کارشناسی مفهوم علمی ۲۱ بهمن ۱۳۹۶ زمان خواندن: ۷ دقیقه

جلوگیری از خرابی پیشرونده قاب ها با اتصالات خمشی

در این پست می‌خوانید:

در این نوشتار تصمیم داریم در مورد عملکرد اتصالات خمشی در جلوگیری از خرابی پیشرونده قاب ها مطالبی را در اختیار شما بازدیدکنندگان قرار دهیم.

مقدمه

از زمانی که برای اولین بار عبارت گسیختگی پیشرونده وارد ادبیات طراحی سازه ای شده است، بیش از 50 سال نمی گذرد. در این نیم قرن، سه اتفاق بزرگ سبب توجه مهندسین، به این نوع از خرابی شده است. در اتفاق اول که درسال 1968 به وقوع پیوست، یک دهانه کامل از ساختمان منهدم شد. در اتفاق دوم، ساختمان فدرال در سال 1995، در اثر انفجار بمب دچار تخریب عظیمی شد و آخرین اتفاق در 11 سپتامبر 2001 به وقوع پیوست و طی آن دو برج شمالی و جنوبی مرکز تجارت جهانی در نیویورک، در اثر برخورد دو هواپیما، به طورکامل تخریب شدند. این سه اتفاق شاید در نگاه اول متفاوت بودند، اما در واقع، هر سه یک وجه تشابه داشتند و آن خرابی سازه در اثر حذف یک یا چند عضو اولیه سازه بود که منجر به تخریب همه یا بخش عظیمی از سازه شد. بنابراین همواره جلوگیری از خرابی پیشرونده حائز اهمیت و مورد توجه مهندسین عمران است.

فروپاشی ها و خرابی هایی که در سالیان اخیر در ساختمان ها رخ داده است، موضوع گسیختگی پیشرونده را بسیار برجسته نموده است. در حقیقت در این نوع از گسیختگی که گسیختگی نامتناسب نیز نامیده می شود نسبت خرابی نهایی به خرابی اولیه زیاد بوده و ایجاد گسیختگی موضعی در سازه می تواند منجر به گسیختگی پیشرونده در کل سازه و یا قسمت بزرگی از آن شود. عوامل مختلفی می توانند باعث خرابی موضعی و نهایتا گسیختگی پیشرونده در سازه ها شوند. از مهمترین این عوامل می توان به خطای طراحی یا ساخت، آتش سوزی، انفجار، اضافه بار تصادفی، تصادف وسایل نقلیه، انفجار بمب ها و غیره اشاره نمود. طی این نیم قرن، آیین نامه ها و استانداردهای مختلفی سعی کرده اند که این موضوع را پوشش دهند، اما بیشتر آن ها به بیان عبارات کیفی بسنده کرده اند و کمتر راه حل های عملی ارائه داده اند. در سال های اخیر، دو مؤسسه GSA و DOD روش هایی برای طراحی مقاوم در برابر گسیختگی پیشرونده ارائه داده اند که با استقبال خوب مهندسین روبرو شده است.

امنیت سازه همیشه در طراحی پروژه های مهندسی عمران امری کلیدی بوده است. تخریب پیشرونده رویدادی نسبتا نادر است که در آن بارهای غیرمتعارف آسیب موضعی را ایجاد می کنند و سازه به دلیل کمبود پیوستگی، شکل پذیری و نامعینی، آسیب را پخش می کند. در صورتی که سازه در برابر گسترش گسیختگی پیشرونده از پیوستگی و شکل پذیری لازم برخوردار باشد، تنها خرابی موضعی رخ می دهد. در بسیاری از موارد خرابی های پیشرونده مشاهده شده است که تلفات جانی در جریان پدیده گسیختگی پیشرونده بسیار بیشتر از تلفاتی است که در هنگام اعمال بار غیرعادی اولیه در سازه رخ می دهد.

مطلب مشابه : خرابی پیش رونده در سازه ها و راه های جلوگیری از آن

سیستم قاب خمشی‌

سیستم قاب خمشی مجموعه ‌ای از تیرها، ستون ‌ها و اتصالات صلب است که به طور همزمان نیروهای جانبی و ثقلی را تحمل می ‌کنند. در این سیستم چون هیچ عضو اضافی مثل مهاربند یا دیوار برشی‌ وجود ندارد که در برابر تغییر شکل‌ های 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 می ‌شود.

‌در سیستم قاب خمشی‌ بارهای قائم توسط قاب ‌های ساختمانی تحمل شده و مقاومـت در برابر نیروهای جانبی توسط قاب‌ های خمشی تأمین می ‌شود. قاب ‌های خمشی باعث ایجاد فضا‌های آزاد معماری با کمترین تداخل سازه ‌ای می ‌شوند. ساختمان ‌های اداری که معمولاً نیاز به فضا‌های منعطف با کاربری ‌های متنوع دارند از این سیستم استفاده می‌ کنند. برای کاهش تغییر مکان جانبی در ساختمان ‌های بلند سیستم ‌های دوگانه استفاده می‌ شود که از مهاربندی و یا دیوار‌های برشی بهره می ‌گیرند و معمولاً در هسته داخلی قرار داده می ‌شوند زیرا در این نقاط انعطاف پذیری پلان زیاد مهم نیست.

به علت هزینه بالای اتصالات خمشی موجود در این سیستم، در ساختمان ‌های با ارتفاع کم ممکن است از این سیستم در چند دهانه محدود استفاده شود. دیگر دهانه ‌های مفصلی تنها بار‌های قائم را تحمل کرده و توسط دهانه‌ های دیگری که قاب خمشی هستند پشتیبانی می ‌شوند. اتصال خمشی تیر به ستون معمولاً قائم بوده و تلاش می ‌شود که بعد از تغییر شکل نیز قائم باقی بمانند. تیر‌ها با مقاومت در مقابل پیچش به تحمل بار‌های جانبی کمک می‌ کنند. در شکل 1 یک نمونه از اتصالات خمشی برای جلوگیری از خرابی پیشرونده آورده شده است.

شکل 1 . کاربرد اتصالات خمشی برای جلوگیری از خرابی پیشرونده

انواع سیستم ‌های قاب خمـشی ‌

قاب خمـشی معمولی

قاب خمـشی معمـولی به قـابی اطلاق می‌ شود که اجزای تشکیل دهنده آن، دارای آن چنان جزئیاتی است کـه تغییر شـکل‌ های فرا ارتجـاعی انـدکی را در برابر زلزله طرح از خود نشان بدهد‌.

‌قاب خمشی متوسط‌

قاب خمـشی متوسـط بـه قـابی اطلاق می ‌شود که در برابـر نیروهـای جـانبی زلزلـه بتوانـد، تغییر شکل ‌های فرا ارتجـاعی محدودی را تحمل کنـد. در طراحی این قاب ‌ها سعی بر آن است که در یک یـا دو انتهـای تیر، در خارج از محدوده اتـصال تیـر بـه سـتون، مفـصل ‌های پلاستیک تشکیل شوند.

قـاب خمـشی ویـژه

قـاب خمـشی ویـژه بـه قـابی اطـلاق می‌ شود که در برابر نیروهای جانبی زلزله بتوانـد تغییر شـکل ‌های فرا ارتجاعی قابل ملاحظه ‌ای را تحمل کند. در طراحی ایـن قاب ‌هـا سعی بر آن است کـه در یـک یـا دو انتهـای تیـر، در خـارج از محدوده اتصال تیر به ستون، مفصل‌ های پلاستیک تشکیل شوند.

پیشنهاد مطالعه : بهسازی و مقاوم ‌سازی لرزه ‌ای ساختمان ‌های بتنی

اتصالات سیستم قاب خمشی

‌ویژگی‌ های سیستم قاب خمشی، ما را ملزم می‌ کند، اتصال خمشی پیچیده و صلبی برای این نوع 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 تغییر شکل ‌های جانبی جلوگیری کند. به بیان ساده اعضای سیستم قاب خمشی شکل پذیرند و اتصالات خمشی 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 می‌ کند. در این نوع اتصالات زاویه اجزای متصل شونده قبل از بارگذاری ۹۰ درجه است و بعد از بارگذاری نیز ثابت (یعنی همان ۹۰ درجه) باقی می ‌ماند.

‌مزایا و معایب سیستم قاب خمشی‌

مزایا سیستم قاب خمشی به شرح زیر است :

1 . آزادی عمل بالا در معماری

2 . انعطاف پذیری مناسب

معایب سیستم قاب خمشی به شرح زیر است :

1 . اتصالات سنگین و پیچیده

2 . بالا رفتن وزن سازه

3 . هزینه بالا

4 . تغییر مکان ‌های جانبی زیاد

ضوابط لرزه ‌ای قاب خمشی ویژه

1 . مقاطع ستون ‌ها باید از نوع فشرده لرزه ‌ای باشـند. ضـوابط آیین نامه برای مقاطع فشرده لرزه ‌ای سـخت گیرانـه ‌تـر از مقاطع فشرده است.

2 . در سـتون‌ ها اسـتفاده از مقطـع متـشکل از چنـد نیمـرخ بست دار مجاز نیست.

3 . 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.

4 . در ناحیه بحرانی ایجـاد هر گونـه تغییـر در ضـخامت یـا پهنای بال تیر مجاز نیست.

5 . برش گیر هایی که برای مرکب کردن دال بتن آرمه و تیرها به کار برده می ‌شوند نباید در ناحیه بحرانی نصب شود.

6 . استفاده از تیرهای لانه زنبوری مجاز نیست.

7 . اتصال خمشی تیر به ستون باید برای لنگر خمشی و نیروی برشی قابل انتظار که در بر ستون ایجاد می‌شود، طراحی شود.

ضوابط لرزه ‌ای قاب خمشی متوسط

الزامات مربوط به طراحی اعضاء و اتصالات آن هـا در ایـن قاب‌ ها عمدتاً همان الزامات مربوط بـه قاب‌ هـای خمـشی ویـژه است که در آن ها موارد سختگیرانه کمتری لحاظ شده است.

1 . مقاطع تیرها و ستون‌ ها از نوع فشرده است ولـی لازم نیست ضوابط فشردگی لرزه ‌ای را ارضاء نماید.

2 . یک قاب خمشی اگر برای بارهای ناشی از زلزله به طور مناسب طراحی شود هیچ اطمینانی وجود ندارد از اینکه این سازه برای جلوگیری از خرابی پیشرونده هم مناسب باشد. زیرا هم نوع بارگذاری کلی در این دو حالت متفاوت است و هم نوع رفتار اتصالات متفاوت می باشد. لذا بررسی سازه ها و اتصالات خمشی آنان در برابر خرابی پیشرونده همچنان نیازمند تحقیقات بیشتر می باشد. در شکل 2 یک نمونه اتصالات خمشی نشان داده شده است.