سیستم دوگانه؛ معرفی و آموزش کنترل ۲۵ و ۵۰ درصد سیستم های دوگانه

برای مقابله با نیروهای جانبی وارد بر سازه مثل زلزله و باد، آیین نامه های طراحی لرزه ­ای مثل استاندارد ۲۸۰۰ سیستم های متفاوتی را پیشنهاد می­ کنند. از میان این سیستم های می ­توان به سیستم های قاب خمشی، قاب مهاربندی، دیوار برشی و سیستم های دوگانه اشاره کرد. در این مقاله قصد داریم به معرفی سیستم های دوگانه بپردازیم و بررسی کنیم سیستم دوگانه چیست و چه زمانی باید در محاسبات و طراحی سازه به سمت استفاده از سیستم های دوگانه برویم.

قبل از این که به بررسی سیستم های دوگانه بپردازیم لازم است تا مروری کوتاه و مختصر بر انواع سیستم های باربر جانبی داشته باشیم و سپس به بررسی سیستم های دوگانه و معرفی مزایا و معایب این سیستم ها بپردازیم.

سیستم قاب خمشی

در سیستم های قاب خمشی که می­تواند از نوع بتنی یا فولادی باشد اتصال تیر به ستون از نوع گیردار (صلب) است به عبارت دیگر علاوه بر نیروی برشی لنگر خمشی نیز می­تواند از ستون به تیر انتقال پیدا کند. در نتیجه تیرها علاوه بر این که وظیف ه­ی تحمل بارهای ثقلی را برعهده دارند، در هنگام وارد شدن نیروی جانبی نیز به دلیل انتقال ممان خمشی از ستون به آن ها مشارکت می­کنند. در سیستم های قاب خمشی اتصالات تیر به ستون نقش بسیار مهمی در هنگام وارد شدن نیروی زلزله دارند چرا که نباید تحت نیروی جانبی زلزله و یا باد دچار تغییر شکل های غیر ارتجاعی بشود. از مزایای سیستم های قاب خمشی می­توان به دو مورد زیر اشاره کرد:

  • عدم ایجاد محدودیت در معماری سازه
  • شکل پذیری زیاد

هم چنین از جمله معایب قاب های خمشی نیز می توان به سختی جانبی کمتر در مقایسه با قاب ­های مهاربندی و دیوارهای برشی و درنتیجه تغییر مکان جانبی بیشتر نسبت به این سیستم­ ها اشاره کرد. سیستم‌های قاب خمشی بنابر تعریف آیین نامه ۲۸۰۰ ویرایش ۴ می­تواند از نوع معمولی، متوسط و یا ویژه باشد.

سیستم قاب مهاربندی

سیستم های قاب مهاربندی که در سازه های فولادی کاربرد دارند یکی دیگر از سیستم های مقاوم باربر جانبی هستند که در آن ها اتصال تیر به ستون از نوع مفصلی بوده و لنگر یا ممان خمشی از ستون به تیر انتقال پیدا نمی­ کند. در قاب های مهاربندی شده تیرها تنها وظیفه­ ی تحمل بارهای ثقلی را بر عهده دارند و در بار جانبی مشارکتی نمی­ کنند، در عوض مهاربندها یا بادبندها وظیفه تحمل بارهای جانبی را بر عهده دارند. در سازه های دارای قاب مهاربندی سختی جانبی سازه با استفاده از مهاربندها تامین می­شود. مهاربندها به شیوه های مختلفی می­ توانند در سازه قرار بگیرند که از جمله­ ی آن ها می توان به مهاربند های همگرا، واگرا و شورون اشاره کرد. از مزایای قاب های مهاربندی میتوان به مواردی هم چون سختی بیشتر و تغییر مکان جانبی کمتر نسبت به قاب های خمشی ویژه و از معایب آن می توان به ایجاد محدودیت در معماری سازه اشاره کرد. نوع جدید و نوینی از سیستم های مهارندی به نام مهاربند کمانش تاب نیز در سال های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است که در مقالات آینده به آن می‌پردازیم. طبق استاندارد ۲۸۰۰ و مبحث دهم مقررات ملی مهاربندها به دو دسته متوسط و ویژه تقسیم بندی می­ شوند.

سیستم دیوار برشی

سیستم دیوار برشی یکی دیگر از انواع سیستم های باربر در سیستم های سازه ای است. دیوارهای برشی به شکل های فولادی و بتنی موجود هستند که نوع بتنی آن به مراتب دارای کاربرد بسیاری است. این سیستم در نوع بتنی آن متشکل از یک دیوار بتنی است که در آن شبکه هایی از آرماتوربندی قائم و افقی وجود دارد. دیوار برشی بتنی دارای سختی جانبی بسیار زیادی هستند که این موضوع سبب کاهش چشم­ گیر تغییر مکان­ های جانبی سازه می­ شود. هم چنین از جمله معایب دیوارهای برشی می ­توان به وزن زیاد این سیستم ها اشاره کرد که باعث افزایش نیروی زلزله وارد بر سازه می­شود. به دلایل مختلف از جمله معماری می ­توان در دیوارهای برشی می­ توان بازشو ایجاد کرد که در آن به آن دیوار برشی کوپله (دارای بازشو) می ­گویند. . طبق استاندارد ۲۸۰۰ و مبحث نهم مقررات ملی دیوارها به دو دسته متوسط و ویژه تقسیم بندی می­ شوند.

معرفی سیستم های دوگانه یا سیستم های ترکیبی

نوع دیگری از سیستم های باربر جانبی که در سازه های بلند مرتبه به خصوص کاربرد بسیاری دارد سیستم های دوگانه هستند. در این سیستم ها از مزایای سیستم قاب خمشی در کنار قاب مهاربندی و یا دیوار برشی استفاده می­ شود. به عبارت دیگر در این سیستم ها بار ثقلی توسط قاب خمشی و بارهای جانبی توسط مجموعه ­ای از قاب و دیوار یا مهاربند تحمل می­شود. در این سیستم­ ها هریک از دو بخش قاب خمشی و عنصر دوم که می­ تواند مهاربند یا دیوار برشی باشد سهمی از بار جانبی خواهند برد. از آن جا که در سازه های بتنی اتصال تیر به ستون مفصلی بی معنی است در صورتی که در قاب بتن آرمه از دیوار برشی استفاده شود سیستم دوگانه حاصل می ­شود اما در سازه­ های فولادی برای استفاده از مزایای سیستم های دوگانه لازم است تا اتصال تیر به ستون در مرحله طراحی سازه گیردار فرض شده و در کنار قاب خمشی از انواع مهاربند یا دیوار برشی استفاده کرد.

در ساختمان های بلند مرتبه استفاده از دیوارهای برشی یا مهاربند به تنهایی مطلوب نبوده و توسط آیین نامه­ های طراحی لرزه­ ای مثل آیین نامه ۲۸۰۰ نیز غیر مجاز شمرده می­ شود از طرفی استفاده از سیستم قاب خمشی به تنهایی هم باعث سنگین شدن سازه و ارائه طرح غیر اقتصادی به دلیل سخت بودن جواب گرفتن از سازه در کنترل تغییر مکان جانبی (دریفت) خواهد شد. به عنوان مثال حداکثر ارتفاع مجاز برای ساخت سازه با سیستم جانبی دیوار برشی بتنی ویژه و یا مهاربند فولادی همگرای ویژه به ۵۰ متر محدود می­شود اما در صورتی که از سیستم دوگانه قاب خمشی بتنی ویژه در کنار دیوار برشی بتنی ویژه استفاده شود حداکثر ارتفاع به ۲۰۰ متر افزایش پیدا می­ کند.

رفتار اعضا در سیستم های دوگانه

در آیین نامه های طراحی لرزه ای دنیا همانند ASCE المان های مقاوم جانبی در سیستم های دوگانه به دو دسته مطابق زیر تقسیم بندی می­ شوند:

  • المان مقاوم اصلی که مهاربند یا دیوار برشی است
  • المان مقاوم ثانویه که قاب خمشی است.

برای بررسی علت این موضوع لازم است تا نتایج زلزله های گذشته مورد بررسی قرار بگیرد. مشاهدات زلزله­ های بزرگ در گذشته نشان داده است که در سیستم های دوگانه عنصر مقاوم اصلی (مهاربند یا دیوار) زودتر از قاب خمشی آسیب می­ بیند. این آسیب دیدگی به دلیل زیاد بودن سختی و در نتیجه جذب نیروی بالا این عناصر است. حال پس از آسیب دیدن عنصر باربر جانبی اصلی در یک زلزله شدید نباید پایداری سازه از بین برود در نتیجه قاب های خمشی به عنوان المان مقاوم ثانویه وارد عمل شده و پایداری سازه را حفظ می­ کنند.

کنترل ۲۵ و ۵۰ درصد نیروی زلزله در سیستم های دوگانه

بنابر بند (۱-۸-۴) استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش ۴ که در شکل زیر آمده است و فلسفه ای که در مورد رفتار اعضا در سیستم دوگانه قسمت قبل گفته شد در سیستم های دوگانه قاب­های خمشی باید مستقلا قادر به تحمل ۲۵ درصد نیروی زلزله به تنهایی و دیوار برشی و یا مهاربند هم قادر به تحمل ۵۰ درصد نیروی زلزله به تنهایی باشند.

لازم به ذکر است بنابر آیین نامه ۲۸۰۰ ویرایش ۴ در مواردی که قاب خمشی در کنترل ۲۵ درصد جواب ندهد سیستم باربر جانبی دیگر جز سیستم های دوگانه محسوب نشده و جزء سیستم های قاب ساختمانی در استاندارد ۲۸۰۰ محسوب می­ شوند البته با تقویت المان ها می توان از کنترل ۲۵ درصد جواب گرفت تا سیستم باربر جانبی هم چنان دوگانه محسوب شود.

همچنین اگر دیوار برشی یا مهاربند در کنترل ۵۰ درصد جواب ندهد سیستم باید قاب خمشی در نظر گرفته شود و یا دیوار یا مهاربندها را تقویت کرد تا در کنترل ۵۰ درصد سیستم دوگانه پاسخگو باشد.

کنترل ۵۰ درصد نیروی زلزله سیستم های دوگانه در ایتبس

برای انجام کنترل ۵۰ درصد در ایتبس ابتدا لازم است تا یک Save As از فایل اصلی که در آن مقاطع نهایی شده، گرفته شود تا فایل اصلی دچار تغییر نشود. پس از آن همان طور که از نام این کنترل مشخص است و مطابق شکل باید تمامی ضرایب زلزله در فایل ۵۰ درصد تقسیم بر ۲ شود.

نکته مهمی که وجود دارد این است که کنترل ۵۰ درصد و ۲۵ درصد فقط با زلزله های استاتیکی صورت می­ گیرد.

در قدم بعدی لازم است تا در قاب های دارای سیستم دوگانه اتصال تیر به ستون مفصلی شود و از سختی خمشی ستون­ ها صرف نظر شود. برای مفصل کردن اتصال تیر به ستون باید تیرهای راستای سیستم دوگانه در حالت All Story انتخاب شده و سپس از طریق منوی Assign و زیرمنوی Frame/Line گزینه Frame Releases/Partial Fixity انتخاب شده و مانند شکل زیر تنظیمات انجام شود تا اتصال تیر به ستون در نرم ­افزار مفصلی در نظر گرفته شود.

کنترل 25 درصد سیستم دوگانه در ایتبس

همچنین برای کاهش سختی خمشی ستون ­ها لازم است تا ستون­­ های موجود در قاب دوگانه انتخاب شده و و از منوی Assign و زیر منوی Frame/Line گزینه  Frame Property Modifiersانتخاب شود و تنظیمات مطابق شکل زیر تغییر داده شود.

کنترل 25 درصد سیستم دوگانه

سپس باید سازه تحلیل شود. برای تحلیل کافی است کلید F5 فشرده شود یا از طریق منوی Analyze گزینه Run Analysis زده شود.

پس از اتمام تحلیل برای طراحی دیوارها باید از ترکیب بارهای استاتیکی استفاده کرد. برای این کار در منوی Design  و زیر منوی Shear Wall Design گزینه Select Design Combo فقط ترکیبات دارای زلزله استاتیکی اضافه شود و پس از آن طراحی دیوار انجام شود. پس از انجام طراحی باید تمام دیوارها هم چنان باید جواب دهد. اگر قسمتی از دیوار جواب نداد باید تغییرات صورت گیرد تا دیوار انجام دهد و هم چنین در فایل اصلی هم تغییرات صورت گیرد. به عبارت دیگر نتایج طراحی دیوار برابر است بحرانی ترین حالت در فایل ۵۰ درصد و فایل اصلی طراحی سازه.

در ویدیوی زیر به آموزش کنترل ۵۰ درصد سیستم های دوگانه در نرم افزار ETABS 9.7.4 با تدریس مهندس امیرطه نوروزی پرداخته می شود. این ویدیو برگرفته از پکیج آموزش ایتبس ParaStructure که در آن به آموزش طراحی و محاسبات سازه برای ورود به بازار کار پرداخته می شود، می باشد.

 

 

کنترل ۲۵ درصد نیروی زلزله سیستم های دوگانه در ایتبس

برای انجام کنترل ۲۵ درصد در ایتبس ابتدا لازم است تا یک Save As از فایل اصلی که در آن مقاطع نهایی شده، گرفته شود تا فایل اصلی دچار تغییر نشود. پس از آن همان طور که از نام این کنترل مشخص است و مطابق شکل باید تمامی ضرایب زلزله در فایل ۲۵ درصد تقسیم بر ۴ شود.

کنترل 25 درصد

همان طور که قبلا گفتیم کنترل ۵۰ درصد و ۲۵ درصد فقط با زلزله های استاتیکی صورت می­ گیرد. پس از این مرحله باید اثر وجود دیوار برشی یا مهاربند در حذف شود. برای این کار لازم است تا برای دیوار برشی ضرایب ترک خوردگی بسیار کوچکی مثل ۰۱/۰ به دیوارها اختصاص داده شود. برای این کار لازم است تا همه­ ی دیوارها انتخاب شده و از منوی Assign و زیرمنوی Sell/Area گزینه Shell Stifness Modifiers  انتخاب شود و تنظیمات مطابق شکل زیر تغییر داده شود.

کنترل 50 درصد سیستم دوگانه در ایتبس

همچنین می­دانیم ستون­ های موجود در اطراف دیوار هم به صورت یک­ پارچه با دیوار باید کارکنند. در نتیجه برای کنترل ۲۵ درصد لازم است تا ستون های اطراف دیوار انتخاب شده و دو سر مفصل شوند تا در باربری لرزه ای شرکت نکنند. برای این کار باید ستون های اطراف دیوار انتخاب شده و سپس از طریق منوی Assign و زیر منوی Frame/Line گزینه Frame Releases/Partial Fixity انتخاب شده و مانند شکل زیر تنظیمات انجام شود تا اتصال دو سر ستون در نرم­ افزار مفصلی در نظر گرفته شود.

کنترل 50 درصد سیستم دوگانه

سپس باید سازه تحلیل شود. برای تحلیل کافی است کلید F5 فشرده شود یا از طریق منوی Analyze گزینه Run Analysis زده شود. پس از اتمام تحلیل برای طراحی قاب­ ها باید از ترکیب بارهای استاتیکی استفاده کرد. برای این کار در منوی Design  و زیرمنوی Concerete Frame Design گزینه Select Design Combo فقط ترکیبات دارای زلزله استاتیکی اضافه شود و پس از آن طراحی قاب انجام شود. سپس باید بررسی کنیم که تمامی تیرها و ستون ها در قاب ­ها دوگانه جواب بدهد. اگر تیر یا ستونی جواب نداد باید تغییرات صورت گیرد تا المان جواب دهد و هم چنین تغییرات در فایل اصلی نیز انجام شود. به عبارت دیگر نتایج قاب دیوار برابر است بحرانی ترین حالت در فایل ۲۵ درصد و فایل اصلی طراحی سازه.

در ویدیوی زیر به آموزش کنترل ۲۵ درصد سیستم های دوگانه در نرم افزار ETABS 9.7.4 با تدریس مهندس امیرطه نوروزی پرداخته می شود. این ویدیو برگرفته از پکیج آموزش ایتبس ParaStructure که در آن به آموزش طراحی و محاسبات سازه برای ورود به بازار کار پرداخته می شود، می باشد.

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

با پیوستن به اینستاگرام مهندس امیرطه نوروزی از هزاران دقیقه آموزش رایگان بهره مند شوید.

پیوستن به اینستاگرام

منو اصلی