آنچه در این مقاله خواهید خواند
همانطور که می دانید بار های وارد بر سازه به دو دسته بار های ثقلی و بار های جانبی تقسیم می شوند که تعداد زیادی از مهندسین برای انتقال مناسب بار های جانبی دچار مشکل می شوند نظر شما در رابطه با انتقال بار های جانبی در طراحی سازه چیست؟ نحوه انتخاب انواع سیستم باربر جانبی به چه صورتی است؟ آیا می توانیم سیستم سازه ای ساختمان های بلند را مشابه ساختمان های کوتاه انتخاب کنیم؟
پس از خواندن این مقاله از شر این سوالات گیج کننده خلاص شوید.
تعریف سیستم باربر جانبی
سیستم باربر جانبی قسمتی از یک سازه است که وظیفه دارد در برابر بار های جانبی مقاومت کرده و آن ها را از مسیری ایمن به سمت شالوده هدایت کند. (نیروهای جانبی می‌توانند شامل باد یا زلزله و یا سایر نیرو ها باشند.)
طبق بند ۱-۵-۵ استاندارد ۲۸۰۰ «عناصر مقاوم در برابر زلزله باید به صورتی در نظر گرفته شوند که پیچش ناشی از این نیرو های مؤثر و مقاوم در طبقات به حداقل برسد. برای این منظور مناسب است فاصله مرکز جرم و مرکز سختی در هر طبقه و امتداد، کمتر از ۵ درصد بعد ساختمان در آن امتداد باشد.» این بند اهمیت آرایش سیستم های باربر جانبی و در نتیجه افزایش بازدهی عملکرد سیستم سازه ای را دو چندان میکند.
از دیدگاه یک مهندس سازه بهترین سیستم سازه‌ای، سیستمی است که در آن اعضای اصلی سازه ترکیب های مختلف بارهای قائم و افقی را به صورت بهینه تحمل نمایند.
سیستم دیوار باربر
سیستم سازه ای که فاقد قاب های ساختمانی است (یعنی تیر و ستون ندارد). در این سیستم، دیوارهای باربر و یا قاب های مهاربندی شده (منظور قاب های سرد نورد شده یا LSF که بجای تیر و ستون، رانر و استاد دارد) عمدتا بارهای قایم را تحمل نموده و مقاومت در باربر بارهای جانبی نیز به وسیله ی دیوارهای باربر که بصورت دیوارهای برشی عمل می کنند و یا بوسیله قاب های مهاربندی شده تامین میشود. پس این سیستم، هم باربرثقلی دارد، هم باربر جانبی (مهندس از سازه چی میخواد؟ دو نوع سیستم باربر). سیستم های دیوار باربر عبارتند از:
-دیوارهای متشکل از قاب های فولادی سرد نورد (مانند LSF) که با تسمه های فولادی یا صفحات پوشش فولادی مهار شده اند.
– دیوارهای برشی بنایی مسلح
– دیوار برشی بتن آرمه
سیستم قاب ساختمانی ساده
در این سیستم اتصال تیر به ستون مفصلی است و سختی خمشی تیر در جذب نیرو های جانبی زلزله مشارکت ندارد. این سیستم بارهای قائم را به کمک تیر و ستون تحمل میکند و به تنهایی توانایی جذب و تحمل بارهای جانبی را نداشته و در اثر اعمال بار های جانبی ناپایدار است؛ بنابراین برای ایجاد مقاومت و نامعینی و پایداری در این سیستم می بایست یا از اعضای مورب تحت عنوان مهاربند استفاده نمود و یا دیوار برشی فولادی یا بتنی تعبیه نمود. این سیستم بیشتر برای سازه فولادی استفاده میشود و استفاده از این اتصال برای سازه بتنی کمی سخت است، چراکه نیاز به جزییات خاصی برای آرماتورها دارد تا اتصال را در سازه های بتنی بصورت مفصلی درنظر بگیریم (البته با این کار هم تنها به اتصال مفصلی نزدیک میشود و بازهم گیرداری دارد).
رفتار قاب ساختمانی ساده در برابر بارهای ثقلی و جانبی
از آنجا که اتصالات مفصلی نمیتواند لنگر ناشی از بارهای جانبی را تحمل کند، زاویه بین تیر و ستون ثابت نمیماند و تغییر میکند (قبل از اعمال بار، زاویه بین تیر و ستون ۹۰ درجه است اما به محض اینکه بار به آن وارد میشود زاویه ای تولید می کند که همچنان کسی مقدار دقیق آن را نمی داند.
در این سیستم سازه ای، نیروهای ثقلی توسط نیروهای برشی و خمشی در تیر تحمل میشوند. در شکل ذیل دیاگرام برش و خمش تیر تحت بار گسترده رسم شده است که نشون می دهد در این سیستم برش در تکیه گاه و لنگر در وسط ماکزیمم است. همچنین نیروهای برشی تیر بصورت نیروی محوری در ستون ها به وجود می آید و به زمین منتقل میشوند. از آنجاییکه این سیستم بارهای ثقلی را به زمین منتقل میکند، سیستم باربر ثقلی محسوب میشود.
رفع مشکل باربرجانبی قاب ساختمانی ساده
برای رفع مشکل باربری جانبی قاب های ساختمانی ساده، دو راهکار وجود دارد (بطور مطلق نمیشود بگوییم کدام راهکار بهتر است.)
الف) برای تحمل بارهای جانبی، میتوانیم علاوه بر تیرها و ستون ها، از یک عنصر سومی استفاده کنیم که این عنصر سوم میتواند از نوع مهاربند یا دیوار برشی باشد.
ب) گیردار کردن اتصالات مفصلی تیر به ستون و ستون به زمین که باعث میشود اعضای سازه در برابر بارهای جانبی مقاومت کنند. یعنی قاب ساده را به قاب خمشی تبدیل کنیم.
قاب ساختمانی با مهاربند (بادبند)
این قاب ها، برش وارده را بوسیله اعضای قطری جذب کرده و پس از تبدیل برش به نیروهای کششی و فشاری آن را به سیستم قائم منتقل میکنند. معمولا در ساختمان های بلند که استفاده از قاب خمشی بدلیل تغییرمکان جانبی زیادش کارایی ندارد از قاب مهاربندی استفاده میشود.
بطور کلی با استفاده از مهاربندها در کل طول و عرض سازه و یا هرجایی که معماری به ما اجازه این کار را بدهد، میتوانیم صلبیت سازه رو بالا ببریم (دهانه مهاربندی بیشتر، صلبیت بیشتر). مهاربندی دهانه های کوچک چندان موثر نیست (تغییرشکل ها زیاده)، اما اگر مهاربندی ها رو در دهانه های بزرگتر بگذاریم تغییرشکل ها کم تر میشوند. مهاربندها بیشتر در سازه های فولادی استفاده میشوند. از سه نوع مهاربند میشود تو سیستم قاب ساختمانی ساده استفاده کرد:
مهاربند همگرا
در این نوع مهاربندها خط محور تیر، ستون و مهاربندی همدیگر را در یک نقطه مشترک قطع میکنند. سازه تحت بارهای مختلف طراحی میشود، بعد از طراحی یکسری کنترل ها باید انجام گیرد که یکی از این کنترل ها، کنترل تغییر مکان نسبی (Drift) که اگه بیش از حد مجاز باشد باید سختی سازه را زیاد کنیم (ساده ترین راه افزایش سختی، افزایش ابعاد تیر و ستونه که خیلی هزینه بر است). معمولا سازه های دارای این نوع مهاربندی ها دارای تغییرمکان نسبی کمتر از تغییرمکان نسبی مجاز بوده و نیاز به افزایش سختی نداریم (مزیت اصلی این نوع مهاربند است که باعث کاهش هزینه ساخت میشود.
این مهاربندها در برابر نیروهای جانبی لرزه ای مواقعی که زلزله های خفیف اتفاق می افتد، مقاومت خوبی دارند ولی در زلزله های بزرگ عموما مهاربندی ها کمانش میکنند و مفاصل پلاستیک در تیر تشکیل میشود. برای اینکه مهاربندها انرژی بیشتری از زلزله را جذب کنند، باید همزمان خراب بشوند اما ایراد این سیستم این است که آن مهاربندی که در معرض فشار می افتد زودتر از آن مهاربندی که در معرض کشش می افتد تخریب می شود. برای همین این سیستم در ناحیه غیرخطی، شکل پذیری و ظرفیت جذب انرژی پایینی دارد و منحنی هیسترزیس آن بسیار نامنظم و ناپایدار است و سطح زیر منحنی نسبت به سایر سیستم ها کمتراست. با توجه به این موارد، استفاده از این سیستم مهاربندی در مناطق با زلزله خیزی بالا توصیه نمیشود. علاوه بر این، در قاب ها با مهاربندی همگرا برای اجرای بازشو با محدودیت روبرو هستیم.
مهاربند واگرا
در این نوع مهاربندی ها، چون عضو مهاربندی از محل تقاطع تیر و ستون عبور نمی کند، یک برون محوری ایجاد میشود. این برون محوری نسبت به محل اتصال تیر وستون، قطعه ای بنام تیر پیوند بوجود می آورد. وقتی نیروی جانبی به سازه وارد میشود، تیر پیوند در استهلاک انرژی به سازه کمک میکند. این تیر در زلزله های شدید نقش فیوز را بازی میکند و با خرابی و تغییر شکلی که در آن ایجاد میشود، بخش زیادی از انرژی زلزله را جذب میکند و از کمانش مهاربندها جلوگیری میکند (یعنی تیر پیوند در خط مقدم برای مقابله با زلزله است و تا زلزله این تیر را خراب نکند نمیتواند به بقیه اعضای سازه آسیب بزند).
رفتار این سیستم بستگی مستقیم به طول تیر پیوند دارد. در صورتیکه طول تیر پیوند از مقدار مشخصی کمتر باشد، پیوند برشی و اگر از مقدار مشخصی بیشتر باشد، پیوند خمشی است. در پیوند های برشی قبل از اینکه مفصل خمشی در دو انتهای تیر پیوند تشکیل بشود، جان تیر پیوند در اثر نیروی برشی جاری میشود و ناحیه خمیری برشی ایجاد میشود ولی در پیوند خمشی، مفصل خمشی در دو انتهای تیر پیوند ایجاد می گردد (معمولا پیوند برشی نسبت به پیوند خمشی عملکرد بهتری در برابر زلزله دارد).
درست است که اجرای سیستم مهاربند واگرا نسبت به سیستم مهاربندی همگرا نیاز به دقت بیشتری دارد اما در عوض آن درناحیه غیرخطی، سختی و مقاومت آن ثابت است و تنزل سختی و مقاومت کمتری دارد. بنابراین انرژی بیشتری را مستهلک میکند و درنتیجه شکل پذیری بیشتری ازخودش نشان می دهد (سختی جانبی کمتر از مهاربند واگراست). علاوه بر این، در قاب ها با مهاربندی واگرا برخلاف قاب ها با مهاربندی همگرا مشکلی در ایجاد بازشو نداریم.
مهاربند کمانش تاب
مهاربند کمانش تاب هسته ای فولادی و شکل پذیر دارد که برای جاری شدن در فشار و کشش طراحی شده است و برای حذف کمانش کلی در فشار، هسته فولادی آن درون غلافی از جنس فولاد قرار میدهند و درون این غلاف با ملات یا بتن پر میشود.
این مهاربند برخلاف مهاربندهای همگرا در فشار کمانش نمیکند و نسبت به مهاربندی واگرا، تغیرمکان جانبی کمتری دارد. اما ایراد این مهاربندها چیست؟ این نوع مهاربندها تقریباً به صورت انحصاری در چند شرکت خاص آمریکایی و ژاپنی تولید و در دنیا توزیع میشوند. مهمترین عیب این مهاربندها، قیمت زیاد و زمان تحویل طولانی آنهاست که مانع از گسترش این مهاربند تو کشور عزیزمان شده است.
قاب ساختمانی با دیوار برشی
از دو نوع دیواربرشی میشود در سیستم قاب ساختمانی ساده استفاده کرد:
دیوار برشی بتنی
دیوار برشی بتنی مثل یک تیر قائم است و دو محور دارد یکی محور قوی و یکی محور ضعیف، روی محور ضعیف نمیشود خیلی حساب کرد و به همین دلیل به عنوان عنصر مقاوم درنظر گرفته نمیشود. دیواربرشی بهتر است بصورت یکپارچه از تراز فونداسیون شروع بشود و در ارتفاع سازه ادامه پیدا کند تا نیروهای لرزه ای بتوانند بصورت پیوسته در ارتفاع دیوار از بالا به پایین و نهایتا به فونداسیون منتقل بشوند، وگرنه طبق استاندارد ۲۸۰۰ نامنظمی در سازه داریم و آیین نامه ضوابط سختی برای سازه نامنظم دارد.
با توجه به زلزله های گذشته میتوانیم بگوییم که این سیستم یکی از مطمئن‌ترین روش‌های مقابله با نیروهای جانبی است. این دیوارها نه تنها در شرایط اجرای درست، عملکرد بسیار مطلوبی از خودشان نشان داده اند، بلکه در مواردی که دیوار برشی با جزییات دقیق اجرا نشده ولی در ساختمان به تعداد کافی دیوار برشی در نظر گرفته شده ساختمان در برابر زلزله فرو نریخته است. علتش این است که دیوار برشی سختی سازه را خیلی زیاد میکند و این موضوع باعث افزایش ایمنی سازه در برابر شکست میشود.
مزایای سیستم دیوار برشی بتنی
- صلبیت زیاد و کاهش اثرات ثانویه در سازه
- حذف کمانش فشاری و کاهش لاغری ستون‌ها به دلیل تأمین مهار جانبی
- ممانعت از انتشار خرابی به کل سازه
معایب دیوار برشی بتنی
- وزن زیاد و جذب نیروی جانبی بیشتر
- نیاز به فونداسیون بزرگتر و ضخیم‌تر
دیوار برشی فولادی
دیوار برشی فولادی از دیوار برشی بتنی جدیدتر و بهتر است. مزیت اصلی دیوارهای برشی فولادی نسبت به دیوار برشی بتنی:
۱- شکل پذیری و قابلیت جذب انرژی بالاتر نسبت به دیوار برشی بتنی (حتی از سیستم مهاربندی هم بیشتر است)
۲- در مقایسه با دیوار برشی بتنی، دیوار برشی فولادی، بسیار سبک تر است که باعث کاهش بار ثقلی ستون ها، فونداسیون و کاهش نیروهای ناشی از زلزله میشود.
۳- از نظر معماری در مقایسه با دیوار برشی بتنی بهتر است چون هم ضخامت کمتری نسبت دیوار برشی بتنی دارد (فضای کمتری اشغال میکند) و هم امکان در نظر گرفتن بازشو در دیوار برشی فولادی وجود دارد (به شرطی که برای آن سخت کننده در نظر گرفته شود).
۴- برای مقاوم سازی ساختمان های موجود، استفاده از دیوار برشی فولادی نسبت به دیوار برشی بتنی، بسیار سریع تر و کم هزینه تر است.
سیستم قاب خمشی
یکی از سیستم های رایج در سازه های فولادی و بتنی است که در آن ها برای رفع مشکل قاب های ساده ساختمانی برای تحمل بارهای جانبی، بجای اتصال مفصلی از اتصال صلب تیر به ستون استفاده میشود. در واقع سختی خمشی تیر در جذب بارهای جانبی مشارکت دارد. سازه های با قاب خمشی کامل و سازه های با قاب خمشی در پیرامون و یا در قسمتی از پلان و قاب‌های با اتصالات ساده در سایر قسمت های پلان نیز در این گروه جای دارند. در یک سیستم باربر جانبی قاب خمشی به دلیل استفاده نکردن از مهاربند یا دیوار برشی در قاب ها، فضای بین چشمه های قاب ها محدود نشده و امکان مناسبی برای ارائه طرح‌های معماری متنوع در اختیار طراح قرار میدهد. این نوع سیستم سازه ای با توجه به داشتن جزئیات اجرایی بیشتر نسبت به سایر سیستم‌های اجرایی دارای هزینه ساخت بالاتری است.
ویژگی اصلی سیستم قاب خمشی اتصال صلب تیر به ستون می‌باشد که در نتیجه عملکرد این اتصالات، نیرو های جانبی ناشی از زلزله به صورت رفتار خمشی-برشی در ستون ها و تیرها تحمل میشوند.
از لحاظ سازه ای قاب های خمشی به عنوان سیستم مقاوم جانبی دارای شکل پذیری مناسبی می‌باشند. تغییرشکل قاب خمشی باعث جذب انرژی در قاب شده و در نتیجه مقاومت در برابر نیروهای برشی افزایش می‌یابد. به همین دلیل نیروی لرزه ای در این قاب ها به خصوص اگر قاب دارای شکل پذیری بالایی باشد (ضریب رفتار بالا باشد)، نیروی زلزله به مقدار قابل ملاحظه ای کاهش می‌یابد. تغییر شکل جانبی قاب های خمشی بر اثر دو عامل به وجود می‌آید:
- تغییر شکل جانبی ناشی از خمش طره ای: این پدیده که به نام رانش وتری نیز خوانده میشود، بر اثر کوتاه و بلند شدن طول ستون ها و تغییر شکل محوری ستون ها ایجاد میشود. این حالت تغییر شکل حدود ۲۰ درصد از تغییر شکل جانبی کل سازه را تشکیل میدهد.
- تغییر شکل ناشی از خمش تیرها و ستون‌ها: در این پدیده که مرسوم به لنگر برشی نیز می‌باشد. نیروهای برشی افقی و قائم به ترتیب بر ستون ها و تیرها وارد شده و در این اعضاء لنگرهای خمشی ایجاد میکنند. نهایتاً در اثر تغییرشکل های خمشی تیرها و ستون ها تمام قاب تغییر شکل می دهد. این حالت تغییر شکل حدود ۸۰ درصد از تغییر شکل های جانبی سازه (کل سازه) را تشکیل میدهد که از این مقدار حدود ۶۵ درصد ناشی از خمش تیرها و ۱۵درصد ناشی از خمش ستون ها است
سختی جانبی قاب های خمشی نسبت به بقیه سیستم ها کمتر است(انعطاف پذیری بالایی دارد). بطوری که تحت اثر زلزله، تغییرمکان های جانبی (دریفت) قاب های خمشی بیشتر از قاب های مهاربندی شده و قاب ها با دیوار برشی است. به همین دلیل در اکثر مواقع که ابعاد تیر و ستون ازنظر مقاومتی جوابگوی بارهای وارده هستند، بدلیل اینکه مقدار دریفت از دریفت مجاز بیشتراست مجبور هستیم که از ابعاد بزرگ تری برای تیرها و ستون‌ها استفاده کنیم. با توجه به اینکه ستون های این قاب نسبت به سایر سیستم ها مقاطع بزرگتری دارند، در قاب های خمشی فضای مفید کم تر است، وزن سازه بیشتر وهزینه ساخت بالاتر است. پس بدلیل داشتن سختی پایین بهتر است در ساختمان های بلند و باریک از این سیستم استفاده نکنیم (برای ساختمان های تا ۱۰ طبقه مناسب لست). علاوه براین، اجرای اتصالات قاب خمشی نسبت به سایر قاب ها مشکل تر و هزینه بر تر است.
سیستم دوگانه یا ترکیبی
یکی از روش های متعارف جهت تامین پایداری سازه در مقابل بارهای جانبی ساختمانهای بلندتر از ۱۵ طبقه، استفاده از سیستم‌های دوگانه است. سیستمی که شامل قاب خمشی به همراه دیواربرشی یا مهاربندی باشد.
در سیستم دوگانه بارهای ثقلی عمدتا توسط تیرها و ستون ها (قاب های ساختمانی) تحمل شده و بارهای جانبی توسط مجموعه ای از دیوارهای برشی یا قاب های مهاربندی شده به همراه مجموعه ای از قاب های خمشی تحمل میشوند. سهم برش گیری هریک از دو مجموعه با توجه به سختی جانبی و اندرکنش آن دو، در تمام طبقات تعیین میشود و از انجاییکه سختی مجموعه ی اول (دیوارهای برشی یا قاب های مهاربندی شده) غالبا بیشتر از سختی مجموعه ی دوم (قاب خمشی) است، مجموعه اول عمده ی سختی و جذب نیروی جانبی را در یک سیستم دوگانه برعهده میگیرد.
با توجه به شروط لازم برای سیستم دوگانه، اگر سیستم حالات زیر را داشت دوگانه بحساب می آید:
۱- اگر قاب های خمشی بتنهایی قادر به تحمل ۲۵ درصد بار جانبی در تراز پایه باشد و یا دیوارهای برشی یا قاب های مهاربندی شده، بیش از ۷۵ درصد از بار جانبی را تحمل نکنند در غیر اینصورت سیستم قاب ساده با دیوار برشی یا مهاربندی است.
۲- دیوارهای برشی یا قاب های مهاربندی شده بتنهایی قادر به تحمل ۵۰ درصد بار جانبی در تراز پایه باشند، در غیر اینصورت سیستم قاب خمشی به حساب می آید.
اندرکنش در سیستم دوگانه
قاب خمشی در مقابل نیروی جانبی، تغییر شکل برشی میدهد، از طرف مقابل تغییرشکل دیوار برشی یا مهاربند مثل یک تیر طره بلند است و اساسا در مود خمشی تغییرشکل میدهند. بنابراین یک سیستم ترکیبی از قاب خمشی و دیوار برشی یا مهاربند تغییر شکلی بین این دو رفتار را دارد.
به شکل پایین دقت کنید، اثر متقابل این دو تغییر شکل (تغییرشکل برشی و تغییرشکل خمشی) باعث میشود که در طبقات پایین، قاب به دیوار برشی تکیه کند، یعنی در طبقات پایین اکثر نیروی برشی طبقات توسط دیوار برشی تحمل میشود و در طبقات بالا، دیوار برشی به قاب تکیه میکند، یعنی نیروی برشی طبقات بالا توسط قاب خمشی تحمل میشود. به زبان ساده تر میشود گفت، قاب خمشی تغییرمکان سازه را در طبقات بالایی کنترل میکند و دیوار برشی یا مهاربند، تغییرمکان سازه را در طبقات پایینی کنترل میکند. بنابراین اگر قاب خمشی مشکلی در دریفت نداشته باشد بهتر است که این دیواربرشی تا طبقات بالایی ادامه پیدا نکند.
در خصوص انواع سیستم های سازه ای غیر از مسائل طراحی بحث امکانات کشور درتولید کارخانه ای و انبوه بعضی از المانهای مهم سازه ای مانند همین مهار بند کمانش تاب که فرمودید دردست چندشرکت خاصه…جا برای کار بین علاقمندان و دانشجویان وجود دارد ویا تولیدبتن هایی با مقاومت فشاری بالاتر برای تولید تیر و ستون با سطح مقطع کوچکتر…هر کدام از اینها میتواند کیسی برای بحث و گفتگو و تحقیق باشد…تا انواع سیستم های سازه ای توسعه داده شوند….بسیار عالی بود.
بله در مقاله هم ذکر کردیم درسته حتما میشود با تکیه بر دانش مهندسین ایرانی این سیستم های کاربردی را از انحصار شرکت های خارجی خارج کرد. ممنون از نظرتون
مقاله ی بسیار عالی و پر محتوایی بود.اگر امکانش هست در خصوص موارد اجرایی سیستم دیوار برشی فولادی مطلب بگذارید. ممنون
سلام مهندس جان، از اینکه دیدگاه خودتون رو در خصوص این مقاله اعلام کردید ازتون ممنونیم.
مقاله ای در خصوص موارد اجرایی سیستم دیوار برشی فولادی به زودی در سایت قرار گرفته می شود.