا جوش بودن رعایت نکاتی ضروری است.
    برای مثال طراح باید طول جوش لازم را تامین کند و جوشکار نیز بالطبع باید تامین این طول جوش را به طور عملی و با کیفیت بالا رعایت کند. و یا اگر اتصال پیچی است باید کنترل های مهمی از جمله کنترل برش قالبی ورق میانی حتما انجام شود.
۱۴۱۹۴۲۵۲۵۲_۰۳۱

خرابی به علت ضعف جوش

  • مهمترین نکته، طراحی درست ابعاد ورق اتصال و همچنین استفاده از فولاد با کیفیت برای ورق اتصال است. گاه طراحی و اجرا بی نقص بوده ولی در کمال ناباوری شاهد عکس العمل ضعیف ورق میانی در برابر نیروهای زلزله می باشیم که این بستگی به کیفیت ورق و نحوه ی تولید آن دارد.
kfj2_Fixd

ورق های فولادی

با ما همراه باشید تا در قسمت بعد معضلاتی از بادبند را بیان کنیم که تنها در سرزمین عجیب با آن روبرو می شوید!!!

در صورت تمایل به خواندن مقالات جذاب مشابه  بر روی لینک های زیر کلیک کنید:

آنچه درباره معضلات بادبندها باید بدانیم – قسمت دوم

ورق گوشه یا گاست پلیت، ورق متصل کننده عضو بادبندی به تیر و ستون می باشد. همانطور که می دانید و نیز در مقاله ی آنچه درباره معضلات بادبندها باید بدانیم – قسمت اول مطالعه نمودید در صورت طراحی و اجرای صحیح بادبندها، مشکلی در هنگام وقوع زلزله متوجه آن ها نخواهد بود. ولی اگر بادبند و یا هر یک از اجزای آن به درستی طراحی، جانمایی و اجرا نشود در هنگام وقوع زلزله نقش خود را به خوبی ایفا نکرده و نهایتا زوال سازه را به علت نقص منجر می شود.

sf1x8w7yprvpbabv36wk

ورق گوشه

 

در این قسمت قصد داریم معضلاتی را که متوجه ورق گوشه یا گاست پلیت است بررسی کنیم.

در ابتدا ذکر نکاتی در مورد طراحی ورق گوشه خالی از لطف نیست:

گاست پلیت باید به گونه ای طراحی شود که ابعاد آن و نیز اتصال آن به تیر و ستون، پاسخگوی کشش و فشار وارده از زلزله باشد، و در این میان گسیخته نشود.

یکی از مودهای گسیختگی، کمانش موضعی، به ویژه در انتهای گاست پلیت می باشد که بر اساس تئوری های رایج این ناحیه، ناحیه حساسی به شمار می رود. در نتیجه به منظور کنترل ناحیه مذکور، استفاده از سخت کننده میانی در گاست پلیت پیشنهاد می شود. همچنین افزایش ضخامت این سخت کننده ها موجب افزایش خطی ظرفیت باربری و شکل پذیری گاست پلیت می گردد.

حال اگر به هر دلیلی طراحی به درستی صورت نگرفت عواقبی به دنبال خواهد داشت که در زیر آنها را با هم بررسی می کنیم:

  • اگر طول جوش کافی برای اتصال بیس پلیت و ورق گوشه تامین نشود: بادبند به علت کم بودن طول جوش، تنها بخشی از نیروی خود را به ستون و بیس پلیت و سپس فونداسیون انتقال داده و نقش انتقال نیروها را به طور کامل انجام نمی دهد.
DDCD

اتصال ورق گوشه و بیس پلیت

  • اگر طول اتصال عضو بادبندی با ورق گوشه کم باشد: پیش از اینکه بادبند به اندازه تحمل خود به فشار و کشش افتد، ورق در اثر فشار چین خورده و با وقوع این کمانش، مقاومت خود را کاملا از دست می دهد.
nosazi_madares_2_0

اتصال عضو بادبندی با ورق گوشه

  • اگر اتصال ورق گوشه و ورق تقویتی ستون مناسب باشد ولی ورق تقویتی به درستی به ستون جوش نشده باشد: ورق گوشه در اثر کشش بادبند به جلو کشیده شده و ورق تقویتی را از ستون جدا می کند، در نتیجه دیگر بادبند وظیفه خود را به درستی ایفا نخواهد کرد.
۰۰۳-۳۰۰x225

اتصال ورق گوشه و ورق تقویتی ستون

  • اگر ابعاد ورق گوشه کمتر از مقدار مورد نیاز طراحی شده باشد: مسلما طول جوش و یا تعداد پیچ مورد نیاز نیز تامین نشده و در هنگام زلزله به دلیل ضعف در تحمل نیروهای رفت و برگشتی جدا خواهد شد.
۰۰۶-۳۰۰x225

کوچک بودن ورق گوشه

  • اتصال نامناسب بین تیر و ورق گوشه : در این صورت نیز نیروهای فشاری و مخصوصا کششی زلزله منجر به جدایی بادبند و تیر می شوند.
bam-earthquake-12

اتصال تیر و ورق گوشه

در همه موارد بالا در صورت دقت در طراحی و انتخاب ابعاد مناسب ورق گوشه و همچنین تامین طول جوش کافی ( و یا تامین تعداد پیچ مورد نیاز) برای ورق گوشه و بادبند، ورق گوشه و تیر و ستون، ورق گوشه و بیس پلیت معضلات نامبرده در هنگام وقوع زلزله گریبان گیر بادبند که یکی از مهم ترین اعضا در سازه های فولادی است نخواهد شد.

در صورت تمایل به خواندن مقالات جذاب مشابه  بر روی لینک های زیر کلیک کنید:

آنچه درباره معضلات بادبندها باید بدانیم – قسمت اول

همانطور که می دانید، بادبند یا مهاربند عضوی در سازه های فولادی است که جهت انتقال نیروی زلزله از دیافراگم صلب کف، به فونداسیون مورد استفاده قرار می گیرد. جایگزین بادبند در سازه های بتنی همان دیوار برشی است که جهت مهار نیروی زلزله و انتقال آن به پی ساختمان به کار می رود.

badband

بادبند

 

ejfnbseckbo6f8tg7i73(1)

دیوار برشی

 

بدیهی است که در صورت طراحی و اجرای صحیح بادبند ها، مشکلی در هنگام وقوع زلزله متوجه آن ها نخواهد بود. اما گاها شاهد خرابی ها و معضلاتی در بابند ها هستیم که بهتر است به عنوان یک مهندس عمران با این خرابی ها و علل آن ها آشنایی کامل پیدا کنیم. در اولین قسمت از سری مقالات معضلات بادبندها به پدیده کمانش پرداخته و آن را به طور کامل تحلیل می کنیم. برای شروع چند نمونه از کمانش بادبندها را در هنگام رخداد زلزله بررسی می کنیم:

  • در تصویر زیر بادبندی را می بینیم که در عین دوبل اجرا شدن به علت عدم استفاده از لقمه اتصال دچار پدیده کمانش شده است:
Untitled-225x300

تصویر۱ – کمانش موضعی

bam-earthquake-8

کمانش بادبند

  • در این تصویر نیز پدیده کمانش بادبند مشهود است:
brace_buckling

تصویر ۲ – کمانش کلی

اکنون به تعریف پدیده کمانش که در بالا نمونه هایی از آن را دیدید پرداخته،انواع و علل وقوع آن را بررسی می کنیم:

کمانش بادبند :

پدیده کمانش یا چروکیدگی رفتاری است که از عضو تحت فشار سر می زند. برای ساده سازی یک ترکه چوب را درنظر بگیرید؛ اگر این ترکه را بطور مستقیم و در راستای خود ترکه تحت فشار قرار دهید نیروی زیادی لازم است تا بتوانید آن را خم کنید. چون نیرویی که به ترکه وارد می کنید از مرکز آن فاصله چندانی ندارد، لنگر خمشی حاصل نیز دارای بازوی کوچکی خواهد بود. ولی همین که ترکه کمی خم شود بازوی لنگر زیاد شده و شما ادامه کار خم کردن را به راحتی می توانید انجام دهید.

رخداد انواع کمانش، به محل و جهت اعمال نیرو به جسم، وابسته است. در حالت های مختلف این نیرو می تواند فشاری، خمشی و یا حتی پیچشی باشد و باعث کمانش بشود. یک استوانه کاغذی را اگر از دو سر بپیچانید دچار چروکیدگی یا همان کمانش می شود. پس شکل و فرم کمانش متفاوت است و می توان از یک شکم دادن ساده باشد تا چروکیدگی ورق یا پیچ خوردگی و …

ایزی وال ۰۷

کمانش

در بادبندها نیز به علت رفتار رفت و برگشتی زلزله، تحت فشار و کشش بودن مداوم بادبند، مقاوم بودن آن را در برابر انواع کمانش می طلبد. و عموما این پدیده در بادبندهایی که اصطلاحا لاغر هستند یعنی طول زیاد یا سطح مقطع کوچک دارند رخ می دهد.

انواع کمانش در مهاربند ها :

کمانش به طور کلی به دوصورت کمانش کلی و موضعی ممکن است رخ دهد.

کمانش کلی عضو یعنی ناپایداری و از بین رفتن عضو تحت اثر تغییر شکل های جانبی زیاد ناشی از نیروها یا تنش های فشاری در کل عضو که گاهاً ممکن است همزمان با کمانش موضعی عضو صورت گیرد.

کمانش موضعی در اجزای نازک رخ داده و عضو اگر به دلایلی (لنگر خمشی یا نیروی محوری) تحت تنش های فشاری قرار گیرد، ناپایدار شده و کمانش می کند و در نتیجه قسمتی از نیمرخ خاصیت باربری مناسب خود را از دست داده و به این پدیده کمانش موضعی می گویند.

همانطور که در دو تصویر ۱ و ۲ در بالا مشاهده کردید؛

تصویر اول کمانش موضعی بود که در بخشی از بادبند و به علت عدم استفاده از لقمه های اتصال رخ داده بود .

تصویر دوم نیز کمانش کلی بادبند را در زلزله و به علت لاغر بودن بیش از حد عضو نشان می داد.

پس نتیجه می گیریم عضو بادبندی در کل طول خود نباید لاغر باشد؛ همچنین ضمن الزامی بودن استفاده از لقمه ها در فواصل معین این فواصل به گونه ای طراحی شود که بادبند در حدفاصل بین دو لقمه نیز لاغر نباشد و کمانش صورت نگیرد.

شکل۱ تصویر یک سازه لوله¬ای قبل و بعد از کمانش

سازه لوله ای قبل و بعد از کمانش

در صورت تمایل به خواندن مقالات جذاب مشابه بر روی لینک های زیر کلیک کنید: