بررسی ترکیب سیستم سازه ای مختلف در ارتفاع به همراه بیان یک مثال کاربردی

همانطور که می دانید سیستم های باربرجانبی انواع متفاوتی دارند که گاهی اوقات به دلایل متفاوتی ما مجبور می شویم این سیستم ها را در ارتفاع سازه با یکدیگر ترکیب کنیم. زمانی که در یک قاب، چند نوع سیستم سازه ای مختلف در ارتفاع داریم مطمئنا دیگر ضریب رفتار سازه، سختی، شکل پذیری و… متفاوتی هم خواهیم داشت.

ما در این مقاله جامع ابتدا ترکیب سیستم سازه ای مختلف در ارتفاع را معرفی و بررسی می کنیم آنگاه به ضوابط موجود در استاندارد 2800 خواهیم پرداخت و این ضوابط را با ذکر مثال کاملا برای شما واضح و بدون ابهام خواهیم کرد.

ترکیب سیستم سازه ای مختلف در ارتفاع

ترکیب سیستم‌ سازه ای مختلف در ارتفاع معمولاٌ به منظور برآورده کردن نیازهای معماری در یک سازه انجام می ­شود. یکی از متداول‌ ترین حالت­ هایی که در آن مجبور به ترکیب سیستم‌ سازه ای مختلف در ارتفاع هستیم استفاده از دیوار حائل در طبقات زیر زمین یک سازه است. در واقع استفاده از دیوار حائل در طبقات زیر زمین یک ساختمان به منظور تحمل فشار خاک اطراف ساختمان است.

در اکثر موارد به منظور کاهش ضخامت دیوار حائل، این دیوار به تیر و ستون‌های اصلی سازه دوخته می‌شود و در نتیجه به عنوان یک دیوار برشی در سازه عمل می‌کند که منجر به افزایش قابل توجه سختی طبقات تحتانی (زیر زمین) نسبت به طبقات فوقانی می‌شود. در این گونه ساختمان‌ ها در صورتی که از دیوار برشی در طبقات روی زمین استفاده نشده باشد، سیستم باربر جانبی در طبقات زیر زمین با طبقات روی زمین متفاوت خواهد بود. در شکل زیر نمونه‌ای از یک ساختمان بتن آرمه با دیوار حائل نشان داده شده است (لازم به ذکر است که موارد ذکر شده در این بند شامل سازه‌هایی که در طبقات زیرین دیوار حائل قرار داده می‌شود و در نتیجه تراز پایه به طبقات بالاتر انتقال داده می‌شود، نیست).

شکل1- استفاده از دیوار حائل در یک ساختمان بتنی

  آیا تنها ملاحظات معماری باعث می شود که سیستم های سازه ای متفاوتی در ارتفاع داشته باشیم؟

از دیدگاه طراحی نیز گاهی می‌توان از سیستم‌ سازه ای مختلف در ارتفاع استفاده کرد. به عنوان مثال در یک ساختمان با سیستم ترکیبی قاب خمشی فولادی و دیوار برشی بتنی، به دلیل کاهش نیروی برشی در طبقات بالایی ساختمان می‌توان دیوارهای برشی را از سیستم حذف کرد. در شکل زیر دو ساختمان فولادی با سیستم‌های باربر جانبی مختلف در ارتفاع نشان داده شده است.

شکل 2- دو نمونه از ساختمان‌های فولادی با ترکیب سیستم‌های باربر جانبی در ارتفاع

استاندار ۲۸۰۰ (ویرایش چهارم) سازه‌های با سیستم‌ سازه ای مختلف در ارتفاع را در دو بخش حالت کلی و حالت خاص مورد بررسی قرار داده است. که در ادامه به توضیح هریک از این حالات می‌پردازیم.

محاسبه زمان تناوب سازه برای سیستم سازه ای مختلف در ارتفاع

بررسی حالت کلی در استاندارد 2800 (ویرایش چهارم)

در این بخش هر یک از قسمت‌های بند 3-3-5-9-1 که حالت کلی ترکیب سیستم‌ها در ارتفاع را بیان می‌کند، جداگانه بررسی خواهد شد.

استاندارد 2800 علاوه بر توضیح درمورد نحوه ی محاسبه زمان تناوب در هر یک از سیستم های سازه ای، در بند 3-3-3 از استاندار ۲۸۰۰ (ویرایش چهارم)، نحوه محاسبه زمان تناوب برای ساختمان‌های با سیستم سازه ای مختلف در ارتفاع توضیح داده شده است. هنگامی که در ارتفاع سازه از سیستم‌های سازه‌ای مختلف استفاده می‌شود باید متوسط وزنی زمان‌های تناوب هر یک از سیستم‌ها در ارتفاع کل سازه در نظر گرفته شود. به عنوان مثال یک ساختمان 5 طبقه فولادی را مطابق شکل زیر در نظر بگیرید که سه طبقه پایین از سیستم مهاربند همگرا به همراه قاب خمشی و دو طبقۀ بالایی از سیستم قاب خمشی استفاده شده باشد. یکبار فرض می‌شود کل سازه با سیستم مهاربندی باشد و زمان تناوب آن را T₁ می‌نامیم، و زمان تناوب سازه اگر در تمام ارتفاع سیستم قاب خمشی باشد را T₂ فرض می‌کنیم. اگر H1 ارتفاع قسمتی از سازه با سیستم مهاربند و H₂ ارتفاع قسمت قاب خمشی باشد، زمان تناوب سازه به صورت زیر محاسبه می‌شود:

شکل 3-  محاسبۀ زمان تناوب تجربی در سازه‌ای با سیستم‌ سازه ای مختلف در ارتفاع

ضریب رفتار سازه برای سیستم سازه ای مختلف در ارتفاع

در این قسمت به بررسی ضریب رفتار سازه‌ با سیستم سازه ای مختلف در ارتفاع پرداخته می‌شود. طبق بند ۳-۳-۵-۹-۱-ب از استاندار ۲۸۰۰ (ویرایش چهارم) اگر ضریب رفتار سیستم تحتانی بیشتر از سیستم فوقانی باشد در جهت اطمینان بیشتر، از پارامترهای مربوط به سیستم فوقانی برای کل سازه استفاده می‌کنیم.

برای مثالِ مربوط به سازه‌ی 5 طبقه‌ی فولادی شرح داده شده در بالا، همانطور که در جدول زیر (جدول ۳-۴ از استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش چهارم) مشخص است ضریب رفتار (R_u) سیستم تحتانی (قاب خمشی فولادی متوسط + مهاربند همگرای ویژه) 6 و ضریب رفتار سیستم فوقانی (قاب خمشی فولادی متوسط) 5 می‌باشد. در نتیجه ضریب رفتار سیستم تحتانی از فوقانی بزرگتر بوده و با توجه به بند فوق، باید برای کل سازه از پارامترهای مربوط به سیستم فوقانی استفاده شود.

حالت دومی که ممکن است رخ دهد، مربوط به زمانیست که ضریب رفتار سیستم تحتانی کمتر از سیستم فوقانی باشد. در بند ۳-۳-۵-۹-۱-پ توضیحات آیین نامه‌ای مربوط به این حالت آورده شده است.

برای بررسی قسمت (پ)، سازه ۵ طبقه نشان داده شده در شکل زیر را در نظر بگیرید که دو طبقه اول از سیستم قاب خمشی فولادی متوسط و طبقات بالا از قاب مهاربندی همگرای ویژه استفاده شده باشد.

شکل4- سازه پنج طبقه فولادی با سیستم قاب خمشی متوسط در طبقات تحتانی و سیستم مهاربندی در طبقات فوقانی

همانطور که در جدول زیر نشان داده شده است سیستم فوقانی ضریب رفتار بزرگتری دارد.

طبق آئین‌نامه، برای طراحی مهاربندهای قسمت فوقانی R_u = 5.5 در نظر گرفته می‌شود و برش کل ساختمان را محاسبه می‌کنیم. سپس نیروی طبقات و برش هر طبقه را به دست می‌آوریم و طبقات را بر اساس این نیرو طراحی می‌کنیم. اما برای طراحی قاب خمشی طبقات تحتانی باید به این صورت عمل کنیم که ابتدا را در نظر گرفته و برش پایه کل ساختمان را به دست می‌آوریم و این‌بار نیروی طبقات را با ضریب رفتار جدید محاسبه می‌کنیم. حال جمع نیروهای وارد بر سه طبقه فوقانی را محاسبه می‌کنیم اما باید این نیرو (V_top) حاصل را در  R_u/ρ)_top /(R_u /ρ)_bot) ضرب کنیم. سپس با این برش جدید، (V_bot) که مقدار آن بزرگتر و یا مساوی با V_top می­باشد قاب خمشی طبقات پائین را طراحی نماییم. در شکل زیر روال طراحی طبقات تحتانی نشان داده شده است. لازم به ذکر است که در اینجا فقط برش طراحی را اصلاح کرده‌ایم اما تمام نیروهایی که از سازه بالایی منتقل می‌شوند باید به همین طریق اصلاح شوند.

شکل 5- محاسبه برش طبقات تحتانی در یک سازه با سیستم‌های متغیر در ارتفاع

ابتدا برش طبقات فوقانی را با در نظر گرفتن R_u = 5 محاسبه می‌کنیم.

       V_top = F₅ + F₄ +F_{3                                                                                                                                                          (2)}                                                                                                                                                                                                                                               

                                                                                                                                 (3)

بررسی حالت خاص در استاندارد 2800

تمام توضیحات ارائه شده در بالا مربوط به حالت کلی ترکیب سیستم سازه ای مختلف در ارتفاع می‌باشد. در ادامه به بررسی بند ۳-۳-۵-۹-۲ از استاندار ۲۸۰۰ (ویرایش چهارم) می‌پردازیم که در آن ضوابط مربوط به تعیین نیرو­های جانبی، در حالات خاص ترکیب سیستم‌ها در ارتفاع ارائه شده است.

طبق استاندارد ۲۸۰۰ (ویرایش چهارم) اگر سازه دارای شرایط (الف) و (ب) از بند فوق باشد نیروهای جانبی را به این صورت تعیین می‌کنیم که قسمت انعطاف‌ پذیر فوقانی (به این دلیل می‌گوییم انعطاف پذیر که سختی آن بسیار کمتر از سختی طبقات تحتانی است) را به عنوان یک سازه مجزا با تکیه گاه‌ های گیردار در نظر می‌گیریم و طبق روال عادی طراحی می‌کنیم. قسمت تحتانی را نیز جداگانه طراحی می‌کنیم با این تفاوت که عکس العمل های سازه ­ی فوقانی ابتدا در R_u/ρ)_top /(R_u /ρ)_bot) ضرب می‌شود، سپس به سازه­ ی تحتانی وارد می‌شوند. در اینجا نیز کل نیروها مثل نیروهای محوری و لنگر خمشی ستون‌ها باید اصلاح شوند و به سازه پایینی منتقل شوند.

برای درک بهتر توضیحات فوق، یک سازه ۵ طبقه را در نظر بگیرید که دو طبقه اول آن نسبت به طبقات بالایی سختی خیلی بالاتری دارند. به عنوان مثال در سازه‌ای که دو طبقه اول تمام دهانه‌ها دارای مهاربند همگرا و طبقات بالا متشکل از قاب خمشی باشد، به احتمال زیاد هر دو شرط (الف) و (ب) که در بند 3-3-5-9-2 از آئین‌نامه به آنها اشاره شده را خواهد داشت. در این حالت نیروهای جانبی به روش گفته شده، محاسبه می‌شوند.

شکل 6- مدل تحلیلی برای محاسبه نیروهای سازه با سیستم‌های مختلف در ارتفاع در حالت خاص

در ادامه نحوه انتقال نیروها از سازه فوقانی به تحتانی شرح داده می‌شود. در ابتدا طبق شکل نشان داده شده در بالا سازه فوقانی به صورت جداگانه و با فرض تکیه گاه‌های گیردار تحلیل می‌شود و عکس العمل های تکیه گاهی آن محاسبه می‌شوند  (M ,V,P) . سپس مقادیر این نیروها به صورت زیر اصلاح می‌شود و به سازه تحتانی وارد می‌شوند  .

منابع

استاندارد ۲۸۰۰ (ویرایش چهارم)، مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی

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

• ارسال سوال برای تولید محتوا