بخشی از مقاله

چکیده:

با افزایش روز افزون جمعیت و افزایش شهرنشینی و کمبود فضای ساخت و ساز، نیاز به احداث ساختمان های بلند روز به روز افزایش می یابد. از این رو به واسطه ارتفاع بالای این سازه ها، سیستم ها و روش های مختلفی برای ساخت و مقابله با بحرانی ترین شرایط محیطی و بارگذاری پیشنهاد شده است. به نحوی که هیچ گاه سازه مورد نظر به حد نهایی ظرفیت خود نرسد. یکی از روش های ساخت استفاده از هسته بتنی در مرکز، مهاربند بازویی و کمربند خرپایی است.

در این مقاله برای رسیدن به بهترین حالت عملکرد ساختمان در برابر بارگذاری بحرانی، مدل سازی و تحلیل سازه بیست طبقه در چهار حالت - سازه با هسته بتنی، سازه با هسته بتنی به همراه مهاربند بازویی، سازه هسته بتنی به همراه مهاربند بازویی و کمربند خرپایی در وسط سازه - در طبقه دهم - ، هسته بتنی به همراه مهاربند بازویی و کمربند خرپایی - در طبقه دهم و بیستم - انجام گردیده است. با بررسی و مقایسه تغییر مکان کلی سازه و برش پایه در حالت های اشاره شده مشاهده شد که استفاده از مهاربند بازویی و کمربند خرپایی تاثیر بسزایی در پاسخ های به دست آمده ایجاد کرده و عملکرد سازه را بهبود می بخشد.

-1 مقدمه

با توجه به افزایش ساخت و سازهای بلند، یافتن راهی برای بهبود عملکرد آنها همواره مورد توجه پژوهشگران قرار دارد. همزمان با دستیابی مهندسین سازه به فناوریهای نوین، پیشرفتهای علمی طراحی سازه ها و وجود رایانه و نرم افزار های متعدد سبب شد که مهندسان و طراحان اندوخته های ارزشمندی در اختیار داشته باشند تا به وسیله آن از روش مختلفی نظیر سیستم لوله ای، ابرقابها، مهاربندهای بازویی، کمربند خرپایی و .... برای اجرای سازه های بلند استفاده کنند. اما به دلیل اهمیت بالای سازه های بلند نکته حائز اهمیت در این است که در تمامی روشهای ذکر شده هیچ یک از اجزای سازه ای نباید به حد نهایی ظرفیت خود برسند.

از اهداف مهم و اصولی در انتخاب شکل سازه علاوه بر تحمل بار های ثقلی و جانبی، باید توانایی کنترل تغییر شکلهای ناشی از زلزله و باد را داشته باشند. یکی از شکلهای مناسب برای کنترل تغییر شکلها استفاده از قاب های تو در توی بازویی به همراه کمربند خرپایی است. عوامل مختلف در اجرای سازه های بلند تاثیرگذار است مانند وزن سازه، طراحی سازه، سرعت اجرا، فضای معماری سازه، سهولت اجرا و عملکرد سازه ای در مقابل نیروهای جانبی و.... .

در این مقاله برای رسیدن به بهترین حالت و عملکرد ساختمان در برابر بارگذاری بحرانی مدلسازی و تحلیل سازه بیست طبقه در چهارحالت - هسته بتنی در مرکز پلان - - wall، سازه با هسته بتنی به همراه مهاربند بازویی - - Brace، سازه با هسته بتنی به همراه مهاربند بازویی وکمربند خرپایی در وسط سازه - در طبقه دهم - - - outtrigger1 و هسته بتنی به همراه مهاربند بازویی و کمربند خرپایی در طبقات ده و بیست - outtrigger2 - انجام گردیده است. هدف از این کار بررسی و مقایسه عوامل تاثیرگذاری در سازه های بلند نظیر عملکرد سازه در مقابل نیروهای جانبی تغییر مکان نسبی، برش پایه در حالتهای اشاره شده میباشد.

-2 مفاهیم اساسی

2؛-1 هسته بتنی - - core structures

از آنجا که در بین سیستم های مختلف مقاوم در برابر نیروهای جانبی، دیوارهای برشی از سختی مناسبی برخوردار هستند، کاربرد و طراحی آنها در سازه های بلند گسترش یافته و لزوم رعایت ملاحظات معماری، استفاده از دیوارهای برشی کوپله را بسیار متداول نموده است. چنانچه در ساختمانهای بلند نیز مرسوم است ایجاد هسته های مقاوم در اطراف محدوده راه پله ها و آسانسورها، ضمن اینکه مشکلات معماری کمتری را در بردارد.

هدف اصلی این نوع سازه ایجاد فضای باز بدون ستون در طبقه همکف و طبقات زیر طره هاست. این فرم سازه ای البته دارای معایب سازه ای زیادی نیز هست، که مهمترین آنها عبارتند از : عمق موثر سازه ای کم هسته و در نتیجه عدم کارایی در تحمل بارهای جانبی و همچنین تحمل بار کفها توسط طره ها که اعضای سازه ای با بازدهی بسیار کم هستند.

