بخشی از مقاله
خلاصه
هدف از انجام این پژوهش بررسی تاثیر ستونهای خرپایی در کاهش محدودیتهای معماری است. به این ترتیب در سیستم قاب خمشی فولادی از ستونهای خرپایی استفاده شد که علاوه بر عملکرد سازهای به عنوان ستون، میتوان تاسیسات سازه را هم از آن عبور داده و به عنوان فضای داکت از آن استفاده نمود. مدل اصلی مورد استفاده، سازههای 5 طبقهی قاب خمشی فولادی میباشد که با سازههای 5 طبقهی قاب خمشی فولادی دارای ستون خرپایی و بدون فضای داکت مجزا مقایسه شدند.
به عنوان نمونه مشاهده شد که در تعداد طبقات مشابه و با جایگذاریهای مختلف ستونهای خرپایی، علاوه بر کاهش محدودیتهای معماری، وزن مصالح مصرفی نسبت به سیستم قاب خمشی متداول تفاوت چندانی ندارد. همچنین تاثیر تعداد ونحوهی قرارگیری این ستونها در پلان مورد بررسی قرارگرفته و حالت بهینه مشخص شد. در ادامه، مقایسهی فوق برای سازهی 16 طبقه تکرار شده و برخلاف نتایج مدلهای 5 طبقه، در اثر وجود ستونهای خرپایی نسبت به سیستم قاب خمشی معمولی جرم سازه کاهش یافت. بنابراین بکارگیری این ستونها در سازههای بلند مناسبتر میباشد.
1. مقدمه
طراحان و مهندسان همواره به دنبال مناسبترین طرح میباشند به گونهای که سازه علاوه بر توانایی تحمل بارهای وارد بر آن قابلیت بیشترین استفاده از فضای موجود را داشته باشد. در واقع این بحث تلفیقی از مهندسی عمران و معماری خواهد بود. از عوامل محدود کننده در طرح مناسب برای معماران وجود سیستمهای باربر در سازه میباشد. بارهای وارد بر سازه به دو بخش ثقلی و جانبی تقسیم میشوند و با توجه به اینکه کشورمان، ایران، منطقهای لرزهخیز میباشد، مهندسان سازه ناچار به تامین سیستم باربر جانبی در سازهها در اثر زلزله هستند. سیستمهای باربر متداول در سازههای فولادی شامل قاب خمشی فولادی، قاب ساختمانی با استفاده از مهاربند، قاب ساختمانی با استفاده از دیوارهای برشی فولادی یا بتنی و سیستمهای ترکیبی میباشد.
سیستم قاب خمشی فولادی به دلیل اینکه محدودیت معماری کمتری نسبت به سایر سیستمها دارد مورد توجه معماران بوده و دارای مقبولیت بیشتری نزد این مهندسان است. اما از نظر سازهای برای تحمل بار جانبی در همهی حالات مناسب نیست و محدودیت ارتفاعی بسیار کمتری نسبت به سایر سیستمها دارد. به این ترتیب این پژوهش با استفاده از ستونهایی خرپایی به دنبال بررسی عملکرد سازهای و معماری سیستم قاب خمشی فولادی با ستونهای خرپایی بوده و به ارزیابی این سیستم با سیستم قاب خمشی فولادی متداول میپردازد.
در دههی 1960 در موسسهی فناوری ماساچوست سیستم قاب خرپایی شطرنجی - STF4 - به صورت عمومی توسعه یافت و عنوان شد که استفاده از این سیستم برای هتلها، بیمارستانها، خوابگاهها و … مناسب است
Simasathien و همکاران [2] در سال 2014 سیستم قاب خرپایی شطرنجی فولادی با قالب اصلاحشده را ارائه کردند که سیستمی مقرون به صرفه و کارامد برای ساختمانهای متوسط تا بلند میباشد. آنها همچنین بیان کردند که به دلیل کاهش تعداد ستون، وزن سبک، کاهش مقدار بار مورد نیاز پی، سختی جانبی بالا، ساخت سریع و هزینهی کلی کم، این سیستم برای مناطق با لرزهخیزی کم مناسب بوده و در آینده سیستمی متداول خواهد شد. اگرچه STFها بطور عمومی برای مناطق با لرزهخیزی کم توسعه یافتند اما به دلیل وزن کم و سختی جانبی بالا استفاده از این سیستم در مناطق با لرزهخیزی بالا هم میتواند جالب باشد.
Gupta و [3] Krawinkler پس از زلزلههای نورثریج 1994 و کوبه 1995، در سال 1999 گزارشی راجع به ارزیابی عملکرد سیستمهای قاب خمشی فولادی ارائه کردند. هدف از این گزارش بهبود رفتار سیستم باربر قاب خمشی فولادی بوده و رفتار و پاسخ سازههای با ارتفاعهای مختلف در مناطق لوسآنجلس، سیاتل و بوستون آمریکا مطالعه شد.
Chao و [4] Goel در 2008 در مقالهای تحت عنوان طراحی پلاستیک مبتنی بر عملکرد برای قاب خمشی خرپایی ویژه - STMF1 - بیان کردند که این سیستم برای مناطق با لرزهخیزی بالا مناسب است. همچنین این سیستم قابلیت ارتجاعی بیشتری در مقایسه با سایر سیستمها دارد و علت آن وجود چهار مفصل پلاستیک در وتر هر شاهتیر خرپایی است. مزیت دیگر این سیستم امکان استفاده از تیر خرپایی برای دهانههای بزرگتر و دستیابی به سختی کل بالاتر در سازه میباشد.
