عمران, مهندسی 61 بازدید

قاب خمشی یکی از پرکاربردترین سیستم های باربر جانبی لرزه‌ای است که به صورت منفرد یا ترکیبی با دیگر سیستم‌ها برای مقابله با اثرات مخرب بارهای دینامیکی ناشی از زلزله در نواحی لرزه‌خیز یا ساختمان‌های بلند مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مقاله، ضمن معرفی انواع قاب خمشی و ویژگی‌های آن‌ها، به تشریح رفتار المان‌های مختلف این سیستم در هنگام رخ دادن زلزله‌های شدید می‌پردازیم. در انتها نیز سیستم قاب خمشی را با قاب مهاربندی شده و دیوار برشی مقایسه می‌کنیم.

فهرست مطالب این نوشته پنهان کردن

سیستم سازه ای چیست؟

سیستم سازه‌ای، مجموعه‌ای از المان‌های باربر ساختمان است که وظیفه توزیع و انتقال نیروهای اعمال شده به فونداسیون را برعهده دارد. سیستم سازه‌ای مناسب برای یک ساختمان، با توجه به کاربری مورد نیاز و شرایط بارگذاری مورد انتظار تعیین می‌شود. از متداول‌ترین انواع سیستم‌های ساختمانی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • دیوار باربر
  • نعل-پایه
  • قاب
  • کابل
  • خرپا

عملکرد هر یک از موارد بالا در شرایط بارگذاری مختلف، متفاوت است. به عنوان مثال، ویژگی‌های سیستم قاب، آن را به گزینه مناسبی برای اجرای انواع ساختمان‌های مسکونی، تجاری و صنعتی تبدیل می‌کند. سازه‌های ساخته شده توسط این سیستم با عنوان سازه قابی شناخته می‌شوند.

سازه قابی چیست ؟

«سازه قابی» (Framed Structure)، سازه‌ای است که از ترکیب دال، تیر و ستون برای تحمل، توزیع و انتقال بارهای ثقلی و جانبی استفاده می‌کند. این سازه‌ها معمولا به منظور مقاومت در برابر نیروهای بزرگ و گشتاورهای ناشی از بارهای اعمال شده مورد استفاده قرار می‌گیرند. سازه‌های قابی توسط مصالح فولادی، بتن آرمه، چوبی و یا کامپوزیت (ترکیب فولاد و بتن) اجرا می‌شوند. این سیستم‌ها انواع مختلفی دارند که از متداول‌ترین آن‌ها می‌توان به سیستم قاب خمشی و سیستم قاب مهاربندی‌شده اشاره کرد. در انتهای مقاله به مقایسه این دو سیستم خواهیم پرداخت.

ساختمان با اسکلت قاب فولادی
ساختمان با اسکلت قاب فولادی

قاب خمشی در ساختمان چیست؟

قاب خمشی، سیستمی است که در آن، اتصالات تیر به ستون از نوع پیوسته (گیردار) است. 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. تصویر زیر، یک قاب خمشی فولادی معمولی را نمایش می‌دهد.

نمونه‌ای از یک قاب خمشی فولادی مورد استفاده برای بخش ورودی ساختمان
نمونه‌ای از یک قاب خمشی فولادی مورد استفاده برای بخش ورودی ساختمان

قاب خمشی نمایش داده شده در تصویر بالا، از سه پروفیل I شکل تشکیل شده است. این پروفیل‌ها با استفاده از جوش (اتصال گیردار یا صلب) به یکدیگر متصل شده‌اند. پایه ستون‌های قاب خمشی بالا در فونداسیون بتنی قرار دارد. البته در برخی از موارد، این سیستم‌ها از اتصال چهار پروفیل (قاب مستطیلی شکل) تشکیل می‌شوند و درون پی بتنی قرار می‌گیرند.

استفاده از قاب خمشی، فضای آزاد را افزایش و میزان مصالح مصرفی را کاهش می‌دهد (کاهش بار ثقلی سازه). صلبیت اتصالات این قاب نیز باعث مقاومت در برابر بارهای جانبی می‌شود (افزایش سختی سازه). به دلیل کاهش بار ثقلی و افزایش سختی، قاب های خمشی (مخصوصا نوع ویژه آن‌ها) در گروه سیستم های باربر جانبی لرزه ای قرار می‌گیرند.

سیستم باربر جانبی چیست؟

«سیستم باربر جانبی لرزه‌ای» (Seismic/Lateral Force-Resisting System) یا به اختصار «SFRS»، بخشی از سیستم سازه‌ای است که وظیفه تامین مقاومت جانبی، سختی جانبی و شکل‌پذیری در برابر نیروهای ناشی از زلزله را بر عهده دارد. قاب خمشی، قاب مهاربندی‌شده و دیوار برشی از متداول‌ترین سیستم‌های باربر جانبی لرزه‌ای در ساختمان به شمار می‌روند. هر یک از این سیستم‌ها با مکانیزم مختص به خود در برابر بارهای جانبی مقاومت می‌کنند. قاب خمشی، یکی از بهترین سیستم های سازه ای مقاوم در برابر بارهای جانبی است. این سیستم از مجموعه تیرها و ستون‌هایی تشکیل می‌شود که اتصالات صلب (اتصالات خمشی) آن‌ها به یکدیگر، امکان مقاومت در برابر جابجایی‌های جانبی را فراهم می‌کنند.

متداول‌ترین سیستم‌های باربر جانبی
متداول‌ترین سیستم‌های باربر جانبی: دیوار برشی (راست)، قاب مهاربندی‌شده (وسط) و قاب خمشی (چپ)

اتصالات خمشی یا اتصالات صلب چه هستند؟

در مهندسی سازه، «اتصال خمشی» (Moment Connection)، اتصالی است که امکان انتقال نیروهای گشتاور خمشی بین تیر و ستون یا هر دو عضو سازه‌ای دیگر را فراهم می‌کند. هدف از اجرای این نوع اتصال، ایجاد صلبیت سازه یا بخشی از آن به منظور جلوگیری از حرکت‌های جانبی و دورانی است. به همین دلیل، اتصال خمشی با عنوان اتصالات صلب نیز شناخته می‌شود. روش‌های مختلفی برای اجرای این نوع اتصال وجود دارند. انواع اتصالات خمشی عبارت هستند از:

  • اتصالات جوشکاری شده
  • اتصالات فلنجی با پیچ یا جوش
  • اتصالات صفحه‌ای با پیچ یا جوش
تصویر شماتیک اتصال صلب (خمشی) جوشکاری شده بین تیر و ستون
تصویر شماتیک اتصال صلب (خمشی) جوشکاری شده بین تیر و ستون

چه زمانی از قاب خمشی استفاده کنیم؟

مزیت اصلی قاب های خمشی نسبت به دیگر سیستم‌های باربر جانبی، عدم استفاده از دیوارهای سازه‌ای (دیوار برشی) یا بادبندهای قطری (قاب مهاربندی‌شده) است. این ویژگی، دست معماران را برای طراحی باز می‌گذارد. در طرف مقابل، به دلیل استفاده از پروفیل‌های سنگین و اتصالات پیش تایید شده، هزینه اجرای این سیستم نسبتا بیشتر است. اگرچه، قاب های خمشی معمولا نیروهای کوچک‌تری را به فونداسیون اعمال می‌کنند. بنابراین، هزینه اجرای فونداسیون در آن‌ها کاهش می‌یابد. این موارد، از عوامل تاثیرگذار در انتخاب قاب خمشی یا عدم انتخاب آن هستند. به طور کلی پارامترهای موثر بر انتخاب سیستم‌های باربر جانبی عبارت هستند از:

  • سختی (صلبیت)
  • استحکام
  • معماری
  • عملکرد (سازه‌ای و معماری)
  • هزینه

با افزایش ارتفاع ساختمان، صبلیت سیستم مورد استفاده باید افزایش پیدا کند؛ چراکه در ساختمان‌های بلند، امکان حرکت جانبی بر اثر بارهای دینامیک (زلزله و باد) افزایش می‌یابد. از این‌رو، عدم صلبیت کافی می‌تواند تخریب سازه را به همراه داشته باشد. البته به خاطر داشته باشید که صلبیت زیاد همیشه خوب نیست؛ چراکه، بالا بودن این ویژگی، شکل‌پذیری سازه را کاهش و شکنندگی آن را افزایش می‌دهد. در نتیجه، مهندس سازه باید با طراحی سیستم مناسب، بین صلبیت و شکل‌پذیری تعادل برقرار کند. این مباحث اغلب در حوزه دینامیک سازه مورد بحث قرار می‌گیرند. برای آشنایی با مفاهیم دینامیک سازه‌ها می‌توانید فیلم آموزشی تهیه شده توسط فرادرس را مشاهده کنید. لینک این فیلم در ادامه آورده شده است:

در صورت انتخاب قاب خمشی به عنوان گزینه مناسب با توجه به پارامترهای بالا، نوبت به انتخاب نوع قاب می‌رسد. قاب های خمشی دارای انواع متنوع با عملکرد متفاوت هستند که در بخش بعدی به معرفی آن‌ها می‌پردازیم.

انواع قاب خمشی کدام هستند؟

قاب خمشی معمولی (OMF)، متوسط (IMF) و ویژه (SMF) از انواع اصلی قاب های خمشی هستند. البته انعطاف‌پذیری بالای این سیستم‌ها، امکان به کارگیری آن‌ها دیگر سیستم‌های باربر جانبی به صورت سیستم دوگانه یا ترکیبی مانند قاب خمشی-مهاربند، قاب خمشی-دیوار برشی و قاب خمشی-خرپا را نیز فراهم می‌کند. در این بخش، ابتدا به تعریف انواع قاب های خمشی بر اساس استانداردهای ملی و بین‌المللی می‌پردازیم. سپس، به منظور درک بهتر تفاوت‌های این سیستم‌ها، مشخصات آن‌ها را با یکدیگر مقایسه می‌کنیم. در انتهای بخش نیز، اصول سیستم‌های دوگانه را توضیح می‌دهیم.

قاب خمشی معمولی چیست؟

«قاب خمشی معمولی» (Ordinary Moment Frame) یا به اختصار «OMF»، یکی از انواع سیستم‌های باربر جانبی لرزه‌ای است که معمولا در ساختمان‌های یک طبقه مورد استفاده قرار می‌گیرد. شکل‌پذیری مورد انتظار در این سیستم حداقل بوده و از طریق تغییر شکل‌های دورانی فرا ارتجاعی کم در انتهای عضوهای اصلی و تسلیم برشی در ناحیه چشمه اتصال تامین می‌شود. به عبارت دیگر، توانایی قاب خمشی ساده در برابر تحمل بارهای جانبی کم است. از این‌رو، این سیستم فقط در نواحی دارای سطح لرزه‌خیری پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد. به دلیل عملکرد پایین قاب خمشی معمولی در برابر جابجایی‌های جانبی، سخت‌گیری زیادی بر روی مطابقت آن با الزامات طراحی لرزه‌ای نمی‌شود. به علاوه، الزامی برای استفاده از اتصالات پیش‌تایید‌شده در این سیستم وجود ندارد. برای تحمل بارهای ثقلی نیز می‌توان از عملکرد مختلط بین تیر فولادی با دال بتنی متکی بر آن استفاده کرد.

قاب خمشی متوسط چیست؟

«قاب خشمی متوسط» (Intermediate Moment Frame) یا به اختصار «IMF»، یکی دیگر از سیستم‌های باربر جانبی لرزه‌ای است که عملکرد بهتری نسبت به قاب خمشی معمولی دارد. شکل‌پذیری مورد انتظار در این سیستم نیز محدود بوده و از طریق تغییر شکل‌های دورانی فرا ارتجاعی کم در انتهای عضوهای اصلی و تسلیم برشی در ناحیه چشمه اتصال تامین می‌شود. این سیستم برای ساختمان‌سازی در نواحی دارای سطح لرزه‌خیزی متوسط تا پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از اتصالات گیردار پیش‌تاییدشده یا انجام آزمایش کنترل کیفیت اتصالات در قاب خمشی متوسط الزامی است. رعایت این مسئله، امکان تحمل تغییر مکان جانبی نسبی طبقات با زاویه 0.02 رادیان را فراهم می‌کند. با رعایت الزامات اتصالات گیردار پیش‌تاییدشده در این سیستم می‌توان از عملکرد مختلط بین تیر فولادی با دال بتنی متکی بر آن برای تحمل بارهای ثقلی استفاده کرد.

قاب خمشی ویژه چیست؟

«قاب خشمی ویژه» (Special Moment Frame) یا به اختصار «SMF»، از بهترین و قویترین سیستم‌های باربر جانبی لرزه‌ای است که به طور ویژه برای تحمل بارهای دینامیکی بزرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند. شکل‌پذیری مورد انتظار از این سیستم بسیار بالا است. این شکل پذیری توسط تغییر شکل‌های دورانی فرا ارتجاعی زیاد در انتهای تیرها، تسلیم برشی کم در ناحیه چشمه اتصال و تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی دورانی در ستون‌‌های تراز پایه تامین می‌شود. این سیستم برای ساختمان‌سازی در نواحی دارای سطح لرزه‌خیزی متوسط تا بسیار زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

انواع سیستم های قاب خمشی
انواع سیستم های قاب خمشی (عملکرد، معیار اصلی تمایز بین این سیستم‌ها است)

استفاده از اتصالات گیردار پیش‌تاییدشده به همراه انجام آزمایش کنترل کیفیت در قاب خمشی ویژه الزامی است. رعایت این مسئله، امکان تحمل تغییر مکان جانبی نسبی طبقات با زاویه 0.04 رادیان را فراهم می‌کند. با رعایت الزامات اتصالات گیردار پیش‌تاییدشده در این سیستم می‌توان از عملکرد مختلط بین تیر فولادی با دال بتنی متکی بر آن برای تحمل بارهای ثقلی نیز استفاده کرد.

مقایسه قاب خمشی معمولی، متوسط و ویژه

به منظور جمع‌بندی انواع اصلی قاب های خمشی، ویژگی‌های آن‌ها را با هم مقایسه می‌کنیم:

  • قاب خمشی معمولی
    • سازه‌های یک طبقه و کوتاه با حداکثر ارتفاع مجاز 15 متر در ساختمان‌های اسکلت فولادی و بتن آرمه
    • تغییر شکل غیر الاستیک کم
    • عدم نیاز به تایید اتصالات بر اساس الزامات لرزه‌ای
    • اهمیت ساختمان متوسط تا کم
    • خطر نسبی زلزله کم
  • قاب خمشی متوسط
    • سازه‌های یک طبقه تا چند طبقه با حداکثر ارتفاع مجاز ساختمان 50 متر برای اسکلت فولادی و 35 متر برای اسکلت بتن آرمه
    • تغییر شکل غیر الاستیک کم تا متوسط با تغییر مکان جانبی مجاز 0.02
    • نیاز به تایید اتصالات بر اساس رعایت الزامات لرزه‌ای در ساختمان‌هایی با اهمیت متوسط تا زیاد
    • اهمیت ساختمان متوسط تا کم
    • خطر نسبی زلزله کم تا متوسط (مجاز به اجرای ساختمان چند طبقه) و زیاد (مجاز به اجرای ساختمان یک طبقه و سبک)
  • قاب خمشی ویژه
    • سازه‌های یک طبقه تا چند طبقه با حداکثر ارتفاع مجاز ساختمان 200 متر برای اسکلت فولادی و بتن آرمه
    • تغییر شکل غیر الاستیک کم تا متوسط با تغییر مکان جانبی مجاز 0.04
    • نیاز به تایید اتصالات بر اساس رعایت الزامات لرزه‌ای
    • اهمیت ساختمان بسیار زیاد تا متوسط
    • خطر نسبی زلزله متوسط تا بسیار زیاد

بر اساس استاندارد 2800 ایران، پارامترهای طراحی انواع قاب خمشی باید مطابق با جدول زیر باشد.

نوع سیستم ضریب رفتار ساختمان ضریب بزرگنمایی تغییر مکان جانبی
قاب خمشی ویژه فولادی (بتن آرمه) 7.5 (7.5) 5.5 (4.5)
قاب خمشی متوسط فولادی (بتن آرمه) 5 (5) 4 (4.5)
قاب خمشی معمولی فولادی (بتن آرمه) 3.5 (3) 3 (2.5)

نکته: ضریب اضافه مقاومت در طراحی اعضای قاب های خمشی در صورت تشدید بارهای لرزه‌ای برابر با 3 است.

به منظور آشنایی با ضوابط طراحی لرزه‌ای قاب های خمشی، فرادرس، یک فیلم آموزشی جامع را تهیه کرده است که مشاهده آن می‌تواند در یادگیری این مبحث به شما کمک کند. لینک این فیلم در ادامه آورده شده است.

  • برای مشاهده فیلم آموزش سازه‌های فولادی ۲ (مرور و حل تست کنکور ارشد) + اینجا کلیک کنید.

قاب خمشی دوگانه چیست؟

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 به گونه‌ای طراحی می‌شوند که بتوانند حداقل 25 درصد از نیروی زلزله را تحمل کنند.

سیستم دوگانه قاب خمشی و مهاربند

قاب مهاربندی شده، یکی از سیستم‌های باربر جانبی لرزه‌ای است که به کارگیری آن، استحکام، سختی و هدررفت انرژی سازه را بهبود می‌بخشد. مشکل اصلی قاب‌‌های مهاربندی‌شده، سختی فرا ارتجاعی پایین آن‌ها است. این مسئله می‌تواند تغییرشکل‌های باقی مانده، شکل‌پذیری بیش از حد و کاهش ظرفیت باربری سازه پس از رخ دادن زلزله‌های شدید را در پی داشته باشد. به منظور حل این مشکل، ترکیبی از قاب های خمشی متوسط یا ویژه به همراه قاب‌های مهاربندی‌شده واگر یا همگرا در ساخت سازه مورد استفاده قرار می‌گیرد. به این ترتیب، امکان کنترل تغییر مکان جانبی نسبی طبقات و بهینه کردن عملکرد قاب‌های مهاربندی شده فراهم می‌شود. سیستم دوگانه قاب خمشی و مهاربند اغلب در اسکلت‌های فولادی به کار می‌رود.

یکی از انواع آرایش المان‌های سیستم دوگانه قاب خمشی و قاب مهاربندی‌شده
یکی از انواع آرایش المان‌های سیستم دوگانه قاب خمشی و قاب مهاربندی‌شده

سیستم دوگانه قاب خمشی و دیوار برشی

دیوار برشی، از دیگر سیستم‌های باربر جانبی است که معمولا در ساختمان‌های بزرگ و بلند در نواحی لرزه‌خیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دیوار، به عنوان یک عضو سازه‌ای، در برابر نیروهای جانبی هم‌راستا با سطح خود مقابله می‌کند. با وجود عملکرد مناسب این سیستم، مصالح مصرفی مورد نیاز در آن نسبتا بالا و ظرفیت هدررفت انرژی آن نسبتا پایین است. به علاوه، دیوار برشی باعث محدودیت در اجرای نمای بیرونی، فضای داخلی و بازکننده‌ها می‌شود. با ترکیب سیستم قاب خمشی و دیوار برشی، میزان مصالح مصرفی برای ساخت دیوار کاهش پیدا می‌کند. اجرای همزمان این دو سیستم، عملکرد لرزه‌ای سازه (تعادل بین سختی و شکل‌پذیری) را بهبود می‌بخشد؛ چراکه راستای مقاومت آن‌ها در برابر بارهای جانبی یکسان است.

سیستم قاب خمشی و دیوار برشی بتن آرمه
سیستم قاب خمشی و دیوار برشی بتن آرمه

در سیستم دوگانه، با جانمایی دیوارهای برشی در محل قرارگیری راه‌پله، آسانسور و میانه‌های محیط خارجی ساختمان (تصویر زیر)، امکان بهره‌گیری از انعطاف‌پذیری معماری قاب های خمشی فراهم می‌شود. علاوه بر این، وجود دیوارهای برشی می‌تواند احتمال تخریب ناشی از تشکیل طبقه نرم را کاهش می‌دهد. سیستم دوگانه قاب خمشی و دیوار برشی در اسکلت‌های فولادی و بتن آرمه قابل استفاده است. با این وجود، این سیستم، سازگاری بهتری با ساختمان‌های بتن آرمه دارد. در ساختمان‌های اسکلت فولادی می‌توان از مصالح بتنی یا ورق‌های فولادی برای اجرای دیوار برشی استفاده کرد.

قاب خمشی مختلط ویژه چیست؟

«قاب خمشی مختلط ویژه» (Composite Special Moment Frame) یا به اختصار «CSMF»، یکی از سیستم‌های باربر جانبی لرزه‌ای است که در آن، ستون‌ها به صورت مقطع مختلط محاط در بتن، پرشده با بتن یا مقطع بتن آرمه و تیرها به صورت مقطع فولادی منفرد، مقطع فولادی با دال بتنی متکی بر آن یا مقطع فولادی محاط در بتن هستند. در این نوع سیستم نیز مانند دیگر سیستم‌های قاب خمشی از اتصالات گیردار استفاده می‌شود.

نمونه‌ای از قاب خمشی مختلط ویژه
نمونه‌ای از قاب خمشی مختلط ویژه

عملکرد لرزه‌ای و شکل‌پذیری مورد انتظار از قاب خمشی مختلط ویژه بالا است. این شکل پذیری توسط تغییر شکل‌های دورانی فرا ارتجاعی زیاد در انتهای تیرها، تسلیم برشی کم در ناحیه چشمه اتصال و تغییر شکل‌های فرا ارتجاعی دورانی در ستون‌‌های تراز پایه تامین می‌شود.

قاب خمشی خرپایی ویژه چیست؟

«قاب خمشی خرپایی ویژه» (Special Truss Moment Frame) یا به اختصار «STMF»، یک سیستم باربر جانبی لرزه‌ای است که در آن، به جای تیر از اتصال گیردار خرپا به ستون‌ها استفاده می‌شوند. شکل‌پذیری مورد انتظار در این سیستم نیز مشابه دیگر سیستم‌های قاب خمشی ویژه است. این شکل‌پذیری توسط تغییر شکل خمشی، برشی و محوری فرا ارتجاعی ناحیه ویژه خرپا (نیمه میانی آن) تامین می‌شود. ستون‌ها در قاب خشمی خرپایی ویژه، خارج از ناحیه مذکور قرار می‌گیرند. طراحی اتصالات این سیستم برای مقاومت در برابر نیروهای زلزله، محدود به ناحیه ویژه خرپا است.

نمونه‌ای از قاب خمشی خرپایی ویژه
نمونه‌ای از قاب خمشی خرپایی ویژه

درک اصول رفتار قاب خشمی در برابر بارهای لرزه‌ای، نیازمند آشنایی با مفاهیم مقاومت مصالح و عکس‌العمل مواد در شرایط بارگذاری متفاوت است. این مفاهیم در رشته مهندسی عمران تحت عنوان درس مقاومت مصالح (1، 2 و پیشرفته) آموزش داده می‌شوند. به منظور سهولت یادگیری این مفاهیم، فرادرس، چندین فیلم آموزشی جامع را تهیه کرده است که می‌توانند نیازهای دانشجویان و مهندسان با هر سطح دانشی را برطرف کنند. به منظور مشاهده جزئیات این فیلم‌ها، بر روی عنوان آن‌ها کلیک کنید:

رفتار قاب خمشی در برابر بارهای لرزه ای چگونه است؟

در قاب های خمشی، تسلیم خمشی تیرها و ستون‌ها به همراه تسلیم برشی چشمه‌های اتصال (نواحی اتصال تیر به ستون) باعث تشکیل مفصل پلاستیک می‌شود. در واقع، تشکیل این نوع مفصل در محل اتصال تیر با ستون و صفحه ستون با فونداسیون، مبنای کنترل رفتار غیر الاستیک این قاب‌ها است. علاوه بر تسلیم خشمی و برشی، احتمال رخ دادن حالت‌های شکست دیگر در اعضا و اتصالات قاب های خمشی وجود دارد. در این بخش، به معرفی رفتار المان‌های قاب خمشی و حالت‌های شکست مرتبط با آن‌ها می‌پردازیم.

تشکیل مفصل پلاستیک در قاب خمشی هنگام اعمال بارهای جانبی لرزه‌ای
تشکیل مفصل پلاستیک در قاب خمشی هنگام اعمال بارهای جانبی لرزه‌ای

رفتار تیر در قاب خمشی

در سیستم قاب خمشی، محل ایجاد مفصل پلاستیک تیر، معمولا تحت دوران غیر الاستیک بزرگ قرار می‌گیرد. مفصل پلاستیک تیر می‌تواند در نواحی انتهایی، نواحی دارای مقطع نازک‌تر/ضعیف‌تر (بر اساس طراحی مخصوص) یا کل دهانه تیر (در صورت اعمال گشتاورهای ثقلی بزرگ) ایجاد شود. حالت شکست تیر در قاب خمشی، کمانش محلی (تصویر زیر) و کمانش پیچشی جانبی است. رخ دادن هر یک از این حالت‌ها یا ترکیبی از آن‌ها، استحکام و سختی سازه را به طور پیوسته کاهش می‌دهد. ترمیم تیر پس از شکست ناشی از زلزله، بسیار هزینه‌بر است.

کمانش محلی بال‌ها و جان تیر در ناحیه مفصل پلاستیک، هنگام اعمال دوران‌های غیر الاستیک زیاد
کمانش محلی بال‌ها و جان تیر در ناحیه مفصل پلاستیک، هنگام اعمال دوران‌های غیر الاستیک زیاد

رفتار اتصالات تیر به ستون در قاب خمشی

اتصالات تیر به ستون در قاب خمشی، باید قادر به انتقال نیروهای گشتاوری و برشی ایجاد شده باشند. اضافه مقاومت و تاثیر سخت شوندگی کرنش، امکان افزایش قابل توجه نیروهای گشتاوری و برشی نسبت به نیروهای به دست آمده از تحلیل را افزایش می‌دهند. با توجه به نوع اتصالات مورد استفاده، حالت‌های شکست زیر محل اتصال تیر به ستون رخ می‌دهد:

  • شکستگی درون ناحیه جوش یا اطراف آن
  • شکستگی در مواد پایه جوش تحت کرنش‌های شدید
  • شکستگی در حفره‌های دسترسی جوش
  • شکست مقطع خالص در حفره پیچ، شکست برشی و کششی پیچ، شکست برش قالبی

رفتار چشمه اتصال در قاب خمشی

چشمه اتصال، ناحیه اتصال تیر به ستون است. این ناحیه در مقابل نیروهای برشی توزیع شده از طرف تیرها به ستون مقاومت می‌کند. از آنجایی که چشمه اتصال به عنوان بخشی از ستون در نظر گرفته می‌شود، امکان اعمال بارهای فشاری به آن نیز وجود دارد. کمانش برشی و گسیختگی در ناحیه جوش (در صورت استفاده از ورق مضاعف)، حالت‌های شکست احتمالی چشمه اتصال هستند. حالت‌های شکست احتمالی بر اثر انتقال مستقیم نیرو از بال‌های تیر به ستون نیز شامل خمش بال ستون، لهیدگی جان و کمانش جان می‌شوند.

رفتار ستون در قاب خشمی

وظیفه ستون در قاب خمشی، به حداقل رساندن تاثیرات مخرب بارهای محوری بزرگ بر روی رفتار خمشی سیستم و احتمال تشکیل مکانیزم طبقه نرم (تصویر زیر) است. در هر صورت، بسیاری از ستون‌های طراحی شده بر اساس ضابطه تیر ضعیف-ستون قوی، دوران‌های غیر الاستیک قابل توجهی را در حین رخ دادن زلزله‌های شدید تجربه می‌کنند. از این‌رو، حالت‌های شکست احتمالی ستون در قاب خمشی، کمانش محلی و کمانش جانبی پیچشی به همراه کمانش خمشی ابتدایی هستند.

تشکیل مکانیزم طبقه نرم همکف (مکانیزم یک طبقه‌ای)
تشکیل مکانیزم طبقه نرم همکف (مکانیزم یک طبقه‌ای)

رفتار وصله ستون در قاب خمشی

حالت‌های شکست احتمالی در وصله ستون قاب خمشی، مشابه با حالت‌های شکست اتصالات تیر به ستون است. گسیختگی وصله ستون، علاوه بر کاهش یا از بین بردن مقاومت خمشی و پیچشی، توانایی ستون در انتقال نیروهای برشی را نیز کاهش می‌دهد یا به طور کلی از بین می‌برد. از آنجایی که ستون‌های باربر ثقلی در قاب های خمشی ویژه می‌توانند تحت تغییر شکل‌های جانبی و نیروهای لرزه‌ای قابل توجه قرار گیرند، احتمال گسیختگی وصله‌های این ستون‌ها مطابق با حالت‌های شکست مرتبط با شرایط مذکور نیز وجود دارد.

رفتار صفحه ستون در قاب خشمی

حالت‌های شکست صفحه ستون قاب خمشی، به نوع اتصالات بین ستون و فونداسیون بستگی دارد. بلندشدگی صفحه، ترک در صفحه یا اتصالات آن، اضافه بار و کمانش پیچشی جانبی (در صورت تغییر شکل‌های غیر الاستیک ناحیه بالای اتصالات صفحه) از حالت‌های شکست احتمالی هستند.

دوران صفحه ستون درون فونداسیون یا روی آن
دوران صفحه ستون درون فونداسیون یا روی آن

اثر پی دلتا در قاب خمشی

اثر P-delta، تشدید نیروهای داخلی و جابجایی‌های جانبی بر اثر اعمال همزمان بارهای ثقلی و جابجایی‌های جانبی است. این اثر باعث کاهش مقاومت جانبی قاب و سختی آن می‌شود. به این ترتیب، احتمال کاهش سختی مماسی سازه در حین تشکیل مکانیزم رفتار قاب و تخریب کامل آن وجود دارد.

تخریب جانبی قاب خمشی

تخریب جانبی در قاب خمشی، زمانی رخ می‌دهد که برش طبقات ناشی از نیروهای داخلی و اثر پی دلتا از مقاومت برش طبقات بیشتر باشد. در طراحی قاب خمشی، توجه به رفتار اعضا و اتصالات به منظور جلوگیری از پیامدهای مخرب حالت‌های شکست احتمالی ضروری است. طراحی و تحلیل قاب های خمشی بر اساس شرایط بارگذاری مختلف و حالت‌های شکست‌های احتمالی نیازمند درک صحیح از مبانی بارگذاری استاتیک و دینامیک سازه است. این مبانی در دانشگاه طی درس‌های استاتیک، دینامیک مهندسی، دینامیک سازه و مهندسی زلزله تدریس می‌شوند. فرادرس، با تهیه چند فیلم آموزشی جامع و کاربردی مطابق با سرفصل‌های این دروس، مسیر یادگیری دانشجویان و مهندسان را آسان کرده است. برای مشاهده جزئیات هر یک از این فیلم‌ها، بر روی عنوان آن‌ها کلیک کنید:

طراحی و تحلیل قاب خمشی چگونه انجام می‌شود؟

طراحی قاب های خمشی بر اساس الزامات مبحث دهم مقررات ملی ساختمان (برای ساختمان‌های اسکلت فولادی)، مبحث نهم مقررات ملی ساختمان (برای ساختمان‌های اسکلت بتن آرمه) و استاندارد 2800 ایران (آیین نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله) انجام می‌شود. البته در نظر گرفتن ملاحظات طراحی ساختمان‌های بتن آرمه با توجه به آیین نامه بتن ایران (آبا) نیز الزامی است. دو روش «طراحی تنش مجاز» (Allowable Stress Design) و «طراحی با ضرایب بار و مقاومت» (Load And Resistance Factor Design) یا به طور خلاصه «LRFD»، به عنوان مبنای طراحی در استانداردهای ایران در نظر گرفته می‌شوند. از الزامات تحلیل و پارامترهای مورد بررسی در طراحی قاب خمشی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • در نظر گرفتن نوع محدودیت تیرها و ستون‌ها
  • جوش‌های بحرانی لرزه‌ای
  • الزامات لرزه‌ای مهار جانبی تیرها
  • الزامات مهار پایداری در محل اتصالات تیر به ستون
    • اتصالات مهارشده
    • اتصالات مهارنشده
  • لنگر خمشی تیر به لنگر خمشی ستون
  • مقاومت‌های مورد نیاز و موجود تیر
  • اتصال تیر به ستون
  • برش در چشمه اتصال
  • ورق‌های پیوستگی
  • وصله ستون‌ها
  • وصله تیرها
    • مقاومت خمشی
    • مقاومت برشی
    • مقاومت محوری

تمام موارد بالا در استانداردهای طراحی لرزه‌ای ساختمان توضیح داده شده‌اند. زلزله شدید در مناطق مختلف (حتی در نواحی لرزه‌خیز)، پدیده‌ای نادر است که معمولا در فواصل زمانی چند ده ساله رخ می‌دهد. از این‌رو، طراحی سازه‌های مقاوم در برابر بارهای جانبی شدید برای جلوگیری از رخ دادن تمام آسیب‌های احتمالی کوچک و بزرگ، یک امر غیر اقتصادی و غیر عملی است. در نتیجه، استانداردها و دستورالعمل‌های طراحی سازه در برابر زلزله معمولا مهندسان را ملزم به طراحی برای عدم تخریب سازه در بدترین شرایط ممکن می‌کنند. به عبارت دیگر، آسیب رسیدن به اعضای غیر سازه‌ای و برخی از اعضای سازه‌ای در هنگام اعمال بارهای جانبی شدید ایرادی ندارد. نکته مهم، سر پا ماندن سازه و عدم تخریب آن (عدم وارد شدن آسیب جدی به ساکنین و سازه) است.

تحلیل قاب خمشی در ایتبس

مدل‌سازی و تحلیل قاب خمشی در نرم افزار ایتبس
مدل‌سازی و تحلیل قاب خمشی در نرم افزار ایتبس

به منظور تحلیل قاب های خمشی، نرم افزارهای کامیپوتری متعددی ارائه شده‌اند. با این وجود، «ایتبس» (ETABS)، به عنوان پرکاربرترین نرم افزار مورد استفاده برای تحلیل و طراحی قاب خمشی شناخته می‌شود. نتایج حاصل از این نرم افزار مورد تایید سازمان نظام مهندسی هستند که برای چک لیست طراحی سازه مورد استفاده قرار می‌گیرند. به منظور آشنایی دانشجویان و مهندسان با نحوه به کارگیری این نرم افزار محبوب و کاربردی، فرادرس، چندین فیلم آموزشی جامع را با مثال‌های عملی تهیه کرده است. برای مشاهده سرفصل‌های این فیلم‌ها بر روی عنوان آن‌ها کلیک کنید:

معرفی مجموعه فیلم‌های آموزش سازه‌های فولادی

درس سازه فولادی 1 و 2

سازه‌های فولادی از پرکاربردترین و محبوب‌ترین گزینه‌های اجرای ساختمان‌های بلند هستند. در صورت به کارگیری سیستم‌های سازه‌ای مناسب، عملکرد سازه‌های فولادی در برابر زلزله بسیار مناسب خواهد بود. درس سازه‌های فولادی، یکی از مهم‌ترین مباحث مهم در رشته مهندسی عمران به شمار می‌رود. دانشجویان با گذراندن این درس، با مفاهیم مورد نیاز در زمینه تحلیل و طراحی سازه‌های فولادی آشنا می‌شوند. منابع و کتاب های مهندسی عمران برای یادگیری اصول سازه‌های فولادی بسیار زیاد هستند. فرادرس، به منظور رفع نیازهای دانشجویان و بی‌نیاز کردن آن‌ها از مطالعه تمام این منابع، سه فیلم آموزشی جامع را تهیه کرده است. با کلیک بر روی عنوان این فیلم‌ها، صفحه جزئیات و سرفصل‌های آن‌ها به نمایش درمی‌آید:

درس هشتم و نهم فیلم آموزش سازه‌های فولادی 2، به آموزش کامل ضوابط طراحی لرزه‌ای قاب های خمشی می‌پردازد.

مزایا و معایب قاب خمشی چه هستند؟

به منظور آشنایی بهتر با مزایا و معایب قاب های خمشی، بهتر است ابتدا با ویژگی‌های سیستم‌های قاب فولادی آشنا شویم. به طور کلی، از مهم‌ترین مزایای این سیستم‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • سیستم‌های سازه‌ای قاب فولادی، انعطاف‌پذیری بالایی از نظر معماری و سازه‌ای دارند. کوچک بودن ابعاد ستون‌ها در این سیستم‌ها، فضای باز قابل استفاده را افزایش و موانع موجود در فضای باز را کاهش می‌دهند.
  • اجرای دهانه باز، کنسول (طُره)، سطح شی‌دار، سطح قوسی، لابی، بازکننده در کف، پنجره بر روی نمای بیرونی، المان‌های معماری ویژه و تحمل بارهای نامتعارف (حرکت جانبی بیشتر در حین رخ دادن زلزله) از ویژگی‌های سیستم‌های قاب فولادی هستند.
  • در صورت نیاز اعمال بارهای اضافی، این سیستم‌ها به راحتی قابل تقویت خواهند بود. علاوه بر این، اضافه کردن بازکننده‌های جدید برای آسانسور، راه‌پله و تغییر معماری سازه نیز به راحتی قابل اجرا است.
  • دسترسی خوب به مصالح، سرعت اجرای بالا، وزن پایین، فونداسیون کوچک‌تر/ارزان‌تر، شکل‌پذیری مناسب و مقاومت در برابر بارهای جانبی، از دیگر مزایای قاب‌های فولادی هستند.
  • این سیستم‌ها از ایمنی خوب و قابلیت بازسازی مناسب پس از رخ دادن زلزله‌های شدید بهره می‌برند. به علاوه، مصالح آسیب دیده در حین زلزله نیز به طور کامل قابل بازیافت و استفاده مجدد هستند.

تمام موارد ذکر شده را می‌توان به عنوان مزایای قاب های خمشی نیز در نظر گرفت.

برخی از معایب قاب خمشی عبارت هستند از:

  • به عقیده بسیاری از کارشناسان، سختی جانبی به عنوان مسئله اصلی در قاب خمشی در نظر گرفته می‌شود. میزان این سختی، بر روی آسیب‌های احتمالی المان‌های غیر سازه‌ای تاثیر می‌گذارد. از این‌رو، طراحی آن با به کارگیری اصول پیچیده‌تری انجام می‌شود.
  • یکی از مهم‌ترین معایب قاب های خمشی، تغییر شکل‌های بزرگ آن بر اثر گشتاور خمشی ناشی از اعمال بارهای جانبی زلزله‌های شدید، مخصوصا در ساختمان‌های بزرگ‌تر از چهار طبقه است. از این‌رو، برای جذب جابجایی‌های اضافی در المان‌های صلب به منظور جلوگیری از آسیب، باید از روش‌های پوشش‌دهی استفاده کرد.
  • اطمینان از عملکرد ویژه این سیستم با فراهم کردن شکل‌پذیری مناسب، فعالیت دشواری به حساب می‌آید. این کار به طراحی دقیق و اجرای استاندارد توسط نیروی کار ماهر نیاز دارد.
  • به دلیل ضرایب اضافه مقاومت در استانداردهای جدید، استفاده از طراحی‌های مرسوم می‌توانند منجر به نتایج غیر واقعی و سازه‌های بسیار سنگین شوند.
  • اطمینان از دستیابی به مقاومت کامل اتصالات صلب در فاز طراحی، چالش‌های مختص به خود را دارد که طراحان را با مشکل مواجه می‌کنند. علاوه بر این، اجرای اتصالات نیز نیازمند نیروی کار ماهر است.

تفاوت قاب خمشی و مهاربند

در بخش‌های اشاره کردیم که امکان ترکیب سیستم‌های قاب خمشی و قاب مهاربندی‌شده در قالب سیستم دوگانه و بهره‌مندی از مزیت‌های هر دو سیستم وجود دارد. در برخی از موارد، ممکن است طراحان یکی از این سیستم‌ها را بر دیگری ترجیح بدهند. در این حالت، انتخاب گزینه مناسب نیازمند درک تفاوت‌های آن‌ها است. جدول زیر تفاوت های قاب خمشی و مهاربند را نمایش می‌دهد.

قاب مهاربندی شده قاب خمشی
اتصالات مفصلی بین تیر و ستون اتصالات صلب بین تیر و ستون
عدم انتقال گشتاور توسط اتصالات انتقال گشتاور توسط اتصالات
انتقال بارهای جانبی به فونداسیون توسط سیستم‌های افقی و عمودی (با توجه به نوع مهاربند مورد استفاده) انتقال بارهای جانبی به فونداسیون توسط اتصالات صلب
تحلیل سازه‌ای ساده تحلیل سازه‌ای پیچیده
عدم نیاز به نیروی کار زیاد و ماهر نیاز قابل توجه به نیروی کار زیاد و ماهر
صرفه اقتصادی با توجه به نوع اتصالات هزینه اجرای بالا
پایداری خوب روش پایداری نسبتا ضعیف
کاربری مناسب در سازه‌های فولادی و چوبی کاربرد ذاتی در سازه‌های بتن آرمه
نیاز به تحلیل بارهای عمودی بادبندها به دلیل فرض تحمل تمام برابر بارهای جانبی توسط سیستم نیاز به تحلیل بارهای محوری و گشتاورها
نیاز به اجرای سیستم در حداقل سه سطح سازه به منظور تامین مقاومت بارهای جانبی در هر دو جهت و مقاومت پیچشی حول محور عمودی عدم نیاز به اجرای اتصالات متفاوت در سطوح مختلف (صلب بودن تمام اتصالات)‍‍
ظرفیت شکل‌پذیری نسبتا پایین و سختی نسبتا بالا ظرفیت شکل‌پذیری نسبتا بالا و سختی نسبتا پایین

آشنایی با مفاهیم مربوط به رفتار انواع قاب‌های مهاربندی شده می‌تواند درک بهتری از تفاوت‌های این دو سیستم سازه ای و انتخاب بهترین گزینه برای اجرا فراهم کند. یکی از سیستم‌های جدید و کارآمد قاب‌های مهاربندی‌شده، مهاربند زانویی (KBF) است که از شکل‌پذیری بالا و سختی جانبی خوب بهره می‌برد. به منظور آشنایی دانشجویان و مهندسان با این سیستم، فرادرس، یک فیلم آموزشی جامع به مدت بیش از 10 ساعت تهیه کرده است. برای مشاهده جزئیات این فیلم بر روی عنوان آن کلیک کنید:

تفاوت قاب خمشی و دیوار برشی

در بخش‌های قبلی، علاوه بر آشنایی با ویژگی‌های قاب های خمشی، تفاوت آن‌ها با قاب مهاربندی‌شده را نیز مورد بررسی قرار دادیم. برای درک بهتر تفاوت دیوار برشی با قاب خمشی و قاب مهاربندی‌شده، در این بخش، ویژگی‌های این دیوار سازه‌ای را معرفی می‌کنیم. مزایای دیوار برشی عبارت هستند از:

  • اقتصادی بودن سیستم به دلیل اجرای تعداد محدودی از دیوارهای برشی
  • سختی و استحکام بالا برای مقاومت در برابر بارهای جانبی
  • فراهم کردن مقاومت پیچشی در صورت اجرای متقارن سیستم
  • امکان استفاده به عنوان دیوار‌های سیستم آتشبند، راه‌پله و آسانسور
  • قابلیت اجرا در اسکلت‌های فولادی و بتن آرمه
  • امکان عبور تاسیسات از درون دیوار
سیستم های باربر جانبی لرزه‌ای
سیستم های باربر جانبی لرزه‌ای

با وجود مزایای بالا، دیوار برشی معایبی دارد که می‌تواند باعث ترجیح سیستم‌های باربر جانبی دیگر یا لزوم ترکیب آن سیستم‌ها با این المان‌های سازه‌ای شوند:

  • محدودیت در اجرای بازکننده (عدم اجرا یا اجرای بازکننده‌های کوچک‌تر از دیگر سیستم‌ها)
  • کاهش سختی و استحکام در صورت اجرای بازکننده
  • تمرکز تنش در دیوار به دلیل تحمل تمام بارهای جانبی
  • نیاز به حجم مصالح بیشتر (وزن بیشتر)
  • نیاز به فونداسیون بزرگ‌تر (اعمال فشار بیشتر به فونداسیون به دلیل وزن دیوار)
  • ایجاد مانع در فضای داخلی و محدودیت در معماری ساختمان

در سیستم‌های قاب خمشی، تمرکز اصلی بر روی کیفیت اجرای اتصالات است. نظارت بر روی اجرای مهاربند و دیوار برشی نیز نکاتی دارد که توجه به آن‌ها می‌تواند عملکرد این سیستم‌ها را بهبود بخشد. به منظور آشنایی با فرآیند نظارت بر ستون‌ها، دیوارهای برشی و بادبندها، فرادرس، یک فیلم جامع و کاربردی را تهیه کرده است که الزامات فنی و حقوقی مهندس ناظر و مجری ساختمان را آموزش می‌دهد. برای مشاهده جزئیات این فیلم بر روی عنوان آن کلیک کیند:

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

«حسین زبرجدی دانا»، کارشناس ارشد مهندسی استخراج معدن است. فعالیت‌های علمی او در زمینه تحلیل عددی سازه‌های مهندسی بوده و در حال حاضر آموزش‌های مهندسی عمران، معدن و ژئوتکنیک مجله فرادرس را می‌نویسد.

بر اساس رای 1 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *