سبد خرید

سبد خرید شما در حال حاضر خالی است.

مشاهده دوره های آموزشی

بازگشت
چشمه اتصال در سازه های بتنی چیست؟ آموزش کنترل برش چشمه اتصال در ایتبس

چشمه اتصال یا ناحیه اتصال تیر به ستون (حد فاصل عمیق ترین تیر متصل به ستون) ناحیه ای از ستون می باشد که تحت تنش های برشی بسیار زیادی قرار دارد. چشمه اتصال در یک قاب خمشی یکی از اساسی ترین عضوها می باشد که باید در حین زلزله رفتار مناسبی داشته باشد تا اعضای متصل به هم بتوانند نیروها را از تیر به ستون و در نهایت به فونداسیون ساختمان انتقال دهند. در این مقاله می خواهیم به بررسی نیروهای ایجاد شده در چشمه اتصال در سازه های بتنی و کنترل های مربوط به آن در نرم افزار ایتبس بپردازیم.

چشمه اتصال بتنی

فرضیات اصلی در طراحی چشمه اتصال سازه بتنی

در طراحی چشمه اتصال در سازه بتنی ما اساس طراحی را بر الاستیک ماندن این ناحیه می گیریم و فرض می کنیم که این ناحیه از سازه باید رفتار نسبتا الاستیکی از خود داشته باشد تا در روند انتقال نیرو از تیرها به ستون مشکلی به وجود نیاید.

در طراحی سازه های بتنی فرض میکنیم که تیرها در خمش به تسلیم میرسند (مفصل پلاستیک در آن ها تشکیل می شود) که این فرض ما وقتی می تواند فرض صحیح و درستی باشد که در روند تشکیل مفصل پلاستیک خللی وارد نشود.

در واقع اگر به جای اینکه تیرها در خمش تسلیم شوند، رفتار غیرقابل پیش بینی رخ دهد تبعات بسیار ناگواری را به همراه خواهد داشت. برای مثال ما چشمه اتصال در سازه را برای نیروهایی طراحی میکنیم تا این ناحیه قبل از تسلیم خمشی تیرها تسلیم نشده و رفتار مناسب و قابل پیش بینی از خود نشان بدهد. در زلزله های گذشته یکی از بیشترین آسیب هایی که به قاب های خمشی بتنی وارد شده است، آسیب به ناحیه اتصال تیر به ستون یا چشمه اتصال بوده است که در ادامه چندین نمونه از آن ها را مشاهده می کنید.

خرابی در چشمه اتصال

حال با توجه به توضیحاتی که راجع به اهمیت چشمه اتصال دادیم در ادامه در ابتدا یک بررسی میکنیم که در چشمه اتصال سازه بتنی چه نیروهایی وجود دارد و باید آن را برای چه نیروهایی طراحی کنیم.

به طور کلی چشمه اتصال بتنی را می توان برای دو حالت بررسی کرد:

  • تلاش های داخلی ناشی از بارهای ثقلی
  • تلاش های خارجی ناشی از نیروهای جانبی زلزله

 

نیروهای ایجاد شده در چشمه اتصال تحت بارهای ثقلی

تحت بارهای ثقلی (بارهای مرده و زنده) وارد بر یک قاب خمشی دیاگرام لنگر در تیرها به صورت زیر می باشد:

بار ثقلی وارد بر چشمه اتصال بتنی

همانطور که در شکل بالا مشاهده می کنید تحت بارهای ثقلی در تکیه گاه تیرها لنگر منفی و در وسط تیر لنگر مثبت ایجاد می شود.این لنگرهای خمشی در اتصالات داخلی به تعادل می رسند و نتیجه این تعادل این می باشد که چشمه اتصال باید قادر به انتقال نیروی محوری ستون و همچنین کشش و فشار ناشی از خمش تیر باشد. معمولا چشمه اتصال تحت بارهای ثقلی بحرانی نبوده و بدون تمهیدات خاصی قادر به انتقال نیروها می باشد.آنچه اهمیت دارد بررسی چشمه اتصال تحت بارهای جانبی و ثقلی به طور همزمان می باشد که در ادامه بررسی می کنیم.

