تحلیل و طراحی لرزهای قابهای خمشی
برای طراحی اتصالات، ابتدا باید مقاطع تیر و ستون توسط نرم افزار، طراحی و بهینه شوند. بنابراین لازم است برای بدست آوردن اطلاعات لازم جهت طراحی اتصالات ابتدا سازهی مورد نظر مدلسازی، تحلیل و طراحی شود. در صورت استفاده از ویرایش سوم استاندارد ۲۸۰۰ (بر مبنای تنش مجاز)، لازم است نیروهای ناشی از زلزله در ضریب ۱/۴ ضرب شده و سپس در ترکیب بارهای موجود در مبحث ششم مقررات ملی ساختمان استفاده شوند.
طراحی لرزهای اتصالات تیر به ستون در قابهای خمشی
کاربری ساختمانهای مدارس باعث شده که تهیه و تدوین ضوابط طراحی اتصالات ساختمانها با اهمیت زیاد و خیلی زیاد (در صورت نیاز) مورد نظر است و همچنین ضوابط مربوط به اتصالات در قابهای خمشی ویژه برای قابهای خمشی متوسط قابل استفاده هستند، ولی علاوه بر آن، الزامات مورد نیاز در اتصالات قاب خمشی ویژه، متوسط و معمولی به صورت جداگانه نیز ارائه شده است.
اصول طراحی اجزای قابهای خمشی لرزهای مبتنی بر ظرفیت مقاطع آنها است. به دلیل اهمیت قابهای خمشی ویژه باید قبل از طراحی و کنترل ضوابط، در طراحی این سیستمهای مقاوم، اعضای شکلپذیر نظیر تیرها بر مبنای معیارهای شکلپذیری و متناسب با سایر اعضا از قبیل ستونها و اتصالات طراحی شوند. هدف اصلی در طراحی لرزهای قابهای خمشی فولادی ویژه تأمین شکلپذیری مناسب و ضریب رفتار مورد استفاده در طراحی این نوع قابها است.
تیرها و ستونها در طبقات مختلف بایستی با ضریب اطمینان کافی و نسبتاً اقتصادی انتخاب شوند. قابل ذکر است که در طراحی قابهای خمشی ویژه دو معیار سختی (تغییر مکان جانبی نسبی طبقات) و نسبت مقاومت خمشی ستون به تیر (ستون قوی-تیر ضعیف) معیارهای تعیین کننده در تعیین ابعاد مقاطع تیر و ستون هستند. فرض اساسی در تحلیل لرزهای قابهای خمشی صرف نظر نمودن از باربری جانبی میانقابها است. علاوه بر ضوابط بیان شده بایستی اصول و کلیات ذیل در طراحی قابهای خمشی ویژه مورد توجه قرار گیرند.
اصول کلی در طراحی قابهای خمشی ویژه
- تأمین ظرفیت تغییر شکل غیرالاستیک قابل ملاحظه از طریق ظرفیت تسلیم خمشی تیرها و حد تسلیم چشمههای اتصال در ستونها
- طراحی ستونها به منظور حصول حدود تسلیم و طراحی تیرها برای تامین سخت شدگی کرنشی (بجز در مواردی که مشخص شده است)
اتصالات در قاب خمشی ویژه باید بگونهای طراحی شوند که بدون کاهش قابل توجه در مقاومت، میزان دوران نظیر تغییر مکان جانبی نسبی طبقه در سازه حداقل به ۰/۰۴ رادیان برسد که حدود ۰/۰۳ رادیان آن در محدود غیرارتجاعی باشد. این مقادیر در اتصالات قاب خمشی متوسط برای دوران نظیر تغییر مکان جانبی نسبی طبقه در سازه حداقل ۰/۰۲ رادیان است که حدود ۰/۰۱ رادیان آن در محدود غیرارتجاعی خواهد بود.
با توجه به کاربری سازه و اهمیت قابهای خمشی ویژه و عملکرد اتصالات آن برای تامین شرایط شکلپذیری، لازم است عملکرد اتصالات خمشی بکار رفته در قابهای خمشی ویژه، از طریق انجام آزمایش توسط مراجع معتبر تایید شوند. در صورت عدم امکان انجام آزمایشها، استفاده از اتصالات تایید شده از مراجع معتبر بلامانع است.
در طراحی اتصالات قابهای خمشی ویژه با توجه به اینکه تیر در محل اتصال تیر به ستون، عضو شکلپذیر و کنترل شونده نسبت به تغییر مکان است بنابراین به عنوان فیوز عمل مینماید و لنگر خمشی موجود در آن برابر Mp (لنگر پلاستیک تیر) بوده و از این حد فراتر نخواهد رفت. در نتیجه اجزای اتصالات تیر به ستون تابع مقدار Mp تیر هستند. بنابراین اتصالات از اعضای کنترل شونده توسط نیرو خواهند بود که باید در محدوده الاستیک باقی بمانند و نیروهای موجود در آنها توسط اعضای شکلپذیر کنترل خواهد شد.
در اتصالات تیر به ستون طراحی باید بگونهای انجام گیرد که شرایط ایجاد مفصل پلاستیک در فاصلهای محدود از بر ستون در داخل تیر فراهم شود. دو نوع روش برای این موضوع پیشنهاد میشود که شامل کاهش سطح مقطع تیر در فاصلهای محدود از بر ستون (RBS) و روش دوم تقویت اتصال تیر در وجه ستون است بگونهای که در آن مقاومت خمشی اتصال در ناحیه تقویت شده بیشتر از حداکثر لنگر ایجاد شده در تیر باشد.
تسلیم خمشی ستونها در محل اتصال به فونداسیون مجاز است.
در خصوص تیرهای موجود در قابهای خمشی ویژه باید از تعبیه سوراخهای متوالی در جان تیرها اجتناب شود و در صورت ضرورت ایجاد سوراخ و دسترسی این سوراخها در منطقه یک سوم میانی (به دور از محل تشکیل مفاصل پلاستیک) قرار گرفته و تیرها در این نواحی به نحوی تقویت شوند که مقاومت برشی و خمشی تیر را تامین شده و از کلیه حالات شکست ترد اجتناب شود.
تشکیل مفصل پلاستیک در محل اتصال تیر به ستون و اجزای آن به هیچ وجه مجاز نیست.
در اتصالات جوشی تیر به ستون انتقال نیروی کششی یا فشاری ناشی از خمش تیر به وجه ستون منحصراً باید توسط جوش شیاری با نفوذی کامل انجام گیرد.
در اتصالات تیر به ستون از طریق ورق انتهایی جوش شده به تیر و پیچ شده به ستون (اتصال گیردار فلنجی)، اتصال بالهای تیر به ورق انتهایی باید از نوع جوش شیاری با نفوذی کامل باشد.
برای اتصال جان تیر با ورق اتصال به بال ستون استفاده از جوشهای نفوذی نسبی و یا گوشه برای ایجاد اتصال بین جان تیر و ورق اتصال مجاز است.
مهار جانبی و پیچشی در محل بالهای فوقانی و تحتانی اتصال تیر به ستون از طریق کنترل فواصل مهارها، تعبیه مهارها و یا استفاده از ورق پیوستگی باید تامین شود.
اصول طراحی ساختمانهای فولادی با سیستم باربر جانبی لرزهای قاب خمشی مبتنی بر ظرفیت مقاطع مورد استفاده است و مراحل آن به شرح ذیل است.
انتخاب سیستم قاب خمشی (ویژه، متوسط یا معمولی)
سه نوع قاب خمشی فولادی در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان تعریف شده است که علاوه بر تفاوت در جزئیات طراحی (قاب خمشی ویژه و متوسط دارای جزئیات خاص برای تامین شکلپذیری است ولی قاب خمشی معمولی فاقد جزئیات خاص برای تامین شکلپذیری است) و میزان اهمیت سازه، شرایط ساختگاهی (محدودیت کاربرد هر نوع قاب خمشی بر اساس لرزهخیزی ساختگاه) و سازهای (محدویت ارتفاع سازه)، مقادیر مربوط به میزان شکلپذیری و قابلیت جذب انرژی آنها نیز متفاوت است.
