سبد خرید خالی است
سیستم های باربر جانبی بخشی از سیستم سازه ای است که نقش آن مقاومت در برابر نیروهای جانبی مثل نیروی زلزله و باد در سازه های مختلف است. در این مقاله انواع سیستم های باربرجانبی بر اساس طبقه بندی استاندارد 2800 معرفی شده است. مهندس طراح سازه باید با در نظر گرفتن ویژگی های سازه و خواص و جزییات سیستم های باربر جانبی مختلف مثل مقاومت، پایداری، سختی و شکل پذیری (ductility) بتواند بهترین سیستم باربر جانبی را انتخاب کند، لذا لازم است که به انواع سیستم های باربر جانبی شناخت کافی را داشته باشیم.
سازه ها باید با در نظر گرفتن اثرات بارهای جانبی تحلیل و طراحی شوند. بارهای جانبی تلاش هایی هستند که در جهت طولی سازه موازی با زمین به سازه ها وارد می شوند. بار زلزله و بار باد نمونه هایی از بارهای جانبی هستند که دلیل درصد بالایی از خسارات مالی و تلفات جانی ناشی از این نیروها است. نحوه عملکرد بارهای جانبی بسیار پیچیده تر از بارهای قائم (ثقلی) می باشد. از آنجایی که کشور ما جزء کشورهای با لرزه خیزی بالا است و بارهای لرزه ای بر طراحی سازه ها حاکم می شود، به همین دلیل در نظر گرفتن یک سیستم باربر جانبی با عملکرد مطلوب یکی از وظایف مهم مهندس محاسب است. در این مقاله انواع سیستم های باربر جانبی معرفی شده و به اختصار توضیح داده شده اند.
در علم مهندسی سازه سیستم های متعددی برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی تعریف شده است، که به آنها سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی (Lateral Force Resisting System) گفته میشود. سیستم باربر جانبی قسمتی از سیستم سازه ای است که وظیفه ی آن ایجاد سیستمی برای انتقال بارهای جانبی به فونداسیون، جلوگیری از ریزش ساختمان تحت اثر بارهای جانبی و تأمین سختی مناسب برای سازه در برابر بارهای سرویس تحت اثر نیروهای جانبی میباشد.
سیستم باربر جانبی باید به تنهایی و همچنین به صورت یکپارچه همراه با دیگر المان های سیستم سازه ای قادر به مقاومت و انتقال نیروها باشد. مهندس محاسب باید با مسیر نیروها در المان های سازه ای تا فونداسیون و نهایتاً به زمین به خوبی آشنا باشد تا از عملکرد مطلوب سیستم باربر جانبی اطمینان حاصل کند. بنابراین انتخاب سیستم سازهای مناسب برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی یکی از قدم های اساسی در طراحی لرزها ی سازه ها است. در ادامه سیستم های باربر جانبی رایج و مورد قبول آیین نامه ها و استانداردهای جهانی بیان شده است.
مطابق بند 1-8 استاندارد 2800 ویرایش چهارم ساختمان ها برحسب سيستم سازه ای به شش گروه طبقه بندی می شوند:
در ادامه به تشریح این سیستم ها پرداخته می شود.
سیستم سازه ای دیوارهای باربر (Bearing wall systems) شامل دیوارهای باربر عمودی است که در امتداد خطوط دیوارهای پیرامونی و در صورت لزوم در امتدادهای داخلی قرار دارند. این دیوارها وظیفه مقاومت و انتقال بارهای ثقلی خود و طبقات بالاتر را دارند، همچنین از این دیوارها به منظور سیستم مقاوم در برابر زلزله مورد استفاده قرار گیرد. این سیستم فاقد قاب ساختمانی (یعنی تیر و ستون) است، اما ممکن است از تعدادی ستون برای مقاومت بارهای ثقلی سقف های بالاتر مورد استفاده قرار گیرد.
سیستم قالب تونلی و دیوارهای متشکل از قاب های سبک فولادی سرد نورد با تسمه فولادی و یا صفحات پوششی فولادی مهار شده‌اند، جزء این سیستم اند که در مبحث یازدهم مقررات ملی ساختمان ضوابط این سیستم های سازه ای بیان شده است. همچنین سازه های بنایی با دیوار باربر نیز جزئی از این سیستم می باشد.
