مقاله تحلیلی:‌ انواع تیرهای کوپله

معمولاً دیوارهای برشی بتنی برای سازه‌های بتن مسلح، سیستم مقاوم جانبی اصلی به‌حساب آمده و پایه‌های مجاور دیوارهای برشی عموماً توسط تیرهای کوپله موجود در بالای درب‌ها و راهروهای تراز طبقات به یکدیگر متصل می‌گردند. تیرهای کوپله لنگرهای خمشی وارد بر پایه‌های اطراف دیوار برشی را کاهش می‌دهند، مکانیسم استهلاک انرژی را در برابر ارتفاع کل سازه فراهم می‌آورد و کارایی سیستم دیوار برشی را بهبود می‌بخشد.

از مهم‌ترین اعضای یک سازه بتن مسلح تیرهای کوپله هستند که باید تحت اثر بارهای سیکلی یک ظرفیت استهلاک انرژی عالی را به نمایش بگذارند. این استهلاک انرژی باید بدون کاهش مقاومت و سختی قابل‌ملاحظه باشد. یک عملکرد هیسترتیک شکل‌پذیر برای تیر کوپله معمولاً با یک دیتیل پیچیده حاصل می‌گردد که این خود موجب مشکلات اجرایی در ساخت می‌گردد. با استفاده از طرح یک لایه میلگرد گذاری و جستجوی یک مصالح متفاوت و متنوع، می‌توان در جستجوی انواع تیرهای کوپله ای بود که بین اجرایی بودن ساخت و عملکرد شکل‌پذیر چرخه‌ای آن‌ها تعادل برقرار می‌کند.

در حال حاضر ۵ نوع تیر کوپله متداول وجود دارد که در آیین‌نامه‌های ساختمانی و طراحی صنعتی به کار می‌روند:

• تیرهای کوپله متعارف
• تیرهای کوپله بتنی با آرماتور گذاری مورب
• تیرهای کوپله فولادی
• تیرهای کوپله کامپوزیت (مرکب مدفون در قفسه آرماتور موجود در بتن)
• تیرهای کوپله کامپوزیت جاسازی‌شده در بتن به‌صورت تیرورق

تیرهای کوپله متعارف

 منظور از تیرهای کوپله بتنی متعارف تیرهایی است که با میلگردهای افقی و  خاموت های بسته ساخته می‌شوند. طراحی و جزئیات اجرایی تیرهای کوپله بتن مسلح متعارف همانند اعضای یک قاب خمشی ویژه بتن مسلح طبق ضوابط کدهای ساختمانی همچون ACI318 انجام می‌گردد (شکل ۱). 

با توجه به‌سادگی دیتیل اجرایی و سهولت ساخت این نوع کوپله، گسترده‌ترین طیف تیرهای کوپله ای می‌باشند که در طراحی سازه‌های بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. گاهی اوقات ابعاد تیر کوپله متعارف در سازه‌های بتنی با سقف دال تخت و در نواحی با خطر لرزه‌ای کم، بیشتر از پایه‌های اطراف دیوار برشی می‌شود.

به‌هرحال تیر کوپله بتنی متعارف استهلاک انرژی مناسبی را تحت اثر تنش‌های برشی شدید سیکلی از خود نشان نمی‌دهد. همچنین در پاسخ هیسترزیس خود، دارای پدیده pinching است (پدیده‌ای که منحنی هیسترزیس ناپایداری را منجر می‌گردد). شکست برشی قطری و شکست برشی لغزشی در این‌گونه از تیرهای کوپله اجتناب‌ناپذیر است. شکست‌های مذکور حتی زمانی که از  دیتیل های همراه با خاموت های بسته استفاده می‌شود، رخ می‌دهند. تحقیقات نشان می‌دهند که تیرهای کوپله متعارف فقط زمانی که دارای تنش برشی اسمی کمتر از سه برابر رادیکال 'f برحسب psi هستند، عملکرد قابل‌توجه و رضایت بخشی از خود به نمایش می‌گذارند و همچنین زمانی که رفتار تیر کوپله از نوع خمشی باشد این اتفاق می‌افتد اگرچه حداکثر تنش برشی اسمی مجاز بر اساس ACI 318-14 برابر ۱۰ ضربدر رادیکال 'f  برحسب psi است.

تیرهای کوپله بتنی با آرماتور گذاری قطری

در دهه ۱۹۶۰، لایه‌ای از میلگردهای قطری در تیرهای کوپله بتنی، برای جلوگیری از وقوع شکست برشی و لغزشی در وجوه پایه‌های کوپل دو طرف دیوار برشی پیشنهاد شد (شکل ۲). به‌مرورزمان تیرهای کوپله بتنی مسلح شده قطری به‌عنوان مؤثرترین دیتیل جهت آرماتور گذاری شناخته شده‌اند به‌نحوی‌که عملکرد شکل‌پذیر همراه با استهلاک انرژی عالی را فراهم می‌آوردند به‌خصوص زمانی که نسبت دهانه به عمق تیر کوپله از دو کمتر باشد. ضوابط طراحی و دیتیل آرماتور گذاری تیرهای کوپله بتنی مسلح قطری در بخش 18.10.7 از آیین‌نامه ACI 318-14 آیین‌نامه ضوابط سازه‌های بتنی مسلح به‌خوبی تدوین گردیده‌اند.

در طراحی تیر کوپله بتنی مسلح شده قطری، نیروی برشی فقط توسط میلگردهای قطری تحمل می‌شود و ظرفیت خمشی مورد نیاز توسط اعضای خرپایی قطری به‌صورت خودکار تأمین می‌گردد. حداکثر تنش برشی اسمی مجاز تیر برابر ۱۰ ضربدر رادیکال 'f برحسب psi است که این مقدار به جهت اطمینان از اصول شکل‌پذیری و انعطاف‌پذیری محدود شده است.

اگرچه تیر کوپله بتنی مسلح شده قطری، سختی و شکل‌پذیری و استهلاک انرژی مطلوبی از خود نشان می‌دهند، بااین‌وجود برخی موارد اجرایی وجود دارد که کاربرد آن را محدود می‌کند و این موارد عبارت‌اند از:

• حداقل عرض اجرایی تیر کوپله بتنی مسلح شده قطری برابر ۱۴ اینچ است (عرض‌های ۱۶ اینچ و بالاتر از  ارجحیت دارند) تا حداقل ضوابط مربوط به روی هم‌گذاری میلگردها طبق آیین‌نامه رعایت گردد.
• جاگذاری میلگردهای قطری داخل دیوار در محل اجرا کار دشواری است و زحمت کارگر را در پی دارد.
• اگر چنانچه نسبت دهانه به عمق تیر بیشتر از ۲ باشد، اثربخشی آن کاهش می‌یابد و زاویه استقرار میلگردهای قطری کاهش می‌یابد. درحالی‌که اغلب ملاحظات معماری در سازه‌های بلندمرتبه باعث افزایش این نسبت می‌گردند.

تیر کوپله فولادی و تیر کوپله کامپوزیت مستقر در قفسه آرماتور

تیر کوپله فولادی و تیر کوپله کامپوزیت جاسازی‌شده در قفسه آرماتور به‌عنوان یک جایگزین قابل‌اعتماد برای تیرهای کوپله بتن مسلح شده قطری هستند تا مشکلات اجرایی ذاتی آن برطرف گردد. اعضای فولادی مورد استفاده در این نوع تیر کوپله (تیر کوپله فولادی و کامپوزیت) از نوع تیرآهن بال پهن است، گرچه در مطالعات اخیر از مقاطع باکس نیز استفاده شده است (شکل ۳) آزمایش‌های گسترده نشان می‌دهند که هردوی تیرهای کوپله فولادی و کامپوزیت می‌توانند شکل‌پذیری و استهلاک انرژی مناسبی را فراهم آورند که از این جهت با تیرهای کوپله مسلح شده قطری قابل مقایسه هستند.

آیین‌نامه AISC 341-16 که ضوابط لرزه‌ای سازه‌های فولادی را بیان می‌کند، هردوی تیر کوپله مذکور را در دیوارهای برشی کامپوزیت با ضوابط طراحی و جزئیات اجرایی به رسمیت می‌شناسد.

در این دو نوع تیر کوپله، فرض می‌شود که کلیه نیروهای برشی و لنگرهای خمشی تماماً توسط عضو فولادی تحمل می‌گردد. مزایای بتن موجود در اطراف تیر فولادی فعلاً صرف‌نظر می‌گردد چون اطلاعاتی راجع به آن در دسترس نیست. بتن مذکور، سختی بالای تیر فولادی را فراهم می‌آورد به‌علاوه اینکه به‌عنوان یک لایه عایق آتش‌سوزی برای تیر فولادی عمل می‌کند.

برخلاف تیر کوپله بتنی مسلح که حداکثر تنش برشی مجاز برای آن در ضوابط آیین‌نامه ACI 318-14 برابر ۱۰ ضربدر رادیکال 'f  برحسب psi  است، برای تیرهای کوپله کامپوزیت می‌توان یک تخفیف قائل شد. اگرچه مطالعه‌ای بر روی اندرکنش بین تیر فولادی و بخش بتنی تیر کوپله کامپوزیت انجام نشده است، بااین‌حال مقادیر ابعاد اجرایی تیر فولادی نسبت به مقطع بتنی باید طوری تنظیم شود تا اطمینان حاصل شود که عملکرد آن‌ها در قالب یک ترکیبی از فولاد و بتن به‌صورت مرکب است. به‌طور مشابه، حداکثر مقدار مجاز تنش برشی اصلی تیر کوپله کامپوزیت جهت جلوگیری از ترک‌خوردگی محفظه بتنی متناسب است (همان مقدار تنش که برای تیر کامپوزیت بتنی ذکر شد)، درحالی‌که هنوز هیچ مقداری برای آن در پژوهش‌های پیشین ذکر نشده است.

مهم‌ترین موردی که در طراحی تیرهای فولادی و تیرهای کوپله کامپوزیت مطرح است، مسئله مهار اعضای فولادی است. طراحی طول مهاری (مقداری از طول تیر کوپله که داخل دیوار قرار می‌گیرد) این دو نوع  تیر کوپله معمولاً بر اساس مدل صلب مهاری ماتچ - گافار از طریق ارضای مقاومت برشی مورد انتظار اتصال تیر کوپله و دیوار انجام می‌گردد (روابط H4.1 و H5.1   موجود در AISC 341-16 دیتیل مناسب اجرایی در طول دهانه تیر کوپل و در ناحیه مهاری داخل دیوار اهمیت دارد به‌خصوص برای دستیابی به عملکرد مطلوب و استهلاک انرژی مناسب اهمیت دارد).

در مقایسه با تیر کوپله بتنی مسلح شده قطری، ساخت تیر کوپله فولادی و کامپوزیت آسان‌تر است و این باعث می‌شود که اختلال در برنامه زمان‌بندی پروژه از بین برود به‌خصوص هنگامی‌که سازنده با روش ساخت و روند آن آشنا باشد.

به‌هرحال اعضای فولادی بال پهن تمایل دارند که با میلگردهای عمودی و تقویتی موجود در پایه‌های کوپل اطراف دیوار برشی تداخل داشته باشند به‌خصوص وقتی‌که دیوار برشی از نوع شکل‌پذیر ویژه باشد و دو طرف آن با المان‌های مرزی مسلح شده باشد. برای مشارکت هر دوی دیتیل های میلگردهای دیوار برشی و بخش طول مهاری تیر کوپله فولادی باید از پایه‌های کوپل اطراف دیوار برشی به‌صورت عریض و یا هالتر شکل و یا یک دیتیل خواص دیگر استفاده کرد. اجرای روش کپ کردن بال تیرآهن یعنی روش کاهش و بریدن بال تیر جهت سهولت در اجرای آن توصیه نمی‌گردد چراکه موجب افزایش تقاضای طول مهاری تیر کوپل شده و همچنین ناحیه محافظت شده تیر فولادی کوپله را با نقص و عیب مواجه می‌کند. به‌علاوه اینکه طول مهاری اعضای فولادی، نصب غلاف‌هایی که عموماً برای نصب سیستم لوله‌کشی اطفای حریق  احتیاج است را با مشکل مواجه می‌کند.

تیر کوپله فولادی کامپوزیت با ورق فولادی مهارشده

برای اینکه تضاد و عدم سازگاری اعضای فولادی با بتن دیوار برشی کاهش یابد، طراحان از تیرکوپله کامپوزیت با ورق فولادی مهارشده استفاده می‌کنند.

 همان‌گونه که در شکل ۴ نشان داده شده است برش گیرها به هر دو وجه عمودی جانبی ورق فولادی مهارشده در تیر کوپله کامپوزیت جوش داده شده‌اند و موقعیت استقرار آن‌ها طوری است که در اجرای میلگردهای عمودی دیوار برشی اختلال کمتری ایجاد می‌کنند، اگرچه برای اجرای میلگردهای افقی و تقویتی باید دیتیل خاصی ارائه گردد. برش گیرها برای تأمین مهار کافی و مناسب و تأمین باربری نیروهای جانبی موجود بین بخش بتنی و ورق فولادی لازم هستند.

تحقیقات نشان می‌دهند که وجود ورق فولادی به‌طور مؤثری مانع از گسترش ترک‌های قطری شده و از رخداد شکست ترد در تیر کوپله بتنی جلوگیری می‌کند و تیر کوپله کامپوزیت با ورق فولادی مهارشده عملکرد شکل‌پذیرتر و قابلیت انعطاف بیشتری نسبت به تیر کوپله بتنی متعارف از خود نشان می‌دهد.

همانند تیر کوپله کامپوزیت با پروفیل جاسازی‌شده در قفسه آرماتور، طراحی مناسب طول مهاری ورق فولادی در این نوع تیر کوپله برای حصول اطمینان از عملکرد مناسب از لحاظ شکل‌پذیری آن اهمیت دارد. مدل صلب ماتاچ - گافار می‌تواند برای تعیین طول مهاری ورق فولادی مورد استفاده قرار گیرد با فرض اینکه توزیع تنش بین ورق فولادی و برش گیرها یکنواخت است.

در طراحی ظرفیت این  تیر کوپله کامپوزیت، نیاز است که سهم هر دو بخش ورق فولادی و بتن در نظر گرفته شود. ورق فولادی به جهت تکمیل ظرفیت مقطع بتنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با توجه به این‌که در اثر اندرکنش بین بخش بتن مسلح و ورق فولادی، توزیع‌های کرنشی مختلفی وجود دارد، SU و Lam در سال ۲۰۰۹ یک رویکرد یکپارچه طراحی برای این نوع از تیرهای کوپله ارائه داده‌اند. قوانین حاکم بر طراحی عبارت‌اند از:

الف) نسبت عمق ورق فولادی نسبت به عمق کل تیر کوپله کامپوزیت نباید از 0.8 تا 0.95 تجاوز کند.

ب) موارد اجرایی نسبت‌های دهانه به عمق تیر کوپل در محدوده ۱ تا ۴ قرار دارد.

ج) حداقل میزان فولاد برشی باید اجرا گردد.

د) حداقل طول اضافه مهاری ورق فولادی به نسبت طول دهانه به عمق بستگی دارد و می‌تواند از مقادیر 0.35 تا 0.7 برابر طول خالص دهانه تیر متغیر باشد.

س) حداکثر تنش برشی اسمی تیر به مقدار  ۱.۵ ضربدر رادیکال f_cu برحسب مگا پاسکال یا ۱۸ ضردبدر رادیکال f_cu برحسب psi محدود شده است و حداکثر نیروی برشی تحمل شده توسط ورق فولادی نباید از  0.45 تجاوز کند که استفاده از این نوع تیرکوپله را محدود می‌کند.

کاهش سختی تیر

تحت اثر چهارچوب طراحی بر اساس مقاومت، تحلیل و طراحی ساختمان‌ها عمدتاً بر اساس یک مدل سازه الاستیک خطی انجام می‌گردد. در نظر گرفتن مواردی مثل ترک‌خوردگی تیر، لغزش میلگردها در داخل بتن و میزان گیرداری اعضای فولادی همگی باعث کاهش سختی تیر کوپل شده که میزان این کاهش بسته به نوع تیر کوپل در مدل‌های الاستیک آن‌ها لحاظ می‌گردد:

ACI 318-14 برای تیرهای بتنی متعارف و مسلح شده قطری ضریب کاهش سختی 0.35 را تعیین کرده است که برای مقاومت نهایی بوده و در بیش‌تر در طراحی‌های صنعتی صدق می‌کند.

بر اساس AISC341-16 سختی خمشی مؤثر الاستیک در طراحی نهایی تیر فولادی کوپل برابر ۶۰% سختی خمشی مؤثر الاستیک اصلی ثابت تیر است؛ یعنی:

سختی خمشی مؤثر الاستیک تیر پله فولادی جاسازی‌شده در قفسه آرماتور برای طراحی نهایی توسط Motter همکاران در سال ۲۰۱۷ پیشنهاد شده است:

در این رابطه l_n/h  نسبت طول دهانه به عمق تیر و I_trans ممان اینرسی تبدیل شده تیر فولادی جاسازی‌شده در قفسه آرماتور است (تبدیل شده بدین جهت که مقطع تیر کوپل مرکب است). به‌هرحال این رابطه منجر به محاسبه مقدار سختی کوچکی می‌گردد زمانی که نسبت طول دهانه به عمق کوچک باشد. طبق کاربردهای صنعتی، 0.35EcIg را می‌توان به‌عنوان حداقل سختی در تحلیل این نوع تیرها به کار برد.

