طراحی چشمه اتصال؛ مدلسازی ورق پیوستگی و مضاعف در ایتبس به همراه 6 ویدئو جامع

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 ایبوک چشمه اتصال کاملا معرفی شده است و ضوابط طراحی و کنترل آن به صورت دستی و در نرم افزار ایتبس به همراه 6 ویدئو جامع مورد بررسی قرار گرفته است.

این صفحه تنها بخش کوتاهی از این ایبوک جامع می باشد متن اصلی ایبوک را منطبق بر فهرست مطالب، دانلود کنید.

⌛ آخرین به‌روزرسانی: 16 آبان 1400

📕 تغییرات به‌روزرسانی: اضافه شدن تغییرات و تکمیل تر شدن مقاله

تعریف چشمه اتصال و بررسی تغییرشکل های آن

چشمه­ ی اتصال (Panel Zone) به ناحیه­ ی مشترک تلاقی تیرها و ستون­ ها در یک اتصال سازه ­ای اطلاق می­شود. درواقع چشمه اتصال قسمتی از ستون بوده که شامل ناحیه اتصال تیر به ستون می‌باشد. به دلیل زوایای قائمه بین اعضای قائم و افقی، شکل ظاهری این ناحیه معمولاً به­ صورت مربع یا مستطیل است. در اثر نیروهای جانبی زلزله در این ناحیه تغییرشکل­ های برشی در امتداد قطر داخلی چشمه ایجاد می­گردند که شکل این ناحیه را به‌صورت متوازی‌الاضلاع تغییر می­دهند.

✅ برای جلوگیری از این تغییر شکل نامطلوب، چند راه­کار وجود دارد که در متن اصلی ایبوک به طور مفصل بررسی شده است.

نمایش تیر و ستون یک قاب خمشی در محل اتصال آن‌ها (چشمه اتصال)

کنترل مقاومت برشی چشمه ی اتصال

همان‌طور که قبلاً اشاره کردیم در تحلیل قاب‌های خمشی معمولاً از اثر چشمه اتصال صرف‌نظر می‌کنند. ما در مباحث قبل اثر چشمه اتصال را موردبررسی قرار دادیم. طبق بند 10-2-9-10-6 مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، برش در چشمه اتصال در دو حالت که در حالت اول تأثیر تغییرشکل چشمه اتصال در تحلیل سازه منظور نگردیده و در حالت دوم این اثر در نظر گرفته‌شده است، مقادیر مختلفی دارد که در ادامه آورده شده است. بدیهی است که برای یک مهندس محاسب باید حالت دوم حائز اهمیت باشد؛ زیرا با مدل کردن چشمه اتصال در نرم‌افزارهای تحلیل و طراحی نتایج دقیق‌تر و درعین‌حال به واقعیت نزدیک‌تری به ما می‌دهد.

نکته: در اغلب موارد، نرم­ افزارهای تحلیل خطی سازه (Etabs)، تغییرشکل­ های چشمه­ ی اتصال را در نظر نمی­گیرند. به همین دلیل آیین­ نامه برای تعیین ظرفیت برشی چشمه­ ی ­اتصال روابط محافظه­ کارانه ­تری نسبت به موارد استفاده از تحلیل­ های غیرخطی با لحاظ اثر تغییرشکل­ های چشمه­ ی اتصال، ارائه داده است.

نکته: وجود نیروی محوری زیاد روی ستون، به دلیل اندرکنش نیروی برشی و محوری باعث کاهش ظرفیت برشی ستون می­شود و اجازه نمی­دهد از کل ظرفیت برشی مقطع استفاده شود. در این حالت به دلیل افزایش تغییرشکل­ های سازه، روابط محافظه­ کارانه ­تری ارائه‌شده است.

نکته‌ای که در این بند از آیین‌نامه باید به آن توجه شود این است که در صورت استفاده از ستون‌های با مقطع H شکل که نیروی برشی جانبی لرزه‌ای عمود بر صفحه جان وارد می‌شود، باید در روابط مقاومت برشی به جای مساحت جان (d_c t_wc) مجموع مساحت‌های دو بال مقطع ستون یعنی 2d_cf t_cf گذاشته شود و همچنین عبارت زیر از داخل پرانتز حذف گردد.

✅ ادامه توضیحات این بخش در متن اصلی ایبوک به طور مفصل بررسی شده است.

دید اجرایی ورق پیوستگی، مضاعف و سخت‌کننده قطری برای انواع تیر و ستون

همان­طور که گفتیم چنانچه پس از محاسبه ظرفیت برشی چشمه اتصال و مقاومت برشی موردنیاز 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 طراحی‌شده) از ورق‌های مضاعف به ­طور متقارن و موازی جان و در دو طرف جان یا یک جفت سخت‌کننده قطری که مستقیماً به ورق‌های پیوستگی و بال ستون جوش می‌شوند، استفاده کرد. درواقع ورق‌های مضاعف و یا قطری برای تحمل نیروی برشی مازاد بر ظرفیت برشی چشمه اتصال، مورداستفاده قرار می‌گیرند.

نمایش ورق مضاعف و پیوستگی و سخت‌کننده قطری در چشمه اتصال

نمایش ورق پیوستگی در چشمه اتصال به‌صورت سه‌بعدی

✅ ادامه توضیحات این بخش در متن اصلی ایبوک به طور مفصل بررسی شده است.

طراحی دستی ورق پیوستگی و مضاعف طبق ضوابط مبحث دهم مقررات ملی ساختمان

کنترل ضخامت ورق جان در چشمه اتصال

ازآنجایی‌که وظیفه­ ی تحمل بخش اعظم برش مقطع، بر عهده‌ی جان است، در محدوده ­ی چشمه­ ی اتصال نیز باید ضخامت این اجزا جوابگوی برش موجود باشند. کنترل ضخامت ورق­ های واقع در چشمه­ ی اتصال شامل موارد زیر است:

1. کنترل ضخامت جان ستون
2. کنترل ضخامت ورق ­های مضاعف

آیین­ نامه یک رابطه برای کنترل ضخامت جان هریک از اجزای واقع در چشمه­ ی اتصال ارائه نموده است که باید برای هر ورق، به‌طور جداگانه بررسی شود.

استثنا: درصورتی‌که ورق مضاعف با استفاده از جوش انگشتانه ­ی کافی به جان ستون وصل شده باشد، در رابطه­ی فوق، به‌جای t_z، می­توان مجموع ضخامت جان ستون و ورق مضاعف را قرار داد.

کنترل ضخامت ورق را از زبان دکتر شریفی بشنویم.

عمق و پهنای داخلی چشمه ی اتصال

✅ ادامه توضیحات این بخش در متن اصلی ایبوک به طور مفصل بررسی شده است.

حل مثال های کاربردی

برای تثبیت بهتر مطالب گفته‌شده و آشنایی با نحوه استفاده از فرمول‌ها و ضوابط آیین‌نامه‌ای، در ادامه یک مثال را باهم حل می‌کنیم. حل مثال های بیشتر در متن اصلی ایبوک آورده شده است.

در شکل زیر قابی تحت اثر نیروی ثقلی و نیروی جانبی زلزله قرارگرفته است. در این مثال جهت صرفه­ جویی در زمان، تحلیل و طراحی تیر و ستون ارائه نشده است و هدف، طراحی ورق‌های پیوستگی و مضاعف لازم برای چشمه اتصال می‌باشد. فرض کنید در تحلیل سازه اثر تغییرشکل چشمه اتصال در نظر گرفته‌شده است.

قاب خمشی تحت بارگذاری ثقلی و جانبی

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

گام اول: طراحی ورق پیوستگی

جوش‌های اتصال ورق‌های پیوستگی به بال ستون باید قادر به انتقال نیروی کششی و فشاری ایجادشده در بر ستون برابر M_E/d_b که در آن M_E حداکثر لنگر ایجادشده در بر ستون و d_b عمق تیر است، باشد. بنابراین نیروی قابل‌انتقال توسط ورق‌های پیوستگی برابر با:

F_u=M_E/d_b

در این مثال از تحلیل قاب مقدار حداکثر لنگر ایجادشده در بر ستون برابر 114.76 t.m محاسبه‌شده است.
و همچنین عمق تیر متصل به ستون 46 سانتی‌متر طراحی‌شده است؛ بنابراین:

F_u=M_E/d_b =114.76/0.46=249.48 ton

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:

P_n=F_y A_g , ∅_t=0.9 , P_u=∅_t P_n

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

P_u=249.48×10³=0.9×2400×A_g → A_g=115.5 cm²

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

b_s/2=(b_fc/2)-t_wc=(35/2)-1=16.5 cm → b_s=33 cm

همان‌طور که قبلاً در قسمت الزامات ورق پیوستگی گفتیم باید:

b_s+1/2 t_wc≥1/3 b_f or 1/3 b_{(cover palte)}

بنابراین:

b_s+1/2 t_wc=(33+1/2×1)≥1/3×35 →33.5 >11.67 → ok

در نتیجه:

A_g=115.5 cm²=33×t_s→ t_s=115.5/33≅3.5 cm

همان‌طور که قبلاً در قسمت الزامات ورق پیوستگی گفتیم باید:

t_s≥(t_f or t_{(cover palte)} ,1/16 b_s)

بنابراین:

t_s=3.5 cm≥(t_f=3cm ,1/16×33=2.06 cm ) → ok

کنترل نسبت عرض به ضخامت ورق پیوستگی برای یک لبه متکی:

b_s/t_s <0.55√(E/F_y)

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 40×16.5×3.5cm در امتداد دو بال تیر و در بین دو بال ستون استفاده کرد.

گام دوم: طراحی ورق مضاعف

ابتدا باید کنترل کنیم که آیا چشمه اتصال جوابگوی نیروی برشی اعمالی به جان ستون می‌باشد یا خیر؟

بنابراین باید ظرفیت برشی چشمه را محاسبه کنیم. پس:

V_up=M_u1/d_b1 +M_u2/d_b2 -V_u

در قاب موردبررسی ما لنگر تنها در یک بر ستون وجود دارد زیرا چشمه اتصال تنها از یک سمت به تیر متصل می‌باشد؛ و همچنین نیروی برشی بالای ستون نیز به دلیل یک طبقه بودن قاب برابر صفر می‌باشد. بنابراین:

V_up=M_u1/d_b1 +M_u2/d_b2 -V_u=M_E/d_b +0-0=114.76/0.46=249.48 ton

با فرض اینکه اثر تغییرشکل چشمه اتصال در تحلیل سازه در نظر گرفته شود، داریم:

P_u/P_c =P_u/(A_g F_y)

A_g=(2×3×35)+(40×2)=290 cm² ستون مقطع مساحت

در این مثال از فولاد ST52 برای طراحی ستون استفاده شده است، بنابراین:

بنابراین چشمه اتصال جوابگو نمی‌باشد؛ درواقع جان ستون جوابگوی برش نیست و نیاز به ورق مضاعف داریم؛ بنابراین با فرض اینکه مجموع ضخامت ورق مضاعف و جان ستون برابر ´t_wc باشد داریم:

بنابراین از دو ورق مضاعف به ضخامت 1 سانتی‌متر (به دلیل اینکه در بازار ورق‌ها به ضخامت‌های مضرب 2 و یا 5 وجود دارد) از جنس ST52 در طرفین جان ستون استفاده می‌کنیم.

گام سوم: کنترل پایداری چشمه اتصال

t_z=1>(d_z+d_w)/90=(40+40)/90=0.89 → ok

✅ برای مطالعه مثال های بیشتر به متن اصلی ایبوک مراجعه کنید.

نحوه مدل‌سازی چشمه اتصال در نرم‌افزار Etabs

در نرم‌افزار Etabs-V2016 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 در نرم‌افزار Etabs داشته باشیم، بهتر است چشمه اتصال را در Etabs مدل‌سازی کنیم و ضوابط آیین‌نامه در مورد چشمه اتصال با نتایج خروجی نرم‌افزار کنترل شود تا در صورت نیاز، ورق پیوستگی و مضاعف به چشمه اتصال اضافه کنیم.

در نرم‌افزار Etabs برای مدل‌سازی چشمه اتصال، دو نقطه متصور می‌شود که به نقطه اول، ستون‌های متصل به چشمه اتصال (ستون‌های بالا و پایین چشمه اتصال در قاب خمشی) و به نقطه دوم، تیرهای متصل به چشمه اتصال (تیرهای سمت چپ و راست چشمه اتصال در قاب خمشی) وصل می‌شود و سپس به‌وسیله فنری رابط بین این دو نقطه رفتار چشمه اتصال را بررسی می‌کند. درواقع با این کار، نرم‌افزار به­ جای اینکه یک اتصال کاملاً صلب را در نظر بگیرد، با معادل‌سازی یک فنر پیچشی، آزادی عمل و تغییرشکل به چشمه اتصال می‌دهد تا رفتاری نزدیک به واقعیت داشته باشد.

برای تثبیت بهتر مطالب گفته‌شده و آشنایی شما با نحوه استفاده از فرمول‌ها و ضوابط آیین‌نامه‌ای، مثالی را حل می‌کنیم. در شکل زیر قابی دوبعدی به طول دهانه 5 متر و ارتفاع 3 متر تحت اثر نیروی ثقلی گستره 3 تن بر متر و نیروی جانبی 8 تن قرارگرفته است. در این مثال در ابتدا قاب را در نرم‌افزار Etabs مدل می‌کنیم. پس از معرفی مصالح و مقاطع تیر و ستون به نرم‌افزار نوبت به معرفی چشمه اتصال می‌رسد. نتایج Etabs را یک بار با در نظر گرفتن چشمه اتصال یک بار بدون در نظر گرفتن چشمه اتصال بررسی می‌کنیم.

مدل دوبعدی قاب سازه ای

نتایج آنالیز Etabs وقتی چشمه اتصال مدل نمی‌شود:

الف: جابه‌جایی نقاط انتهایی تیر و ستون یا به عبارتی تغییرمکان جانبی تیر و دریفت طبقه

Drift=∆/h=(13.715 mm)/(3000 mm)=0.004572

Drift=∆/h=(14.096 mm)/(3000 mm)=0.004699

ب: نیروهای لنگر خمشی و برشی تیر

M_u=9.7795 t.m لنگر انتهای تیر
V_u=9.488 t برش انتهای تیر

پ: نیروهای لنگر خمشی و برشی ستون

M_u=8.418 t.m لنگر بالای ستون
V_u=7.7909 t برش ستون

نتایج آنالیز Etabs وقتی چشمه اتصال مدل می‌شود:

برای مدل کردن چشمه اتصال در نرم‌افزار 2016 Etabs به ترتیب زیر عمل می‌کنیم:

گام اول:

تعریف چشمه اتصال از منوی difine>section properties>panel zone

بعد از انتخاب قسمت panel zone پنجره زیر باز می‌شود:

در این قسمت با همین اسم پیش‌فرض خود نرم‌افزار یعنی PZone1 ادامه می‌دهیم و گزینه Modify/show prorety را انتخاب می‌کنیم. سپس پنجره زیر باز می‌شود:

در قسمت General نام چشمه اتصال خود را می‌نویسیم که در اینجا همان نام پیش‌فرض انتخاب شده است.

در قسمت Prorerties چندین قسمت وجود دارد که درمتن اصلی ایبوک به توضیح کامل آن‌ها می پردازیم.

✅ این صفحه تنها بخش کوتاهی از این ایبوک جامع می باشد متن اصلی ایبوک را منطبق بر فهرست مطالب، دانلود کنید.

نتیجه‌گیری

با مدل کردن چشمه اتصال در نرم‌افزار Etabs 2016 درواقع ما این اجازه را به قاب خمشی داده‌ایم که شکل‌پذیری بیشتری داشته باشد؛ زیرا به جای اینکه محل اتصال تیر و ستون سختی بی‌نهایت داشته باشد، با یک فنر با سختی مشخص توسط نرم‌افزار مدل شده است. همان‌طور که از نتایج پیداست زمانی که چشمه اتصال مدل نشد، به ورق مضاعف برای تقویت چشمه اتصال نیاز پیدا کردیم ولی زمانی که چشمه اتصال مدل شد، نیاز به ورق مضاعف نداشتیم زیرا جان ستون جوابگوی برش وارده بود؛ و این نشان می‌دهد مدل کردن چشمه اتصال می‌تواند طراحی نهایی را اقتصادی‌تر بکند.

در مورد ورق پیوستگی در دو حالت به یک جواب رسیدیم. ذکر این نکته خالی از لطف نیست که همان‌طور که قبلاً اشاره کردیم، مبحث دهم مقررات ملی ساختمان برای ظرفیت برشی چشمه اتصال دو حالت را در نظر گرفته است (لحاظ کردن چشمه اتصال یا لحاظ نکردن آن در تحلیل) و این یعنی آیین‌نامه این اجازه را به مهندس محاسب سازه داده است که از یکی از دو حالت را به‌دلخواه استفاده کند، درواقع دست محاسب باز است؛ اما اینکه چشمه اتصال در نظر گرفته شود یا نه، بستگی به نظر مهندس محاسب دارد.

همان‌طور که در این مثال دیدیم با مدل کردن چشمه اتصال، طراحی نهایی اقتصادی‌تر شد و حتی زمان محاسبه دستی نیز کاسته شد. ازاین‌رو پیشنهاد می‌شود چشمه اتصال در قاب‌های خمشی در نظر گرفته شوند، گرچه مدل نکردن چشمه اتصال ایرادی را به سمت مهندس محاسب وارد نمی‌کند (به دلیل اختیاری که مبحث دهم مقررات ملی ساختمان به طراح داده است) مگر اینکه با مدل نکردن آن طرح غیراقتصادی شود.

پیشگیری از عیوب موضعی در اعضای سازه ای به‌راحتی و تنها از طریق شناخت و اشراف به ماهیت آن‌ها و اعمال کنترل های لازم در مرحله ی طراحی، امکان پذیر است. تلاش آیین نامه های طراحی در دور کردن محل تشکیل مفصل پلاستیک از ناحیه ی چشمه ی اتصال است. چون خرابی در این ناحیه، موجب بروز خسارت بالایی در سازه می شود. الزامات لرزه ای تا حد زیادی تغییرشکل های چشمه ی اتصال را محدود می نماید. به همین علت به کمک ورق-های تقویت جان و سخت کننده های عرضی این ناحیه ی مهم سازه، تقویت می شوند.

منابع

1. راهنمای Etabs 2017 در خود نرم‌افزار
2. جزوه درسی دکتر فنایی (عضو هیئت‌علمی دانشگاه خواجه‌نصیرالدین طوسی)
3. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1392
4. کتاب راهنمای جوش و جوشکاری در ساختمان های فولادی، وزارت راه و شهرسازی، ویرایش 1390
5. دوره ی غیرحضوری اتصالات فولادی، سبز سازه، دکتر مهدی شریفی
6. آشنایی با ضوابط جوش در مناطق لرزه خیز، دکتر علیرضا رضائیان، انجمن سازه های فولادی ایران
7. AWS D1.8 / Structural Welding Code-Seismic Supplement
8. Specification for Structural Steel Buildings (ANSI/AISC 360-16
9. M. Seif, T. McAllister / Journal of Constructional Steel Research 84 (2013) 17–26

1. تعریف چشمه اتصال و بررسی تغییرشکل های آن

• تأثیر نیروی محوری ستون بر چشمه اتصال
• بررسی تغییرشکل چشمه اتصال
  • اثبات رابطه برش چشمه اتصال در آیین نامه ها
• تأثیر بارهای ثقلی و نیروهای جانبی بر چشمه اتصال

2. کنترل مقاومت برشی چشمه ی اتصال

3. دید اجرایی ورق پیوستگی، مضاعف و سخت‌کننده قطری برای انواع تیر و ستون

• نحوه اجرای ورق‌های پیوستگی و مضاعف در چشمه اتصال
  • ورق‌های مضاعف و پیوستگی در ستون‌های قوطی شکل
•  انتقال نیرو به‌وسیله ورق‌های پیوستگی و نحوه عملکرد آن‌ها

4. طراحی دستی ورق پیوستگی و مضاعف طبق ضوابط مبحث دهم مقررات ملی ساختمان

• کنترل ضخامت ورق جان در چشمه اتصال
  • طراحی ورق مضاعف (Doubler Plate)
  • طراحی ورق پیوستگی (Continuity Plate)
• الزامات تکمیلی طراحی لرزه‌ای قابهاي خمشی متوسط و ویژه
  • ورق هاي مضاعف
  • ورق هاي پیوستگی (سخت کننده هاي عرضی)

5. حل مثال های کاربردی

• طرح مسئله 1:
• طرح مسئله 2:

6. نحوه مدل‌سازی چشمه اتصال در نرم‌افزار Etabs

• مثال کاربردی

7. نتیجه‌گیری

• ثبت شده در
  وزارت ارشاد
• دانلود سریع
  پس از پرداخت
• ضمانت ارسال
  بروزترین نسخه کتاب