در استاندارد 2800 جزئیات بیشتر و پارامترهای طراحی را در جدول 3-4 برای انواع سیستم های سازه ای دارای دیوار باربر ارائه کرده است. با توجه به جدول این سیستم های باربر جانبی اکثراً دارای ضریب رفتار پایین و محدودیت های ارتفاعی سخت گیرانه ای است.
سیستم قاب ساختمانی (Building Frame System) یک قاب فضایی است که شامل تیرها و ستون ها و اتصالات است که این اتصالات عمدتاً مفصلی هستند و در برابر بارهای جانبی مقاومتی ندارند. در این سیستم تیرها و ستون ها، بارهای ثقلی را به فونداسیون منتقل می کنند. با توجه به این که اتصالات مفصلی هستند این سیستم در برابر بارهای جانبی ناپایدار هستند و مقاومتی ندارند به همین دلیل برای تأمین باربری جانبی از مهاربند فولادی و یا دیوار برشی بتنی یا فولادی استفاده می شود.
همانطور که گفته شد اتصالات این سیستم مفصلی (ساده) هستند، در این اتصال گشتاور منتقل نمیشود و صرفاً بارهای ثقلی را از طریق دیافراگم و تیرها به ستون ها منتقل میگردد. در این سیستم با توجه به عدم انتقال لنگر در اتصالات مقاطع سبک تری نسبت به بقیه ی سیستم های باربر جانبی بدست می آید.
همان طور که گفته شد برای تأمین سختی سیستم باربر جانبی از مهاربندها و دیوار برشی استفاده می کنیم. در جدول 3-4 استاندارد 2800 محدودیت ها و پارامترهای طراحی انواع مختلف ترکیب این سیستم سازه ای با دیوارهای برشی و مهاربندها آورده شده است که اکثراً دارای محدودیت های ارتفاعی هستند.
در ادامه مهم ترین سیستم های سازه ای قاب ساختمانی را شرح می دهیم.
قاب های مهاربندی شده معمولاً از قاب های فولادی به همراه اعضای مورب با عملکرد خرپایی و عمدتاً محوری (تحت کشش و فشار) تشکیل شده است. المان های مهاربندی در فاصله ی بین تیرها و ستون های قاب قرار می گیرند. قاب های مهاربندی شده یکی از سیستم های مطلوب برای مقاومت در برابر بارهای جانبی است.
مهاربند یا بادبند فولادی مرسوم به سه صورت به عنوان سیستم های مقاوم در برابر زلزله به کار می روند.
1) مهاربند همگرا (CBF)
2) مهاربند واگرا (EBF)
3) مهاربند کمانش تاب (BRBF)
قاب های مهاربندی با اتلاف انرژی نیروهای جانبی موجب پایداری سازه می شوند. در قاب های مهاربندی همگرا و کمانش تاب این اتلاف انرژی توسط المان های مهاربندی و در قاب های مهاربندی واگرا توسط رفتار شکل پذیر تیر پیوند انجام می گیرد.
از جمله مزایای این سیستم سازه ای شامل موارد زیر است:
همچنین استفاده از این سیستم سازه ای مانند سایر سیستم ها نیز دارای معایب و محدودیت هایی است، مثل محدودیت های معماری، جانمایی صحیح در پلان، ضوابط سخت گیرانه مهاربند واگرا و محدودیت های آیین نامه ای برای ارتفاع و نوع خطر لرزه ای منطقه.
تفاوت مهاربندهای معمولی و ویژه چیست؟
در استاندارد 2800 مهاربندها در قالب مهاربندهای معمولی و ویژه بیان شده اند، که با توجه به ضوابط جدول 3-4 می توان یکی از آن ها را برای سازه به کار برد. پس از وقوع رلرله نورثریج 1994 در طراحی لرزه ای سازه ها تغییرات زیادی رخ داد. در این زلزله مهاربندهای معمولی به دلیل سختی بالا و شکل پذیری نامناسب، دچار خسارت های شدیدی شد به همین دلیل آیین نامه ها یک نوع جدیدی از مهاربندها یعنی مهاربندهای ویژه را معرفی کردند.
در مهاربندهای ویژه با در نظر گرفتن ضوابط خاص لرزه ای می توان به حداکثر ظرفیت تغییر شکل غیرالاستیک دست یافت. این افزایش شکل پذیری را می توان با ضریب رفتار بالای این نوع مهاربندها مشاهده کرد. مهاربندهای معمولی بعد از کمانش ظرفیت باربری خود را از دست داده و ظرفیت مقاومت فشاری آن به شدت کاهش می یابد اما در مهاربندهای ویژه بعد از کمانش همانند فیوز برای سازه عمل می کنند و بعد از کمانش نیز رفتار غیر الاستیک خوبی از خود نشان می دهند. در ادامه انواع مهاربندها معرفی می شوند.
قاب های مهاربندی همگرا (Concentrically Braced Frames) یک سیستم باربر جانبی با عملکرد مطلوب برای جذب و اتلاف نیروی جانبی وارده است. این سیستم باربر جانبی دارای سختی مناسب برای کاهش تغییرمکان های جانبی نسبی طبقات بر اثر بارهای جانبی ناشی از زلزله هستند. سختی مناسب این قاب ها به دلیل رفتار محوری (کششی و فشاری) اعضای مهاربندی فراهم می شود.
در شکل زیر نمونه هایی از قاب های مهاربندی همگرا که در طراحی لرزه ای سازه های فولادی متداول است، نشان داده شده است.
در مهاربندهای همگرا امتداد محورهای طولی مهاربندها از محل تقاطع محورهای طولی تیر و ستون (مثل قاب های مهاربندی قطری و ضربدری در شکل الف و ب) و یا از امتداد محور طولی تیر (قاب های مهاربندی شده ی V و Λ در شکل ت و ث) عبور می کنند. به بیان دیگر، کلیه ی مهاربندها روی گره هایی بر روی تیر یا ستون همگرا (متقارب) خواهند بود.
از بین قاب های مهاربندی شده ی همگرا، قاب های مهاربندی V و Λ که به قاب های شورون (Chevron) موسوم هستند، به دلیل فراهم بودن امکان عبور و تعبیه ی در و پنجره و بازشو، برای معماران مطلوب تر است.
قاب های مهاربندی K شکل به دلیل ایجاد نیروی غیر متعادل در ستون که انهدام آن را در پی خواهد داشت، سیستم باربر جانبی لرزه ای مناسبی نیست و باید از به کارگیری آن احتزاز کرد. قاب های مهاربندی قطری نیز در صورتی که در یک محور و در یک طبقه، نیروهای ناشی از زلزله را تنها توسط یک عملکرد (کششی یا فشاری) تحمل کنند، برای استفاده در قاب های مهاربندی شده ی همگرای ویژه شمرده نمی شوند.
قاب های خمشی به خصوص قاب خمشی ویژه دارای شکل پذیری زیاد و سختی کم هستند، همچنین قاب های مهاربندی شده ی همگرا هر چند دارای سختی زیاد و مناسب هستند اما شکل پذیری قابل ملاحظه ای ندارند. به بیان دیگر در قاب های خمشی ویژه معمولاً معیار تغییرمکان کنترل کننده است، در حالی که در قاب های مهاربندی شده ی همگرا قابلیت جذب و استهلاک انرژی القایی زلزله چندان زیاد نیست. قاب های مهاربندی همگرا (Eccentrically Braced Frames) در واقع ترکیبی مناسب از قاب های خمشی و قاب های مهاربندی همگرا بوده که توامان از هر دو خاصیت سختی و شکل پذیری برخوردار هستند. در شکل زیر چند مدل از قاب مهاربندی واگرا آورده شده است.
هر قاب مهاربندی شده ی واگرا از چهار عضو اصلی بدین شرح تشکیل می شود:
تیر پیوند نقش مهمی در جذب و کاهش انرژی تولید شده توسط زلزله دارد. به عبارت دیگر تیرهای پیوند با رفتار انعطاف پذیر خود رفتار می کنند و اولا ضریب رفتار را در سیستم تحمل جانبی لرزه ای فراهم می کنند و ثانیا تلاش های طراحی را در سایر اعضا (تیرها و ستون های خارج از پیوند) تعیین می کنند.
ظرفیت فشاری مقاطع مهاربندهای فولادی توسط نیروی کمانشی کنترل شده و این مقدار معمولاً بسیار کمتر از ظرفیت کششی مهاربند است به همین دلیل مهاربندها دچار کمانش فشاری می شوند. همچنین با دقت در منحنی هیسترزیس مهاربندهای فولادی می توان گفت که این مهاربندها دارای ضعف شدیدی در بارگذاری های سیکلی هستند. به همین دلیل پس از وقوع زلزله های نورثریج کالیفرنیا در سال 1994 و کوبه ی ژاپن در سال 1995، در دهه هشتاد میلادی تحقیقات جدیدی برای مهاربندهای فولادی انجام شد که منجر به تعریف سیستم قاب های مهاربندی کمانش تاب (Buckling Restrained Braced Frames) شد. این مهاربندها دارای یک هسته ی فولادی باریک محصور شده توسط یک پوشش بتنی که درون که غلاف فولادی قرار دارند، هستند که از کمانش هسته ی فولادی جلوگیری می کند که باعث بهبود عملکرد مهاربند می شود.
آرایش ظاهری قاب های مهاربندی کمانش تاب همانند قاب های مهاربندی همگرا است. همانند رفتار قاب مهاربندی همگرا مقاومت فشاری این مهاربندها در روند تجربه ی تغییر شکل های غیرارتجاعی در هنگام وقوع زلزله به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. این ویژگی منفی کاهش مقاومت فشاری در مهاربندهای همگرا موجب می شود که در محل اتصال مهاربند به تیر، نیروی نامتعادل بزرگی ایجاد شود که حاصل آن، ضرورت استفاده از تیر با مقطع سنگین تر در دهانه های مهاربندی است.
عمده ترین ویژگی قاب های مهاربندی شده ی کمانش تاب، عدم اختلاف قابل توجه مقاومت های کششی و فشاری مهاربندها در روند تجربه ی تغییرشکل های غیرارتجاعی در هنگام وقوع زلزله های شدید است. این ویژگی منجر به کاهش ابعاد مقاطع تیرهای دهانه های مهاربندی شده و اتصالات آن می شود.
سیستم دیوار برشی بتنی پرکاربردترین نوع دیوار برشی در صنعت ساختمان کشورمان است، این سیستم متشکل از یک دیوار بتنی است که در آن شبکه هایی از آرماتوربندی افقی و قائم وجود دارد و در صورت نیاز می توان بازشوهایی را نیز در آن ایجاد کرد. دیوار برشی ها المان هایی با ضخامت کم و عرض و ارتفاع زیاد هستند، به طوری که این ابعاد هندسی سبب می شود تا سختی درون صفحه ی آن ها قابل ملاحظه شده و در اصطلاح به آن ها دیافراگم قائم گفته شود.
در این سیستم که شامل تیرها و ستون ها نیز هستند، درصد بالایی از بارهای قائم را تیر و ستون ها تحمل کرده و دیوارهای برشی به عنوان تنها سیستم باربر جانبی مورد استفاده قرار میگیرد.
قاب خمشی یکی از پرکاربردترین سیستم های باربر جانبی است که به صورت منفرد یا ترکیبی با دیگر سیستم‌ها برای جذب و اتلاف انرژی القایی زلزله مورد استفاده قرار میگیرد. قاب خمشی، سیستمی است که در آن، اتصالات تیر به ستون در آن گیردار است، یعنی اتصالات این سیستم به صورتی است که می تواند لنگر ها را منتقل کند. بر اساس تعریف مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، قاب خمشی، یکی از انواع سیستم‌های سازهای است که سختی (صلبیت)، مقاومت و شکل‌پذیری آن از طریق مقاومت خمشی، برشی و محوری اعضای دارای اتصال گیردار تامین میشود.
یکی از مهم ترین مزیت های قاب های خمشی نسبت به دیگر سیستم‌های باربر جانبی، عدم استفاده از دیوارهای سازه ای (دیوار برشی) یا بادبندهای قطری (قاب مهاربندی‌شده) است. این ویژگی، به معماری سازه محدود نمی کند. اما با توجه به سختی بالای این سیستم مقاطع و اتصالات پیش تأیید شده سنگین تر از سیستم های دیگر است و ممکن است هزینه های پروژه را بالا ببرد. از دیگر ویژگی های قاب های خمشی این است که نسبتاً بارهای کمتری را به فونداسیون وارد می کند که سبب می شود هزینه های فونداسیون را کاهش دهد.
پارامترهای طراحی این سیستم باربر جانبی را مطابق با استاندارد 2800 در جدول زیر آورده شده است.
بر اساس استانداردها و آیین نامه های حال حاضر سیستم قاب خمشی را به صورت های زیر می توان طراحی و اجرا کرد.
قاب خمشی معمولی (Ordinary Moment Frame)، یکی از انواع سیستم های باربر جانبی لرزه ای است که دارای محدودیت های زیادی است. معمولاً در مناطق با لرزه خیزی کم استفاده می شود. شکل پذیری و جذب نیروی این سیستم پایین است که انتظار می رود در برابر تغییرشکل های غیرالاستیک مقاومت محدودی داشته باشد. به دلیل عملکرد پایین قاب خمشی معمولی در برابر جابجایی‌های جانبی، در الزامات طراحی لرزهای برای آن سخت گیری زیادی وجود ندارد. همچنین در سازه های فولادی الزامی برای استفاده از اتصالات پیش تاییدشده در این سیستم وجود ندارد.
قاب خشمی متوسط (Intermediate Moment Frame) عملکرد بهتری نسبت به حالت معمولی دارد و در مناطق با لرزه خیزی کم تا متوسط بیشتر استفاده می شود. شکل پذیری و مقاومت مورد انتظار این سیستم محدود است. استفاده از اتصالات گیردار از پیش تاییدشده یا انجام آزمایش کنترل کیفیت اتصالات در قاب خمشی متوسط الزامی است.
قاب خشمی ویژه (Special Moment Frame) ، یکی از قوی ترین سیستم‌های باربر جانبی لرزهای است که در مناطق با لرزه خیزی متوسط و زیاد استفاده می شود. قاب خمشی ویژه در برابر تغییر شکل های الاستیک مقاومت خوبی از خود نشان می دهند. استفاده از اتصالات گیردار پیش تاییدشده یا انجام آزمایش کنترل کیفیت اتصالات در قاب خمشی ویژه نیز الزامی است.
در سیستم دوگانه (Dual System)، سیستم ترکیبی یا سیستم مرکب، تحمل بارهای ثقلی بر عهده اسکلت سازه و مقاومت در برابر بارهای جانبی وظیفه ترکیبی از قاب خمشی با قاب مهاربندی‌شده یا دیوار برشی است. این سیستم سازهای با بهره‌گیری از مزایای سیستم‌های مختلف، معایب آنها را برطرف می‌کند. به طور کلی، از اجرای ترکیبی سیستم‌ها، ایجاد تعادل بین سختی و شکل‌پذیری سازه است. در سال‌های اخیر، بسیاری از ساختمان‌های بلند با خطر نسبی زلزله زیاد از سیستم‌های دوگانه استفاده کرده‌اند.
قاب های خمشی در ساختمان‌های دارای سیستم‌های ترکیبی باید به گونه‌ای طراحی شوند که بتوانند ضوابط و کنترل های بند 1-8-4 استاندارد 2800 را تامین کند. مطابق این بند بارهای قائم باید توسط قاب های ساختمانی تحمل شود و همچنین قاب خمشی به تنهایی بتواند 25 درصد نیروهای جانبی را تحمل کند. محدودیت دیگری که در این بند وجود دارد این است که دیوار برشی قادر به تحمل حداقل 50 درصد نیروهای جانبی باشد، این محدودیت فقط در آیین نامه ی کشور ما وجود دارد و دلیل آن اطمینان آیین نامه از وجود داشتن دیوار برشی به اندازه ی قابل قبول است. طبق تبصره 2 این بند اگر سازه ی مورد طراحی این دو کنترل را اقنا نکنند این سیستم دوگانه نیست و قاب ساختمانی است. جزئیات بیشتر این سیستم سازه ای در جدول 3-4 استاندرد 2800 ارائه شده است.