2؛-2 مهاربند بازویی - brace structures -

این فرم سازه ای دارای یک هسته مرکزی است که متشکل از دیوار های برشی و یا قابهای مهاربندی شده است. هسته مرکزی توسط شاه تیرها و مهاربندهایی به ستون های خارجی متصل میشوند. هنگامی که سازه تحت اثر بارهای افقی قرار میگیرند، چرخش های صفحه ای قائم هسته به وسیله بازوها از طریق کشش در ستون ها جهت بار و فشار در ستون های خلاف جهت بار محدود میگردند.

به دلیل زیاد بودن عمق موثر سازه ای این نوع ساختمان ها، سختی جانبی افزایش یافته و تغییر مکان جانبی و لنگر هسته به مقدار زیادی کاهش میابد. در سازه مدل شده تحت عنوان brace که از مهاربند بازویی استفاده شده است، به این صورت میباشد که برای اتصال و برقراری ارتباط بین هسته بتنی و ستون های اطراف سازه در دو جهت x وy از مهاربند داخلی استفاده شده است و همانطور که نمودارها و نتایج نشان میدهد تاثیر بسیار چشمگیری در کاهش تغییر مکان کلی و نسبی سازه دارد و همین امر سبب لزوم استفاده از مهاربند در سازه های بلند شده است.

2؛-3 کمربند خرپایی - - outtrigger

کمربند خرپایی سیستمی است که برای کاهش تغییر مکان و جلوگیری از خرابی پیش رونده مورد استفاده قرار میگیرد. خرپاها به هسته بطور صلب متصل می باشند و به ستون های خارجی بطور ساده اتصال دارند. هنگامی که هسته برشی سعی بر خم شدن دارد، خرپاهای کمربندی مانند بازو های اهرم عمل می نمایند و در ستون های پیرامونی مستقیماً تنش های محوری ایجاد می کنند. این ستون ها به نوبه خود در مقابل تغییر شکل هسته مقاومت می نمایند، به عبارت دیگر در هسته کاملاً برش های افقی ایجاد می شود و خرپاهای کمربندی برش قائم را از هسته به قاب نما انتقال می دهند.

بنابراین با به کار بردن این خرپاهای کمربندی ساختمان بطور یکپارچه و خیلی شبیه به یک لوله ی طره شده عمل می کند. ساختمان می تواند یک یا چند خرپای کمربندی داشته باشد. هر چقدر که خرپاهای بیشتری به کار برده شود رفتار یک پارچه هسته و ستون ها را بهتر تأمین می گردد. این خرپاها را می توان در داخل ساختمان در محل هایی قرار داد که مهاربندی مورب - قطری - مانعی در وظیفه ساختمان ایجاد نکند - برای مثال در طبقات مکانیکی - . قاعده سازه ای استفاده از خرپاهای کمربندی در بالا و وسط ساختمان به نظر می رسد که برای ساختمان های تا حدود 60 طبقه اقتصادی باشد.

خرپاهای کمربندی را می توان یا با اتصالات مفصلی و یا با اتصالات صلب به ستون های پیرامونی متصل کرد. اگر خرپاها به ستون ها بطور پیوسته متصل باشند، تمام سیستم بصورت واحد عمل می کند و در نتیجه فقط درصد کمی از ظرفیت تحمل لنگر هسته مورد استفاده قرار می گیرد زیرا دیوارهای هستهنسبتاً نزدیک تار خنثی مقطع ساختمان قرار دارند. این نکته در دیاگرام تنش سیستم صلب که در آن توزیع تنش ها پیوسته می باشد مشاهده می گردد.

ازطرف دیگر بازوهای ارتجاعی که از هسته طره شده و به ستون های پیرامونی مفصل می گردند ظرفیت تحمل لنگر هسته را به نحو بهتری قابل استفاده می سازند و از ستون های خارجی نیز مانند سیستم صلب استفاده می شود. با این حال چون اتصالات مفصلی فقط برش را انتقال می دهند و هیچ لنگر خمشی در ستون ها ایجاد نمی کنند ظرفیت بار محوری ستون ها افزایش می یابد.

موقعی که قاب به هسته سازه مفصل شده باشد، هسته مانند یک تیر طره ای عمل می نماید و بالای آن به آزادی دوران می کند. در این حالت قاب دوران خیلی کمی را تحمل می نماید . اما اگر قاب بوسیله یک خرپای کمربندی به هسته بسته شده باشد هرگونه دورانی در بالای سیستم جلوگیری می شود زیرا ستون های پیرامونی با ایجاد نیروهای قائم - نیروهای محوری در ستون ها - خرپای کمربندی را مهار می کنند.

-3 فرضیات مدل سازی سازه

    ستون ها فقط تحت اثر نیروی محوری قرار دارد.

    رفتار سازه الاستیک خطی است.

    مهار های بازویی به صورت صلب به هسته و هسته به صورت صلب،به پی متصل است.

    مشخصات هندسی مقطع هسته و مهاربندهای بازویی در سراسر ارتفاع سازه یکنواخت است.

    مشخصات هندسی ستون ها در راستای ارتفاع سازه یکنواخت است.

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید