تیر همبند و دیوار کوپله چیست؟ بررسی نقش و طراحی در مقاوم سازی سازه‌ها

در بسياری از ساختمان‌های بلند دو يا چند ديوار برشی با تيرهای قوی بهم متصل هستند و اين اتصال موجب عملكرد تركيبی ديوارهای برشی باهم میگردد. به آن تيرها، تير همبند گفته مي‌شود و به سيستم حاصل ديوار برشي همبسته يا كوپله گفته می‍شود.

تعریف

ابعاد متعارف برای بازشو در دیوارهای برشی همان ابعاد معمولی درب‌ها و پنجره‌ها می‌باشد، به همین دلیل اگر ابعاد این بازشو کمتر از ۲۵ درصد ابعاد دیوار و در میانه سطح آن باشد، می‌توان از اثرات آن صرف نظر کرد. اما اگر ابعاد بازشو بسیار بزرگ باشد، رفتار آن دیوار برشی به قاب خمشی تبدیل می‌گردد.

شکل 1 – انواع وجود بازشو در دیوار. بازشوهای بسیار کوچک ممکن است رفتار دیوار را تغییر ندهند، بازشوهای متوسط ممکن است دیوار را به دو دسته تبدیل کنند و بازشوهای بسیار بزرگ ممکن است دیوار را به قاب تبدیل کنند.

می‌دانیم که برای طراحی دیوار برشی باید برای دیوارها مش‌بندی انجام شود و پس از آن دیوار به اجزای کوچکتری تقسیم می‌گردد. در این حالت نرم افزار قادر به تشخیص حدود و مرز دیوار برشی نخواهد بود و باید با برچسب گذاری وضعیت و شرایط را برای نرم‌افزار مشخص کنیم.

شکل 2 – برچسب‌گذاری دیوار برشی

المان‌های کوچک مد نظر پس از مش‌بندی انتخاب شده و برچسب‌گذاری می‌شوند. همانطور که در شکل 2 نشان‌داده شده است، دیوارهای طرفین را با نام Pier و تیرهای همبند را با نام Spandrel برچسب‌گذاری می‌شوند.

تذکرات:

در نقاطی که مقطع دیوار در ارتفاع تغییر می‌کند، باید نام برچسب دیوار نیز تغییر کند.(به عنوان مثال در شکل ۷ ، تغییر P1 به P3).
دیوارهایی که در دو طرف یک بازشو قرار دارند باید با نام‌های متفاوت برچسب‌گذاری شوند.

با توجه به امکان متفاوت بودن سختی در قسمت تیر کوپله، توزیع نیرو در این قسمت ممکن است غیر یکنواخت باشد. در این گونه موارد توصیه می‌شود از شکل ۷ برای برچسب‌گذاری استفاده شود.
به لحاظ برش (برش چشمه اتصال) در مواردی ممکن است برش در P3 و P4 بیش از برش در P1 و P2 باشد. در این موارد توصیه می‌شود از شکل ۷ استفاده شود تا برش‌ها قابل محاسبه باشند.
مساحت میلگرد طولی لازم (حاصل از طراحی) در مقطع کاهش یافته دیوار (P1 و P2) بیش از مقطع فوقانی آنها (P3 و P4) خواهد بود. بنابراین با توجه به اینکه میلگردهای بدست آمده در مقاطع P1 و P2 در کل ارتفاع طبقه ادامه خواهند یافت، شاید نیازی به اعمال برچسب P3 و P4 نباشد، به شرطی که میلگردهای حاصل درقسمت P1 و P2 تا انتها ادامه یابند. ( هم در شکل 7 و هم در شکل 8)

برچسب‌گذاری یکسان برای دیوارهای طرفین تیر کوپله نادرست می‌باشد. هر کدام از مقاطع دیوار باید جداگانه کنترل و طراحی شوند.

اگر در تراز سقف تیر عبور کرده باشد، باید در آن قسمت از تیر که محدود به بازشو است برچسب‌گذاری انجام شود. ابتدا باید تیر را جداسازی نمود و سپس آن قسمت مد نظر را برچسب‌گذاری نمود.

با نامگذاری مناسب ستون‌های کنار دیوار برشی ، نرم‌افزار دیوار و ستون‌های کنار آن را به صورت یک المان در نظر می‌گیرد و از آنجایی که ستون‌های انتهای دیوار برشی ماهیت دیوار دارند، باید به عنوان المان مرزی انتهای دیوار برشی طراحی شوند. برای نامگذاری این ستون‌ها، ستون مد نظر را انتخاب کرده و سپس مطابق اشکال زیر پیش می‌رویم: (این تقسیمات باید متناسب با نام‌گذاری دیوار باشد)

طراحی تیر همبند

برخلاف تیرهای متعارف در قاب‌های خمشی، در تیرهای همبند عموماً نسبت طول به عمق تیر همبند کم می باشد و بنابراین این تیرها سختی خمشی بالایی دارند. با این وجود هنگام زلزله تغییرشکل‌های قابل توجهی در این تیرها ایجاد می‌گردد. جزئیات میلگرد گذاری باید به گونه‌ای باشد که بتوانند این تغییرشکل‌های بزرگ را با وجود سختی زیادی که دارند تحمل کنند و در عین حال گسیخته نشوند. به همين جهت در آيين‌نامه‌ها جزئيات سخت‌گيرانه و خاصی برای اين تيرها در نظر گرفته شده است

حالات مختلف نقش طول و عمق تیر همبند در طراحی و آرماتورگذاری

با توجه به بند ۹-۲۰-۷-۵-۱ مبحث نهم مقررات ملی ساختمان مانند یک تیر عادی (قاب خمشی ویژه) طراحی می‌گردد. زیرا این تیر به حد کافی عمیق نبوده و نیاز به آرماتور قطری ندارد و تنها باید ضوابط تیرها با شکل‌پذیری ویژه برای آن رعایت گردد.

در بند 9-20-7-5-1 منظور از بند 9-20-6-2 ضوابط مربوط به تیرها در قاب‌های با شکل‌پذیری زیاد می‌باشد که در شکل 20 بند مذکور آورده شده است.

قابل ذکر است که مطالب گفته شده در این حالت با مطالب گفته شده در آیین‌نامه ACI318M-19 آمریکا تطابق دارد و در این آیین‌نامه نیز مطالب فوق بصورت زیر بیان شده است:

برای این حالت در نرم‌افزار ETABS باید مطابق اشکال زیر عمل نمود:

پیشنهاد آموزشی:آموزش پروژه محور طراحی سازه فولادی و بتنی با ایتبس و سیف

در این حالت با توجه به بند 9-20-7-5-2 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، برای تحمل برش باید از آرماتور قطری استفاده شود که بصورت ضربدری و متقارن قرار می‌گیرند.

قابل ذکر است که مطلب گفته شده در این حالت با آیین‌نامه ACI318M-19 آمریکا تطابق دارد و در این آیین‌نامه نیز مطلب فوق بصورت زیر بیان شده است:

ذکر این نکته لازم است که آرماتورهای قطری تنها زمانی اثرگذاری دارند که با شیب زیادی قرار داده شوند. به همین دلیل فقط تیرهای همبندی که در آنها نسبت برقرار است، آرماتورگذاری قطری دارند. آرماتورهای قطری باید تا حد امکان بصورت متقارن نسبت به میان دهانه قرار داده شوند.

برای این حالت در نرم‌افزار ETABS باید مطابق اشکال زیر عمل نمود:

حالت سوم : حالت اول و حالت دوم برقرار نباشد

در این حالت مطابق بند 9-20-7-5-3 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان اگر ضوابط گفته شده در حالات اول و دوم برقرار نباشد، می‌توان یکی از دو مورد زیر را انتخاب نمود:

از ضوابط تیرهای قاب خمشی برای طراحی تیر همبند استفاده شود.
جهت مقابله با برش از آرماتور قطری استفاده شود.

طراحی تیر همبند

سازه را آنالیز و طراحی کرده و آرماتورهای گزارش شده توسط نرم‌افزار ETABS را مشاهده می‌کنیم.

اگر پس از طراحی بر روی تیری که طراحی شد کلیک راست نمایید، در انتهای صفحه‌ای که باز می‌شود. جدولی نشان داده می‌شود که مقادیر را نمایش می‌دهد. اگر شرایط مذکور برقرار باشد در ستون آخر این جدول عبارت Yes چاپ می‌شود. همچنین مطابق مسیری که در اشکال 34 تا 36 گفته شد می‌توانید سطح مقطع میلگردهای قطری لازم را مشاهده نمایید. در شکل 37 قسمتی از گزارش مذکور آورده شده است.

جزئیات آرماتورگذاری تیر همبند

در تیرهای همبند با ، مشابه تیرهای قاب خمشی در دو انتهای آن که ناحیه بحرانی نامیده می‌شود، باید از تنگ بسته استفاده نمود و علاوه بر تنگ بسته میلگردهای طولی اصلی نیز مانند ستون‌ها باید یکی در میان مهار گردند.
با توجه به طول کم این تیرها معمولا میلگردهای طولی آنها بدون وصله اجرا می‌گردند.
با توجه به طول کم این تیرها، عمده طول تیر را نواحی بحرانی دو انتها تشکیل می‌دهند و بنابراین بهتر است کل طول تیر را ناحیه بحرانی درنظر بگیریم.
در صورت لزوم (در صورتی که عمق آن بیش از حد مجاز آیین‌نامه برای تیرهای قاب خمشی باشد) آرماتور گونه نیز لازم خواهد بود.

چند نکته مهم در رابطه با تیر همبند:

برای جلوگیری از کمانش آرماتورهای قطری، خاموت حداقل 8 هر 10 سانتی‌متر استفاده گردد.
برای تحمل لنگر نیاز به آرماتور نیست و کوپل مقاوم مولفه افقی آرماتورهای قطری لنگر را تحمل می‌کنند.
اخیرا استفاده از پروفیل فولادی بجای تیر همبند بتن‌آرمه نیز استفاده می‌شود.

مزایا و معایب دیوار برشی کوپله

از مزیت این دیوارها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

ظرفیت تحمل ممان خارجی چندین برابر افزایش می‌یابد.
سختی جانبی سیستم افزایش یافته و دریفت سازه کاهش می‌یابد.
در ساختمان‌های بلند گاهی ناچاریم از این سیستم استفاده کنیم.

از معایبی که این دیوارها دارند می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

جزئیات آرماتورگذاری سنگین Spandrel و چالش طراحی و اجرا
تمرکز تنش‌ها در پی
چالش قالب‌بندی به علت وجود بازشو در دیوار

پیشنهاد آموزشی:دوره‌های آموزشی طراحی سازه

ضریب ترک‌خوردگی تیر همبند

وجود ترک در سازه باعث کاهش سختی سازه می‌شود به همین علت باید اثر این ترک‌خوردگی به شکل مناسبی در تحلیل سازه اعمال شود. با توجه به شکل 39 درمی‌یابیم که ترک‌های اصلی در جهت قائم رخ می‌دهند بنابراین ضریب ترک‌خوردگی بر المان‌هایی که در این راستا قرار می‌گیرند وارد شود.

با توجه به اینکه در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ضرایب ترک‌خوردگی برای تیرهای کوپله بیان نشده است، به ناچار سختی تیر کوپله را مانند تیرها 0.35 در نظر می‌گیریم.

توضیحات ارائه شده توسط پروفسور Moehle :

دیوار برشی همبند شکل‌پذیر

دیوارهای همبند شکل‌پذیر از جمله سیستم‌های جدید سازه‌ای در آیین‌نامه ACI318M-19 و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1399 و ASCE 7-22 می‌باشد. این سیستم و ضریب رفتار و مشخصات رفتاری آن هنوز در استاندارد 2800 وارد نشده است. انتظار می‌رود با اضافه شدن این سیستم و ضریب رفتار و مشخصات رفتاری آن در ویرایش پنجم استاندارد 2800، بیننده‌ی تغییرات اساسی در صنعت ساخت و سازهای بتنی خواهیم بود.

در صورت رعایت ضوابط مربوط به این سیستم، شکل‌پذیری سازه افزایش یافته و ضریب رفتار بزرگ‌تری برای سازه می‌توان درنظر گرفت.

همانطور که مشاهده می‌کنید ضریب اصلاح پاسخ (ضریب رفتار) سیستم باربر، سیستم قاب ساختمانی و سیستم دوگانه همراه با دیوار همبند شکل‌پذیر برابر 8 می‌باشد.

این سیستم علاوه بر شکل‌پذیری مطلوب، سختی خوبی نیز در مقابل بارهای جانبی و کنترل دریفت دارا می‌باشد (شبیه به بادبندهای EBF در سازه‌های فولادی).

اگر سیستم دوگانه قاب خمشی ویژه بتنی و دیوار همبند شکل‌پذیر داشته باشید دیگر کنترل 25 درصد موردی ندارد چون اگر هم جواب ندهد سیستم سازه‌ای شما قاب ساختمانی و یا دیوار باربر با دیوار برشی می‌شود. بنابراین ضریب R تغییری نمی‌کند (اگرچه محدودیت ارتفاعی خواهیم داشت). بنابراین ساختمان‌های تا ارتفاع 75 متر نیازی به این کنترل نخواهند داشت. (طبق استاندارد ASCE 7 بند 12.2.3 در مورد ترکیب سیسیتم در یک امتداد)

مطابق بند 9-20-7-5-4 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، برای تیرهای همبندی که با دو گروه آرماتورهای متقاطع تقویت شده‌اند، ضوابط این بند باید رعایت شوند.

شکل 47 – ضوابط تیرهای همبند با دو گروه آرماتور متقاطع در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان

مطابق بند فوق، آرماتورهای عرضی باید در تمام سطح مقطع تیر مطابق بند 9-20-6-3-3-2 (الف) تا (ت) برای بند (پ) و (الف) تا (ث) برای بند (ت) رعایت گردند.

مطابق بند 9-20-7-5-4-ب مبحث نهم مقررات ملی ساختمان (شکل 49)، هر گروه از میلگردهای قطری باید حداقل از 4 آرماتور تشکیل شده باشد که در دو یا چند لایه قرار داده شده باشد. همچنین باید در طولی حداقل 1.25 برابر طول مهار میلگرد در دیوار مدفون شوند.

با توجه به بند 9-21-6-2 مبحث نهم مقررات ملی ساختمان، آرماتورهای قطری باید بوسیله آرماتورهای عرضی بصورت دورپیچ یا تنگ با قطر حداقل 10 میلی‌متر محصور شوند.