در تعاریف مهندسی عمران به هرنوع بیرون زدگی از سازه، کنسول می گویند. سیستم کنسولی سازه ای است که از یک یا چند ستون با پایه های گیردار تشکیل شده است، همچنین اگر تیر نیز وجود داشته باشد اتصالات آن به صورت مفصلی است. در این سیستم سازه ای نیروهای جانبی به واسطه ی ستون ها تحمل می شود، به این صورت که نیروهای جانبی مستقیماً از سقف به ستون ها منتقل می شود. از جمله سازه هایی که از سیستم کنسولی در ساخت آن ها استفاده می شود، می توان به پارکینگ ها و پمپ بنزین ها اشاره کرد.
این سیستم نسبت به دیگر سیستم ها استهلاک انرژی کمتری دارد و به همین خاطر محدودیت ارتفاع 10 متر و ضریب رفتار کمتری برای آن درنظر گرفته اند.
محدودیت ها و جزئیات بیشتر این سیستم سازه ای در جدول 3-4 استاندرد 2800 ارائه شده است.
استاندارد 2800 استفاده از سایر سیستم های باربر جانبی را به شرط این که آن روش در یکی از آیین نامه های معتبر جهانی وجود داشته باشد و به تایید کمیته ی اجرایی این آیین نامه برسد مجاز می داند.
این سیستم های سازه ای برای سازههای بلند، سازه های خاص استفاده میشود. چند نمونه از این سیستم ها سازه ای شامل موارد زیر است:
دیوار برشی فولادی (Steel Plate Shear Wall) از جمله ی دیوار برشی هاست که به عنوان سیستم باربر جانبی و بهسازی لرزه ای، در چند دهه اخیر مورد توجه قرار گرفته است. در این سیستم سازه ای از ورق های فولادی استفاده می شود که مشابه دیوار برشی های بتنی در بین دهانه های مورد نظر از قاب ساختمانی قرار می گیرد. این سیستم سازه ای در استاندارد 2800 ویرایش چهارم وجود ندارد اما در چندین پروژه در کشور از آن استفاده شده است.
قبل از بررسی ادامه مقاله از شما دعوت می کنیم به مقاله بررسی جامع طراحی دیوار برشی فولادی که بی ارتباط با این مقاله هم نیست سر بزنید.
میراگر یا دمپر یکی از سیستم های نوین و نوظهور باربر جانبی، و یکی از روش های کارآمد بهسازی و مقاوم سازی ساختمان هاست که نقشی در باربری استاتیکی ندارد و فقط و در زلزله کار می کند.
همه ی مواد به طور ذاتی دارای میرایی هستند، میرایی ساختمان را حدود 5 درصد در نظر می گیرند. با استفاده از این روش ها و مصالح خاص می توان به مقدار قابل توجهی میرایی ساختمان را افزایش داد. یعنی با مستهلک کردن انرژی القایی زلزله موجب کاهش ارتعاشات و نیروهای وارده به ساختمان می شود.
سیستم جداساز لرزه ای، یکی از سیستم های باربر جانبی نوین است که به منظور جداسازی قسمت های مختلف سازه از یک دیگر و به خصوص از زمین است. این جداسازها معمولاً در سطوح نزدیک به فونداسیون استفاده می شود. با این جداسازی از وارد شدن نیروهای القایی زلزله به قسمت های دیگر سازه جلوگیری می شود. به طور کلی در این روش به جای تقویت ظرفیت باربری سازه، نیروهای جانبی وارده را کاهش می دهد.
سیستم سوپرفریم (Super Frame) یا سازه با هسته مرکزی یکی از انواع سیستم های باربر جانبی است که بیشتر در سازه های بلند مرتبه کاربرد دارد. در این سیسمتم سازه ای نیروهای جانبی توسط یک هسته ی بتنی تحمل می شود.
برای جمع بندی مباحث گفته شده، انواع سیستم های باربر جانبی رایج برای سازه های فولادی و بتنی، به صورت جداگانه در زیر آورده شده است. محاسب باید با توجه به شرایط پروژه و ویژگی های سیستم ها مانند مقاومت، پایداری، سختی و شکل پذیری سیستم باربر جانبی مناسب را انتخاب کند.
برای دریافت جدیدترین اخبار و مطلع شدن از جشنواره پاراسیویل ایمیل خود را وارد کنید
.jpg)
بحث درباره این مقاله