مقاله تحلیلی: روش های مقاوم سازی طبقه نرم

حوادث طبیعی اخیر نشان می‌دهند که اگر در شهرهای بزرگ آمادگی لازم و یا برنامه‌ای مدون برای مقاوم سازی و بهسازی نداشته باشند، جامعه به لحاظ اقتصادی و اجتماعی تحت تأثیر قرار می‌گیرند. بیش از 230000 نفر در نه ماه اول پس از طوفان کاترینا از نیواورلانز مهاجرت کردند. اطلاعات سرشماری نشان داد که تنها 100000 نفر در هشت سال بعد به این شهر بازگشتند. زلزله 6.3 ریشتری در سال 2011 در کرایستچرچ نیوزیلند، به 70 درصد از منطقه تجاری مرکزی (CBD) خسارت زد. اکثر ساختمان‌ها بیش از حد خطرناک بودند و لذا غیرقابل استفاده تلقی می‌شدند.

بسیاری از شهرهای بسیار پر جمعیت در امتداد سواحل غرب ایالات متحده در مقابل حوادث مشابهی آسیب پذیر هستند. این شهرها عمدتاً دارای سازه‌های مسکونی با قاب چوبی و آپارتمان‌های چندطبقه می‌باشد. سازه‌های نگران کننده معمولاً سه طبقه یا بیشتر در ارتفاع داشته و طبقه همکف آن‌ها متشکل از مغازه، پارکینگ و پارکینگ بدون دیوار بوده است. این نوع از ساختمان به عنوان یک سازه با طبقه نرم شناخته شده است. هزاران ساختمان این چنینی طبق آیین نامه هایی که در آن زمان در آن‌ها این اثر بی‌نظمی در ارتفاع به خوبی پوشش داده نشده بود، طراحی شده‌اند. مصالح غیر انعطاف پذیر با ظرفیت جابجایی پایین، اغلب برای ایجاد مقاومت جانبی مورد استفاده قرار می‌گرفت. همان‌طور که در زلزله لوما پریتا سال 1989 و زلزله نورتریج سال 1994 و در تحقیقات پروژه NEES-Soft و آزمایش‌های انجام گرفته در دانشگاه کالیفرنیا، مشاهده شد، سازه‌های دارای طبقه نرم مستعد فروپاشی هستند.

سرمایه گذاری در مقاوم سازی ساختمان‌هایی که به شدت در معرض آسیب‌های شدید هستند، یکی از اقدامات مسئولین شهری برای محافظت از شهر محسوب می‌شود. در دهه 1980 شهر لس‌آنجلس حکمی مبنی بر استلزام صاحبان ساختمان‌های بنایی غیرمسلح (URM) برای تقویت ساختمان‌های خود اجرا نمود. پس از خسارات حداقل وارده به ساختمان‌های URM پس از زلزله نورتریج در سال 1994، درک این حکم کاملاً مشهود بود. اخیراً، شهرهایی مانند سان‌فرانسیسکو، برکلی و لس‌آنجلس برنامه‌های مقاوم سازی اجباری برای سازه‌های دارای طبقه نرم که قبل از 1987 مجوز ساخت گرفته یا ساخته شده است، برقرار ساختند. شهرهای بیشتری در حال حاضر به دنبال سرمایه گذاری برای بررسی یک طرح برای اتخاذ برنامه‌های مشابه برای افزایش انعطاف پذیری جوامع خود هستند. روش‌های مقاوم سازی لرزه‌ای معمولی عبارت‌اند از استفاده از دیوار برشی چوبی مرسوم و یا قاب‌های خمشی برای افزودن مقاومت و انعطاف پذیری به سازه. تمرکز این مقاله بر استفاده از قاب‌های خمشی در این حوزه می‌باشد.

مجموعه قاب خمشی ترکیبی از تیرها و ستون‌های طراحی شده‌ای است که برای انتقال لنگر و نیروهای برشی از طریق اعضاء و اتصالات برای ایجاد مقاومت در مقابل نیروهای جانبی می‌باشد. هنگامی که لازم است یک قاب خمشی بدون مسدود نمودن دهانه‌ها مقاومت اضافه‌تری تأمین کند، مهندسان می‌توانند یکی از این سه گزینه را انتخاب کنند: قاب‌های خمشی معمولی (OMF)، قاب‌های خمشی متوسط (IMF) و قاب‌های خمشی ویژه (SMF). رفتار مورد انتظار از اتصال تیر ستون تفاوت میان این طبقه بندی‌ها را تعیین می‌کند.

پیش تائید صلاحیت AISC 358

ضوابط لرزه‌ای برای ساختمان‌هایی با سازه‌های فولادی (ANSI / AISC 341) یک دستورالعمل برای طراحی قاب‌های خمشی فراهم می‌کند. 

در موارد استفاده از SMF، طراحی اتصال باید مطابق با معیارهای عملکرد در AISC 341 باشند و یا مطابق با الزامات اتصالات و جزئیات تائید شده در AISC 358 باشد. اتصالات خمشی تائید شده، یک پیکربندی خاص از اتصالات و جزییاتی است که توسط گروه بررسی اتصالات AISC مورد بررسی قرار گرفت تا ضوابط عملکردی برای SMFها را برآورده نموده و همچنین ضمیمه استاندارد AISC 358 شود. ضوابط لرزه‌ای AISC 341-10 یک برنامه دوره‌ای برای آزمایش و اندازه گیری رفتار یک اتصال خمشی ارائه نمود. یکی از معیارهایی که طبق الزامات باید در مورد SMF رعایت شود، این است که اتصال باید به حداقل چرخش مفصلی برابر با 0.04 رادیان با حداقل MP 0.8 از مقاومت خمشی اندازه گیری شده دست یابد.

SMF های مرسوم با تسلیم تیر تحت جابه‌جایی‌های بزرگ طراحی شده است. تسلیم تیر اتلاف انرژی فراهم می‌کند و برای حصول اطمینان از اینکه اتصال تیر - ستون به خطر نیافتد، طراحی شده است. فلسفه طراحی در حال حاضر محصول آزمایش‌های گسترده بر روی اتصالات SMF پس از زلزله 1994 نورتریج در کالیفرنیا است. SMFها باید دارای حالت ارتجاعی مورد نیاز برای تحمل چرخش‌های بزرگ بین ستون و تیر باشند. تیر باید با استفاده از مهار جانبی مقید شود تا از کمانش بال فشاری در حین تشکیل مفصل پلاستیک جلوگیری شود.

 مهارهای جانبی تیر

انتظار می‌رود SMFها تغییر شکل‌های غیر الاستیک قابل توجهی را در حین یک زلزله طرح تجربه کنند. عموماً، مهارهای جانبی در مکانه‌ای خاصی از تیر برای مقید کردن تیر در برابر کمانش جانبی پیچشی تحت تغییر شکل‌های بزرگ لازم است. بخش D1.2b از AISC 341-10 ضوابط مورد نیاز برای جلوگیری از مودهای شکست کمانشی نامطلوب که ممکن است در طول شکل گیری مفصل پلاستیک در تیر رخ دهد را فراهم می‌کند. طبق بخش D1.2b از AISC 341-10، «مهارهای جانبی تیرها با شکل پذیری خیلی زیاد باید در حداکثر فواصل LB = 0.086ryE / قرار داشته باشد.» مهارهای جانبی ویژه در محله‌ای مفصل پلاستیک مستلزم مقید نمودن هردو بال تیر و کمانش پیچشی سطح مقطع عضو می‌باشد. مهارهای جانبی باید حداقل سختی و مقاومت مورد نیاز را برآورده کنند. الزامات مورد نیاز برای پایداری و مقید نمودن تیرهای SMF ها در بخش E3.4b از AISC 341-10 خلاصه شده است.

ارضای ضوابط آیین نامه‌ای در خصوص مهار جانبی SMF در سازه‌های سبک چوبی به علت مقاومت و سختی کمتر چوب در مقابل فولاد، بسیار چالش برانگیز است. سوراخ بزرگ در چوب، انحراف عمودی تیر کف و انحراف افقی دیافراگم کف برخی از منابع انحراف هستند که رسیدن به مینیمم ضوابط سختی در مورد مهارهای جانبی مطابق با AISC را برای یک SMF بسیار سخت می‌نماید.

AISC 358-16، فصل 12

برای پرداختن به چالش‌های طراحی مرتبط با مهار نمودن تیر و جلوگیری از جوش در محل در سازه‌های قابی چوبی سبک، Simpson Strong-Tie® یک اتصال خمشی با تقید نسبی (نوع PR) که به ‌صورت پیچی در محل اجرا می‌شود را توسعه داد. این راه حل از یک طرح فیوز سازه‌ای ثبت شده با نام ™Yield-Link استفاده می‌کند تا اتصال خمشی را مهیا سازد. رویکرد منحصر به فرد مبتنی بر ظرفیت اتصال Yield-Link نشان دهنده کنار گذاشتن اتصالات قاب خمشی سنتی به دو روش قابل توجه است.

1. اتصالات اتلاف انرژی Yield-Link همچون یک «فیوز» در یک سیستم الکتریکی پس از یک رویداد بزرگ قابل تعویض می‌باشند.
2. اعضای تیرها و ستون‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند تا الاستیک باقی بمانند. این موضوع اجازه می‌دهد تا تیر بدون نیاز به ضوابط SMF برای مهار جانبی تیرها طراحی شود.

نسخه اتصالات تائید شده از AISC 358-16 برای قاب‌های خمشی ویژه و متوسط در راستای استفاده‌های لرزه‌ای که به زودی منتشر می‌شود، شامل اتصالات خمشی Simpson Strong-Tie برای قاب‌های فولادی خمشی ویژه و متوسط در فصل 12 می‌باشد. مکانیسم مرسوم تسلیم تیر برای یک قاب خمشی از تیر حذف شده و به المان تعویض پذیر Yield-Link محدود شده است. فیوزهای Yield-Link در کارگاه توسط پیچ‌های نوع twist-off-type کنترل شده با تنش (T/C) به هم متصل شده‌اند. یک صفحه مقاوم در برابر کمانش (BRP) در بالای ناحیه کاهش یافته (ریشه) از Yield-Link پیچ شده است.

تب برشی شامل سوراخ‌های افقی بالا و پایین، برای به حداقل رساندن انتقال نیرو از تیر به ستون می‌باشد. همه جوش‌های کارگاهی و سیستم‌های پیچ T/C توسط یک شخص ثالث بازرسی می‌شود.

 مفصل قاب خمشی ویژه، فیوز سازه‌ای ™Yield-Link برای قاب‌های مقاوم که در کارخانه نصب شده است.

قاب نشان دهنده یک رویکرد طراحی مبتنی بر ظرفیت است که اجازه می‌دهد تا اتصال، تحت ترکیبات بار با اعمال ضریبی الاستیک باقی می‌ماند، در حالی که تقاضای چرخش غیر الاستیک محدود به Yield-Link است. تحت جابه‌جایی‌های بزرگ، انتظار می‌رود تا ساقه فیوز Yield-Link تحت هر دو تنش کششی و فشاری تسلیم شود. BRP، همراه با صفحات جداساز، مانع کمانش ساقه تحت سیکل‌های فشاری می‌شود. طراحی اعضای تیر و ستون مبتنی بر حداکثر مقاومت پارگی ساقه اتصال (Pr_link) می‌باشد. از آنجا که مقاومت پارگی برای یک فیوز سازه‌ای Yield-Link ثابت است، لازم است تا تیر و ستون‌ها چک شوند تا اطمینان حاصل گردد که مقاومت اتصال از حد الاستیک اعضای قاب تجاوز نمی‌کند. آزمایش قاب سیکلیک با مقیاس واقعی نشان دهنده این موضوع است که ظرفیت تغییر شکل پذیری بالای سیستم، عموماً برابر و یا بیشتر از زاویه دریفت طبقه‌ای با مقدار 06/0 رادیان بوده است. اتصالات قوی SMF به ‌صورت موفقیت آمیزی توانایی ارضا نمودن و حتی فراتر رفتن از ضوابط تائید شده AISC را نشان می‌دهد.

قاب‌های خمشی یک طبقه مرسوم

طیف گسترده‌ای از پروژه‌ها - اعم از قاب‌های یک طبقه تحت این برنامه‌های بهسازی اجباری تا قاب‌های چندطبقه و چند دهانه در بهسازی داوطلبانه و سازه‌های جدید- از این راه حل‌های نوآورانه بهره برده است. استفاده از قاب‌های یک طبقه رایج است و به همین خاطر بسیاری از این احکام تمرکز خود را بر ارزیابی و بهسازی طبقه اول قرار داده‌اند. 

در سازه‌های پرجمعیت با ساکنین متعدد و فضای پارکینگ محدود، به حداقل رساندن زمان و تجاوز به حریم ساکنین در طول ساخت و ساز از اهمیت خاصی برخوردار است. ساکنین می‌توانند در طول ساخت و ساز به اشتغال در واحد خود بپردازند، از آنجایی که SMF از نوع Strong Frame پیچی هستند نیاز به هیچ‌گونه جوشکاری در محل ندارند. پروژه‌ها برای بازرسی جوش به تأخیر نمی‌افتند، زمان و پروسه نصب و راه اندازی کاهش می‌یابد و خطر آتش سوزی در ارتباط با جوشکاری در طول اجرا حذف می‌شود.

 نصب قاب که جهت بهسازی طبقه نرم، تیر قبل از پیچ کاری در جای خود قرار می‌گیرد.

در بسیاری از موارد در طراحی بهسازی، لازم است که دسترسی به قاب در داخل سازه در گوشه‌های تنگ وجود داشته باشد. استفاده از گزینه قاب پیچی این امکان را می‌دهد که تیرها و ستون‌ها مونتاژ شوند. این امر، تخریب (که در شرایط قاب‌های از پیش مونتاژ شده ممکن است نیاز شود) را کاهش داده و ادغام آسان در برنامه ساخت و ساز پروژه را ممکن می‌سازد. با حذف مهار جانبی تیرها، تأثیرات منفی در معماری و هزینه نیروی کار در نصب و راه اندازی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.

 قاب‌های چند طبقه

یک سازه قاب چوبی چند واحده بر روی یک شیب تند در محله Potrero Hill از سان‌فرانسیسکو اخیراً تحت بازسازی اساسی قرار گرفت. برای داشتن یک نمای باز مشرف به خلیج سان‌فرانسیسکو و پل خلیج، یک قاب خمشی ویژه سه طبقه الزامی بود. شرکت Simpson Strong-Tie و شرکت مهندسان المان‌های سازه‌ای EOR که در خلیج شرقی در کالیفرنیا قرار دارد، در این پروژه همکاری کردند.

محدودیت‌های ساختگاه مانند قاب‌های چوبی موجود، منطقه شیب دار، بازشوهای افست و حداقل فضا برای تیرها و ستون‌ها، طراحی SMF جوش داده شده سنتی را دشوار نمود. چالش اصلی برای تیم طراحی ناتوانی در فراهم نمودن مهارهای جانبی برای جلوگیری از کمانش تیر طبق ضوابط آیین نامه‌ای در فصل 5 از AISC 358-10 برای سطح مقطع ابتدایی کاهش یافته (RBS) بود.

جزئیاتی از این پروژه به شرح زیر است:

• طبقه اول شامل یک قاب سه دهانه بود که 50 فوت از عرض کلی سازه را پوشش می‌داد. ستون‌ها ارتفاع‌های مختلفی داشتند، به طوری که از یک سمت تا سمت دیگر این مقدار از 16 تا 8 فوت متغیر بود.
• دو طبقه فوقانی شامل دو طبقه قاب تک دهانه بود که بالای طبقه اول قرار داشت.
• ستون‌های بالایی از ستون‌های پایینی جدا بودند. این مورد نیازمند طراحی یک قاب در طبقه پایین‌تر برای احتساب بی‌نظمی‌های عمودی بود.
• اتصال پیچی که در محل انجام گرفت، ستون طبقه بالا را به تیرهای زیر متصل نمود.
• EOR اتصال قاب را به سازه موجود و فونداسیون مهیا ساخت.
• قاب، با استفاده از تمام اجزای مورد نیاز مهیا شده برای نصب، به طور کامل در یک روز ساخته شد.
• اتصالات snug-tight بدون هیچ‌گونه ابزار خاصی در محل نصب شدند.
• هیچ‌گونه جوشکاری و یا بازرسی خاص در محل برای ساخت قاب لازم نشد.

منبع

ترجمه شده توسط تیم مترجمین ۸۰۸

اگر دوست دارید به تیم مترجمین ۸۰۸ بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.