ایبوک طراحی چشمه اتصال : مدلسازی ورق پیوستگی و مضاعف به همراه آموزش در ایتبس

هنگام وقوع زلزله در ساختمان‌های اسکلت فولادی، اگر سیستم باربر جانبی ساختمان قاب خمشی باشد، این تیرها و ستون‌ها هستند که با تغییرشکل‌هایشان نیروی زلزله را مستهلک می کنند؛ اما این عمل نیازمند یک اتصال قوی بین تیر و ستون می باشد که باید در طراحی سازه های فولادی مدنظر قرار بگیرد.
ناحیه‌ای که از اتصال تیر و ستون به وجود آمده است در معرض تنش‌های خمشی و برشی زیادی قرار دارد. این ناحیه را ناحیه حساس قاب خمشی تلقی می کنند زیرا بیشترین تنش‌های قاب در این ناحیه اتفاق می افتد و این ناحیه کار خود را به درستی انجام ندهد انتقال نیرو بین تیر و ستون به درستی انجام نمی شود و سازه آسیب جدی خواهد دید.
آیین‌نامه‌های معتبر جهان ضوابط خاصی را برای این ناحیه در نظر گرفته‌اند و آن را چشمه اتصال (panel zone) می نامند؛ با توجه به اهمیت چشمه اتصال لازم است که هر مهندس محاسب شناخت کافی از مدلسازی و طراحی چشمه اتصال داشته باشد.

در این مقاله چشمه اتصال کاملا معرفی شده است و ضوابط طراحی و کنترل آن به صورت دستی و در نرم افزار ایتبس مورد بررسی قرار گرفته است.

با مطالعه این ایبوک چه می‌آموزیم؟

1. تعریف چشمه اتصال و بررسی تغییرشکل های آن
2. اثبات رابطه برش چشمه اتصال در آیین نامه ها
3. تأثیر بارهای ثقلی و نیروهای جانبی در چشمه اتصال
4. دید اجرایی ورق پیوستگی، مضاعف و سخت‌کننده قطری در چشمه اتصال برای انواع تیر و ستون
5. ضوابط لازم جهت عملکرد مطلوب ورق‌های پیوستگی
6. طراحی دستی ورق پیوستگی و مضاعف طبق ضوابط مبحث دهم مقررات ملی ساختمان
7. نحوه مدلسازی و طراحی چشمه اتصال در نرم افزار ایتبس و طراحی ورق پیوستگی و مضاعف
8. نتیجه‌گیری برای مدل کردن یا نکردن چشمه اتصال در نرم افزار ETABS

پیش نمایش ایبوک

شکل 1 (نمایش تیر و ستون یک قاب خمشی در محل اتصال آن‌ها که چشمه اتصال نام دارد)

شکل 6 (مقایسه عملکرد چشمه اتصال با جزییات مناسب و عملکرد خوب با چشمه اتصال نامناسب)

دید اجرایی ورق پیوستگی، مضاعف و سخت‌کننده قطری در چشمه اتصال

چنانچه پس از محاسبه ظرفیت برشی چشمه اتصال و مقاومت برشی موردنیاز طراحی چشمه اتصال طبق بند 10-2-9-10-6 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، ببینیم که ضخامت جان ستون جوابگوی تقاضای برش چشمه اتصال نیست، باید به اندازه اختلاف ضخامت موردنیاز (ضخامتی که از نیروی برشی وارده به چشمه اتصال به دست می‌آید) و ضخامت موجود جان ستون (ضخامت جان ستون طراحی شده) از ورق‌های مضاعف به طور متقارن و موازی جان و در دو طرف جان یا یک جفت سخت‌کننده قطری (شکل 10) که مستقیماً به ورق‌های پیوستگی (شکل 11) و بال ستون جوش می‌شوند، استفاده کرد.

در واقع ورق‌های مضاعف و یا قطری برای تحمل نیروی برشی مازاد بر ظرفیت برشی چشمه اتصال، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

شکل 10 (نمایش ورق مضاعف و پیوستگی و سخت‌کننده قطری در چشمه اتصال)

برای حل این مشکل (متفاوت بودن مسیر انتقال بار به دلیل تفاوت عمق تیرهای طرفین چشمه اتصال) دو راهکار زیر پیشنهاد می‌شود:

1. برای تیرها از تیرورق‌های یکسان ولی با عرض بال متفاوت استفاده کرد که در این صورت با تنظیم عرض بال می‌توان ممان اینرسی مقطع موردنیاز را تأمین کرد.
2. می‌توان عمق تیر را فقط در ناحیه اتصال زیاد کرد (نه در همه طول تیر مثل شکل 15) در این صورت هم تیرورق اقتصادی‌تر می‌شود و هم اینکه مشکل ورق‌های پیوستگی حل می‌گردد.

شکل 15 (کاهش عمق تیر در خارج از ناحیه چشمه اتصال)

برای تثبیت بهتر مطالب گفته شده و آشنایی با نحوه به کار بردن فرمول‌ها و ضوابط آیین‌نامه‌ای، مثالی را حل می‌کنیم. در شکل 14 قابی تحت اثر نیروی ثقلی و نیروی جانبی زلزله قرار گرفته است.

در این مثال از تحلیل و طراحی تیر و ستون فاکتور گرفته شده و هدف، تعیین ورق‌های پیوستگی و مضاعف لازم برای طراحی چشمه اتصال می‌باشد.

نتایج طراحی تیر و ستون:
مقطع ستون H شکل
عرض بال ستون:   b_fc = 35 cm

ضخامت جان ستون: t_fc = 1 cm

عمق جان ستون:  d_c = 40 cm

عرض بال تیر : b_fb =35 cm

ضخامت بال تیر: t_fb = 3 cm

عمق جان تیر: d_b = 40 cm

ستون  P_u=150 ton

شکل 18

طراحی ورق پیوستگی

جوش‌های اتصال ورق‌های پیوستگی به بال ستون باید قادر به انتقال نیروی کششی و فشاری ایجاد شده در بر ستون برابر M_E/d_b که در آن M_E حداکثر لنگر ایجاد شده در بر ستون و d_b عمق تیر است، باشد.

بنابراین نیروی قابل انتقال توسط ورق‌های پیوستگی برابر با:
در این مثال از تحلیل قاب مقدار حداکثر لنگر ایجاد شده در بر ستون برابر 114.76 t.m محاسبه شده است.
و همچنین عمق تیر متصل به ستون 46 سانتی‌متر طراحی شده است؛ بنابراین:

برای طراحی ورق پیوستگی چون ورق در حالت کششی قرار دارد طبق بند 10-2-3-4 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان همان‌طور که در زیر آورده شده داریم:

با فرض استفاده از فولاد ST37 برای ورق پیوستگی خواهیم داشت:

با فرض آنکه عرض ورق پیوستگی تمام عرض بال ستون را در بر بگیرد داریم:

همان‌طور که قبلاً در قسمت الزامات ورق پیوستگی گفتیم باید:

بنابراین:

در نتیجه:

همان‌طور که قبلاً در قسمت الزامات ورق پیوستگی گفتیم باید:

بنابراین:

کنترل نسبت عرض به ضخامت ورق پیوستگی:

بنابراین:

طول ورق پیوستگی باید با ارتفاع جان ستون برابر باشد. ستون طراحی شده دارای جان به عمق 40 سانتی‌متر می‌باشد؛ بنابراین از دو ورق به ابعاد 40×16.5×3.5 cm در امتداد دو بال تیر و در بین دو بال ستون استفاده کرد.

نحوه مدلسازی و طراحی چشمه اتصال در نرم افزار ایتبس و طراحی ورق پیوستگی و مضاعف

در نرم‌افزار ایتبس 2016 این امکان فراهم شده است که چشمه اتصال را در محل تیر و ستون‌ها در قاب‌های خمشی سازه‌های اسکلت فلزی تعریف و مدل‌سازی کنیم.

در حقیقت برای آنکه رفتار دقیق‌تری از وضعیت سازه‌ی مدل شده‌ی ما در نرم‌افزار ETABS داشته باشیم، بهتر است چشمه اتصال را در ایتبس مدل‌سازی کنیم و ضوابط آیین‌نامه در مورد طراحی چشمه اتصال با نتایج خروجی نرم‌افزار کنترل شود تا در صورت نیاز ورق پیوستگی و مضاعف به چشمه اتصال اضافه کنیم.

سؤال: ضخامت ورق مضاعف چشمه اتصال در ETABS از کجا به دست می‌آید؟
باید به این نکته توجه داشت که ضخامت ورق مضاعف در چشمه اتصال در ابتدای معرفی چشمه اتصال به ایتبس باید صفر در نظر گرفته شود (زیرا ما هنوز ضخامت ورق مضاعف را نداریم و ضخامت ورق مضاعف پس از آنالیز سازه و محاسبات دستی که در ادامه خواهیم دید، به دست می‌آید)

پس از اعمال چشمه اتصال به سازه و تحلیل و طراحی قاب باید از نتایج حاصل از طراحی تیر و ستون متصل به چشمه، طبق بند 10-2-9-10-6 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ظرفیت برشی چشمه اتصال را محاسبه کنیم .
درصورتی‌که نیروی برشی وارد بر چشمه اتصال (خروجی ETABS) از ظرفیت محاسبه شده بیشتر بود، باید ضخامت ورق مضاعف لازمه را به‌صورت دستی محاسبه کنیم.

سپس می‌توانیم در آنالیز و طراحی بعدی سازه در ایتبس این بار از ضخامت محاسبه شده در قسمت Doubler Plate Tickness استفاده کنیم و قاب را یک بار دیگر مورد آنالیز قرار دهیم. در واقع به نوعی عملیات سعی و خطا باید صورت گیرد.

تعداد صفحات : 40 صفحه