سیستم قاب خمشی
سیستم قاب خمشی مجموعه‌ای از تیرها و ستون‌ها و اتصالات صلب است که به طور همزمان نیروهای جانبی و ثقلی را تحمل می‌کنند. در این سیستم چون هیچ عضو اضافی مثل مهاربند یا دیوار برشی وجود ندارد که در برابر تغییر شکل‌های جانبی مقاومت کند، بنابراین سازه از شکل پذیری بالایی برخوردار است. به عبارتی در صورت وارد شدن نیروهای جانبی، قاب سازه مشابه موم در برابر این نیروها تغییر شکل داده و بدین ترتیب مانع از خرابی ساختمان می‌شود.
در سیستم قاب خمشی بارهای قائم توسط قابهای ساختمانی تحمل شده و مقاومـت در برابر نیروهای جانبی توسط قابهای خمشی تأمین می‌شود. قابهای خمشی باعث ایجاد فضا‌های آزاد معماری با کمترین تداخل سازه‌ای میشوند. ساختمان‌های اداری که معمولاً نیاز به فضا‌های منعطف با کاربری‌های متنوع دارند از این سیستم استفاده می‌کنند. برای کاهش تغییر مکان جانبی در ساختمان‌های بلند سیستم‌های دوگانه استفاده می‌شود که از مهاربندی و یا دیوارهای برشی بهره می‌گیرند و معمولاً در هسته داخلی قرار داده میشوند زیرا در این نقاط انعطاف پذیری پلان زیاد مهم نیست.
به علت هزینه بالای اتصالات خمشی موجود در این سیستم ساختمان‌های با ارتفاع کم ممکن است از این سیستم در چند دهانه محدود استفاده شود. دیگر دهانه‌های مفصلی تنها بارهای قائم را تحمل کرده و توسط دهانه‌های دیگری که قاب خمشی هستند پشتیبانی میشوند. اتصال تیر به ستون معمولاً قائم بوده و تلاش می‌شود که بعد از تغییر شکل نیز قائم باقی بماند. تیرها با مقاومت در مقابل پیچش به تحمل بارهای جانبی کمک می‌کنند.
انواع سیستم‌های قاب خمـشی
قاب خمـشی معمـولی
قاب خمـشی معمـولی بـه قـابی اطلاق می‌شود که اجزای تشکیل دهنده آن، دارای آن چنان جزئیاتی است کـه تغییرشـکل‌های فرا ارتجـاعی انـدکی را در برابر زلزله طرح از خود نشان بدهد.
قاب خمشی متوسط
قاب خمـشی متوسـط بـه قـابی اطلاق می‌شود که در برابـر نیروهـای جـانبی زلزلـه بتوانـد، تغییرشکل‌های فرا ارتجـاعی محدودی را تحمل کنـد. در طراحی این قاب‌ها سعی بر آن است که در یک یـا دو انتهـای تیر، در خارج از محدوده اتـصال تیـر بـه سـتون، مفـصل‌های پلاستیک تشکیل شوند.
قـاب خمـشی ویـژه
قـاب خمـشی ویـژه بـه قـابی اطـلاق می‌شود که در برابر نیروهای جانبی زلزله بتوانـد تغییرشـکل‌های فرا ارتجاعی قابل ملاحظه‌ای را تحمل کند. در طراحی ایـن قاب‌هـا سعی بر آن است کـه در یـک یـا دو انتهـای تیـر، در خـارج از محدوده اتصال تیر به ستون، مفصل‌های پلاستیک تشکیل شوند.
اتصالات سیستم قاب خمشی
ویژگی‌های سیستم قاب خمشی ما را ملزم می‌کند، اتصالات پیچیده و صلبی برای این سیستم در نظر بگیریم تا در هنگام وارد شدن بار جانبی، شکل پذیری این سیستم را کنترل کرده و از جدا شدن اعضا به دلیل تغییرشکل‌های جانبی جلوگیری کند. به بیان ساده اعضای سیستم قاب خمشی شکل پذیرند و اتصالات سخت هستند. در نتیجه عملکردهای مکملی را در برابر بارهای جانبی خواهند داشت. اتصال صلب اتصالی است که علاوه بر مقاومت در برابر جدا شدن اعضا از یکدیگر، از چرخش اعضا نسبت به هم جلوگیری می‌کند. در این نوع اتصاالت زاویه اجزای متصل شونده قبل از بارگذاری ۹۰ درجه است و بعد از بارگذاری نیز ثابت (یعنی همان ۹۰ درجه) باقی می‌ماند.
مزایا و معایب سیستم قاب خمشی
- آزادی عمل بالا در معماری
- انعطاف پذیری مناسب
- اتصالات سنگین و پیچیده
- بالا رفتن وزن سازه
- هزینه بالا
- تغییر مکان‌های جانبی زیاد
ضوابط لرزه‌ای قاب خمشی ویژه
- مقاطع ستون‌ها باید از نوع فشرده لرزه‌ای باشـند. ضـوابط آیین نامه برای مقاطع فشرده لرزه‌ای سـخت گیرانـه‌تـر از مقاطع فشرده است.
- در سـتون‌ها اسـتفاده از مقطـع متـشکل از چنـد نیمـرخ بست دار مجاز نیست.
- ظرفیت بار محوری ستون در فشار یـا کـشش، بـدون در نظر گرفتن لنگر خمشی وارد بر آن، نبایـد کمتـر از بـار محوری تعیین شده در ترکیب بـار زلزلـه تـشدید یافتـه باشد.
- در ناحیه بحرانی ایجـاد هر گونـه تغییـر در ضـخامت یـا پهنای بال تیر مجاز نیست.
- برشگیرهایی که برای مرکب کردن دال بتن آرمه و تیرها به کار برده می‌شود نباید در ناحیه بحرانی نصب شود.
- استفاده از تیرهای لانه زنبوری مجاز نیست.
- اتصال تیر به ستون باید برای لنگر خمشی و نیروی برشی قابل انتظار که در بر ستون ایجاد می‌شود، طراحی شود.
ضوابط لرزه‌ای قاب خمشی متوسط
الزامات مربوط به طراحی اعضاء و اتصالات آنهـا در ایـن قاب‌ها عمدتاً همان الزامات مربوط بـه قاب‌هـای خمـشی ویـژه است که در آنها موارد سختگیرانه کمتری لحاظ شده است.
- مقاطع تیرها و ستون‌ها از نوع فشرده است ولـی لازم نیست ضوابط فشردگی لرزه‌ای را ارضاء نماید.
- در سـتون‌ها اسـتفاده از مقطـع متـشکل از چنـد نیمـرخ بست‌دار مجاز است، مشروط بـر ایـن کـه خمـش در ستون حول محور با مصالح باشد.
- در طراحی تیرها برای برش می‌توان یـا الزامـات قاب‌هـای خمشی ویژه را رعایت کرد و یا برش ایجاد شده در تیـر تحت اثر ترکیـب بـار زلزلـه تـشدید یافتـه و هـر کـدام کوچکترند را به کار برد.
- در طراحی اتصال تیر بـه سـتون بـرای خمـش و بـرش می‌توان یا الزامات قابهای خمشی ویژه را رعایت کرد و یا لنگر خمشی و بـرش ایجـاد شـده در اتـصال تحـت اثـر ترکیب بار زلزله تشدید یافته و هر کدام کوچکترند را به کار برد.
آشنایی با انواع دیگر سیستم‌های ساختمانی
سیستم قاب ساختمانی ساده
در این سیستم بارهای قائم عمدتاً به وسیله قابهای ساختمانی با اتصالات ساده تحمل می‌شود و مقاومت در برابر نیروی جانبی به وسیله دیوار برشی یا همان قابهای مهاربندی شده تامین می‌شود. پس در سیستم قابهای ساده ساختمانی سیستم پایه و انواع مهاربندها و دیوار برشی سیستم مقاوم در برابر نیروی جانبی هستند.
سیستم مهاربندی
سیستم مهاربندی مجموعه‌ای از اعضای قائم (ستون‌ها)، اعضای افقی(تیرها) و اعضای مورب (بادبندها) است که توسط اتصالات مفصلی به یکدیگر متصل شده‌اند. در این سیستم، مهاربندها با ایجاد سختی در برابر نیروهای جانبی مقاومت کرده و مانع از خرابی سازه میشوند.
انواع قابهای مهاربندی شده
قابهای مهاربندی شده هم مرکز معمولی
در این سیستم محورهای خنثی در تیر، ستون و عضو مهاری از یک نقطه، در محل هر اتصال عبور می‌کند و به همین علت به آنها همگرا یا هم مرکز، اطلاق می‌شود.
قاب مهاربندی شده واگرا
این سیستم از ترکیب سختی الاستیک قابهای مهاربندی شده هم مرکز معمولی با شکل پذیری مناسب قابهای خمشی به وجود آمده است. به علت کمانش عضوهای مهاری عدم تامین شکل پذیری لازم، رفتار آنها در برابر زلزله مناسب نیست. در این سیستم بین انتهای دو عضو مهاری، عضو مهاری با ستون یا عضو مهاری با تیر طبقه، یک فاصله ایجاد شده است.
اتصالات سیستم مهاربندی
از آن جایی که مهاربندها در سیستم‌های مهاربندی سختی ایجاد می‌کنند نیاز به اتصالاتی دارند که اجازه‌ی حرکت آزادانه را به اعضا بدهند. تا حدی سازه در برابر نیروی جانبی مقاومت می‌کند ولی پس از افزایش نیرو به دلیل سختی بالا دچار خرابی شدیدی می‌شود. پس لازمه‌ی عملکرد بهینه سازه این است که سختی اعضای مهاربندی و شکل پذیری اتصالات آنها در کنار هم و به صورت مکمل در برابر بار جانبی وارد عمل شوند.
اتصال مفصلی اتصالی است که در برابر چرخش هر یک از اعضای متصل به آن هیچ مقاومتی از خود نشان نداده و فقط مانع جدا شدن اعضا از یکدیگر می‌شود. درست مشابه کاری که مفصل زانوی انسان انجام می‌دهد.
مزایا و معایب سیستم مهاربندی
- سختی زیاد
- کنترل تغییر مکان‌های جانبی
- سادگی اجرا
- اقتصادی بودن
- محدودیت معماری در بازشوها ارتعاش زیاد
سیستم‌های دوگانه یا ترکیبی
نوعی سیستم سازه‌ای است که در آن بارهای قائم عمدتاً توسط قابهای سـاختمانی تحمل می‌شـوند. مقاومـت در برابـر بارهـای جـانبی توسـط مجموعه‌ای از دیوارهای برشـی یـا قاب‌هـای مهاربنـدی شـده همراه با مجموعه‌ای از قابهای خمشی صورت می‌گیرد. سهم باربری جانبی هر یک از دو مجموعـه بـا توجـه بـه سـختی جانبی و اندرکنش آن دو، در تمام طبقات تعیـین مـی‌شـود. قابهای خمشی قادرند به تنهایی، حداقل ۲۵ درصـد نیـروی جانبی وارد به ساختمان را تحمل کنند.
تفاوت سیستم مهاربندی و قاب خمشی به زبان ساده
اصولاً در بررسی و مقایسه سیستم‌های مختلف دو معیار عمومی زیر را باید مورد توجه قرار داد.
- سازه باید برای حفظ تغییر شکل‌ها تا حدی که خسارت زلزله‌های معمولی به صورت غیرسازه‌ای باشد دارای سختی کافی باشد.
- شکل پذیری سازه باید به اندازه‌ای باشد که در زلزله‌های شدید دچار تخریب سیستم سازه‌ای و انهدام عمومی نشود.
قاب مهاربند شده همگرا ویژه
قابهای مهاربندی شده همگرای ویژه به قاب‌هایی گفته می‌شـود کـه در آنهـا از مهاربندها انتظار می‌رود تحت اثـر بـار جـانبی زلزلـه طـرح، تغییرشکل‌های فرا ارتجاعی قابل ملاحظه‌ای را تحمـل کننـد و در آنها کاهش مقاومت چندانی رخ ندهد. رفتـار فرا ارتجـاعی مورد نظر ممکن است بـه مرحلـه بعـد از کمـانش مهاربنـد توسعه یابد. به این ترتیب پیکره‌بندی (جانمـایی) و طراحـی مهاربند و اتصالات آن بایـد چنـان باشـد کـه از عهـده ایـن تغییرشکل‌ها برآید و رفتار تیرها و سـتون‌ها در قـاب عمـلاً در مرحله ارتجاعی باقی بماند.
محاسن و معایب عمده قاب مهاربند شده
- برای ساختمان‌های کوتاه، یک یا دو مهاربندی درون دیوارها محدودریت کمی را موجب میشوند، اما در ساختمان‌های نیمه مرتفع این مهارها بصورت چشمگیری افزایش می‌یابند.
- مانع عمده‌ای در قبال عبور کانال‌های هوا رسانی و شبکه تأسیسات ساختمان نیستند.
- با تغییر شکل مهاربندی، می‌توان حتی در پانل‌های مهاربندی شده به بازشویی دست یافت.
- بخصوص هنگامی که مهارها به صورت کششی طرح میشوند سطح مقطع آنها کوچک بوده و درون دیوارها پنهان میشوند.
- به محض اجراء سیستم پایدار خواهد بود.
- امروزه سیستم‌های مهاربندی نمایان در داخل یا خارج ساختمان، یک فرم معماری را تشکیل می‌دهند.
- دیوارهای درون مهاربندی‌ها نمی‌توانند بصورت پیش ساخته باشند.
- اعضاء قطری برای ساختمان‌های نیمه مرتفع، سطح مقطع بسیار زیادی را دارا هستند.
در مهاربندی قاب‌ها باید توجه نمود که با افزایش دهانه مهارشده، می‌توان طرح اقتصادی‌تر و سازه صلب‌تری را بدست آورد. همچنین می‌توان با استفاده از اتصالات صلب – تیر ستونی کلاً سازه صلب‌تری را بدست آورد که نهایتاً یک سیستم مرکب قاب مهاربندی شده را نتیجه می‌دهد. این سیستم می‌تواند در ساختمان اداری و هتل این پروژه مورد استفاده قرار گیرد.
سیستم قاب با مهار کمربندی
روش عمومی برای مهاربندی سازه‌های نیمه مرتفع، مهاربندی اطراف هسته مرکزی است. ولی برای سازه‌هایی با محدودیت مهاربندی در اطراف هسته و یا سازه‌هایی بلندتر از حدوداً ۱۵۰ متر اگر هسته مرکزی تنها سیستم باربر جانبی سازه باشد، سختی سازه کاهش یافته و تغییر مکان جانبی به شدت افزایش می‌یابد. یک مفهوم اساسی در طی دو دهه گذشته تکنیک استفاده از یک خرپای کلاهک جهت اتصال هسته مرکزی و سیستم قاب خارجی است. در این سیستم ستون‌ها توسط یک سری خرپای واسط به خرپای کلاهک متصل میشوند، در این صورت ستون‌های خارجی بغیر از نیروهای ثقلی، قسمت عمده‌ای از نیروهای جانبی را تحمل می‌نمایند.
عملکرد خرپای کمربندی به عنوان یک سخت کننده افقی، وابسته کردن دیگر ستون‌ها به قسمت باربر جانبی است. حدوداً ۲۵ تا ۳۰% سختی کل قاب با افزودن این خرپای کمربندی افزایش می‌یابد، زیرا که باعث درگیری کل ستون‌های بیرونی در عملکرد پایداری جانبی میشوند.
نکاتی در طراحی ساختمان‌های بتنی با قاب خمشی
در طراحی و آنالیز با نرم افزار ETABS در ساختمان‌های بتنی با قاب خمشی مطابق آئین نامه ۲۸۰۰۰ رعایت نکات زیر ضروری است.
- در سیستم‌های باربر، دال دو طرفه از مناسب‌ترین سیستم‌های بار بر ثقلی به شمار می‌رود.
- ضخامت دال باید قبل از شروع عملیات مدل سازی به کمک روش دستی محاسبه شود.
- بهترین و دقیق ترین روش برای این کار استفاده از نرم افزار safe است.
- دال یک طبقه باید مدل شود و کفایت آن از لحاظ کنترل خیز و میلگرد مورد نیاز در این برنامه کنترل شود.
