بخشی از مقاله
چکیده
امروزه استفاده از سازه های فضاکار برای دهانه های بزرگ بصورت یک ضرورت در آمده است. گرچه به این منظور سازه هایی، جهت پوشاندن ساختمان های صنعتی طراحی شده است، لیکن برای دهانه های بیش از 60 متر تنها سازه های فضاکار عملی می باشد.
با توجه به هزینه ی روز افزون مصالح، لازم است جدیدترین تکنولوژی ها در اختیار گرفته شود تا طراحی ها با رعایت کامل ضوابط آئین نامه های بارگذاری و ساختمانی کاملا اقتصادی صورت گیرد. جهت منظور نمودن اثرات مثبت رفتار خمیری سازه در تحمل نیروهای جانبی، تقریبا تمامی آیین نامه های معتبر دنیا یک ضری بویژه موسوم به ضریب رفتار ساختمان یا ضریب تصحیح بازتاب که جهت کاهش نیروهای زلزله محاسبه شده، در نظر گرفته و طراح را مجاز به آنالیز الاستیک سازه تحت نیروهای کاهش یافته می نمایند.
به دلیل مشخص نبودن این پارامتر در استانداردها و آیین نامه های ایران و جهان برای سازه های فضاکار، انجام بررسی های دقیق تر امری ضروری است. هدف از این تحقیق تاثیر طول دهانه و طول عضو بر پارامترهای لرزه ای سازه فضاکار تک لایه و دولایه می باشد. در این مقاله از سازه های با ابعاد دهانه های 10، 20 و 30 متر و طول اعضای 1، 2 و 3 متر به همراه تغییر در فاصله ی شبکه ها بین 0/5 تا 1/5 متر استفاده شده و نتایج حاصل بصورت جداول و نمودارهایی ارائه شده است.
مقدمه
امروزه مهندسی عمران و احداث سازه های بلند و عظیم رواج یافته است. یکی از انواع سازه هایی که به مهندسان در سبک سازی و تسریع احداث پروژه کمک میکند سازه های فضایی - Space - Frame می باشند. این سیستم به دلیل مزایایی مانند سهولت و سرعت اجرا، وزن کم و سختی مناسب برای اجرای سقف ها به خصوص در دهانه های بزرگ مورد استفاده قرار می گیرد. سازه فضاکار مشبک دو یا چند لایه که به اختصار شبکه دو یا چند لایه نیز نامیده می شود، یک سیستم سازه ای است که دارای دو یا چند لایه صفحه ای از اعضای تیری بهم اتصال یافته است. نیروهای داخلی اصلی در شبکه های دو یا چند لایه، نیروی محوری هستند.
با توجه به اهمیت سازه های فضاکار در پوشش سطح وسیعی از پلان و اهمیت کاربرد آن در سازه های مهم، نیاز به طراحی دقیق این سازه ها می باشد. یکی از پارامترهای دخیل در طراحی سازه ی فضاکار، اثرحضور نیروی زلزله به شیوه ی ساده شده می باشد. در اعمال نیروی زلزله در برنامه های کامپیوتری و نیز محاسبات دستی، پارامتر ضریب رفتار سازه نقش کلیدی را ایفا می کند. هدف اصلی این مقاله تعیین ضریب رفتار شبکه های تک، دو و سه لایه ی تخت فضاکار می باشد. همچنین به بررسی و تعیین میزان شکل پذیری سازه های مذکور پرداخته می شود. از اهداف فرعی می توان به تاثیر پارامترهای نسبت دهانه به ارتفاع سازه، تغییر در طول اعضای شبکه و تغییر در ارتفاع یال های شبکه در پارامتر ضریب زلزله اشاره نمود. همچنین با انجام بررسی ها مشخص می شود که کدام یک از پارامترهای اشاره شده، در رفتار سازه نقش پر رنگ تری را دارد.
-2 تعریف مسئله و معرفی سازه فضاکار
امروزه با پیشرفت علوم مختلف، همه روزه شاهد اختراعات و ابداعات جدیدی در سطح جهان وجود دارد، توام با پیشرفت تکنولوژی، نیاز به فضاهای عمرانی مدرن افزایش یافته است. از جمله این نیازها، ایجاد فضاهای بزرگ، بدون ستونهای میانی است.
سازههای فضا کار سازههایی متشکل از اعضاء مستقیم که پس از همبندی با یکدیگر تشکیل ساختار سه بعدی منسجمی را میدهند، هستند. از آنجائیکه طول اعضاء نسبت به ابعاد سازه خیلی کوچک میباشند، میتوان توسط این سازهها انواع مختلف اشکال هندسی را بوجود آورد، بدین لحاظ، این سازهها وسیله نیرومندی در دست مهندسین معمار میباشند. جهت اتصال اعضاء به یکدیگر از پیوندها استفاده می گردد. پیوندها دارای سیستمهای گوناگونی بوده که این اتصالات به دو صورت مفصلی و گیردار قابل طرح میباشند. در اتصالات مفصلی عمده نیروهای غالب بصورت محوری بوده، خمش به صورت اثر ثانویه در سازه ظاهر می شود، مصالح کاربردی برای این نوع سازهها عمدتاً فولادی بوده و لیکن با توجه به دسترسی مصالح گاهی اوقات مصالح چوبی، آلومینیومی و غیره استفاده میشوند.
شکل -1 انواع سازههای فضاکار
در بین سازه های مذکور در شکل 1، شبکه های تخت دو یا چند لایه مورد بحث در این مقاله می باشد. شبکه دو لایه از دو صفحه موازی که توسط عناصری به یکدیگر وصل شدهاند، تشکیل میشود. در مواردی که ارتفاع شبکه زیاد گشته و به قدرت باربری بیشتری نیاز باشد میتوان تعداد لایهها را به سه لایه افزایش داد. شبکههای دو لایه از متداولترین سازههای فضاکار میباشند و خود با توجه به نحو ساخت و نصب به سه سیستم سیستمهای پیوندهای، واحدی و ترکیبی قابل تقسیم می باشند.
-3 پیشینه تحقیق
نتایج کارهای محققان درمورد تعیین ضرایب رفتار لرزه ای قاب های فضاکار بیانگر این مطلب است که ضریب رفتار لرزه ای این گونه سازه ها کم و در حدود متعارف برای ساختمانهای عادی با شکل پذیری معمولی می باشند. در ادامه به برخی از تحقیقات محققین در این زمینه اشاره می شود.
جعفروند و همکاران [3] به بررسی تاثیر نسبت های مختلف ارتفاع به دهانه بر روی ضریب رفتار لرزه ای قاب های فضاکار گنبدی دو لایه پرداختند. آن ها با این واقعیت روبرو شدند که درجهت طولی ضریب رفتار بزرگ تر از 3 برای سازه های گنبدی دولایه و چلیکی
شکل - 2-2 - مدل های مورد بررسی
نتیجه ی مهم تحقیق به این صورت اشاره گردید که برخلاف ساختمان های معمولی، در سازه های فضاکار غیر صفحه ای - مانند چلیک ها وگنبدها - مود بالاتر ومودهای قائم در پاسخ های دینامیکی نقش موثری دارند. همچنین برخلاف سازه های معمولی ساختمانی که تحت تحریک های افقی، تغییرمکان قائم ناچیزی دارند، این نوع از سازه های مورد بحث دارای تغییرمکان های قائم قابل ملاحظه در اثر تحریکات زلزله ی افقی دارند. در پایان برای این سازه ها تحت تحلیل استاتیکی غیر خطی، ضریب رفتار 3/8 و 4/4 برای دوحالت شرایط تکیه گاهی مختلف ارائهنمود.
محسنی و همکاران [7] به ارزیابی رفتار دینامیکی سازه های فضاکار مشبک دو لایه ی تخت و تعیین ضریب رفتار لرزه ای سازه پرداختند. تاثیر بعضی از پارامترها مانند نسبت ارتفاع به دهانه بر ضریب رفتار مورد بررسی قرار گرفت. با کمک نرم افزار المان محدود ANSYS تاثیر ارتفاع بر ضریب رفتار و در نظر گرفتن چهار نوع از سازه های فضاکار تخت دولایه با طول دهانه های 10، 15، 20، 30 و 40 متر و ارتفاع های مختلف ارزیابی شد.
با توجه به نتایج حاصله از تحقیق، تاثیر کم در افزایش ارتفاع، بر روی ضریب رفتار سازه چشمگیر است. این امر به این دلیل است که از ممان اینرسی بالاتر از سازه استفاده می شود. همچنین تحقیقشان مشخص کرد که وجود بازشو تاثیرکمی در تغییرات ضریب رفتار دارد. علاوه بر این، با افزایش نسبت ارتفاع به بازشو، شکل پذیری و مقاومت کاهش می یابند. درمدل ارائه شده شکل پذیری برابر با 1/77 و ضریب رفتار 3 حاصل شده است.
-4 روش تحقیق
در این بخش به معرفی روش انجام مدلسازی جهت تعیین پارامترهایی مانند ظرفیت، ضریب رفتار و شکل پذیری سازه به همراه معرفی مدل ها و مشخصات اعضا و رفتار پلاستیک آن ها پرداخته میشود.
-1-4 مدلسازی هندسی
در این بخش به مدل سازی شبکه های تک ، دو و سه لایه متکی بر تکیه گاه انعطاف پذیر با فاصله ی 50، 100 و150 سانتی متر شبکه لایه ی فوقانی از تحتانی، با طول اعضای 1، 2 و 3 متر و دهانه هایی با ابعاد 10، 20 و30 متر پرداخته می شود. در شکل 2 یک سازه ی فضاکار مشبک دو لایه پوشش دهنده ی دهانه ی 10 متری نشان داده شده است.این خرپا دو لایه - یک لایه ی کششی و یک لایه فشاری - دارد. تمام خرپاهای مورد بحث مسطح می باشند.
در سازه های فضاکار دو لایه، ارتفاع - ضخامت - دو لایه را به گونه ای محاسبه می کنند که طول کلیه اعضا یکسان شود. لایه بالا و پایین دارای اعضایی با طول های یکسان می باشند. دولایه با هم اختلاف فاز مکانی دارند به گونه ای که گوشه های پایینی در مرکز مربع های شبکه ی بالایی قرار می گیرند. شبکه ی بالا از هر طرف یک مدول بیشتر از شبکه پایینی دارد.
شکل-2 نمای سه بعدی از شبکه دولایه ی مدل سازی شده
در جدول 1 مشخصات و ابعاد هندسی مدل های مورد تحلیل آمده است. در ادامه در جدول 2 مشخصات هندسی اعضای شبکه های مورد بررسی ذکر شده است. لازم به ذکر است که تمام اعضا از مقاطع لوله ای فلزی انتخاب شده اند.
جدول 1 ابعاد هندسی شبکه های فضاکار تخت
جدول 2 مشخصات هندسی اعضای شبکه های فضاکار تخت
