چهار عامل موثر در میزان خسارت وارده به یک ساختمان را بنویسید

در دنیای مهندسی سازه مقابله با نیروهای جانبی یکی از چالش برانگیزترین مباحث محسوب می شود. این نیروها که عمدتاً ناشی از زلزله و باد هستند می توانند خسارات جبران ناپذیری به ساختمان ها وارد کنند. همانطور که می دانید بارهای وارد بر سازه به دو دسته بارهای ثقلی (قائم) و بارهای جانبی تقسیم می شوند. انتقال مناسب بارهای جانبی به شالوده نیازمند انتخاب و طراحی صحیح سیستم باربر جانبی است. بسیاری از مهندسین در این زمینه با چالش روبرو هستند. 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؟

پاسخ همه این سوال ها و خیلی از نکات کاربردی دیگر را در این مقاله جامع بررسی خواهیم کرد. برای درک بهتر موضوع تصاویر و توضیحات تکمیلی ارائه شده است.

سیستم باربر جانبی بخشی از یک سازه است که وظیفه دارد در برابر بارهای جانبی مقاومت کرده و آن ها را از مسیری ایمن به سمت شالوده هدایت کند. نیروهای جانبی می توانند شامل باد یا زلزله و یا سایر نیروها باشند. طراحی و اجرای صحیح این سیستم ها کلید ایمنی و پایداری سازه در برابر حوادث طبیعی است.

طبق بند 1-5-5 استاندارد 2800 «عناصر مقاوم در برابر زلزله باید به صورتی در نظر گرفته شوند که پیچش ناشی از این نیروهای 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 5 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 می کند. عدم تقارن در توزیع سختی یا جرم می تواند منجر به پیچش در سازه شود که یکی از عوامل اصلی آسیب در زلزله است.

از دیدگاه یک مهندس سازه بهترین سیستم سازه ای سیستمی است که در آن اعضای اصلی سازه ترکیب های مختلف بارهای قائم و افقی را به صورت بهینه تحمل نمایند. این بهینگی هم شامل مقاومت کافی و هم شامل اقتصادی بودن طرح می گردد.

انواع سیستم های سازه ای مقاوم در برابر بارهای جانبی

در این قسمت به معرفی سیستم های سازه ای ذکر شده در استاندارد 2800 زلزله ایران می پردازیم. شناخت دقیق عملکرد هر یک از این سیستم ها برای انتخاب صحیح در طراحی ضروری است.

توجه نمایید که دیافراگم استفاده شده در سازه با این سیستم ها نیز مطابق استاندارد 2800 جزئی از سیستم باربر جانبی خواهد بود. دیافراگم ها (مانند سقف ها یا کف ها) وظیفه جمع آوری بارهای جانبی در تراز خود و توزیع آن ها بین المان های باربر جانبی قائم (دیوارها یا قاب ها) را دارند.

سیستم دیوار باربر

سیستم دیوارهای باربر اولین سیستمی است که در استاندارد 2800 به آن اشاره شده است. در این نوع سیستم باربر جانبی دیوارها و یا قاب های مهاربندی شده به طور هم زمان دارای دو نقش تأمین مقاومت در برابر بارهای ثقلی و بارهای جانبی می باشند. سیستم قالب تونلی و سازه های بنایی با دیوار باربر و دیوارهای متشکل از قاب های سبک فولادی سرد نورد با تسمه فولادی و یا صفحات پوششی فولادی مهار شده اند جزء این سیستم اند. در این سیستم معمولاً تیر وجود ندارد و خمش ناشی از بارهای قائم و جانبی توسط سیستم سقف که عموماً دال می باشد تحمل می شود. این سیستم به دلیل سادگی و سرعت اجرا در برخی موارد کاربرد دارد اما محدودیت هایی در دهانه ها و ارتفاع سازه دارد.

سیستم قاب ساختمانی ساده

در این سیستم اتصال تیر به ستون مفصلی است و سختی خمشی تیر در جذب نیروهای جانبی زلزله مشارکت ندارد. این سیستم بارهای قائم را به کمک تیر و ستون تحمل می کند و به تنهایی توانایی جذب و تحمل بارهای جانبی را نداشته و در اثر اعمال بارهای 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 به تنهایی برای تحمل بارهای جانبی در مناطق لرزه خیز مناسب نیست.

سیستم قاب مهاربندی شده

یکی از متداول ترین راهکارهایی که برای انتقال بارهای جانبی وارد بر سازه به فونداسیون بکار می رود استفاده از بادبند در قاب می باشد. بادبندها اعضای قطری هستند که با تشکیل خرپا سختی جانبی قاب را به شدت افزایش می دهند. به طور کلی مهاربندهای فولادی بر اساس محل تقاطع محور طولی بادبند با محور طولی تیر و یا ستون به دو دسته مهاربندهای همگرا و مهاربندهای واگرا تقسیم بندی می شوند.

عملکرد سیستم مهاربندی همگرا (Concentrically Braced Frames – CBF)

در یک مهاربند ضربدری با تحریک سازه سازه دچار تغییر مکان جانبی شده و به تبع آن یکی از المان های قطری به فشار و دیگری به کشش می افتد. در طول جریان زلزله با افزایش نیروی رفت و برگشتی زلزله عضو فشاری دچار کمانش شده و به واسطه این کمانش و تغییرشکل ایجاد شده در عضو لنگری ایجاد خواهد شد که از تلفیق این لنگر با نیروی محوری سطح تنش بزرگی در المان ایجاد می شود که منجر به تشکیل مفصل پلاستیک و تسلیم موضعی می گردد. در سیکل های بعدی زلزله فرآیند فوق برای هردو المان ایجاد شده و منجر به کاهش شدید سختی و مقاومت در کلیه اعضا نظیر تیر و ستون ها و بادبندها می گردند که در اصطلاح خرابی پیش رونده نامیده می شود. این سیستم سختی اولیه بالایی دارد اما شکل پذیری آن محدود است.

در این سیستم مقاوم اعضای قطری به همراه تیر و ستون ها تشکیل یک هسته خرپایی مقاوم می دهند. این عملکرد خرپایی باعث انتقال مستقیم نیروهای محوری در اعضای مهاربند می شود.

در مباحث طراحی لرزه ای اصطلاحاً گفته می شود اگرچه مهاربندهای همگرا در تنش های نه چندان بزرگ و در حوزه عملکرد خطی سختی و مقاومت مناسبی دارند ولی تحت تنش های بزرگ و در ناحیه عملکرد فوق الاستیک این بادبندها استعداد زیادی برای کمانش و ناپایداری دارند و یا به تعبیری اعتماد پذیری لرزه ای مناسبی ندارند. این موضوع به خصوص در ساختمان های بلند که تغییرمکان های جانبی بزرگ تر است اهمیت پیدا می کند.

یعنی اگر تعداد طبقات بالا باشد بهتر است از این سیستم به تنهایی استفاده نشود؛ زیرا در این شرایط به دلیل سختی بالای این مهاربند نیروی زیادی جذب خود کرده و احتمال کمانش آن بسیار بالا می باشد. ولی با این وجود این مهاربندها نسبت به مهاربندهای واگرا برای کنترل دریفت مؤثرتر می باشند که علت آن استفاده حداکثری از ظرفیت محوری مهاربند است در حالی که در مهاربند واگرا به علت وجود ناحیه تیر پیوند شکل پذیری و تغییر مکان بیشتر بوده و ضریب رفتار بیشتر و در نتیجه نیروی زلزله کمتری خواهیم داشت. انتخاب بین این دو نوع مهاربند به ارتفاع ساختمان سطح خطر لرزه ای و الزامات معماری بستگی دارد.

عملکرد سیستم مهاربندی واگرا (Eccentrically Braced Frames – EBF)

ایده اصلی این مهاربندها اولین بار توسط پوپوف ارائه گردید. اصل در استفاده از این مهاربند تأمین شکل پذیری بهتر و اتلاف بیشتر انرژی زلزله توسط سازه می باشد و نه الزامات معماری و غیره. در سیستم های واگرا هدف آن است که از تشکیل مفصل پلاستیک روی ستون ها و خود مهاربندها جلوگیری شده و مفصل پلاستیک در روی تیر و در ناحیه ی تیر پیوند تشکیل شود. در ضوابط طرح لرزه ای سعی می شود تا با اعمال آن ضوابط در طراحی هدف فوق محقق گردد. اساس کار در سیستم های برون محور تشکیل مفصل پلاستیک در ناحیه تیر پیوند است. تغییرشکل تیر پیوند عامل اصلی اتلاف انرژی است. به طور کلی با توجه به حضور المان های رابط (تیر پیوند) بحث اتلاف انرژی به نسبت بادبندهای همگرا بهتر و بیشتر اتفاق می افتد و ضریب رفتار بزرگ تری دارد. این شکل پذیری بالا باعث می شود سیستم انرژی زلزله را جذب و مستهلک کند و از خسارات جدی به اعضای اصلی سازه جلوگیری نماید.

سیستم دیوار برشی بتن آرمه

مارک فینتل (مهندس مشاور معروف آمریکایی) می گوید: «نمی توان ساختمان بتنی مقاوم در برابر زلزله های شدید بدون استفاده از دیوار برشی ساخت.» در این سیستم دیوارهای برشی در قاب های داخلی یا پیرامونی ساختمان قرار می گیرند. این دیوارها شامل دو گروه آرماتورگذاری اصلی به صورت قائم و افقی برای مسلح کردن بتن می باشند. البته در جهت افزایش مقاومت خمشی و شکل پذیری در دو انتهای دیوار آرماتورگذاری متمرکز انجام می گیرد که به آن المان مرزی گفته می شود. دیوارهای برشی در واقع طره های قائمی هستند که با قبول تغییر شکل های خمشی تحمل برش می کنند. این سیستم به دلیل سختی بالا در کنترل تغییرمکان های جانبی بسیار مؤثر است.

دیوارهای برشی در مقایسه با سیستم قاب های خمشی بسیار سخت تر هستند و به دلیل همین سختی بالا نیروی بیشتری جذب می کنند. در مقابل تغییر مکان جانبی ساختمان های با دیوار برشی به مراتب کمتر از قاب های صلب خواهد بود (به ویژه در ارتفاع های کوتاه و متوسط). این ویژگی باعث کاهش خسارات به عناصر غیرسازه ای در هنگام زلزله می شود.

همان گونه که در اشکال اندرکنش قاب و دیوار مشاهده می کنید در پایین سازه قاب تمایل به تغییرشکل زیادی از نوع برشی دارد که دیوار از تغییر مکان آن ممانعت می کند و در قسمت فوقانی سازه دیوار تمایل به تغییر شکل خمشی بالا دارد که در اینجا قاب مانع این تغییر شکل می شود و این عامل باعث بهبود رفتار قاب و دیوار شده و این سیستم را بر سایر سیستم های سازه ای برتری می دهد. در کل رفتار لرزه ای سازه های دارای دیوار برشی از قاب های خمشی اطمینان بخش تر است و علت آن دو نکته است:

1. در قاب های خمشی مفصل پلاستیک معمولاً در انتهای تیرها تشکیل می شود ولی در سازه هایی که دیوار برشی دارند به علت اینکه تیر و ستون ها کاملاً مهار جانبی شده اند محل تشکیل مفصل پلاستیک در پای دیوار می باشد. این موضوع باعث می شود انرژی در پای دیوار مستهلک شده و از آسیب گسترده در طبقات جلوگیری شود.
2. وجود میان قاب ها (مانند دیوارهای آجری یا بلوکی) در قاب خمشی موجب افزایش ابهام در رفتار لرزه ای می شوند زیرا نظم و توزیع مناسب سختی را در سازه دچار اختلال می کنند و ممکن است باعث آسیب های ناگهانی و غیرقابل پیش بینی شوند. دیوارهای برشی این مشکل را ندارند.

مزایای سیستم دیوار برشی بتنی:

1. صلبیت زیاد و کاهش اثرات ثانویه (مانند اثر P-Delta) در سازه.
2. حذف کمانش فشاری و کاهش لاغری ستون ها به دلیل تأمین مهار جانبی توسط دیوار.
3. ممانعت از انتشار خرابی به کل سازه و ایجاد مسیر مشخص برای انتقال بار.
4. مقاومت بالا در برابر آتش سوزی.

معایب دیوار برشی بتنی:

1. وزن زیاد و در نتیجه جذب نیروی جانبی بیشتر در مناطق لرزه خیز.
2. نیاز به فونداسیون بزرگ تر و ضخیم تر برای تحمل بارهای بزرگ تر.
3. محدودیت های معماری به دلیل عدم امکان ایجاد بازشوهای بزرگ در دیوارها.
4. زمان بر بودن اجرا نسبت به برخی سیستم های دیگر.

سیستم دیوار برشی فولادی (Steel Plate Shear Wall – SPSW)

در چند دهه اخیر ایده استفاده از دیوارهای برشی فولادی در بسیاری از کشورهای پیشرفته مورد توجه قرار گرفته است. در این سیستم سازه ای ورق های فولادی که معمولاً ضخامتی بین 3 تا 12 میلی متر دارند در چشمه هایی از قاب بین تیر و ستون های فولادی قرار گرفته و دهانه ای مقاوم در برابر زلزله تشکیل می دهند که به انواع مقید و غیر مقید و با بازشو و بدون بازشو تقسیم بندی می شوند. این ورق ها مانند مهاربندهای کششی عمل کرده و با تشکیل میدان تنش کششی قطری بارهای جانبی را تحمل می کنند. در مقایسه با سیستم دیوار برشی بتنی برای مقاوم سازی ساختمان های موجود دیوار برشی فولادی می تواند راحت تر و سریع تر نصب شود. از معایب دیوار برشی فولادی می توان به کمانش موضعی ورق فولادی و کاهش مقاومت در برابر حرارت اشاره کرد. از مزایای دیوار برشی فولادی می توان به سبکی و در نتیجه کاهش ابعاد اعضا و فونداسیون سرعت اجرا و شکل پذیری مناسب اشاره نمود.

سیستم قاب خمشی (Moment Resisting Frame – MRF)

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 می شود. 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 قاب های 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 طرح های معماری متنوع در اختیار طراح قرار می دهد. این نوع سیستم سازه ای با توجه به داشتن جزئیات اجرایی بیشتر نسبت به سایر سیستم های اجرایی دارای هزینه ساخت بالاتری است.

ویژگی اصلی سیستم قاب خمشی اتصال صلب تیر به ستون می باشد که در نتیجه عملکرد این اتصالات نیروهای جانبی ناشی از زلزله به صورت رفتار خمشی-برشی در ستون ها و تیرها تحمل می شوند. در این سیستم می بایست اثرات P-Delta در نظر گرفته شوند. در این سیستم ضریب رفتار بالا بوده و محدودیت حداکثر ارتفاع نیز کمتر است. این سیستم به دلیل شکل پذیری بالا در برابر زلزله های شدید رفتار مناسبی از خود نشان می دهد.

طبق بند 1-5-7 استاندارد 2800 «در ساختمان هایی که در آن ها از سیستم قاب خمشی (ویژه) برای مقابله با بار جانبی زلزله استفاده می شود طراحی به نحوی انجام پذیرد که تا حد امکان ستون ها دیرتر از تیرها دچار خرابی شوند.» بنابراین در کنترل های پس از طراحی سازه ها نسبت سختی تیرها به ستون ها کنترل می شود که به آن اصل ستون قوی – تیر ضعیف (Strong Column – Weak Beam) گفته می شود. این اصل تضمین می کند که تسلیم پلاستیک ابتدا در تیرها رخ دهد و از تشکیل مکانیزم های خرابی ناپایدار در ستون ها جلوگیری شود.

از لحاظ سازه ای قاب های خمشی به عنوان سیستم مقاوم جانبی دارای شکل پذیری مناسبی می باشند. تغییرشکل قاب خمشی باعث جذب انرژی در قاب شده و در نتیجه مقاومت در برابر نیروهای برشی افزایش می یابد. 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 می یابد. تغییر شکل جانبی قاب های خمشی بر اثر دو عامل به وجود می آید:

1. تغییر شکل جانبی ناشی از خمش طره ای: این پدیده که به نام رانش وتری نیز خوانده می شود بر اثر کوتاه و بلند شدن طول ستون ها و تغییر شکل محوری ستون ها ایجاد می شود. این حالت تغییر شکل حدود 20 درصد از تغییر شکل جانبی کل سازه را تشکیل می دهد.
2. تغییر شکل ناشی از خمش تیرها و ستون ها: در این پدیده که مرسوم به لنگر برشی نیز می باشد نیروهای برشی افقی و قائم به ترتیب بر ستون ها و تیرها وارد شده و در این اعضاء لنگرهای خمشی ایجاد می کنند. نهایتاً در اثر تغییرشکل های خمشی تیرها و ستون ها تمام قاب تغییر شکل می دهد. این حالت تغییر شکل حدود 80 درصد از تغییر شکل های جانبی سازه (کل سازه) را تشکیل می دهد که از این مقدار حدود 65 درصد ناشی از خمش تیرها و 15درصد ناشی از خمش ستون ها است.

قاب های خمشی در مقایسه با سیستم مهاربندی از لحاظ مسائل معماری از سهولت و آزادی عمل زیادی برخوردار هستند. در این گونه قاب ها به دلیل عدم وجود اعضای قطری (بادبندها) و دیوارهای برشی تقسیم بندی فضا های داخلی به راحتی انجام می شود و انعطاف پذیری بیشتری در طراحی پلان وجود دارد.

البته بعضی از ویژگی های منفی قاب های فوق الذکر استفاده از آن ها را محدود می کند که عبارت اند از:

1. تغییر شکل جانبی و یا تغییر شکل نسبی بین طبقات (دریفت) مشکلاتی را در سازه به وجود می آورد و ممکن است باعث آسیب به عناصر غیرسازه ای و حتی اعضای سازه ای در تغییرمکان های بزرگ شود. بنابراین برای حل این مشکلات جهت محدود کردن تغییرشکل سازه سختی قاب و تعداد ستون ها را باید افزایش داد یا از سیستم های ترکیبی استفاده کرد.
2. اتصالات صلب گیردار به خصوص در قاب های فولادی باید به طور دقیق اجرا و طراحی شوند. در ساختمان های فولادی طرح اتصالات گیردار به طور معمول پر هزینه تر و مشکل تر از اتصالات مفصلی است و نیازمند نظارت دقیق در اجرا می باشد.

سیستم باربر جانبی دوگانه یا ترکیبی (Dual System)

این سیستم بیشتر در سازه های فولادی و بتنی متشکل از قاب های خمشی به همراه دیوار برشی یا مهاربند می باشند. در این نوع از سیستم سازه ای بارهای ثقلی عموماً توسط قاب های ساختمانی تحمل شده و دیوار برشی یا قاب های مهاربندی شده عمده ی سختی و مقاومت جانبی سازه را در برابر بارهای جانبی ایجاد می کنند. ترکیب این دو سیستم مزایای هر دو را با هم فراهم می آورد؛ یعنی هم سختی مناسب برای کنترل دریفت (از دیوار برشی/مهاربند) و هم شکل پذیری بالا برای اتلاف انرژی (از قاب خمشی).

طبق کنترل 25-50 درصد استاندارد 2800 (قاب های خمشی باید مستقلاً قادر به تحمل حداقل 25 درصد نیروهای جانبی در تراز پایه و دیوارهای برشی یا قاب های مهاربندی شده باید مستقلاً قادر به تحمل حداقل 50 درصد نیروهای جانبی در تراز پایه باشند) و با توجه به تبصره 2 بند پ 1-8-4 استاندارد 2800 ویرایش چهارم اگر قاب های خمشی نتوانند مستقلاً 25 درصد نیروی جانبی را تحمل کنند سیستم سازه از نوع دوگانه محسوب نشده و به عنوان قاب ساختمانی ساده با مهاربند (یا دیوار برشی) در نظر گرفته می شوند. در حالت دیگری که مهاربندها یا دیوارهای برشی نتوانند مستقلاً 50 درصد نیروهای جانبی را تحمل کنند سیستم سازه از نوع دوگانه محسوب نشده و به عنوان سیستم قاب خمشی در نظر گرفته می شود. این کنترل ها برای اطمینان از مشارکت مناسب هر دو سیستم در باربری جانبی است.

تبصره: در ساختمان های کوتاه تر از 8 طبقه یا با ارتفاع کمتر از 30 متر به جای توزیع بار به نسبت سختی عناصر باربر جانبی می توان دیوارهای برشی یا قاب های مهاربندی شده را برای 100 درصد بارجانبی و مجموع قاب های خمشی را برای 30 درصد بار جانبی طراحی کرد. این تبصره امکان ساده سازی در طراحی ساختمان های با ارتفاع کم را فراهم می کند.

طبق استاندارد 2800 ویرایش چهارم:

در سیستم های دوگانه بارهای جانبی توسط عملکرد هم زمان مجموعه ای از دیوارهای برشی یا قاب های مهاربندی شده به همراه مجموعه ای از قاب های خمشی تحمل می شوند. به بیان بهتر باید گفت که سهم هر یک از این دو مجموعه از کل نیروی برشی وارد بر یک طبقه از سازه متناسب با سختی جانبی هر کدام از آن ها می باشد و ازآنجاکه سختی مجموعه اول (دیوارهای برشی یا قاب های مهاربندی شده) غالباً بیشتر از سختی مجموعه دوم (قاب های خمشی) است مجموعه اول عمده سختی و جذب نیروی جانبی را در یک سیستم دوگانه بر عهده می گیرد. این توزیع بار بر اساس سختی رفتار کلی سازه را بهبود بخشیده و باعث افزایش مقاومت و شکل پذیری همزمان می شود.

سیستم ستون کنسولی

نوعی سیستم باربر سازه است که در آن نیروهای جانبی توسط ستون به صورت کنسولی تحمل می شوند. سازه های کنسولی با استفاده از این ایده طراحی می شوند و در آن ها ستون ها عملکردی مشابه یک ستون طره دارند و به عنوان تنها عنصر باربر بارهای جانبی ناشی از زلزله و باد را تحمل می کنند. به عبارت دیگر در این سیستم ها نیروهای جانبی ناشی از زلزله مستقیماً از سقف به ستون منتقل می شوند. در واقع این سازه ها یک ستون یکسر گیردار هستند و عملکرد خمشی دارند. حداکثر ارتفاع مجاز این سیستم سازه که بیش از 10 متر می باشد و دارای ویژگی هایی نظیر شکل پذیر کم و سختی زیاد است. سازه های پارکینگ و سایبان ماشین ها از مصادیق این سیستم هستند. این سیستم در مقایسه با سایر سیستم ها شکل پذیری بسیار پایینی دارد و تنها در سازه های با اهمیت کم و ارتفاع محدود مجاز است.

سایر سیستم های سازه ای خاص

برای سازه های بسیار بلند نظیر برج ها از سیستم های سازه ای خاصی مانند سیستم لوله ای (Tube System) سیستم هسته ای (Core System) سیستم کمربند خرپایی (Outrigger and Belt Truss System) و … استفاده می شود که در استاندارد 2800 به طور تفصیلی به آن ها اشاره نشده است. این سیستم ها با افزایش سختی و مقاومت در برابر بارهای جانبی امکان ساخت سازه ها در ارتفاعات بسیار بالا را فراهم می کنند. با توجه به کاربرد محدود و خاص این سیستم ها تصاویر زیر صرفاً برای آشنایی با اسامی و تعداد طبقاتی که هر یک از سیستم ها مورد استفاده قرار می گیرند آورده شده است.

عوامل موثر در میزان خسارت وارده به ساختمان در زلزله

میزان خسارتی که یک ساختمان در اثر بارهای جانبی مانند زلزله متحمل می شود تنها به شدت زلزله بستگی ندارد بلکه تحت تأثیر عوامل متعددی است. شناخت این عوامل می تواند در انتخاب سیستم باربر جانبی مناسب و طراحی مقاوم تر سازه کمک کننده باشد. بر اساس تحقیقات و تجربیات حاصل از زلزله های گذشته می توان به چهار عامل موثر در میزان خسارت وارده به یک ساختمان اشاره کرد:

1. نوع سیستم باربر جانبی: همانطور که در این مقاله بررسی شد انتخاب سیستم سازه ای مناسب (مانند قاب خمشی شکل پذیر دیوار برشی یا سیستم دوگانه) که توانایی جذب و اتلاف انرژی زلزله را داشته باشد مهم ترین عامل در کاهش خسارت است. سیستم هایی با شکل پذیری و سختی مناسب می توانند تغییرمکان ها را کنترل کرده و از فروپاشی سازه جلوگیری کنند.
2. کیفیت مصالح و اجرای سازه: استفاده از مصالح با کیفیت پایین عدم رعایت استانداردها در اختلاط بتن جوشکاری نامناسب اتصالات فولادی و ضعف در نظارت بر اجرا از عوامل اصلی افزایش آسیب پذیری ساختمان در برابر زلزله هستند. حتی بهترین سیستم طراحی شده نیز با اجرای ضعیف نمی تواند عملکرد مناسبی داشته باشد.
3. شکل پذیری و منظم بودن هندسی سازه: ساختمان هایی که در پلان و ارتفاع دارای بی نظمی های شدید (مانند عقب نشینی های ناگهانی طبقات نرم یا توزیع نامتقارن جرم و سختی) هستند در برابر بارهای جانبی رفتار پیچیده تر و اغلب نامطلوبی از خود نشان می دهند که منجر به تمرکز تنش و خسارات موضعی شدید می شود. ساختمان های منظم نیروها را به طور یکنواخت تر توزیع می کنند.
4. شرایط خاک زیر پی: نوع خاک و لایه های زیرین ساختمان تأثیر مستقیمی بر بزرگنمایی امواج زلزله و همچنین احتمال وقوع پدیده هایی مانند روانگرایی دارد. ساختمان هایی که بر روی خاک های نرم یا مستعد روانگرایی ساخته شده اند حتی با طراحی مناسب روسازه ممکن است دچار نشست های نامتقارن و خسارات جدی شوند.
5. اهمیت و کاربری ساختمان: آیین نامه ها برای ساختمان های با اهمیت بالاتر (مانند بیمارستان ها ایستگاه های آتش نشانی نیروگاه ها و ساختمان های با جمعیت زیاد) الزامات سخت گیرانه تری در نظر می گیرند تا اطمینان حاصل شود که این سازه ها در برابر زلزله های شدید قابلیت سرویس دهی خود را حفظ کرده یا حداقل دچار فروپاشی نشوند. این موضوع به طور غیرمستقیم بر میزان خسارت قابل قبول تأثیر می گذارد.

بنابراین در کنار انتخاب سیستم باربر جانبی مناسب توجه به کیفیت اجرا منظم بودن هندسی و شرایط ژئوتکنیکی محل احداث از عوامل حیاتی برای به حداقل رساندن خسارات در زمان وقوع زلزله هستند.

سوالات متداول درباره سیستم های باربر جانبی

در این بخش به برخی از سوالات رایج در خصوص سیستم های باربر جانبی پاسخ می دهیم.

سوال: کدام سیستم باربر جانبی بهترین است؟
پاسخ: هیچ سیستم باربر جانبی به تنهایی بهترین مطلق نیست. انتخاب سیستم مناسب به عوامل متعددی از جمله ارتفاع ساختمان کاربری منطقه لرزه خیزی محدودیت های معماری نوع مصالح (فولادی یا بتنی) و بودجه پروژه بستگی دارد. برای ساختمان های کوتاه دیوارهای برشی یا قاب های مهاربندی شده ممکن است مناسب باشند در حالی که برای ساختمان های بلندتر سیستم های دوگانه یا سیستم های خاص سازه ای مورد نیاز است.

سوال: چرا در ساختمان های بلند نمی توان از سیستم قاب ساده استفاده کرد؟
پاسخ: سیستم قاب ساده (با اتصالات مفصلی) توانایی تحمل بارهای جانبی را ندارد و در برابر نیروهای باد یا زلزله ناپایدار است. در ساختمان های بلند بارهای جانبی به دلیل ارتفاع زیاد و اثرات دینامیکی ناشی از زلزله اهمیت بیشتری پیدا می کنند و نیازمند سیستم هایی با سختی و مقاومت بالا هستند که قاب ساده فاقد این ویژگی هاست.

سوال: نقش دیافراگم در باربری جانبی چیست؟
پاسخ: دیافراگم ها (مانند سقف ها و کف ها) به عنوان یک عضو افقی صلب عمل می کنند که نیروهای جانبی وارد بر نمای ساختمان را جمع آوری کرده و به المان های باربر جانبی قائم (مانند دیوارها و قاب ها) در تراز خود منتقل می کنند. عملکرد صحیح دیافراگم برای توزیع مناسب نیروها بین المان های قائم و جلوگیری از پیچش طبقات ضروری است.

سوال: اثر P-Delta چیست و چرا در قاب های خمشی مهم است؟
پاسخ: اثر P-Delta به لنگر اضافی ناشی از بارهای قائم (P) که در اثر تغییرمکان جانبی (Delta) سازه ایجاد می شود اطلاق می گردد. این اثر در سازه هایی که تغییرمکان جانبی قابل توجهی دارند (مانند قاب های خمشی که شکل پذیرتر هستند) مهم می شود و باید در تحلیل و طراحی لحاظ گردد تا از ناپایداری سازه جلوگیری شود.

سوال: تفاوت اصلی مهاربند همگرا و واگرا در چیست؟
پاسخ: تفاوت اصلی در محل تقاطع محور مهاربند با تیر و ستون است. در مهاربند همگرا محورها در یک نقطه (مفصل) تلاقی دارند و رفتار عمدتاً محوری است (کشش و فشار). در مهاربند واگرا این تلاقی در یک فاصله مشخص (تیر پیوند) رخ می دهد و رفتار تیر پیوند عمدتاً برشی یا خمشی است. مهاربندهای واگرا به دلیل تسلیم کنترل شده در تیر پیوند شکل پذیری و قابلیت اتلاف انرژی بیشتری نسبت به مهاربندهای همگرا دارند.

منابع

• استاندارد ۲۸۰۰ زلزله ایران ویرایش چهارم
• سازه های بلندمرتبه پرفسور اسمیت
• دیوارهای برشی دکتر علی خیرالدین
• سازه های فولادی دکتر میرقادری. ازهری
• مبانی طراحی لرزه ای سازه ها دکتر مصطفی علیرضایی
• مقاوم سازی سازه ها دکتر محمدحسین ازهری

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

• ارسال سوال برای تولید محتوا