مدلسازی تیر آهن لانه زنبوری در ایتبس به همراه بیان علت ممنوعیت تیر لانه زنبوری

همانطور که می دانید تیر های لانه زنبوری به دلایل متفاوتی مانند دلایل اقتصادی، مورد توجه مهندسین طراح واقع شده است اما آیا ممنوعیت تیر لانه زنبوری در طراحی سازه را می دانید؟ روش درست مدلسازی تیر لانه زنبوری در ایتبس به چه نحوی است؟

ما در این مقاله جامع به بررسی و طراحی تیر لانه زنبوری در etabs با 3 روش متفاوت می پردازیم و در نهایت بهترین روش را به شما معرفی خواهیم کرد و البته به شما خواهیم گفت که علت ممنوعیت تیر لانه زنبوری در طراحی سازه چیست.

 

 تیر لانه زنبوری چیست؟

این تیر ها برای اینکه بتواند لنگر خمشی بیشتری را با خیز کمتر (در مقایسه با تیر نورد شده مشابه با جان پر) تحمل کند، ساخته می شود. دلیل نامگذاری این تیرها، شکل ظاهری آنهاست که در طول خود دارای سوراخ های شش ضلعی در جان خود می باشند که به لانه زنبور شبیه هستند.

 

 

ب) دهانه های مهاربندی شده:

با توجه به بندهای 10-3-10-1 مورد پ و 10-3-11-1 مورد چ و 10-3-12-1 استفاده از تیر لانه زنبوری به ترتیب در تیرهای دهانه های مهاربندی شده همگرای معمولی ، ویژه و مهاربند واگرا مجاز نمی باشد.

 

 

همان طور که در عکس زیر مشاهده می شود، برخلاف بندهای مذکور در دهانه های مهاربندی شده با بادبندهای همگرا و واگرا، از تیرهای لانه زنبوری استفاده شده است.

 

 

علت ممنوعیت تیر لانه زنبوری

دو علت کلی می توان برای این ممنوعیت ها بیان کرد:

1.  مقاطع زنبوری به علت افزایش ارتفاع جان و افزایش نسبت عرض به ضخامت جان، فشرده نمی باشند.
2. این مقاطع دارای سوراخ های متعدد و در بیشتر طول خود فاقد مصالح فولادی در جان تیر هستند و نیز به علت استفاده از جوش های کارگاهی و عمدتاً بی کیفیت، دارای مقاومت برشی کم هستند که همین ضعف سبب شده است استفاده از تیرهای لانه زنبوری برای محل مهاربندی ها و قاب های خمشی گزینه مناسبی نباشد.

ضوابط ایجاد سوراخ در جان تیر آهن لانه زنبوری

در صورتی که بنا به هر دلیلی (مانند ایجاد سوراخ دسترسی یا عبور تاسیسات) مجبور به ایجاد سوراخ در جان تیر شویم بایستی این سوراخ خارج از ناحیه حفاظت شده دو انتهای تیر و در نیمه میانی طولی دهانه باشد. همین طور اطراف سوراخ باید به نحوی تقویت شود که مقاومت خمشی و برشی تیر دچار افت نشود. نمونه ای از سوراخ تقویت شده به وسیله ی سخت کننده های طولی را در عکس زیر مشاهده می کنید.

 

موارد مجاز استفاده از تیرهای لانه زنبوری

استفاده از تیرآهن های لانه زنبوری در سیستم های مهاربندی شده، فقط در دهانه های غیر مهاربندی شده مجاز می باشد. برای تیرهای فرعی که دو سر آنها مفصلی بوده، استفاده از تیر لانه زنبوری مجاز است. تیرهای پل که دو سر مفصل اند به علت قرارگرفتن تیرهای فرعی روی آنها و ایجاد برش زیاد در جان تیر آن، نمی­تواند به صورت لانه زنبوری طرح و اجرا شود.

مدلسازی تیر لانه زنبوری در ایتبس

پیش از اینکه به نحوه مدلسازی تیر آهن لانه زنبوری در ETABS بپزدازیم، لازم است نکاتی را در مورد این تیرها یادآوری کنیم:

1. ابعاد تیر لانه زنبوری از مقطع کاملاً مشابه تیر I شکلِ پایه ی خود هستند و فقط اندازه ارتفاع مقطع تیرلانه زنبوری 1.5 برابر تیر مبناست. به عنوان مثال ابعاد هندسی مقطع تیر لانه زنبوری CPE180 همان ابعاد تیر پایه خود (یعنی IPE180) را دارد و فقط ارتفاع آن 1.5 برابر  شده است(معادل 270mm).
2. آیین نامه مبحث دهم مقررات ملی ساختمان استفاده از تیرهای لانه زنبوری که در قاب های خمشی و دهانه های مهاربندی شده را ممنوع اعلام کرده و استفاده از آن در سیستم قاب ساختمانی ساده با مهاربند و صرفاً در دهانه های غیر بادبندی (با اتصال مفصلی به ستون) را مجاز می داند.
3. مهندسین طراح برای استفاده حداکثری از پتانسیل تیرهای لانه زنبوری (ظرفیت خمشی بالاتر نسبت به تیر I شکل مبنای هم اندازه)، از این تیرها به عنوان تیرهای فرعی در اتصالات تیر به تیر، تیرچه در سقف های کامپوزیت معمولی و عرشه فولادی، گاهاً به عنوان شمشیری پله و … استفاده می کنند. (به عنوان تیرهایی استفاده می شود که آن تیرها دارای اتصال دو سر مفصل بوده و صرفاً تحت بار ثقلی قرار دارند.)
4. نرم افزار ETABS برای تیرهای لانه زنبوریِ تعریف شده در این نرم افزار، فقط قادر به طراحی اولیه آن هاست و سایر مراحل طراحی (مانند تعیین ابعاد ورق پر کننده سوراخ ها) و کنترل های سازه ای دیگر (نظیر کنترل برش افقی مقطع، خیز و کمانش موضعی تیر) بایستی توسط مهندس محاسب و به صورت دستی انجام گیرد.
5. استفاده از مقاطع لانه زنبوری به صورت دوبل یا سوبل با توجه به نکات اجرایی و ضوابط طراحی حاکم بر این تیرها، منطقی به نظر نمی رسد که دلیل این موضوع را در پایان این مقاله اشاره خواهیم کرد.

مسئله مدلسازی تیرهای لانه زنبوری در نرم افزار ETABS محل اختلاف بسیاری از مهندسین محاسب می باشد. هر یک از مهندسین بنا به دلایل علمی و اجرایی، روش مدلسازی خود را بر سایر روش ها ارجح می دانند. با لحاظ کردن استدلال های مختلف ارائه شده توسط آن ها، می توان مدل سازی تیر لانه زنبوری در نرم افزار ETABS را به سه روش کلی دسته بندی کرد:

• مدلسازی تیر لانه زنبوری به صورت یک تیر ورق I شکل با جان پر
• مدلسازی تیر آهن لانه زنبوری به صورت دو مقطع سپری متقارن در محیط Section Designer) SD)
• مدلسازی تیر لانه زنبوری با استفاده از گزینه ی تعریف مقاطع غیر منشوری (Nonprismatic)

 

از ظاهر این 3 روش این چنین بر می آید که روش اول نسبت به دو روش دیگر بسیار آسان و سریع تر است و روش سوم با صرف وقت نسبتاً زیاد، مدل بسیار دقیقی از آن را ارئه خواهد کرد.

 استفاده از کدام روش از نظر صرفه جویی در زمان مدلسازی، اقتصاد و ایمنی بیشترین صرفه را در پروژه های ساختمانی دارد؟

برای یافتن پاسخ این پرسش، هر یک از روش ها را تشریح و به بیان معایب و مزایای آن ها در مقایسه با یکدیگر خواهیم پرداخت. در نهایت در قالب یک جمع بندی کوتاه بهترین روش ممکن برای مدلسازی تیر لانه زنبوری در ایتبس را معرفی خواهیم نمود.

مدلسازی تیر لانه زنبوری به صورت یک تیر ورق I شکل با جان پر

مهندسانی که از این روش برای برای مدلسازی تیر استفاده می کنند، با این استدلال که نرم افزار ETABS قادر به انجام طراحی و کنترل های ثانویه (مانند تعیین ابعاد ورق پرکننده سوراخ ها، کنترل برش افقی و …) نیست و از طرفی به دلیل دو سر مفصل بودن اتصال این تیرها به سازه، در باربری لرزه ای سازه دخالتی ندارند (صرفاً تحت بارهای ثقلی اند)؛ لذا عملکرد این تیرها را مانند یک تیر ورق I شکل با جان پر (همان تیر پایه با ارتفاع 1.5 برابر شده) در نظر می گیرند.

به عنوان مثال فرض کنید برای تیرچه های یک پانل از سقف کامپوزیت قرار است از CPE180 که ارتفاع مقطع آن برابر 270 mm است، استفاده شود. برای مدلسازی مقطع CPE180 در نرم افزار ETABS بایستی مسیر زیر را پیمود:

 

 

با کلیک بر روی گزینه مشخص شده، پنجره ای به صورت زیر ظاهر خواهد شد:

 

 

در پنجره ظاهر شده با انتخاب مقطع I شکل، وارد صفحه تعریف مشخصات هندسی مقطع خواهیم شد که برای تعریف مقطع CPE180 می توان به صورت زیر عمل نمود:

 

 

همانطور که در تصویر بالا نیز مشاهده می شود، تیر CPE180 همانند یک تیر ورق I شکل با جان پر که ابعاد آن همانطور که قبلا گفتیم، ارتفاع  270 میلی متر و سایر مشخصات ابعادی تیر آهن لانه زنبوری مانند تیر IPE180 که از جدول اشتال برداشت می شود، در نرم افزار وارد می شود.