بهرامی و حسینی با استفاده از کابلهای مهاربندی در سیستم قاب خمشی فولادی شاهد افزایش ظرفیت برشی و شکلپذیری سازه بودند. آنها همچنین بیان کردند که بدون اقزایش وزن قابل ملاحظه، عملکرد سازه بهبود مییابد.
شمشادیان و وفائی برای تقویت قاب خمشی فولادی از میراگرها به عنوان سیستمی نوین در مهاربندی استفاده کردند. همچنین Wen و همکاران به تاثیر تغییرات طول دهانه در اتصال و پیوستگی ستونها در سیستم قاب خمشی فولادی پرداختند.
کریمخانی و عشقی به طرح بهینه قابهای مهاربندی خارج از مرکز - EBF2 - تحت نیروهای جانبی پرداختند و رفتار این قابها را با قاب خمشی مقایسه کردند. همچنین در این پژوهش، نقطه نظر اقتصادی و زمان لازم برای کنترل سیستم EBF در مقایسه با سیستم قاب خمشی بیان شد.
Pekcan و همکاران در سال 2014 با نوآوری در پیکرهی قاب با استفاده از شاهتیرهای خرپایی - TGF3 - به همراه اجزای مکمل مانند مهاربندهای کمانشتاب - BRB4 - ، قابلیت ارتجاعی لرزهای سازه را افزایش دادند. آنها با روشی بر پایهی انرژی اتلافی به بررسی پاسخهای لرزهای مختلف سازه مانند دریفت هر طبقه، برش طبقه و لنگر واژگونی پرداختند.
با توجه به مطالعات گذشته که بخشی از آنها در سطور فوق آمد، در اکثر موارد صرفا به مقایسهی رفتار سازهای سیستم قاب خمشی فولادی با سایر سیستمها پرداخته شده و یا در مواردی پژوهشگران، با استفاده از کابل، میراگر قطری و یا تیرهای خرپایی عمیق به دنبال بهبود عملکرد سیستم قاب خمشی بودند اما به معماری سازه ناشی از محدودیتهایی که به وجود میآید توجه خاصی نشده است.
این پژوهش ستونهای نوین خرپایی با نگاه توأمان عمران- معماری را ارائه نموده و به مقایسهی رفتار و هزینههای اولیهی ناشی از این ستونها در مقابل ستونهای متداول در سیستم قاب خمشی میپردازد. ایدهی اصلی بکارگیری ستونهای خرپایی تلفیق فضای داکت در ساختمان با ستونها است. مزایای اصلی این کار حذف قسمتی خاص از متراژ سازه برای داکت و وجود امکان تقسیم فضای داکت در سازه و کاهش محدودیت معماری ناشی از آن میباشد.
2. ضوابط مورد استفاده
در سازههای مدلسازی شده، برای بارگذاری ثقلی و جانبی از مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش سوم [10] 1392 و استاندارد 2800 - ویرایش چهارم - [11] استفاده شد. طراحی سازه هم بر اساس مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش [12] 1392 انجام شد. با توجه به شباهت ضوابط مبحث دهم و آییننامه فولاد آمریکا - AISC - ویرایش[13] 2010، از این آییننامه در نرمافزار ETABS 2013 برای طراحی استفاده شده است.
3. مدلسازی
همانطور که در مقدمه ذکر شد، در این پژوهش سیستم قاب خمشی فولادی با ستونهای خرپایی بررسی خواهد شد. به این ترتیب از یک مدل قاب خمشی فولادی 5 طبقه مطابق شکل 1 به عنوان مدل مبنا استفاده میشود. سقف این سازه تیرچهیونولیت با توزیع شطرنجی بوده و مقاطع تیرها از نوع Iشکل میباشند. مقاطع مصرفی در تیرها تا جای ممکن نورد هستند و در مواردی که طول دهانه زیاد بود از تیر ورقهای فشرده استفاده شد.
کوچکترین مقطع تیرها IPE140 بوده و بزرگترین تیر، تیرورقی با ارتفاع 43 سانتیمتر میباشد. مقاطع ستونها هم با توجه به اینکه سیستم در هر دو جهت قاب خمشی است و اتصال تیرها به ستونها صلب میباشد، به صورت Box هستند. این مقاطع هم با رعایت شرط فشردگی ساخته شدند. برای رعایت شرایط آییننامهای و حفظ یکپارچگی ستونها و برقراری شرایط اجرایی از دو مقطع Box35*35 با ضخامتهای 1/5 و 2 سانتیمتر استفاده شده است.
پس از نهایی شدن مدل مبنا، ستونهای خرپایی به جای ستونهای متداول جایگزین شدند و مقایسهها انجام شد. ابتدا در شکل 11و2 نمای سهبعدی یک ستون خرپایی در یک طبقه و در شکل 3 نمای ستون خرپایی در 5طبقه و به صورت پیوسته نمایش داده شده است. مقاطع ستونهای خرپایی مورد استفاده در مدلها، دایروی میباشد. در شکلهای 4 تا 9 میتوان حالات جایگذاری ستونهای خرپایی در پلان را مشاهده کرد. در این مدلها تاثیر تعداد و نحوهی جایگذاری ستونها مدنظر است که در ادامه مورد بحث قرار خواهد گرفت. با توجه به اینکه معمولا داکتها در فضای داخلی پلان ساختمان برای عبور لولهها و هواکشها قرار میگیرند، ستونهای خرپایی در گوشههای پلان جایگذاری نشدند.