فرمول به روز و جدیدی برای محاسبه سختی خمشی مؤثر تیر طول کامپوزیت با ورق فولادی مهارشده به‌صراحت ارائه نگردیده است. نتایج مطالعات آزمایشگاهی نشان می‌دهند که اختلاف سختی بین تیر کوپله کامپوزیت با ورق فولادی و تیر کوپله بتنی متعارف قابل‌توجه نیست (بررسی شده توسط SU و Lam  در سال ۲۰۰۹)؛ بنابراین سختی 0.35EcIg مقدار قابل قبولی در طراحی نهایی تیر کوپله کامپوزیت با ورق فولادی مهارشده است.

برای تیرهای کوپله فولادی و تیرهای کامپوزیت با فولاد جاسازی‌شده در قفسه آرماتور، محاسبه سختی خمشی مؤثر تا قبل از تعیین سایز دقیق پروفیل فولادی، به‌صورت سعی و خطا انجام می‌گردد.

توزیع نیروی برشی قائم در تیر

در طراحی سازه‌های بلندمرتبه، مهندسان طراح معمولاً کنترل محاسبات تیر را برای چندین طبقه تعمیم می‌دهند تا از تغییرات بیش‌ازحد نقشه از یک طبقه به طبقه دیگر جلوگیری کنند.

به‌عنوان مثال میلگردهای مورد نیاز تیرهای کوپله هر چند طبقه مجاور با یکدیگر دسته‌بندی شده و بسته به اینکه تغییرات نیروی برشی در ارتفاع کل سازه چگونه است، اجرا می‌گردند. طراحان ممکن است که تیرهای کوپله بالا و پایین موجود در یک تراز عمودی که تنش یک تیر بالا و دیگری پایین است را در راستای هم قرار دهند تا با این کار از تراکم بیش‌ازحد میلگردها جلوگیری شود. این کار معادل استفاده از سختی مؤثر کمتر تیرهای کوپل در تحلیل است اما باید بررسی شود که به لحاظ شکل‌پذیری و قابلیت انعطاف انواع تیرهای کوپل، مجاز است یا خیر.

هنگامی‌که تیرهای کوپل بتنی متعارف تحت اثر تنش‌های برشی سیکلی بزرگ قرار می‌گیرند، شکل‌پذیری و قابلیت انعطاف ضعیفی از خود نشان می‌دهند؛ بنابراین باز توزیع نیروهای برشی قائم توصیه نمی‌گردد. درحالی‌که سایر ۴ تیر کوپل مذکور در این مقاله شکل‌پذیری و قابلیت انعطاف به‌مراتب بهتری از خود به نمایش می‌گذارند. لحاظ کردن حداقل سختی و یا توزیع عمودی نیروی برشی در تیر کوپل برای طراحی ساختمان‌هایی که درگیر سیستم تیر کوپل و کاهش تراکم میلگردهای آن هستند می‌تواند منطقی به نظر برسد. آیین‌نامه AISC341-16 برای تیرهای کوپل فولادی و کامپوزیت اجازه توزیع عمودی نیروی برشی را به میزان بیش از ۲۰ درصد می‌دهد.

خلاصه

هر یک از این پنج نوع تیر کوپل که در صنعت کاربرد دارند، دارای مزایا و معایب منحصربه‌فرد خودشان هستند که در جدول به‌صورت  چکیده آورده شده‌اند. تا الان هیچ یک از تیرهای کوپل مذکور برای تمام موارد و مقاصد طراحی در سازه قابل استفاده نبوده‌اند. تیر کوپله بتنی متعارف زمانی که تنش برشی وارده کم باشد،  اجرایی‌تر و مقرون‌به‌صرفه تر است و به‌صورت خمشی کنترل می‌گردد. زمانی که نسبت طول دهانه به عمق تیر کم است و تنش‌های برشی بزرگ وجود دارد برای انتخاب، سایر چهار تیر کوپل مذکور باید مورد بررسی قرار داد. محدودیت مربوط به هر یک از تیرها باید در ذهن هر  طراح نگهداری شود تا در طراحی هر پروژه خاص، تیر کوپل مورد نظر انتخاب گردد. همان‌طور که همیشه طراحان باید ترجیحات تیم ساخت را که برایشان امکان ساخت فراهم می‌آورد، در نظر داشته باشند چون پیمانکاران نظرات متفاوتی راجع به روش اجرای پروژه دارند.

منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

 اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 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.