پس از تعریف همه مقاطع مورد نیاز پروژه در نرم افزار ETABS، این مقاطع به المان ها اختصاص داده شده (Assign) و سپس آنالیز و طراحی سازه طبق روال معمول خود انجام می شود.

پس از اینکه مقاطع تیرهای لانه زنبوریِ اختصاص داده شده به المان ها نهایی شد، نوبت به طراحی های ثانویه اعم از تعیین ابعاد ورق پرکننده سوراخ ها تحت برش قائم در مجاورت تکیه گاه ها، کنترل برش ثانویه در سوارخ ها و … می رسد که تمام این محاسبات و کنترل ها توسط مهندس محاسب و به صورت دستی انجام می شود.

با توجه به تشریح کامل مراحل مذکور در کتب مرجع فولاد، در این مقاله از پرداختن به این مطلب صرف نظر می گردد.

مدلسازی به صورت دو مقطع سپری متقارن در محیط Section Designer ) SD)

بیشتر مراحل این روش مشابه مراحل طی شده در روش اول می باشد با این تفاوت که برای ساخت مقطع به صورت جفت سپریِ متقارن، به جای انتخاب مقطع I شکل در پنجره ی زیر، باید به محیط Section Designer وارد شده و مقطع مورد نظر را طبق اندازه های محاسبه شده، ساخت.

 

 

پیش از آن که به ساخت مقطع جفت سپری متقارن در محیط  SD بپردازیم، بایستی ابعاد سپری و فاصله آن ها از یکدیگر را از طریق جدول اشتال (CPE) و براساس مشخصات مقطع تیر لانه زنبوری ای که قصد مدلسازی آن را داریم، تعیین شود. پس از پیمودن این مراحل و تعیین مشخصات سپری ها، در محیط SD اقدام به ساختن مقطع مورد نظر خواهیم کرد که نمونه ای از آن را در تصویر زیر مشاهده می کنید.

 

 

با استفاده از این روش، در واقع یک تیر I شکل با جان سراسر باز مدل شده است که مسلماً از واقعیت فاصله داشته و طراحی را دست بالا (Over Design) خواهد نمود.

  با توجه به وقت گیر بودن محاسبات ابعاد و فاصله سپری ها و نیز با علم بر اینکه وجود یا عدم وجود جان در مقطعِ تعریف شده برای تیر لانه زنبوری، خطای بسیار ناچیزی (در حدود 4%) در محاسبات ممان اینرسی مقطع حول قوی و ضعیف ایجاد می کند، استفاده از روش اول برای مدل سازی تیر لانه زنبوری در ETABS معقول تر است.

مدلسازی با استفاده از گزینه تعریف مقاطع غیرمنشوری (Nonprismatic)

شاید با دیدن کلمه «مقاطع غیرمنشوری» ذهنتان به سمت قاب های مورد استفاده در سوله ها که دارای مقطع متغیر در طول خود هستند، معطوف شود. ولی باید یاد آوری کرد که علاوه بر تعریف المان های با مقطع متغیر در طول، می توان از گزینه Nonprimatic در نرم افزار ETABS برای تعریف مقاطعی که دارای خواص و ابعاد مختلف (مانند وجود سوراخ) در طول المان هستند، بهره برد.

این روش مدلسازی را می توان ترکیبی از دو روش قبل دانست؛ به این صورت که برای مدلسازی در این روش، لازم است دو مقطع مختلف (یکی با جان پر و دیگری با جان باز) برای تیر لانه زنبوری تعریف یا ساخته شود.

مقطع نوع اول مربوط به طولی از تیرلانه زنبوری که دارای جان پر است (Section A-A در شکل زیر) و برای تعریف این مقطع از روش اول (تعریف یک تیرورق I شکل با جان پر) و مقطع دوم شامل طولی از تیر لانه زنبوری که دارای سوراخ (فاقد جان) است (Section B-B)، از روش دوم (ساخت مقطع جفت سپری متقارن در محیط SD) استفاده می شود.

 

 

استفاده از این روش بیشترین نزدیکی را به واقعیت و دقت بسیار خوبی را داراست ولی بنا به چند دلیل، استفاده از این روش در بین مهندسین محاسب چندان رایج نشده است:

الف- همانطور که پیش تر نیز گفته شد محاسبه ابعاد سپری و فاصله آن ها از یکدیگر بر اساس جدول اشتال، در صورتی که چند نوع مقطع مختلف لانه زنبوری برای یک پروژه تعریف شده باشد، کار خسته کننده ای بوده و امکان خطا در محاسبات را افزایش می دهد.

ب- ساخت مقاطع در محیط SD، به خصوص در صورت کثرت تعداد آن ها کاری وقتگیر بوده و علاوه بر آن مقاطع ترسیم شده در محیط SD در ورژن های جدید نرم افزار ETABS گاهاً دچار مشکلاتی در محاسبه مشخصات هندسی مقطع می شود که حل آن نیز اندکی زمانبر است.

پ- مهم ترین دلیلی که استفاده از روش سوم را چندان باب میل مهندسین طراح نمی کند این است که بر اساس مرجع 3، مدلسازی دقیق تیر لانه زنبوری (مطابق روش سوم) اختلاف بسیار ناچیزی در مقایسه با روش اول (استفاده از تیرورق I شکل معادل) در حین آنالیز و طراحی در نرم افزار ETABS ایجاد می کند که به صرف وقت و انرژی مضاعف نمی ارزد.

 از توضیحات فوق اینگونه بر می آید که ساخت تیر لانه زنبوری به روش مقطع غیرمنشوری (روش سوم)، با توجه به اینکه مراحل طراحی و کنترل این قبیل تیرها را طراح سازه به صورت دستی انجام می دهد، چندان معقول نیست.

جمع بندی انواع روش های مدلسازی تیر لانه زنبوری در ETABS

گفته شد که 3 روش برای مدلسازی لانه زنبوری وجود دارد؛

• استفاده از تیر ورق I شکلِ معادل با جان پر
• استفاده از دو سپری متقارن ساخته شده در محیط SD
• مدلسازی نسبتاً دقیق تیرلانه زنبوری با استفاده از گزینه Nonprismatic (ترکیب روش اول و دوم)

روش های دوم و سوم به دلایلی همچون افزایش حجم و خطا در محاسبات اولیه، وقت گیر بودن، پایین بودن درصد خطای سه روش در مقایسه با یکدیگر؛ در قیاس با روش اول کاربرد کمتری دارند.

با توجه به مطالب بیان شده و عرف رایج بین مهندسین طراح، به نظر می رسد استفاده از روش اول برای طراحی تیرهای لانه زنبوری و انجام کنترل های آن به صورت دستی پس از طراحی، بهترین روش برای مدلسازی در نرم افزار ETABS باشد.

ساخت مقاطع دوبل و سوبل لانه زنبوری

استفاده از مقاطع لانه زنبوری به صورت دوبل(جفت) یا سوبل با توجه نکات اجرایی و ضوابط طراحی حاکم بر این تیرها منطقی به نظر نمی رسد؛ زیرا در اجرای این تیرهای دوبل یا سوبل، در اغلب موارد سوراخ های روی تیرها در یک مقطع قرار نمی گیرند (سوراخ هایِ در مجاورت هم، اندکی پس و پیش می شوند).

در نظر گرفتن این نکته اجرایی در نرم افزار یا حتی محاسبات دستی مقدور نیست؛ زیرا این مسئله باعث تغییر در رفتار تیر شده و مدلسازی رفتارِ غیر قابل انتظار آن قابل انجام نیست.

به عنوان مثال در سال های گذشته که هنوز ممنوعیت استفاده از تیرهای لانه زنبوری در دهانه های بادبندی وارد آیین نامه مبحث دهم نشده بود، دیده می شد که مهندسین طراح برای تیرهای متصل به بادبندهای واگرا از مقطع دوبل زنبوری استفاده می کردند که بعدها پس از انجام مطالعات مشخص شد که به دلیل عدم انطباق دقیق سوارخ های دو مقطع در کنار هم، یکی از مقاطع در حین زلزله تسلیم شده ولی دیگری تسلیم نمی شد . این باعث می شد رفتار مورد انتظار بادبندهای واگرا و تیر پیوند در حین زلزله به طور کلی عوض شود و سازه را در معرض انهدام قرار دهد.

با این اوصاف استفاده از مقطاع دوبل، سوبل یا تقویت شده با ورق را برای استفاده در مدلسازی مناسب نمی دانیم و پیشنهاد می شود در صورت نیاز به این مقاطع، از مقاطع I شکل نورد شده یا تیرورق ها استفاده کنید.

 

منابع

• مبحث دهم مقررات ملی ساختمان
• استاندارد 2800 ویرایش چهارم
• «سختی های موثر الاستیک سازه ای در تیرهای لانه زنبوری»؛ کهنه پوش، امید؛ شوکتی، حسین؛ دانشگاه ارومیه

 

 

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

• ارسال سوال برای تولید محتوا