نیروهای ایجاد شده در چشمه اتصال تحت همزمان بارهای ثقلی و جانبی

تحت بارهای جانبی به علاوه بارهای ثقلی در سازه دیاگرام لنگر به صورت زیر می­باشد:

بارهای وارد بر سازه

چشمه اتصال باید قادر به انتقال نیروهای خمشی بین تیرها و ستون ها باشد که ماحصل این انتقال ایجاد تنش های برشی بسیار بزرگی می­باشد که نیازمند بررسی و طراحی دقیق چشمه اتصال در سازه بتنی تحت این تنش ها می­باشد.

برش در چشمه اتصال سازه بتنی

برای محاسبه برش ایجاد شده در چشمه اتصال باید مقادیر نیروهای خمشی،برشی و محوری در تیرها و ستون ها را محاسبه و با برقراری شرایط تعادل مقدار نیروهای برشی ایجاد شده در گره اتصال را بدست آورد. در شکل زیر یک قاب و دهانه و یک ناحیه اتصال را بررسی می کنیم.

نیروی برشی در چشمه اتصال سازه بتنی

در شکل فوق در قسمت a قاب تغییر شکل یافته تحت بارهای ثقلی و جانبی را مشاهده می کنید که ترک هایی در دو انتهای تیرها ایجاد شده است. در قسمت b نمودار جسم آزاد یک دهانه از قاب و همچنین لنگر و برش های ایجاد شده در دو انتهای تیر را نشان می دهد. در بخش c مقدار ممان و برش ایجاد شده در ستون را نشان می دهد که در واقع لنگر و برش ایجاد شده در تیر به ستون منتقل می شود.

در قسمت d با تجزیه لنگر به دو نیروی کششی و فشاری در ستون با توجه به روابط استاتیک و بحث کوپل نیروها مقدار نیروهای کششی و فشاری را نشان می دهد. در نتیجه در قسمت e برش موجود در چشمه اتصال را با Vjh نشان داده که تفسیر این بخش را در بخش بعدی با هم انجام می دهیم. در شکل f نمودار تنش برشی در ستون و چشمه اتصال را نشان می دهد که بیانگر مقدار بالای برش در این ناحیه می باشد و همچنین شکل آخر g نشان دهنده  مقدار لنگر در ناحیه چشمه اتصال است.

همانطور که توضیح داده شد لنگر در تیرهای تکیه گاهی به کوپل نیروی فشاری و کششی تبدیل می شود و در واقع اصلی ترین نیروهایی که برش در چشمه اتصال بتنی را ایجاد می کنند این نیروهای کششی و فشاری می باشند. در نهایت مقدار نهایی برش در چشمه اتصال بتنی از طریق رابطه زیر محاسبه می شود:

Vjh=Ts1+C2-Vcol

انواع اتصال تیر به ستون در سازه بتنی

ما در یک سازه بتنی که به صورت سه بعدی می­باشد چندین نوع اتصال داریم که به صورت زیر می­باشند.

انواع اتصال تیر به ستون

در شکل بالا a یک اتصال داخلی را نشان می دهد که به یک ستون ممتد دو تیر برخورد کرده است.

شکل b در واقع یک ستون ممتد را نشان می دهد که یک تیر از یک طرف به آن برخورد کرده است و بیانگر اتصال بیرونی می باشد.

اتصال c یک اتصال به صورت T می باشد که بیانگر یک ستون غیرممتد می باشد که دو تیر به آن برخورد کرده است و در نهایت اتصال نوع d یا اتصال گوشه که نشان دهنده یک ستون غیرممتد می باشد که یک تیر به آن برخورد کرده است.

حال چه فرقی بین این نوع اتصالات وجود دارد و چرا برای ما اهمیت دارد؟ جواب این سوال رو در قسمت های بعدی که راجع به مقاومت چشمه اتصال بحث می کنیم توضیح خواهیم داد و نشان می دهیم که فرق بین حالات فوق چه می باشد. تا به اینجا چشمه اتصال و نیروهای وارده به آن و همچنین انواع اتصالات را با هم بررسی کردیم. درادامه نحوه محاسبه مقاومت برشی چشمه اتصال را با هم بررسی و ضوابط آیین نامه ای آن را بررسی می کنیم.

محاسبه مقاومت برشی چشمه اتصال 

اینکه مقدار مقاومت برشی چشمه اتصال چگونه محاسبه و در نظر گرفته می شود از موضوع این مقاله خارج است که برای مطالعه بیشتر می توان به کتب مرجع رجوع کرد. به طور کلی مقاومت برشی چشمه اتصال را با استفاده از مدل های تحلیلی محاسبه و با مدل های آزمایشگاهی صحت سنجی می کنند و با در نظر گیری احتمالات و موارد دخیل در مقاومت به یک و یا چند فرمول واحد می رسند. طبق ضوابط آیین نامه ACI 318-19 مقدار مقاومت برشی چشمه اتصال به صورت زیر محاسبه و در نظر گرفته می شود:

مقاومت چشمه اتصال

مقدار Vn مقاومت برشی چشمه اتصال می باشد که آیین نامه ACI آن را به چند دسته بندی و به صورت جدول زیر ارائه کرده است:

انواع حالت چشمه اتصال بتنی

مشابه جدول فوق در مبحث نهم مقررات ملی ساختمان نیز وجود دارد که در ادامه آورده شده است:

مقاومت چشمه اتصال بتنی

نکته: مقدار ضریب 1.2 در استاندارد ACI 318-19 و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان صحیح نبوده و مقدار دقیق آن برابر با 1.25 می­باشد که از تبدیل واحدها محاسبه می­شود و در جدول آیین­نامه آبا (آیین نامه بتن ایران) به صورت صحیح وارد شده است.

مقاومت برشی چشمه اتصال

در جدول فوق چندین تعریف و چندین پارامتر مهم وجود دارد که برای محاسبه دقیق آن ها باید ابتدا آن ها را بررسی کنیم.

اولین موردی که باید به آن توجه کنیم بحث ستون ها در چشمه اتصال می باشد. آیین نامه ACI و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران ستون ها را در بحث چشمه اتصال به دو حالت پیوسته و ناپیوسته تقسیم بندی می کنند. اینکه چه ستونی پیوسته محسوب می شود و یا چه ستونی ناپیوسته است را در ادامه بررسی می کنیم. طبق بند 15.2.6 آیین نامه ACI و مشابه آن بند 16.2.6 در مبحث نهم ویرایش 1399 یک ستون وقتی شرایط پیوستگی را اقناع می کند که دو شرط زیر برقرار باشد.

ستون ممتد

در یک ساختمان معمولا اکثرستون ها شرایط پیوستگی را اقناع می کنند فقط ستون های بام و خرپشته به دلیل اینکه ادامه داده نمی شوند شامل شرایط ناپیوستگی می شوند که یک راه حل منطقی و درست برای ستون های کناری در بام ادامه ی این ستون ها به اندازه ارتفاع جانپناه می باشد که این امر هم وضعیت چشمه اتصال را بهبود می بخشد هم استاندارد 2800 در پیوست ششم خود پیشنهاد کرده است که ستون های بام به ارتفاع 1.35 متر ادامه داده شوند.

ارتفاع جان پناه

با ادامه دادن ستون در بام و همچنین اجرای آرماتورهای طولی و عرضی تا بالا می توان ستون های بام را پیوسته فرض کرد. دومین موردی که باید بررسی کنیم تیرهای در راستای اعمال برش می باشند. آیین نامه ACI و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران تیرها را در بحث چشمه اتصال به دو حالت پیوسته و ناپیوسته تقسیم بندی می کنند. اینکه چه تیری پیوسته محسوب می شود و یا ناپیوسته را در ادامه بررسی می کنیم. طبق بند 15.2.7 آیین نامه ACI  و مشابه آن بند 16.2.7 در مبحث نهم یک تیر وقتی شرایط پیوستگی را اقناع می کند که دو شرط زیر برقرار باشد:

تیر ممتد

در سازه ها معمولا چشمه های میانی شامل تیرهای پیوسته می شوند و شرایط ناپیوستگی برای چشمه های کناری می باشد که یک راه حل برای این موضوع تیرهای کنسول یا طره می باشند که با اجرای این تیرها چشمه مورد نظر دارای پیوستگی تیرهای راستای اعمال برش می باشد. مورد بعدی که باید بررسی کنیم محصور شده و یا محصور نشده بودن چشمه اتصال می باشد که این امر بستگی به تیرهای عمود بر راستای مورد بررسی دارد. طبق بند 15.2.8 آیین نامه ACI مشابه آن بند 16.2.8 در مبحث نهم شرایط محصور شدگی برای چشمه اتصال به صورت زیر می باشد:

محصور شدگی چشمه اتصال

طبق شکلی که در ادامه مشاهده می کنید ضوابط محصور بودن چشمه اتصال باتوجه به الزامات مبحث نهم به این صورت است که:

  • به هر دو سمت چشمه اتصال تیرهایی با عرض حداقل سه چهارم عرض ستون در وجه اتصال متصل شده باشد.
  • تیرهای متصل شده حداقل باید به اندازه عمق تیر بعد از اتصال ادامه داشته باشند.(همانند شرایط محصور شدگی تیرها)
  • تیرهای عرضی متصل شده دارای حداقل دو آرماتور پیوسته در بالا و پایین و دارای خاموت حداقل با قطر 10 باشند.

 

محصور شدگی اتصال تیر به ستون

موردآخر برای بررسی مساحت موثر چشمه اتصال می باشد که با پارامتر Aj نشان داده می شود:

مساحت موثر چشمه اتصال بتنی

مساحت موثر چشمه اتصال بتنی متاثر از دو پارامتر عرض (b) و عمق (h) می باشد. مقدار h مقدار مشخصی می باشد اما مقدار b باید حداقل مقدار میان b+h  و b+2x  در محاسبه در نظر گرفته شود. مقدار x بر اساس اینکه تیر در مرکز ستون می باشد و یا دارای خروج از مرکزیت تعیین می شود. برای مثال داریم:

اتصال تیر به ستون بتنی

مثال کنترل برش چشمه اتصال

حال با بررسی پارامترهای موثر در مقاومت چشمه اتصال می­توانیم رابطه ی صحیح برای کنترل برش چشمه اتصال خود را مشخص کنیم و بر اساس آن محاسبات خود را انجام دهیم.

تفاوت بین قاب خمشی بتنی متوسط و ویژه در محاسبات مربوط به چشمه اتصال بتنی

همانطور که در توضیحات قبلی اشاره شد ضوابط کنترل برش چشمه اتصال در مبحث نهم ویرایش 92 فقط برای سازه های با قاب خمشی ویژه الزامی بود و در سیستم باربر جانبی  قاب های خمشی متوسط الزامی به رعایت برش در ناحیه اتصال تیر به ستون وجود نداشت. در مبحث نهم ویرایش 99 که از ضوابط آیین نامه ACI 318-19  پیروی کرده است کنترل برش در ناحیه اتصال برای سازه های با قاب خمشی متوسط و ویژه الزامی شده است و طراح سازه باید این ضابطه مهم را برای هر دو حالت در نظر گرفته و کنترل کند.

تفاوت بین ضوابط قاب خمشی متوسط و ویژه برای برش گره اتصال به صورت زیر می باشد:

  1. نیروهای آرماتورهای طولی تیرها در ناحیه اتصال باید با فرض تنش تسلیم 1.25 Fy محاسبه شود.
  2. ضریب کاهش مقاومت برشی در گره اتصال برای سازه های با قاب خمشی متوسط برابر با φ=0.75 و برای سازه های با قاب خمشی ویژه برابر با φ=0.85 می باشد.

طبق بند اول در بالا لنگر موجود در تیر که موجب ایجاد برش در گره اتصال می شود باید بر اساس لنگر محتمل تیر محاسبه و در نظر گرفته شود و این یعنی نیروی برشی در گره اتصال افزایش میابد. دومین موردی که تفاوت ایجاد میکرد بین قاب خمشی متوسط و ویژه ضریب کاهش مقاومت برشی می باشد که در حالت ویژه حدود 10 درصد مقاومت را بیشتر لحاظ میکند.

مثال کنترل دستی برش چشمه اتصال

طبقه بام از یک سازه بتنی با سیستم قاب خمشی متوسط را به صورت شکل زیر را در نظر بگیرید:

نسبت ظرفیت برشی ناحیه اتصال مشخص شده در راستای Y را محاسبه کنید؟ مقاومت بتن برابر 25 مگاپاسکال و مقاومت آرماتورها برابر 400 مگاپاسکال است.

ارتفاع ستون در طبقه برابر است با 340 سانتی متر. مقاطع تیرهای هر دو راستا و مقطع ستون به صورت زیر می باشد: