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

همانطور که می دانید بار های وارد بر سازه به دو دسته بار های ثقلی و بار های جانبی تقسیم می شوند که 73 درصد 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؟

پاسخ همه ی این سوال ها و خیلی از نکات کاربردی دیگر را در این مقاله و همینطور 5 فیلم تکمیلی بیان شده است. برای درک راحت تر موضوع حداقل یک بار فیلم های آموزشی رایگانی که در این مقاله قرار داده شده را مشاهده کنید.

 

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 1-5-5 استاندارد 2800 «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 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 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.

در این قسمت به معرفی سیستم‌ های سازه ‌ای قید شده در استاندارد 2800 زلزله ایران می‌پردازیم

 

 

توجه نمایید که دیافراگم استفاده شده در سازه دارای این سیستم ها نیز مطابق استانداد 2800 جزئی از سیستم باربر جانبی خواهد بود.

 

 

سیستم دیوار های باربر اولین سیستمی است که در استاندارد 2800 به آن اشاره شده؛ در این نوع سیستم باربر جانبی دیوار ها و یا قاب ‌های مهاربندی ‌شده به طور هم‌ زمان دارای دو نقش تأمین مقاومت در برابر بار های ثقلی و بار های جانبی می‌باشند. سیستم قالب تونلی و سازه ‌های بنایی با دیوار باربر و دیوار های 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 بار های قائم و جانبی توسط سیستم سقف که عموماً دال می‌باشد، تحمل می شود.

 

 

 

اگر مفهوم این نوع سیستم سازه ای را به خوبی درک نکرده اید، نگران نباشید!! ما سعی کرده ایم در یک ویدئوی کوتاه 3 دقیقه ای که بخش کوتاهی از دوره جامع طراحی سازه های فولادی است مفهوم و تمامی نکات سیستم سازه ای دیوار های باربر را به طور دقیق بررسی کنیم  برای درک کامل این موضوع حتما یک بار ویدئو زیر را مشاهده کنید.

 

 

 

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. اما در ویدئو زیر با بیانی روان کاربرد سیستم قاب ساختمانی ساده  و جزئیات آن در آیین نامه 2800 را مورد بررسی قرار می دهیم برای درک راحت این مطالب حداقل یک بار ویدئو زیر را مشاهده کنید.

 

 

 

 

یکی از متداول‌ ترین راهکارهایی که برای انتقال بار های جانبی وارد بر سازه به فونداسیون بکار می‌رود، استفاده از بادبند در قاب می‌باشد. به‌ طور کلی مهاربندهای فولادی بر اساس محل تقاطع محور طولی بادبند با محور طولی تیر و یا ستون به دو دسته مهاربند های همگرا و مهاربند های واگرا تقسیم ‌بندی می‌شوند.

 

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 می‌افتد. 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 می‌شود که منجر به تشکیل مفصل پلاستیک و تسلیم موضعی می‌گردد. 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 می‌گردند که در اصطلاح خرابی پیش‌رونده نامیده می‌شود.
در ویدوئو آموزشی بالا درمورد انواع مهاربند ها و مقایسه آنها به طور مفصل پرداخته شده است، یک بار دیگر با دقت بیشتر این ویدئو را مشاهده کنید.

 

 

در این سیستم مقاوم اعضای قطری به همراه تیر و ستون‌ها تشکیل یک هسته خرپایی مقاوم می‌دهند.

 

 

در مباحث طراحی لرزه ‌ای اصطلاحاً گفته می‌شود اگرچه مهاربند های همگرا در تنش ‌های نه چندان بزرگ و در حوزه عملکرد خطی، سختی و مقاومت مناسبی دارد ولی تحت تنش‌ های بزرگ و در ناحیه عملکرد فوق الاستیک این بادبند ها استعداد زیادی برای کمانش و ناپایداری دارند و یا به تعبیری اعتماد پذیری لرزه‌ ای مناسبی ندارند.

 

 

یعنی اگر تعداد طبقات بالا باشد بهتر است از این سیستم استفاده نشود؛ زیرا در این شرایط به دلیل سختی بالای این مهاربند نیروی زیادی جذب خود کرده و احتمال کمانش آن بسیار بالا می‌باشد ولی با این‌ وجود، این مهاربند ها نسبت به مهاربندهای واگرا برای کنترل دریفت مؤ ثرتر 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.

ایده اصلی این مهاربند ها اولین بار توسط پوپوف ارائه گردید. اصل در استفاده از این مهاربند، تأمین شکل‌پذیری بهتر اتلاف بیشتر انرژی زلزله توسط سازه می‌باشد 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 ناحیه‌ی تیر پیوند تشکیل شود. در ضوابط طرح لرزه ‌ای سعی می‌شود تا با اعمال آن ضوابط در طراحی هدف فوق محقق گردد. اساس کار در سیستم‌های 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 بادبند های همگرا  بهتر و بیشتر اتفاق می‌ افتد و ضریب رفتار بزرگ‌ تری دارد. اگر اطلاعاتی در مورد مقایسه دو نوع مهاربند همگرا و واگرا برای شما اهمیت دارد ویدئو کوتاه آموزشی بالا که بخشی از دوره سازه های فولادی است را دانلود کنید.

 

 

 

 

مارک فینتل (مهندس مشاور معروف آمریکایی): «نمی‌توان ساختمان بتنی مقاوم در برابر زلزله‌های شدید بدون استفاده از دیوار برشی ساخت.» در این سیستم، دیوارهای برشی در قاب‌های داخلی یا پیرامونی ساختمان قرار می‌گیرند. این دیوارها شامل دو گروه آرماتور گذاری اصلی به صورت قائم و افقی برای مسلح کردن بتن می‌باشند. البته در جهت افزایش مقاومت خمشی و شکل‌ پذیری، در دو انتهای دیوار آرماتور گذاری متمرکز انجام می‌گیرد که به آن المان مرزی گفته می‌شود.  دیوارهای برشی در واقع طره‌ های قائمی هستند که با قبول تغییر شکل‌ های خمشی، تحمل برش می‌کنند.

 

 

 

 

 

دیوارهای برشی در مقایسه با سیستم قاب ‌های خمشی بسیار سخت ‌تر هستند و به دلیل همین سختی بالا نیروی بیشتری جذب می‌کنند. 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.)

 

 

همان‌ گونه که در اشکال اندرکنش قاب و دیوار مشاهده می‌کنید،در پایین سازه قاب تمایل به تغییرشکل زیادی از نوع برشی دارد که دیوار از تغییر مکان آن ممانعت می‌کند،و در قسمت فوقانی سازه دیوار تمایل به تغییر شکل خمشی  بالا دارد که در اینجا قاب مانع این تغییر شکل می‌شود و این عامل باعث بهبود رفتار قاب دیوار شده و این سیستم را بر سایر سیستم‌ های سازه‌ ای برتری می‌دهد.
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 قاب‌های خمشی مفصل پلاستیک معمولاً در انتهای تیرها تشکیل می‌شود 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 می‌باشد.
2. وجود میان قاب ها در قاب خمشی موجب افزایش ابهام در رفتار لرزه‌ای می‌شوند، زیرا نظم و توزیع مناسب سختی را در سازه دچار اختلال می‌کنند.

مزایای سیستم دیوار برشی بتنی :

1. صلبیت زیاد و کاهش اثرات ثانویه در سازه
2. حذف کمانش فشاری و کاهش لاغری ستون‌ها به دلیل تأمین مهار جانبی
3. ممانعت از انتشار خرابی به کل سازه

معایب دیوار برشی بتنی :

1. وزن زیاد و جذب نیروی جانبی بیشتر
2. نیاز به فونداسیون بزرگ‌تر و ضخیم‌تر

 

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 میلی‌متر دارند در چشمه‌ هایی از قاب بین تیر و ستون ‌های فولادی قرار گرفته و دهانه‌ ای مقاوم در برابر زلزله تشکیل می‌دهند. که به انواع مقید و غیر مقید و با بازشو و بدون بازشو تقسیم ‌بندی می‌شوند. در مقایسه با سیستم دیوار برشی بتنی، برای مقاوم‌ سازی ساختمان‌ های موجود دیوار برشی فولادی می‌تواند 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 می‌توان به سبکی و در نتیجه کاهش ابعاد اعضا اشاره نمود.

 

 

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. 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؛ توضیحات بیشتر را در ویدئوی زیر ببینید

 

 

طبق  بند 1-5-7 استاندارد 2800 «در ساختمان ‌هایی که در آن‌ها از سیستم قاب خمشی (ویژه) برای مقابله با بار جانبی زلزله استفاده می‌شود، طراحی به نحوی انجام پذیرد که تا حد امکان ستون‌ها دیرتر از تیرها  دچار خرابی شوند.» بنابراین در کنترل‌های پس از طراحی سازه‌ ها نسبت سختی تیرها به ستون‌ ها کنترل می‌شود.

در ویدئوی کوتاه زیر به صورت کامل درباره انواع قاب های خمشی، عملکرد این سیستم و کاربرد آن با توجه به مناطق لرزه خیزی ایران بحث شده است برای درک تمامی موارد ذکر شده در بالا حتما یک بار ویدئو رایگان زیر را مشاهده کنید.

 

 

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:

1. 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.
2. 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.

 

 

قاب‌های خمشی در مقایسه با سیستم مهاربندی از لحاظ مسائل معماری از سهولت و آزادی عمل زیادی برخوردار هستند. در این گونه قاب‌ها به دلیل عدم وجود اعضای قطری (بادبند‌ها) و دیوارهای برشی تقسیم‌ بندی ‌های فضا های داخلی به راحتی انجام می‌ شود.
البته بعضی از ویژگی‌ های منفی قاب ‌های فوق‌ الذکر استفاده از آن‌ ها را محدود می‌کند که عبارت‌ اند از:

1. تغییر شکل جانبی و یا تغییر شکل نسبی بین طبقات مشکلاتی را در سازه به وجود می‌ آورد. بنابراین برای حل این مشکلات جهت محدود کردن تغییرشکل سازه سختی قاب و تعداد ستون‌ ها را باید افزایش داد.
2. اتصالات صلب گیردار به‌ خصوص در قالب ‌های فولادی (سیستم قاب های فولادی سبک) 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.

 

 

 

 

این سیستم بیشتر در سازه ‌های فولادی و بتنی متشکل از قاب‌ های خمشی به همراه دیوار برشی یا مهاربند می‌باشند. 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 بار های جانبی ایجاد می‌کنند. نکات تکمیلی سیستم باربر جانبی دو گانه که در فیلم کوتاه 6 دقیقه ای بیان شده است را از دست ندهید
طبق کنترل 25-50 درصد استاندارد 2800 ( قاب‌های خمشی باید مستقلاً قادر به تحمل حداقل 25 درصد نیروهای جانبی در تراز پایه و دیوارهای برشی یا قاب‌های مهاربندی‌شده 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 قاب‌های 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 می‌شوند. 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 می‌شود.

 

 

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

 

 

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 مجموعه‌ای از قاب‌های خمشی تحمل می‌شوند. 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 آن‌ها می‌باشد و ازآنجاکه سختی مجموعه اول (دیوارهای برشی یا قاب‌های مهاربندی‌شده) غالباً بیشتر از سختی مجموعه دوم ( قاب‌های خمشی) است، مجموعه اول عمده سختی و جذب نیروی جانبی را در یک سیستم دوگانه بر عهده می‌گیرد.

 

• سیستم ستون کنسولی:

نوعی سیستم باربر سازه  است که در آن نیروهای جانبی توسط ستون به صورت کنسولی تحمل می‌شوند. سازه‌ های کنسولی با استفاده از این ایده طراحی می‌شوند و در آن‌ها ستون‌ها عملکردی مشابه یک ستون طره دارند و به عنوان تنها عنصر باربر بارهای جانبی ناشی از زلزله و باد را تحمل می‌کنند. به‌عبارت ‌دیگر در این سیستم‌ ها نیروهای جانبی ناشی از زلزله مستقیماً از سقف به ستون منتقل می‌شوند. 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 می‌باشد و دارای ویژگی‌هایی نظیر شکل‌ پذیر کم و سختی زیاد است. سازه‌ های پارکینگ و سایبان ماشین‌ها از مصادیق این سیستم هستند.

 

 

 

اگر بازهم با مفهوم سیستم کنسولی مشکل دارید حتما یک بار ویدئو زیر را مشاهده کنید در این ویدئو رایگان با بیانی روان این نوع سیستم های سازه ای را معرفی میکنیم و نکاتی مهم و کاربردی را بیان خواهیم کرد.

 

 

• سایر سیستم ‌های سازه ‌ای خاص

برای سازه ‌های بسیار بلند نظیر برج‌ها، از سیستم‌ های سازه‌ ای خاصی کمربند خرپایی، سیستم لوله‌ای و … استفاده می ‌شود که در استاندارد 2800 به آن‌ ها اشاره نشده است . با توجه به کاربرد محدود و خاص این سیستم‌ها، تصاویر زیر صرفاً برای آشنایی با اسامی و تعداد طبقاتی که هر یک از سیستم ‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند، آورده شده است.

 

 

 

منابع

• استاندارد ۲۸۰۰ زلزله ایران ویرایش چهارم
• سازه‌های بلندمرتبه پرفسور اسمیت
• دیوارهای برشی دکتر علی خیرالدین
• سازه‌های فولادی دکتر میرقادری. ازهری

 

 

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

• ارسال سوال برای تولید محتوا