قاب خمشی فولادی؛ بررسی ضوابط اتصالات انواع قاب خمشی فولادی

همانطور که می دانید یکی از راهکار های مقاومت در برابر بار های جانبی استفاده از انواع قاب خمشی فولادی بر اساس شرایط منطقه می باشد، اما تفاوت قاب خمشی فولادی ویژه و متوسط در چیست؟  آیا محل دقیق تشکیل مفصل پلاستیک در انواع قاب خمشی فولادی را می دانید؟

ما در این مقاله جامع 21 صفحه ای ابتدا به معرفی انواع قاب خمشی فولادی می پردازیم و سپس ضوابط طراحی اتصالات در انواع قاب خمشی (قاب خمشی ویژه فولادی، قاب خمشی متوسط فولادی، قاب خمشی معمولی فولادی) را بررسی خواهیم کرد.

معرفی قاب خمشی فولادی

سیستم قاب خمشی مجموعه ای از تیر ها و ستون ها است که به وسیله­ ی اتصالات صلب به یکدیگر وصل شده اند. در این سیستم از هیچگونه مهاربند و دیوار برشی استفاده نمی‌شود و بارهای جانبی توسط رفتار خمشی اتصالات تحمل می شود. به طور کلی سختی جانبی قاب های خمشی نسبت به قاب‌ های دارای مهاربند یا دیوار برشی کمتر است به همین دلیل کنترل تغییر مکان‌ های جانبی در ساختمان‌ های با سیستم قاب خمشی یکی از چالش های مهم در روند طراحی به حساب می آید. قاب‌ های خمشی باعث ایجاد فضا‌های آزاد معماری با کمترین تداخل سازه‌ای می‌شوند. در ساختمان‌های اداری که معمولاً نیاز به فضا‌های منعطف با کاربری‌های متنوع دارند از این سیستم استفاده می‌کنند. در شکل های زیر یک ساختمان با سیستم قاب خمشی و همچنین دو نمونه از اتصالات  قاب‌های خمشی نشان داده شده است.

در شکل‌های زیر یک ساختمان با سیستم قاب خمشی فولادی و همچنین دو نمونه از اتصالات  قاب‌ های خمشی نشان داده شده است.

شکل1- نمونه ای از یک ساختمان با سیستم قاب خمشی فولادی

شکل2- دو نمونه از اتصالات تیر به ستون در قاب خمشی فولادی

مبحث دهم مقررات ملی ساختمان هر یک از قاب‌ های خمشی معمولی ، متوسط و ویژه را به صورت زیر تعریف کرده است.

قاب خمشی معمولی (Ordinary moment frame (OMF

این نوع از قاب خمشی کمترین مقاومت را در برابر تغییرمکان جانبی تأمین می‌کند و از آنها انتظار تغییرشکل های فرا ارتجاعی در برابر نیروی جانبی زلزله نمی‌رود. لازم به ذکر است که از این سیستم فقط در مناطقی بدون خطر زلزله و یا خطر نسبی کم می‌توان استفاده کرد. استاندارد ۲۸۰۰، ویرایش چهارم ضریب رفتار اینگونه قاب‌ها را R_u=3.5 در نظر می‌گیرد.

قاب خمشی متوسط (Intermediate moment frame (IMF

این قاب‌ها از نظر شکل پذیری یک سطح بالاتر از قاب‌ های خمشی معمولی هستند و تغییر‌شکل‌های محدودی را در برابر بارهای جانبی دارند. در طراحی این قاب‌ ها سعی بر آن است که در یک یا دو انتهای تیر، در خارج از محدوده اتصال تیر به ستون، مفصل‌های پلاستیک تشکیل شوند و ظرفیت دورانی آنها به حدی باشد که دوران نظیر تغییر مکان نسبی طبقه حداقل به 0.02 رادیان برسد که حدود 0.01 رادیان آن در ناحیه فرا ارتجاعی باشد. از این سیستم در مناطق با خطر نسبی کم تا متوسط می توان استفاده کرد. در اینگونه قاب ها R_u=5 در نظر گرفته می‌شود.

قاب خمشی ویژه (Special moment frame (SMF

قاب‌های خمشی ویژه تغییر شکل فرا ارتجاعی قابل ملاحظه ای را تحمل می‌کنند. در این قاب‌ ها سعی می‌شود مفاصل پلاستیکی که در خارج از محدوده اتصال تیر به ستون و در یک یا دو انتهای تیر تشکیل می شوند بتوانند متناظر با تغییر مکان جانبی نسبی طبقه به اندازه 0.04 رادیان دوران داشته باشند که حدود 0.03 رادیان آن در ناحیه فرا ارتجاعی باشد. در ناحیه با خطر نسبی زیاد باید از قاب خمشی ویژه استفاده کرد. ضریب رفتار قاب خمشی ویژه R_u=7.5 در نظر گرفته می‌شود.

اتصالات تیر به ستون قاب خمشی فولادی

اتصالات تیر به ستون در قاب های خمشی از نوع صلب می باشد. هرچند تنوع اتصالات قاب خمشی تیر به ستون بسیار زیاد است، اما در اینجا دو نوع اتصال رایج در سازه‌ های فولادی معرفی می‌شود. از آنجایی که عمده لنگر خمشی تیر در بال‌های آن توسعه می‌یابد، برای فراهم نمودن یک اتصال خمشی باید به نحو مناسبی بال‌های تیر به ستون متصل شوند. اتصال بال های تیر به ستون می‌تواند به صورت مستقیم و با استفاده از جوش نفوذی و یا به صورت غیر مستقیم و توسط ورق‌های فوقانی و تحتانی انجام گیرد که در شکل زیر نشان داده شده است. هر یک از عدد های نشان داده شده در شکل زیر بیانگر یک قسمتی از اتصال است:

1. ورق پشت بند
2. ورق های تحتانی و فوقانی
3. نبشی نشیمن
4. ورق های پیوستگی
5. ورق مضاعف
6. ورق قطری

شکل3- اتصالات قاب خمشی فولادی با کمک جوش

شکل 4- اتصالات قاب خمشی فولادی متداول با کمک پیچ

در شکل های (۳) و (۴) اجزای تشکیل دهنده­ ی یک اتصال صلب نشان داده شده است که در این جا به تعریف هریک از آن ها می پردازیم.

• ورق های تحتانی و فوقانی: وظیفه ­ی اصلی ورق های فوقانی و تحتانی انتقال لنگر خمشی از تیر به ستون است. این انتقال از طریق یک زوج نیروی فشاری و کششی انجام می شود. بنابراین این ورق ها تحت نیروی کششی و فشاری قرار می گیرند که بر اساس همین نیروها نیز طراحی می شوند. لازم به ذکر است که در اتصالات مستقیم تیر به ستون این لنگر خمشی از طریق بال های فوقانی و تحتانی به ستون منتقل می شود.
• ورق (نبشی) جان: در یک اتصال صلب علاوه بر لنگر خمشی میزان قابل توجهی نیروی برشی نیز به وجود می آید. انتقال نیروی برشی از تیر به ستون از طریق ورق یا نبشی جان صورت می پذیرد.
• ورق های پیوستگی: همانطور که توضیح داده شد در اتصالات قاب خمشی فولادی تیر به ستون، لنگر خمشی اتصال به شکل دو نیروی متمرکز هم اندازه و مخالف جهت هم (فشاری و کششی) به وسیله ورق های فوقانی و تحتانی (یا بال فوقانی و تحتانی تیر) به ستون منتقل می شود که مقدار این نیرو به وسیله رابطه­ ی C= T = M/d محاسبه می شود. اندازه­ ی بزرگ این نیروها و طول تماس کم (ضخامت ورق یا بال تیر) به ستون موجب بروز پدیده هایی از جمله تسلیم موضعی بال ستون، تسلیم موضعی، لهیدگی و کمانش در جان ستون می شود. برای جلوگیری از وقوع پدیده های ذکر شده باید یک جفت ورق تقویتی در مقابل محل اثر بار متمرکز (ورق ها و یا بال فوقانی و تحتانی تیر) در ستون تعبیه کرد که به آن ها ورق پیوستگی گفته می شود. الزامات مربوط به طراحی ورق های پیوستگی در بند ۱۰-۲-۹-۱۰ از مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش چهارم) آورده شده است.
• چشمه اتصال: چشمه اتصال به ناحیه ای از جان ستون گفته می شود که بین امتداد ورق های فوقانی و تحتانی (و یا بال های فوقانی و تحتانی تیر) اتصال تیر به ستون محصور شده باشد. مقدار نیروی برشی در چشمه اتصال برابر است با مجموع نیروی برشی ستون ناشی از بارگذاری سازه و نیروی متمرکز وارد شده به بال ستون از طرف ورق های اتصال تیر به ستون. به طور کلی مقدار این نیرو بسیار بزرگ می باشد و جان ستون باید قادر به تحمل آن باشد.
• ورق مضاعف و سخت کننده قطری: در صورتی که جان ستون به تنهایی قادر به تحمل برش چشمه اتصال نباشد باید از ورق های مضاعف و یا سخت کننده قطری برای تقویت جان یتوان استفاده کرد. الزامات مربوط به تعبیه این ورق های در بند ۱۰-۲-۹-۱۰-۶ مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (ویرایش چهارم) آورده شده است.

اتصالات تیر به ستونِ قاب خمشی معمولی فولادی

در ادامه برای هر سیستم، بندها و ضوابط آئین‌ نامه‌ ای مربوط به آن نشان داده خواهد شد و در صورت نیاز توضیحات و شکل های تکمیلی، به منظور درک بهتر بند مربوطه آورده خواهند شد.

اولین شرط، شرط فشردگی مقطع می‌باشد. طبق بند ۱۰-۲-۲-۲-۲ مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، مقاطع فشرده به مقاطعی گفته می شود که در آنها اولاً بال ها به طور سراسری و پیوسته به جان یا جان‌ها متصل باشند و ثانیاً نسبت اجزای فشاری تشکیل دهنده مقطع عضو از مقادیر λ_p مشخص شده در جداول ۱۰-۲-۲-۳ و ۱۰-۲-۲-۴ تجاوز ننمایند.

در شرط (پ) و (ت) منظور از ناحیه حفاظت شده، ناحیه شکل پذیر عضو می‌باشد. ناحیه حفاظت شده در دو انتهای تیر، فاصله بین بر ستون تا نصف عمق تیر از محل تشکیل مفصل پلاستیک به سمت داخل دهانه در نظر گرفته می‌شود. ناحیه حفاظت شده که انتظار می‌ رود در آن مفصل پلاستیک تشکیل شود دارای اهمیت بوده و به دلیل رفتار حساس این ناحیه در حرکات رفت و برگشتی سازه در اثر زلزله، لازم است از رخ دادن هر عاملی که ممکن است عملکرد مناسب این ناحیه را مختل کند جلوگیری شود. ناحیه حفاظت شده در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل5-  ناحیه حفاظت شده

که در این رابطه R_y از جدول زیر تعیین می‌شود:

مقادیر Ry برای انواع تولیدات فولاد

اما مقاومت برشی اتصال که در قسمت پ از بند بالا به آن اشاره شده است، شامل دو بخش است : بخش اول نیروی برشی ایجاد شده تحت بارگذاری می‌باشد که آن را V_L می‌نامیم. باید در نظر داشته باشید که باری که روی تیر در نظر می‌گیریم ترکیب بار مرده و زنده ضریب‌ دار می‌باشد که ضرایب آنها مربوط به ترکیب‌ بارهایی می‌باشد که شامل نیروی زلزله هستند. به عنوان مثال طبق بند ۶-۲-۳-۳ مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، 1.2D+1.0E+L+0.2S یکی از ترکیب بارهایی است که شامل نیروی زلزله است. برای به دست آوردن برش اتصال نظیر این ترکیب بار، مجموع بار مرده با ضریب 1.2 و با زنده با ضریب ۱ را در نظر می‌گیریم. برای محاسبه بخش دوم مقاومت برشی فقط به دو انتهای تیر لنگر M_pr را وارد کرده و برش نظیر ایجاد شده در اتصال را به دست می‌آوریم. در شکل زیر نمودار آزاد تیر، نشان داده شده است.

شکل6-نمودار آزاد تیر باربر جانبی

اتصالات تیر به ستون قاب خمشی متوسط فولادی

در طراحی اعضا و اتصالات این نوع قاب ها الزامات سخت‌ گیرانه‌ تری نسب به قاب‌ های خمشی معمولی منظور می‌شود. به همین منظور در طراحی اعضا و اتصالات این نوع قاب‌ ها علاوه بر الزامات متعارف فصل‌های ۱۰-۱(الزامات عمومی) و ۱۰-۲ (الزامات طراحی) مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و نیز الزامات لرزه‌ای بخش‌های ۱۰-۳-۲ الی ۱۰-۳-۶، باید الزامات تکمیلی زیر نیز رعایت شوند.

در شرط الف معیار دیگری برای مقاطع تیر‌ها و ستون‌ها عنوان شده است. مسلما در سازه‌های با شکل‌ پذیری زیاد و متوسط که از آنها انتظار تحمل تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی قابل ملاحظه می‌رود، برای مقاطع اعضا ضوابط سخت‌گیرانه‌ تری در رابطه با کمانش موضعی بال‌ها و جان‌ اعمال می‌شود. در نتیجه برای نسبت پهنا یا ارتفاع به ضخامت اجزا، در اعضای تحت فشار، (یا تحت فشار و خمش) رعایت اعداد کوچکتری مقرر می‌گردد. در اینگونه سیستم‌ های سازه‌ ای تعریف جدیدی از مقطع فشرده، جانشین تعریف قبلی می‌ گردد که به آن مقطع فشرده لرزه‌ ای گفته می‌شود. تفاوت دیگری که قاب‌های خمشی متوسط با معمولی دارند در استفاده از نیمرخ‌ های بست‌ دار می‌ باشد که فقط در حالتی مجاز است، که خمش در ستون حول محور با مصالح باشد. محور با مصالح به محوری گفته می‌شود که امتداد آن موازی با صفحه‌ی بست‌ها می‌باشد. در شکل زیر محور با مصالح نشان داده شده است بقیه شرایط تیر و ستون‌ ها مشابه قاب خمشی معمولی است.

همانطور که در تعریف قاب خمشی فولادی متوسط گفته شد اتصالات این قاب‌ها باید بتوانند دوران حداقل 0.02 رادیان را بدون کاهش قابل ملاحظه مقاومت داشته باشند و شرط الف هم به این موضوع پرداخته است. به دو طریق می توان از کفایت اتصالات اطمینان حاصل کرد. یکی از طریق انجام آزمایشات تایید شده توسط مراجع معتبر بر روی اتصالات  و یا استفاده از اتصالات از پیش تایید شده که در جدول زیر آمده است استفاده کرد.

انواع اتصالات گیردار از پیش تایید شده در قاب خمشی

در قسمت ب از بند 10-3-8-3، گفته شده که اتصال تیر به ستون باید به گونه ای طراحی شود که مفصل پلاستیک در داخل تیر تشکیل شود این در حالیست که در قاب خمشی معمولی مفصل پلاستیک، در محل اتصال تیر به ستون بود. برای اینکه مفصل پلاستیک در داخل تیر تشکیل شود یکی از راه‌ها ضعیف کردن مقطع تیر در فاصله ای از بر تیر می‌باشد ولی با به کار بردن اتصالات از پیش تأیید شده که در جدول بالا آمده است نیز می‌توان مفصل پلاستیک را در فاصله ای از برِ اتصال ایجاد کرد.

قسمت پ  مربوط به مقاومت خمشی و برشی مورد نیاز اتصال می باشد که در شکل زیر چگونگی روال تعیین آن نشان داده شده است. شکل زیر نمودار آزاد قسمت میانی تیر با طول L_h و ناحیه ایجاد مفصل پلاستیک تا بر ستون را نشان می‌دهد.

شکل7- نمودار آزاد تیر برای تعیین نیروهای طراحی اتصال

در شکل فوق،V_prشامل دو بخش ناشی از لنگرهای M_pr و بارهای ثقلی است. با اعمال معادله تعادل لنگر در این شکل V_pr به صورت زیرتعیین می شود:

با استفاده از معادلات تعادل نیرو و لنگر در شکل (۸)، V_u و M_u به ترتیب برش و لنگر طراحی اتصال به صورت زیر به دست می‌آیند:

بنابراین اتصال تیر به ستون در قاب خمشی فولادی متوسط باید برای نیروهای بالا طراحی شود.

در ابتدای این مقاله توضیح داده شد که در صورتی که جان ستون قادر به تحمل نیروی برشی موجود در چشمه اتصال نباشد باید از ورق های تقویتی (ورق های مضاعف) برای افزایش مقاومت برشی جان ستون استفاده کرد. الزامات عمومی مربوط به طراحی ورق های مضاعف در بند ۱۰-۲-۹-۱۰-۶ آئین‌ نامه آورده شده است. در بند زیر آئین‌نامه، الزاماتی اضافی را برای ورق های مضاعف وضع کرده است که به شرح زیر می باشند.

همانطور که می‌دانید برای جلوگیری از تسلیم موضعی جان ستون در اثر نیروی فشاری و خمش بال ستون در برابر نیروی کششی لازم است از ورق های پیوستگی استفاده شود.  ورق های پیوستگی در داخل ستون و در مقابل بال های تیر یا ورق های فوقانی و تحتانی اتصال تیر به ستون قرار می گیرند. این ورق ها علاوه بر جلوگیری از تسلیم موضعی جان، در مقابل نیروی متمرکز کششی و فشاری (بند ۱۰-۲-۹-۱۰-۲) ، لهیدگی موضعی جان در مقابل نیروی فشاری (بند ۱۰-۲-۹-۱۰-۳)، کمانش فشاری جان (بند ۱۰-۲-۹-۱۰-۴) و خمش موضعی بال (بند ۱۰-۲-۹-۱۰-۱) باید دارای شرایط زیر نیز باشند.

در شکل زیر چشمه اتصال همراه ورق پیوستگی را مشاهده می کنید.

شکل 8-چشمه اتصال به همراه ورق پیوستگی

اتصالات تیر به ستون قاب خمشی ویژه فولادی 

آئین نامه برای طراحی اعضا و اتصالات این نوع قاب‌ها الزامات تکمیلی سخت‌گیرانه‌تری نسبت به قاب‌های خمشی متوسط در نظر گرفته است. به همین منظور در طراحی اعضا و اتصالات قاب خمشی ویژه علاوه بر الزامات متعارف فصل‌ های ۱۰-۱(الزامات عمومی) و ۱۰-۲ (الزامات طراحی) مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و نیز الزامات لرزه‌ای بخش‌های ۱۰-۳-۲ الی ۱۰-۳-۶، باید الزامات تکمیلی زیر نیز رعایت شوند.

محدودیت تیر‌ها و ستون ها برای قاب خمشی ویژه فولادی در همه موارد به جز مورد (الف) مشابه قاب خمشی متوسط فولادی می‌باشد. همانطور که در قسمت (الف) مشاهده می شود، حداکثر نسبت پهنا به ضخامت مقاطع باید با مقدار λ_hd که در جدول ۱۰-۳-۴-۱ مبحث دهم مقررات ملی ساختمان آمده است مقایسه شود. یکی از موارد مهم در رابطه با قاب های خمشی ویژه فولادی، کنترل نسبت مجموع مقاومت خمشی تیرها و ستون های وارد شده به یک گره می باشد. از آن جا که ستون ها نقش به مراتب مهم تری در حفظ پایداری کل سازه دارند می توان نتیجه گرفت که مجموع مقاومت خمشی ستون های وارد شده به یک گره باید از مجموع مقاومت خمشی تیرهای وارد شده به آن گره بیشتر باشد. بند ۱۰-۳-۹-۲ شرط ستون قوی-تیر ضعیف را برای قاب خمشی ویژه فولادی کنترل می‌کند که به صورت زیر بیان می شود. هدف آئین نامه از بند مذکور این است که ستون های یک سازه دیرتر از تیرها دچار خرابی شوند.

در ادامه سایر بندهای آئین نامه در رابطه با قاب های خمشی ویژه فولادی آورده می شود. از آن جا موارد ذکر شده در این بندها مشابه با بندهای مربوطه در قاب های خمشی متوسط فولادی می باشد از دادن توضیحات تکمیلی صرف نظر می کنیم.

منابع

1.  ” طراحی سازه های فولادی به روش حالات حدی و مقاومت مجاز”، جلد ششم.
2. ” طراحی سازه های فولادی به روش حالات حدی و مقاومت مجاز”، جلد پنجم.
3. ” طرح و اجرای ساختمان های فولادی “، مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش 1392

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

• ارسال سوال برای تولید محتوا