whatsapp call admin

مقاله در مورد ارزیابی پدیده ستون کوتاه و شکست آن در زلزله و روشهای مقابله با آن

word قابل ویرایش
10 صفحه
8700 تومان
87,000 ریال – خرید و دانلود

ارزیابی پدیده ستون کوتاه و شکست آن در زلزله و روشهای مقابله با آن

چکیده:
پدیده ستون کوتاه در طول زلزله‌های گذشته خسارات زیادی را متوجه ساختمانها نموده است. این پدیده بعلت قرار گرفتن ساختمان در یک سطح شیبدار و یا محدود شدن ستون و یا دیوار با عناصر غیرسازه‌ای نظیر دیوارهای آجری و بازشوها و یا در اثر اختلاف سختی در یک تراز معین (بعلت وجود عواملی نظیر اختلاف تراز از طبقه، پله و تیر نیم طبقه) ایجاد می‌گردد. در ساختمانها قابلهای باربر توسط دیوارهایی با مصالح بنایی پر می‌شوند. این امر باعث افزایش سختی قاب شده و اگر توزیع سختی بصورت متقارن باشد به بهبود رفتار سازه منجر می‌گردد. اما در عین حال در بعضی از ور ستونها ایجاد می‌شوند. این مسأله باعث کوتاه شدن طول موثر ستون و افزایش سختی آن می‌گردد. در نتیجه ستون کوتاه به علت سختی بیشتر نیروی زلزله بیشتری را جذب نموده و به خرابی آن منجر می‌گردد. پس نیاز به رعایت جزییات اجرایی مناسب جهت مقابله با این نیروی بزرگ و مخرب الزامی جلوه می‌کند. در این مقاله با تأثیر وجود میانقاب کامل و رفتار ستون کوتاه و آثار مخرب آن در زلزله‌های گذشته بررسی شده و روشهای جدید مقابله با پدیده ستون کوتاه ارائه گردیده است.

واژه‌های کلیدی: ستون کوتاه، میانقاب آجری، افزایش سختی، تحلیل خرابی، روشهای مقابله

۱- مقدمه
در ساختمان‌ها معمولا برای اینکه داخل ساختمان را از فضای بیرون جدا کنند از دیوارهای با مصالح بنایی استفاده می‌کنند که در داخل قاب قرار می‌گیرند.
اگر چه وجود میانقاب باعث افزایش سختی کل سازه می‌شود اما این اثر همواره جنبه مثب

ت ندارد. این تغییر در سختی سازه باعث تغییرات قابل ملاحظه‌ای در رفتار آن می‌شود. یک حالت نامناسب، وجود دیوارهای کوتاهی است که تا قسمتی از ارتفاع طبقه ادامه یافته‌اند. در این صورت قسمتی از ستون که مجاور دیوار است، تقریبا به طور یکپارچه با دیوار عمل نموده، ارتفاع مؤثر ستون کاهش و سختی آن بسیار افزایش می‌یابد. به تناسب این افزایش سختی، ستون متحمل نیروهای شدیدتری می‌شود. ]۱[ در اغلب سازه‌های بتنی ستون‌ها بعلت ناکارآمدی در شکل‌پذیری خمش و ضعف مقاومت برش یا خمش در مقاطع بحرانی (عمدتا ناشی از کمبود فولاد عرضی و یا طول وصله فولاد طولی) آسیب‌پذیرترین اعضاء بوده‌اند. ]۲و۴[ تجربه نشان داده است که یکی از دلایل مهم

خرابی سازه‌های دارای میانقاب، پدیده ستون کوتاه می‌باشد. در زلزله‌های گذشته در ساختمان‌های بتنی که دارای ستون‌هایی با ارتفاع‌های مختلف هستند خسارات وارده به ستون‌های کوتاه‌تر بیشتر از ستون‌های بلندتر بوده است. (شکل ۱و۲و۲و) ]۳[

ستون‌های کوتاه بطور وسیعی در ساختمان‌های شهری بوجود می‌آیند. تراز پارکینگ‌ها، قرارگیری ساختمان در شیب‌های تند، ستون‌های واقع در نیم طبقه‌ها و ستون‌های حدفاصل پنجره‌های بزرگ از جمله مهمترین محل‌های تشکیل ستون‌های کوتاه هستند. ]۴[ دو نمونه از ساختمان‌های با ستون کوتاه شامل ساختمان‌هایی که بر روی زمین شیب‌دار قرار گرفته‌اند و ساختمان‌هایی که دارای نیم طبقه می‌باشند در شکل ۴ نشان داده شده است.

در شکل ۵ پدیده ستون کوتاه در ساختمان‌های با اختلاف تراز مشاهده می‌گردد.

رفتار ضعیف ستون‌های کوتاه بنا به این حقیقت است که در زلزله، یک ستون بلند و یک ستون کوتاه با مقطع عرضی یکسان، با تغییر مکان یکسان حرکتی افقی می‌نمایند. (شکل ۶)

با این حال، ستون کوتاه در مقایسه با ستون بلند سخت‌تر است و نیروی زلزله بیشتری جذب می‌نماید، با توجه به رابطه سختی چنانچه طول ستون نصف گردد، سختی ستون و در نتیجه جذب نیروی زلزله ۸ برابر می‌شود. سختی یک ستون به معنای مقاومت در برابر تغییر شکل می‌باشد. هر چه سختی بیشتر باشد، نیروی بیشتری برای تغییر شکل آن لازم می‌باشد. اگر یک ستون کوتاه به طور مناسب برای چنین نیروی بزرگی طراحی نشود، می‌تواند خسارت مهمی را در طول زلزله

متحمل شود، این رفتار «اثر ستون کوتاه‌» نامیده می‌شود. ]۳[ با توجه به ابعاد سطح مقطع ستون و بر حسب ارتفاع بخش ستون کوتاه، مکانیزم‌های گوناگونی برای شکست آن وجود دارد. اگر ارتفاع ستون کوتاه، بسیار کم باشد (در مقایسه با ابعاد مقطع ستون)، شکست برشی رخ می‌دهد که به ترک‌های قطری و یا خردشدگی شدید بتن منجر می‌گردد (تصویر ۷).

اما اگر ستون باریک باشد و یا ارتفاع دیوار زیاد نباشد، شکست ایجاد شده در ستون به صورت خمشی خواهد بود (تصویر ۸). خرد شدگی بتن بر اثر نیروهای شدید برشی در حضور نیروی فشاری زیاد در تصویر ۹ نشان داده شده است. نیروی فشاری به همراه نیروی برشی باعث کمانش میلگردهای طولی شده است.]۱[

۲- نتایج برخی آزمایشات

در یک آزمایش یک قاب با دهانه ۵ متر و ارتفاع ۳ متر را برای سه حالت قاب، قاب مرکب و قاب با دیوار کوتاه (نصف ارتفاع قاب) مورد بررسی قرار گرفت و ملاحظه شد که رفتار سازه با میانقاب کامل با دو حالت دیگر تفاوت زیادی دارد بدینصورت که جابجایی نسبی طبقه (% از ارتفاع) در طول زمان در حالت قاب پرکننده بطور هماهنگ و یکسان بوده در حالیکه در دو حالت قاب و ستون کوتاه این جابجایی بیشتر می‌باشد.
اگر چه جابجایی طبقه برای هر دو حالت قاب بدون دیوار و قاب با دیوار کوتاه، تقریبا یکسان اس

ت، اما باید توجه نمود که مقدار تغییر مکان نسبی در حالت اول (ستون سه متری) نصف حالت دوم (ستون ۵/۱ متری- ستون کوتاه) می‌باشد. در نتیجه انتظار می‌رود که در این سازه میزان خرابی در حالت وجود دیوار کوتاه بیشتر باشد. علاوه بر آن، ملاحظه می‌شود خرابی سازه‌ای در حالت میانقاب کامل، کمتر از دو حالت دیگر می‌باشد که نشان‌دهنده اهمیت پدیده ستون کوتاه در خرابی سازه‌های دارای قاب مرکب است. ]۱[

 

۳- رفتار ستون کوتاه
عملکرد ستون‌های کوتاه به هنگام وقوع زلزله بسیار تاثیرگذار بر پایداری و ناپایداری سازه می‌باشد. در قسمت‌های مختلفی از ساختمان پدیده ستون کوتاه رخ می‌دهد. زمانی که یک ساختمان بر روی زمین شیب‌دار قرار دارد (شکل ۴- الف) در طول تکان‌های زلزله تمام ستون‌ها دارای تغییر مکان افقی یکسانی به همراه دال سقف در یک تراز معین می‌گردند (این عمل دیافراگم کف صلب نامیده می‌شود.) اگر ستون‌های کوتاه و بلند در یک تراز طبقه بوجود آیند ستون‌های کوتاه نیروی زلزله چندین برابر بیشتری جذب کرده و متحمل خسارت بیشتری در مقایسه با ستون‌های بلند می‌گردند. همچنین پدیده ستون کوتاه در ستون‌هایی که به تراز نیم طبقه برخورد می‌نمایند یا دال زیر شیروانی که بین دو سقف اضافه می‌شود، اتفاق می‌افتد.