انتخاب روش مناسب انتقال موقعیت مفصل پلاستیک از بر ستون
برای انتقال موقعیت مفصل پلاستیک از بر ستون در داخل تیر و خارج از اجزای اتصال دو نوع راهکار وجود دارد.
- تقویت اتصال با استفاده از ورقهای پوششی، تقویت با لچکی (سخت کننده)، تقویت با ایجاد ماهیچه یا تقویت با ورقهای کناری و سایر روشهای مناسب دیگر انجام میگیرد.
- کاهش مقطع تیر در محل تشکیل مفصل پلاستیک RBS از طریق کاهش عرض بال در فاصلهای مشخص از بر ستون که باعث تشکیل مفصل خمیری بر روی مقطع تیر در محل اتصال دو عضو با ابعاد مختلف میشود.
طراحی لرزهای اتصالات قابهای خمشی ویژه
اتصالات تیر به ستون در قابهای خمشی ویژه به عنوان بخشی از سیستم باربر لرزهای سازه باید حداقل یکی از ضوابط ذیل را به منظور تامین ظرفیت دورانی منطبق با تغییرمکان جانبی نسبی طبقه به میزان حداقل ۰/۰۴ رادیان و مقاومت خمشی اتصال در بر ستون مساوی با حداقل ۰/۸ مگاپاسکال تامین نمایند.
به منظور طراحی اتصالات در قابهای خمشی ویژه لازم است علاوه بر ضوابط مربوط به الزامات طراحی مطابق مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، ضوابط لرزهای بیان شده در بخش سوم مبحث دهم مقررات ملی ساختمان مطابق توضیحات بیان شده در این بخش در نظر گرفته شوند و علاوه بر آن دارای شرایط ذیل نیز باشند.
طراحی لرزهای قابهای خمشی ویژه بر اساس ضوابط بیان شده در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان و این دستورالعمل باید امکان تامین ظرفیت تغییر شکلهای قابل ملاحظه از طریق تسلیم خمشی تیرها و تسلیم موضعی ستون در ناحیه مشترک با چشمههای اتصال فراهم شود. ستونهای طراحی شده در قابهای خمشی ویژه بجز در مواردی که در این دستورالعمل مشخص شده است، باید قویتر از حالت تسلیم و سخت شدگی کرنشی تیرها باشند.
طراحی اتصالات تیر به ستون شامل چشمههای اتصال و ورقهای پیوستگی باید بر اساس اتصالات آزمایشگاهی تایید شده از طریق مراجع معتبر یا اتصالات معرفی شده باشند و همچنین ضوابط بیان شده را تامین نمایند. اتصالات تیر به ستون باید بگونهای طراحی شوند که شرایط ایجاد مفصل پلاستیک را در داخل تیر و خارج از اجزای اتصال فراهم نمایند.
بر اساس اتصالات معرفی شده، در اتصالات جوشی تیر به ستون بایستی اتصال بال تیر یا ورق روسری و زیرسری آن به وجه ستون یا به ورق پیشانی (فلنجی) پیچ شده به بال ستون منحصراً از نوع جوش شیاری با نفوذ کامل باشد. بر اساس اتصالات معرفی شده، برای اتصال جان تیر یا ورق اتصال جان به وجه ستون یا ورق انتهایی با رعایت ضوابط ارائه شده، استفاده از جوش نفوذی نسبی یا جوش گوشه مجاز است.
مهاربندی جانبی تیرها
مهاربندی جانبی تیرها به منظور تامین الزامات مربوط به اعضا با شکلپذیری زیاد انجام میگیرد. برای این منظور سطح مقطع اعضای فولادی برای اعضا با شکلپذیری متوسط و زیاد باید دارای بالهایی با اتصال پیوسته به جان یا جانها باشند. موقعیت مهار جانبی تیرها بر اساس نوع اتصالات تیر به ستون یا سایر شرایط نیروهای داخلی اعضای تیرها بر اساس نتایج آزمایشهای تایید شده تعیین میشود. بنابراین علاوه بر مواردی که در آزمایشات مشخص میشود، مهاربندی جانبی تیرها باید در زیر بارهای متمرکز، سطح مقاطع تغییر یافته و سایر موقعیتها که در آنها، تغییرشکلهای غیرالاستیک منجر به تشکیل مفصل پلاستیک تشکیل شود، انجام میگیرد و همچنین موقعیتهای مشخص شده در اتصالات از پیش تایید شده انجام گیرد.
طراحی اتصالات تیر به ستون
طراحی اتصالات تیر به ستون باید بگونهای انجام گیرد که شرایط ایجاد مفصل پلاستیک در داخل تیر فراهم شود. برای این منظور میتوان از انواع اتصالات معرفی شده استفاده نمود. بنابراین کلیه اتصالات تیر به ستون باید نیروهای قائم و جانبی وارده را تحمل نمایند. با توجه به استفاده از اتصالات گیردار در طراحی قابهای خمشی بنابراین لازم است مقاومت خمشی و برشی مورد نیاز اتصالات تعیین شود. برای تعیین مقاومت خمشی و برشی اتصالات باید اثرات ناشی از بارهای قائم و جانبی ناشی از زلزله در محل تشکیل مفصل پلاستیک تیرها تعیین شود.
برای تعیین مقاومت خمشی اتصالات تیر به ستون ضابطه خاصی وجود ندارد و باید کلیه الزامات مربوط به طراحی اعضای خمشی در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان در آنها رعایت شود. در تعیین مقاومت برشی اتصالات تیر به ستون قابهای خمشی ویژه تحت اثر بارهای لرزهای، باید علاوه بر در نظر گرفتن نیروهای برشی ناشی از بارهای قائم و جانبی، نیروی برشی اضافی ناشی از ایجاد لنگرهای خمشی مورد انتظار در مفاصل پلاستیک دو انتهای تیر در محاسبات در نظر گرفته شود.
مهاربندی جانبی اتصال تیر به ستون
به منظور جلوگیری از کمانش پیچشی ستون لازم است اتصال در صفحه افقی در مقابل پیچش ستون مهار شود. برای این منظور دو حالت ذیل در نظر گرفته میشود.
اتصالات با مهاربندی
در صورتی که جان تیرها و ستون در یک صفحه باشند و رفتار ستون در خارج از ناحیه چشمه اتصال در حالت الاستیک باقی بماند آنگاه تامین مهاربندی جانبی پایدار بالهای ستون در اتصالات تیر به ستون فقط برای بالهای فوقانی تیرها کافی است.
در صورت عدم برقراری رفتار الاستیک ستون در خارج از ناحیه چشمه اتصال، بایستی الزامات ذیل برقرار شود
- تامین مهار جانبی بال ستون در تراز موقعیت بالهای فوقانی و تحتانی تیرها به طور مستقیم و غیرمستقیم همانند الزامی است.
- تامین مستقیم مهار جانبی بال ستون از طریق مهار عضو مورد نظر یا سایر اعضای متصل به بال ستون نظیر تیرچه یا دال در مجاورت محل مهار جانبی و به منظور تامین کمانش جانبی برقرار میشود. همچنین تامین غیرمستقیم مهار جانبی از طریق سختی اعضا و اتصالات و از طریق جان ستون یا ورقهای سخت کننده که به طور مستقیم به بالهای ستون متصل نشدهاند تامین میشود.
اتصالات بدون مهاربندی
تامین مستقیم مهارجانبی بال ستون از طریق مهار عضو مورد نظر یا از طریق سایر اعضای متصل به بال ستون نظیر تیرچه یا دال در مجاورت محل مهار جانبی و به منظور جلوگیری از کمانش جانبی برقرار میشود. همچنین تامین غیرمستقیم مهار جانبی با افزایش سختی اعضا و اتصالات و از طریق جان ستون یا ورقهای سخت کننده که به طور مستقیم به بالهای ستون متصل نشدهاند فراهم میشود. مقاومت طراحی مورد نیاز ستون باید از طریق ترکیبات بارگذاری شامل زلزله تشدید یافته و بر اساس مبحث ششم مقررات ملی ساختمان مشخص شود.
مقاومت خمشی جانبی مورد نیاز ستون در قاب باربر جانبی باید شامل لنگر خمشی ناشی از کاربرد نیروی بال تیر مربوط به ضوابط مهار جانبی اتصالات تیر به ستون در اتصالات با مهارجانبی و بدون مهارجانبی و لنگر خمشی مرتبه دوم به دلیل وجود جابجایی جانبی بال ستون باشد.
تیر ضعیف – ستون قوی
در آیین نامههای طراحی، کلیه اتصالات خمشی تیر به ستون جزئی از سیستم باربر جانبی لرزهای در نظر گرفته شدهاند و لازم است مقاومت خمشی ستونهای متصل به گره (ستون قوی) با توجه به اثر کاهنده نیروی فشاری از مقاومت خمشی تیرهای اتصال (تیر ضعیف) بیشتر باشد. کاربرد ستون قوی- تیر ضعیف به طور مجزا و در امتداد هر یک از محورهای اصلی در قابهای خمشی ویژه الزامی و در قابهای خمشی متوسط تاکید شده است.
اتصالات قابهای خمشی متوسط
طراحی قابهای خمشی متوسط بر اساس ضوابط مبحث دهم مقررات ساختمان باعث میشود که انتظار وقوع ظرفیت تغییر شکل محدود از طریق تسلیم خمشی تیرها و ستونها و تسلیم برشی چشمههای اتصال ستونها فراهم شود. طراحی اتصالات تیر به ستون شامل چشمههای اتصال و ورقهای پیوستگی بر اساس الزامات این بخش مربوط به طراحی اتصالات تیر به ستون انجام میگیرد و نیازمند انجام تحلیلهای اضافی دیگری نیست.
مهاربندی جانبی تیرها
ضوابط مربوط به مهاربندی جانبی تیرها همانند قابهای خمشی ویژه است ولی در این قابها، تامین الزامات مربوط به اعضا با شکلپذیری متوسط انجام میگیرد.
الزامات اتصالات تیر به ستون
اتصالات تیر به ستون که در سیستم باربر لرزهای ساختمان مشارکت مینمایند باید الزامات ذیل را تامین نمایند:
- اتصالات باید ظرفیت چرخشی متناظر با حداقل تغییر مکان جانبی نسبی ۰/۰۲ رادیان را داشته باشند.
- مقاومت خمشی اتصال در بر ستون باید حداقل برابر با ۰/۸ مگاپاسکال مربوط به تیر متناظر با دوران نسبی ۰/۰۲ رادیان طبقه باشد.
محدودیتهای اتصال
به منظور مشارکت اتصالات تیر به ستون در سیستم باربری جانبی لرزهای قاب خمشی متوسط بایستی حداقل یکیاز ضوابط ذیل تامین شود.
- کاربرد اتصالات معرفی شده برای قابهای خمشی متوسط
- کاربرد اتصالات از پیش تایید شده برای قابهای خمشی فولادی مطابق الزامات طراحی مبحث دهم مقررات ملی ساختمان
استفاده از نتایج آزمایشگاهی برای بررسی و تایید اتصالات تیر به ستون که در آنها حداقل از دو آزمایش چرخهای مطابق ضوابط و پروتکلهای استاندارد معتبر استفاده شده است.
اتصالات قابهای خمشی معمولی
با توجه به محدودیتهای کاربرد قابهای خمشی معمولی بر اساس ضوابط موجود در استاندارد ۲۸۰۰ بنابراین اتصالات در قابهای خمشی معمولی باید حداقل ظرفیت تغییرشکل غیرالاستیک را تامین نمایند و نیاز به انجام تحلیلهای اضافی ندارد. برای اجزای اتصالات این قابها به غیر از الزامات طراحی موجود در مبحث دهم مقررات ملی ساختمان محدودیت نسبت عرض به ضخامت وجود ندارد. همچنین تامین مهار جانبی در اتصالات و رعایت ضوابط طراحی چشمه اتصال برای قابهای خمشی معمولی ضروری نیست.
کاربرد اتصالات تیر به ستون به صورت کاملاً گیردار FR و نیمه گیردار PR خمشی مطابق ضوابط ارائه شده در این بخش مجاز است.
جوشهای بحرانی
کاربرد جوشهای نفوذی کامل برای اتصال بال تیر به ستون در قابهای خمشی معمولی بر اساس جوشهای بحرانی همانند ضوابط مربوط به قابهای خمشی متوسط است.