طراحی ساختمان فولادی، سیستم های مقاوم بار برجانبی

  معرفی سیستم های مقاوم در برابر بار های جانبی 

دراکثر سازه ها به کارگیری سیستم سازه ای و اینکه از چه نوع سیستم سازه ای جهت مقابله با بارهای جانبی استفاده شود متاثر از نیاز هاییست که در پلان معماری می باشد بدین معنا که جهت برآورده کردن نیاز های معماری به لحاظ دسترسی ها ، بازشو ها ، سطوح بدون مانع (ستون یا دیوار برشی یا بادبند ) ، می بایست از سیستمی استفاده کرد که نیاز های نامبرده شده  را برآورده سازد. به عنوان مثال در در مدل مورد مطالعه معرفی شده در مطلب پیوست به دلیل تامین پارکینگ می بایست از سیستمی استفاده کرد مابین ستون ها فضایی برای عبورخودرو  را فراهم آورد  به همین دلیل سیستم مناسب  جهت عرضی ساختمان ( x ) سیستم قاب خمشی می باشد . و چون در جهت طولی ساختمان نیاز به بازشو نداریم ( به این دلیل که  دیوار های پیرامونی فضای میان قاب ها را پر می کند)  سیستم قاب ساده یا قاب مهاربندی شده گزینه مناسبی است.

نمایش ستون گذاری و جهت های سیستم های باربر:

پلان نمایش داده شده در شکل1 پلان ساختمانی با اسکلت فولادی می باشد.

می خواهیم بررسی کنیم که چگونه می توان از روی پلان معماری متوجه شد اسکلت ساختمان مورد نظر از ماده بتن تشکیل شده است یا ماده فولاد.

در یک پاسخ به زبان ساده پلان معماری ساختمان های بتنی دارای ابعاد ستون های بزرگتر و و حجیم تر از ستون های فولادی می باشند به عنوان مثال در شکل زیر ستون گذاری یک ساختمان  با اسکلت بتنی و یک ساختمان  با اسکلت فولادی در کنار یکدیگر نمایش داده شده اند. 

(شکل1)

شایان ذکر است که شکل بالا به صورت اغراق آمیز صرفا جهت نمایش بوده زیرا که با توجه به ابعاد ستون های بتنی قدری ضوابط معماری نظیر ابعاد مفید پاگرد ها و .. تحت تاثیر قرار خواهد گرفت .

در پلان مشخص شده در مطلب پیوست با توجه به دلایل مطرح شده در قسمت فوق می بایست در جهت عرضی ساختمان از سیستم قاب خمشی و در جهت طولی ساختمان از سیستم قاب ساده با مهاربندی استفاده کنیم .

راستاهای اصلی ساختمان 

 راستا و جهات اصلی که نیروهای زلزله نیز به طور عمده در آن راستاها به سازه اعمال می شود چه راستایی هستند.

در دستگاه محورهای مختصات دوبعدی یا دکارتی  در صفحه از محورهای X و Y  ;که بر یکدیگر متعامدند تشکیل شده است. از همین رو این دستگاه را دستگاه محورهای متعامد نیز می‌گویند. به پیرو این دستگاه مختصات در سازه نیز دو جهت اصلی همانند شکل زیر تعریف می شود:

(شکل2)

با توجه به تعیین جهات اصلی اسکلت سوالی که مطرح می شود آن است که نیرو های القایی از جنبش زمین ناشی از زلزله چگونه به سازه وارد می شود؟

 نیروی زلزله می تواند به صورت واحد و با یک زاویه به سازه وارد شود و تا کنون دانشمندان زیادی بر روی یافتن زاویه تابش رکوردهای نیرومند زلزله به سازه ها تحقیق کرده اند ولی به نتایج قابل قبولی که بتوان به سهولت نیروی زلزله را در آن جهت به سازه اعمال کرد،دست نیافته اند و بر این اساس وقتی نیروی زلزله از مرکز زلزله آزاد می شود و در یک محیط سه بعدی قرار می گیرد   می توان آن را در سه جهت مختلف در جهت های (X)   و (Y)   و (Z)  تجزیه کرده و به سازه اعمال کرد .

اکنون با توجه به معرفی جهات، می خواهیم به تشریح سیستم مقاوم در هر جهت بپردازیم :

سیستم های بار برجانبی

ابتدا می خواهیم به شما انواع سیستم های سازه ای رایج  مصوب در آیین نامه 2800 را معرفی کنیم و این سیستم ها عبارتند :

(جدول 1)

تمام سیستم های معرفی شده در جدول فوق علاوه بر بارهای ثقلی برای مقابله با نیروی ناشی از بارهای جانبی  به کار گرفته می شوند و با توجه به محدودیت های معماری و قضاوت مهندس محاسب و محدودیت های آیین نامه ای ، انتخاب و مورد استفاده قرار می گیرند . حال همانطور که در جدول 1  مشخص شده است در نظر داریم تا برای ساختمان نشان داده شده در مطلب پیوست  برای جهت عرضی از قاب خمشی متوسط و در جهت طولی از سیستم قاب ساده با مهاربندی همگرای معمولی استفاده کنیم و در ادامه به تشریح هر یک از این سیستم ها می پردازیم :

 سیستم قاب خمشی متوسط 

 ادامه شرح می دهیم  که قاب خمشی چیست و چرا به سه دسته معمولی ، متوسط و ویژه تقسیم بندی شده است:

سیستم قاب خمشی مجموعه‌ای از تیرها و ستون‌ها و اتصالات صلب است که به طور همزمان نیروهای جانبی و ثقلی را تحمل می‌کنند. در این سیستم به این دلیل که اعضا ثانویه همانند مهاربندها یا دیوارهای برشی‌ وجود ندارد که در برابر تغییر شکل‌های جانبی مقاومت کند، بنابراین سازه از شکل پذیری بالایی برخوردار است.

به عبارتی در صورت وارد شدن نیروهای جانبی، قاب سازه در برابر این نیروها تغییر شکل داده و می تواند به صورت پلاستک عمل کند و بدین ترتیب مانع از خرابی ساختمان شود.

‌در سیستم قاب خمشی‌ بارهای قائم توسط قاب‌های ساختمانی تحمل شده و مقاومـت در برابر نیروهای جانبی توسط قاب‌های خمشی تأمین می‌شود.  قاب‌های خمشی باعث ایجاد فضا‌های آزاد معماری با کمترین تداخل سازه‌ای می‌شوند. ساختمان‌های اداری که معمولاً نیاز به فضا‌های منعطف با کاربری‌های متنوع دارند از این سیستم استفاده می‌کنند. اتصال صلب تیر به ستون عمدتا عمود بوده و به گونه ای تحلیل و طراحی می شود  که بعد از تغییر شکل نیز عمود باقی بماند. 

انواع سیستم‌های قاب خمـشی

قاب خمـشی معمـولی

قاب خمـشی معمـولی بـه قـابی اطلاق می‌شود که اجزای تشکیل دهنده آن، دارای آن چنان جزئیاتی است کـه تغییرشـکل‌های فرا ارتجـاعی انـدکی را در برابر زلزله طرح از خود نشان بدهد‌.

‌قاب خمشی متوسط‌

قاب خمـشی متوسـط بـه قـابی اطلاق می‌شود که در برابـر نیروهـای جـانبی زلزلـه بتوانـد، تغییرشکل‌های فرا ارتجـاعی محدودی را تحمل کنـد. در طراحی این قاب‌ها سعی بر آن است که در یک یـا دو انتهـای تیر، در خارج از محدوده اتـصال تیـر بـه سـتون، مفـصل‌های پلاستیک تشکیل شوند.

قـاب خمـشی ویـژه

قـاب خمـشی ویـژه بـه قـابی اطـلاق می‌شود که در برابر نیروهای جانبی زلزله بتوانـد تغییرشـکل‌های فرا ارتجاعی قابل ملاحظه‌ای را تحمل کند. در طراحی ایـن قاب‌هـا سعی بر آن است کـه در یـک یـا دو انتهـای تیـر، در خـارج از محدوده اتصال تیر به ستون، مفصل‌های پلاستیک تشکیل شوند.

منبع:

دپارتمان سازه سامانه کارگشا