(شکل ۴- ب) ]۴و۵[
یک موقعیت خاص دیگر برای رخ دادن پدیده ستون کوتاه در یک ساختمان وجود دارد. چنانچه دیواری (بنایی یا بتن آرمه) با ارتفاع ناقص به منظور ایجاد بازشو در ارتفاع باقیمانده در نظر گرفته شود، ستون‌های مجاور به علت وجود این دیوارها رفتاری به صورت ستون کوتاه از خود نشان می‌دهند. در بسیاری از موارد، سایر ستون‌ها در همان طبقه به علت عدم وجود دیوارهای متصل به آنها دارای ارتفاع کامل می‌باشند، زمانی که دال کف در طول زلزله تغییر مکان افقی می‌دهد، انتهای بالای ستون‌های کامل دچار همان تغییر مکان می‌شوند. (شکل ۱۰) ]۳و۵[

با این حال، دیوارهای سخت حرکت افقی بخش پائینی ستون کوتاه را محدود می‌کنند و ستون در ارتفاع کوتاه خود در مجاورت پنجره (بازشو) تغییر شکل کامل می‌دهد. از طرف دیگر، ستون‌های کامل در کل ارتفاع تغییر شکل می‌دهد. از آنجایی که ارتفاع مؤثری که یک ستون کوتاه آزادانه می‌تواند خم شود کوچک است، نیروی زلزله بیشتری در مقایسه با ستون کامل جذب می‌نماید. در نتیجه ستون کوتاه خسارت بیشتری متحمل می‌شود. شکل ۱۱ ترک خوردگی x شکل در یک ستون مجاور با دیوارهایی با ارتفاع ناقص را نشان می‌دهد. در شکل ۱۲ نیز پدیده ستون کوتاه در دیوار آجری به علت محدود شدن توسط دیوارهای با ارتفاع ناقص مشاهده می‌گردد. ]۵[

۴- اساس طراحی سازه‌های بتن مسلح در برابر زلزله و مقایسه آن با رفتار ستون کوتاه:
طبق ضوابط طراحی:
۱- انعطاف‌پذیری و قابلیت جذب انرژی و شکل‌پذیری در نظر گرفته شود.
۲- تیر باید قبل از ستون به حالت تسلیم برسد.
۳- شکست خمشی قبل از شکست برشی اتفاق بیافتد.
۴- اتصالات از اعضاء اتصال‌دهنده خود باید قویتر باشند.
۵- از شکست برشی در ستون و تیرها و یا لغزش میلگردهای مهاری یا شکست پانل اتصالات کمانش میلگرد فشاری و … جلوگیری شود.
در حالیکه رفتار حاکم بر ستون‌های لاغر تحت بارگذاری جانبی ایجاد مفصل خمشی است اما در ستون‌های کوتاه به برش نهایی خواهد رسید قبل از اینکه مفصل خمشی در آن بوجود آید. در واقع ظرفیت خمشی عضو بطور قابل ملاحظه‌ای از ظرفیت برشی بیشتر می‌شود و شکست از نوع برشی خواهد بود و در قاب‌های با تیر قوی و ستون ضعیف تحت بارگذاری جانبی شکست و تسلیم قاب با ستون شروع می‌شود و اگر ستون‌های ضعیف کوتاه باشند سازه در مد غیر شکل‌پذیر می‌شکند و در واقع تخریب بسیار ترد و سریع می‌باشد. ملاحظه می‌شود که تناقضات زیادی بین اصول طراحی و رفتار ستون کوتاه وجود دارد. ]۲و۴و۶[

 

