بررسی سیستم دوگانه به همراه کنترل 25 درصد نیروی زلزله و 50 درصد دیوار برشی در ایتبس

سیستم های سازه ای متفاوت به دلایلی مانند بهبود عملکرد سازه با یکدیگر ترکیب می شوند که اصطلاحا به آن سیستم دوگانه یا ترکیبی گفته می شود. این نوع سیستم ها علاوه بر مزایایی که دارند نیازمند کنترل های سازه ای نیز می باشند که در سیستم دوگانه کنترل 25 درصد قاب خمشی و 50 درصد دیوار برشی الزامی می باشد اما این کنترل در ایتبس به چه صورتی انجام می پذیرد؟

در این مقاله جامع ابتدا مفهوم سیستم دوگانه را بیان خواهیم کرد و سپس به کنترل 25-50 درصد نیروی زلزله در قالب تصاویر و ویدئو های رایگان خواهیم پرداخت.

معرفی سیستم دوگانه یا ترکیبی

پیش از بررسی سیستم سازه‌ای دوگانه، ابتدا تعریف سیستم باربر جانبی باید بررسی شود:

سیستم باربر جانبی قسمتی از یک سازه است که وظیفه‌ی مقاومت در برابر بارهای جانبی را داشته و آن‌ها را از مسیری ایمن به سمت شالوده هدایت می‌کند. نیروهای جانبی می‌توانند شامل باد یا زلزله و یا سایر نیروها باشند. طبق بند 1-5-5 استاندارد 2800، “عناصر مقاوم در برابر زلزله باید به صورتی در نظر گرفته شوند که پیچش ناشی از این نیروهای مؤثر و مقاوم در طبقات به حداقل برسد. برای این منظور مناسب است فاصله مرکز جرم و مرکز سختی در هر طبقه و هر امتداد، کمتر از 5 درصد بٌعد ساختمان در آن امتداد باشد”. این بند اهمیت آرایش سیستم‌های باربر جانبی و در نتیجه افزایش بازدهی عملکرد سیستم باربر جانبی را دو چندان می‌کند.

از دیدگاه یک مهندس سازه بهترین سیستم سازه‌ای، سیستمی است که در آن اعضای اصلی سازه، ترکیب‌های مختلف بارهای قائم و افقی را به صورت بهینه تحمل نمایند. در آیین‌ نامه‌های معتبر داخلی و خارجی از جمله استاندارد 2800 زلزله ایران، چندین نوع سیستم سازه‌ای مختلف معرفی گردیده است که در این ایبوک به تشریح سیستم دوگانه یا مختلط می‌پردازیم.

یکی از سیستم‌های سازه‌ای برای مقابله با نیروهای جانبی سیستم قاب دوگانه یا ترکیبی می‌باشد که ترکیبی از قاب‌های خمشی و دیوار برشی و یا مهاربندی است که شکل‌ پذیری و درجه نامعینی مناسبی را دارا بوده و معمولاً استفاده از آن، در اسکلت بتنی با تعداد طبقات بیش از 8 طبقه به منظور کاهش ابعاد تیر و ستون اجتناب‌ ناپذیر می‌باشد.

قاب خمشی بدون دیوار برشی و یا مهاربند دارای تغییر مکان نسبی یا دریفت زیادی بوده که در اکثر مواقع در سازه‌های قاب خمشی این دریفت میان طبقه‌ای، کنترل‌کننده‌ی طراحی می‌باشد. بدین معنا که برای کاهش دریفت میان طبقه‌ای، علیرغم اینکه مقاطع از بٌعد مقاومتی، مشکلی ندارند ، باید از ابعاد بزرگ‌ تری برای تیرها و ستون‌ها استفاده نمود.

شکل1- نمونه‌ای از یک سازه با سیستم دوگانه

بنابراین سیستم قاب خمشیِ تنها، علیرغم شکل‌ پذیری خوب در مقابل بارهای جانبی اما دارای سختی کم و تغییر شکل زیادی می‌باشد که برای حل این معضل استفاده از دیوار برشی و یا مهاربند منطقی و اقتصادی است. با این توضیحات، شاید ذکر این نکته اغراق نباشد که فلسفه‌ی استفاده از این سیستم سازه‌ای (وجود دیوار و یا مهاربند مناسب در کنار قاب خشمی)، کنترل تغییر مکان نسبی به منظورِ کاهش ابعاد تیرها و ستون‌ها است. این پدیده به دلیل توزیع مناسبِ عناصرِ افزایش‌ دهنده‌ی سختی جانبی در هر دو جهت اصلی سازه می‌باشد.

بنابراین به کار بردن توأم قاب خمشی با یک سیستم باربر جانبی دیگر (دیوار برشی یا مهاربند) سختی ساختمان را افزایش می‌دهد. در نتیجه کنترل تغییر شکل کل سازه، به‌ وسیله‌ ی مشارکتِ همزمانِ سختیِ قاب خمشی در کنارِ دیوار برشی و یا مهاربند صورت می‌گیرد. توجه شود که در قاب خمشی تغییر شکل برشی غالب است در حالی که در سیستم دیوار برشی و یا مهاربند تغییر شکل خمشی حاکم می‌باشد، در شکل زیر نحوه‌ی تغییر شکل قاب‌ های مختلف مشاهده می‌شوند.

شکل2- انواع تغییر شکل‌ها و رفتار قاب و دیوار برشی در سیستم دوگانه

بنابراین یک سیستم ترکیبی از قاب خمشی و دیوار برشی یا مهاربند تغییر شکلی بین این دو رفتار خواهد داشت. در نتیجه در قسمت پایین ساختمان، دیوار برشی یا مهاربند سهم بیشتری از نیروی برش پایه را تحمل خواهد کرد ولی سهم دیوار برشی یا مهاربند از برش، در منطقه‌های بالاتر به‌تدریج کاهش می‌یابد در حقیقت در قسمت‌های بالای ساختمان نیروی برشی ممکن است تغییر جهت داده و بدین ترتیب نیروی برشی منتقل‌شده به قاب از کل برش طبقه بیشتر شود.؛ در نتیجه در قسمت‌های بالای سازه قطع نمودن دیوار برشی موجب بهبود اقتصاد قاب و رفتار سازه می‌گردد ولی به خاطر چالش کنترل دریفت عموماً در کل ارتفاع از دیوار برشی استفاده می‌شود.

شکل3- مقایسه رفتار دیوار برشی و قاب خمشی

با توجه به توضیحات ارائه‌شده، مزایای استفاده از سیستم دوگانه عبارت‌اند از:

1. افزایش ارتفاع مجاز ساختمان
2. جلوگیری از تغییر شکل‌های زیاد جانبی
3. جلوگیری از سنگینی سازه
4. کنترل محدودیت‌ های حالات بهره‌ برداری (ارتعاش و خیز)

از معایب این سیستم سازه‌ ای می‌توان به برخی محدودیت‌ها در طرح معماری، نیاز به مهارت بالا در طرح و آرایش سیستم سازه‌ای و افزایش احتمال واژگونی با افزایش ارتفاع سازه و طولانی‌ تر شدن کنترل‌ های مربوط به آن اشاره نمود.

شکل 4- نمونه‌ای از یک سازه با سیستم دوگانه

استاندارد 2800 زلزله ایران سیستم دوگانه را این‌ گونه تعریف می‌نماید:

با توجه به تبصره 2 در قسمت پ از بند فوق، اگر قاب‌های خمشی نتوانند مستقلاً 25 درصد نیروی جانبی را تحمل کنند، سیستم سازه از نوع دوگانه محسوب نشده و به‌ عنوان قاب ساختمانی ساده با مهاربند (یا دیوار برشی) در نظر گرفته می‌ شوند. در حالت دیگری که مهاربندها یا دیوارهای برشی نتوانند مستقلاً 50 درصد نیروهای جانبی را تحمل کنند، سیستم سازه از نوع دوگانه محسوب نشده و به‌ عنوان سیستم قاب خمشی در نظر گرفته می‌شود.

استاندارد 2800 زلزله ایران موارد الزام به استفاده از این سیستم سازه‌ای را نیز بیان نموده است:

در یادداشت [2] از جدول 3-4 ذکرشده:

عملکرد سیستم‌های دوگانه

عملکرد سیستم دوگانه به تغییر شکل‌ها بسیار وابسته است و باید هنگامی‌که سیستم دیوار برشی به سطحی از خرابی رسید و تغییر شکل زیادی در آن رخ داد سیستم قاب خمشی به‌ عنوان یک پشتیبان در مقابل بارهای جانبی عمل نماید. سیستم خمشی وقتی با سیستم دیوار برشی سازگار باشد می‌تواند موجب توزیع مجدد بارهای جانبی گردد.

در ساختمان‌های با ارتفاع متوسط (یا بلند) دوران و تغییر شکل قاب در طبقات بالا زیاد است و ممکن است قاب اول جاری شود و در اینجا دیوار یا هسته مرکزی به‌ عنوان سیستم ثانویه عمل می‌کند. به همین دلیل در ساختمان‌های با ارتفاع متوسط و بلند قاب خمشی باید از نوع ویژه باشد. اما در ساختمان‌ های کوتاه می‌تواند متوسط باشد، تا بتوان از عملکرد سیستم دوگانه بهره برد.

محدودیت ارتفاعی برای سیستم دوگانه بستگی به نوع رفتار سازه‌ ای آن داشته و به جغرافیای سازه ارتباطی ندارد، اما آیین‌ نامه‌ها بر اساس لرزه‌ خیزی نواحی گوناگون ممکن است محدودیت‌های مختلفی را برای سیستم دوگانه ارائه نمایند.

مقایسه مهاربند و دیوار برشی

همان‌ طور که میدانیم یکی از روش‌ها در تقویت ساختمان‌ های میان مرتبه استفاده از سیستم‌های دوگانه قاب خمشی همراه با سیستم باربر جانبی دیگر مانند قاب‌های مهاربندی‌شده فولادی یا دیوار برشی بتنی است. انتخاب دیوار برشی و یا مهاربندی فولادی در سازه‌های دارای قاب خمشی فولادی یکی از موضوعات مهم می‌باشد. بنابراین بررسی رفتار این‌گونه سازه‌ها و شناخت اثر هرکدام از دو سیستم فوق در ترکیب با سیستم قاب خمشی ضروری به نظر می‌رسد..

نتایج نشان می‌دهند که دیوار برشی دارای سختی جانبی بیشتری نسبت به سیستم مهاربندی ضربدری بوده و به لحاظ اجرایی ابعاد حاصله برای مقاطع در این سیستم، در مقایسه با سیستم دارای مهاربند، کوچک‌تر خواهد بود، این بدین معناست که  استفاده از دیوار برشی و قاب خمشی دارای هزینه کمتر نسبت به قاب خمشی و مهاربند خواهد بود. همچنین مشخص می‌شود که برای کنترل تغییر شکل جانبی سازه، افزایش سطح مقطع مهاربندها همواره جوابگو نبوده و در صورت نیاز افزایش تعداد دهانه‌های مهاربندی، بسیار مؤثرتر می‌باشد.

ضریب رفتار و ارتفاع مجاز سیستم دوگانه

در آیین‌نامه 2800 ویرایش چهارم ضریب رفتار و ارتفاع مجاز سیستم‌های مختلف دوگانه آورده شده است.

جدول1- مقادیر ضریب رفتار ساختمان همراه با حداکثر ارتفاع مجاز ساختمان

همان‌طور که مشاهده می‌کنیم این نوع سیستم‌های سازه‌ای دارای ضریب رفتار بالا که نشان‌دهنده شکل‌ پذیری بالا و برای ساختمان‌های نسبتاً بلند می‌باشند، ارائه‌شده است.

در سیستم‌های دوگانه، قاب‌های خمشی باید حداقل 25 درصد بار جانبی را تحمل کنند، در غیر این صورت سیستم لرزه بر، قاب ساده ساختمانی محسوب می‌شود.

اگر بخواهیم نحوه انجام کنترل 25 درصد نیروی زلزله را خیلی ساده توضیح دهیم، این‌طور می‌توان گفت که قاب‌های خمشی باید بتوانند بدون کمک دیوارهای برشی حداقل 25% بار جانبی را تحمل کنند. برای این‌که بتوانیم از کمک دیوارهای برشی در باربری جانبی صرف‌نظر کنیم کافی است سختی دیوارهای برشی را عدد ناچیزی قرار دهیم. با صرف‌نظر کردن از سختی دیوارها دیگر آن‌ها در باربری جانبی مشارکتی نخواهند داشت. سپس ضریب زلزله را در عدد 0.25 ضرب کرده و بعدازآن به طراحی تیرها و طراحی ستون‌ها (قاب‌های خمشی) می‌پردازیم. درواقع ما با این کار تیرها و ستون‌ها (قاب‌های خمشی) را برای 25% برش پایه طراحی می‌کنیم. اگر قاب‌های خمشی جوابگو بودند که سازه جوابگوی کنترل 25 درصد نیروی زلزله می‌باشد. اما اگر جوابگو نباشند، به منظور اینکه بتوان سیستم سازه‌ای را یک سیستم دوگانه در نظر گرفت، باید تیرها و ستون‌ها را تقویت نماییم.

خب حالا با استفاده از ویدئو زیر مفاهیم اولیه توضیح داده شده را به همراه نکات تکمیلی مرور میکنیم:

مشارکت دیوار برشی و قاب خمشی در تحمل نیروی زلزله

همان‌طور که در بخش قبل اشاره شد، در سیستم‌های دوگانه توانایی قاب‌ها و دیوارها برای تحمل درصدی از نیروی زلزله به صورت جداگانه، الزامی می‌باشد، در بخش‌های آتی توضیحات مربوط به این دو کنترل ارائه‌ شده است.

تئوری تحمل 25 درصد نیروی زلزله توسط قاب خمشی

 جهت درک فلسفه و علل کنترل 25 درصد می‌بایستی به چند نکته درباره رفتار و عملکرد سیستم دوگانه در حین زلزله توجه داشته باشیم:

1. در هنگام زلزله در شوک اول وقتی‌ که نیروی زلزله زیاد می‌باشد احتمالاً دیوارهای برشی منهدم شده و در شوک‌های بعدی که نیروهای کمتری وارد سازه می‌شوند قاب‌ها باید به‌ تنهایی در مقابل آن مقاومت کنند، بنابراین قاب‌های خمشی باید مقاومت حداقلی (25 درصد) را دارا باشند.
2. در آنالیز غیر الاستیک (غیرخطی) اثبات‌ شده است که وقتی سازه به تغییر شکل‌های غیرخطی (پلاستیک) می‌رسد قاب‌ها سهم بیشتری از نیروهای جانبی را تحمل می‌کنند (در مواقعی تا 50 درصد) به همین دلیل قاب‌ها باید به‌ تنهایی و مستقلاً حداقل 25 درصد نیروی زلزله را متحمل شوند.
3. در صورتی که قاب‌ها مقاومت ناچیزی در مقابل بارهای جانبی ناشی از زلزله را دارا باشند سیستم دوگانه محسوب نشده و سیستم قاب ساختمانی ساده می‌گردد که در این حالت نمی‌توان برای آن شکل‌ پذیری بالاتری در نظر گرفت.

روش کنترل 25 درصد نیروی زلزله برای قاب‌ها

 جهت بررسی تئوری کنترل 25%  سیستم دوگانه اقدامات زیر باید صورت گیرند:

1. حذف دیوار برشی در مدل جدید و تحلیل سازه با 25% نیروی زلزله.
2. انجام آنالیز مدل اولیه با کاهش سختی دیوار (منظور از کاهش سختی دیوار، کاهش قابل توجه پارامترهای سختی دیوار برشی نظیر مدول الاستیسیته و سختی‌های خمشی، برشی و  محوری است) و ایجاد شرایطی که در آن  قاب‌ های خمشی 25% نیروی جانبی زلزله را تحمل کنند.

روش کاهش سختی:

در ادامه به تشریح اعمال این ضرایب با دو رویکرد عملکردی Membrane و Shell پرداخته می‌شود:

اگر دیوار برشی از نوع Membrane تعریف شود:
دیوار برشی Membrane تنها بارهای درون صفحه خود را تحمل نموده و لنگر خارج از صفحه را تحمل نمی‌نماید. به‌ عبارت‌ دیگر دیوار در راستای طول خود عملکرد دارد و در راستای ضخامت عملکردی ندارد. با فرض این رفتار، هیچ لنگر خارج از صفحه‌ای در امتداد دیوار ایجاد نمی‌شود. ترک‌ خوردگی دیوار باید به ستون‌ های اطراف و المان‌ های پوسته‌ ای اعمال شود زیرا لنگر لختی دیوار حاصل جمع لنگر لختی ستون‌ های انتهایی و المان‌ های پوسته‌ ای است. از آنجا که سختی دیوار در راستای طولی f22 می‌ باشد و این سختی در راستای دیوار تأمین‌ کننده سختی خمشی آن (مساحت و لنگر لختی دیوار) است؛ در دیوارها ضریب ترک‌خوردگی باید به سختی غشایی f22 (بسته به ترک‌ خوردگی یا نخوردگی ستون) اعمال گردد.

چنانچه دیوار برشی از نوع Shell تعریف گردد:

چنانچه در دیوارهای برشی، خمش در دو صفحه وجود داشته باشد، می‌بایست سختی خمشی خارج از صفحه را نیز علاوه برسختی برشی برای آن منظور نمود به این منظور برای معرفی دیوار برشی می‌بایست از المان Shell استفاده کرد. ضرایب ترک‌خوردگی در دیوار برشی می‌بایست در پارامترهای f11، f22 (در داخل صفحه) و M22 , M11  (خارج از صفحه) در منوی Assign>Frame Line>Property Modifier اثر داده شود.
پس از انتخاب پوسته دیوار برشی در سازه، دستور Assign>Shell Area>Shell Stiffness Modifiers را اجرا کرده و در پنجره ظاهرشده برای اصلاح سختی داخل صفحه دیوار، در مقابل عبارت , f11, f22 Modifiers (بسته به ترک‌خوردگی با نخوردگی ستون) مقادیر مدنظر وارد می‌شوند. در خصوص سختی خارج از صفحه دیوار به علت ضخامت کم دیوار نسبت به عرض آن، همواره به‌صورت یک عضو خمشی عمل کرده و می‌بایست از ضریب اصلاح 0.35 برای سختی خارج از صفحه دیوار استفاده شود. پس از انتخاب کلیه دیوار برشی در سازه ، دستور Assign>Shell Area>Shell Stiffness Modifiers  را اجرا کرده و در جعبه ظاهرشده در مقابل عبارت , M11, M22 Modifiers عدد 0.35 را وارد می‌کنیم.

اعمال ضرایب ترک‌ خوردگی ستون کناری

اعمال ضرایب ترک‌خوردگی ستون کناری از مسیر ….Assign>Frame>Frame Property صورت می‌گیرد. تنظیم ضریب مساحت (Cross Section Area) و لنگر لختی  Moment of interia 2 , axis3 (بسته به ترک‌خوردگی با نخوردگی ستون)؛ لازم به ذکر است علت اعمال ضریب ترک‌ خوردگی حول محور 3 این است که در راستای شماره سه‌ی ستون، قاب خمشی وجود دارد و همانند قاب خمشی می‌بایست ضریب ترک‌خوردگی آن همواره حول محور 3 عدد 0.7 منظور گردد.

شکل 5- خلاصه کنترل ضرایب ترک‌خوردگی یا ترک نخوردگی دیوار  طبق ACI

ضرایبی که در بالا به آن‌ها اشاره شدند در شکل زیر مشاهده می‌شوند:

شکل6- نمایش وجوه مختلف یک المان صفحه‌ای و جهات و وجوه اصلی

در تمامی موارد فوق وزن دیوار در مدل 25 درصد اعمال شده است و دیوار حذف نگردیده است.  در Etabs، برای المان‌های صفحه‌ای دو نوع سختی تعریف می‌شود:

1. سختی درون صفحه که عبارت‌اند از f11 ، f22 و f12 .
2. سختی خارج از صفحه که m11 و m22 و m12 را در بر می‌گیرد.

برای دیوارهای برشی، رفتار خمشی و محوری توسط f11 و f22 تغییر می‌یابد (بسته به جهت محورهای محلی) و رفتار برشی دیوار توسط f12  کنترل می‌شود f11 و f22 ، روی EI و EA اثر می‌گذارند و تغییر f12 موجب تغییر GA برش می‌شود.

شکل‌های زیر جهت محورهای محلی و سختی‌های مرتبط با آن را نشان می‌دهد:

شکل7- اگر دیوار برشی از نوع Membrane تعریف شود

شکل8- اگر دیوار برشی از نوع Shell تعریف گردد

تئوری تحمل 50 درصد نیروی زلزله توسط دیوار برشی

در سیستم‌های دوگانه دیوارهای برشی باید حداقل 50 درصد بار جانبی را تحمل کنند، در غیر این صورت سیستم لرزه بر قاب خمشی محسوب می‌شود.

مشابه با حالت قبل، اگر بخواهیم این بار هم نحوه انجام این کنترل را توضیح دهیم، این‌طور می‌توان گفت که این بار دیوارهای برشی باید بتوانند بدون کمک قاب‌های خمشی حداقل 50 درصد بار جانبی را تحمل کنند. برای این‌ که بتوانیم از کمک قاب‌های خمشی در باربری جانبی صرف‌ نظر کنیم کافی است تیرها را دو سر مفصل نماییم. سپس ضریب زلزله را در عدد 0.5 ضرب کرده و بعد از آن دیوارهای برشی را طراحی می‌کنیم. اگر دیوارهای برشی جوابگو بودند که سازه جوابگوی کنترل 50%  می‌باشد. اما اگر جوابگو نباشند، با استفاده از یک روش مناسب، باید سختی جانبی سازه، حاصل از دیوارهای برشی را افزایش داد بدین منظور یا باید دیوار برشی را به کمک آرماتور گذاری تقویت نمود. همچنین به‌ عنوان راهکاری دیگر می‌توان ضخامت و یا تعداد دیوارها را هم افزایش داد.

کنترل 25 درصد نیروی زلزله در ایتبس

همان‌طور که توضیح داده شد، در سیستم دوگانه، قاب‌های خمشی باید توانایی تحمل 25% نیروی زلزله را به‌ تنهایی داشته باشند. در ادامه ابتدا توانایی قاب‌ها در تحمل 25% نیروی زلزله و سپس دیوارهای برشی برای 50% نیروی زلزله کنترل می‌شوند.

همان‌طور که می‌دانیم، برای تحلیل سازه دو روش اصلی وجود دارد که این دو روش تحلیل استاتیکی معادل و تحلیل طیفی نام دارند، در ادامه ابتدا کنترل 25% در روش تحلیل استاتیکی معادل توضیح داده خواهد شود.

تحلیل سازه به روش استاتیکی معادل

از فایل اصلی سازه با سیستم دوگانه یک فایل جدید  Save as می‌گیریم بدین منظور مسیر …file>save as طی می‌شود.

• در مدل جدید پس از انتخاب تمام دیوارها به منوی assign >shell >stiffness modifiers رفته و در پنجره ظاهرشده ضرایب کاهش سختی را به صورت زیر اعمال می‌کنیم:

(F₁₁ . F₂₂ . F₁₂ . m₁₁ . m₂₂ .m₁₂) = 0.001

شکل9- اعمال ضرایب کاهش سختی به دیوارهای برشی

• ضرایب نیروی زلزله را به 25% مقدار اولیه کاهش می‌دهیم. بدین منظور همان زلزله‌ای را که برای سازه اصلی و با ضریب رفتار سیستم دوگانه محاسبه شده را در  0.25 ضرب کرده و به سازه اعمال می‌نماییم، (مسیر  …Define> load patterns را در ایتبس طی کنید) در پنجره باز شده الگوی بار زلزله را انتخاب نموده و روی گزینه modify lateral load  کلیک کرده و ضریب زلزله را در 0.25 ضرب می‌کنیم. برای کلیه الگوهای بار زلزله این فرآیند تکرار می‌شود.

• طراحی سازه با همان ترکیب بارهای سازه اصلی یک بار دیگر انجام خواهد شد.
• تیرها و ستون‌هایی که داخل دیوار برشی مدل کرده‌ایم (در صورت وجود)، بهتر است چه در مدل اصلی (سیستم دوگانه) و چه در مدل جدید (۲۵%) مفصل نماییم.
• در فایل ۲۵ درصد ممکن است پس از حذف دیوار (به خصوص دیوارهای با طول زیاد) آرماتور خمشی تیر داخل دیوار مقدار قابل‌توجهی بدست آید، اما این میلگردها اهمیتی نداشته زیرا گرچه دیوار برشی در تحمل بار جانبی مشارکت ندارد ولی قادر است بار ثقلی خود را به پی منتقل کند و عملاً تیر مدفون در آن لازم نیست برای تحمل لنگر ناشی از وزن دیوار طراحی شود.
• سازه ۲۵ درصد، در کل طبقات، تحت زلزله‌های کاهش‌یافته باید پاسخگوی بارهای وارده باشد.
• در سازه ۲۵ درصد تنها  “مقاومت” سازه کنترل می‌شود؛ در نتیجه نیازی به کنترل دریفت در سازه ۲۵ درصد نیست.

کنترل 25 درصد نیروی زلزله در etabs در قالب یک فیلم آموزشی رایگان

تمامی مراحل ذکر شده کنترل 25 درصدی نیروی زلزله در این ویدئو کوتاه 4 دقیقه ای به صورت کاملا روان بیان شده است. برای درک بهتر و راحت تر این مطالب حتما یک بار این ویدئو رایگان را مشاهده کنید.

این ویدئو بخش کوتاهی از دوره آموزشی کنترل های سازه ی بتنی می باشد.

چند نکته:

•  نهایتا در اغلب پروژه ها نتایج فایل 25 درصد تعیین کننده طراحی تیرها و ستون ها خواهد بود.
•  فایل 25% هویت مستقلی برای خود ندارد و صرفا جهت کنترل ضابطه 25% است. بنابراین مقاطع جدید را نیز بایستی به فایل اصلی اختصاص داده و بر اساس این نتایج جدید نقشه های اجرایی را تهیه کنیم.
•  اگر از تحلیل دینامیکی طیفی استفاده می کنید لازم است همه ی نیروهای زلزله (هم استاتیکی و هم دینامیکی) را در عدد 0.25 ضرب کرده و عملیات همپایه سازی برش پایه را هم انجام دهید.

اگر کنترل 25 درصد قاب خمشی جواب نداد چه باید کرد؟

همان طور که قبلا ذکر شد در اغلب پروژه ها نتایج فایل 25% تعیین کننده طراحی قاب های خمشی است. بنابراین اگر برخی از مقاطع در فایل 25% جوابگو نبودند این به این معنی است که قاب های خمشی نتوانسته اند 25% نیروهای جانبی را تحمل کنند و ما 2 راه پیش رو داریم:

راه اول: راه اول که ما هم همین راه را به شما پیشنهاد کرده و در فیلم مراحل همین کنترل را طی کرده ایم، تقویت قاب های خمشی است تا بتوان سیستم سازه ای را دوگانه در نظر گرفت. بنابراین تیرها و ستون ها را در فایل 25% تقویت کرده تا بتوانند ضابطه 25% را اقناع کنند. توجه داشته باشید که مقاطع جدید را به فایل اصلی نیز اختصاص خواهیم داد.

راه دوم: سیستم را قاب ساده ساختمانی فرض خواهیم کرد. با این حساب در این سیستم تنها دیوارهای برشی نقش باربری جانبی داشته و بایستی برای 100 درصد بار جانبی طراحی کنیم. بنابراین برای این منظور دو فایل مجزا می سازیم. در فایل اول تمام تیرها و پای ستون ها را مفصلی کرده تا در باربری جانبی نقشی نداشته باشند. سپس در همین فایل کنترل کفایت دیوارها را انجام می دهیم. در فایل دوم نیز که قاب ها مفصلی نیستند طراحی تیرها و ستون ها و کنترل دریفت را انجام می دهیم. توجه داشته باشید که ضریب رفتار در این حالت مطابق ضریب رفتار سیستم های قاب ساده ساختمانی خواهد بود.

سوالات متداول کنترل 25 درصد قاب خمشی در سیستم دو گانه

 چه موقع کنترل 25% قاب خمشی انجام می شود؟

زمانی این کنترل را انجام داده که مقاطع را در فایل اصلی نهایی کرده باشیم. به عبارت دیگر نباید هیچ مقطعی در فایل اصلی قرمز باشد.

در پروژه من تمام تیرها و ستون ها می توانند 25% نیروهای جانبی را تحمل کنند! آیا بایستی از نتایج فایل اصلی برای نقشه کشی استفاده کنم؟

خیر- بهتر است فایل اصلی و فایل کنترل 25% را به طور همزمان در دو برنامه ایتبس باز کرده و بحرانی ترین خروجی ها را جهت استفاده در تهیه نقشه های اجرایی به کار بگیریم. به عنوان مثال ممکن است درصد آرماتور یک تیر در فایل اصلی 1 درصد و در فایل 25% ، 1.2% گزارش شده باشد. بنابراین این تیر بر اساس 1.2% آرماتور طراحی خواهد شد. برای یادگیری نحوه طراحی تیرهای بتنی بر اساس خروجی های نرم افزار به مقاله طراحی تیر بتنی مراجعه کنید.

ستون های اطراف دیوار جواب نمی دهد! چه کنیم؟!

همان طور که قبلا گفته شد ستون های اطراف دیوار دیگر ستون نبوده و جزئی از دیوار (المان های مرزی دیوار) هستند. از آن جایی که این ستون ها به همراه دیوار متصل به آن ها طراحی می شوند در این حالت به نتایج طراحی آن ها کاری نداریم.

آیا بایستی سختی ستون های اطراف دیوار را نیز مقدار ناچیزی فرض کنیم؟

همان طور که مکررا گفته شد ستون های اطراف دیوار در حقیقت جزئی از دیوار بوده و بایستی از نقش آن ها در تحمل بار های جانبی صرف نظر کنیم. اما این کار را نمی کنیم! چرا؟!

طبق توصیه FEMA_P751 با حذف ستون های اطراف دیوار رفتار قاب غیر واقعی شده و در واقع دیگر چیزی از قاب باقی نخواهد ماند. بنابراین از مشارکت ستون های اطراف دیوار صرف نظر نمی کنیم.

تحلیل سازه به روش طیفی

اگر آنالیز ما روش تحلیل طیفی باشد، می‌بایست قبلاً فرایند همپایه‌ سازی برش‌ های پایه صورت گرفته باشد.

در مدل اولیه (سیستم دوگانه) بهتر است همواره از آنالیز طیفی (مودال) استفاده نمود، زیرا توزیع نیروها در آنالیز مودال با توزیع معادل استاتیکی متفاوت بوده و در حالت آنالیز مودال توزیع نیروها واقع‌ بینانه‌تر است. این در حالیست که در قاب‌های خمشی متعارف، توزیع نیرو در این دو روش، معمولاً به یکدیگر نزدیک می‌باشند

جهت انجام کنترل 25 درصد  مراحل زیر انجام می‌شود:

با استفاده از مسیر   display > story response plots… > Story Shears، در پنجره‌ی باز شده توزیع نیروها ناشی از طیف در جهت X و Y را بدست می‌آوریم. اعدادی که در Story Shear در برش طبقات وجود دارد نیروی برشی تجمعی می‌باشند و به منظور محاسبه‌ی نیروی برشی طبقه، باید نیروی برشی طبقه بالا را از نیروی برشی طبقه پایین کسر نماییم. و این نیروی حاصله را در 25 درصد ضرب کرده سپس این نیروها را به تراز طبقات اعمال نماییم.

برای راحتی کنترل می‌توان در فایل ۲۵ درصد، کنترل کفایت سازه را به جای زلزله دینامیکی با زلزله استاتیکی انجام داد که البته در این صورت کاهش نیروی زلزله، مربوط به تخفیف ۱۰ یا ۱۵ درصدی زلزله دینامیکی که  در بحث همپایه‌ سازی برش پایه دینامیکی و استاتیکی استاندارد 2800 زلزله ایران آمده است، انجام نخواهد شد.

در ادامه در منوی Static Load شش حالت بار Sny, Snx, Spx, Spy, Sy, Sx از نوع Quake و User Load را طبق شکل ذیل تعریف می‌کنیم.

Sx: نیروی ۲۵ درصد در جهت X بدون پیچش تصادفی

Spx: نیروی ۲۵ درصد در جهت با پیچش تصادفی 0.05+

Snx: نیروی ۳۵ درصد در جهت X با پیچش تصادفی 0.05-

Sy: نیروی ۲۵ درصد در جهت Y بدون پیچش تصادفی

Spy: نیرو ۲۵ درصد در جهت Y با پیچش تصادفی 0.05+

Sny: نیروی ۲۵ درصد در جهت Y با پیچش تصادفی 0.05-

و سپس طبق شکل زیر این نیروها را که 75 درصد کاهش‌یافته‌اند، به تراز طبقه موردنظر اعمال می‌کنیم.

نهایتاً با آنالیز مدل جدید و بدست آوردن نیروهای داخلی اعضا (تیرها و ستون‌ها)، آن‌ها را برای ماکزیمم نیروهای بدست آمده از مدل اولیه (مدل سیستم دوگانه با 100% نیروی زلزله) و مدل جدید (مدل قاب خمشی با 25% نیروی زلزله) طراحی می‌کنیم.

برای درک راحت تر و فوری مطالب بیان شده فلوچارت زیر را مرور کنید.

کنترل 50 درصد نیروی زلزله در ایتبس

برای مثال مربوط به سازه‌ی بتنی، که در ابتدای این بخش معرفی گردید، گام‌های موردنیاز برای کنترل توانایی دیوار برشی در تحمل 50% نیروی زلزله عبارت‌اند از:

• از فایل اصلی (سیستم دوگانه) یک فایل جدید Save as می‌گیریم …file > save as
• تمامی تیرها را انتخاب کرده و دوسر مفصل می‌کنیم. لازم به ذکر است که تیرهای طره لازم نیست دوسر مفصل شوند.
• تکیه‌گاه تمامی ستون‌ها را در تراز پایه از حالت گیردار به حالت مفصلی ثابت تبدیل می‌نماییم.
• تمامی ستون‌ های غیر متصل به دیوار را انتخاب کرده و سختی خمشی آن‌ها را یک مقدار کم وارد می‌نماییم، بدین منظور مقدار 1 توصیه می‌شود. این کاهش به جهت کاهش دخالت ستون‌ها در باربری جانبی می‌باشد. دقت شود که از نظر تئوری بهتر است به جای کاهش سختی خمشی ستون‌ها، آن‌ها را دوسر مفصل کنیم، اما دوسر مفصل کردن ستون‌ها موجب ناپایداری سازه شده و در سازه‌ های بلند موجب افزایش قابل توجه لنگرهای ناشی از اثر P-delta می‌شود و نتایج غیرمنطقی بدست می‌آیند. بنابراین به جای دوسر مفصل کردن ستون‌ها توصیه می‌شود سختی خمشی آن‌ها را اندکی کاهش دهیم.

• ضرایب نیروی زلزله را به % 50 مقدار اولیه کاهش دهید

ابتدا از منوی …Define> load patterns وارد پنجره زیر شده و  در پنجره باز شده الگوی بار زلزله را انتخاب نموده و روی گزینه modify lateral load  کلیک کرده و ضریب زلزله را در 50 درصد ضرب می‌کنیم. برای کلیه حالات زلزله این کار را انجام می‌دهیم.

• کفایت دیوارهای برشی را تحت زلزله ۵۰ درصد بررسی می‌کنیم.

کنترل 50 درصد نیروی زلزله در etabs در قالب یک فیلم آموزشی رایگان

تمامی مراحل ذکر شده کنترل 50 درصدی نیروی زلزله در این ویدئو کوتاه 4 دقیقه ای به صورت کاملا روان بیان شده است. برای درک بهتر و راحت تر این مطالب حداقل یک بار این ویدئو رایگان را مشاهده کنید. این ویدئو بخش کوتاهی از دوره آموزشی کنترل های سازه ی بتنی می باشد.

چند نکته:

1. نهایتا در اغلب پروژه ها نتایج فایل اصلی تعیین کننده طراحی دیوارهای برشی خواهد بود، مگر تعداد دیوارهای برشی به نسبت قاب ها کم باشد.
2. اگر از تحلیل دینامیکی طیفی استفاده می کنید لازم است همه ی نیرو های زلزله (هم استاتیکی و هم دینامیکی) را در عدد 0.5 ضرب کرده و عملیات همپایه سازی برش پایه را هم انجام دهید.

اگر کنترل 50 درصد دیوار برشی جواب نداد چه باید کرد؟

همان طور که قبلا ذکر شد در اغلب پروژه ها نتایج فایل اصلی تعیین کننده طراحی دیوارهای برشی است و ضابطه 50% به راحتی اقناع خواهد شد. اما اگر این ضابطه اقناع نشود ما دو راه داریم:

راه اول: راه اول که ما هم همین راه را به شما پیشنهاد می کنیم تقویت دیوارها است تا بتوانند حداقل 50% نیروهای جانبی را تحمل کنند. در این صورت سیستم ما دوگانه خواهد بود.

راه دوم: سیستم را قاب خمشی فرض کرده و از باربری جانبی دیوارها صرف نظر می کنیم. بنابراین قاب های خمشی تنها سیستم لرزه بر بوده و بایستی برای 100% بارهای جانبی طراحی شوند.

اگر می خواهید به صورت خلاصه مراحل  کنترل 50 درصد نیروی زلزله توسط دیوار برشی را مرور کنید، به فلوچارت زیر دقت کنید.

سوالات متداول کنترل 50 درصد دیوار برشی در سیستم دو گانه

چه موقع کنترل 50 درصد انجام می شود؟

اگر در ابتدای کار طراحی و محاسبات هستید برای این که درک بهتری از پروژه خود داشته باشید بهتر است بعد از مرحله آنالیز، کنترل 50 درصد دیوارهای برشی را انجام داده تا بتوانید در مورد ضخامت دیوارهای خود تصمیم بگیرید.پس از نهایی کردن مقاطع نیز می توانید این کنترل را دقیق تر انجام داده تا خیالتان از اقناع ضابطه 50% راحت شود.

آیا بایستی تمام تیرها (اصلی، فرعی و کنسولی) را مفصلی کنیم؟

خیر. فقط تیرهایی که جزئی از سیستم لرزه بر هستند برای ما اهمیت دارد و فقط این تیرها را مفصلی خواهیم کرد. این تیرها تیرهای اصلی هستند. منظور از تیرهای اصلی تیرهایی است که بین دو ستون قرار گرفته است. به این مورد توجه داشته باشید که مفصلی کردن تیرهای کنسولی یا طره باعث ایجاد ناپایداری در پروژه خواهد شد.

در یک پروژه سیستم سازه ای در جهت X قاب خمشی و در جهت y سیستم دوگانه داریم. آیا باید تمام تیرهای اصلی در هر دو جهت را مفصلی کنیم؟

خیر. از آنجایی که این کنترل مختص سیستم های دوگانه است بنابراین تنها لازم است که تیرهای اصلی جهت y را مفصلی کنیم. البته به این نکته توجه داشته باشید که از آنجایی که این کنترل فقط برای جهت y انجام می شود بنابراین مفصلی و یا گیردار بودن تیرهای جهت x برای ما اهمیتی نداشته و روی نتایج تاثیری نخواهد گذاشت.

بررسی ابهام تبصره بند 1-8-4 استاندارد 2800

استاندارد 2800 در تبصره 1 بند 1-8-4 به ما این اجازه را می دهد که در ساختمان های کوتاه تر از 8 طبقه یا با ارتفاع کمتر از 30 متر، به جای توزیع بارهای جانبی به نسبت سختی المان های باربر، دیوارهای برشی را برای 100 درصد بار جانبی و قاب های خمشی را برای 30 درصد بار جانبی طراحی کنیم. این تبصره یک روش ساده و تقریبی برای کنترل سیستم های دوگانه می باشد که منجر به نتایج محافظه کارانه خواهد شد.
اما فلسفه این بند؟
تجربه مهندسی نشان داده که در ساختمان های کمتر از 8 طبقه سهم قاب ها نمی تواند بیشتر از 30 درصد باشد. اما در ساختمان های بلند مرتبه سهم قاب ها با توجه به بحث اندرکنش قاب و دیواربرشی بیشتر شده و نمی توان از این تبصره استفاده کرد. از آن جایی که امروزه ما از نرم افزار قدرتمند ایتبس استفاده می کنیم نیازی نداریم که از این روش تقریبی و محافظه کارانه پروژه خود را کنترل کنیم. پیشنهاد می شود که از همان ضابطه 25% و 50% استفاده کنید تا به نتایج بهینه تری دست پیدا کنید.

منابع:

1. مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1392
2. آیین‌نامه‌ی ASCE7 ویرایش سال 2010 آمریکا
3. راهنمای نرم‌افزار ایتبس 2017 –ETABS2017Documentation
4. استاندارد 2800 ویرایش 4

• مطلبی میخواهید که نیست ؟ از ما بپرسید تا برایتان محتوا رایگان تولید کنیم!

• ارسال سوال برای تولید محتوا