۵- راه حل
بازشوها علاوه بر اینکه می‌توانند بدلیل عملکرد جدای از سازه به هنگام وقوع زلزله مشکل‌ساز شوند در بسیاری از اقوات موجب تشکیل ستون کوتاه یا طبقه نرم می‌شوند. بنابراین در ساختمان‌های جدید از پدیده ستون کوتاه تا حد امکان در طول فاز طرح معماری باید اجتناب گردد. زمانی که نتوان از ایجاد ستون کوتاه جلوگیری کرد این پدیده باید در طرح سازه‌ای لحاظ گردد. (جزئیات اجرایی ویژه) در ستون‌هایی که قسمتی از آن با دیوار بتنی پوشیده شده است در تمام قسمت آزاد ستون باید آرماتورگذاری ویژه اجرا شود ]۳و۴و۶[ آرماتورگذاری محصورکننده خاص (مثلا تنگ‌های بسته با فواصل نزدیک) باید در ستون کوتاه در بالا و پایین به صورت قائم با یک فاصله معین (شکل ۱۴) باشد.

همچنین می‌توان ستون را از دیوار کوتاه جدا کرد و فاصله بین آنها را با مصالح نرم که براحتی خرد می‌شوند پر کرده و تمهیداتی نیز برای جلوگیری از شکست خارج از صفحه دیوار اندیشید. (شکل ۱۵)

در سازه‌های موجود با ستون‌های کوتاه، برای جلوگیری از خسارت در زلزله‌های آتی راه‌حل‌های ترمیمی مختلفی را می‌توان بکار گرفت. ]۱و۳و۴[ جایی که دیوارهایی با ارتفاع ناقص وجود دارند، ساده‌ترین راه حل پر کردن محل بازشوها با ساخت دیوار با ارتفاع کامل می‌باشد. با چنین اقداماتی پدیده ستون کوتاه از بین می‌رود. چنانچه این راه حل امکان‌پذیر نباشد، ستون کوتاه ایجاد شده باید با استفاده از یکی از تکنیک‌های ترمیم لرزه‌ای مناسب مقاوم گردد. راه حل ترمیمی باید توسط یک مهندس سازه توانمند و با سابقه طراحی گردد. ]۳[

۶- نتیجه‌گیری
در این مقاله اثر وجود میانقاب و پدیده ستون کوتاه بررسی شد. با توجه به نتایج عددی حاصل می‌توان گفت وجود میانقاب کامل باعث بهبود رفتار لرزه‌ای سازه شده است. اگر چه این مطلب همواره صادق نیست، اما در اغلب موارد وجود میانقاب رفتار ساختمان را در مقابله زلزله بهبود می‌بخشد. همچنین تحلیل خرابی نشان می‌دهد که وجود دیوار کوتاه بین دو ستون باعث شکست برشی شدید و زود هنگام سازه می‌گردد. با توجه به مطالب ذکر شده، سازه از لحاظ طرح افقی و قائم باید گونه‌ای باشد که تا حد امکان از ایجاد ستون کوتاه اجتناب گردد اما در صورت اجتناب‌ناپذیر بودن باید روش‌های سازه‌ای مناسب با نیروی زلزله مقابله نمود.

۷- منابع
]۱[ تابش پور، محمدرضا، “ارزیابی محاسباتی شکست ستون کوتاه در هنگام زلزله‌”، پژوهشگاه زلزله‌شناسی و مهندس زلزله، بهار ۸۴٫
]۲[ توکلی ، علی، “بررسی و ارزیابی موردی ساختمان‌های بتنی د رمنطقه مازندران”، دانشگاه علوم و فنون.
]۳[ خیرالدین، علی، “آثار مخرب پدیده ستون کوتاه”، عمران و معماری، شماره ۱۲٫
]۴[ رهایی، علیرضا – وثوقی‌فر، حمیدرضا، “مطالعات لازم برای تعیین شاخص خرابی (DI) ابنیه مختلف به هنگام زلزله”، مجله دانش، شماره ۱۳٫

[۵] murthy C.V.R, Minimising short column effect in buildings Indian Institute of technology, kanpur.
]6[ طاحونی، شاپور، “طراحی سازه‌های بتن مسلح”، چاپ هشتم.
]۷[ آیین نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله (۲۸۰۰)
]۸[ لطف الهی، محمدعلی – گلگ ون، حمیدرضا، “بکارگیری المان محدود در بررسی اثر بازشو روی دالهای بتن آرمه”، فصلنامه عمران، شماره ۱
a

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 10 صفحه
87,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد